DE69700177T2 - Fahrzeugnavigationssystem mit automatischer Kalibrierung der Bordsensoren - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Motorfahrzeug-Navigationssysteme des im Oberbegriff von Anspruch 1 bezeichneten Typs.
• Der Anmelder hat ein Navigationssystem des oben bezeichneten Typs ausgeführt, in welchem die Sensoreinrichtung einen Kilometerzähler aufweist und einen Wendekreisel, um die zurückgelegte Strecke bzw. die Bewegungsrichtung zu messen, um die Computereinrichtung zu befähigen, kontinuierlich die Fahrzeugposition zu aktualisieren.
• Der Kilometerzähler ist ein linearer Bewegungssensor und liefert eine zur zurückgelegten Strecke proportionale Anzahl von Impulsen. Das Ausgabesignal ist daher gewöhnlich eine Rechteck- (oder Dreieck- oder Sinus- usw.)-welle, deren Frequenz direkt proportional zur Motorfahrzeug-Geschwindigkeit ist.
• Der Wendekreisel ist eine auf die Winkelgeschwindigkeit ansprechende Vorrichtung. Das Ausgabesignal des Wendekreisels gibt, wenn es integriert wird, ein Maß für die Richtungsänderung des Motorfahrzeugs. Das vom Anmelder ausgeführte Navigationssystem weist auch einen GPS-Empfänger auf, d. h. eine Vorrichtung, welche in der Lage ist, die absolute Position und die absolute Geschwindigkeit des Motorfahrzeugs im Raum zu bestimmen, durch Messen der Flugzeit von Signalen, welche von einer Anordnung von Satelliten, welche sich auf festen Umlaufbahnen um die Erde befinden, kommen.
• Entsprechend dem Stand der Technik wird das Bestimmen der Position und der Richtung des Motorfahrzeugs zu allererst durch Lesen der Daten am Ausgang des Wendekreisels und des Kilometerzählers ausgeführt. Diese Technik wird "Tod- Standortbestimmung" genannt und ermöglicht es, die Verschiebung und die Richtungsänderung des Fahrzeugs mit der Zeit mit einer Präzision zu bestimmen, welche um so größer ist, je mehr es den Sensoren an Fehlern mangelt und sie korrekt eingestellt sind. Es muß angemerkt werden, daß die Tod-Standort- Bestimmungsoperation eine "relative" Natur hat. Diese Operation ist in der Tat in der Lage, ausschließlich die Änderungen in bezug auf eine gegebene Anfangsbedingung zu bestimmen. Offensichtlich verursachen sogar kleine Fehler in der Kenntnis der Anfangsrichtung, zeitlich integriert, einen wachsenden Fehler der exakten Position des Fahrzeugs. Für eine gute Operation der Tod- Standortbestimmung ist es daher notwendig, eine "absolute" Referenz zu der Richtung und Position zu haben, welche unabhängig von den Anfangsbedingungen und der vergangenen Geschichte ist. Eine absolute Referenz kann, soweit die Position betroffen ist, durch GPS-Empfänger geliefert werden. Das GPS-System ist in der Tat in der Lage, mit einer Präzision einiger hundert Meter (im schlimmsten Fall) die absolute Position des Motorfahrzeugs zu berechnen durch Liefern der Nord- und Ostkoordinaten des Punktes, und wobei sie zum Beispiel jede Sekunde aktualisiert werden. Aus der Information über die Geschwindigkeit, die vom GPS-System geliefert wird, ist es auch möglich, die absolute Bewegungsrichtung des Fahrzeugs abzuleiten.
• Eine andere Informationsquelle, welche entsprechend der bekannten Technik vom Navigationssystem benutzt wird, um das Lokalisieren des Fahrzeugs zu verbessern, ist die digitalisierte Landkarte des Geländes, die in der Landkarten- Datenbank enthalten ist. In der Tat, ausgehend von der Annahme, daß sich das Fahrzeug auf einem Netz von vermessenen Straßen bewegt, ist es verständlich, wie es möglich ist, die absolute Information der Straßenposition zu benutzen, um durch Erkennen und Anpassen des Fahrzeugweges an das Landkartengitter die Fahrzeugposition zu bestimmen. Diese Lokalisierungstechnik, welche auf der Annahme basiert, daß das Fahrzeug sich auf sauber vermessenen Straßen bewegt, wird "Landkartenanpassung" genannt.
• Die Tod-Standort-Bestimmungsoperation liefert eine Bewegung, welche um so genauer ist, je besser die Sensoren sind, welche benutzt werden.
• Wegen der "integrierenden" Natur der Tod-Standort-Bestimmungsoperation verursachen die Präzisionsfehler, die durch die Sensoren eingebracht werden, Lokalisierungsfehler, welche dazu tendieren, mit der Zeit in einer exponentiellen Weise zu solch einem Ausmaß anzuwachsen, was es absolut notwendig macht, sich auf die vom GPS und der Landkartenanpassung gelieferten absoluten Information zu verlassen. Je weniger präzise die Sensoren sind, um so häufiger ist diese Technik.
• Das Problem, welches an der Basis der vorliegenden Erfindung liegt, ist das der Einstellung oder Kalibrierung der Sensoreinrichtung. Die Verwendung der von jedem Sensor kommenden Information ist in der Tat seiner Einstellung untergeordnet, d. h. der Bestimmung der Umwandlungsfaktoren aus den Meßgrößen am Ausgang des Sensors zu den Meßgrößen, welche vom Navigationssystem benutzt werden (zum Beispiel von mV zu Winkelgraden).
• Dieses Problem wurde von den Herstellern von Navigationssystemen in einer unterschiedlichen Weise gelöst. Normalerweise sind Kalibrierungsmethoden für die Sensoren vorgesehen. Entsprechend dem Stand der Technik werden die Kalibrierungen ein erstes Mal ausgeführt, wenn das System auf dem Motorfahrzeug installiert wird, aber im allgemeinen müssen sie später periodisch wiederholt werden, da die Sensoren ihre Merkmale mit der Zeit ändern und auch, weil die Motorfahrzeug-Bedingungen mit der Zeit nicht konstant sind, zum Beispiel wegen der Abnutzung der Reifen. Die Kalibrierungsmethoden erfordern oft mehrere Minuten und die Kenntnis spezifischer Informationen, wie die exakte Länge eines Straßenabschnittes und seine geographische Orientierung. Die Stabilitätsmerkmale der Sensoren sind wichtig, um eine gute Kalibrierung auszuführen. Idealerweise sollte es möglich sein, die Sensoren kontinuierlich zu kalibrieren, da die Umgebungsbedingungen (Temperatur) und die Betriebsbedingungen (Fahrzeuggewicht und geschwindigkeit) sich jede Minute ändern und kein Sensortyp so stabil ist, daß er nicht bei all diesen Änderungen beeinflußt wird.
• Ein Navigationssystem des im Oberbegriff von Anspruch 1 bezeichneten Typs wird in EP-A-0 519 630 offenbart. Es muß auch angemerkt werden, daß das Konzept, vom GPS abgeleitete Daten zu benutzen, um Sensordaten an Bord zu kalibrieren oder zu korrigieren, aus einer Vielzahl von Dokumenten bekannt ist (EP- A-0 453 726, US-A-4 903 212, JP 07 253328 A, JP 01 053180 A). Jedoch ist keines der bekannten System völlig zufriedenstellend.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, alle oben bezeichneten Probleme zufriedenstellend zu lösen.
• Entsprechend der Erfindung wird dieses Ziel durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale erreicht.
• Die Erfindung ist ferner besonders vorteilhaft, falls das Navigationssystem zum Verkauf angeboten wird, um auf Motorfahrzeugen, welche ohne ein System dieses Typs aus der Produktion kamen, installiert zu werden. In einem solchen Fall ist es in der Tat unmöglich, im voraus die Merkmale des Motorfahrzeugs, auf welchem das System operieren soll, zu kennen, und andererseits gibt es dort den ökonomischen Vorteil, die Erfordernis der Unterstützung durch spezialisiertes Personal zur Durchführung der Einstellungsoperationen vermeiden zu können.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung offensichtlich, welche bezüglich der angefügten Zeichnung folgt, die rein als nicht einschränkendes Beispiel gegeben ist, welche diagrammatisch ein Motorfahrzeug zeigt, das mit einem der Erfindung entsprechenden System ausgestattet ist.
• In der Zeichnung bezeichnet Bezugszeichen 1 allgemein ein Motorfahrzeug, das mit einem Navigationssystem entsprechend der Erfindung ausgestattet ist, welches einen Computer 2 aufweist und einen Wendekreisel und ein Lesegerät 3 für eine CD-ROM 4 einschließt, welche zweckmäßig im hinteren Gepäckfach des Motorfahrzeugs untergebracht werden können. Bezugszeichen 5 bzw. 6 bezeichnen einen Satelliten-GPS-Empfänger und einen Kilometerzähler des per se bekannten Typs. Auf dem Motorfahrzeug-Armaturenbrett ist das Sichtgerät 7 angebracht, das einen Lautsprecher aufweist, während der Fahrer selbst von einer Fernsteuerung 8 (oder alternativ einer Tastatur) Gebrauch machen kann, um die verschiedenen Systemfunktionen zu aktivieren. Die CD-ROM 4 weist eine Datenbank von digitalisierten Landkarten des interessierenden Straßennetzwerks auf.
• Der Kilometerzähler 6 ist ein Verschiebungssensor. Er erzeugt Impulse mit einer Frequenz, welche direkt proportional zur Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Teils (Transmissionswelle, Rad, usw.) ist, auf welchem der Sensor angebracht ist. Der entsprechend der Erfindung in dem System benutzte Kilometerzähler kann irgendeines bekannten Typs sein. Derzeit gibt es ungefähr zehn unterschiedliche Typen von Kilometerzählern, mit unterschiedlicher Empfindlichkeit, auf dem Markt. Die von den Herstellern gelieferten Charakteristiken werden gewöhnlich als Impulse pro Umdrehung ausgedrückt, aber vom Standpunkt des Benutzens kann die Ermittlung direkt auf der Basis des Verhältnisses zwischen der Impulszahl und der Länge der vom Motorfahrzeug durchlaufenen Entfernung ausge führt werden. Auf diese Weise werden alle wichtigen Parameter in die Berechnung eingeführt und ausgewertet, einschließlich des Wertes des Umfangs des Rades und das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Punkt, an welchem der Kilometerzähler-Sensor angebracht ist, und dem Rad selbst. Daher muß angemerkt werden, daß das betreffende Problem ist, gleichzeitig viele Faktoren zu ermitteln, welches mindestens das der Berechnung des Umwandlungsfaktors zwischen Impulsen und Metern (oder umgekehrt) wird. Das Problem der Kilometerzähler- Kalibrierung liegt im wesentlichen im Bestimmen des "Gewichts" jedes Impulses, d. h. wie viele Meter oder Zentimeter diesem entsprechen. Jeder Kilometerzähler hat einen Skalierungsfaktor, welcher im wesentlichen mit der Zeit beständig ist und für unterschiedliche Instrumententypen unterschiedlich ist. Jedoch hängt der Umwandlungsfaktor zwischen Impulsen und Metern vom Umfang der Räder ab und deshalb vom Typ der Reifen, von deren Druck, von deren Abnutzung, vom Gewicht des Fahrzeugs und seiner Geschwindigkeit. Im folgenden wird deshalb Bezug auf einen Skalierungsfaktor des Kilometerzählers genommen, welcher der reelle Umwandlungsfaktor zwischen von dem Instrument erzeugten Impulsen und vom Motorfahrzeug zurückgelegten Metern ist.
• Entsprechend der Erfindung bestimmt das System den Skalierungsfaktor des Kilometerzählers durch Vergleich der durch das GPS berechneten linearen Geschwindigkeit mit der Anzahl der Impulse, welche während derselben Sekunde vom Kilometerzähler kommen. Wenn die vom GPS berechnete Geschwindigkeit ein perfektes Maß der Motorfahrzeug-Geschwindigkeit wäre, wäre der Skalierungsfaktor des Kilometerzählers sofort durch die folgende Formel bestimmt:
• OSF ([m]/[Impulse]) = Geschwindigkeit GPS [m/s]/Anzahl von Kilometerzählerimpulsen pro Sekunde [Impuls/s]
• In Wirklichkeit ist der vom System benutzte Algorithmus, um die Kilometerzähler-Selbstkalibrierung auszuführen, nicht einfach nur die oben gezeigte Formel, wegen verschiedener Fehler in der Bestimmung der Größen im Zähler und Nenner in der Formel.
• Der GPS-Empfänger bestimmt die Motorfahrzeug-Geschwindigkeit durch Dopplereffekt auf der Basis der Frequenz des von jedem sichtbaren Satelliten empfangenen Signals. Die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug und dem Satelliten ist nie null, da die Satelliten nicht geostationär sind, und es daher dort immer eine Frequenzverschiebung auf dem Signal wegen des Dopplereffektes gibt. Die Geschwindigkeitsberechnung ist daher wegen der Bewegung des Fahrzeugs auf der Erdoberfläche mit dem Wachsen oder Abnehmen dieses Effektes verbunden. Unglücklicherweise wird die Präzision dieser Berechnung stark durch die Position der Satelliten in bezug auf das Fahrzeug und die Anwesenheit von Reflexionen des Signals auf Hindernissen in der Nähe des Motorfahrzeugs beeinflußt.
• Die GPS-Geschwindigkeitsberechnung kann in zwei Beiträge getrennt werden. Ein erster ist der, welcher mit der wirklichen Bewegung des Fahrzeugs verbunden ist, wogegen der andere der Meßfehler ist, welcher nicht exakt berechnet werden kann und von den Empfangsbedingungen abhängt.
• Um den Beitragsprozentsatz des Fehlers an der Berechnung zu reduzieren, benutzt das System entsprechend der Erfindung den GPS-Geschwindigkeitswert nur, wenn dieser größer als ein vorbestimmter Schwellenwert K (zum Beispiel 12,5 m/s) ist und dieser GPS-Geschwindigkeitswert als eine Funktion des Wertes selbst "gewichtet" wird. Unter Annahme, daß die Fehlerkomponente immer niedriger als ein Wert L (zum Beispiel 1 m/s) ist, hat dieser Wert einen geringeren Einfluß, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs größer ist. Dann gibt es dort andere Meßfehler, welche die Präzision des Algorithmus beeinflussen und bewirken, daß die Probewerte, welche sich auf hohe Geschwindigkeiten beziehen, mehr wiegen. Das Zählen der Anzahl der Kilometerzähler-Impulse in der letzten Sekunde hat in der Tat die Präzision von 1, mehr oder weniger, abhängig von der Zeit, wann das Zählen "beendet" ist. Da im Fall von gering auflösenden Kilometerzählern ein Impuls mehreren Metern entsprechen kann, folgt, daß eine hohe Ungenauigkeit in der Geschwindigkeitsberechnung auftreten kann, wenn letztere in der Größenordnung von einigen wenigen m/s ist. Um zu vermeiden, daß die GPS- Geschwindigkeitsmessung durch Reflektionen beeinflußt wird, welche in der Lage sind, die Genauigkeit stark zu vermindern, wurde eine Steuerung der Beschleunigung zwischen zwei aufeinanderfolgenden GPS-Geschwindigkeits- Probewerten eingeführt. Die Beschleunigungssteuerung wird auch auf den Kilometerzähler-Geschwindigkeitswert, natürlich nach der ersten Berechnung des Skalierungsfaktors, angewandt.
• Das System benutzt ein Probewert-Zwischenspeicher-Register in einem Gleit- Komma-Real-Format und einen Probewert-Zähler. Die Zahlwerte des Skalierungsfaktors, die durch Teilen des GPS-Geschwindigkeitswertes durch die Anzahl der Impulse pro Sekunde berechnet werden, werden im Zwischenspeicher addiert, vorausgesetzt, daß die Beschleunigung zwischen zwei aufeinanderfolgenden GPS- Punkten nicht größer als M ist (zum Beispiel 0,25 m/s2) und der Wert des Geschwindigkeits-Probewertes größer ist als K (z. B. 12,5 m/s). Bevorzugt weist das System weiter eine Steuerung der Zeitkontinuität zwischen zwei GPS-Zählwerten auf, um das Aufnehmen von Probewerten bei der Anwesenheit eines intermittierenden Signals (welches schlechte Empfangsbedingungen anzeigt) zu vermeiden und auch um das Berechnen einer Durchschnittsbeschleunigung zu vermeiden, sondern eher einen auf Zeitintervallen in der Größenordnung einer Sekunde basierten Zahlwert. Ein GPS-Geschwindigkeitswert wird dann nur in Betracht gezogen, wenn er bei einem Zeitabstand gleich oder geringer als X (z. B. eine Sekunde) einem anderen Wert nachfolgt.
• Eine Beschleunigungssteuerung wird auch auf den Wert des Kilometerzählers angewandt, jedoch nur nach der ersten Berechnung des Kilometerzähler- Skalierungsfaktors, welcher ermöglicht, obwohl er grob ist, die Beschleunigung in m/s2 zu berechnen.
• Schließlich weist das System vorzugsweise einen Schutz der Anzahl der in der Berechnung des Skalierungsfaktors benutzten Kilometerzähler-Impulse auf. Da diese Anzahl in der oben bezeichneten Formel im Nenner ist, besteht, wenn wegen eines Verbindungsfehlers keine Impulse aufgezeichnet werden, das Risiko, durch null zu teilen, was einen mathematischen Fehler und das plötzliche Anwachsen des berechneten Skalierungsfaktors verursacht. Das Teilen wird daher nur ausgeführt, wenn die Anzahl der während der letzten Sekunde aufgezeichneten Impulse mit einem Bereich möglicher Änderung der Geschwindigkeit (z. B. von 0 bis 400 km/h) und mit den minimalen und maximalen Auflösungen der Kilometerzähler auf dem Markt vereinbar ist.
• In der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Bestimmung des Skalierungsfaktors des Kilometerzählers während einer ersten Übergangsstufe auf dem folgenden Weg ausgeführt.
• Der GPS-Beschleunigungs-Probewert wird K1 mal zum Zwischenspeicher addiert und der Zähler wird um K1 erhöht, wenn die Geschwindigkeit zwischen A (z. B. 12,5) und B (z. B. 17,5) m/s ist.
• Der Geschwindigkeits-Probewert wird K2 mal zum Zwischenspeicher addiert und der Zähler wird um K2 erhöht (größer als K1), wenn die Geschwindigkeit zwischen B (z. B. 17,5) und C (25,0) m/s ist.
• Der Geschwindigkeits-Probewert wird K3 mal zum Zwischenspeicher addiert und der Zähler wird um K3 erhöht (größer als K2), wenn die Geschwindigkeit größer als C (z. B. 25,0) m/s ist.
• Der Kilometerzähler-Skalierungsfaktor wird bestimmt durch Teilen des numerischen Wertes des Zwischenspeichers durch die Anzahl der im Zähler gespeicherten Probewerte. Ein Durchschnitt, welcher zunehmend genauer ist, wird erzielt, da er aus einer wachsenden Zahl von Probewerten erhalten wird.
• Um fehlende Daten als ein Ergebnis eines Fahrzeugstops zu vermeiden, werden die Inhalte der zwei Register (Zwischenspeicher und Zähler) und der Skalierungsfaktor periodisch in einem Permanentspeicher (EEPROM) gespeichert. Die Daten werden bei der ersten Berechnung gesichert und dann in Schritten von K4 (z. B. 20 nacheinander). Während der Konvergenzstufe werden daher K5 (z. B. 51) Speicherungen von Daten ausgeführt.
• Die Summierung endet am Ende der Übergangsstufe, wenn der Zähler einen Zählwert K6 (z. B. 1000) erreicht oder überschreitet; daher kann er entweder (K6 - 1 + K1) (z. B. 1000) oder (K6 - 1 + K2) (z. B. 1001) oder (K6 - 1 + K3) (z. B. 1002), abhängig vom Gewicht des letzten Probewertes, sein. Von diesem Augenblick an wird der Zähler nicht länger erhöht, wogegen bei jedem neuen verfügbaren Probewert 1/(K6 - 1 + K1...K2...K3) (z. B. 1/1000...1001...1002) von dessen Wert vom Zwischenspeicher subtrahiert wird und der Wert des neuen Probewertes addiert wird. Die Gewichte bleiben weiterhin gültig, so daß K1...K2...K3 / (K6 - 1 + K1...K2...K3) (z. B. 1...2...3 / 1000...1001...1002) subtrahiert wird, bevor der Probewert K1 oder K2 oder K3 mal addiert wird. Das System entsprechend der Erfindung ist daher in der Lage, kontinuierlich den Kilometerzähler- Skalierungsfaktor zu aktualisieren, sogar nach Erreichen eines stabilen Zustandes. Diese Änderungen können zum Beispiel durch das Ersetzen (oder die zunehmen de Abnutzung) von Reifen und den Gewichtsänderungen des Fahrzeugs verursacht werden. Unter stabilen Zuständen wird die Speicherung des neuen Skalierungsfaktors jedes Mal ausgeführt, wenn der berechnete Faktor von dem im EE- PROM gesicherten um mehr als einen K7 (z. B. 0,3) Prozentsatz abweicht.
• Das System entsprechend der Erfindung ist weiter in der Lage, auf plötzliche Änderungen im Kilometerzähler-Skalierungsfaktor zu reagieren. Da unter stabilen Bedingungen der Algorithmus einen Wert liefert, welcher das Mittel von 1000 Werten von berechneten Skalierungsfaktoren ist, ist er auch sehr langsam, um auf irgendeine Änderung des Kilometerzählertyps zu reagieren, z. B. wenn das Navigationssystem in ein anderes Motorfahrzeug eingesetzt wird. Aus diesem Grund ist das System für die Benutzung eines zweiten Zwischenspeichers und eines zweiten Zählers vorgesehen, auf welchen die gleichen auf den ersten Registern gemachten Prozesse kopiert werden, welche jedoch, im Gegensatz zu den letzteren, jedes Mal, wenn das System ausgeschaltet wird, und jedes Mal, wenn der zweite Zähler einen Wert K8 (z. B. 100) erreicht und überschreitet, gelöscht werden. Der Algorithmus auf den zweiten Registern ist daher immer in einer Konvergenzstufe derart, daß er in der Lage ist, viel schneller Werte zu erreichen, welche von denen der ersten Register verschieden sind. Von allen K8-Probewerten, die aufgenommen werden, wird die Differenz zwischen den von den zwei Registern erzielten Skalierungsfaktoren kontrolliert, und wenn diese Differenz einen K9 (z. B. 5) Prozentsatz überschreitet, wird der Inhalt der ersten Register gelöscht und durch den der zweiten Register ersetzt. Der geschätzte Wert kann sich daher also plötzlich ändern und sogar schnell an bedeutende Prozentsatzänderungen des Skalierungsfaktors des Instruments angepaßt werden.
• Im folgenden wird jetzt die Kalibrierungsmethode des Wendekreisels beschrieben.
• Im allgemeinen ist ein Gyroskop ein Relativrichtungssensor. Im Gegensatz zum Kreiselkompaß ist es nur in der Lage, Richtungsänderungen wahrzunehmen und nicht absolute Richtungen. Die Gyroskope sind in echte Gyroskope, welche am Ausgang ein dem Rotationswinkel proportionales Signal ausgeben, und Wendekreisel, welche am Ausgang ein zur Winkelgeschwindigkeit proportionales Signal ausgeben, aufgeteilt. Im folgenden wird auf einen Wendekreisel Bezug genommen, da das System entsprechend der Erfindung, hauptsächlich aus Kostengründen, vorzugsweise ein Gyroskop dieses Typs aufweist.
• Die in Motorfahrzeug-Navigationssystemen benutzten Wendekreisel sind im allgemeinen piezoelektrische Sensoren, welche auf dem Prinzip basieren, daß ein keramischer Stab, wenn er zum Schwingen veranlaßt wird, versucht, eine feste Orientierung seiner Schwingungsebene zu halten und Richtungsänderungen zu widerstehen, durch Erzeugen einer zum Ort selbst senkrechten Kraft. Auf dem Stab angebrachte Sensoren nehmen die durch die Drehung induzierten Bewegungen wahr und erzeugen ein Signal, dessen Größe direkt proportional zur Drehgeschwindigkeit ist. Durch zeitliche Integration des Winkelgeschwindigkeitssignals kann die Information über die Winkelposition wahrgenommen werden. Die Wendekreisel dieses Typs haben im allgemeinen eine lineare Rückmeldung auf Drehgeschwindigkeiten von 0 bis zu einigen wenigen Zehntel Graden pro Sekunde (gewöhnlich 70-80), mit einer Auflösung, die im wesentlichen durch die Bitzahl, auf welche das analoge Signal am Ausgang quantisiert ist, und das darauf überlagerte elektrische Rauschen, diktiert wird.
• Das Problem der Kalibrierung eines Wendekreisels liegt im wesentlichen in der Bestimmung von zwei Parametern: Offset- und Skalierungsfaktor.
• Mit Offsets wird die Differenz zwischen der Spannung am Ausgang des Wendekreisels in Ruhe (Winkelgeschwindigkeit beläuft sich auf 0º/s) und dem Span nungswert der Skalenmitte (gewöhnlich 2,5 V, wenn der Wendekreisel zwischen 0 und 5 Volt versorgt wird) gemeint.
• Mit Skalierungsfaktor ist das Verhältnis zwischen dem MV-Wert der Spannung am Ausgang des Wendekreisels (abgeleitet von den 2,5 V der Skalenmitte und des Offsets) und der Winkelgeschwindigkeit in Grad/Sekunde, angewandt auf den Wendekreisel selbst, gemeint, selbst wenn für Navigationszwecke das Entgegengesetzte interessanter ist (wieviele º/s entsprechen einem auf dem Instrument in mV gelesenen Wert).
• Die differentielle Natur des Signals am Ausgang des Wendekreisels macht die Offset-Berechnung kritisch. Ein nur ungefähr berechneter Offset führt einen Winkelgeschwindigkeitsfehler ein, welcher, wenn er integriert wird, einen mit der Zeit wachsenden Richtungsfehler bestimmt. Der Offset des Wendekreisels muß daher mit der maximal möglichen Präzision berechnet werden. In den meisten Fällen haben die Wendekreisel, zum größten Teil wegen Temperaturänderungen, vor allem in den ersten Minuten des Betriebs, sehr hohe Offset-Korrekturen. Es muß darauf hingewiesen werden, daß ein Fehler von nur 0,1º/s, wenn er über 10 Minuten integriert wird, einen Richtungsfehler von 60º verursacht. Fehler von 1º/s oder mehr verursachen Richtungskorrekturen, welche so schnell sind, so daß sie die Qualität der geschätzten Navigation sogar nur nach ein paar Sekunden beeinflussen.
• Das Problem der Bestimmung des Offsets ist zweifach, da es notwendig ist, den Offset sowohl mit der maximalen Präzision als auch mit der maximal möglichen Frequenz zu berechnen. Die Lösung dieses Problems kann relativ einfach sein, wenn die Berechnung mit dem Fahrzeug in Ruhe ausgeführt wird, wenn der Wendekreisel keiner Drehung unterworfen ist. Jedoch ist das System entsprechend der Erfindung in der Lage, die Offset-Bestimmung sogar während der normalen Navigation auszuführen, d. h. es kann eine dynamische Berechnung ausführen.
• Die statische Berechnung des Offsets kann ziemlich einfach ausgeführt werden, wenn das Motorfahrzeug in Ruhe ist. In diesem Fall kann das Signal am Ausgang des Wendekreisels wie folgt aufgeteilt werden:
• Vaus = Vreal (Ωein) + Voffset
• und somit wird die Komponente, welche von der realen Drehgeschwindigkeit am Eingang Ωein abhängt, von der reinen Offset-Komponente getrennt, welche unnütz für das Bestimmen der Drehungen ist. Der einfachste Weg, um den Offset zu berechnen, ist der, die Eingangs-Winkelgeschwindigkeit aufzuheben, somit die dynamische Komponente der Wendekreisel-Rückmeldung aufzuheben derart, daß
• Vaus = Voffset
• Die statische Berechnung des Offsets ist daher das reine Lesen der Daten am Ausgang des Wendekreisels, wenn das Navigationssystem in Ruhe ist, unter der Annahme, daß bei Abwesenheit von Kilometerzähler-Impulsen das Fahrzeug nicht in der Lage ist zu drehen.
• Tatsächlich ist eine gewisse Vorsicht notwendig, wenn man die Wendekreiseldaten als Offset annimmt, weil mit Kilometerzählern, welche eine geringe Auflösung haben, das Fahrzeug schon drehen könnte, obwohl der Kilometerzähler noch nicht irgendein Signal von Verschiebung ausgibt. Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, für den Wendekreisel Daten zu liefern, die nacheinander alle X1 (z. B. 200) ms während X2 (z. B. 4) Sekunden gelesen werden sollen, und wenn es wäh rend dieser ganzen Zeit keine Kilometerzähler-Impulse gibt, wird der in den mittleren X1 (z. B. 200) ms des Zeitintervalls genommene Wert als Offset angenommen. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, auf irgendwelche Kilometerzähler- Impulse zu warten, bevor dem Offset-Probewert, welcher genommen wird, Gültigkeit gegeben wird. Wenn Impulse vor dem Ende der X2 (z. B. 4) Sekunden erscheinen, werden alle genommenen Probewerte zurückgewiesen, und es wird weitere X2 (z. B. 4) Sekunden gewartet. Umgekehrt, wenn der Stop sich über mehr als X2 (z. B. 4) Sekunden erstreckt, wird der bei X2/2 (z. B. 2) Sekunden vor einer Bewegung des Fahrzeugs genommene Offset-Wert als gültig betrachtet.
• Wie schon angedeutet, hat die statische Berechnung den Vorteil von Einfachheit und hoher Genauigkeit, ist aber nicht ausreichend, um zu versichern, daß Offsetänderungen verfolgt werden, es sei denn, der Benutzer wird gezwungen, das Fahrzeug für eine Kalibrierung periodisch anzuhalten, was nicht vorgeschlagen werden kann.
• Daher existiert das Problem, den Offset während normaler Navigation zu berechnen.
• Wie schon am Anfang der vorliegenden Beschreibung angedeutet, ist die Hauptidee der Erfindung die, den GPS-Empfänger als eine Quelle absoluter Richtung, ähnlich einem Kreiselkompaß, auszunutzen und ausreichend genau, um ein Bestimmen der Offset-Komponente, welche im Signal am Ausgang des Wendekreisels vorliegt, zu ermöglichen.
• Es ist nicht unbedingt notwendig, daß der GPS-Empfänger die Richtungsinformation am Ausgang direkt liefert. Die Richtungsdaten können von den Geschwin digkeitskomponenten des Motorfahrzeugs unter einfacher Benutzung der Arctan- Funktion abgeleitet werden:
• Richtung (bezüglich Nord) = Arctan (Geschwindigkeit Ost)/(Geschwindigkeit Ost)
• wobei zu beachten ist, das Problem der Berechnung von Winkeln, welche einen Wert größer als 90º haben, geeignet zu lösen, und geeignete Schutzvorkehrungen gegen mathematischen Überlauf anzugeben, im Fall, daß der Nenner gegen null geht.
• Das Problem der Bestimmung der Bewegungsrichtung auf der Basis der Nord- Ost-Komponenten der GP5-Geschwindigkeit hat jedoch nur eine Lösung jenseits einer gegebenen Geschwindigkeit, welche vom Rauschen und den Störungen, welche den GPS-Daten überlagert sind, abhängt. Wenn man annimmt, daß der GPS-Geschwindigkeitswert in eine Rauschkomponente und eine Echtwert- Komponente getrennt werden kann, kann verstanden werden, wie die Bestimmung der Richtung verläßlicher ist, wenn die Rauschkomponente geringer ist und die Echtwert-Komponente höher ist.
• Entsprechend der Erfindung wird die Offset-Berechnung auf der Basis des Fehlers in der Richtung des Fahrzeugs in bezug auf dessen wahre Richtung ausgeführt, geteilt durch die Zeit, während welcher dieser Fehler angesammelt wurde. Die Information am Ausgang des Wendekreisels wird zeitlich integriert, beginnend bei einem Augenblick, bei welchem die absolute Richtung des Fahrzeugs exakt durch das GPS bestimmt ist. Die Integration des Signals vom Wendekreisel führt zur Bestimmung eines Fahrzeug-Drehwinkels. Dieser Drehwinkel kann in zwei Teile geteilt werden:
• Wendekreisel-Winkel (t) = wahrer Winkel (t) + α.Voffset.t,
• wobei α der Wendekreisel-Skalierungsfaktor und t die Zeit vom Anfang der Ansammlung der Integration des Signals am Ausgang des Wendekreisels ist. Da α und t bekannt sind, ist die einzige Unbekannte, die gelöst werden muß, um V- Offset korrekt zu berechnen, der wahre Drehwinkel des Fahrzeugs. Diese Messung wird ausgeführt auf der Basis der Differenz zwischen der Anfangs-GPS- Richtung, welche Anlaß zur Ansammlung gegeben hat, und der GPS-Richtung, welche nach einer gegebenen Zeit in Betracht genommen wird.
• Daher ist der Offset der folgende:
• Das Zeitintervall t, welches benutzt wird, läuft von einem Minimum von X3 (z. B. 30) Sekunden bis zu einem Maximum von X4 (z. B. 180) Sekunden. Der Minimalwert des Zeitintervalls wird durch den Fehler in der Berechnung der Richtung durch den GPS-Empfänger verursacht. Je größer der Fehler (z. B. 1-2º), welcher von dem GPS gemacht werden kann, ist, desto höher muß das minimale Zeitintervall sein, während welchem die Richtungsableitung beobachtet werden muß, um dessen Auswirkung auf die Offset-Berechnung zu limitieren.
• Hinsichtlich des maximalen Zeitintervall ist es notwendig, einige Bemerkungen zu machen. Theoretisch verbessert sich die Offset-Berechnung, wenn das Zeitintervall, während welchem die Beobachtung ausgeführt wird, länger ist, aber es werden besser einige Grenzen gesetzt, welche auf Vorsicht und Erfahrung zurück zuführen sind. Vor allem die Offset-Berechnung ist das Ergebnis eines Mittels während des gewählten Zeitintervalls, aus welchem Grunde sehr schnelles Ableiten kurze Zeitintervalle erfordert, wenn die Berechnung präzise sein muß (im Fall von piezoelektrischen Wendekreiseln kann der Offset während X4 Sekunden sogar einige Zehntel eines º/s variieren).
• Zweitens, wenn die Offset-Spannung relevant wird, kann das Scheindrehen von sogar mehreren zehn Grad in wenigen Minuten bewirken, daß dort das Risiko besteht, daß die Ansammlung so groß wird, was die Unbestimmtheit wegen der 360º-Periode der Richtung zur Folge hat.
• Die erste Kontrolle wird über die Präzision der GPS-Richtung gemacht, was von größter Wichtigkeit für das Ausführen einer genauen Berechnung des Offsets ist.
• Eine GPS-Richtung wird als gut nur bei Geschwindigkeiten eines Werts größer als K1 (z. B. 9) m/s betrachtet und nur, wenn die Änderungen des Werts zwischen zwei aufeinanderfolgenden Richtungen geringer sind als K2 (z. B. 1) Grad, für mehr als K3 (z. B. 3) aufeinanderfolgende Zeiten.
• Ein Limit wurde auch für die Summe der Änderungen eingeführt, das geringer als K4 (z. B. 2) Grad sein muß, um zu vermeiden, daß das System in einer Kurve aktiviert werden kann, selbst bei sehr niedriger Geschwindigkeit. Die anderen Kontrollen, welche eingeführt wurden, sind auf die Beobachtung zurückzuführen, daß der Algorithmus beim Vorhandensein eines Offsets in der Größenordnung einiger Grad pro Sekunde kritisch ist. Mit solch einem Offset könnte der Fall auftreten, daß die Ansammlung des Wendekreiselwinkels in der Größenordnung einer kompletten Umdrehung, sogar innerhalb einiger weniger zehn Sekunden, ist. In diesem Fall ist der einfache Unterschied zwischen zwei GPS-Richtungen nicht aus reichend, um zu unterscheiden, ob die Ansammlung ganz auf den Offset zurückzuführen ist, oder ob das Fahrzeug wirklich eine komplette Drehung um sich selbst gemacht hat. Aus diesem Grund wurde es als ratsam erachtet, der Ansammlung des durch den Wendekreisel integrierten Winkels ein Limit zu setzen. Dieses Limit ist bei X5 (z. B. 135) Grad festgesetzt. Ein Limit wurde auch der vom GPS gemessenen wahren Winkeländerung gesetzt. Dieses Limit wurde bei X6 (z. B. 45) Grad festgesetzt. Die Kombination der vom GPS kommenden Daten und der Daten, welche durch die Wendekreiselintegration angesammelt werden, ermöglicht den Sinn der Richtungsableitung und daher das Vorzeichen des Offsets unzweideutig zu bestimmen. Das Limit der Ansammlung des integrierten Winkels jedoch verhindert das Berechnen hoher Offset-Spannungen. Da in diesen Situationen eine solche Berechnung absolut notwendig ist, führt das System entsprechend der Erfindung eine differentielle Berechnung des Offsets aus. Mit differentieller Berechnung ist die Berechnung der Änderungen des Offsets in bezug auf den letzten berechneten Wert gemeint. Unter der Voraussetzung, den Offset mit einer ausreichenden Frequenz zu berechnen, soll dies sicherstellen, daß relativ geringe numerische Werte beteiligt sind.
• Der oben beschriebene Algorithmus für die dynamische Berechnung ist in der Lage, zwischen zwei Berechnungen einer GPS-Richtung, welche voneinander um eine Zeit zwischen X3 (z. B. 30) und X4 (z. B. 180) Sekunden auseinander liegen, zu operieren, vorausgesetzt, daß während dieser Zeit das Fahrzeug nicht um X6 (z. B. 45) Grad gedreht hat und die Ansammlung nicht die Schwelle von X7 (z. B. 135) Grad überschritten hat. Diese Einschränkungen limitieren die Offset- Berechnungszahl zu sehr, besonders auf Hügel- oder Bergstraßen, die sich schlängeln und wo der GPS-Empfang nicht häufig ist. Daher zeichnet das System entsprechend der Erfindung, um die Leistungen zu verbessern, einige GPS- Richtungsdaten, die entsprechenden Ansammlungen von integrierten Winkeln und die Ansammlungszeit in einer Matrix auf. Eine Matrix wird mit X8 (z. B. 5) Datenzeilen erhalten. Alle X9 (z. B. 15) Sekunden wird das Schreiben einer Zeile ermöglicht und es werden alle kreuzweisen Überprüfungen gemacht, um zu sehen, daß in der Matrix mindestens ein Zahlenwert übereinstimmend mit all den Überprüfungen des Algorithmus ist, der dazu dienen kann, dynamisch den Offset zu berechnen. Unter all den Daten werden die in der längeren Zeit gewählt. Auf diese Weise wird die Möglichkeit erhöht, einige nützliche Daten für eine Berechnung zu haben und die Frequenz der Berechnungen wird verbessert. Unter stabilen Bedingungen kann eine Berechnung alle X9 (z. B. 15) Sekunden nach der Übergangsperiode der ersten X3 (z. B. 30) Sekunden, welche notwendig sind, um mindestens zwei Zahlenwerte in der Tabelle zu haben, stattfinden. Die Matrix wird gelöscht, wenn ein statischer Offset berechnet ist oder wenn die Maximalzeit von X4 Sekunden abgelaufen ist.
• Der zweite charakteristische Parameter eines Wendekreisels ist der Skalierungsfaktor. Das Problem seiner Berechnung ist viel weniger kritisch als das des Offset. Vor allem der Änderungsbereich des Skalierungsfaktors in bezug auf den vom Hersteller angegebenen Nominalwert ist viel weniger weit in Bezug auf den des Offsets. Zweitens ist der Effekt einer falschen Berechnung dieses Parameters weniger gefährlich als der des Offset. Es ist ausreichend zu betrachten, daß ein 3%- Fehler in der Berechnung des Skalierungsfaktors Richtungsfehler von nur 2,7º nach 90º-Kurven, welche in Städten sehr häufig sind, verursacht. Die Ungenauigkeit der Rechnung beginnt nach 180º-Drehungen oder Gefällen auf Autobahnen (oder in einer Garage) deutlich Gewicht zu haben. Auf jeden Fall ist es wahr, daß die Temperaturänderungen und das Alter des Sensors zu ausreichend deutlichen Änderungen des Skalierungsfaktors führen können. Es ist möglich, den Skalierungsfaktor auf der Basis der GPS-Richtungsdaten zu berechnen. Die Grundidee ist dieselbe, welche benutzt wird, um den Offset zu berechnen, mit dem Unterschied, daß man in diesem Fall versucht, den Offset-Beitrag minimal zu halten und den, der auf die wahren Drehungen des Fahrzeugs zurückzuführen ist, maximal zu halten. In der Praxis muß der Wert der wahren Winkeländerung (berechnet auf der Basis der GPS-Daten) durch die Ansammlung des vom Wendekreisel integrierten Winkels geteilt werden.
• So:
• Wahrer Winkel (t) = α.Vaus.t
• wobei Vaus.t den durch den Wendekreisel integrierten Winkel darstellt und α der Skalierungsfaktor ist. Man erhält:
• Auch für diese Berechnung gelten die Überprüfungen der Genauigkeit des GPS- Richtungswertes, welche für die in der dynamischen Offset-Berechnung benutzten Algorithmus beschrieben wurden. Im Gegensatz zur Offset-Berechnung wird statt dessen die Skalierungsfaktorberechnung negativ durch die Zeitdauer der Berechnung beeinflußt. Das ist der Hauptgrund, warum das System entsprechend der Erfindung ein maximales Zeitlimit von T1 (z. B. 20) Sekunden, innerhalb welchem die Messung durchgeführt werden muß, vorgibt. Wenn die Zeit zu lang wird, kann der Einfluß eines nicht korrekt berechneten Offsets spürbar werden und eine Verschlechterung in der Genauigkeit der Skalierungsfaktorberechnung verursachen. Die Trennung der zwei Parameter ist eine der Hauptbedingungen, eine gute Berechnung dieses letzteren Algorithmus auszuführen. Der erste Weg, um diese Parameter zu trennen, ist, so viel wie möglich die Berechnungszeit zu reduzieren, aber es ist ratsam, eine minimale Drehschwelle von W1 (z. B. 90) Grad vorzugeben, um den Effekt von Fehlern bei der GPS-Berechnung und den Offset zu reduzieren.
• Aus der vorhergehenden Beschreibung ist klar ersichtlich, daß das System entsprechend der Erfindung eine automatische Kalibrierung der Sensoren an Bord des Motorfahrzeugs (Kilometerzähler und Wendekreisel) während der Navigation auf der Basis der vom GPS-Empfänger gelieferten Daten auszuführen, ermöglicht.

Claims (4)

1. Motorfahrzeug-Navigationssystem, aufweisend:

- eine Computereinrichtung (2) an Bord des Motorfahrzeugs,

- eine Relatiwerschiebungs- und Relativrichtungs-Sensoreinrichtung (6), plaziert an Bord des Motorfahrzeugs, um die Computereinrichtung (2) mit nützlichen Daten zu versorgen, zum Bestimmen der Position und der Richtung des Motorfahrzeugs durch die Computereinrichtung (2),

- eine Informationsunterstützungseinrichtung (4) der Computereinrichtung zugeordnet, welche eine Datenbank von Karten eines Geländes, durch welches das Fahrzeug sich bewegen soll, enthält, wobei die Computereinrichtung angepaßt ist, das Lokalisieren der Motorfahrzeugposition zu verfeinern, das auf der Basis der von der Sensoreinrichtung kommenden Daten ausgeführt wird, durch eine Vergleichsoperation zwischen der dadurch ermittelten Position und der in der Datenbank enthaltenen Karte des Geländes,

- einen GPS-Empfänger (S), ebenfalls an Bord des Motorfahrzeugs, um die Computereinrichtung (2) mit Daten zu versorgen, die für die absolute Position und die absolute Geschwindigkeit (in bezug auf Wert und Richtung) des Motorfahrzeugs bezeichnend sind, und

- eine Benutzer-Schnittstelleneinrichtung (7), um den Benutzer mit optischen und/oder akustischen Signalen zur Bewegungsunterstüt zung zu versorgen, welche durch die Computereinrichtung (2) auf der Basis der von der Sensoreinrichtung und dem GPS-Empfänger kommenden Informationen und auf der Basis der in der Datenbank enthaltenen Informationen verarbeitet werden,

wobei die Computereinrichtung vorgesehen ist, während der Fahrzeugbewegung die Daten von der Sensoreinrichtung mit den Daten des GPS-. Empfängers zu vergleichen und die Sensoreinrichtung auf der Basis der Ergebnisse dieses Vergleichs automatisch zu kalibrieren,

wobei die Relativverschiebungs-Sensoreinrichtung einen Kilometerzähler aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Computereinrichtung fähig ist, den Skalierungsfaktor des Kilometerzählers zu bestimmen, durch Vergleichen der vom GPS-Empfänger (S) ermittelten Geschwindigkeit mit der während desselben Zeitintervalls vom Kilometerzähler (6) kommenden Anzahl von Impulsen,

daß bei der Ermittlung des Kilometerzähler-Skalierungsfaktors die GPS- Geschwindigkeitsdaten nur benutzt werden, wenn sie einen Wert größer als einen vorbestimmten Schwellenwert (K) haben, und

daß die Werte des Kilometerzähler-Skalierungsfaktors, der zu verschiedenen Zeitpunkten, durch Teilen der vom GPS-Empfänger gelieferten Geschwindigkeit durch die Anzahl von Impulsen pro Sekunde vom Kilometerzähler, berechnet wird, in einem Akkumulator addiert werden, um das Berechnen eines Mittelwertes zu ermöglichen, vorausgesetzt daß die Beschleunigung zwischen zwei aufeinanderfolgenden GPS-Erfassungen nicht größer als ein vorbestimmter Schwellenwert (M) ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativrichtungs-Sensoreinrichtung durch einen Wendekreisel gebildet wird, welcher einen Offset und einen Skalierungsfaktor hat,

daß die Computereinrichtung angepaßt ist, eine dynamische Ermittlung sowohl des Offsets als auch des Skalierungsfaktors des Wendekreisels während der Motorfahrzeug-Bewegung auf der Basis der GPS-Daten auszuführen,

daß die dynamische Ermittlung des Offsets des Wendekreisels nur bei Geschwindigkeiten ausgeführt wird, die einen größeren Wert als einen Schwellenwert (K1) haben und nur wenn die Wertänderungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Richtungen, die vom GPS-Empfänger (7) geliefert werden, geringer als ein vorbestimmter Wert (K2) sind, für mindestens eine vorbestimmte Zahl (K3) von aufeinanderfolgenden Zeiten, und

daß die dynamische Ermittlung des Wendekreisel-Offsets nur ausgeführt wird, vorausgesetzt daß die Summe der Änderungen geringer als ein vorbestimmter Wert (K4) ist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Ermittlung des Wendekreisel-Offsets nur ausgeführt wird, wenn die Richtungsänderung, die durch Integration der Wendekreisel-Daten erhalten wird, geringer ist als ein vorbestimmter Maximalwert (X5).

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Ermittlung des Wendekreisel-Offsets nur ausgeführt wird, wenn die vom GPS gemessene Winkeländerung geringer ist als ein vorbestimmter Maximalwert (X).