KR20100089825A - 차량의 운동을 검출하기 위해 노면 상으로 지향된 레이저 센서 - Google Patents

차량의 운동을 검출하기 위해 노면 상으로 지향된 레이저 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치에 관한 것이다. 이 센서 장치는 노면 (104) 의 방향으로 전달되는 간섭성 광 (coherent light) 을 방사하는 광원을 가지며, 노면에 산란되는 광과 광원의 광 사이의 간섭을 특성화시키는 적어도 하나의 측정 변수를 검출하도록 설계된 간섭 검출기를 갖는 적어도 하나의 레이저 유닛 (108a) 을 포함한다. 측정 변수는 센서 장치의 속도 성분 및/또는 센서 장치와 노면 (104) 사이의 거리를 나타낸다. 레이저 유닛 (108a) 은 측정 변수로부터 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 특성화시키는 적어도 하나의 변수, 특히 차량의 중력 중심의 속도 성분, 차량의 회전각 또는 회전율을 판정하도록 설계된 평가 장치 (110) 에 연결된다.

Description

차량의 운동을 검출하기 위해 노면 상으로 지향된 레이저 센서{LASER SENSORS DIRECTED ONTO THE ROAD SURFACE FOR DETECTING THE MOTION OF A VEHICLE}
본 발명은 모터 차량의 운동의 검출에 관한 것이다. 본 발명의 주 대상은, 특히 모터 차량의 운동 상태를 검출하는 센서 장치이다. 또한, 본 발명은 모터 차량의 운동 상태를 검출하는 방법에 관한 것이다.
모터 차량의 운동의 검출은 자동차 산업에서 특히 중요하게 고려된다. 예컨대, 차량의 종방향 속도와 같은 운동 변수는 차량 운전자를 위해 중요한 정보를 구성한다. 게다가, 운동 변수는 차량의 안전과 안락함을 개선하기 위한 차량 운동 동력학 제어 시스템을 위한 입력 신호로서 기능한다. 종래의 차량 이동 동력학 제어 시스템은 본원에서 이것으로부터 측정된 값이 차량의 종방향 속도를 유도하는 휠 속도 센서, 차량의 요율 (yaw rate) 을 검출하는 센서, 및 횡방향 가속 및 적절하다면 종방향 가속을 검출하는 센서를 포함한다.
DE 10 2004 060 677 A1 는 모터 차량의 하부 표면의 장치 이미지가 계속해서 기록되는 모터 차량의 속도를 얻기 위한 광학 장치를 개시하고 있다. 차량의 속도는 이미지 내의 구조적 특징 또는 대상물의 변위에 기초하여 얻어진다. 이러한 맥락에서, 종방향 속도 이외에, 모터 차량의 횡방향 속도를 얻을 수도 있는데, 횡방향 속도는 차량 센서 시스템에 의한 측정이 종종 접근 불가하며, 차량 이동 동력학 제어 시스템을 위한 유용한 입력 변수를 구성한다.
이러한 장치는, 일반적으로 노면의 추가 조명 장치를 필요로하여, 그 결과, 모터 차량으로의 통합 비용이 증가된다. 게다가, 장치는 카메라 또는 조명 장치가 비교적 더러워지기 쉬운데, 이는 모터 차량의 언더플로어 상의 설치 위치에 기인하여 더 잘 발생한다. 그 결과, 장치의 유용성에 악영향을 미칠 수 있다. 게다가, 장치는 노면에 평행한 성분의 속도만을 검출할 수 있으며, 노면에 수직한 것의 속도는 검출할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 모터 차량의 운동의 개선된 검출을 허용하는, 특히 운동의 더욱 신뢰가능한 검출을 허용하는 데에 있다.
본 발명의 목적은 청구항 1 의 특징을 갖는 센서 장치 및 청구항 15 의 특징을 갖는 방법에 의해 이루어진다. 센서 장치 및 방법의 실시형태는 종속항에서 명확해진다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 모터 차량의 운동 상태를 검출하는 센서 장치가 제안된다. 이 센서 장치는, 센서 장치가 모터 차량에 배치될 때 노면의 방향으로 전달되는 간섭성 광 (coherent light) 을 방사시키는 광원을 가지며, 노면에 산란되는 광과 광원의 광 사이의 간섭을 특성화시키는 적어도 하나의 측정 변수를 검출하도록 설계된 간섭 검출기를 갖는 적어도 하나의 레이저 유닛을 포함한다. 측정 변수는 센서 장치의 속도 성분 및/또는 센서 장치와 노면 사이의 거리를 나타낸다. 레이저 유닛은 상기 측정 변수로부터 차량의 운동 상태를 특성화시키는 적어도 하나의 변수를 판정하도록 설계된 평가 장치에 연결된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 센서 장치를 갖는 모터 차량의 운동 상태를 검출하는 방법이 제안된다. 이 방법은
- 간섭성 광이 센서 장치의 광원으로부터 노면의 방향으로 전달되며,
- 노면에 산란되는 광과 광원의 광 사이의 간섭을 특성화시키는 적어도 하나의 측정 변수가 센서 장치의 간섭 검출기에 의해 검출되며, 상기 측정 변수는 센서 장치의 속도 성분 및/또는 센서 장치와 노면 사이의 거리를 나타내며,
- 모터 차량의 운동 상태를 특성화시키는 적어도 하나의 변수가 상기 측정 변수에 따라 얻어지는 것을 제공한다.
본 발명은 모터 차량의 운동 상태의 비접촉식 (contactless) 판정을 허용한다. 이는 차량의 운동 상태를 중단적 (disruptive) 영향에 관계없이 신뢰가능하게 판정될 수 있게 한다. 게다가, 광학적 측정 방법은 차량의 운동 상태를 특성화시키는 변수가 매우 정교하게 얻어지는 것을 허용한다.
차량의 운동 상태를 특성화시키는 변수는 특히, 차량의 하나 이상의 속도 성분 및/또는 차량의 하나 이상의 회전각일 수도 있다. 회전각은 센서 장치와 노면 사이의 거리에 기초하여 판정될 수 있는데, 이 거리는 센서 장치에 의해 측정된 광 빔을 따른 거리이다. 게다가, 차량의 회전각 속도, 특히, 요율, 고저율 (pitching rate) 및/또는 쏠림율 (rolling rate) 이 판정될 수 있다. 이는 검출된 속도 성분을 이용하고/하거나 시간에 대한 대응하는 회전각을 유도함으로써 행해질 수 있다.
광원에 의해 노면의 방향으로 전달된 광은 광원에 적어도 부분적으로 다시 산란된다.
센서 장치의 조밀하고 복잡하지 않은 설계를 얻기 위해서, 간섭의 위치는 따라서 바람직하게는 광원, 특히 광원의 레이저 레조네이터 (resonator) 이다. 이러한 간섭은 검출기에 의해 검출될 수 있는 레이저의 작동 상태의 변화를 유발한다. 이는 또한 자기 혼합 효과라 한다.
센서 장치 및 방법의 일 실시형태에서, 센서 장치는 평가 장치에 연결되는 복수 개의 레이저 유닛을 갖는 적어도 하나의 센서 클러스터를 포함하며, 레이저 유닛은 다양한 방향으로 광을 방사한다. 센서 클러스터는 바람직하게는 3 개의 레이저 유닛을 포함한다.
특정 방향으로 각각 광을 전달하는 3 개의 레이저 유닛에 의해, 유리하게는 센서 장치의 3 개의 속도 성분 및/또는 센서 장치와 노면 사이의 3 개의 거리를 판정할 수 있다. 3 개의 속도 성분에 기초하여, 특히, 3 개의 공간 방향으로 노면에 대해 센서 장치의 병진 속도를 판정하는 것이 가능하다. 각각의 경우에, 노면으로부터의 거리가 레이저 유닛에 의해 얻어진다면, 노면에 대한 센서 장치의 위치는 그로부터 판정될 수 있다.
센서 장치 및 방법의 추가의 실시형태에서, 센서 클러스터의 레이저 유닛은, 모터 차량이 작동할 때 노면과 마주하는 차체의 하측에 장착될 수 있는 공통의 하우징에 배치된다.
이 실시형태의 하나의 이점은, 센서 클러스터의 레이저 유닛이 공통의 하우징에 배치되어 센서 클러스터의 조밀하고 비용적으로 효과적인 설계가 이루어진다는 것이다. 게다가, 이러한 구성에서 센서 클러스터는 각각의 레이저 유닛에 별개로 장착되고 배향될 필요가 없기 때문에, 차량에 특히 용이하게 장착될 수 있다.
센서 장치 및 방법의 하나의 전개는, 평가 장치가 센서 클러스터의 레이저 유닛에 의해 검출되는 측정 변수 각각으로부터 센서 클러스터의 속도 성분을 얻고, 얻어진 속도 성분에 기초하여 모터 차량의 적어도 하나의 속도 성분을 판정하도록 설계된다는 사실에 의해 구별된다.
모터 차량의 속도 성분은 차량의 중력 중심의 속도 성분일 수도 있는데, 이는 특히 모터 차량의 차량 이동 동력학 상태를 특성화시키는데 적합하다. 특히, 차량의 길이 방향 속도 및/또는 차량의 횡방향 속도는 차량의 중력 중심에 대해 판정될 수 있다.
모터 차량의 일 지점에서의 운동, 특히 센서 장치의 운동은, 차량의 중력 중심과 차량의 중력 중심에 대한 각각의 지점의 회전 운동의 병진 속도로 분해될 수 있는데, 병진 속도는 차량 및/또는 차체의 회전율에 의해 설명될 수 있다. 차량의 회전율은, 차량의 수직축선에 대한 회전 속도를 특성화시키는 요율, 차량의 길이방향 축선에 대한 회전 속도를 특성화시키는 쏠림율 및 차량의 횡방향 축선에 대한 회전 속도를 특성화시키는 고저율을 포함한다. 적어도 하나의 회전율이 센서 클러스터의 얻어진 속도 성분에 기초하여 차량의 중력 중심의 속도를 판정하는데 바람직하게 사용된다.
그 결과, 센서 장치와 방법의 구조는, 모터 차량의 속도 성분의 판정시 모터 차량의 적어도 하나의 회전율을 사용하도록 평가 장치가 설계되는 것을 제공한다.
특히, 모터 차량의 적어도 하나의 속도 성분이 얻어지는 것을 허용하는 본 발명의 일 구성은, 평가 장치가 센서 클러스터에서 검출된 측정 변수 및 장치에 의해 검출된 제 1 회전율로부터 모터 차량의 적어도 하나의 속도 성분 및/또는 제 2 회전율을 판정하도록 설계된다는 사실을 포함한다.
2 개의 센서 클러스터 이외에, 회전율을 판정하는 장치가 차량 속도 성분 및/또는 차량의 추가의 회전율을 얻기 위해 본원에 유리하게 사용된다. 그 결과, 하나 이상의 속도 성분과 적어도 2 개의 회전율을 포함하는 모터 차량의 운동 상태는 비교적 단순한 센서 구조에 의해 판정될 수 있다.
센서 장치 및 방법의 관련된 구성은, 회전율을 판정하는 장치가 회전율 센서, 특히 요율 센서라는 사실에 의해 구별된다.
회전율 센서는, 예컨대 미세 기계 회전율 센서로 구성된다. 요율은 모터 차량의 차량 이동 동력학 상태, 특히 주행 상태의 안정성에 관하여 특성화시키는데 특별히 중요한 변수이다. 이를 위해, 이 구성에서, 요율은 직접 측정되지만, 특히, 예컨대 쏠림율과 같은 추가의 회전율은 얻어진 측정 변수로부터 연산될 수 있다.
센서 장치 및 방법의 추가의 실시형태에서, 다른 측정 원리에 따른 측정 변수를 검출하는 추가의 센서는 없어도 된다. 이 실시형태에서, 센서 장치는, 평가 장치에 연결되는 3 개의 센서 클러스터를 포함하며, 평가 장치는 3 개의 센서 클러스터에 의해 얻어진 측정 변수로부터, 모터 차량의 적어도 하나의 속도 성분 및/또는 차량의 적어도 하나의 회전율을 판정하도록 설계된다.
게다가, 센서 장치 및 방법의 일 구성은, 복수개, 특히 3 개의 레이저 유닛을 갖는 제 1 센서 클러스터를 포함하며, 레이저 유닛에 의해 방사된 광의 주파수는, 각각의 경우에, 평가 장치에서 검출된 측정 변수로부터 거리가 얻어질 수 있도록 변조 스키마 (modulation schema) 에 따라 변조될 수 있으며, 평가 장치는 얻어진 거리로부터 차량의 적어도 하나의 회전각 및/또는 적어도 하나의 회전율을 판정하도록 설계된다.
이 구성은, 제 1 센서 클러스터의 레이저 유닛에 의해 얻어진 거리로부터, 노면에 대한 센서 클러스터의 위치 및/또는 노면에 대한 차체의 회전각을 판정하는 가능성을 유리하게 사용한다. 게다가, 이 구조에서와 같이 판정될 수 있는 대응 회전율이 또한 회전각으로부터 연산될 수 있다. 회전율의 연산은 특히, 시간에 대한 회전각을 유도함으로써 실행된다.
센서 장치 및 방법의 관련된 구조는, 레이저 유닛에 의해 방사된 광의 주파수가, 거리 외에, 각각의 경우에, 검출된 측정 변수로부터 제 1 센서 클러스터의 속도 성분이 얻어질 수 있도록 변조 스키마에 따라 변조될 수 있는 것으로 규정된다.
이 구조의 일 이점은, 센서 클러스터와 노면 사이의 거리 이외에, 노면에 대한 센서 클러스터의 속도 성분을 얻을 수 있다는 것이다. 이는 적절한 변조 스키마에 의해 행해질 수 있다.
센서 장치 및 방법의 추가의 관련 구성은, 평가 장치가 센서 클러스터에 의해 얻어진 속도 성분과 회전율로부터 모터 차량의 적어도 하나의 속도 성분을 판정하도록 설계된다는 사실을 포함한다.
중력 중심의 속도를 판정할 때의 정교함은 적어도 하나의 추가의 회전율을 고려함으로써 향상될 수 있다. 이를 위해, 센서 장치 및 방법의 일 실시형태에서, 모터 차량의 속도 성분을 얻기 위해, 회전율 센서에 의해 얻어진 추가의 회전율을 사용하도록 설계된 평가 장치가 제공된다.
회전율은 유리하게는 특히, 차량의 요율일 수도 있다. 회전율 센서는 이 경우 요율 센서로서 구성된다.
대안의 일 구성은 센서 장치의 레이저 유닛 이외에 다른 측정 원리에 따라 작동하는 추가의 회전율 센서의 사용이 없다. 이 구조는, 평가 장치에 연결되는 제 2 센서 클러스터를 더 포함하며, 제 2 센서 클러스터의 속도 성분은 제 2 센서 클러스터에서 검출된 측정 변수로부터 얻어질 수 있으며, 평가 장치는 제 1 및 제 2 센서 클러스터의 얻어진 속도 성분으로부터 모터 차량의 적어도 하나의 추가의 회전율을 얻고, 이 추가의 회전율을 사용하여 모터 차량의 속도 성분을 얻도록 설계된다.
센서 장치의 선행하는 설명은 특히 모터 차량에서 적합한 것으로 나타난다. 센서 장치 이외에, 본 발명은 또한 전술한 유형의 센서 장치를 포함하는 모터 차량을 이용한다.
본 발명의 전술한 이점, 상세 및 적절한 전개 및 본 발명의 추가의 이점, 상세 및 적절한 전개는, 도면을 참조하여 하기에 설명된 예시적 실시형태에 기초하여 명확해질 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 센서 장치를 갖는 모터 차량의 개략적인 수직 단면도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 센서 장치를 갖는 모터 차량의 개략적인 수평 단면도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 센서 장치의 기능적 원리를 도시하는 개략도이다.
도 4 는 차량에 대한 다양한 좌표계의 위치를 도시하는 개략도이다.
도 5 는 수평 단면에 3 개의 센서 클러스터를 갖는 모터 차량의 개략도이다.
도 6 은 수평 단면에 2 개의 센서 클러스터를 갖는 모터 차량의 개략도이다.
도 6a 는 수평 단면에 1 개의 센서 클러스터를 갖는 모터 차량의 개략도이다.
도 7 은 거리 측정을 허용하는 구성에서 센서 클러스터의 개략도이다.
도 8 은 레이저 장치에 의해 방사되는 변조 주파수의 시간 프로파일을 기본적으로 설명하는 그래프이다.
도 9 는 센서 클러스터와 회전 속도 센서를 갖는 모터 차량의 개략도이다.
도 10 은 추가의 구성에서 2 개의 센서 클러스터를 갖는 모터 차량의 개략도이다.
도 1 은 센서 크러스터 (102) 가 장착된 모터 차량 (101) 을 나타내는 개략도인데, 센서 클러스터 (102) 는 차량 (101) 에 배치된 평가 장치 (110) 에 연결된다. 모터 차량 (101) 은 차체 (105) 와 휠 (106) 을 포함한다. 모터 차량 (101) 은, 예컨대 임의의 소망하는 개수의 차축과 휠 (106) 을 갖는 승용차 또는 트럭일 수도 있다. 이 점에서, 도면의 설명은 순전히 예시를 위한 것으로 이해되어야 한다. 평가 장치 (110) 는 연산을 실행하는 마이크로프로세서와 연산을 실행하는 알고리즘과 파라미터가 저장되는 비휘발성 메모리를 갖는 전산 장치이다. 센서 클러스터 (102) 는 차체 (105) 의 언더플로어에 배치되며, 3 개의 레이저 유닛 (108a, b, c) 을 포함하는데, 도 1 에는 그 중 하나의 레이저 유닛 (108a) 만을 도시한다. 레이저 유닛 (108a, b, c) 각각은 차량 (101) 의 언더플로어에 대해 각 αi(i = a, b, c) 으로 측정 광 빔 (103a, b, c) 을 노면 (104) 방향으로 전송한다. 광학 소자 (107a, b, c) 는 측정 광 빔 (103a, b, c) 을 다발로 하며, 노면 (104) 의 일 지점 또는 노면 (104) 근처의 일 지점에 빔을 집중시킨다. 레이저 유닛 (108a, b, c) 의 측정 광 빔 (103a, b, c) 은 간섭성 광에 의해 형성되며, 예컨대 수직 공동 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 이하 VCSEL) 로서 일 구성에서 구성될 수 있는 반도체 레이저에서 발생된다. 광은 가시 스펙트럼 범위, 특히 적외 스펙트럼 범위에 있는 것이 바람직하므로, 측정 광 빔 (103a, b, c) 은 볼 수 없어, 도로 이용자를 혼란시킬 수는 없다. 그러나, 대안으로서 다른 스펙트럼 범위의 광을 생성시킬 수도 있다. 센서 클러스터 (102) 의 레이저 유닛 (108a, b, c) 은, 이들 측정 광 빔 (103a, b, c) 이 상이한 방향을 갖도록 배치된다. 일 예시적 구성에서,측정 광 빔 (103a, b, c) 은 차량의 언더플로어를 동일한 각도 αi 로 둘러싸지만, 차량의 언더플로어 상으로의 이들의 투영 (projection) 은 도 2 에 개략적으로 도시하는 바와 같이 상이한 각도 δi 를 갖는데, 그렇지만, 물론 다른 구성 또한 가능하다.
레이저 유닛 (108a, b, c) 기능의 기본 방법은 레이저 유닛 (108i) 을 위한 도 3 을 기초로 하여 예시적으로 도시되는데, 이 유닛은, 센서 클러스터 (102) 의 레이저 유닛 (108a, b, c) 의 모든 예시로서 작용한다. 레이저 유닛 (108i) 은 길이 L 의 레조네이터 (301) 를 포함하는데, 이는 전방의 반투명 거울 (translucent mirror)(302) 과 후방의 반투명 거울 (303) 에 의해 제한된다. 측정 광 빔 (103i) 은 레조네이터 (301) 로부터 전방 거울 (302) 을 통해 노면 (104) 의 방향으로 나타나는 광에 의해 형성된다. 레조네이터 (301) 또는 전방 거울 (302) 또는 노면 (104) 사이를 따라 측정 광 빔 (103) 이 이동하는 경로의 길이는 L0 로 나타낸다. 측정 광 빔 (103) 은 노면 (104) 에서 산란된다. 산란 광의 일부는 측정 광 빔 (103i) 의 반대 방향으로 산란된 광 빔 (305) 으로 다시 반사된다. 광학 장치 (107i) 의 결과로서, 산란된 광 빔 (305) 은 레조네이터 (301) 내로 통과되어, 레조네이터 (301) 에서 증폭된 광에 의해 간섭한다.
레조네이터 (301) 및 노면 (104) 이 차량 (101) 의 운동 때문에 측정 광 빔 (103) 의 방향으로 서로에 대해 속도 성분 νLi 으로 움직인다면, 산란된 광 빔 (305) 은 도플러 이동 (Doppler shift) 을 받게 된다. 이는 특정의 속도 성분 νLi 의 함수로서 파장 또는 광의 주파수에서의 변화이다. 레조네이터 (301) 내로 산란된 광 빔 (305) 의 후방 공급에 기인하여, 자기 혼합 효과가 레조네이터 (301) 내에서 발생한다. 이는, 레이저 증폭이 산란된 광 빔 (305) 의 도플러 이동 또한 따라서 전술한 속도 성분에 따르는 주파수에 의해 변조되는 것을 의미한다. 시간에 대한 레이저 증폭시의 변화 Δg 는 다음 식에 의해 측정 광 빔 (103i) 의 방향으로 레조네이터 (301) 와 노면 (104) 사이의 상대 운동의 속도 성분 νLi 의 함수로서 기재된다:
Figure pct00001
(1)
여기서, κ 는 0 과 1 사이의 값을 갖는 레이저 고유 (specific) 연결 계수를,
Figure pct00002
는 레이저 유닛 (108i) 으로부터 방사된 광의 주파수를, c 는 광의 속도를, t 는 시간을 나타낸다. 식 (1) 은 예컨대, M.H. Koelink 등의 자기 혼합 효과의 이론 ("Laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a fibre-coupled semiconductor laser: theory", Applied Optics, Vol.31, 1992, 3401 내지 3408 페이지) 으로부터 얻어진다.
레이저 증폭의 주기적 변조는 레조네이터 (301) 에 의해 방출되는 광의 세기의 대응하는 주기적 변조를 유발한다. 속도 성분 νLi 은 측정된 세기를 주기적으로 변화시키는 주파수로부터 얻어질 수 있다. 레조네이터 (301) 의해 방출되는 광의 세기를 측정하기 위해, 포토 다이오드 (306) 가 제공되는데, 이 포토 다이오드 (306) 는 후방 거울 (303) 을 통해 레조네이터 (301) 로부터 나오는 광을 검출한다. 이러한 다이오드 (306) 는 레이저 광의 세기를 일정하게 유지하거나 제어하는데 사용되므로, 이미 일반적인 상업적으로 입수가능한 레이저 다이오드의 장비의 성분이다. 본 발명의 적용에서, 포토 다이오드 (306) 는 측정된 세기의 시간 프로파일로부터 세기의 변화의 주파수를 얻고 이 주파수에 기초하여 속도 성분 νLi 을 판정하는 평가 장치 (110) 에 연결된다.
센서 클러스터 (102) 의 레이저 유닛 (108a, b, c) 에 의해, 따라서 평가 장치 (110) 에 의해 평가되는 3 개의 속도 성분 νLi(i = a,b,c) 을 얻을 수 있다. 실행되는 평가를 위해, 도 4 에 도시된 센서 좌표계 (401) 를 고려하는 것이 바람직하다. 센서 좌표계 (401) 는, 그의 원점이 측정 시간에서 센서 클러스터 (102) 의 장착 위치와 일치하는 직교 좌표계 (rectangular coordinate system) 이다. 따라서, 센서 좌표계 (401) 는, 측정 시간에서 차량에 초기 고정되는 공간 고정 좌표계 (spatially-fixed coordinate system) 이다. 예컨대, 센서 좌표계의 xs 축은 차량의 길이 방향의 전방을 가리키고, ys 축은 차량의 횡방향의 좌측을 가리키며, zs 축은 차량의 수직 방향의 상방을 가리킨다. 그러나, 센서 좌표계 (401) 의 다른 배향도 유사할 수 있다. 센서 좌표계 (401) 이외에, 도 4 는 차량 (101) 의 중력 중심 시스템 (402) 을 추가로 설명하는데, 중력 중심 시스템 (402) 의 원점은 차량의 중력 중심 (CM) 에서의 측정 시간에서 시작된다. 센서 좌표계 (401) 에서와 같이, 중력 중심 시스템 (402) 의 xv 축은 차량의 길이 방향의 전방을 가리키고, yv 축은 차량의 횡방향의 좌측을 가리키며, zv 축은 차량의 수직 방향의 상방을 가리킨다. 따라서, 중력 중심 시스템 (402) 은 센서 클러스터 (102) 와 차량의 중력 중심 (CM) 사이의 연결 선을 따라 센서 좌표계 (401) 에 대해 이동하여 회전된다.
센서 좌표계 (401) 에서, 센서 클러스터 (102) 의 측정 광 빔 (103a, b, c) 의 방향
Figure pct00003
은 각 αi, δi 에 의해 특성화되는데, 이들 각은 센서 클러스터 (102) 의 고정된 장착 위치로부터 얻어지며, 평가 장치 (110) 의 비휘발성 메모리에서 파라미터로서 저장될 수 있으며, 도 1 및 도 2 에 도시된다. 동일한 것이 방향들에 적용된다:
(2)
센서 클러스터 (102) 에 의해 측정된 속도 성분은, 예컨대 스칼라 곱 (scalar product) 을 사용하여, 이들 방향에서의 센서 클러스터 (102) 의 속도
Figure pct00005
의 성분에 대응하는데, 다음이 적용된다
Figure pct00006
(3)
센서 좌표계 (401) 의 3 개의 축선을 따라
Figure pct00007
인 속도 벡터의 성분으로부터 선형 방정식은, 센서 클러스터 (102) 의 레이저 유닛 (108a, b, c) 으로부터 얻을 수 있는 3 개의 속도 성분 vLa, vLb 및 vLc 을 위한 대응 식으로부터 얻어질 수 있다. 상기 성분은 중력 중심 시스템 (402)에서 센서 클러스터 (102) 의 속도의 성분에 대응하는데, 이는 속도 성분이 센서 좌표계 (401) 에 대해서만 운동되고 회전되기 때문이다. 평가 장치 (110) 는 속도
Figure pct00008
로부터, 센서 좌표계 (401) 및/또는 중력 중심 시스템 (402) 에 관한 차량의 중력 중심 (CM) 병진 속도
Figure pct00009
를 얻는다. 이는 그 자체로 공지된 관계식을 사용하여 실행된다.:
Figure pct00010
(4)
여기서,
Figure pct00011
는 센서 클러스터 (102) 로부터 시작하여 차량의 중력 중심 (CM) 까지의 연결 벡터를 나타낸다. 평가 장치 (110) 가 중력 중심의 속도
Figure pct00012
를 연산할 수 있기 위해서, 센서 클러스터 (102) 와 차량의 중력 중심 (CM) 사이의 연결 벡터 성분
Figure pct00013
은, 이들이 차량 (101) 의 통상의 부하 상태에 대해 미리 판정된 후에, 평가 장치 (110) 의 비휘발성 메모리에서의 파라미터로서 일 실시형태에 저장된다. 바뀐 부하에 기인한 중력 중심 (CM) 의 위치 변화는 이러한 구성에서 무시된다. 식 (4) 에 포함된 변수
Figure pct00014
는, 차량 (101) 의 각속도를 나타내는데, 이들 성분중
Figure pct00015
는 차량 (101) 의 쏠림율 (rolling rate),
Figure pct00016
는 차량 (101) 의 고저율 (pitching rate), 및
Figure pct00017
는 차량 (101) 의 요율 (yaw rate) 을 나타낸다.
중력 중심 시스템 (402) 과 센서 좌표계 (401) 는 차량에서 초기에 고정되기 때문에, 이들 시스템의 xy-평면은 노면 (104) 에 대해 차체 (105) 의 쏠림 운동 및 고저 운동에 기인하여 현재의 고저각과 쏠림각을 중심으로 회전된다. 그러나, 차량 (101) 의 차량 이동 동력학 상태는 속도 성분, 특히 수평화된 시스템과 관련된 차량의 길이방향 속도
Figure pct00018
와 횡방향 속도
Figure pct00019
에 의해 통상 특성화된다. 이는 그의 x-y 평면이 노면의 평면에 평행하게 이어져 노면의 평면에 놓여지는 좌표계를 포함한다. 고려시, 그의 원점은이 노면의 평면에서 차량 (101) 의 중력 중심 (CM) 아래에 수직하게 시작되는 수평화된 시스템이 일반적으로 사용된다. x 축은 차량의 길이방향에서 노면의 평면에 전방으로 이어지며, y 축은 측방향에서 노면의 평면 (104) 에 좌측으로 이어지며, z 축은 차량의 수직 방향에서 노면의 표면 (104) 에 대해 수직 상방으로 이어진다. 중력 중심 시스템 (402) 에 대한 중력 중심의 속도
Figure pct00020
와 수평화된 시스템에 관한 중력 중심 속도
Figure pct00021
사이에는, 하기의 관계가 존재한다
Figure pct00022
또는
Figure pct00023
(5)
여기서, 매트릭스
Figure pct00024
는 고저각 (θ) 을 통해 순간 y 축을 중심으로하는 회전을 나타내며, 매트릭스
Figure pct00025
는 쏠림각 (φ) 을 통해 순간 x 축을 중심으로 하는 회전을 나타내며, 하기와 같이 적용된다.
Figure pct00026
(6)
중력 중심 시스템 (402) 에서 중력 중심의 속도
Figure pct00027
를 판정하기 위해서, 따라서 차량 (101) 의 회전율, 즉 요율, 쏠림율 및 고저율을 알아야 하며, 게다가 수평화된 시스템에서 중력 중심의 속도
Figure pct00028
를 얻기 위해서, 차량 (101) 의 쏠림 각과 고저각을 알아야 한다.
일 실시형태 (블록 선도에 의해 도 5 에 개략적으로 도시됨) 에서 3 개의 병진 자유도 및 3 개의 회전 자유도에 따라 차량의 운동을 판정하기 위해서, 평가 장치 (110) 에 연결된 이미 언급한 유형의 3 개의 센서 클러스터 (102a, b, c) 가 사용된다. 센서 클러스터 (102a, b, c) 는 차량 (101) 의 언더플로어에 배치된다. 이러한 배치는 또한, 센서 클러스터 (102a, b, c) 가 일직선에 배치되지 않으며 바람직하게 일 평면 상에 배치되지 않도록 선택된다. 센서 클러스터 (102a, b, c) 각각을 위해, 전술한 바와 같이 중력 중심 시스템 (402) 에 관련된 센서 클러스터 (102) 의 속도
Figure pct00029
를 평가 장치 (110) 에서 얻을 수 있다. 속도
Figure pct00030
를 서로 비교함으로, 평가 장치 (110) 는 이후 차량 (101) 의 쏠림율, 고저율 및 요율을 판정한다. 두개의 속도
Figure pct00031
의 비교를 위해, 하기 식이 적용되는데, 이 식은 평가를 위해 사용되고, 식 (4) 로부터 얻을 수 있다:
Figure pct00032
(7)
여기서,
Figure pct00033
는 센서 클러스터 i 와 센서 클러스터 j 사이의 연결 벡터를 나타낸다. 쌍 (i,j) = (a,b), (a,c), (b,c) 을 위해, 식 (7) 은 3 개의 벡터 식을 유도한다. 이들은 3 개의 식이 선택되어 차량 (101) 의 회전율을 얻기 위해 기본으로서 평가 장치 (110) 에 사용되는 것으로부터 9 개의 식을 갖는 방정식에 해당한다. 이후, 회전율은 중력 중심 시스템 (402) 에서 차량 (101) 의 중력 중심의 속도
Figure pct00034
를 판정하기 위해 평가 장치 (110) 에 의해 사용된다. 이는 센서 클러스터 (102a, b, c) 를 위해 얻어지는 속도
Figure pct00035
를 사용한 식 (4) 에 기초하여 행해진다. 대안으로, 초기에 2 개 또는 3 개 값이 추가의 센서 클러스터 (102a, b, c) 를 위해 얻어진 속도
Figure pct00036
를 사용한 중력 중심 속도
Figure pct00037
및 별개의 값으로부터 유도될 수 있는 중력 중심 속도
Figure pct00038
를 위해 판정될 수 있다. 이는 거리가 너무 클 때 잘못된 측정을 검출하기 위해 3 개의 얻어진 값이 서로 비교되는 동안 속도 판정의 정확성을 증가시키고 타당성 확인 (plausibility checking) 을 허용한다.
게다가, 시간에 대한 쏠림율과 고저율의 적분 (integration) 은 쏠림각과 고저각이 얻어지는 것을 허용한다. 예컨대 평가 장치 (110) 에 신호를 주는 이그니션 스타트 (ignition start) 에서 적분을 시작할 수 있으며, 쏠림각과 고저각이 이그니션 스타트에서 0 값을 갖는 전제조건에 기초하여 실행될 수 있다. 이러한 구성에서, 쏠림각과 고저각을 사용함으로써, 평가 장치 (110) 는 식 (5) 에 기초하여, 차량의 길이방향 속도
Figure pct00039
와 차량의 횡방향 속도
Figure pct00040
뿐만 아니라, 적절하다면, 수평화 시스템에서 차량의 중력 중심 (CM) 의 수직 속도
Figure pct00041
를 판정한다.
3 개의 센서 클러스터 (102a, b, c) 에 연결되는 평가 장치 (110) 의 출력 신호는 예컨대, 차량 (101) 의 작은 쏠림 운동 및 고저 운동중 수평화 시스템에서 병진 속도
Figure pct00042
을 위한 양호한 근사값을 이루는 중력 중심 시스템 (402) 에서 차량의 중력 중심의 병진 속도
Figure pct00043
성분이다. 회전율의 적분에 의해 판정되는 차량 (101) 의 회전 각의 제공이 존재한다면, 속도
Figure pct00044
는 수평화 시스템에서 평가 장치 (110) 에 의한 출력 변수로서 출력될 수 있다. 추가의 출력 변수는 차량 (101) 의 3 개의 얻어진 회전율을 나타낸다.
도 6 에 개략적으로 도시된 추가의 실시형태는, 3 개의 센서 클러스터 (102a, b, c) 대신에, 단지 2 개의 센서 클러스터 (102a, b) 가 사용되는 것이 상기의 구성과 상이한데, 이 센서 클러스터는 차체 (105) 의 언더플로어에 서로 이격되어 장착된다. 그러나, 센서 클러스터 (102a, b) 의 측정 신호에 추가하여 평가 장치 (110) 에 그의 측정 신호가 공급되는 회전율 센서 (601) 가 추가로 제공되어, 차량 (101) 의 회전율이 직접 측정된다. 이러한 구성에서, 직접 측정되지 않는 회전율은 센서 클러스터 (102a, b) 에 대해 얻어지며, 상기 기술된 방식으로 평가 장치 (110) 에서 판정되는 속도
Figure pct00045
및
Figure pct00046
로부터, 또한 측정된 회전율로부터 판정된다. 본원에서, 식　(5) 에 따르면, 관계
Figure pct00047
Figure pct00048
가 중력 중심 시스템 (402) 에 관한 속도
Figure pct00049
와
Figure pct00050
사이의 차를 위해 사용된다. 이러한 벡터 식은 3 개의 식을 포함하는데, 그중 2 개는 회전율 센서 (601) 에 의해 측정되지 않는 회전율을 판정하는데 사용된다. 나머지 회전율이 연산된 후에, 평가 장치 (110) 는 하나의 센서 클러스터 (102a, b) 또는 양 센서 클러스터 (102a, b) 를 위해 얻어진 속도
Figure pct00051
및
Figure pct00052
에 기초하여, 도 5 를 참조로 상기 기술된 구성과 유사한 방식으로, 중력 중심 시스템 (402) 에 관련된 차량의 중력 중심 (CM) 의 병진 속도
Figure pct00053
를 판정한다. 이 구성에서와 같이, 또한 차량 (101) 의 쏠림각과 고저각은 시간에 대한 쏠림율과 고저율의 적분에 의해 판정될 수 있다.
회전율 센서 (601) 는 바람직하게는 요율 센서인데, 이는 요율이 차량 이동 동력학에 가장 크게 영향을 미치고, 따라서 다른 변수와 별개로 요율의 직접 측정이 유리하기 때문이다. 게다가, 요율은 일반적으로 차량 이동 동력학 제어 시스템의 입력 변수로서 작용하므로, 이점에서 이 변수를 직접 측정하는 것이 유리하다. 그러나, 요율 센서 대신에, 쏠림율 센서 또는 고저율 센서를 사용하는 것도 가능하다. 사용된 회전율 센서는, 그 자체가 당업자에게 공지된, 특히 그 자체가 공지된 미세 기계 회전율 센서와 같은 방식으로 구성될 수 있다.
평가 장치 (110) 의 출력 신호는, 이 구성에서, 예컨대 중력 중심 시스템 (402) 에서 차량의 중력 중심의 병진 속도
Figure pct00054
또는 (회전율의 적분에 의해 판정될 차량 (101) 의 회전각이 제공된다면) 수평화 시스템에서의 병진 속도
Figure pct00055
의 성분이다. 추가의 출력 변수는 차량 (101) 의 2 개의 회전율인데, 이들은 회전율 센서 (601) 에 의해 직접 측정되지 않는다. 요율 센서가 사용될 때, 이들은 차량 (101) 의 쏠림율과 고저율이다.
차량 (101) 의 쏠림 운동과 고저 운동에 관계없이, 상기의 변수를 대략적으로 판정하기 위해서, 속도 클러스터 (102) 및 회전율 센서 (601) 의 센서 구조를 사용할 수 있다. 이 센서 구조는 도 6a 에 개략적으로 도시되어 있다. 회전율 센서 (601) 는 상기 언급한 이유 때문에 요율 센서가 바람직하다.
차량 (101) 이 기껏해야 작은 길이 방향 및 횡방향 가속을 받는 한, 차량 (101) 의 쏠림 운동 및 고저 운동은 작다. 추가 구성에서, 따라서 스프링 압축에 기인하여 차체 (105) 의 쏠림 운동 및 고저 운동이 무시될 수도 있으므로, 차량 (101) 의 쏠림각과 고저각 뿐만 아니라 쏠림율과 고저율도 0 의 값으로 설정될 수 있다. 이러한 구조에서, 모터 차량 (101) 에는, 센서 클러스터 (102) 및 센서 클러스터 (102) 의 측정 신호에 추가하여 평가 장치에 입력 신호로서 그의 측정 신호가 공급되는 요율 센서가 장착된다. 센서 클러스터 (102) 의 측정 신호로부터, 평가 장치 (110) 는 센서 클러스터의 속도
Figure pct00056
를 여기서 판정한다. 이후, 차량의 중력 중심 (CM) 의 병진 속도
Figure pct00057
의 근사값이 요율
Figure pct00058
을 사용하여 얻어진다. 이는 하기의 관계에 따라 실행된다.
Figure pct00059
(8)
이는 차량 (101) 의 쏠림율과 고저율을 무시함으로써 식 (4) 로부터 얻어진다. 변수 x 는 센서 클러스터 (102) 로부터 차량의 길이방향에서 측정된 센서 좌표계 (401) 에서 벡터
Figure pct00060
의 x 성분, 즉 차량의 중력 중심 (CM) 의 거리를 나타내며, 변수 y 는 센서 클러스터 (102) 로부터 차량의 측방향에서 측정된 센서 좌표계 (401) 에서 벡터
Figure pct00061
의 y 성분, 즉 차량의 중력 중심 (CM) 의 거리를 나타낸다. 평가 장치 (110) 의 출력 신호는, 이 구조에서, 수평화 시스템에서 중력 중심의 속도
Figure pct00062
의 성분을 위한 근사치와 동시에 사용될 수 있는 중력 시스템 (402) 중심에서 차량의 중력 중심 (CM) 의 근사의 병진 속도
Figure pct00063
의 성분을 포함한다.
일 구성에 있어서, 또한, 센서 클러스터 (102) 는 차량 (101) 의 중력 중심 (CM) 또는 차량 (101) 의 중력 중심 (CM) 아래에 수직으로 위치될 수 있다. 이 경우, 병진 속도는 차량 (101) 의 쏠림 운동 및 고저 운동을 무시함으로써 직접 측정될 수 있고, 또한 더 이상 임의의 회전 성분을 고려할 필요가 없다.
게다가, 차량 (101) 에는, 요율에 추가하여 추가의 회전율이 측정되고 차량의 중력 중심 (CM) 의 병진 속도
Figure pct00064
의 연산이 고려되도록 요율 센서에 추가하여, 쏠림율 센서 및/또는 고저율 센서가 장착된다. 시간에 대한 측정된 회전율을 적분시킴으로써, 대응하는 회전각을 얻을 수 있고, 중력 중심 시스템 (402) 에서 속도
Figure pct00065
로부터 수평화 시스템에서의 차량 속도
Figure pct00066
를 판정하는데 이들 회전각이 사용될 수 있으므로, 차량 속도
Figure pct00067
의 성분이 평가 장치 (110) 에 의해 수평화 시스템에서 출력될 수 있다.
추가의 실시형태에서, 전술한 유형의 센서 클러스터 (102) 가 또한 사용된다. 게다가, 차체 (105) 의 쏠림각과 고저각을 판정하는 장치가 제공된다. 쏠림각과 고저각을 얻기 위해, 차량 (101) 의 차대 (chassis) 의 스프링 요소 상에 특히 트래블 (travel) 센서를 제공할 수 있는데, 스프링 요소는 휠 (106) 에 대해 차체 (105) 를 지지한다. 트레블 센서는 여기서 각각 스프링 요소에 할당되며, 이들 센서는, 차체 (105) 가 해당 스프링 요소에서 실행되는 스프링 이동 거리를 측정한다. 4 륜 차량 (101) 의 경우에, 당업자에게 공지된 방식으로 특정 변수를 판정하기 위해서 각각의 경우에 하나의 차륜 (106) 에 적어도 3 개의 트래블 센서가 제공된다. 4 번째 트래블 센서는 매우 풍부하게 변수가 얻어질 수 있게 하여 더욱 정교한 판정을 가능케한다. 트래블 센서에 의해 측정된 스프링 이동 값으로부터, 트래블 센서의 측정 신호가 공급된 평가 장치 (110) 는 차량 (101) 의 고저각과 쏠림각을 얻는다. 게다가, 차량 (101) 의 쏠림율과 고저율은 시간에 대한 쏠림각과 고저각을 유도함으로써 평가 장치 (110) 에서 얻어질 수 있다. 이후, 상기 쏠림율과 고저율은 센서 클러스터 (102) 의 얻어진 속도
Figure pct00068
로부터, 관계식 (4) 를 사용한 차량의 중력 중심 (CM) 의 병진 속도
Figure pct00069
를 판정하는데 사용된다. 얻어진 쏠림각과 얻어진 고저각에 기초하여, 차량 속도
Figure pct00070
가 수평화 시스템에서 연산될 수 있다. 따라서, 평가 장치 (110) 의 출력 신호는 수평화 시스템에서의 차량 속도
Figure pct00071
, 차량 (101) 의 회전율, 및 적절하다면 이 구성에서 차량 (101) 의 회전각의 성분을 나타낸다.
본 발명의 추가의 실시형태는, 도 7 에 개략적으로 도시된 센서 클러스터 (701) 의 용도를 제공하는데, 이 센서 클러스터는 측정 광 빔 (703a, b, c) 의 방향으로의 속도 성분에 추가하여, 측정 광 빔 (703a, b, c) 이 센서 클러스터 (701) 와 노면 (104) 사이에서 이동하는 거리가 또한 판정되도록 전술한 클러스터에 비해 변형된다. 변형된 클러스터 (701) 는 이하, 거리 클러스터라 하며, 속도 측정을 위해 이미 기술된 센서 클러스터 (102) 는 거리 클러스터와의 구별을 위해 이하, 속도 클러스터라 한다. 속도 클러스터 (102) 와 같이, 거리 클러스터 (701) 는 차체 (105) 의 언더플로어에 장착된다. 또한, 평가 장치 (704) 에 연결되며 노면 (104) 에 반사된 다양한 위치에서 측정 광 빔 (703a, b, c) 을 전달하는 3 개의 레이저 유닛 (702a, b, c) 을 포함한다. 거리 클러스터 (701) 의 레이저 유닛 (703 a, b, c) 은 속도 클러스터의 레이저 유닛 (108a, b, c) 과 동일한 방식으로 기본적으로 구성될 수 있다. 그러나, 속도 클러스터 (102) 와 대조적으로, 레이저 유닛 (702a, b, c) 에 의해 방사된 광의 주파수가 변화될 수 있다. 이러한 변화는 레이저 다이오드를 통해 흐르는 전류를 변화시킴으로써 여기에서 발생되는 것이 바람직하며, 이는 제어 장치 (705) 에 의해 야기된다. 속도 클러스터 (102) 의 경우에서와 같이, 거리 클러스터 (701) 의 경우에, 레이저 유닛 (702i) 에 의해 전달된 광이 노면 (104) 에서 산란되고, 레이저 유닛 (702i) 에 다시 부분적으로 반사된다. 다시 반사된 광은 대응하는 레이저 유닛 (702i) 의 레조네이터에 다시 공급되고, 거기서 발생된 광에 의해 레이저 유닛 (702i) 의 레조네이터에서 간섭한다. 이는 레조네이터에서 자기 혼합 효과의 발생을 유도하는데, 이 효과는 변조될 레이저 다이오드에 의해 전달된 광의 세기가 변조되는 것을 유발하며, 이러한 변조는 포토 다이오드에 의해 검출된다. 포토 다이오드의 전류의 변조는 이러한 차동 주파수가 포토 다이오드에 의해 해결될 수 있는한 다시 반사된 레이저 광과 레조네이터에서의 레이저 광 사이의 차이에 대응하는 주파수를 여기서 갖는다.
전달된 레이저 광의 주파수는, 별개의 측정된 광 빔 (703i) 이 레이저 유닛 (702i) 또는 그안에 포함된 레조네이터와 노면 사이에서 이동하는 거리 dLi 뿐 아니라 속도 성분 vLi 의 판정을 위해 거리 클러스터 (701) 의 레이저 유닛 (702i) 을 사용하기 위해서 그 자체로 공지된 주파수 변조 연속 파형 (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave) 원리에 따라 변조된다. 주파수 변조는 레이저 다이오드를 통해 흐르는 전류를 대응 변화시킴으로써 제어 장치 (705) 에 의해 실행된다. 일 구성에서, 델타 함수에 따른 선형 변조가 실선에 의해 도 8 의 선도에서 개략적으로 도시하는 바와 같이 제공된다. 선도에서, 주파수
Figure pct00072
는 시간
Figure pct00073
에 대해 플롯화된다. 그의 시간 프로파일이 점선에 의해 도 8 의 선도에서 도시된 다시 반사된 신호의 주파수는 측정 광 빔 (703i) 의 순간 주파수와 편이 비교 (shift compared) 된다. 반사된 광의 주파수
Figure pct00074
와 투과된 광의 주파수
Figure pct00075
사이의 주파수 편이
Figure pct00076
는 다시 반사된 광의 통과 시간을 유발하는 제 1 부분
Figure pct00077
과 다시 반사된 광의 도플러 이동에 기인한 제 2 부분
Figure pct00078
을 포함한다. 측정된 광 빔 (703i) 의 주파수가 증가할 때, 주파수 편이
Figure pct00079
는 도플러 부분
Figure pct00080
과 제 1 부분
Figure pct00081
사이의 차이를 유발하므로, 하기 식이 적용된다:
Figure pct00082
(9)
주파수가 감소할 때, 주파수 편이
Figure pct00083
는 2 개의 부분의 합으로부터 얻어지는데, 즉 하기 식이 적용된다:
Figure pct00084
(10)
그 결과, 주파수 편이의 2 개의 부분은 주파수 증가 및 주파수 감소중 차동 주파수를 평가함으로써 얻어질 수 있다. 본원에서 하기 식이 적용된다:
Figure pct00085
(11)
Figure pct00086
(12)
속도 성분 vLi 과 거리 dLi 는 레이저 유닛 (702i) 에 의해 식 (11) 및 (12) 로부터 얻어질 수 있다. 속도 성분 vLi 을 위해, 하기 식이 적용된다:
Figure pct00087
(13)
여기서, λ 는 방사된 레이저 광의 파장을 나타내며, dLi 를 나타내기 위해 하기 식이 적용된다:
Figure pct00088
(14)
여기서,
Figure pct00089
은 주파수 변동 (frequency swing), 즉, 변조된 주파수의 최대값과 최소값 사이의 차이를 나타내며, T 는 주파수 변조의 주기 길이를 나타낸다.
거리 클러스터 (102) 는 전술한 바와 같이 거리 dLi 뿐만 아니라 속도 vLi 를 판정하기 위해 사용될 수 있다. 거리 클러스터 (701) 에 의해 얻어진 속도 성분 vLi (i = a,b,c) 은 속도 클러스터 (102) 에 의해 또한 판정될 수 있는 것에 대응한다. 이를 위해, 별개의 센서 클러스터 (701) 가 속도 vLi 와 거리 dLi 를 판정하기 위해 사용될 수 있다.
그러나, 단일 센서 클러스터 대신에, 거리 클러스터 (701) 가 이들 변수를 판정하기 위해서 사용된다면, 거리 클러스터 (701) 에 의해 거리 dLi 가 검출되고, 전술한 유형의 별개의 속도 클러스터 (102) 가 속도 vLi 를 판정하기 위해 사용될 수 있다. 거리 클러스터 (701) 와 속도 클러스터 (102) 는 이러한 구조에서 공통의 하우징에서 통합될 수 있다. 게다가, 2 개의 센서 클러스터 (701,　102) 는 공통의 평가 장치 (704) 를 가질 수 있다.
거리 클러스터 (701) 의 레이저 유닛 (702i) 에 의해 얻어진 거리는 거리 클러스터 (701) 와, 대응하는 측정된 광 빔 (703a, b, c) 이 충돌하는 노면 (104) 의 지점 사이의 연결 벡터
Figure pct00090
의 절대값에 해당한다. 연결 벡터는
Figure pct00091
로 나타내는데, 여기서 벡터
Figure pct00092
는 식 (2) 에서 나타낸 것과 같고, 측정된 광 빔 (103a, b, c) 을 위해, 측정된 광 빔 (703a, b, c) 의 방향을 개시한다. 3 개의 연결 벡터
Figure pct00093
,
Figure pct00094
및
Figure pct00095
는 노면의 평면에 대응하는 평면에서 연결한다. 따라서, 평가 장치 (704) 는 얻어진 거리
Figure pct00096
,
Figure pct00097
및
Figure pct00098
로부터, 특히 센서 좌표계 (401) 의 x-y 평면과 노면의 평면 사이의 회전각으로부터 판정될 수 있다. 이들 회전각은 차체 (105) 의 쏠림각과 고저각에 해당하는데, 이는 노면의 평면이 수평화된 좌표계의 x-y 평면에 평행하게 배향되기 때문이다.
일 구성에서, 예컨대, 측정 광 빔 (703a, b, c) 에 의해 연결되는 평면의 단위 법선 벡터 (unit normal vector) 가 회전각을 판정하기 위해 판정될 수 있다. 이러한 단위 법선 벡터는 벡터 곱 (vector product) 을 사용하여, 예컨대 하기에 의해 얻어진다:
Figure pct00099
(15)
여기서,
Figure pct00100
는 절대값을 나타낸다. 단위 법선 벡터
Figure pct00101
는 센서 좌표계 (401) 에서 부여된 z 방향에 있어서 수평화된 시스템의 단위 벡터에 대응한다. 따라서, 하기의 식이 적용된다:
Figure pct00102
(16)
이 식에서,
Figure pct00103
는 센서 좌표계 (401) 에서 z 방향에 있어서 단위 벡터를 나타낸다. 벡터 식 (16) 은 차체 (105) 의 쏠림각
Figure pct00104
과 고저각
Figure pct00105
을 판정하는 방정식을 포함한다.
Figure pct00106
를 이용함으로써, 본원에서는 다음과 같은 해가 얻어진다:
Figure pct00107
(17)
Figure pct00108
(18)
식 (18) 에서,
Figure pct00109
의 x 성분은 정규화 (normalization) 가
Figure pct00110
를 위해 실행되는 물리적 단위로 삽입되는데, 이는 예컨대 ㎝ 또는 m 로 실행될 수도 있다.
평가 장치 (704) 가 거리 클러스터 (701) 의 측정 신호에 기초하여 차량 (101) 의 쏠림각과 고저각을 판정한 후에, 차량 (101) 의 쏠림율과 고저율이 시간에 대한 쏠림각과 고저각을 유도함으로써 연산된다. 중력 중심 시스템 (402) 또는 수평화 시스템에서의 중력 중심 속도를 판정하기 위해서, 쏠림율과 고저율 뿐만 아니라 차량 (101) 의 요율도 추가적으로 알아야 할 필요가 있다. 도 9 에서 블록선도로 개략적으로 도시하는 구성에서 요율 센서 (901) 의 검출에 의해 안다. 개략적인 블록 선도로 도 10 에 도시된 추가 구조에서, 추가의 센서 클러스터가 거리 클러스터 (701) 에 추가로 사용되는데, 추가의 센서 클러스터는 차체 (105) 의 언더플로어에 거리 클러스터로부터 이격되어 위치된다. 추가로 사용된 센서 클러스터는 추가의 거리 클러스터 (701b) 또는 속도 클러스터 (102) 일 수도 있다. 추가의 센서 클러스터에 의해, 센서 클러스터의 속도는, 두개의 속도, 예컨대 거리 클러스터 (701) 의 속도
Figure pct00111
와 추가 센서 클러스터의 속도
Figure pct00112
가 존재하도록 얻어진다. 차량 (101) 의 쏠림율 및/또는 고저율을 이용함으로써, 하기의 관계식으로부터 이미 명확하게 기재된 바와 같이 이들 2 개의 식으로부터 요율을 연산할 수 있다.
Figure pct00113
Figure pct00114
(19)
여기서,
Figure pct00115
는 거리 클러스터 (701) 로부터 추가의 센서 클러스터까지의 연결 벡터를 나타낸다.
쏠림율, 고저율 및 요율에 기초하여, 이후, 평가 장치 (704) 는 거리 클러스터 (102) 에 의해 판정된 속도
Figure pct00116
및/또는 추가의 센서 클러스터에 의해 얻어진 속도
Figure pct00117
로부터, 식 (4) 을 사용하여 차량의 중력 중심 (CM) 의 속도
Figure pct00118
를 연산한다. 거리 클러스터 (701) 에 의해 얻어진 쏠림각과 얻어진 고저각에 기초하여, 추가 단계에서, 평가 장치 (704) 에 있어서 수평화 시스템에서의 속도
Figure pct00119
로부터 차량 속도
Figure pct00120
를 연산하는 것이 가능하다. 따라서, 평가 장치 (704) 의 출력 신호는 수평화 시스템에서 차량 속도
Figure pct00121
, 차량 (101) 의 회전율 및 적절하다면 차량 (101) 의 회전각의 성분을 구성한다.
전술한 센서 구성은, 평가 장치 (110, 704) 가 중심화 시스템에서 차량 속도
Figure pct00122
또는 중력 중심 시스템 (402) 에서 차량 (101) 의 속도
Figure pct00123
를 판정할 수 있다는 사실을 공통으로 갖는데, 여기서, 속도
Figure pct00124
은 수평화 좌표계에서 속도
Figure pct00125
에 대체로 대응한다. 얻어진 속도 성분은 예컨대 운전자 정보 시스템과 같은 차량 (101) 의 추가 시스템 또는 예컨대 차량 이동 동력학 제어 시스템과 같은 제어 시스템에 의해 직접 사용될 수 있다. 게다가, 추가의 차량 이동 동력학 변수가 얻어진 변수로부터 유도될 수 있고, 추가의 차량 시스템에서 사용될 수 있다. 특히, 차량 (101) 의 횡방향 가속은 시간에 대한 유도에 의해 차량 횡방향 속도
Figure pct00126
로부터 연산될 수 있으므로, 종래의 차량 이동 동력학 제어 시스템의 통상적인 성분인 추가의 횡방향 가속 센서가 필요없다. 게다가, 차량 (101) 의 자세각
Figure pct00127
은 차량의 길이방향 속도
Figure pct00128
와 횡방향 속도
Figure pct00129
로부터 얻을 수 있는데, 자세각
Figure pct00130
에 대해서는 하기 식이 적용된다 :
Figure pct00131
(20)
자세각은 특히 위험한 운전 상황에서 운전 상태를 특성화하기에 특히 적합하며, 따라서 예컨대 차량 (101) 을 안정화시키기 위해 차량 이동 동력학 제어기에 의해 사용될 수 있다. 그러나, 종래의 센서 시스템에 의해서는, 자세각이 신뢰가능하게 얻어질 수 없었으므로, 본 발명에 기초한 차량 이동 동력학 제어 프로세스의 실행은 자세각을 유용하게 개선시킴으로써 상당히 호전될 수 있다.
게다가, 다수의 전술한 구성에서, 차량 (101) 의 요율, 쏠림율 및 고저율이 얻어질 수 있다. 이들 변수는 또한 차량 (101) 의 추가의 장치에서 입수될 수있다. 또다시, 이들 장치의 예는, 이의 제어 알고리즘이 이들 변수를 포함할 수 있는 차량 이동 동력학 제어기 또는 차대 제어기 및 추가의 운전 보조 시스템 및 예컨대, 차체 (105) 의 쏠림 운동 및/또는 고저 운동을 보상하는 수동의 안전 시스템이다.
본 발명이 도면의 상세 및 상기 명세서에 기재되고 있지만, 명세서는 예시를 위한 것이지 제한하고자 하는 것은 아님이 이해되어야 하고, 특히 본 발명은 설명된 예시적 실시형태로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 추가의 변형예 및 실시예는 상기 명세서, 도면 및 특허청구범위로부터 당업자를 위해 판명된다. "구비하는", "갖는", "포함하는", "함유하는" 과 같이 특허청구범위에 사용된 용어 등은 추가의 요소 또는 단계를 배제하는 것이 아니다. 부정 관사의 사용은 복수형을 배제하는 것은 아니다. 별개의 장치가 특허청구범위에서 분류된 복수의 유닛 또는 장치의 기능을 실행한다. 특허청구범위에 부여된 참조 부호는 적용된 수단 및 단계를 제한하는 것으로 고려되서는 안된다.

Claims (15)

  1. 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치로서, 이 장치는,
    센서 장치가 모터 차량 (101) 에 배치될 때 노면 (104) 의 방향으로 전달되는 간섭성 광 (coherent light) 을 방사시키는 광원을 가지며, 노면에 산란되는 광과 광원의 광 사이의 간섭을 특성화시키는 적어도 하나의 측정 변수를 검출하도록 설계된 간섭 검출기 (306) 를 갖는 적어도 하나의 레이저 유닛 (108i; 702i) 을 포함하며,
    상기 측정 변수는 센서 장치의 속도 성분 및/또는 센서 장치와 노면 (104) 사이의 거리를 나타내며,
    상기 레이저 유닛 (108i; 702i) 은 차량 (101) 의 운동 상태를 특성화시키는 적어도 하나의 변수를 상기 측정 변수로부터 판정하도록 설계된 평가 장치 (110; 704) 에 연결되는, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 평가 장치 (110, 704) 에 연결되는 복수 개의 레이저 유닛 (108i; 702i) 을 갖는 적어도 하나의 센서 클러스터 (102; 102i; 701) 를 포함하며, 상기 레이저 유닛 (108i, 702i) 은 다양한 방향으로 광을 방사하는, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 클러스터 (102; 102i; 701) 의 레이저 유닛 (108i; 702i) 은, 모터 차량 (101) 이 작동할 때 노면 (104) 과 마주하는 차체 (105) 의 하측에 장착될 수 있는 공통의 하우징에 배치되는, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 평가 장치 (110, 704) 는, 센서 클러스터 (102; 102i; 701) 의 레이저 유닛 (108i; 702i) 에 의해 검출되는 측정 변수 각각으로부터 센서 클러스터 (102; 102i; 701) 의 속도 성분을 얻고, 얻어진 속도 성분에 기초하여 모터 차량 (101) 의 적어도 하나의 속도 성분을 판정하도록 설계된, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 평가 장치 (110, 704) 는 모터 차량 (101) 의 속도 성분의 판정시 모터 차량 (101) 의 적어도 하나의 회전율을 사용하도록 설계된, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평가 장치 (110) 에 연결된 2 개의 센서 클러스터 (102a, 102b) 와, 센서 장치에 연결되어 회전율을 판정하는 목적을 갖는 적어도 하나의 장치 (601) 를 포함하며,
    상기 평가 장치 (110) 는 센서 클러스터 (102a, 102b) 에서 검출된 측정 변수 및 장치 (601) 에 의해 검출된 제 1 회전율로부터 모터 차량 (101) 의 적어도 하나의 속도 성분 및/또는 제 2 회전율을 판정하도록 설계된, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    회전율을 판정하는 장치 (601) 는 회전율 센서, 특히 요율 (yaw rate) 센서인, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평가 장치 (110) 에 연결되는 3 개의 센서 클러스터 (102a, 102b, 102c) 를 포함하며,
    상기 평가 장치 (110) 는 3 개의 센서 클러스터 (102a, 102b, 102c) 에 의해 얻어진 측정 변수로부터, 모터 차량 (101) 의 적어도 하나의 속도 성분 및/또는 차량 (101) 의 적어도 하나의 회전율을 판정하도록 설계된, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수개, 특히 3 개의 레이저 유닛 (702a, 702b, 702c) 을 갖는 제 1 센서 클러스터 (701) 를 포함하며,
    레이저 유닛에 의해 방사된 광의 주파수는, 각각의 경우에, 평가 장치 (704) 에서 검출된 측정 변수로부터 거리가 얻어질 수 있도록 변조 스키마 (modulation schema) 에 따라 변조될 수 있으며,
    평가 장치 (704) 는 얻어진 거리로부터 차량 (101) 의 적어도 하나의 회전각 및/또는 적어도 하나의 회전율을 판정하도록 설계된, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 레이저 유닛 (702a, 702b, 702c) 에 의해 방사된 광의 주파수는, 거리 외에, 각각의 경우에, 검출된 측정 변수로부터 제 1 센서 클러스터 (701) 의 속도 성분이 얻어질 수 있도록 변조 스키마에 따라 변조될 수 있는, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 평가 장치　(704) 는 제 1 센서 클러스터 (701) 에 의해 얻어진 속도 성분과 회전율로부터 모터 차량 (101) 의 적어도 하나의 속도 성분을 판정하도록 설계된, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 평가 장치　(704) 는, 모터 차량 (101) 의 속도 성분을 얻기 위해, 회전율 센서 (901) 에 의해 얻어진 추가의 회전율을 사용하도록 설계된, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 평가 장치 (704) 에 연결되는 제 2 센서 클러스터 (102; 701b) 를 더 포함하며,
    상기 제 2 센서 클러스터의 속도 성분은 제 2 센서 클러스터　(102;　701b) 에서 검출된 측정 변수로부터 얻어질 수 있으며,
    상기 평가 장치는, 제 1 및 제 2 센서 클러스터 (701; 102; 701b) 의 얻어진 속도 성분으로부터 모터 차량 (101) 의 적어도 하나의 추가의 회전율을 얻고, 이 추가의 회전율을 사용하여 모터 차량 (101) 의 속도 성분을 얻도록 설계된, 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 센서 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 센서 장치를 포함하는 모터 차량 (101).
  15. 센서 장치를 갖는 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 방법으로서,
    - 간섭성 광이 센서 장치의 광원으로부터 노면 (104) 의 방향으로 전달되며,
    - 노면 (104) 에 산란되는 광과 광원의 광 사이의 간섭을 특성화시키는 적어도 하나의 측정 변수가 센서 장치의 간섭 검출기 (306) 에 의해 검출되며, 상기 측정 변수는 센서 장치의 속도 성분 및/또는 센서 장치와 노면 (104) 사이의 거리를 나타내며,
    - 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 특성화시키는 적어도 하나의 변수가 상기 측정 변수에 따라 얻어지는, 센서 장치를 갖는 모터 차량 (101) 의 운동 상태를 검출하는 방법.

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