DE69617269T2

DE69617269T2 - Nullbewegungsdetektionssystem für verbessertes fahrzeugnavigationssystem

Info

Publication number: DE69617269T2
Application number: DE69617269T
Authority: DE
Inventors: R. Croyle; E. Spencer
Original assignee: Magellan DIS Inc
Current assignee: Magellan DIS Inc
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 2002-07-25
Anticipated expiration: 2016-12-28
Also published as: US5991692A; DE69617269D1; EP0870175B1; JP2000502803A; EP0870175A2; ATE209337T1; WO1997024584A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fahrzeugnavigationssysteme. Die Erfindung betrifft insbesondere ein verbessertes Fahrzeugnavigationssystem und ein Verfahren zur Fehlerreduzierung bei geringer oder keiner Geschwindigkeit des Fahrzeugs.

Hinterrund der Erfindung

Das Navigation Satellite Timing and Ranging (NAVASTAR) GPS ist ein im Weltraum stationiertes Satelliten-Radio-Navigationssystem, entwickelt vom US Verteidigungsministerium (Departement of Defense; DoD). GPS Empfänger versorgen Anwender zu Land, zu Wasser und in der Luft mit kontinuierlichen dreidimensionalen Orts-, Geschwindigkeits- und Zeitdaten.
Das GPS-System besteht aus drei Hauptsegmenten: Weltraum, Steuerung und Anwender, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Das Weltraum-Segment besteht aus einer Nennkonstellation von 24 betriebsbereiten Satelliten, die in 6 Umlaufebenen über der Erdoberfläche positioniert wurden. Die Satelliten befinden sich in kreisförmigen Umlaufbahnen in einer Orientierung, die einem GPS-Anwender normalerweise mindestens 5 Satelliten in Empfangsweite von jedem Punkt auf der Erde und zu jeder Zeit bereitstellt.
Jeder Satellit sendet kontinuierlich Navigationsdaten. Diese Navigationsdaten, die von dem GPS-Steuersegment berechnet und gesteuert werden, enthalten die Satellitenzeit, seine Taktkorrektur und Ephemeridenparameter, Gestirns-/ Wetterdaten und den Betriebszustand aller GPS-Satelliten. Aus dieser Information berechnet der Anwender die exakte Position und den Takt-Offset des Satelliten.
Das Steuersegment besteht aus einer Hauptsteuerungsstelle und einigen Überwachungsstationen an verschiedenen Stellen rund um die Welt. Jede Überwachungsstation verfolgt alle sichtbaren GPS-Satelliten und sendet die Signalmeßdaten an die Hauptsteuerungsstelle zurück. Dort werden Berechnungen durchgeführt, um die exakten Satellitenephemeriden und Satellitentaktfehler zu bestimmen. Die Hauptsteuerungsstelle erzeugt das Hinaufladen der Navigationsdaten des Anwenders von jedem Satellit. Diese Daten werden anschließend von dem Satellit als Teil seiner Navigationsdaten-Nachricht zurückgesendet.
Das Anwendersegment ist die Gesamtheit aller GPS-Empfänger und deren die Anwendung unterstützendes Equipment wie Antennen und Prozessoren. Dieses Equipment ermöglicht es den Anwendern, die Informationen zu empfangen, zu dekodieren und zu verarbeiten, die notwendig sind, um genaue Messungen der Position, der Geschwindigkeit und der Zeit zu erhalten.
GPS-basierende Positionsergebnisse sind bei geringen Fahrzeugbewegungen naturgemäß schlecht. Einige der heutigen Systeme verwenden ein festverdrahtetes Geschwindigkeitssignal oder Odometereingangssignal, um dabei zu helfen, Distanzfehler bei Zuständen geringer oder keiner Bewegung zu korrigieren oder zu kalibrieren. Dieser Ansatz der Festverdrahtung erhöht die Gesamtkosten des Systems, erfordert Spezialkenntnisse des Verschaltungssystems des Fahrzeugs, und erfordert eine spezielle Verschaltungsstruktur, um eine Verbindung mit jedem einzelnen Fahrzeug herzustellen. Zusätzlich benötigen bestimmte Systeme ein Kalibrierungsprozedur, um den Null-Offset des Bewegungssensors zu bestimmen. Beispielsweise muß der Anwender in einem System, das einen Kompaß oder einen Kreisel verwendet, einen Kalibrierungsknopf drücken, über einen Mindestzeitraum im Kreis fahren und anhalten, um den Null-Offset jener Vorrichtungen zu ermitteln. Unter Verwendung des Straßenverkehrsnetzes einer Kartendatenbank kann das System den Null-Offset für den Kreisel berechnen, wenn das Fahrzeug entlang einer geraden Linie fährt. Odometer wurden früher bei Nullbewegungen verwendet, sind jedoch im allgemeinen unterhalb von 3 mph mehrdeutig und erfordern ebenfalls eine Festverdrahtung. Andere Systeme erfordern einen Drehsensor, um bei diesen geringen Fahrzeugbewegungen oder anderen ungünstigen GPS-Bedingungen die Kursänderungen des Fahrzeugs zu bestimmen.
Die EP-A-0 488 594 beschreibt ein Gerät zur Offset-Korrektur, das einen Wende-Winkelgeschwindigkeits-Sensor, einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor zur Ausgabe eines Pulssignals nach jeder konstanten, von dem Fahrzeug zurückgelegten Strecke sowie Stillstand-Bestimmungsmittel, um ein Stehen des Fahrzeugs zu bestimmen. Ein Stehen des Fahrzeugs wird ermittelt, wenn das Pulssignal von dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor verschwindet und der Ausgangspegel von dem Wende-Winkelgeschwindigkeits-Sensor unter einem Schwellenwert liegt. Nach der Erfassung des Fahrzeugstillstandes berechnet das System den Offset-Wert des Wende-Winkelgeschwindigkeits-Sensors.
Daher besteht ein Bedarf an einem verbesserten Fahrzeugnavigationssystem, das genauer, effizienter und rentabler Fehler in der Positionsbestimmung bei geringer oder keiner Geschwindigkeit verringern kann als heutige Fahrzeugnavigationssysteme.

Zusammenfassung der Erfindung

Das Nullbewegungs-Erfassungssystem für ein verbessertes Fahrzeugnavigatinssystem kann Nutzen aus der jüngsten Verfügbarkeit von preiswerten, mikromaschinell hergestellten und piezoelektischen Sensoren ziehen, und überwindet teilweise die geringe Dynamik und Begrenzungen durch die Sichtlinie von GPS-Empfängern, ohne auf den oben beschriebenen Ansatz der Festverdrahtung zurückzugreifen. Die Sensoren führen aufgrund ihres anhaftenden DC-Offsets und ihrer anhaftenden Driftgeschwindigkeiten systembedingte Fehler ein. Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem minimiert sowohl die durch den Sensor bedingten Fehler als auch Grenzen des GPS durch geringe Dynamik, indem ein Nullbewegungs-Erfassungssystem als (innerhalb des Navigationssystems) in sich abgeschlossene, fahrzeugunabhängige Vorrichtung verwendet wird. Das Nullbewegungs-Erfassungssystem erlaubt die Rekalibrierung des Null-Offsets bei jedem Nullbewegungs-Zustand, und stellt einen echten Nullbewegungs-Indikator bereit. Darüber hinaus verbessert das System die Übertragbarkeit, indem es die Notwendigkeit des Ansatzes der Festverdrahtung abschafft.
Bei bestimmten Ausführungsformen liefern die oben beschriebenen Sensoren ein analoges Ausgangssignal, das entweder proportional zur Beschleunigung (mikromaschinell hergestellter Beschleunigungsmesser) oder der Drehzahl (piezoelektrischer Kreisel) ist, mit einer DC-Offset-Spannung. Diese Offset- Spannung wirkt sich stark auf die Genauigkeit der Messung aus. Diese Offset- Spannung wird außerdem von der Temperatur, der Beladung des Fahrzeugs und der realen Anbringung der Vorrichtung im Verhältnis zum Fahrzeug beeinflußt. Durch Messung und Erfassung der Amplitude der Schwingungen und Vergleich dieser Amplitude mit einem vordefinierten Schwellenwert kann das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem bestimmen, ob sich ein Fahrzeug bewegt oder ob es steht.
Steht das Fahrzeug, so mittelt das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem über die Ablesungen des Sensors, um diese Mittelung als DC-Offset-Spannung für diesen Sensor zu nutzen. Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem gibt ein Nullbewegungs-Signal an den auf dem GPS basierenden Positionierungsmotor, der einen Nullbewegungs-Zustand angibt. Der Positionierungsmotor kann diese Informationen verwenden, um Kursänderungen festzuhalten und Geschwindigkeitsmessungen zu kalibrieren. Wenn festgestellt wird, daß sich das Fahrzeug wieder bewegt, hält das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem die DC- Offset-Messung fest, die während des Nullbewegungs-Zustandes aufgenommen wurde, und der Positionierungsmotor wird freigegeben, um Änderungen in der Ausrichtung und der Geschwindigkeit zu aktualisieren.
Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem beseitigt folglich den "Abwanderungs"-Effekt der GPS-Position, während sich das Fahrzeug im Stillstand befindet. Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem kommt somit mit kostengünstigeren Verstärker/Sensor-Kombinationen in Hochleistungs- Navigationssystemen aus.
Diese Ziele werden durch ein Fahrzeugnavigationssystem mit einem verbessertem Nullbewegungs-Erfassungssystem, umfassend einen Bewegungs- Erfassungssensor, der Bewegungssignale mit einem Offset liefert, wobei das Nullbewegungs-Erfassungssystem wenigstens einen Abtastwert der Bewegungssignale mit einem Schwellenwert vergleicht, um einen Nullbewegungs-Zustand zu bestimmen, und das Nullbewegungs-Erfassungssystem den Offset bestimmt, wenn der Nullbewegungs-Zustand gegeben ist, wobei das Navigationssystem eine vorhergehende Position auf der Grundlage eines von Null verschiedenen Geschwindigkeitssignal an eine momentane Position verschiebt, wenn der Nullbewegungs-Zustand nicht bestimmt wurde, wobei das Navigationssystem das von Null verschiedene Geschwindigkeitssignal ignoriert und eine zuvor bestimmte Position festhält, die auf der Bestimmung des Nullbewegungs-Zustandes basiert.
Diese Ziele werden auch durch ein Verfahren zur Erfassung eines Nullbewegungs-Zustandes erreicht, das in einem Fahrzeugnavigationssystem eingesetzt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Erzeugung eines Bewegungssensor-Signals mit einem Offset, Bestimmung eines Nullbewegungs- Zustandes durch Vergleich von wenigstens einem Abtastwert des Bewegungssensor-Signals mit einem Schwellenwert, Verwendung von wenigstens einem der Abtastwerte, um den Offset zu bestimmen, wenn der Nullbewegungs-Zustand ermittelt wurde, und Festhalten einer zuvor bestimmten Position, die auf der Bestimmung des Nullbewegungs-Zustandes basiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch das Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen ersichtlich, in denen:
Fig. 1 eine allgemeine Darstellung der verschiedenen Segmente in dem NAVSTAR GPS System ist;
Fig. 2 Variationen eines verbesserten Fahrzeugnavigationssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 ein Block/Datenfluß-Diagramm einer Version des verbesserten Fahrzeugnavigationssystems der Fig. 2 zeigt;
Fig. 4a ein Blockschaltbild eines Nullbewegungs-Erfassungssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigt, und Fig. 4b ein Flußdiagramm für den Betrieb des Nullbewegungs-Erfassungssystems der Fig. 4a zeigt;
Fig. 5a und 5b ein allgemeines Flußdiagramm des Betriebs bestimmter Ausführungsformen des verbesserten Fahrzeugnavigationssystems der Fig. 2 zeigen; und
Fig. 6a-6d allgemeine Schaubilder zeigen, die veranschaulichen, wie das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem zur Positionsverschiebung die Kursinformation mit dem Kartenkurs aktualisiert.
Während die Erfindung verschiedene Modifikationen und alternative Formen haben kann, sind spezielle Formen der Erfindung beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden ausführlich beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, daß es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die spezielle Ausführungsform zu begrenzen, die beschrieben ist. Es ist im Gegenteil beabsichtigt, alle Modifikationen mit einzuschließen, die in den Umfang des Erfindung fallen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Eine veranschaulichende Ausführungsform des verbesserten Positionsbestimmungssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung und Methodenlehre ist weiter unten so beschrieben, wie sie implementiert sein könnte, unter Verwendung eines Nullbewegungs-Erfassungssignals, das ein Nullbewegungs-Signal liefert, um Fehler bei GPS-Positionsbestimmungen und - Sensoren zu liefern. Aus Gründen der Verständlichkeit sind nicht alle Merkmale der tatsächlichen Implementierung in dieser Beschreibung erläutert. Es ist klar, daß bei der Entwicklung einer solchen tatsächlichen Implementierung (wie bei jedem Entwicklungsprojekt) zahlreiche, speziell die Implementierung betreffende Entscheidungen so gestaltet sein müssen, daß die speziellen Ziele und Teilziele des Entwicklers erreicht werden, wie etwa die Verträglichkeit mit system- und geschäftsrelevanten Beschränkungen, welche von einer Implementierung zur anderen variieren können. Darüber hinaus ist klar, daß eine solche Entwicklungsleistung komplex und zeitaufwendig sein kann, jedoch nichtsdestotrotz für den Durchschnittsfachmann, der von dieser Offenbarung profitiert, ein routinemäßiges Vorgehen in der Entwicklung von Bauteilen wäre.
Aspekte des verbesserten Fahrzeugnavigationssystems finden Anwendung in Verbindung mit verschiedenen Systemkonfigurationen. Ein solches Fahrzeugnavigationssystem ist in der gleichzeitig anhängigen US-A-5 862 511 mit dem Titel "Improved Vehicle Navigation System and Method" offenbart, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht worden ist. Weitere Konfigurationen sind möglich, wie es für den Durchschnittsfachmann naheliegend ist.
Fig. 2 veranschaulicht in Form eines Blockschaltbildes beispielhafte Anordnungen eines verbesserten Fahrzeugnavigationssystems 10 für ein Automobil 12. Bei dieser Ausführungsform verwendet das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem 10 GPS-Signale zur Positionsbestimmung. Dazu verwendet das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem 10 eine GPS-Antenne 14 zum Empfang der GPS-Signale. Die Antenne 14 ist vorzugsweise rechtszirkularpolarisiert, hat einen minimalen Antennengewinn von -3dBiC oberhalb eines Elevationswinkels von 5 Grad, und hat einen maximalen Antennengewinn von +6dBiC. Patch- oder Helixantennen, die diese Eigenschaften aufweisen, können verwendet werden. Die GPS-Antenne 14 kann mit einem Vorverstärker 16 verbunden sein, um die von der Antenne 14 empfangenen GPS-Signale zu verstärken. Der Vor-Verstärker 16 ist optional, und die GPS-Antenne kann direkt mit einem GPS-Empfänger 18 verbunden sein.
Der GPS-Empfänger 18 bestimmt durch Messung der Entfernungen (die Distanz zwischen einem Satellit mit bekannten Koordinaten im Raum und der Antenne des Empfängers) mehrerer Satelliten und Berechnung der geometrischen Überschneidung dieser Entfernungen kontinuierlich die geographische Position. Um eine Entfernung zu bestimmen, mißt der Empfänger 18 die Zeit, die das GPS- Signal benötigt, um vom Satellit zur Empfängerantenne zu gelangen. Der von jedem Satellit erzeugte Zeitcode wird mit einem identischen, von dem Empfänger 18 erzeugten Code verglichen. Der Code des Empfängers wird solange verschoben, bis er mit dem Code des Satelliten übereinstimmt. Die resultierende Zeitverschiebung wird mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert, um die Messung der scheinbaren Entfernung zu erhalten.
Da die sich ergebende Entfernungsmessung Ausbreitungsverzögerungen aufgrund von atmosphärischen Effekten sowie Satelliten- und Empfängertaktfehlern enthält, wird sie als "Pseudoentfernung" bezeichnet. Veränderungen jeder dieser Pseudoentfernungen während einer kurzen Zeitspanne werden ebenfalls mit dem Empfänger 18 gemessen und verarbeitet. Diese Messungen, die als Deltaentfernungs-Messungen oder "Delta- Pseudoentfernungen" bezeichnet werden, werden zur Berechnung der Geschwindigkeit herangezogen. Delta-Entfernungen werden in Metern pro Sekunde angegeben, die von dem Empfänger aus den Pseudoentfernungen berechnet werden, und der GPS-Empfänger 18 kann die Trägerphase des GPS- Signals verfolgen, um die Pseudoentfernungen zu glätten. Die Geschwindigkeits- und Zeitdaten werden im allgemeinen einmal pro Sekunde berechnet. Wenn eine der Positionskomponenten, wie etwa die Höhe, bekannt ist, so benötigt der Empfänger 18 nur drei Messungen der Satelliten-Pseudoentfernungen, um seine Geschwindigkeit und Zeit zu bestimmen. In diesem Fall müssen nur drei Satelliten verfolgt werden.
Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, gibt der Empfänger 18 GPS-Messungen an eine Anwendungseinheit 22. Die Anwendungseinheit 22 besteht aus einer Anwendungsverarbeitungsschaltung 24, wie etwa einem Prozessor, einem Speicher, Bussen, der Anwendungssoftware und einer damit verbundenen Schaltung, sowie aus einer Schnittstellen-Hardware 26. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Anwendungseinheit 22 Teil des GPS-Empfängers 18 sein. Die Schnittstellen-Hardware 26 schließt die verschiedenen Komponenten des Fahrzeugnavigationssystems 10 mit der Anwendungseinheit 22 zusammen.
Das System 10 kann eine Kombination der Merkmale enthalten, wie jene, die mit gestrichelten Linien gezeigt sind. Beispielsweise könnte das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem auf der Basis der von dem GPS-Empfänger 18, einem Beschleunigungsmesser 28 (der bei bestimmten Ausführungsformen ein Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser ist) und der Kartendatenbasis 30 gelieferten Information arbeiten, um die Fahrzeugposition zu verschieben. Bei weiteren Ausführungsformen verwendet das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem 10 den Beschleunigungsmesser 28, ein Odometer 29 und eine Kartendatenbasis 30 gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung. Weitere Ausführungsformen können einen Geschwindigkeits-Sensor 34, einen Kurs-Sensor 36, wie etwa einen Kreisel, einen Kompaß oder ein Differential-Odometer, sowie eine ein- oder zweiseitige Datenübertragungs- Verbindung 38 enthalten. Weitere Konfigurationen und Kombinationen sind möglich, die Aspekte der vorliegenden Erfindung aufnehmen, wie es für den Durchschnittsfachmann naheliegend ist. Darüber hinaus kann das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem Teil eines weiterentwickelten Fahrzeuginformationssystems sein, das Informationen über verschiedene Automobilfunktionen steuert und bereitstellt.
Fig. 3 zeigt ein Block- und Datenflußdiagramm für das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem 10, das die Flexibilität und Genaugikeit bestimmter Ausführungsformen des verbesserten Fahrzeugnavigationssystems offenbart. Der GPS-Empfänger 18 gibt Positionsinformationen, Geschwindigkeitsinformationen, Pseudoentfernungen und Delta-Pseudoentfernungen an das Sensor- Integrationsglied 40. Das Sensor-Integrationsglied 40 verwendet die Geschwindigkeitsinformation, um eine gegenwärtige Position des Fahrzeugs zu bestimmen. Wenn keine GPS-Geschwindigkeitsinformation verfügbar ist, kann das Sensor-Integrationsglied 40 bei dieser Ausführungsform die GPS- Geschwindigkeit berechnen, indem es die verfügbaren Deltaentfernungs- Messungen zur Bestimmung der gegenwärtigen Position heranzieht. Die GPS- Geschwindigkeitsinformation wird aus einer Menge von Deltaentfernungs- Messungen abgeleitet, und selbst wenn nur eine Teilmenge von Deltaentfernungs- Messungen verfügbar ist, so kann das Fahrzeugnavigationssystem GPS- Geschwindigkeitsinformationen aus der Teilmenge von Deltaentfernungs- Messungen ableiten. Das Fahrzeugnavigationssystem verwendet GPS- Positionsinformationen beim Start für eine momentane Position und während anderer Betriebszeiten als Überprüfung der gegenwärtigen Position. Wenn die gegenwärtige Position der Überprüfung nicht standhält, so kann die GPS-Position die gegenwärtige Position ersetzen.
Wenn keine GPS-Information verfügbar ist, kann bei bestimmten Ausführungsformen die Information, die zur Verschiebung des Fahrzeugs verwendet werden, von den Sensoren erhalten werden. Der Sensor 28, der ein Mehrachsen-Beschleunigungsmesser ist, gibt Beschleunigungsinformation für wenigstens zwei orthogonale Achsen (laterale, Längs- und/oder vertikale Achsen) an die Anwendungseinheit. Das Odometer 29 liefert Informationen, die anstelle der Informationen verwendet werden können, die von den Beschleunigungsmessern abgeleitet werden. Zusätzliche verfügbare Informationen können die Odometer-Distanz und der GPS-Kurs, eine Distanzberechnung und ein Kartenkurs, die GPS-Geschwindigkeitsinformation und der Kartenkurs, der Kreiselkurs und die Längsgeschwindigkeit sowie andere Variationen enthalten.
Eine Kartendatenbasis 30 speichert Karteninformationen, wie etwa ein Straßenverkehrsnetz, und gibt Karteninformationen an die Anwendungseinheit 22. Die Kartendatenbank sollte ein gewisses Maß an bekannter Genauigkeit, Vertrauen oder definiertem Fehler aufweisen. Bei dieser Ausführungsform wird jede Änderung in der Ausrichtung des Straßensegments mit einem Formpunkt bezeichnet, der eine Ausrichtung mit einem festen Meßfehler hat. Eine Anwenderschnittstelle 46, die einen Bildschirm und eine Tastatur enthält, ermöglicht ein Interagieren des Anwenders mit dem verbesserten Fahrzeugnavigationssystems 10. Bei dieser Ausführungsform wird der Kartenkurs als Kurs verwendet, wenn die Differenz zwischen dem gegenwärtigen Kurs und dem Kartenkurs geringer als ein Schwellenwert ist. Der Anwendungsprozessor 22 kalibriert a aus G, sofern möglich. Die GPS-Positionsinformation wird zur Gesamtüberprüfung der gegenwärtigen Position verwendet. Gilt beispielsweise (t) - G(t) < (18,5·PDOP), worin PDOP die "Verschmierung der Positionsgenauigkeit" bedeutet, eine gemeinsame Variable, die automatisch in dem GPS-Motor berechnet wird, so bleibt (t) unverändert, d. h. (t) = (t). Andernfalls gilt (t) = G(t). Bei bestimmten Ausführungsformen könnten alle unbearbeiteten Eingaben in eine Kalman-Filteranordnung gehen, die den Geschwindigkeitsvektor ausgibt.
In jeden Fall gibt das Sensor-Integrationsglied 40, ob GPS verfügbar ist oder nicht, die gegenwärtige Position und einen Geschwindigkeitsvektor (Geschwindigkeit und Kurs) an einen Kartenabgleichblock 42. Der Kartenabgleichblock 42 liefert Straßensegmentinformationen über das Straßensegment, das als das bestimmt wurde, auf dem sich das Fahrzeug bewegt, wie etwa die Ausrichtung und eine angenommene Position. Das Sensor- Integrationsglied 40 kann die Kurskomponente der Geschwindigkeitsinformation mit der Ausrichtung aktualisieren, die von dem Kartenabgleichblock 42 geliefert wird, um die gegenwärtige Position zu bestimmen. Zeigt der Kartenabgleichblock 42 eine gute Übereinstimmung, so kann die mit der Karte abgeglichene Position die gegenwärtige Position ersetzen. Wenn nicht, so verschiebt das Sensor- Integrationsglied unter Verwendung der Geschwindigkeitsinformation die vorherige Position zur gegenwärtigen Position. Dazu bestimmt das Sensor- Integrationsglied 40 die gegenwärtige Position und gibt die gegenwärtige Position an eine Anwenderschnittstelle und/oder einen Streckenführungsblock 46.
Der Kartenabgleichblock 42 gibt auch Korrekturdaten, wie einen Distanz- Skalierungsfaktor und/oder -offset und einen Wendemaß-Skalierungsfaktor und/oder -offset, an einen Sensor-Kalibrierblock 44. Das Sensor-Integrationsglied 40 gibt auch Korrekturdaten an den Sensor-Kalibrierblock 44. Die Korrekturdaten von dem Sensor-Integrationsglied 40 basieren jedoch auf der GPS-Information. Daher sind genaue, auf der GPS-Information basierende Korrekturdaten verfügbar, um die Sensoren 28 (2- oder 3-Achsen-Beschleunigungsmesser) zu kalibrieren, sowie für andere Sensoren 29, 34 und 36, je nach der jeweiligen Ausführungsform. Die Korrekturdaten von dem Kartenabgleichblock 44 können von dem Sensor-Kalibrierblock 44 solange ignoriert werden, bis ein guter Abgleich zwischen der Karteninformation und der gegenwärtigen Position gefunden ist. Wenn eine sehr genaue Übereinstimmung durch den Kartenabgleichblock 42 gefunden wurde, was nach einem bedeutenden Manöver wie einer Richtungsänderung höchst wahrscheinlich ist, wird die mit der Karte abgeglichene Position als ein Referenzpunkt oder eine Startposition zur Positionsverschiebung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung herangezogen.
Der Sensor-Kalibrierblock 44 enthält die Sensor-Kalibrierparameter, wie Skalierungsfaktoren und Nullfaktoren für die Sensoren 28 und 29 und gibt die Kalibrierparameter an das Sensor-Integrationsglied 40, um die Sensoren 28-36 zu kalibrieren. Bei einer Ausführungsform kann das System das Sensor-Integrationsglied 40 und die Sensorkalibrierung 44 in dem GPS-Motor 18 unter Verwendung seines Sensors kombinieren. Bei bestimmten Ausführungsformen wird die Streckenführung und die Anwenderschnittstelle sowie das Sensor-Integrationsglied 40 und die Sensorkalibrierung 44 auf einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application specific integrated circuit; ASIC) ausgeführt.
Soll die Genauigkeit einer gegenwärtigen Position hoch sein (zum Beispiel eine mit der Karte abgeglichene Position bei einem isolierten Wendepunkt), kann das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem 10 die gegenwärtige Position mit Hilfe der bekannten Position aktualisieren. Nachdem sich das Fahrzeug um eine Distanz von der bekannten Position, die jetzt eine vorherige Position ist, fortbewegt hat, muß das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem die Fahrzeugposition von der vorherigen Position genau zu der gegenwärtigen Position verschieben.
Bei einer besonderen Ausführungsform des verbesserten Fahrzeugnavigationssystems von Fig. 2, bei der eine Nullbewegungs-Erfassung, ein GPS-Empfänger 18, ein Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser 28 und ein Odometer 29 verwendet werden, finden die Berechnungen, die zur Berechnung der Fahrzeugposition durchgeführt werden, in drei Koordinatenrahmen statt. Die Fahrzeugposition wird in geodätischen Koordinaten (Breite, Länge, Höhe) angegeben. Die Nicht-GPS-Daten werden in Körper- oder Plattformkoordinaten angegeben. Die GPS-Geschwindigkeiten und die Gleichungen, die zur Geschwindigkeitsverschiebung und Position verwendet werden, finden in einem Nord-Ost-Unten-System statt.
Der geodätische Rahmen ist eine Darstellung der Earth Centered Earth Fixed (ECFE)-Koordinaten, die auf sphärischer Trigonometrie basiert. Dies ist der Koordinatenrahmen, den die Kartendatenbank verwendet. Seine Einheiten sind Grad und Meter Verschiebung in Höhe über dem Geoid. Diese Koordinaten sind in Übereinstimmung mit dem WGS-84-Erdmodell, welches das Erdmodell ist, das von dem Global Positioning System (GPS) verwendet wird. Dies ist mathematisch äquivalent zu dem North American Datum 1983 (NAD 83)-System, auf das sich die Kartendatenbank bezieht. Der Nord-Ost-Unten-Rahmen ist ein rechtshändiges, orthonormales Koordinatensystem, das mit dem Fahrzeug fest verbunden ist und mit seinen Achsen in die tatsächliche Nord-, die tatsächliche Ost- und die tatsächliche Nachuntenrichtung (senkrecht zur Erde) zeigt. Die Körperkoordinaten bilden ein rechtshändiges, orthogonales Koordinatensystem mit ihrem Ursprung in der Navigationseinheit, wobei die x-Achse zur Fahrzeugfront, die rechte Achse aus der rechten Tür des Fahrzeugs und die z-Achse senkrecht zur Erde nach unten weist.
Während des Normalbetriebs einer jeweiligen Ausführungsform des Systems (mit einem Odometer und einem Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser) und mit verfügbarer GPS-Information werden folgende Gleichungen zur Berechnung der Fahrzeugposition und zur Kalibrierung der Beschleunigungsmesser und des Odometers verwendet.
Definitionen:
= Positionsvektor [Breite Länge Höhe]
= Geschwindigkeitsvektor [Nord Ost Unten]
= Beschleunigungsvektor [Nord Ost Unten]
C = Transformationsmatrix, die einen Vektor von dem Körperkoordinatenrahmen in den Nord-Ost-Unten- Koordinatenrahmen dreht.
Die folgenden hochgestellten Indices werden verwendet, um den Ursprung der Daten zu bezeichnen:
G = GPS
A = Beschleunigungsmesser
O = Odometer
Die folgenden tiefgestellten Indices bezeichnen eine Zeit - entweder die Gültigkeitszeit oder die Integrationszeit:
t = gegenwärtige Zeit
t - 1 = Zeitpunkt des letzten Datensatzes vor dem gegenwärtigen Datensatz
t - 2 = Zeitpunkt des Datensatzes vor t - 1
Man beachte, daß t - 1 und t - 2 nicht notwendigerweise eine Differenz von einer Sekunde bedeuten, sondern lediglich Datensammel- und/oder Datengültigkeitszeiten.
Die folgenden tiefgestellten Indices bezeichnen Koordinaten-Bezugsrahmen:
N = Nord Ost Unten
B = Körper (Front Rechte Tür Unten)
G = Geodätisch (Breite Länge Höhe)
Um die Daten der Nicht-GPS-Sensoren zu verwenden, müssen deren Daten von dem Körperrahmen in den Nord-Ost-Unten-Rahmen gedreht werden. Dies ist eine Drehung um die Gierachse, gemessen in Graden von der tatsächlichen Nordrichtung zu der Frontachse des Fahrzeugs. Die Gleichungen hierfür sind:
Die Gleichung des stationären Zustandes der Positionsverschiebung basiert auf der physikalischen Definition der Geschwindigkeit und Beschleunigung. Die gegenwärtige Position ist gleich der vorhergehenden Position plus dem Integral der Geschwindigkeit plus dem Doppelintegral der Beschleunigung.
Die folgenden Informationen werden zum Zeitpunkt t gesammelt:
Die Geschwindigkeit vom GPS, die die Sekunde zuvor gültig war. Diese besteht aus:
e - Geschwindigkeit in der tatsächlichen Ostrichtung (Meter/Sekunde);
n - Geschwindigkeit in der tatsächlichen Nordrichtung (Meter/Sekunde);
u = Geschwindigkeit in der Nachobenrichtung (Meter/Sekunde);
Die aus den GPS-Geschwindigkeiten berechnete Beschleunigung, die vom Zeitpunkt t - 2 bis zum Zeitpunkt t - 1 gültig war;
Die unbearbeitete GPS-Position;
Die aus der Anzahl der Odometer-Zählimpulsen berechnete Geschwindigkeit, die vom Zeitpunkt t - 1 bis zum Zeitpunkt t auftrat; und
Die aus den Beschleunigungsmessern berechnete Beschleunigung, die vom Zeitpunkt t - 1 bis zum Zeitpunkt t auftrat.
Die folgende, zusätzliche Information ist zur Verwendung zum Zeitpunkt t verfügbar, wurde jedoch zu einem früheren Zeitpunkt gesammelt:
Die Geschwindigkeit vom GPS, die zwei Zeiteinheiten zuvor gültig war;
t-1 Die zu dem vorherigen Zeitpunkt berechnete Position;
Die Beschleunigung, berechnet aus den Beschleunigungsmessern, vom Zeitpunkt t - 2 bis zum Zeitpunkt t - 1; und
Die aus den Odometer-Zählimpulsen berechnete Geschwindigkeit vom Zeitpunkt t - 2 bis zum Zeitpunkt t - 1.
Wenn GPS verfügbar ist und ein gültiges Positions- und Geschwindigkeitsergebnis erzeugt hat, wird die folgende Gleichung zur Verschiebung der Fahrzeugposition verwendet:
oder
Diese Gleichung bedeutet: Die gegenwärtige Position ist gleich der früheren Position plus der GPS-Geschwindigkeit (Vektor) mal der Delta-Zeit plus der GPS-Beschleunigung von zwei Zeitperioden früher minus der Beschleunigung des Beschleunigungsmessers von vor zwei Zeitperioden (ein Korrekturfaktor) plus der Beschleunigung des Beschleunigungsmessers der gegenwärtigen Sekunde. Bei bestimmten Ausführungsformen können weitere Sensorinformationen, wie etwa die Odometer-Information, in den obigen Gleichungen verwendet werden, wenn sie sich als geeigneter als die Beschleunigungsinformationen herausstellen.
Ebenfalls zu dieser Sekunde werden berechnet:
(1) die GPS-Ausrichtung 1, die als die inverse Tangente der Ost- und Nord- Geschwindigkeiten berechnet wird:
Θ = αtan( e/ n);
(2) die Distanz vom Zeitpunkt t - 1 zum Zeitpunkt t, berechnet aus der zum Zeitpunkt t - 1 gültigen GPS-Geschwindigkeit und der Doppelintegration der longitudinalen Beschleunigung des Beschleunigungsmessers vom Zeitpunkt t - 1 bis zum Zeitpunkt t:
(3) die Distanz vom Zeitpunkt t - 2 zum Zeitpunkt t - 1, berechnet aus der GPS-Geschwindigkeit und -Beschleunigung vom Zeitpunkt t - 1 zum Zeitpunkt t - 1. Diese wird als ein Kalibrierfaktor sowohl für den Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor als auch für den Longitudinal- Beschleunigungsmesser verwendet:
(4) die Kursänderung vom Zeitpunkt t - 1 zum Zeitpunkt t - 1 des GPS-Kurses, berechnet zu jenen Zeiten. Diese wird als ein Korrekturfaktor für den lateralen Beschleunigungsmesser verwendet.
ΔΘ = Θ - Θ
Um die Systemgenauigkeit aufrechtzuerhalten, wenn keine GPS-Geschwindigkeitsinformation verfügbar ist, müssen an jedem Sensor Kalibrierungen vorgenommen werden. Die Kalibrierungen werden vorgenommen, indem bekannte, gute Daten von dem GPS-Empfänger 18 verwendet werden. Der GPS- Empfänger 18 weist eine Geschwindigkeitsgenauigkeit auf, die innerhalb von 1 Meter pro Sekunde liegt. Die GPS-Geschwindigkeitsinformation wird weniger genau bei Zuständen mit einer Geschwindigkeit, die niedriger ist als 1,5 m/s. Die GPS-Geschwindigkeitsinformation ist zeitbezogen, so daß sie mit einem bestimmten Satz von Odometer- und Beschleunigungsmesser-Daten auf einer Pro- Sekunde-Basis zusammenpaßt. Ein Kartenabgleich liefert Korrekturfaktoren, die jedoch auf Langzeitentwicklungen basieren und keinem bestimmten Zeitintervall direkt zugeordnet sind. Eine Sensorkalibrierung, die die GPS-Geschwindigkeiten verwendet, wird die folgenden Sensoren bei dieser besonderen Ausführungsform verwenden.
Odometer (Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor)-Kalibrierung. Das Odometer- Ausgangssignal besteht aus der Anzahl der Klicks eins Zählers, wobei eine bestimmte Anzahl von Klicks einer Einheit einer zurückgelegten linearen Distanz entspricht. Ein Beispiel ist der GM-Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor, der 4000 Impulse pro Meile hat. Dieser hat einen von der Fabrik voreingestellten Wert und einen kalibrierten Wert, der später im FLASH-Speicher gespeichert wird. Das Odometer wird einmal pro Sekunde von der GPS-Geschwindigkeit und - Beschleunigung kalibriert, die über denselben Zeitraum auftraten, wenn gültige GPS-Daten verfügbar sind.
Lateralbeschleunigungsmesser. Der Lateralbeschleunigungsmesser mißt eine Zentripetalbeschleunigung. Sie wird verwendet, um den Wendewinkel aus der Gleichung zu berechnen: Der Wendewinkel in Radian ist gleich dem Quotienten aus der Zentripetalbeschleunigung und der Tangentialgeschwindigkeit. Der Lateralbeschleunigungsmesser besitzt zwei Werte, die kalibriert werden müssen: Der Null-Offset und der Skalierungsfaktor. Der Null-Offset ist die Messung, die der Beschleunigungsmesser ausgibt, wenn ein Nullbeschleunigungs-Zustand gegeben ist. Der Skalierungsfaktor ist die Zahl, die mit der Differenz zwischen dem abgelesenen Wert des Beschleunigungsmessers und dem Null-Offset des Beschleunigungsmessers multipliziert wird, um die Anzahl der G der Beschleunigung zu berechnen. Die erste Ableitung der GPS-Geschwindigkeiten wird zur Berechnung der Kalibrierung des Skalierungsfaktors verwendet. Das Nullbewegungs-Erfassungssystem, das in Fig. 4a und 4b diskutiert wird, wird zur Berechnung des Null-Offset Wertes des Beschleunigungsmessers verwendet.
Longitudinalbeschleunigungsmesser. Der Longitudinalbeschleunigungsmesser mißt die Beschleunigung entlang der Front/Heck-Achse des Fahrzeugs, wobei eine positive Beschleunigung aus der Front (vorwärts) und eine negative Beschleunigung aus dem Heck des Fahrzeugs stammt. Der Longitudinalbeschleunigungsmesser weist zwei Werte auf, die kalibriert werden müssen: Der Null-Offset und der Skalierungsfaktor. Der Null-Offset ist die Messung, die der Beschleunigungsmesser ausgibt, wenn kein Beschleunigungszustand existiert. Der Skalierungsfaktor ist die Zahl, die mit der Differenz zwischen dem abgelesenen Wert des Beschleunigungsmessers und dem Null-Offset des Beschleunigungsmessers multipliziert wird, um die Anzahl der Gs der Beschleunigung zu berechnen. Die erste Ableitung der GPS- Geschwindigkeiten wird zur Berechnung der Kalibrierung des Skalierungsfaktors verwendet. Das in Fig. 4a und 4b gezeigte Nullbewegungs-Erfassungssystem wird zur Berechnung des Null-Offset Wertes des Beschleunigungsmessers verwendet.
Fig. 4a zeigt ein Nullbewegungs-Erfassungssystem mit einem Bewegungs- Sensor 64 (bei dieser Ausführungsform ein Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser), der Bewegungssignale mit einem Offset liefert. Ein Verstärker 65 verstärkt die Bewegungssignale, wobei bei dieser Ausführungsform die Bewegungssignale in einem Analog/Digital-Wandler 67 digitalisiert werden. Die Bewegungssignale werden an einen Nullbewegungs-Erfassungs- und Offset- Berechnungs-Block 69 gegeben, der in der Anwendungseinheit 22 (Fig. 2) ist. Das Fahrzeugnavigationssystem bestimmt einen Nullbewegungs-Zustand, indem es Abtastwerte der Bewegungssignale von dem Bewegungs-Sensor 64, wie etwa einem Beschleunigungsmesser, einem Kreisel oder einem piezoelektrischen Sensor, mit einem Schwellenwert vergleicht (der Schwellenwert wird durch die Schwingungscharakteristik des Fahrzeugtyps bestimmt, in den die Einheit eingebaut ist, bzw. der Schwellenwert des Bewegungs-Sensors könnte gesetzt werden, indem weitere Sensoren verwendet werden, die eine Nullbewegung anzeigen, wie etwa ein Odometer, GPS oder DGPS). Das Fahrzeugnavigationssystem verwendet wenigstens einen der Abtastwerte, um die Null-Offsets zu bestimmen, wenn der Nullbewegungs-Zustand erfaßt ist. Vorzugsweise werden wenigstens zwei Abtastwerte verwendet, um jene Abtastwerte über ein Zeitintervall zu vergleichen und zu mitteln, um einen Null- Offset für den Bewegungs-Sensor 64 zu erhalten. Wenn ein Nullbewegungs- Zustand gegeben ist, setzt das Fahrzeugnavigationssystem einen Nullbewegungs- Flag 71 und verwendet wenigstens einen der Abtastwerte, um den Null-Offset für den Sensor zu liefern, der die bearbeiteten Bewegungssignale liefert.
Das System stellt ferner Offset-Datensignale 73 bereit, die den Null-Offset für den Sensor widerspiegeln, der die Bewegungssignale oder unbearbeiteten Signale liefert, die verwendet werden, um den Null-Offset zu berechnen. Nachdem ein Nullbewegungs-Zustand erfaßt wurde, kann das Fahrzeugnavigationssystem die Mehrdeutigkeit der GPS-Messungen bei niedriger Geschwindigkeit auflösen, da die Geschwindigkeit Null ist. GPS- Geschwindigkeiten gehen nicht auf Null, daher existieren Mehrdeutigkeiten, sofern ein Zustand vorliegt mit einer Geschwindigkeit, die niedriger ist als 1,5 m/s. Ist ein Nullbewegungs-Flag gesetzt, so sind die Mehrdeutigkeiten behoben, da sich das System nicht bewegt. Dazu friert das System die Ausrichtung ein und kann auch die Geschwindigkeitskomponente auf Null setzen.
Das folgende Programm in einer problemorientierten Programmiersprache zeigt die Funktionsweise dieser speziellen Ausführungsform des Nullbewegungs- Erfassungssystems.
Fig. 4b zeigt ein Flußdiagramm einer Variation des Nullbewegungs- Erfassungssystems. Bei Schritt 75 initialisiert das System die Variablen I und NOISE mit Null, und bei Schritt 77 wird der erste Wert des Feldes gelesen. Der Zähler I wird bei Schritt 79 erhöht und das System liest den nächsten Abtastwert bei Schritt 81. Bei Schritt 83 fängt das System an, die Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden Abtastwerten des Bewegungssignals aufzusummieren. Das System durchläuft die Schritte 81-87 solange, bis alle Abtastwerte gelesen und die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Abtastwerten in der Variable NOISE aufsummiert wurden. Wenn alle Abtastwerte gelesen wurden, vergleicht das System bei Schritt 89 die Variable NOISE mit dem Schwellenwert. Ist die Variable NOISE größer als der Schwellenwert, dann bestimmt das System bei Schritt 91, daß eine Bewegung erfaßt wurde. Liegt die Variable NOISE unterhalb des Schwellenwertes, setzt das System das Nullbewegungs-Flag und bestimmt bei Schritt 93, daß die Geschwindigkeit Null ist. Das Setzen des Nullbewegungs- Flags kann Distanzänderungen auf Null setzen und der Kurs und die gegenwärtige Position festhalten. Zusätzlich berechnet das System bei Schritt 95 den Null- Offset des abzutastenden Sensors.
Mit Bezug auf Fig. 4b und das obige, in einer problemorientierten Programmiersprache geschriebene Programm wird beschrieben, wie das System die Bewegungssignale von einem Sensor 64 entsprechend einer Achse des Orthogonalachsen-Beschleunigungsmessers abtastet. Bei dieser speziellen Ausführungsform werden die Bewegungssignale für jede der orthogonalen Achsen des Beschleunigungsmessers abgetastet, wobei jeweils Null-Offsets bestimmt werden. Ferner können Null-Offsets, eine Sensorkalibrierung oder das Auflösen von Mehrdeutigkeiten durch Verwenden des Nullbewegungs- Erfassungssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Fig. 5a und 5b zeigen ein allgemeines Flußdiagramm, das veranschaulicht, wie das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem 10 eine vorherige Position zu einer gegenwärtigen Position hin verschiebt. Bei Schritt 150 bestimmt das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem, ob sich das Fahrzeug in einem Nullbewegungs- Zustand wie oben beschrieben befindet. Ist dies der Fall, so setzt das System bei Schritt 152 die Distanzänderung auf Null, hält den Kurs und die gegenwärtige Position fest und kalibriert die Null-Offsets.
Ermittelt das System, daß sich das Fahrzeug bewegt, fährt das System mit Schritt 154 fort, um zu bestimmen, ob ein GPS-Ergebnis verfügbar ist. Ist GPS verfügbar, so verwendet das System die GPS-Geschwindigkeitsinformation, um die gegenwärtige Position zu bestimmen. Wie in Schritt 156 gezeigt ist, berechnet das System wie folgt eine Ost-Beschleunigung nach Nord-Beschleunigung:
e-acc = e-vel - last.e-vel (1)
n-acc = n-vel - last.n-vel (2).
Die Beschleunigungen werden verwendet, um wie folgt Ost- und Nordverschiebungen zu berechnen:
e-dist = (e-vel·Δt) + 1/2(e-acc·Δt)² (3)
n-dist = (n-vel·Δt) + 1/2(n-acc·Δt)² (4)
Die gegenwärtige Position wird wie folgt berechnet:
lat = lat + (n-dist·Grad/Meter) (5)
long = long + (e-dist·Grad/Meter) (6),
wobei Grad/Meter ein Umwandlungsfaktor von Meter in Grad darstellt, der die geringer werdende Anzahl von Metern in einem Längengrad bei zunehmender Distanz vom Äquator berücksichtigt. Schließlich kalibriert das System bei Schritt 156 unter Verwendung von Informationen aus den oben beschriebenen Gleichungen die Sensor-Datenwörter wie die Skalierungsfaktoren der Beschleunigungsmesser und die Odometerdistanz. Das System kann die Sensoren gut kalibriert halten, da die Kalibrierung einmal pro Sekunde (Skalierungsfaktoren) erfolgen kann, sofern die Fahrzeuggeschwindigkeit mehr als 1,5 m/s beträgt. Die Verwendung von GPS-Geschwindigkeiten zur Positionsverschiebung in einem Fahrzeugnavigationssystem ist in der Druckschrift US-A-6 029 111 mit dem Titel "Improved Vehicle Navigation System And Method Using GPS Velocities" beschrieben, das gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht wurde.
Wenn bei Schritt 154 kein vollständiges GPS-Ergebnis verfügbar ist, überprüft das System bei Schritt 158, ob irgendeine GPS-Messung verfügbar ist. Ist dies der Fall, so berechnet das System bei Schritt 160 die Geschwindigkeitsinformation aus der verfügbaren Teilmenge von Deltaentfernungs-Messungen. Ist die Geschwindigkeitsinformation bei Schritt 162 in Ordnung, so berechnet das System unter Verwendung der Gleichungen 1-6 bei Schritt 164 die gegenwärtige Position, jedoch bei dieser Ausführungsform ohne die Skalierungsfaktoren der Beschleunigung und die Odometerdistanz zu kalibrieren. Wird bei Schritt 162 festgestellt, daß die GPS-Geschwindigkeit nicht in Ordnung ist, so überprüft das System bei Schritt 166 die Kurskomponente der GPS-Geschwindigkeit. Wird bestimmt, daß die GPS-Kurskomponente gültig ist, so wird bei Schritt 168 die Distanzänderung gleich der Odometerdistanz gesetzt, und der Kurs wird gleich dem GPS-Kurs gesetzt, der aus den GPS-Deltaentfernungs-Messungen berechnet wurde. Alternativ dazu wird kein Odometer verwendet, und die Distanz wird aus der Information über die Longitudinalbeschleunigung abgeleitet. Mit diesem Kurs und dieser Distanz berechnet das System bei Schritt 170 eine Position (Breite, Länge) unter Verwendung der folgenden Gleichungen:
e-dist = Δ Dist·sin(Kurs) (7)
n-dist = Δ Dist·cos(Kurs) (8)
Nach der Berechnung der Ost- und Norddistanzen bestimmt das System unter Verwendung der Gleichungen 5 und 6 die Fahrzeugposition, führt jedoch bei dieser Ausführungsform keine Kalibrierung an diesem Punkt durch.
Bestimmt das System bei Schritt 166, daß der GPS-Kurs nicht gültig ist (GPS- Blockierung oder niedrige Geschwindigkeit), oder bei Schritt 158, daß die GPS- Messungen unzureichend sind, so kehrt das System bei dieser Ausführungsform zu dem (den) Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser(n) und dem Odometer zurück. GPS-Geschwindigkeitsinformationen unterliegen Fehlern bei Geschwindigkeiten unter 1,5 m/s, außer es wird ein genaueres GPS-System verwendet. Beispielsweise ist in einem Fahrzeugnavigationssystem, das DGPS verwendet, die Grenzgeschwindigkeit aufgrund der höheren Genauigkeit des Systems niedriger. Dazu fährt das System mit Schritt 172 fort, um unter Verwendung Lateral- und Longitudinalbeschleunigungs-Information von dem (den) Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser(n) die Distanzänderung zu ermitteln. Bei Schritt 174 vergleicht das System die Longitudinaldistanz des Beschleunigungsmessers mit der Odometerdistanz, und wenn die Differenz zwischen ihnen einen Schwellenwert übersteigt, wird bei Schritt 176 die Odometerdistanz verwendet. Ist die Differenz kleiner als der Schwellenwert, so kann bei Schritt 178 die Distanz des Beschleunigungsmessers oder die Odometerdistanz als Distanz verwendet werden. Wie gestrichelt bei Schritt 173 gezeigt ist, wird die Distanz von der Longitudinalbeschleunigungs-Information abgeleitet, wenn kein Odometer verwendet wird. Wenn die Distanzänderung bestimmt ist, berechnet das System bei Schritt 180 die Position unter Verwendung der folgenden Gleichungen, um die Ausrichtung zu bestimmen:
Geschwindigkeit = Δ Dist/Δ t (9)
Δ Θ = alat(Lateralbeschleunigung)/Longitudinalgeschwindigkeit (10)
Kurs = Kurs + ΔΘ(Modulo 360º) (11)
Nach der Bestimmung des Kurses verwendet das System die Gleichungen 7 und 8, um die Ost- und Norddistanz zu bestimmen, sowie die Gleichungen 5 und 6, um die Position zu bestimmen.
Nach der Bestimmung der anfänglichen, gegenwärtigen Position bei Schritt 156, 164, 170 oder 180 fährt das System mit Schritt 182 fort, wo die gegenwärtige Position mit der GPS-Position verglichen wird. Wenn die gegenwärtige Position innerhalb einer akzeptablen Distanz (zum Beispiel innerhalb von 100 m) von der GPS-Position liegt, legt das System bei Schritt 184 fest, daß die gegenwärtige Position gültig ist. Ist dies nicht der Fall, so ersetzt das System bei 186 die gegenwärtige Position durch die GPS-Position. An diesem Punkt sendet das System an einen Kartenabgleichblock 188 eine Position und Geschwindigkeit, die Geschwindigkeits- und Kurskomponenten enthält. In Abhängigkeit von der Konfiguration der Kartendatenbank 30 können andere Informationen an den Kartenabgleichblock 188 gesendet werden, wie der Kurs und die Distanz, basierend auf der gegenwärtigen und der vorherigen Position, eine gegenwärtige Position und Gütezahlen (figures of merit; FOM) für jede.
Der Kartenabgleichblock 188 sendet jeweils eine kartenabgeglichene Position, eine Distanz, eine Ausrichtung, FOMs sowie Kalibrierungsdaten zurück. Bei dieser Ausführungsform fragt der Kartenabgleichblock 188 die Kartendatenbank 30 (Fig. 30) ab, um eine Ausrichtung des kartographierten Wegsegments zu erhalten, das als das bestimmt wurde, das das Fahrzeug überquert. Der Kartenabgleichblock 188 aktualisiert den zu der gegenwärtigen Position gehörenden Kurs, der auf GPS- und/oder Sensorberechnungen basierte, um eine aktualisierte gegenwärtige Position zu erhalten. Dazu verwendet der Kartenabgleichblock 188 den Kartenkurs, um den Kurs zu aktualisieren, der auf der GPS-Geschwindigkeitsinformation basiert, den Kurs, der auf der GPS- Positionsinformation von Schritt 186 basiert, den Kurs von den Sensoren oder den Kurs, der auf einer gegenwärtigen Position basiert, welche durch eine Kombination von GPS- und Sensorinformation bestimmt wurde, wie bei einer Ausführungsform, bei der alle unbearbeiteten Eingangsdaten in einen Kalman- Filter gegeben werden.
Wie in Fig. 6a gezeigt ist, verwendet das Fahrzeugnavigationssystem 10 GPS-Geschwindigkeitsinformationen, um eine vorherige Position 191 zu einer gegenwärtigen Position 192 hin zu verschieben (durch Hinzufügen von Verschiebungen 194 und 196, die aus der Geschwindigkeitsinformation (integriert) gewonnen wurden, zu der vorherigen Position). In Fig. 6b verwendet das Fahrzeugnavigationssystem, wenn keine GPS-Information verfügbar ist, Sensor-Informationen, um die vorherige Position 191 unter Verwendung des Kurses und der Distanz 198 zur gegenwärtigen Position 192 hin zu verschieben. Wenn die Differenz zwischen dem GPS-Kurs (oder dem gegenwärtigen Kurs von den Sensoren, sofern GPS nicht verwendet wird) und dem Kartenkurs innerhalb eines Schwellenwertes liegt, so wird der Kartenkurs als Kurs für die Positionsverschiebung verwendet. Das Fahrzeugnavigationssystem 10 kann dies auf verschiedene Weise erreichen. Beispielsweise dreht das Fahrzeugnavigationssystem 10, wie es in Fig. 6d unter Verwendung von GPS- Geschwindigkeiten gezeigt ist, den GPS-Geschwindigkeitsvektor 200, um ihn mit dem Kartenkurs 200 zur Deckung zu bringen, wenn der GPS- und der Kartenkurs innerhalb des Schwellenwertes liegen, und integriert den gedrehten GPS- Geschwindigkeitsvektor 204, um die Verschiebungen 208 und 210 zu erhalten. Wie es gezeigt ist, erhält man die aktualisierte gegenwärtige Position 206 dadurch, daß die orthogonalen Verschiebungen 208 und 210 auf die vorherige Position 191 angewendet werden. In Fig. 6b und 6c kann, wenn das Fahrzeugnavigationssystem die Sensor-Information verwendet, um die vorherige Position 191 unter Verwendung des Kurses und der Distanz 198 zu der gegenwärtigen Position 192 hin zu verschieben, als der Kurs für die Positionsverschiebung zu der aktualisierten gegenwärtigen Position 206 verwendet werden. Die Verwendung des Kartenkurses zur Aktualisierung der Information, die von den Nicht-GPS-Sensoren oder einer Kombination aus GPS- und anderen Sensoren gewonnen wurde, kann in ähnlicher Weise erreicht werden, wie es für den Durchschnittsfachmann naheliegend ist. In Abhängigkeit von der verfügbaren Information und der speziellen Ausführungsform kann das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem unterschiedlich auf die Information reagieren, die von dem Kartenabgleichblock 188 geliefert werden.
Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem liefert daher einige bedeutende Fortschritte wie Flexibilität, Modularität und Genauigkeit bei geringeren Kosten, da eine Aktualisierung bei vollständigem Stillstand durchgeführt werden kann. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die anhand der obigen Beispiele und Diskussion offenbart wurden, können unter Verwendung verschiedener Konfigurationen und Sensoren von Fahrzeugsystemen implementiert werden. Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem kann beispielsweise implementiert werden, ohne eine Odometerverbindung zu verwenden und Distanzinformationen von den Eingangssignalen des Beschleunigungsmessers zu erhalten, wenn GPS nicht verfügbar ist, um die Übertragbarkeit zu verbessern und die Installationskosten zu reduzieren. Darüber hinaus kann das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem Koppelinformationen aus den GPS-Signalen gewinnen, wenn ein vollständiger Satz von GPS-Signalen verfügbar ist, und in allen anderen Fällen, wenn ein vollständiger Satz von GPS-Signalen verfügbar ist, seine Sensoren verwenden. Der Fachmann wird leicht erkennen, daß diese und verschiedene weitere Modifikationen und Veränderungen der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne dabei streng der beispielhaften Anwendung zu folgen, die hier dargestellt und beschrieben ist, und ohne dabei den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, der in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

1. Fahrzeugnavigationssystem (10) mit einem verbessertem Nullbewegungs- Erfassungssystem (22), umfassend:

einen Bewegungs-Erfassungssensor, der Bewegungssignale mit einem Offset liefert;

wobei das Nullbewegungs-Erfassungssystem (22) wenigstens einen Abtastwert der Bewegungssignale mit einem Schwellenwert vergleicht, um einen Nullbewegungs-Zustand zu bestimmen, und das Nullbewegungs-Erfassungssystem (22) den Offset bestimmt, wenn der Nullbewegungs-Zustand gegeben ist;

wobei das Navigationssystem (10) eine vorhergehende Position auf der Grundlage eines von Null verschiedenen Geschwindigkeitssignal an eine momentane Position verschiebt, wenn der Nullbewegungs-Zustand nicht bestimmt wurde, wobei das Navigationssystem (10) das von Null verschiedene Geschwindigkeitssignal ignoriert und eine zuvor bestimmte Position festhält, die auf der Bestimmung des Nullbewegungs-Zustandes basiert.

2. System nach Anspruch 1, einschließlich eines Nullbewegungs-Signals, wobei das Nullbewegungs-Erfassungssystem (22) ein Nullbewegungs-Signal erzeugt, um Kursänderungen festzuhalten und Geschwindigkeitsinformationen zu kalibrieren, die auf der Bestimmung des Nullbewegungs-Zustandes basieren.

3. System nach Anspruch 2, wobei das Navigationssystem (10) eine vorhergehende Position mithilfe von GPS-Geschwindigkeiten an eine momentane Position verschiebt, wenn der Nullbewegungs-Zustand nicht bestimmt wurde, wobei das Erfassungssystem (22) eine Mehrdeutigkeit in der GPS- Geschwindigkeitsinformation behebt, wenn der Nullbewegungs-Zustand bestimmt wurde.

4. System nach Anspruch 1, wobei das Nullbewegungs-Erfassungssystem (22) den Offset bestimmt, indem es über Abtastwerte der Bewegungssignale mittelt.

5. System nach Anspruch 1, wobei das Nullbewegungs-Erfassungssystem (22) wenigstens zwei Abtastwerte der Bewegungssignale mit einem Schwellenwert vergleicht, um den Nullbewegungs-Zustand zu bestimmen.

6. System nach Anspruch 1, wobei der Bewegungserfassungssensor einen Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser (28) enthält und das System einen Null-Offset für wenigstens eine Achse des Beschleunigungsmessers (28) bestimmt, wenn das Erfassungssystem (22) sich in einem Nullbewegungs-Zustand befindet.

7. System nach Anspruch 1, wobei der Bewegungserfassungssensor einen Kreisel enthält.

8. System nach Anspruch 1, wobei der Bewegungserfassungssensor ein piezoelektrisches Bauteil enthält.

9. System nach Anspruch 1, wobei der Bewegungserfassungssensor ein Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser (28) ist, der Bewegungssignale mit einem Offset für jede Achse des Beschleunigungsmesser (28) liefert; und

wobei das Nullbewegungs-Erfassungssystem (22) wenigstens zwei Abtastwerte der Bewegungssignale mit einem Schwellenwert vergleicht, um den Nullbewegungs-Zustand zu bestimmen, und das Erfassungssystem durch Mittelung der Abtastwerte der Bewegungssignale für jede Achse einen Null- Offset für jede Achse des Beschleunigungsmessers (28) bestimmt, wenn der Nullbewegungs-Zustand gegeben ist, und das Nullbewegungs-Erfassungssystem (22) ein Nullbewegungs-Signal liefert, um Kursänderungen festzuhalten und Geschwindigkeitsinformationen zu kalibrieren.

10. System nach Anspruch 1, wobei das Geschwindigkeitssignal die Bewegungssignale umfaßt.

11. System nach Anspruch 1, wobei das Geschwindigkeitssignal ein GPS- Geschwindigkeitssignal umfaßt.

12. System nach den Ansprüchen 1 bis 11, wobei der Bewegungserfassungssensor die Bewegungssignale in einer ersten Achse liefert und das Navigationssystem (10) Änderungen in der ersten Achse festhält, die auf der Bestimmung des Nullbewegungs-Zustands basieren.

13. Verfahren zur Erfassung eines Nullbewegungs-Zustandes, das in einem Fahrzeugnavigationssystem eingesetzt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Erzeugung eines Bewegungssensor-Signals mit einem Offset;

Bestimmung eines Nullbewegungs-Zustandes durch Vergleich von wenigstens einem Abtastwert des Bewegungssensor-Signals mit einem Schwellenwert;

Verwendung von wenigstens einer der Abtastwerte, um den Offset zu bestimmen, wenn der Nullbewegungs-Zustand ermittelt wurde; und

Festhalten einer zuvor bestimmten Position, die auf der Bestimmung des Nullbewegungs-Zustandes basiert.

14. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner den Schritt der Erzeugung eines Nullbewegungs-Signals enthält, nachdem ein Nullbewegungs-Zustand erfaßt wurde, um eine Mehrdeutigkeit der GPS-Geschwindigkeitsmessungen aufzuheben.

15. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner die Schritte enthält:

Erzeugung eines Nullbewegungs-Signals; und

Festhalten von Kursänderungen und Kalibrierung von Geschwindigkeitsinformationen auf Antwort auf das Nullbewegungs-Signal.

16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt zur Bestimmung des Nullbewegungs-Zustandes enthält, daß wenigstens zwei Abtastwerte der Bewegungssignale mit dem Schwellenwert verglichen werden, um den Nullbewegungs-Zustand zu bestimmen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt der Verwendung von wenigstens einer der Abtastwerte den Schritt der Mittelung dieser Abtastwerte enthält.

18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt der Erzeugung von Bewegungssignalen enthält, daß ein Orthogonalachsen-Bewegungsmesser (28) eingesetzt wird, der Bewegungssignale und einen Offset für wenigstens eine Achse des Beschleunigungsmessers (28) liefert.

19. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt der Erzeugung von Bewegungssignalen beinhaltet, daß ein Kreisel eingesetzt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt der Erzeugung von Bewegungssignalen enthält, daß ein piezoelektrisches Bauteil eingesetzt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner die Schritte enthält:

Erzeugung des Bewegungssensor-Signals und des Offsets für wenigstens eine Achse eines Orthogonalenachsen-Beschleunigungsmessers (28);

Bestimmung des Nullbewegungs-Zustandes, indem wenigstens zwei Abtastwerte des Bewegungssensor-Signals mit dem Schwellenwert verglichen werden;

Erzeugung eines Nullbewegungs-Signals, das auf der Bestimmung des Nullbewegungs-Zustandes basiert;

Festhalten von Kursänderungen und Kalibrierung von Geschwindigkeitsinformationen als Antwort auf das Nullbewegungssignal; und

Mittelungen der Abtastwerte, um den Offset zu bestimmen, wenn der Nullbewegungs-Zustand erfaßt wurde.