The vehicle data, among other things, measure the speed of a vehicle traveling at a wheel device

本発明は車両データの測定装置、とりわけ、ホイールで走行する車両の速度の測定装置に関する。

多くのケースにおいて、車両の速度を知ることは重要である。 車両運転者はある特定の運転行動をしたときに予想される車両の反応に関して手掛かりを得るために速度情報を必要とする。 当然ながら、運転者は決められた速度制限を遵守しなければならないことにも注意しなければならない。 追越し時に生じうる危険を評価するためにも、自車の現在速度をできるだけ正確に知ることが望ましい。 この速度情報から、他車またはその他の運動体の速度を推定することもできる。

例えば自動車などの車両の路上での速度は普通は車軸の回転速度から求められる。 機械的変換、もっと最近では電子的変換によって、フロントアクスルまたはフロントアクスルに接続された部材の回転数から走破した距離、特にキロメートル単位で表した距離と、車両速度とを計算し、運転者に表示する、いわゆるスピードメータシャフトが周知である。 これらの測定はある程度までは正確であり、交通の安全性を高めるためにも表示の正確度が定められている。

車両速度を測定する従来の方法のほとんどは車軸の回転運動を前提としている。 したがって、従来の方法はシャーシまたは回転しない他の車両部材に対する車軸の回転速度を測定する。 ただし、自動車の場合、測定の精度は比較的高いにもかかわらず、正確度は低い。 というのも、車軸の回転速度の測定と、それに続く自動車内での表示のための評価は、ホイールの直径が固定した値であることを前提としなければならず、当然ながら車軸とホイールとの間ならびにホイールと路面との間のスリップも無視しなければならないからである。

自転車の場合については、車両の前輪自体に電磁センサ、静電センサまたは類似のセンサを取り付けて、相応する自転車タコメータをできるだけ容易に着脱できるようにすることが、DE 100 37 377 A1で提案されている。 また、センサと一緒に計算装置を自転車のスポークに取り付けることも提案されている。 しかし、測定の仕方に関しては、それ以上の記述はなされていない。

DE 10 2005 014 500 A1からは、ホイールの動きの異常を検出するためにホイールの振動を測定するセンサシステムが公知である。

使用されているほとんどの測定装置は車両の隠れた部分に手が届かないと取り付けが難しいという欠点を有している。 最近では、例えば車両速度のような情報を車両内で伝送するために、いわゆるバスシステムも車両内で使用される。 通常、これらのバスシステムには、安全上の理由から、測定装置を接続してはならない。 そのうえ、様々なタイプの車両のほとんどで、適応が必要である。 さらに、測定装置は各車両ごとにパラメータ調整と校正が行われなければならない。 というのも、この方法は絶対的な測定値を供給するわけではなく、例えば１分あたりのホイール回転数のような速度に比例した値を処理するだけだからである。

また基本的に、加速度の積分から速度を求めることは周知である。 この方法は、既知の速度ｖ ₀を前提として、次の式に従って速度ｖ（ｔ）を導くのに適している。

₀はつねに調整されなければならない。 なぜならば、積分が進むにつれて測定値のドリフトが生じ、短時間の後には既に正確な値を得ることができなくなるからである。

例えば、交通監視の際の測定の場合には、車両の速度測定の正確度に対して比較的高い要求が課される。 例えば、先行車両の速度は後を追うことにより走行中の車両から求めることができる。 この場合、相対測定が尚も有用で決定的であるためには、自車速度に関する特に精度の高い情報が必要なことは言うまでもない。

それゆえにこれもまた問題である。 なぜならば、従来どおり後続車両のタコメータに表示される速度は、先行車両の観測データと結び付けられるためには、さらに何らかの適切な形式で読み取られるか、記録されなければならないからである。 このような読み取りは、当然ながら後続車両の安全関連領域に介入してはならないので、技術的に難しい。

US 6,466,887 B1からは、車両レーダーの回転軸の近傍で加速度を記録し、この加速度から車両速度を求める２つの重量測定式の回転センサの組み合わせが公知である。

EP 0 517 082 A2には、車両のホイール回転数を監視することにより、改竄なしにホイール回転数を検出する方法および装置が記載されている。 この場合、重力加速度および／または遠心加速度に相当する加速度値が求められる。

それでも、車両速度を高い精度で測定できるようにするという要望は依然として存在する。 さらには、他の車両データも測定し、例えばホイールの直径に関するデータを走行中に自動的に求めるという要望も存在する。

したがって、本発明の課題は、車両データを測定するための測定装置および方法において、ホイールで走行する車両の速度のできるだけ精度の高い測定と、走行中の車両ホイールの直径の測定を可能にすることである。

この課題は、車両データを、特にホイールで走行する車両の速度を、測定するための測定装置であって、第１の測定センサ自体に作用する加速度を測定する第１の測定センサと、第２の測定センサ自体に作用する加速度を測定する第２の測定センサを有し、前記両センサとも同一のホイールに取り付けられており、当該ホイールとともに回転し、前記両センサとも、前記ホイールの軸に対してそれぞれ垂直に作用し、互いに対してある角度をなす加速度を測定するように配置されており、さらに前記両センサの測定値を受け取る評価装置を有し、前記評価装置は、前記両センサの測定値から前記ホイールの車両走行方向における加速度を求め、当該加速度から現在の車両速度を求めるように構成および接続されており、さらに前記評価装置は、同じ前記測定値から回転周波数の変化を介して前記ホイールの角加速度も求め、当該評価値を前記ホイールの走行方向における加速度と比較することにより、前記ホイールの直径を絶対的に求めるように構成および接続されていることを特徴とする測定装置により解決される。

また、評価装置は、このようにして求められたホイールの絶対的な直径と両センサの測定値とから絶対的な車両速度を求めるように構成および接続されていることが好ましい。

こうして、本発明によれば、パラメータ調整の必要がなく、簡単に車両に後付けすることのできる高精度の絶対測度測定装置が得られる。

上記課題はまた、車両データを、特にホイールで走行する車両の速度を、測定するための方法において、前記車両が運動し、ホイールが回転している間に、当該ホイールとともに回転する点へ向かって当該ホイールの軸に対して垂直に作用する第１の加速度を測定し、前記車両が運動し、ホイールが回転している間に、当該ホイールとともに回転する点へ向かって当該ホイールの軸に対して垂直に作用する第２の加速度を測定し、ただし、第２の加速度はある角度で第１の加速度に作用するものであり、測定された２つの加速度の測定値を評価装置に供給し、前記測定値を互いに結合し、前記車両のホイールの軸の走行方向における加速度を求め、求められた加速度から現在の車両速度を求め、同じ前記測定値から回転周波数の変化を介して前記ホイールの角加速度も求め、当該評価値を前記ホイールの軸の走行方向における加速度と比較することにより、前記ホイールの直径を絶対的に求めるようにすることで解決される。

この方法において、このようにして求められたホイールの直径と両センサの測定値とから絶対的な車両速度を求めるようにすると好ましい。

本発明はこのような脈絡では今までめったに利用されることのなかった効果を利用している。 すなわち、走行方向における加速度が振動信号の振幅を介して求められるのに加えて、角加速度も振動信号の周波数を介して求められる。 これにより、好ましくは、本発明により得られる測定信号の２つの典型的な特性が評価される。

本発明は測定を車軸からホイール自体に移す。 この測定では、２つのセンサが使用され、ホイールの回転中にこれらのセンサに作用する加速度が測定される。 この加速度とは、まず第１には車両加速度であり、その他には下に向かって作用する重力加速度である。 ホイールが回転運動をすれば、両センサは正弦波状の変化を検知する。 というのも、センサ自体も回転しているので、センサの視点からは重力は正弦波状に変化するからである。 この２つの正弦波状の振動には車両加速度が重ね合わされている。 しかし、車両加速度は、両センサの配置により位相がシフトした上記信号の正弦波状の変化を何ら実質的には変化させない。

つまり、下記の２つの測定値を連続信号として供給する２つの正弦振動が生じる。
a _x (t) = gcos(ωt) - asin(ωt)
a _y (t) = gsin(ωt) + acos(ωt)
これら２つの式ないし信号を平方し、そのようにして得られた式を加算すれば、振動に依存する成分がすべて消え、次の式が得られる。
a _x ² + a _y ² = g ² + a ²
重力加速度ｇの値は既知なので、任意の時点における両センサの測定値ないし信号から、走行方向におけるホイールの加速度を求めることができる。

加速度センサの測定値は重力加速度を介して校正される。 つまり、車両加速度ａ＝０ならば、両センサに対する振動の振幅を介してｇに対する測定値を求めることができ、これによってセンサの測定値を校正することができる。 速度ｖ ₀ ＝ｃｏｎｓｔ． であることは、振動の周期Ｔが変化しないことから確認される。

したがって、振動の周期Ｔは振動の角速度ωに対してＴ＝１／ωという関係に立つことになる。 このことから、ホイールの前進運動の平均速度は自動的にｖ＝２πＲωとなる。 ここで、Ｒはホイールの半径である。

好適な実施形態では、Ｒも求めることができるように、以下の方法が用いられる。
次の式が成り立つ。
Ｖ＝２πＲω
この式を時間離散的に微分すれば、つまり、期間Ｔにおいてホイール回転中の変化を考察すれば、

を得る。 ある１回転のΔωは周期ＴをΔｔだけ延長または短縮することで直接計算することができるので、Δω＝１／Δｔが成り立つ。 よって、半径は

となる。 つまり、半径は周期の長さ、１周期中の周期の長さの変化、および１周期中の加速度の平均値から求めることができる。 これらの値はすべて絶対的な値として知られているので、絶対的な半径を求めることができ、もちろん車両速度も求めることができる。 ２つのセンサで測定すれば、ホイールの１回転につき４つのゼロ交差があるので、ホイールが１／４回転する間の変化も処理に使用することができる。 しかし、このためにこの方法および式が変化することはない。 ただ１／４回転中に生じる値を用いるだけでよく、これによって測定の時間分解能が向上する。

つまり、半径を求めるために、振動周波数の変化が走行方向の加速度の平均値と関係づけられ、このことからホイール直径が求められる。 ホイール直径が急激に変化することはありえないと仮定するならば、測定の正確度の改善と妥当性検査のために、半径をより頻繁に求めてもよい。

このようにして半径を求めれば、式

₀が得られる。 そして、このデータ点ｖ

₀から、以下の式に従い、任意の時点における対地速度が得られる。

また、フィルタを設け、このフィルタにより２つのセンサの測定値をフィルタリングすることで、不所望な妨害信号を除去することが好ましい。 妨害信号は例えばホイール振動により生じる。

測定値は後続の処理のためにディジタル化され、マイクロコントローラに渡される。 信号のフィルタリングは処理のアナログ側で行ってもよいし、ディジタル側で行ってもよい。

本発明を用いれば、従来には考慮しえなかった更なる可能性も生まれる。 例えば、評価ユニットないしマイクロコントローラが上記の方法でタイヤ直径を何度も求め、それを目標値と比較し、この比較から比較的容易に偏差を確認するようにすることができる。 なお、この偏差はタイヤ圧が不十分であることに起因することもあるが、タイヤが所定の状態に達するまで摩耗したことを推測させるものでもある。 このようにして、測定値から非常に簡単に車両運転者に対して警告を発することができる。

さらに、システムが自己校正すると有利である。 つまり、その場合、重力加速度ｇの値は一定の時間基準としてだけでなくシステムのゲージとしても用いられる。 加速度ａ＝０ならば、２つのセンサに作用するのは重力加速度ｇだけなので、校正が行われる。 求められた絶対的な速度信号は相応に校正に使用することができる。

２つのセンサは好ましくは統合された１つの電源により駆動される。

上記センサは、以前に上述のようにして求めたＲの現在値に基づいて、角加速度とホイール加速度ａとの比を比較することで、スリップセンサとして利用することもできる。 ここで、既知のＲに偏差があれば、それはスリップに起因するものであるから、以前からの校正でもこのスリップを絶対的に求めることができる。 同様に、絶対的な対地車両速度を求めることも可能である。

測定装置は車両を測位するＧＰＳシステムを拡張するために使用することができる。 例えばＧＰＳ受信が制限されていても、絶対的な車両速度を求めることができれば、測位は可能である。

上記センサは、既知のホイール周囲長と測定された回転回数とから、ある所定の時点以降の走破距離を求めることで、距離センサとして利用することもできる。

測定装置は加速度ａも測定するので、非常に強いブレーキはどれも記録する。 これは、例えば好ましい実施形態において、ビデオ記録のトリガとしてビデオシステムと組み合わせて用いることができる。 これに代わってまたはこれに加えて、事故後でも、事故データメモリ内で事故検出ができるようにしてもよい。 このために、測定値を保持するメモリがさらに設けられる。 事故後にセンサから最新の現在値を取得するために、そのつど最新の現在値を記憶するようにしてもよいだろう。

電源は例えば電池から成るものとしてよい。 しかし、ホイール運動によるメカニズムを介して充電される二次電池も考えられる。 二次電池は太陽電池によっても充電された状態に保つことができる。 また、外部からの誘導により電流を供給することも考えられる。

また、測定装置のセンサに電流節約モードを設けることも可能である。 その場合、センサは速度が決められた限界値を超えないと連続的な測定を行わない。

さらに、センサがホイールに正しく取り付けられているか否かを、つまり、ホイールの中心に取り付けられているか否かを妥当性検査を介して自ら確かめることができるようにしてもよい。 また、センサがこれを記録することにより、実行された測定を後で再検査できるようにしてもよい。

測定装置の２つのセンサをホイールの中心に配置することで、すでに上に示した式から明らかなように、信号を非常に簡単に評価することができる。 しかし、センサをホイールの中心以外に距離をとって固定することが構造上またはその他の理由から有利である場合には、センサをそのように配置することも基本的には考えられる。 ただし、その場合、絶対速度と先行値の計算はより複雑になる。 そのような計算では、遠心力に影響される加速度をさらに考慮しなければならない。

また、２つより多くの加速度センサを用いた測定装置も考えられる。 これは角速度および個々のデータの分解能を高め、ひいては測定装置全体の正確度を改善する。 しかし、当然ながら、評価はそれによって複雑になる。

センサの信号の測定値は様々な仕方で、例えば無線や光誘導によりワイヤレスで、場合によっては有線で例えば滑り接触を介して、ホイールから車両へまたは例えば定置受信器へと伝送することができる。

データはプロトコルを介して伝送され、その際に２つのセンサが認証されることもあるので、測定システムにおいてこれら２つのセンサを後から交換することはできない。 ２つのセンサが外部から制御されるように、プロトコルを双方向に実行してもよい。 また、複数のセンサを同じ無線ネットワーク内で並列して動作させ、一意にアドレス可能であるようにしてもよい。

以下では、図面に基づき、本発明の実施例を詳しく説明する。

図１は、車両ホイールと本発明の構成の一部の概略図を示しており、
図２は、車両速度Ｖが一定の場合に本発明の装置により記録される信号変化を示しており、
図３は、車両速度が変化する場合に生じる別の信号変化を示しており、
図４は、本発明の構成の概略図を示しており、
図５は、評価および自己校正の流れ図を示している。

本発明の測定装置を実施例で説明する。 この実施例では、その他の部分が図示されていない車両のホイール５が車道７上を走る。

ホイール５は半径Ｒを有している。 ホイール５は、図示された実施例では、図平面に垂直な軸を中心として角速度ωで右へと回転する。 これにより、ホイール５の軸が動き、図示されていない車両も速度ｖで同様に右へと動く。

車両はホイール５ごと重力によって車道７上に保たれる。 つまり、重力加速度ｇは車道７に対して垂直下向きに作用することが示唆されている。

ホイール５の中心には２つのセンサ１０および２０がある。 ２つのセンサ１０および２０はそれぞれ加速度センサであり、これらのセンサに所定の方向で作用する加速度を測定する。 ２つのセンサ１０および２０はホイール５とともに回転するので、ホイール５の回転が所定の速度ｖで行われるならば、これらセンサは重力加速度を正弦振動として感知する。

図２には、この信号変化が図示されている。 両センサの測定値は上に向かってプロットされており、それに対して時間ｔは右に向かってプロットされている。

同一ではあるが、９０°ないしπ／２だけずれた２つの振動が＋ｇと−ｇの間で変動しているのが見られる。

周期Ｔは角速度ωに対してＴ＝１／ωの関係にある。 したがって、ホイールの速度はｖ＝２πＲωである。 走行方向の加速度ａも同様に角加速度から計算される。 しかし、その場合、ホイール５の半径に依存することになる。

既に上で述べたように、角速度ωが一定でない場合にも、２つの個々のセンサの測定値について次式が成り立つ。
a _x (t) = gcos(ωt) - asin(ωt)
a _y (t) = gsin(ωt) + acos(ωt)
これら２つの式を平方して加算すれば、二項定理により、振動に依存するすべての成分が消え、走行方向における加速度が、直接またはホイール５の半径Ｒもしくは角速度ωに依存せずに、
a _x ² + a _y ² = g ² + a ²
として得られる。 速度が変化する場合には、基本的に、図３に示されているようなセンサ信号の変化が生じる。 なお、図３では、図２と同様の表示方式が選択されている。

本発明による測定装置の実際的な構造は図４に示されている。 図４は純粋に概略的に表現されており、センサ１０および２０の測定値がそれぞれフィルタ１１ないし２１に転送され、フィルタリングされた測定値としてアナログディジタル変換器１２ないし２２へと導かれることを示している。

２つの変換器１２および２２の出力は評価ユニット３０内のマイクロコントローラ３１に供給される。 評価ユニット３０はさらに時間基準（ｆ＝一定）を考慮する。 さらに、図によれば、データは無線インタフェース３３を介してアンテナ３４へと放射される。 これは評価ユニット３０もホイール５に取り付けた実施形態である。

また、電源３５も設けられている。

図５には、評価の考えられる流れがまた概略的に示されている。 ここでは、場合により行われる校正の流れも考慮されている。

車両ホイールと本発明の構成の一部の概略図を示す。

車両速度Ｖが一定の場合に本発明の装置により記録される信号変化を示す。

車両速度が変化する場合に生じる別の信号変化を示す。

本発明の構成の概略図を示す。

評価および自己校正の流れ図を示す。

符号の説明

ａ 車両加速度

_x第１のセンサの加速度信号

a

_y第２のセンサの加速度信号 ｇ 重力加速度 Ｖ 車両速度 Ｒ ホイール直径 Ｔ 測定された正弦振動の周期 Δｔ ２つの連続する周期の間の時間差 ω 角速度 Δω 離散期間における角速度の変化 ΔＶ 離散期間における車両速度の変化 ｖ（ｔ） 時点ｔにおける可変の車両速度 ｖ

₀瞬時速度 ｔ 時間 ５ ホイール ７ 車道 １０ センサ １１ フィルタ １２ 変換器 ２０ センサ ２１ フィルタ ２２ 変換器 ３０ 評価ユニット ３１ マイクロコントローラ ３３ 無線インタフェース ３４ アンテナ ３５ 電源