DE102024113126B4 - Transport device with a system for generating a control signal that represents a change in the orientation of a velocity vector of a transport device - Google Patents
Transport device with a system for generating a control signal that represents a change in the orientation of a velocity vector of a transport deviceInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transporteinrichtung mit einem System zum Erzeugen eines Steuersignals, das eine Änderung der Orientierung eines Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektors einer Transporteinrichtung in einem Aufbaukoordinatensystem repräsentiert.
The present invention relates to a transport device with a system for generating a control signal that represents a change in the orientation of a reference system velocity vector of a transport device in a reference system.
Description
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Transporteinrichtung mit einem System zum Erzeugen eines Steuersignals, das eine Änderung der Orientierung eines Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektors einer Transporteinrichtung in einem Aufbaukoordinatensystem repräsentiert.The present disclosure relates to a transport device with a system for generating a control signal that represents a change in the orientation of a reference system velocity vector of a transport device in a reference system.
Viele Transporteinrichtungen, wie z.B. Fahrzeuge, erfordern eine inertialsensorbasierte Abschätzung der Orientierung. Ein anschauliches Beispiel für eine Anwendung, die auf einer Abschätzung der Orientierung beruht, ist die Steuerung eines Fahrzeugradars, das in einem Fahrerassistenzsystem verwendet wird. Um den Abstand zu anderen vorausfahrenden Fahrzeugen korrekt messen zu können, muss ein Strahl des Radars in Abhängigkeit von der Einfederung einer Federung des Fahrzeugs angepasst werden. Wenn zum Beispiel ein Kofferraum beladen ist, zeigt der Radarstrahl nach oben, es sei denn, er wird nach unten korrigiert, um einen weiteren voraus liegenden Straßenabschnitt zu erfassen.Many transportation systems, such as vehicles, require inertial sensor-based orientation estimation. A clear example of an application that relies on orientation estimation is the control of a vehicle radar used in a driver assistance system. To accurately measure the distance to other vehicles ahead, the radar beam must be adjusted according to the vehicle's suspension compression. For example, if the trunk is loaded, the radar beam will point upwards unless it is corrected downwards to detect a further stretch of road ahead.
Grundsätzlich führt jede Änderung der Fahrbahnsteigung zu einer Änderung der Orientierung des Geschwindigkeitsvektors des Fahrzeugs und kann somit von einer Inertialmesseinrichtung ermittelt werden. Die Bestimmung einer Änderung der Orientierung des Geschwindigkeitsvektors der Transporteinrichtung wird jedoch wesentlich komplexer, wenn die Transporteinrichtung eine Federung aufweist, die den Aufbau der Transporteinrichtung relativ zum Boden aufhängt. Im obigen Beispiel ist der Boden durch die Fahrbahnoberfläche definiert.In principle, any change in the road gradient leads to a change in the orientation of the vehicle's velocity vector and can therefore be detected by an inertial measurement device. However, determining a change in the orientation of the transport device's velocity vector becomes significantly more complex if the transport device has suspension that suspends its structure relative to the ground. In the example above, the ground is defined by the road surface.
Die
Zudem offenbart die
Demgegenüber besteht ein Bedarf an einem System zum Erzeugen eines Steuersignals, das eine Änderung einer Orientierung des Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektors einer Transporteinrichtung in einem Aufbaukoordinatensystem repräsentiert, wobei die Transporteinrichtung einen Aufbau umfasst, der durch eine Federung in Bezug auf den Boden aufgehängt ist.In contrast, there is a need for a system to generate a control signal that represents a change in the orientation of the superstructure reference system velocity vector of a transport device in a superstructure coordinate system, wherein the transport device comprises a superstructure suspended from the ground by a spring.
Der vorstehende Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Offenbarung durch eine Transporteinrichtung nach dem beigefügten unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Dazu umfasst die Transporteinrichtung einen Aufbau, eine Mehrzahl von Rädern oder mindestens eine Raupenkette, eine Federung, ein mechanisch oder elektronisch steuerbares Element und ein System zum Erzeugen eines Steuersignals, das eine Änderung einer Orientierung eines Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektors der Transporteinrichtung in einem Aufbaukoordinatensystem repräsentiert, wobei das Aufbaukoordinatensystem an dem Aufbau der Transporteinrichtung festgelegt ist, wobei der Aufbau durch die Federung in Bezug auf eine virtuelle Kontaktlinie aufgehängt ist, wobei die Federung die Mehrzahl der Räder oder die Raupenkette mit dem Aufbau koppelt, so dass der Aufbau eine gefederte Masse ist, wobei die Kontaktlinie durch zwei Kontaktpunkte der Transporteinrichtung definiert ist, wobei an jedem Kontaktpunkt ein Kontakt zwischen einem aus der Mehrzahl von Rädern oder der mindestens einen Raupenkette und dem Boden hergestellt wird, und wobei ein Kontaktkoordinatensystem relativ zu der Kontaktlinie festgelegt ist. Das System gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Inertialmessschnittstelle, wobei die Inertialmessschnittstelle so eingerichtet ist, dass sie ein Inertialmesssignal von einer Inertialmesseinrichtung empfängt, die in dem Betrieb des Systems an dem Aufbau angebracht ist, und wobei das Inertialmesssignal drei Translationsbeschleunigungen und zwei Winkelgeschwindigkeiten der Transporteinrichtung an dem Aufbaukoordinatensystem repräsentiert. Das System umfasst auch eine die Inertialmesseinrichtung, wobei die Inertialmesseinrichtung wirksam mit der Inertialmessschnittstelle verbunden ist, so dass in dem Betrieb des Systems die Inertialmessschnittstelle das Inertialmesssignal empfängt, wobei die Inertialmesseinrichtung drei Translationsbeschleunigungssensoren, wobei die drei Translationsbeschleunigungssensoren in dem Betrieb des Systems Translationsbeschleunigungen der Transporteinrichtung entlang dreier Translationsachsen des Fahrzeugs messen, und zwei Gyroskope aufweist, wobei die zwei Gyroskope in dem Betrieb des Systems Winkelgeschwindigkeiten von Rotationsbewegungen der Transporteinrichtung um zwei Rotationsachsen messen, wobei die Inertialmesseinrichtung (13) das Inertialmesssignal ausgibt, das die Translationsbeschleunigungen und die Winkelgeschwindigkeiten repräsentiert. Ferner umfasst das System eine Geschwindigkeitsmesserschnittstelle, wobei die Geschwindigkeitsmesserschnittstelle so eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb des Systems ein Geschwindigkeitsmesssignal von einem Geschwindigkeitsmesser der Transporteinrichtung empfängt, und wobei das Geschwindigkeitsmesssignal eine Translationsgeschwindigkeit der Transporteinrichtung in dem Kontaktkoordinatensystem repräsentiert. Das System umfasst auch den Geschwindigkeitsmesser, wobei der Geschwindigkeitsmesser wirksam mit der Geschwindigkeitsmesserschnittstelle verbunden ist, so dass in dem Betrieb des Systems die Geschwindigkeitsmesserschnittstelle das Geschwindigkeitsmesssignal empfängt, wobei der Geschwindigkeitsmesser das Geschwindigkeitsmesssignal ausgibt, das die Translationsgeschwindigkeit der Transporteinrichtung in dem Kontaktkoordinatensystem repräsentiert. Weiterhin umfasst das System eine Steuerung, wobei die Inertialmessschnittstelle wirksam mit der Steuerung verbunden ist, so dass die Steuerung in dem Betrieb des Systems das Inertialmesssignal von der Inertialmessschnittstelle empfängt, wobei die Geschwindigkeitsmesserschnittstelle wirksam mit der Steuerung verbunden ist, so dass die Steuerung in dem Betrieb des Systems das Geschwindigkeitsmesssignal von der Geschwindigkeitsmesserschnittstelle empfängt, und wobei die Steuerung derart eingerichtet ist, dass sie die folgenden Schritte ausführt:
- - Bestimmen eines Kontaktbezugssystem-Geschwindigkeitsaktualisierungsvektors in dem Kontaktkoordinatensystem aus dem Geschwindigkeitsmesssignal,
- - zumindest Transformieren des Kontaktbezugssystem-Geschwindigkeitsvektors in ein gemeinsames Koordinatensystem zum Erzeugen eines Kontaktbezugssystem-Geschwindigkeitsvektors oder Transformieren des Inertialmesssignals in das gemeinsame Koordinatensystem so dass ein Kontaktbezugssystem-Messsignal erzeugt wird,
- ◯ wobei das Transformieren eine Einfederung der Federung berücksichtigt,
- ◯ wobei die Einfederung der Federung zumindest unter Verwendung einer vorbestimmten Federkonstante der Federung oder einer Schätzung der Federkonstante oder unter Verwendung eines Einfederungsmesssignals, das von der Steuerung von einem Einfederungssensor an der Transporteinrichtung empfangen wird, modelliert wird,
- ◯ Berechnen der Richtung des Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektors des Aufbaus in dem gemeinsamen Bezugssystem aus dem Inertialmesssignal oder aus dem Inertialmesssignal in dem gemeinsamen Bezugssystem,
- - Aktualisieren der Richtung des Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektors unter Verwendung des Kontaktbezugssystem-Geschwindigkeitsvektors oder des Geschwindigkeitsvektors in dem gemeinsamen Bezugssystem, so dass eine aktualisierte Richtung erzeugt wird, und
- - Berechnen des Steuersignals mit einem Vergleich zwischen der aktualisierten Richtung und einer Referenzrichtung,
wobei zumindest das Steuersignal, ein aus dem Steuersignal abgeleitetes Fahrbahnsteigungssignal oder ein aus dem Fahrbahnsteigungssignal erzeugtes, verarbeitetes Fahrbahnsteigungssignal zum Steuern des steuerbaren Elements verwendet wird.The foregoing problem is solved according to the present disclosure by a transport device according to the attached independent claim 1. The transport device comprises a superstructure, a plurality of wheels or at least one track, a suspension, a mechanically or electronically controllable element, and a system for generating a control signal representing a change in the orientation of a superstructure reference system velocity vector of the transport device in a superstructure coordinate system, wherein the superstructure coordinate system is fixed to the superstructure of the transport device, wherein the superstructure is suspended by the suspension with respect to a virtual contact line, wherein the suspension couples the plurality of wheels or the track to the superstructure such that the superstructure is a sprung mass, wherein the contact line is defined by two contact points of the transport device, wherein at each contact point contact is established between one of the plurality of wheels or the at least one track and the ground, and wherein a contact coordinate system relative to the contact line The system according to the present disclosure comprises an inertial measurement interface, wherein the inertial measurement interface is configured to receive an inertial measurement signal from an inertial measurement device attached to the setup during operation of the system, and wherein the inertial measurement signal represents three translational accelerations and two angular velocities of the transport device on the setup coordinate system. The system also includes an inertial measuring device, wherein the inertial measuring device is effectively connected to the inertial measurement interface, such that in the operation of the system the inertial measurement interface receives the inertial measurement signal, wherein the inertial measuring device has three translational acceleration sensors, wherein the three translational acceleration sensors measure translational accelerations of the transport device along three translational axes of the vehicle in the operation of the system, and two gyroscopes, wherein the two gyroscopes measure angular velocities of rotational movements of the transport device about two rotational axes in the operation of the system, wherein the inertial measuring device (13) outputs the inertial measurement signal representing the translational accelerations and the angular velocities. Furthermore, the system comprises a speedometer interface, wherein the speedometer interface is configured to receive a speed measurement signal from a speedometer of the transport device during system operation, and wherein the speed measurement signal represents a translational velocity of the transport device in the contact coordinate system. The system also comprises the speedometer, wherein the speedometer is effectively connected to the speedometer interface such that, during system operation, the speedometer interface receives the speed measurement signal, and the speedometer outputs the speed measurement signal representing the translational velocity of the transport device in the contact coordinate system. The system further comprises a controller, wherein the inertial measurement interface is effectively connected to the controller such that, during system operation, the controller receives the inertial measurement signal from the inertial measurement interface, and wherein the speedometer interface is effectively connected to the controller such that, during system operation, the controller receives the speed measurement signal from the speedometer interface, and wherein the controller is configured to perform the following steps:
- - Determining a contact reference system velocity update vector in the contact coordinate system from the velocity measurement signal,
- - at least transforming the contact reference system velocity vector into a common coordinate system to generate a contact reference system velocity vector, or transforming the inertial measurement signal into the common coordinate system so that a contact reference system measurement signal is generated,
- ◯ where the transformation takes into account a compression of the suspension,
- ◯ wherein the deflection of the suspension is modeled at least using a predetermined spring constant of the suspension or an estimate of the spring constant or using a deflection measurement signal received by the controller from a deflection sensor on the transport device,
- ◯ Calculating the direction of the setup reference frame velocity vector of the setup in the common reference frame from the inertial measurement signal or from the inertial measurement signal in the common reference frame,
- - Updating the direction of the setup reference frame velocity vector using the contact reference frame velocity vector or the velocity vector in the common reference frame, so that an updated direction is generated, and
- - Calculating the control signal by comparing the updated direction with a reference direction,
wherein at least the control signal, a gradient signal derived from the control signal or a gradient signal generated and processed from the gradient signal is used to control the controllable element.
Das System nach Anspruch 1 umfasst die Inertialmessschnittstelle, die Inertialmesseinrichtung, die Geschwindigkeitsmesserschnittstelle, den Geschwindigkeitsmesser und die Steuerung.The system according to claim 1 comprises the inertial measurement interface, the inertial measurement device, the speedometer interface, the speedometer and the control system.
Das Aufbaukoordinatensystem wird manchmal auch als Aufbaubezugssystem bezeichnet. Ebenso wird das Kontaktkoordinatensystem manchmal auch als Kontaktbezugssystem bezeichnet. Schließlich wird das gemeinsame Koordinatensystem manchmal auch als gemeinsames Bezugssystem bezeichnet.The setup coordinate system is sometimes also called the setup reference system. Similarly, the contact coordinate system is sometimes also called the contact reference system. Finally, the common coordinate system is sometimes also called the common reference system.
Sobald der Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektor in dem Aufbaukoordinatensystem der Transporteinrichtung eine Aufwärts- oder Abwärtskomponente hat, muss jedes System, das Informationen über die Einfederung einer Federung benötigt, durch ein Steuersignal, das die Aufwärts- oder Abwärtskomponente repräsentiert, angepasst werden.As soon as the vehicle's reference frame velocity vector has an upward or downward component in the transport system's coordinate system, any system that requires information about the compression of a suspension must be provided with a control signal that specifies the upward or The downward component is represented and adjusted.
Es ist der Grundgedanke der vorliegenden Offenbarung, ein System zum Erzeugen eines solchen Steuersignals, das eine Änderung einer Orientierung des Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektors der Transporteinrichtung in dem Aufbaukoordinatensystem repräsentiert, in einer Transporteinrichtung bereitzustellen, die eine Federung ihres Aufbaus relativ zum Boden aufweist.The basic idea of the present disclosure is to provide a system for generating such a control signal, which represents a change in the orientation of the superstructure reference system velocity vector of the transport device in the superstructure coordinate system, in a transport device that has a suspension of its superstructure relative to the ground.
Grundsätzlich kann die Erzeugung eines solchen Steuersignals unter Verwendung eines Inertialmesssignals der Inertialmesseinrichtung erfolgen, das in die Inertialmessschnittstelle des Systems eingegeben wird. Die Steuerung kann aus dem von der Inertialmesseinrichtung ausgegebenen Inertialmesssignal jede Änderung der Orientierung des Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektors der Transporteinrichtung berechnen.In principle, such a control signal can be generated using an inertial measurement signal from the inertial measurement device, which is input into the system's inertial measurement interface. The controller can then calculate any change in the orientation of the transport device's reference frame velocity vector from the inertial measurement signal output by the inertial measurement device.
Um jedoch eine Geschwindigkeitsdrift zu vermeiden, muss das von einer Inertialmesseinrichtung ausgegebene Inertialmesssignal nach bestimmten Zeitintervallen extern aktualisiert werden. Eine Geschwindigkeitsdrift wird in der Regel durch das inhärente Design der Chips verursacht, die für die Implementierung der Inertialmesseinrichtung verwendet werden. Insbesondere wird die Drift durch das Integrieren von Rauschen in dem Beschleunigungsmesser oder Gyroskop verursacht.However, to avoid velocity drift, the inertial measurement signal output by an inertial measurement device must be updated externally at specific time intervals. Velocity drift is typically caused by the inherent design of the chips used to implement the inertial measurement device. In particular, the drift is caused by the integration of noise in the accelerometer or gyroscope.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung muss die Inertialmesseinrichtung, von der das Inertialmesssignal von der Inertialmessschnittstelle empfangen wird, während des Betriebs des Systems am Aufbau der Transporteinrichtung angebracht sein. In einer Ausführungsform wird die Inertialmesseinrichtung während des Betriebs des Systems mit dem Aufbau der Transporteinrichtung bewegt. D.h. in dieser Ausführungsform ist die Inertialmesseinrichtung fest mit dem Aufbau verbunden. In anderen Ausführungsformen ist die Inertialmesseinrichtung kardanisch am Aufbau befestigt, was jedoch zusätzliche Informationen über eine Bewegung der kardanischen Aufhängung relativ zu dem Aufbau erfordert.According to the present disclosure, the inertial measuring device, from which the inertial measurement signal is received from the inertial measurement interface, must be attached to the structure of the transport device during system operation. In one embodiment, the inertial measuring device moves with the structure of the transport device during system operation. That is, in this embodiment, the inertial measuring device is rigidly connected to the structure. In other embodiments, the inertial measuring device is gimbal-mounted to the structure, which, however, requires additional information about the movement of the gimbal suspension relative to the structure.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung muss das Inertialmesssignal drei Translationsbeschleunigungen und mindestens zwei Winkelgeschwindigkeiten der Transporteinrichtung im Aufbaukoordinatensystem repräsentieren. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung repräsentiert das Inertialmesssignal drei Winkelgeschwindigkeiten der Transporteinrichtung. Es wird angenommen, dass in einer Ausführungsform, bei der das Inertialmesssystem nur zwei Winkelgeschwindigkeiten ausgibt, eine dritte Winkelgeschwindigkeit durch ein weiteres Messsignal, z.B. von einer Lenkung der Transporteinrichtung, ersetzt werden kann. Insbesondere kann die dritte Winkelgeschwindigkeit um eine im Aufbaukoordinatensystem nach oben weisende Achse ersetzt werden.According to the present disclosure, the inertial measurement signal must represent three translational accelerations and at least two angular velocities of the transport device in the system coordinate system. In one embodiment of the present disclosure, the inertial measurement signal represents three angular velocities of the transport device. It is assumed that in an embodiment in which the inertial measurement system outputs only two angular velocities, a third angular velocity can be replaced by another measurement signal, e.g., from a steering system of the transport device. In particular, the third angular velocity can be replaced by an axis pointing upwards in the system coordinate system.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird die Aktualisierung des aus dem Inertialmesssignal abzuleitenden Geschwindigkeitsvektors von einem Geschwindigkeitsmesser bereitgestellt. Typischerweise umfasst jede Transporteinrichtung einen Geschwindigkeitsmesser, um die Geschwindigkeit der Transporteinrichtung zu bestimmen, indem beispielsweise die Winkelgeschwindigkeit der Räder gemessen wird. Dieser Geschwindigkeitsmesser erfasst die translatorische Geschwindigkeit der Transporteinrichtung am Kontaktkoordinatensystem und gibt ein Geschwindigkeitsmesssignal aus, das die translatorische Geschwindigkeit repräsentiert. In der vorliegenden Anwendung bezeichnet die Geschwindigkeit den Betrag der zeitlichen Änderung der Position der Transporteinrichtung und ist somit eine skalare Größe. Der Geschwindigkeitsvektor wiederum gibt eine Richtung und einen Betrag an, der der Geschwindigkeit entspricht.According to the present disclosure, the updating of the velocity vector derived from the inertial measurement signal is provided by a speedometer. Typically, each transport device includes a speedometer to determine the speed of the transport device, for example, by measuring the angular velocity of the wheels. This speedometer detects the translational velocity of the transport device at the contact coordinate system and outputs a velocity measurement signal representing the translational velocity. In the present application, velocity denotes the magnitude of the change in the position of the transport device over time and is thus a scalar quantity. The velocity vector, in turn, specifies a direction and magnitude corresponding to the velocity.
Geschwindigkeitsmesser können elektronisch oder mechanisch ausgeführt sein. Ein Geschwindigkeitsmesser kann z. B. auf der Messung der Anzahl der Umdrehungen eines Rades in einem bestimmten Zeitraum beruhen, wenn der Radius des Rades bekannt ist. In einer Ausführungsform ist der Geschwindigkeitsmesser ein Encoder, misst akkumulierte Impulse oder absolute Phasen, die integriert werden, oder ist ein Inertialgeschwindigkeitsmesser.Speedometers can be electronic or mechanical. For example, a speedometer can be based on measuring the number of revolutions of a wheel in a given period, if the wheel's radius is known. In one embodiment, the speedometer is an encoder, measures accumulated pulses or absolute phases that are integrated, or is an inertial velocity meter.
Für die Aktualisierung des Inertialmesssignals ist jedoch ein Geschwindigkeitsvektor erforderlich. Dieser erforderliche Geschwindigkeitsvektor wird aus dem Geschwindigkeitsmesssignal ermittelt und als Kontaktbezugssystem-Aktualisierungsvektor bezeichnet. Das Bestimmen des Kontaktbezugssystem-Geschwindigkeitsaktualisierungsvektors beruht in einer Ausführungsform auf einer Schätzung der Richtung, die auf Annahmen über die physikalischen Eigenschaften der Transporteinrichtung beruht. In einer Ausführungsform, bei der der Geschwindigkeitsmesser ein Inertialmesssensor ist, repräsentiert das Geschwindigkeitsmesssignal den Kontaktbezugssystem-Geschwindigkeitsaktualisierungsvektor.However, a velocity vector is required to update the inertial measurement signal. This required velocity vector is determined from the velocity measurement signal and is referred to as the contact reference system update vector. In one embodiment, determining the contact reference system velocity update vector relies on an estimation of the direction based on assumptions about the physical properties of the transport device. In another embodiment, where the speedometer is an inertial measurement sensor, the velocity measurement signal represents the contact reference system velocity update vector.
Aufgrund seiner Positionierung und seines Betriebsprinzips misst der Geschwindigkeitsmesser die Geschwindigkeit der Transporteinrichtung in dem Kontaktkoordinatensystem, wobei die Inertialmesseinrichtung die drei Translationsbeschleunigungen und die zwei Winkelgeschwindigkeiten der Transporteinrichtung in dem Aufbaukoordinatensystem misst. Bei einer Transporteinrichtung, bei der der Aufbau relativ zum Boden aufgehängt ist, bewegen sich das Aufbaukoordinatensystem und das Kontaktkoordinatensystem relativ zueinander und ihre Orientierung zueinander ändert sich dynamisch. Außerdem hat die Differenz zwischen einer Orientierung des Aufbaukoordinatensystems und einer Orientierung des Kontaktkoordinatensystems relativ zueinander eine statische Komponente, die von der Belastung der Transporteinrichtung abhängig ist. Um die Aktualisierung in geeigneter Weise durchführen zu können, muss diese in einem gemeinsamen Koordinatensystem erfolgen, so dass gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Transformation in ein gemeinsames Koordinatensystem oder ein gemeinsames Bezugssystem erforderlich ist.Due to its positioning and operating principle, the speedometer measures the speed of the transport device in the contact coordinate system, while the inertial measuring device measures the three translational accelerations and the two angular velocities of the transport device in the superstructure coordinate system. In a transport device where the superstructure is suspended relative to the ground, the superstructure coordinate system and the contact The coordinate systems relative to each other and their orientation relative to each other change dynamically. Furthermore, the difference between the orientation of the assembly coordinate system and the orientation of the contact coordinate system relative to each other has a static component that depends on the load of the transport device. In order to perform the update appropriately, it must take place in a common coordinate system, so that, according to the present disclosure, a transformation into a common coordinate system or a common reference system is required.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung gibt es drei verschiedene Möglichkeiten, diese Transformation oder eine Vielzahl von Transformationen durchzuführen.According to the present revelation, there are three different ways to carry out this transformation or a multitude of transformations.
In einer ersten Ausführungsform ist das gemeinsame Koordinatensystem identisch mit dem Aufbaukoordinatensystem. In dieser Ausführungsform wird der aus dem Geschwindigkeitsmesssignal ermittelte Kontaktbezugssystem-Geschwindigkeitsaktualisierungsvektor aus dem Kontaktkoordinatensystem in das gemeinsame Koordinatensystem, d. h. in das Aufbaukoordinatensystem, transformiert, so dass einen Aktualisierungsvektor in dem gemeinsamen Bezugssystem erzeugt wird. Ferner wird die Richtung des Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektors des Aufbaus in dem Aufbaukoordinatensystem aus dem Inertialmesssignal berechnet, und die Richtung des Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektors wird unter Verwendung des Aktualisierungsgeschwindigkeitsvektor in dem gemeinsamen Bezugssystem aktualisiert, so dass die aktualisierte Richtung erzeugt wird.In a first embodiment, the common coordinate system is identical to the setup coordinate system. In this embodiment, the contact reference system velocity update vector determined from the velocity measurement signal is transformed from the contact coordinate system into the common coordinate system, i.e., the setup coordinate system, so that an update vector is generated in the common reference system. Furthermore, the direction of the setup reference system velocity vector in the setup coordinate system is calculated from the inertial measurement signal, and the direction of the setup reference system velocity vector is updated in the common reference system using the update velocity vector, thus generating the updated direction.
In einer zweiten Ausführungsform ist das gemeinsame Koordinatensystem identisch mit dem Kontaktkoordinatensystem. Da das Geschwindigkeitsmesssignal die Geschwindigkeit der Transporteinrichtung in dem Kontaktkoordinatensystem repräsentiert, wird in dieser Ausführungsform das Inertialmesssignal in das gemeinsame Koordinatensystem, d. h. das Kontaktbezugssystem, transformiert, so dass das Inertialmesssignal in dem gemeinsamen Bezugssystem erzeugt wird. Die Richtung des Geschwindigkeitsvektors des Aufbaus in dem Aufbaukoordinatensystem wird dann aus dem Inertialmesssignal des gemeinsamen Bezugssystems errechnet. Die Richtung des Geschwindigkeitsvektors wird unter Verwendung des Kontaktbezugssystem-Geschwindigkeitsaktualisierungsvektors aktualisiert, so dass die aktualisierte Richtung erzeugt wird.In a second embodiment, the common coordinate system is identical to the contact coordinate system. Since the velocity measurement signal represents the velocity of the transport device in the contact coordinate system, in this embodiment the inertial measurement signal is transformed into the common coordinate system, i.e., the contact reference system, so that the inertial measurement signal is generated in the common reference system. The direction of the velocity vector of the structure in the structure coordinate system is then calculated from the inertial measurement signal of the common reference system. The direction of the velocity vector is updated using the contact reference system velocity update vector, thus generating the updated direction.
In einer dritten Ausführungsform ist das gemeinsame Koordinatensystem ein Koordinatensystem, das weder mit dem Aufbaukoordinatensystem noch mit dem Kontaktkoordinatensystem identisch ist. In dieser Ausführungsform ist das gemeinsame Koordinatensystem entweder ein lokales Koordinatensystem (lokales Bezugssystem) oder ein Inertialkoordinatensystem (Inertialbezugssystem).In a third embodiment, the common coordinate system is a coordinate system that is neither identical to the setup coordinate system nor to the contact coordinate system. In this embodiment, the common coordinate system is either a local coordinate system (local reference system) or an inertial coordinate system (inertial reference system).
In dieser Ausführungsform wird der aus dem Geschwindigkeitsmesssignal abgeleitete Kontaktbezugssystem-Aktualisierungsvektor vom Kontaktkoordinatensystem in das gemeinsame Koordinatensystem transformiert, um den Aktualisierungsvektor für das gemeinsame Bezugssystem zu erzeugen. Gleichzeitig wird das Inertialmesssignal aus dem Aufbaukoordinatensystem in das gemeinsame Koordinatensystem transformiert, so dass das Inertialmesssignal für das gemeinsame Bezugssystem erzeugt wird. In dieser Ausführungsform wird die Richtung des Geschwindigkeitsvektors aus dem Inertialmesssignal des gemeinsamen Bezugssystems im gemeinsamen Koordinatensystem errechnet. Zum Erzeugen der aktualisierten Richtung des Geschwindigkeitsvektors wird der Aktualisierungsgeschwindigkeitsvektor des gemeinsamen Bezugssystems verwendet.In this embodiment, the contact reference system update vector derived from the velocity measurement signal is transformed from the contact coordinate system into the common coordinate system to generate the update vector for the common reference system. Simultaneously, the inertial measurement signal from the setup coordinate system is transformed into the common coordinate system, thus generating the inertial measurement signal for the common reference system. In this embodiment, the direction of the velocity vector is calculated from the inertial measurement signal of the common reference system within the common coordinate system. The update velocity vector of the common reference system is used to generate the updated direction of the velocity vector.
In jedem Fall wird das Steuersignal durch einen Vergleich zwischen der aktualisierten Richtung und einer Referenzrichtung erzeugt. Es ist offensichtlich, dass die Referenzrichtung in dem entsprechenden Bezugssystem angegeben werden muss, nämlich in dem gemeinsamen Koordinatensystem.In any case, the control signal is generated by comparing the updated direction with a reference direction. It is obvious that the reference direction must be specified in the appropriate reference system, namely the common coordinate system.
In einer Ausführungsform, bei der das gemeinsame Koordinatensystem entweder mit dem Kontaktkoordinatensystem identisch ist oder sich sowohl von dem Aufbaukoordinatensystem als auch von dem Kontaktkoordinatensystem unterscheidet, könnte das Erzeugen des Steuersignals eine Rücktransformation der aktualisierten Richtung in das Aufbaukoordinatensystem oder eine Transformation der Referenzrichtung in das gemeinsame Koordinatensystem erfordern.In an embodiment where the common coordinate system is either identical to the contact coordinate system or differs from both the setup coordinate system and the contact coordinate system, generating the control signal could require a back-transformation of the updated direction into the setup coordinate system or a transformation of the reference direction into the common coordinate system.
In jeder Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung berücksichtigt das Transformieren eine Einfederung der Federung, wobei die Einfederung der Federung
- - entweder unter Verwendung einer vorgegebenen Federkonstante der Federung oder unter Verwendung einer Schätzung der Federkonstante modelliert wird,
- - oder aus einem Messsignal für die Einfederung der Federung modelliert wird, das von der Steuerung von einem Sensor für die Einfederung der Federung an der Transporteinrichtung empfangen wird, oder
- - unter Verwendung einer Schätzung der Federkonstante und unter Verwendung eines Messsignals für die Einfederung, das von der Steuerung von einem Einfederungssensor an der Transporteinrichtung empfangen wird, modelliert wird.
- - is modeled either using a given spring constant of the suspension or using an estimate of the spring constant,
- - or is modeled from a measurement signal for the suspension travel received by the controller from a suspension travel sensor on the transport device, or
- - using an estimate of the spring constant and using a deflection measurement signal provided by the control unit The movement is modeled by a spring-loaded sensor on the transport device.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird die Einfederung der Federung unter Verwendung einer vorgegebenen Federkonstante der Federung oder einer Schätzung der Federkonstante modelliert, wobei die Modellierung der Einfederung das Inertialmesssignal und das Geschwindigkeitsmesssignal verwendet.In one embodiment of the present disclosure, the deflection of the suspension is modeled using a predetermined spring constant of the suspension or an estimate of the spring constant, wherein the modeling of the deflection uses the inertial measurement signal and the velocity measurement signal.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die vorbestimmte Federkonstante eine aus einer Vielzahl von Federkonstanten, die in einer Nachschlagetabelle gespeichert sind, wobei die geeignete Federkonstante aus der Nachschlagetabelle in Abhängigkeit von einem Zustand des aufgehängten Systems ausgewählt wird.In one embodiment of the present disclosure, the predetermined spring constant is one from a plurality of spring constants stored in a lookup table, wherein the appropriate spring constant is selected from the lookup table depending on a state of the suspended system.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die Kontaktlinie mindestens eine von Null verschiedene Projektion auf eine Geradeausrichtung der Transporteinrichtung. In einer weiteren Ausführungsform verläuft die Kontaktlinie parallel zu der Geradeausrichtung der Transporteinrichtung. In einer Ausführungsform sind die beiden Kontaktpunkte, die die Kontaktlinie definieren, die Kontakte zwischen zwei Rädern der Transporteinrichtung und dem Boden.In one embodiment of the present disclosure, the contact line comprises at least one non-zero projection onto a straight-ahead orientation of the transport device. In another embodiment, the contact line runs parallel to the straight-ahead orientation of the transport device. In one embodiment, the two contact points defining the contact line are the contacts between two wheels of the transport device and the ground.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die Kontaktlinie Teil einer Definition einer Kontaktebene, die von drei Kontaktpunkten zwischen der Transporteinrichtung und dem Boden aufgespannt wird. In einer Ausführungsform sind diese drei Kontaktpunkte die Kontakte zwischen drei Rädern der Transporteinrichtung und dem Boden.In a further embodiment of the present disclosure, the contact line is part of a definition of a contact plane spanned by three contact points between the transport device and the ground. In one embodiment, these three contact points are the contacts between three wheels of the transport device and the ground.
In einer Ausführungsform wird die Federung der Transporteinrichtung zumindest bei der Transformation des Kontaktbezugssystem-Geschwindigkeitsaktualisierungsvektors aus dem Kontaktkoordinatensystem in das gemeinsame Koordinatensystem zum Erzeugen des Geschwindigkeitsaktualisierungsvektors in dem gemeinsamen Bezugssystem oder bei der Transformation des Inertialmesssignals in das gemeinsame Koordinatensystem zum Erzeugen des Inertialmesssignals in dem gemeinsamen Bezugssystem berücksichtigt.In one embodiment, the suspension of the transport device is taken into account at least during the transformation of the contact reference system velocity update vector from the contact coordinate system into the common coordinate system to generate the velocity update vector in the common reference system, or during the transformation of the inertial measurement signal into the common coordinate system to generate the inertial measurement signal in the common reference system.
Die Federung einer Transporteinrichtung kann sich aufgrund von Last (Gewicht) und Dynamik (Beschleunigung) verändern. Daher wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein dynamisches Modell verwendet, um eine erwartete Kompression der Federung aufgrund von Last und Dynamik zu schätzen. In einer Ausführungsform wird die erwartete Kompression der Federung als geschätztes dynamisches Nicken δp des Aufbaus ausgedrückt, der als Winkel zwischen dem Aufbau und dem Boden definiert ist. Dieser Winkel beschreibt das Nicken des Aufbaus. In einer Ausführungsform ist δp definiert als
wobei filterstaticalalpha die geschätzte statische Komponente von δp ist, wobei af die Vorwärtsbeschleunigung im gemeinsamen Koordinatensystem ist, und wobei dynamicpitchcoefficient eine empirische Konstante ist, die das dynamische Verhalten der Federung beschreibt.The suspension of a transport device can change due to load (weight) and dynamics (acceleration). Therefore, according to one embodiment of the present disclosure, a dynamic model is used to estimate the expected compression of the suspension due to load and dynamics. In one embodiment, the expected compression of the suspension is expressed as the estimated dynamic pitch δp of the superstructure, which is defined as the angle between the superstructure and the ground. This angle describes the pitching of the superstructure. In one embodiment, δp is defined as
where filterstaticalalpha is the estimated static component of δp, where a f is the forward acceleration in the common coordinate system, and where dynamicpitchcoefficient is an empirical constant that describes the dynamic behavior of the suspension.
In einer Ausführungsform berücksichtigt ein Bestimmen von filterstaticalalpha einen Einfluss der Fahrbahnsteigung statistisch. In einer Ausführungsform ist das Modell, das die Fahrbahnsteigung berücksichtigt, binär. Wenn sich die Transporteinrichtung nicht bewegt (die Geschwindigkeit ist gleich Null), wird angenommen, dass sich die Fahrbahnsteigung nicht ändert, und es wird davon ausgegangen, dass filterstaticalalpha sich gemäß dem Inertialmesssignal sofort ändern kann, sobald sich die Transporteinrichtung bewegt (die Geschwindigkeit ist größer als Null), und es wird davon ausgegangen wird, dass sich die Fahrbahnsteigung ändert und filterstaticalalpha wird als langsam variierender Zustand geschätzt. Dieses Modell wird in einer Ausführungsform erweitert, um komplexere Betrachtungen der Fahrbahnsteigung zu ermöglichen, z. B. durch Berücksichtigung eines Drehmoments zusätzlich zur Geschwindigkeit der Transporteinrichtung.In one embodiment, determining filterstaticalalpha statistically accounts for the influence of the road gradient. In this embodiment, the model that considers the road gradient is binary. When the transport device is stationary (velocity zero), the road gradient is assumed to remain constant, and filterstaticalalpha is assumed to change instantly according to the inertial measurement signal. As soon as the transport device moves (velocity greater than zero), the road gradient is assumed to change, and filterstaticalalpha is estimated as a slowly varying state. This model is extended in one embodiment to allow for more complex considerations of the road gradient, for example, by taking into account a torque in addition to the velocity of the transport device.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird der aktualisierte Geschwindigkeitsvektor verwendet, um eine Position der Transporteinrichtung unter Verwendung einer Anfangsposition und des aktualisierten Geschwindigkeitsvektors in Abhängigkeit von der Zeit zu bestimmen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist daher die Steuerung derart eingerichtet, dass sie die folgenden Schritte ausführt:
- Aktualisieren des Geschwindigkeitsvektors unter Verwendung des Kontaktbezugssystem-Geschwindigkeitsaktualisierungsvektors oder des Geschwindigkeitsaktualisierungsvektors des gemeinsamen Bezugssystems, so dass ein aktualisierter Geschwindigkeitsvektor erzeugt wird, und
- Berechnen einer Position der Transporteinrichtung unter Verwendung einer Anfangsposition und des aktualisierten Geschwindigkeitsvektors in Abhängigkeit von der Zeit.
- Updating the velocity vector using the contact reference frame velocity update vector or the common reference frame velocity update vector, so that an updated velocity vector is generated, and
- Calculating the position of the transport device using an initial position and the updated velocity vector as a function of time.
In einer Ausführungsform wird ein Fahrbahnsteigungssignal, das eine Fahrbahnsteigung einer Fahrbahn repräsentiert, auf der sich die Transporteinrichtung bewegt, aus dem Steuersignal bestimmt.In one embodiment, a road gradient signal is used, which indicates a road gradient. The roadway on which the transport device moves is represented, determined from the control signal.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird bei dem Bestimmen des Fahrbahnsteigungssignals aus dem Steuersignal zusätzlich zu dem Steuersignal mindestens einer der folgenden Werte berücksichtigt: ein Messwert für eine Änderung der Translationsgeschwindigkeit, ein Messwert für ein Drehmoment eines Rades und ein Messwert für einen Bremsdruck. Dadurch wird die Genauigkeit des Fahrbahnsteigungssignals erhöht.In a further embodiment of the present disclosure, when determining the road gradient signal from the control signal, at least one of the following values is taken into account in addition to the control signal: a measured value for a change in translational speed, a measured value for a wheel torque, and a measured value for a brake pressure. This increases the accuracy of the road gradient signal.
Das Fahrbahnsteigungssignal besteht aufgrund der Oberflächenstruktur einer Straße aus niederfrequenten Komponenten, die die allgemeine Steigung der Straße beschreiben, und hochfrequenten Komponenten, die detailliertere Änderungen der Straßenoberfläche wie Bodenwellen und Schlaglöcher beschreiben. Folglich wird in einer Ausführungsform das Fahrbahnsteigungssignal mit einem Tiefpassfilter gefiltert, um ein verarbeitetes Fahrbahnsteigungssignal zu erzeugen, das Unebenheiten und Schlaglöcher auf der Fahrbahn entfernt. Dieses verarbeitete Steuersignal ermöglicht es, schnell auftretende Fahrbahnunebenheiten zu kompensieren.Due to the surface structure of a road, the road gradient signal consists of low-frequency components that describe the general gradient of the road and high-frequency components that describe more detailed changes in the road surface, such as bumps and potholes. Consequently, in one embodiment, the road gradient signal is filtered with a low-pass filter to generate a processed road gradient signal that removes irregularities and potholes in the road surface. This processed control signal makes it possible to compensate for rapidly occurring road surface irregularities.
In einer Ausführungsform ist das Tiefpassfilter ein Signalverarbeitungsfilter wie ein Filter mit unendlichen Impulsen oder ein Filter mit endlichen Impulsen, wobei Fahrbahnunebenheiten als hochfrequentes Rauschen betrachtet werden, oder er ist ein stochastisches Kalman-Filter, wobei Fahrbahnunebenheiten statistisch als Rauschen modelliert werden.In one embodiment, the low-pass filter is a signal processing filter such as an infinite pulse filter or a finite pulse filter, where road surface irregularities are considered as high-frequency noise, or it is a stochastic Kalman filter, where road surface irregularities are statistically modeled as noise.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung repräsentiert das Steuersignal zusätzlich zu einer Änderung einer Orientierung des Geschwindigkeitsvektors auch eine Änderung des Geschwindigkeitsbetrags (der Geschwindigkeit).In one embodiment of the present disclosure, the control signal represents not only a change in the orientation of the velocity vector but also a change in the magnitude of the velocity (the speed).
Die Inertialmesseinrichtung umfasst drei Translationsbeschleunigungssensoren, wobei die drei Translationsbeschleunigungssensoren während des Betriebs des Systems Translationsbeschleunigungen der Transporteinrichtung entlang dreier Translationsachsen des Fahrzeugs messen, und umfasst zwei Gyroskope, wobei die beiden Gyroskope während des Betriebs des Systems Winkelgeschwindigkeiten von Rotationsbewegungen der Transporteinrichtung um zwei Rotationsachsen messen, wobei die Inertialmesseinrichtung das Inertialmesssignal ausgibt, das die Translationsbeschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten repräsentiert; und wobei die Inertialmesseinrichtung wirksam mit der Inertialmessschnittstelle verbunden ist, so dass in dem Betrieb des Systems die Inertialmessschnittstelle das Inertialmesssignal empfängt.The inertial measurement device comprises three translational acceleration sensors, wherein the three translational acceleration sensors measure translational accelerations of the transport device along three translational axes of the vehicle during system operation, and comprises two gyroscopes, wherein the two gyroscopes measure angular velocities of rotational movements of the transport device about two rotational axes during system operation, wherein the inertial measurement device outputs the inertial measurement signal representing the translational accelerations and angular velocities; and wherein the inertial measurement device is effectively connected to the inertial measurement interface such that, during system operation, the inertial measurement interface receives the inertial measurement signal.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die Inertialmesseinrichtung drei Gyroskope, wobei die drei Gyroskope in dem Betrieb des Systems Winkelgeschwindigkeiten von Drehbewegungen der Transporteinrichtung um drei Rotationsachsen messen.In one embodiment of the present disclosure, the inertial measuring device comprises three gyroscopes, wherein the three gyroscopes measure angular velocities of rotary movements of the transport device about three rotational axes during the operation of the system.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird anstelle der Messung einer dritten Winkelgeschwindigkeit durch die Inertialmesseinrichtung die dritte Winkelgeschwindigkeit durch ein weiteres Messsignal, z.B. von einer Lenkung der Transporteinrichtung, ersetzt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird nur ein Aufwärts- oder Abwärtsgyroskop durch ein weiteres, nicht von der Inertialmesseinrichtung stammendes Messsignal ersetzt.In one embodiment of the present disclosure, instead of measuring a third angular velocity by the inertial measuring device, the third angular velocity is replaced by another measuring signal, e.g., from a steering system of the transport device. In another embodiment of the present disclosure, only an upward or downward gyroscope is replaced by another measuring signal not originating from the inertial measuring device.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind die Translationsbeschleunigungssensoren und die Gyroskope über den Aufbau der Transporteinrichtung verteilt.In one embodiment of the present disclosure, the translational acceleration sensors and the gyroscopes are distributed over the structure of the transport device.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die Inertialmesseinrichtung eine Inertialmesseinheit (IMU). In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die Inertialmesseinrichtung eine IMU mit sechs Freiheitsgraden (3 translatorische Beschleunigungssensoren + 3 Gyroskope).According to an alternative embodiment of the present disclosure, the inertial measuring device is an inertial measurement unit (IMU). In one embodiment of the present disclosure, the inertial measuring device is an IMU with six degrees of freedom (3 translational accelerometers + 3 gyroscopes).
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stehen die drei Translationsachsen senkrecht zueinander, wobei jede der Rotationsachsen mit einer der Translationsachsen identisch ist.In one embodiment of the present disclosure, the three translation axes are perpendicular to each other, with each of the rotation axes being identical to one of the translation axes.
Der Geschwindigkeitsmesser gibt das Geschwindigkeitsmesssignal aus, das die Translationsgeschwindigkeit der Transporteinrichtung an dem Kontaktkoordinatensystem repräsentiert; und wobei der Geschwindigkeitsmesser wirksam mit der Geschwindigkeitsmesserschnittstelle verbunden ist, so dass die Geschwindigkeitsmesserschnittstelle in dem Betrieb des Systems das Geschwindigkeitsmesssignal empfängt.The speedometer outputs the speed measurement signal, which represents the translational speed of the transport device on the contact coordinate system; and wherein the speedometer is effectively connected to the speedometer interface, such that the speedometer interface receives the speed measurement signal during the operation of the system.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die Federung federbasiert oder eine pneumatische oder hydraulische Federung. In jedem Fall wird die Steifigkeit der Federung durch ihre Federkonstante beschrieben.In one embodiment of the present disclosure, the suspension is spring-based or a pneumatic or hydraulic suspension. In each case, the stiffness of the suspension is described by its spring constant.
Die Transporteinrichtung umfasst ein mechanisch oder elektronisch steuerbares Element, wobei zumindest das Steuersignal, das Fahrbahnsteigungssignal oder das verarbeitete Fahrbahnsteigungssignal zur Steuerung des steuerbaren Elements verwendet wird. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird das steuerbare Element aus einer Gruppe ausgewählt, die einen Scheinwerfer, ein Abstandsradar und ein Bildausschnittmittel eines Bildgenerators oder eine Kombination davon umfasst. Welches aus dem Steuersignal, dem Fahrbahnsteigungssignal oder dem verarbeiteten Fahrbahnsteigungssignal an das steuerbare Element angelegt wird, hängt davon ab, welche Eigenschaften der Transporteinrichtung oder der Straße kompensiert werden sollen. Ist eine Kompensation der Reaktion der Federung auf eine Last der Transporteinrichtung oder eine dynamische Reaktion der Federung auf Beschleunigung oder Verzögerung erforderlich, ist das Steuersignal zu verwenden. Wenn eine Kompensation der Fahrbahnsteigung und/oder schnell auftretender Änderungen der Fahrbahnoberfläche wie Bodenwellen und Schlaglöcher erforderlich ist, ist das Fahrbahnsteigungssignal oder das aus dem Steuersignal abgeleitete verarbeitete Fahrbahnsteigungssignal zu verwenden.The transport device comprises a mechanically or electronically controllable element, wherein at least the control signal, the gradient signal or the processed gradient signal is used to control the controllable element. According to one embodiment of the present disclosure, the controllable element is selected from a group comprising a headlight, a distance radar, and an image cropping means of an image generator, or a combination thereof. Which of the control signal, the gradient signal, or the processed gradient signal is applied to the controllable element depends on which properties of the transport equipment or the road are to be compensated. If compensation for the response of the suspension to a load on the transport equipment or a dynamic response of the suspension to acceleration or deceleration is required, the control signal is to be used. If compensation for the gradient and/or rapidly occurring changes in the road surface, such as bumps and potholes, is required, the gradient signal or the processed gradient signal derived from the control signal is to be used.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann zumindest das Steuersignal, das Fahrbahnsteigungssignal oder das verarbeitete Fahrbahnsteigungssignal auch zur Steuerung der Translationsgeschwindigkeit der Transporteinrichtung, eines Drehmoments eines Rades oder der Gleiskette oder eines Motors der Transporteinrichtung und/oder eines Bremsdrucks der Transporteinrichtung verwendet werden.In one embodiment of the present disclosure, at least the control signal, the gradient signal or the processed gradient signal can also be used to control the translational speed of the transport device, a torque of a wheel or track chain or a motor of the transport device and/or a brake pressure of the transport device.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungen der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und den entsprechenden beigefügten Figuren ersichtlich. Das Vorstehende sowie die nachfolgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen werden besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden. Es verständlich, dass die dargestellten Ausführungsformen nicht auf die gezeigten genauen Anordnungen und Instrumente beschränkt sind. In den Figuren sind gleichartige Elemente durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 ist eine schematische Seitenansicht einer Transporteinrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung. -
2 ist eine schematische Darstellung eines Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung. -
3 ist ein schematisches Flussdiagramm der in dem System von2 erforderlichen Berechnungen.
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1 is a schematic side view of a transport device according to the present disclosure. -
2 is a schematic representation of a system according to the present disclosure. -
3 is a schematic flowchart of the system of2 required calculations.
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die
Um korrekte Ergebnisse für den Abstand zu liefern, muss ein Strahl 8 des Radars 6 ungefähr parallel zu einer Orientierung des Geschwindigkeitsvektors 9 des Fahrzeugs 1 verlaufen. Um den Strahl 8, 8' des Radars 6 richtig zu lenken, verfügt das Fahrzeug 1 über ein System 11 zum Erzeugen eines Steuersignals 25, das jede Änderung der Orientierung des Geschwindigkeitsvektors 9 gegenüber einem am Aufbau 4 befestigten Referenzvektor 10 repräsentiert.To provide accurate distance readings, a beam 8 of the radar 6 must be approximately parallel to an orientation of the vehicle 1's velocity vector 9. To correctly steer the radar 6's beam 8, 8', the vehicle 1 has a system 11 for generating a control signal 25, which represents any change in the orientation of the velocity vector 9 relative to a reference vector 10 attached to the superstructure 4.
Der Geschwindigkeitsvektor 9 im Bezugssystem 15 ist parallel zum Geschwindigkeitsvektor 23. Die Geschwindigkeitsvektoren werden durch den Kontaktpunkt 20, 21 der Räder 2, 3 definiert. Der Geschwindigkeitsvektor 23 ist in einem lokalen Bezugssystem (definiert durch die Lotlinie 28) bekannt und seine schnellen Änderungen (aufgrund der Bodenwelle 27) können stochastisch gefiltert oder tiefpassgefiltert werden. δp definiert das Steuersignal zur Korrektur des Strahls 8, um seine korrigierte Position 8' zu erreichen. Die durch die Vektoren 28, 23 und 10 definierten Winkel sind voneinander abhängig. So wirkt sich die tiefpassgefilterte Richtung des Vektors 23 auf das Steuersignal basierend auf δp aus, so dass es schnell reagiert und Fahrbahnunebenheiten ausgleicht.The velocity vector 9 in reference frame 15 is parallel to the velocity vector 23. The velocity vectors are defined by the contact point 20, 21 of wheels 2, 3. The velocity vector 23 is known in a local reference frame (defined by the plumb line 28), and its rapid changes (due to the road undulation 27) can be stochastically filtered or low-pass filtered. δp defines the control signal for correcting the beam 8 to reach its corrected position 8'. The angles defined by vectors 28, 23, and 10 are interdependent. Thus, the low-pass filtered direction of vector 23 affects the control signal based on δp, enabling it to react quickly and compensate for road irregularities.
Das System 11 ist in
Die IMU 13 ist Teil des Fahrzeugs 1 und am Aufbau 4 des Fahrzeugs 1 befestigt. In dieser Ausführungsform wird die IMU 13 auch zusammen mit dem Aufbau 4 des Fahrzeugs 1 bewegt, d. h. sie kann sich nicht relativ zum Aufbau 4 drehen. Da die IMU 13 am Aufbau 4 angebracht ist und mit diesem bewegt wird, repräsentiert das Inertialmesssignal 14 Translationsbeschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten des Fahrzeugs 1 in einem Bezugssystem 15 (auch als Aufbaukoordinatensystem bezeichnet).The IMU 13 is part of the vehicle 1 and is attached to the superstructure 4 of the vehicle 1. In this embodiment, the IMU 13 also moves together with the superstructure 4 of the vehicle 1, i.e., it cannot rotate relative to the superstructure 4. Since the IMU 13 is attached to the superstructure 4 and moves with it The inertial measurement signal 14 represents translational accelerations and angular velocities of the vehicle 1 in a reference system 15 (also called the setup coordinate system).
Darüber hinaus umfasst das System 11 auch eine Geschwindigkeitsmesserschnittstelle 16. Die Geschwindigkeitsmesserschnittstelle 16 ist wirksam mit dem Geschwindigkeitsmesser 17 des Fahrzeugs verbunden, so dass die Geschwindigkeitsmesserschnittstelle 16 in dem Betrieb ein Geschwindigkeitsmesssignal 18 empfängt, das die Geschwindigkeit des Fahrzeugs an dem Kontaktbezugssystem 19 (auch als Kontaktkoordinatensystem bezeichnet) repräsentiert.Furthermore, the system 11 also includes a speedometer interface 16. The speedometer interface 16 is effectively connected to the vehicle's speedometer 17, so that during operation the speedometer interface 16 receives a speed measurement signal 18 representing the vehicle's speed at the contact reference system 19 (also referred to as the contact coordinate system).
Sowohl das Inertialmesssignal 14 als auch das Geschwindigkeitsmesssignal 18 werden in eine Steuerung 24 eingegeben. Die Steuerung 24 errechnet aus den Signalen 14, 18 das Steuersignal 25 und gibt das Steuersignal 25 an das Radar 6 aus, um den Radarstrahl 8, 8' zu lenken.Both the inertial measurement signal 14 and the velocity measurement signal 18 are input into a controller 24. The controller 24 calculates the control signal 25 from the signals 14 and 18 and outputs the control signal 25 to the radar 6 to steer the radar beam 8, 8'.
Der Geschwindigkeitsmesser 17 misst aufgrund seiner Positionierung und seines Betriebsprinzips die Geschwindigkeit 3 des Fahrzeugs 1 am Kontaktbezugssystem 19, wobei die IMU 13 die drei Translationsbeschleunigungen und die drei Winkelgeschwindigkeiten des Fahrzeugs 1 am Aufbaubezugssystem 15 misst. Da der Aufbau 4 relativ zu den Rädern 2, 3 und damit zur den Boden repräsentierenden Fahrbahn 22 aufgehängt ist, bewegen sich das Aufbaubezugssystem 15 und das Kontaktbezugssystem 19 relativ zueinander und ihre Orientierung zueinander ändert sich dynamisch während der Fahrt des Fahrzeugs 1.Due to its positioning and operating principle, the speedometer 17 measures the speed 3 of the vehicle 1 at the contact reference system 19, while the IMU 13 measures the three translational accelerations and the three angular velocities of the vehicle 1 at the body reference system 15. Since the body 4 is suspended relative to the wheels 2, 3 and thus to the roadway 22 representing the ground, the body reference system 15 and the contact reference system 19 move relative to each other, and their orientation to each other changes dynamically during the movement of the vehicle 1.
Die Federung der Räder 2, 3 führt dazu, dass der Aufbau 4 in Bezug auf eine virtuelle Kontaktlinie aufgehängt ist, die die Kontaktpunkte 20, 21 der beiden Räder 2, 3 verbindet, wobei diese Kontaktlinie parallel zur Geradeausfahrt des Fahrzeugs 1 verläuft.The suspension of the wheels 2, 3 results in the structure 4 being suspended with respect to a virtual contact line connecting the contact points 20, 21 of the two wheels 2, 3, with this contact line running parallel to the straight-ahead travel of the vehicle 1.
Die korrekte Berechnung der Orientierung des Geschwindigkeitsvektors 9 des Fahrzeugs 1 erfordert eine Aktualisierung anhand des Geschwindigkeitsmesssignals 18, um eine Drift des berechneten Geschwindigkeitsvektors zu vermeiden. Da das Geschwindigkeitsmesssignal 18 die nur den Betrag der Geschwindigkeit repräsentiert, muss in einem ersten Schritt die Orientierung des Geschwindigkeitsvektors im Kontaktbezugssystem bestimmt werden, um aus dieser Orientierung und dem gemessenen Betrag der Geschwindigkeit den vollständigen Geschwindigkeitsvektor zu bilden.The correct calculation of the orientation of the vehicle 1's velocity vector 9 requires an update based on the speed measurement signal 18 to avoid drift in the calculated velocity vector. Since the speed measurement signal 18 only represents the magnitude of the velocity, the orientation of the velocity vector in the contact reference frame must first be determined in order to construct the complete velocity vector from this orientation and the measured magnitude of the velocity.
Damit die Aktualisierung korrekt durchgeführt werden kann, muss sie außerdem in einem gemeinsamen Bezugssystem erfolgen, was eine Transformation eines der Eingangssignale 14, 18 oder beider in das gemeinsame Bezugssystem erfordert.In order for the update to be carried out correctly, it must also take place in a common reference system, which requires a transformation of one of the input signals 14, 18 or both into the common reference system.
Für das vorliegende Beispiel wird angenommen, dass das gemeinsame Bezugssystem mit dem Kontaktbezugssystem 19 identisch ist. Daher wird vor der Durchführung der Aktualisierung der aus dem Inertialmesssignal 14 ermittelte Geschwindigkeitsvektor 9 vom Aufbaubezugssystem 15 in das Kontaktbezugssystem 19 transformiert.For the present example, it is assumed that the common reference frame is identical to the contact reference frame 19. Therefore, before the update is performed, the velocity vector 9 determined from the inertial measurement signal 14 is transformed from the setup reference frame 15 into the contact reference frame 19.
Unter Bezugnahme auf das schematische Flussdiagramm der
Generell kann die Koordinatentransformationsmatrix, die Vektoren vom Aufbaubezugssystem 15 in ein lokales Bezugssystem transformiert, bei drei orthogonal angeordneten Gyroskopen wie folgt aktualisiert werden:
Das Aufbaubezugssystem (b) 15 wird durch die empfindlichen Achsen der IMU 13 definiert, wobei i das Inertialsystem und
Drei orthogonal montierte Beschleunigungsmesser messen eine spezifische Kraft, eine Kombination aus Trägheits- und Gravitationsbeschleunigung (lokaler Gravitationsvektor g):
Um die Geschwindigkeit 9 des Aufbaus 4 zu bestimmen, muss die lokale Schwerkraft berechnet und bei der Integration von v̇ zur Messung hinzugefügt werden. Die Schwerkraft ist eine Funktion des Breitengrads und der Höhe, und wenn diese nicht bekannt sind, muss das System die Stärke der Schwerkraft schätzen oder annähern. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die Richtung der Schwerkraft in Richtung der lokalen Vertikalen verläuft (z. B. Richtung des Lots). Bei den Beschleunigungsmessern kann davon ausgegangen werden, dass sie wie die Gyroskope im Aufbaubezugssystem 15 ausgerichtet sind. Der Aufbaubezugssystem-Geschwindigkeitsvektor 9 ist definiert als die zeitliche Ableitung eines Positionsvektors des Aufbaubezugssystem-Ursprungs. Dieser Positionsvektor verbindet einen festen Punkt auf der Erde mit der sich bewegenden Transporteinrichtung.To determine the velocity 9 of the setup 4, the local gravitational force must be calculated and added to the measurement when integrating v̇. Gravity is a function of latitude and altitude, and if these are unknown, the system must estimate or approximate the strength of the gravitational force. However, it can be assumed that the direction of gravity is in the direction of the local vertical (e.g., the direction of the plumb line). The accelerometers can be assumed to be oriented in the setup reference frame 15, like the gyroscopes. The setup reference frame velocity vector 9 is defined as the time derivative of a position vector of the setup reference frame origin. This position vector connects a fixed point on Earth to the moving transport device.
Der Kilometerzähler 17 des Fahrzeugs 1 misst die Geschwindigkeit, mit der sich die Räder drehen. Die Geschwindigkeitssensoren der einzelnen Räder können kombiniert und zur zurückgelegten Strecke addiert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Kilometerzähler allein keinen gerichteten Geschwindigkeitsvektor liefert - der Radradius muss bekannt sein oder geschätzt werden, um die richtige Größe zu erhalten, und die Fahrtrichtung muss aus der Tatsache abgeleitet werden, dass die Räder parallel zur Fahrbahnoberfläche 22 fahren.The odometer 17 of vehicle 1 measures the speed at which the wheels are rotating. The speed sensors of the individual wheels can be combined and added to determine the distance traveled. It should be noted that an odometer alone does not provide a directed velocity vector – the wheel radius must be known or estimated to obtain the correct value, and the direction of travel must be deduced from the fact that the wheels are traveling parallel to the road surface 22.
Die IMU 13 liefert das Inertialmesssignal 14 an das Aufbaubezugssystem 15. Es sei darauf hingewiesen, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren Orientierung, Geschwindigkeit und Position in Bezug auf das lokale Bezugssystem liefern (wobei die spezifische Kraft im Ruhezustand die Aufwärtsrichtung 28 liefert).The IMU 13 delivers the inertial measurement signal 14 to the setup reference system 15. It should be noted that the methods known from the prior art provide orientation, velocity and position with respect to the local reference system (where the specific force at rest provides the upward direction 28).
Ähnlich wie bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren muss der Positionsvektor zwischen Inertialsensoreinheit (IMU) und Rad eingegeben (oder aus den Sensormessungen geschätzt) werden, siehe
Das Inertialmesssignal wird zur Schätzung der Richtung des Geschwindigkeitsvektors verwendet, indem die Beschleunigungsmesswerte im ausgewählten Bezugssystem integriert und die Schwerkraft addiert werden (Groves Kapitel 5.4.3 Velocity Update). Inertialsensoren können erhebliche Rausch- und Verzerrungsterme aufweisen, und unbekannte Transportraten-Terme, Coriolis-Terme und das Schwerkraftmodell können dem Ergebnis Fehler hinzufügen. Aufgrund von Sensorverzerrungen enthält die inertial berechnete Geschwindigkeit einen erheblichen Driftfehler.The inertial measurement signal is used to estimate the direction of the velocity vector by integrating the acceleration measurements in the selected reference frame and adding the force of gravity (Grove's Chapter 5.4.3 Velocity Update). Inertial sensors can exhibit significant noise and distortion terms, and unknown transport rate terms, Coriolis terms, and the gravity model can introduce errors into the result. Due to sensor distortions, the inertially calculated velocity contains a significant drift error.
Die Geschwindigkeitsaktualisierung vom Raddrehzahlsensor 17 wird zur Korrektur dieser Drift mit einem erweiterten Kalman-Filter verwendet. Die Vorhersage erfolgt durch Kombination des Inertialmesssignals 14 und statistischer Modelle, die Aktualisierung durch Aktualisierung des Geschwindigkeitsmessers mit dem entsprechenden statistischen Fehlermodell.The speed update from the wheel speed sensor 17 is used to correct this drift with an extended Kalman filter. The prediction is performed by combining the inertial measurement signal 14 and statistical models, and the update is performed by updating the speedometer reading with the corresponding statistical error model.
Wie in (
Nun wird erklärt, wie ein Messvektor für einen Kalman-Filter konstruiert wird (Groves 3.2.4). Die statische Komponente von δp wird als staticalpha bezeichnet. Ein geschätzter Zustand wird durch Hinzufügen von filter zum Namen dargestellt. Insbesondere ist filterstaticalpha die statische Komponente, die durch den Filter geschätzt wird.Now, the construction of a measurement vector for a Kalman filter is explained (Groves 3.2.4). The static component of δp is called staticalpha. An estimated state is represented by adding filter to the name. In particular, filterstaticalpha is the static component estimated by the filter.
Es besteht natürlich eine Unsicherheit in der Korrektur, aber diese wird durch den Filter berücksichtigt. Die Verknüpfung zu Zuständen, einem gemessenen Modell im Kalman-Filter, kann z.B. sein
- - δp das geschätzte dynamische Nicken des Aufbaus ist, bestimmt aus einer statischen Komponente und einer dynamischen Komponente proportional zur Längsbeschleunigung,
- - vodo die gemessene Radgeschwindigkeit aus dem Geschwindigkeitsmesser ist,
- - s der geschätzte Kilometerzähler-Skalierungsfaktor ist (der die Unsicherheit des Reifenumfangs aufgrund von Luftdruck, Laufflächenabnutzung usw. repräsentiert),
- - vB die geschätzte Geschwindigkeit ist, ausgedrückt im Aufbaubezugssystem 15, und
- - δL die Hebelarmkorrektur zur Übertragung der Geschwindigkeitsmessung vom Reifenkontaktpunkt zum Ort der IMU ist.
- - δp, the estimated dynamic pitch of the structure, is determined from a static component and a dynamic component proportional to the longitudinal acceleration.
- - v odo the measured wheel speed from the speedometer is,
- - s is the estimated odometer scaling factor (which represents the uncertainty of the tire circumference due to air pressure, tread wear, etc.),
- - v B is the estimated velocity, expressed in the frame of reference 15, and
- - δL is the lever arm correction for transferring the speed measurement from the tire contact point to the location of the IMU.
Ein stochastisches Modell für das dynamische Alpha ermöglicht es, auch die Fahrbahnneigung stochastisch zu modellieren - die Fahrbahnneigung kann sich nur ändern, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist. Das Wissen, dass sich das Fahrzeug nicht bewegt, kann z.B. über den Kilometerzähler, die Bremsen oder die Stellung des Zündschlosses ermittelt werden. Die Anwendung dieser Information in einem Filter kann mit einer zusätzlichen Einschränkung im Filterprozess erfolgen; wenn beispielsweise das Fahrzeug ausgeschaltet ist, wird die Fahrbahnneigung im Speicher abgelegt. Wenn das Fahrzeug wieder eingeschaltet wird, wird die Information zur Initialisierung des Filters verwendet. Jede Änderung von δp wird dann als Änderung der Federung beobachtet.A stochastic model for the dynamic alpha allows the road gradient to also be modeled stochastically – the road gradient can only change when the vehicle is in motion. The knowledge that the vehicle is stationary can be obtained, for example, from the odometer, the brakes, or the ignition switch position. Applying this information in a filter can be done with an additional restriction in the filtering process; for example, if the vehicle is switched off, the road gradient is stored in memory. When the vehicle is switched on again, this information is used to initialize the filter. Any change in δp is then observed as a change in the suspension.
Das aus δp abgeleitete Signal kann durch Tiefpassfilterung der Fahrbahnsteigung weiter angepasst werden, um den Einfluss von Bodenwellen und Schlaglöchern im Steuersignal zu entfernen.The signal derived from δp can be further adjusted by low-pass filtering of the road gradient to remove the influence of bumps and potholes in the control signal.
Im Sinne der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass alle Merkmale, wie sie sich dem Fachmann aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen erschließen, auch wenn sie ausdrücklich nur in Verbindung mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben sind, sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen mit anderen der hierin offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombiniert werden können, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist oder technische Umstände solche Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf eine umfassende, explizite Beschreibung aller denkbaren Merkmalskombinationen wird hier nur aus Gründen der Kürze und Lesbarkeit der Beschreibung verzichtet.In accordance with the original disclosure, it is pointed out that all features as they can be deduced by a person skilled in the art from the present description, the drawings, and the claims, even if they are expressly described only in conjunction with certain other features, can be combined individually or in any combination with other features or groups of features disclosed herein, unless this is expressly excluded or technical circumstances render such combinations impossible or pointless. A comprehensive, explicit description of all conceivable combinations of features is omitted here solely for the sake of brevity and readability.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung zwar ausführlich dargestellt und beschrieben, diese Darstellung und Beschreibung ist jedoch lediglich beispielhaft und soll den Schutzbereich der Ansprüche nicht einschränken. Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt.Although the invention is illustrated and described in detail in the drawings and the preceding description, this illustration and description are merely exemplary and are not intended to limit the scope of the claims. The invention is not limited to the embodiments shown.
Variationen der offengelegten Ausführungsformen werden für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich sein. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „eins“ oder „ein“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen Ansprüchen beansprucht werden, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen den Schutzumfang nicht einschränken.Variations of the disclosed embodiments will be apparent to a person skilled in the art from the drawings, the description, and the accompanying claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite article "one" or "a" does not exclude a plurality. The mere fact that certain features are claimed in different claims does not preclude their combination. Reference numerals in the claims are not intended to limit the scope of protection.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Fahrzeugvehicle
- 22
- Radwheel
- 33
- Radwheel
- 44
- AufbauConstruction
- 55
- Feder und DämpferSpring and damper
- 66
- FrontradarFront radar
- 77
- Fahrbahnroadway
- 8, 8'8.8'
- Strahlbeam
- 99
- Geschwindigkeitsvektorvelocity vector
- 1010
- BezugsvektorReference vector
- 1111
- Systemsystem
- 1212
- InertialmessschnittstelleInertial measurement interface
- 1313
- IMUIMU
- 1414
- InertialmesssignalInertial measurement signal
- 1515
- AufbaubezugssystemConstruction reference system
- 1616
- GeschwindigkeitsmesserschnittstelleSpeedometer interface
- 1717
- Geschwindigkeitsmesser des FahrzeugsVehicle speedometer
- 1818
- GeschwindigkeitsmesssignalSpeed measurement signal
- 1919
- KontaktbezugssystemContact reference system
- 20, 2120, 21
- KontaktstelleContact point
- 2222
- FahrbahnoberflächeRoad surface
- 2323
- Geschwindigkeit im KontaktbezugssystemSpeed in the contact reference system
- 2424
- Steuerungsteering
- 2525
- Steuerungssignalcontrol signal
- 2626
- KontaktlinieContact line
- 2727
- FahrbahnunebenheitRoad surface irregularity
- 2828
- SchwerkraftvektorGravity vector
- δpδp
- geschätztes dynamisches Nicken des Aufbausestimated dynamic nodding of the structure
Claims (10)
Priority Applications (2)
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Also Published As
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