DE19705312B4

DE19705312B4 - Adaptiver Lenkwinkelsensor für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE19705312B4
Application number: DE1997105312
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing.(FH) Spies
Original assignee: Takata Petri AG
Current assignee: Takata AG
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: DE19705312A1

Abstract

Adaptiver Lenkwinkelsensor für Fahrzeuge, der zur Lenkwinkelbestimmung einen Code auf dem drehenden Teil benutzt und eine Fotodetektoranordnung aufweist, auf die der Code abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine absolute Winkelbestimmung durch Auslesen der Kontrastinformation mittels eines Mikroprozessors (108) erfolgt, der sowohl die Winkellage des Codes als auch die Feinauflösung der Winkel durch die relative Lage des erkannten Codes zur Abbildung auf der Fotodetektoranordnung (107) ermittelt, und dass zugleich bei jeder Messung die Gesamtfunktion des Systems überprüft und angepasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen adaptiven Lenkwinkelsensor für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um den Winkel einer im Fahrzeug untergebrachten Lenkeinrichtung entsprechend dem Wunsch des Fahrzeugführers zu messen, sind bereits Anordnungen bekannt.
So werden bereits Drehwiderstände mit der Lenksäule gekoppelt und geben ein analoges Signal ab. Außerdem ist die Anordnung einer oder mehrerer Lichtschranken bekannt, die durch entsprechende Kulissen eine digitale Erfassung des Lenkwinkels gestatten. Alle diese Anordnungen haben den Nachteil, dass sie sehr enge elektrische, optische oder mechanische Toleranzen erforderlich machen und nicht über alle Funktionen testbar
sind oder sehr viel Volumen im Bereich der Lenksäule einnehmen.
Zur Bestimmung der absoluten Weg- und Winkelinformation durch optische Auswertung von Strichkodestrukturen ist aus der Veröffentlichung von Trumpold, Harry u. a.: Auswertung von Strichkodestrukturen zur absoluten Weg- und Winkelmessung, Feinwerktechnik und Meßtechnik 1994, Heft 11–12, S. 566–572, ein entsprechendes System bekannt. Dieses System ist für einen Lenkwinkelsensor in Fahrzeugen nicht geeignet. Es müssen zur Vermeidung von Toleranzproblemen drei Codeinformationen auf einem CCD oder einem Mehrfach-CCD abgelesen werden. Damit ist eine sehr hohe Auflösung erforderlich, die einen teuren Computer und eine filigrane Codestruktur erforderlich macht, was in einer Großserie, wie im Kraftfahrzeugbau, nicht realisierbar ist.
In der DE 43 24 381 A1 wird ein Positionsgeber beschrieben, bei dem ein Vergleich der Codespur mit den gewünschten Positionsdaten mittels genau beschriebener Schieberegisterstrukturen stattfindet. Dieser ist damit nicht auf die Lage des Codes relativ zum Detektor sondern auf die Passung der Bitstruktur zur Schieberegisterstruktur ausgerichtet.
In der DE 42 28 719 A1 ist ein kapazitiver Lenkwinkelsensor angegeben, der entsprechende Gruppen von Sende-Empfangskanälen benötigt und zur Bestimmung des Winkels entweder eine Spirale benötigt, die mit großer Ungenauigkeit behaftet ist, oder viele Codespuren nutzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lenkwinkelsensor zu schaffen, der keine engen elektrischen, optischen oder mechanischen Toleranzen aufweist und über alle Funktionen testbar ist.
Erfindungsgemäß wird das gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
Bei einem adaptiven Lenkwinkelsensor für Fahrzeuge, der zur Lenkwinkelbestimmung einen Code auf dem drehenden Teil benutzt und eine Fotodetektoranordnung aufweist, auf die der Code abgebildet ist, erfolgt erfindungsgemäß eine absolute Winkelbestimmung durch Auslesen der Kontrastinformation mittels eines Mikroprozessors, der sowohl die Winkellage des Codes als auch die Feinauflösung der Winkel durch die relative Lage des erkannten Codes zur Abbildung auf der Fotodetektoranordnung ermittelt, wobei zugleich bei jeder Messung die Gesamtfunktion des Systems überprüft und angepasst wird.
Zur Überwachung der Systemfunktion kann auf die Fotodetektorzeile mindestens ein Referenzschattenbild projiziert werden.
Weiterhin ist es zweckmäßig, dass der absolute Winkelbereich bei n × 360° über die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird.
Zur Erhöhung der Auflösung können mindestens zwei unterschiedliche Abbildungen eines oder mehrerer Umfangscodes auf die Fotodetektorzeile abgebildet werden.
Zur Erfassung des absoluten Lenkwinkels auch bei abgeschalteten Fahrzeugsystemen wird der Lenkwinkel durch kurzes Einschalten des Lenkwinkelsensors in Zeitintervallen, in denen keine Drehung größer 180° möglich ist, ermittelt.
Um optische und mechanische Toleranzen auszugleichen werden die auf der Fotodetektorzeile entstehenden Signale im Hinblick auf ihre Flankensteilheit und Abbildungsgröße ausgewertet.
Die Erfindung soll in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
1 eine Prinzipschaltung;
1a eine Code-Spur;
2 Signale einer Fotodiodenzeile;
3 eine Weiterbildung der Anordnung nach 1;
4 eine Anordnung mit einem zweigeteilten Code;
4a einen Schnitt durch die Anordnung nach 4.
Ein Beispiel der Erfindung soll anhand von 1 beschrieben werden. Auf dem drehbaren Teil der Lenkeinrichtung 101 ist ein entsprechender digitaler Code 102 auf dem Umfang angebracht. Der Code ist so angelegt, dass er sich über den ganzen Umfang im Betrachtungsbereich 103 nicht wiederholt. Für die Ermittlung des absoluten Lenkwinkels innerhalb von 360° reicht damit ein einspuriger Code.
Der Betrachtungsbereich 103 wird einerseits durch die Licht emittierenden Dioden 104 und 105 beleuchtet und über die Linse oder Optik 106 auf eine Fotodetektorzeile 107 abgebildet. Diese Fotodetektorzeile kann als ladungsgekoppelte Detektorzeile (CCD) ausgeführt sein. Der Code im Betrachtungsbereich 103 ist entsprechend 1a als Schwarzweiß Code 102 oder auch als Code mit anders erzeugten Kontrastunterschieden ausgeführt. Der Code wird als Kontrastunterschied von der Fotodetektorzeile auf den Mikroprozessor 108 gegeben. Dieser wertet die Kontrastunterschiede aus, dekodiert sie und gibt die Drehwinkelposition über die Schnittstelle 109 an das Fahrzeug 110 weiter. Die gesamte Einheit wird über die Stromversorgung 112 z. B. aus dem 12 V Fahrzeugnetz 113 versorgt. Ist der Code 102 im Betrachtungs- und Auswertungsbereich 103 sehr gut auf die Fotodetektorzeile 107 abgebildet, ergeben sich sehr deutliche Kontrastunterschiede mit entsprechend scharfen Abgrenzungen. Ist die Abbildung unscharf durch radiale Toleranz oder Verschmutzung, ergeben sich Kontrastunterschiede entsprechend 2.
Hier sind auf der x-Achse 201 die lineare Zuordnung der Fotodioden (entsprechend dem Betrachtungsbereich) und auf der y-Achse die zugehörigen Amplituden dargestellt. Der Graph 203 zeigt die Rohsignale der Fotodiodenzeile. Durch bekannte Verfahren der Steigungsauswertung wird im Sensorprozessor 108 (1) der Code wieder rekonstruiert. Dies ist in 2 durch den Signalzug 204 gezeigt. 2 zeigt reale Werte aus einem Funktionsmodell. Bei radialen Toleranzen wird die Abbildung des Codes entsprechend unscharf und je nach Abstand größer oder kleiner. Dies wird zur Auswertung im Sensorprozessor herangezogen und damit die nötige Genauigkeit trotz radialer Toleranzen gewährleistet.
Durch die Auswertung der Amplituden 203 über die Zahl der Fotodetektoren kann die Verstärkung bei fortschreitender Verschmutzung oder bei Alterung der Bauteile erhöht werden oder die Leuchtdichte an den Dioden 104 und 105 entsprechend adaptiv eingestellt werden. Diese Einstellung kann auch über den Umfang oder die Betrachtungsstrecke angepasst werden. Axiale Toleranzen werden einfach über die Höhe der Codespur 102 ausgeglichen.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist in 3 dargestellt. Die Anordnung entspricht 1 jedoch ist zur Prüfung des Gesamtsystems im Überwachungs- und Schnittstellenprozessor 301 eine Software installiert, die entweder beim Einschalten und/oder zyklisch eine oder mehrere Licht emittierende Dioden 302 und 303 einschaltet, die über eine Maske 304 auf die Fotodetektorzeile 107 abgebildet sind. Durch sequentielles Einschalten der Dioden 302 und 303 werden auf der Fotodetektorzeile nacheinander ein oder mehrere Schattenbilder erzeugt. Damit kann die Funktion der Gesamtanordnung über alle Komponenten geprüft werden. Bei Verschmutzungen im Bereich der optischen Komponenten kann dann z. B. die Lichtleistung der Licht emittierenden Dioden 104 und 105 durch entsprechende Erhöhung des Steuerstromes leicht angepasst werden. Auch der Ausfall von einzelnen Detektoren der Fotodiodenzeile wird bemerkt und kann durch rechnerische Maßnahmen ausgeglichen werden. Während der gesamten Betriebszeit, in der die Messungen des Lenkwinkels stattfinden, wird es mit vorliegender Erfindung möglich, durch Auswertung der Anstiegs- und Abfallzeiten der Signale entsprechend 2 und derer Amplitude und Abbildung des Codes 102, das Gesamtsystem nicht nur im Sinne einer Diagnose zu überwachen, sondern auch Toleranzen auszugleichen und die Genauigkeit über nahezu alle Betriebseinflüsse zu erhalten.
Dadurch, dass mit einer einzigen Fotodetektorzeile der Winkel im Bereich von 360° sehr schnell ausgewertet werden kann, ist das System durch einfaches Mitregistrieren der 360° Überschreitung für Winkel über 360° und damit für mehrere Umdrehungen geeignet. Um dies nicht nur für den Fahrbetrieb zu gewährleisten, muss das System im Standbybetrieb jeweils kurzzeitig eingeschaltet werden, wobei die Einschaltintervalle so gewählt werden, dass in diesem Intervall keine Lenkraddrehung größer 360° möglich ist.
Da das System zur Datenübertragung eine Schnittstelle zum Fahrzeugrechner hat, kann natürlich von dort aus die Fahrzeuggeschwindigkeit übernommen werden, um den Nullbereich des Lenkwinkels zu definieren. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, dass ab einer bestimmten Geschwindigkeit bei normalen Fahrzeugen kein Lenkwinkel über z. B. +/–90° von der Nullstellung aus fahrbar ist.
Zur Erhöhung der Winkelauflösung kann die Erfindung auch entsprechend 4 weitergebildet werden. Der Code auf dem Umfang 401 ist hier in einen oberen groben Bereich 402 zur Erkennung der 0°–360° und in einen feinen unteren Bereich 403 aufgeteilt. 4a zeigt einen Schnitt durch diese Anordnung. Auf die Fotodiodenzeile 107 wird zur Ermittlung des Grobwinkels die Codeseite 402 über die Licht emittierende Diode 405 beleuchtet und über die Optik 407 abgebildet. Daraufhin wird die Einteilung 403 mittels der Diode 406 beleuchtet und ein kleiner Abschnitt über die Optik 408 auf die Detektorzeile abgebildet. Dieser kleinere Ausschnitt kann wiederum einen Code beinhalten der +/–10° abdeckt. Beide Optiken werden z. B. durch die Blende 404 getrennt. Durch die Abbildung eines kleineren Ausschnittes kann die Auflösung und Genauigkeit entsprechend erhöht werden.

Claims

Adaptiver Lenkwinkelsensor für Fahrzeuge, der zur Lenkwinkelbestimmung einen Code auf dem drehenden Teil benutzt und eine Fotodetektoranordnung aufweist, auf die der Code abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine absolute Winkelbestimmung durch Auslesen der Kontrastinformation mittels eines Mikroprozessors (108) erfolgt, der sowohl die Winkellage des Codes als auch die Feinauflösung der Winkel durch die relative Lage des erkannten Codes zur Abbildung auf der Fotodetektoranordnung (107) ermittelt, und dass zugleich bei jeder Messung die Gesamtfunktion des Systems überprüft und angepasst wird.
Adaptiver Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Systemfunktion auf die Fotodetektorzeile (107) mindestens ein Referenzschattenbild projiziert wird.
Adaptiver Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Winkelbereich bei n × 360° über die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird.
Adaptiver Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Auflösung mindestens zwei unterschiedliche Abbildungen eines oder mehrerer Umfangcodes (402, 403) auf die Fotodetektorzeile (107) abgebildet werden.
Adaptiver Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des absoluten Lenkwinkels auch bei abgeschalteten Fahrzeugsystemen der Lenkwinkel durch kurzes Einschalten des Lenkwinkelsensors in Zeitintervallen, in denen keine Drehung größer 180° möglich ist, ermittelt wird.
Adaptiver Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Fotodetektorzeile entstehenden Signale im Hinblick auf ihre Flankensteilheit und Abbildungsgröße ausgewertet werden, um optische und mechanische Toleranzen auszugleichen.