Verfahren zur Ermittlung der Fahrtrichtung eines Fahrzeuges mit elektronischen Kompaß

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung der Fahrzeugr-ichtung eines Fahrzeuges mit einem elektronischen Kompaß nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einem bekannten Navigationsapparat (DE-PS 27 54 888) wird die Fahrrichtung eines Fahrzeugs mit einem Zwei-Achsen- Magnetometer ermittelt, dessen Ausgangssignale zur Kompensation von magnetischen Störfeldern im Fahrzeug einer Korrektureinheit zugeführt werden, durch die eine Nullpunktverschiebung der Ausgangssignale s.owie eine proportionale Veränderung eines der Ausgangssignale vorgenommen wird. Bei dieser Lösung geht man davon aus, daß im Fahrzeug ein Störfeld mit einem festen Vektor vorhanden ist, der mit einem Erdfeld überlagert ist, welches durch die Karosserie des Kraftfahrzeuges je nach Ausrichtung des Fahrzeuges mehr oder weniger abgeschirmt wird. Durch die Nullpunktverschiebung wird dabei der Störfeldvektor berücksichtigt und durch die proportionale Veränderung eines der beiden Magnetometersignale soll die Auswirkung der Fahrzeugkarosserie auf das Erdfeld ausgeglichen werden. Danach ergibt sich für die Meßwerte des Magnetometers auf seiner X- und Y-Achse durch Drehen des Fahrzeuges eine Ortskurve, deren Mittelpunkt mit dem Vektor des Störfeldes aus dem Achsenkreuz verschoben ist und die durch die proportionale Veränderung der Signale auf einer Achse eine Ellipse bildet, deren Achsen parallel zu den Meßachsen verlaufen. Durch die proportionale Veränderung des einen Ausgangssignales soll die Ellipse zu einem Kreis umgeformt und durch die Nullpunktverschiebung soll der Kreis ins Achsenkreuz verlegt werden, was durch eine Kontrollstufe dadurch überprüft wird, daß die so korrigierten Signale jeweils zum Quadrat erhoben und addiert einen konstanten Wert bilden müssen (Kreisgleichung).

Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist, daß die Korrektur der vom. Magnetometer gemessenen Werte in einer analogen Rechenschaltung durchgeführt wird, was nach der bisherigen Technologie zu ungenau ist. Außerdem ist nicht bekannt, auf welche Weise die Korrekturgrößen ermittelt werden. Da eine Kontrollstufe benötigt wird, ist vielmehr davon auszugehen, daß die Korrekturgrößen durch Tastversuche ermittelt werden müssen, was äußerst umständlich und fehlerhaft ist. Außerdem sind auf diese Weise nur zeitlich konstant e Stδrfelder zu berücks icht igen . Ein weit erer wesentlicher Nachteil des bekannten Verfahrens besteht aber darin, daß für die elliptische Ortskurve des abgeschirmten Erdfeldes lediglich eine achsparallele Verschiebung aus dem Nullpunkt berücksichtigt wird, wogegen in Wirklichkeit eine solche elliptische Ortskurve auch noch im Vektordiagramm um irgendeinen Betrag gedreht ist. Da diese Drehung beim bekannten Meßverfahren nicht erfaßt wird, ergibt sich für eine Navigation eine erhebliche Abweichung der ermitteilen von der tatsächlichen Fahrrichtung. Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, durch eine möglichst genaue Ermittlung der tatsächlichen Ortskurve des vom Magnetometer gemessenen Magnetfeldes die Richtung des Erdfeldes bzw. die Fahrrichtung des Fahrzeuges möglichst genau zu ermitteln.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Fahrrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß mit den gespeicherten Meßpunkten durch den Rechner sowohl die Mittelpunktsverschiebung als auch die Form und die Drehung der Ortskurve im Vektordiagramm zu errechnen ist, ohne daß dazu Tastversuche benötigt werden. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß mit einer Eichmessung auch Einbautoleranzen des Magnetometers und die sogenannte Mißweisung des Erdfeldes ausgeglichen werden. Auf diese Weise ist es möglich, aus den laufenden Messungen am Magnetometer über die ermittelte Ortskurve die genaue Richtung des Erdfeldes bzw. der Fahrrichtung oder die Richtung zu einem vorgegebenen Ziel zu ermitteln und anzuzeigen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Besonders vorteilhaft ist, unter Verwendung eines Mikrocomputers während der Fahrt die Änderungen der Fahrtrichtung durch Messung des Magnetfeldvektors von der Auswerteschaltung zu erfassen und beim Überschreiten eines vorgegebenen Wertes der Fahrrichtungsänderung einen weiteren Meßpunkt der Ortskurve im Vektordiagramm abzuspeichern. Die so eingelesenen weiteren Meßpunkte werden zur Überprüfung und Korrektur der ermittelten Parameter der Ortskurve vom Rechner weiter verarbeitet. Außerdem können die Werte für die Fahrrichtungsänderung zusammen mit Wegsignalen des Kraftfahrzeuges zur genauen Ortsbestimmung des Fahrzeuges verwendet werden. Um aus den ersten fünf bis zehn Meßpunkten im Vektordiagramm bereits annähernd die Parameter der Ortskurve berechnen zu können, ist es zweckmäßig das Fahrzeug während der Messungen um mindestens 90º zu drehen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild eines elektronischen Kompasses zur erfindungsgemäßen Ermittlung der Fahrrichtung eines Kraftfahrzeuges, Figur 2 ein Vektordiagramm mit der Ortskurve des vom Kompaß gemessenen Magnetfeldes, Figur 3 zeigt ein Kraftfahrzeug mit den Vektorachsen in einer Eichstellung, Figur 5 zeigt ein Flußdiagramm für die Arbeitsweise des elektronischen Kompasses nach Figur 1 und Figur 5 zeigt ein Drei-Achsen-Magnetometers eines elektronischen Kompasses in schematischer Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Figur 1 ist das Blockschaltbild für einen elektronischen Kompaß dargestellt, der zur Navigation in einem Kraftfahrzeug fest eingebaut ist. Der elektronische Kompaß besteht aus einem Sensor 10, einer Auswerteschaltung 11 und.einer Anzeige 12. Der Sensor 10, der beispielsweise mitten unter dem Dach eines Personenfahrzeuges angebracht ist, enthält ein Magnetometer mit Zeitverschlüsselung. Das Magnetometer kann dabei ein Drei-Achsen-Magnetometer gemäß Figur 5 oder ein Zwei-Achsen-Magnetometer sein, welches zusammen mit einer Stromversorgung und einer Signalformerstufe für jede der Magnetfeldsonden im Sensor untergebracht ist. Die Auswerteschaltung wird im wesentlichen durch einen Mikrocomputer realisiert, dessen Eingang die Sensorsignale zugeführt werden. Zur besseren Veranschaulichung des Verfahrens zur Ermittlung der Fahrrichtung des Fahrzeuges ist die Auswerteschaltung 11 in eine Speicherstufe 13, eine Rechenst_ufe 14 für die Berechnung der Parameter einer Ortskurve des gemessenen Magnetfeldes, eine weitere Rechenstufe 15 zur Winkelbestimmung zwischen Erdfeld und Fahrrichtung sowie in eine Korrekturstufe 16 zur Winkelkorrektur aufgegliedert dargestellt. Über einen Tastschalter 17 kann dabei ein fester Richtungswinkel _o an

Mit Hilfe der Figuren 2, 3 und 4 soll nunmehr die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Fahrrichtung eines Fahrzeuges erläutert werden. Figur 2 zeigt das Vektordiagramm zur Messung des Magnetfeldes im Kraftfahrzeug mit einem im Sensor 10 angeordneten Magnetometer mit zwei Sonden, deren eine Sondenachse x in Fahrrichtung und deren andere Sondenachse y quer zur Fahrrichtung in einer waagerechten Fahrzeugebene liegt. Von den beiden Sonden werden jeweils die X-Komponente bzw. die Y-Komponente des Magnetfeldvektors H gemessen, der sich aus der Größe und Richtung des Magnetfeldes am Sensor 10 ergibt. In Figur 3 ist der Vektor H in bezug auf die Längsachse X _o und die quer dazu in der Fahrzeugebene verlaufene Achse y _o dargestellt. Dabei ist angenommen, daß hier der Sensor 10 mitten unter dem Dach des Personenwagens 18 angeordnet ist. Das dort gemessene Magnetfeld H setzt sich zusammen aus einem festen Störfeld Hs und der im Fahrzeug wirksamen Komponente des Erdfeldes He . Obwohl der tatsächliche Vektor des Magnetfeldes H schräg im Raum liegt, genügt es zur Bestimmung der Fahrrichtung mit dem Sensor 10 nur den in der Fahrebene projizierten Vektor H des Magnetfeldes zu messen.

Zur Ermittlung der Fahrrichtung ist es erforderlich, aus dem gemessenen Magnetfeldvektor H die Richtung des Erdfeldes He zu finden. Zu diesem Zweck sind verschiedene aufeinanderfolgende Verfahrensschritte erforderlich, die in Figur 4 in einem Flußdiagramm dargestellt sind, das von der Auswerteschaltung 11 zyklisch durchlaufen wird. Nach dem Start 19 werden zunächst in einem ersten Programmabschnitt 20 mindestens fünf - vorzugsweise zehn Meßpunkte im Vektordiagramm nach Figur 2 durch Drehen des Fahrzeuges 18 von der Auswerteschaltung 11 erfaßt und in der Speicherstufe 13 abgelegt. Im Beispielsfall sind dies die Meßpunkte M1 bis M5, die jeweils nach einer Drehung des Fahrzeuges 18 um etwa 30 vom Sensor 10 gemessen werden. Aus diesen fünf Meßwerten ergibt sich gemäß Figur 2 eine durch fünf Parameter mathematisch festgelegte elliptische Ortskurve 0, die bezogen auf das Achsenkreuz des Vektordiagramms durch folgende Vektorgleichung zu beschreiben ist:

H = (T . He) + Hs

dabei ist T ein Tensor (Matrix), der die Beeinflussung des Erdfeldes durch Abschirmung und Magnetisierung der Fahrzeugkarosserie enthält. He ist der Vektor des auf die Fahrebene projizierten Erdfeldes außerhalb des Fahrzeuges und Hs ist der Vektor des auf die Fahrebene projizierten konstanten Störfeldes, das durch die Form und den Aufbau des Fahrzeuges vorgegeben ist. Diese Vektorgleichung ist eine Gleichung mit fünf Unbekannten, wobei der Vektor H bekannt ist, der Tensor drei Unbekannte enthält und der Vektor Hs ebenfalls zwei Unbekannte aufweist. Im nachfolgenden Programmabschnitt 21 werden nun an der Rechenstufe i 4 der Auswerteschaltung 11 mit Hilfe der Meßpunkte M1 bis M5 sämtliche Parameter für die Mittelpunktverschiebung, die Form und die Drehung der Ortskurve 0 im Vektordiagramm errechnet. Theoretisch wäre dabei die Berechnung der Ortskurve 0 aus fünf Meßpunkten möglich, die relativ dicht beieinander liegen können. Im Hinblick auf die Ungenauigkeit der Meßpunkte ist es jedoch erforderlich, daß die ersten fünf Meßpunkte im Vektordiagramm x, y während der Drehung des Fahrzeuges 18 um mindestens 90º erfaßt werden. Mit höherer Genauigkeit läßt sich jedoch die Ortskurve 0 dann berechnen, wenn acht Meßpunkte in der Speicherstufe 13 abgelegt werden, wobei jeweils ein Meßpunkt nach jeder Drehung des Fahrzeugs 18 um 45º abgespeichert wird. Wie Figur 2 zeigt, stellt die so ermittelte Ortskurve 0 eine Ellipse dar, die um den konstanten Störfeldvektor Hs aus dem Achsenursprung des Vektordiagramms x, y verschoben und mit ihren Achsen um den Winkel

_o zusammenfällt. In Figur 3 ist diese Einbautoleranz und die Mißweisung durch ein scheinbares Vektordiagramm mit den gestrichelt dargestellten Achsen x' und y' dargestellt, welches mit den Fahrzeugachsen X

_o und y

_o eine Drehung um den Winkel Δ bildet. Um diese Meßfehler auszugleichen, muß im Pro grammabschnitt 22 nunmehr eine Eichung des elektronischen Kompasses vorgenommen werden.

Zu diesem Zweck wird das Fahrzeug auf eine vorgegebene Himmelsrichtung, im Beispielsfall nach Osten ausgerichtet. Daraus ergibt sich zur tatsächlichen Nordrichtung ein Winkel α der im Beispielsfall 90º beträgt. Diese fest

_o eingestellte Winkel

_o zur Nordrichtung von dem vom Kompaß ermittelten Winkel ' des Erdfeldes abgezogen wird. Der so gebildete Korrekturwinkel Δ wird in der Korrekturstufe 16 abgelegt und zu gleich auf die Rechenstufen 14 und 15 gegeben. Durch ihn werden Mißweisung und Einbautoleranzen kompensiert, so daß der in der Rechenstufe 15 nunmehr ermittelte Winkel α den tatsächlichen Winkel der Fahrzeuglängsachse x

_o zur Nordrichtung darstellt. Im nachfolgenden Programmabschnitt 25 wird nun mit Antritt einer Fahrt jeweils ein neuer Meßwert Mx auf der Ortskurve 0 in Figur 2 durch die vom Magnetometer des Sensors 10 gemessenen Werte in die Auswert eschaltung 11 eingegeben und aufgrund der ermittelten Parameter Hs, T und He wird im Programmabschnitt 26 erneut die Fahrrichtung ermittelt. Im Programmabschnitt 27 wird diese schließlich auf der Anzeige 12 ausgegeben. Im Programmabschnitt 28 wird nun durch die Auswerteschaltung 11 geprüft, ob eine Änderung der Fahrrichtung des Fahrzeugs 18 gegenüber der Richtung des zuletzt abgespeicherten Meßpunktes um einen bestimmten Winkelbetrag a auf der Ortskurve 0 im Vektordiagramm nach Figur 2 vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so werden zyklisch die Programmabschnitte 25 bis 28 durchlaufen und jeweils die errechnete Fahrrichtung des Fahrzeugs 18 angezeigt. Beim Überschreiten eines vorgegebenen Wertes a der Fahrrichtungsänderung von beispielsweise 30 gegenüber dem zuletzt eingespeicherten Meßpunkt im Vektordiagramm nach Figur 2 wird nunmehr ein weiterer Meßpunkt im Programmschritt 20 in der Speicher stufe 13 abgespeichert und zur Überprüfung und Korrektur der ermittelten Parameter der Ortskurve 0 vom Rechner im Programmabschnitt 21 verarbeitet. Eine Eichung ist dabei nicht mehr erforderlich, da der bereitsermittelte Korrekturwinkel Δα von der Auswerteschaltung 11 nunmehr ständig berücksichtigt wird.

Will man die räumliche Lage des am Sensor 10 gemessenen Magnetfeldes H, des Erdfeldes He und des Störfeldes Hs zur Navigation ermitteln, so wird der Sensor 10 mit einem Magnetometer ausgerüstet, das gemäß Figur 5 mit drei Sonden X, Y, Z versehen ist. Von diesen Sonden liegt eine in Fahrrichtung des Fahrzeugs, eine zweite quer zur Fahrrichtung und die dritte senkrecht zur Fahrrichtung. Durch diese Sonden X, Y, Z wird die räumliche Lage, Form und Drehung der Ortskurve des am Magnetometer wirksamen Magnetfeldes H in einem räumlichen Vektordiagramm durch mindestens neun Meßpunkte gemessen und von der Auswerteschaltung zur Berechnung der erforderlichen Parameter erfaßt und abgespeichert. In diesem Fall muß auch bei der Eichung des elektronischen Kompasses das Fahrzeug nicht nur in eine vorgegebene Fahrrichtung sondern außer dem noch genau waagerecht ausgerichtet sein, damit in diesem Fall ein räumlicher Korrekturwinkel ermittelt werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf einen elektronischen Kompaß zur Bestimmung der Fahrrichtung von Kraftfahrzeugen beschränkt, da sowohl Luftfahrzeuge wie auch Wasserfahrzeuge damit ausgestattet werden können. Außerdem läßt sich der Kompaß nicht nur zur Bestimmung der Fahrrichtung verwenden sondern ganz allgemein zur Navigation von Fahrzeugen, die beispielsweise von einem fest vorgegebenen Ausgangspunkt zu einem bestimmten Zielpunkt bewegt werden sollen. In einem solchen Fall wird beispielsweise über einen Radsensor oder einen Signalgeber am Kilometerzähler des Fahrzeugs während der Fahrt ein digitales Wegsignal auf die Auswerteschaltung gegeben, der gemeinsam mit der ermittelten Fahrrichtung zur Ermittlung des jeweiligen Standortes des Fahrzeugs benutzt wird.

Durch die während der Fahrt laufend in die Speicherstufe 13 eingegebenen neuen Meßwerte wird eine automatische Nacheichung realisiert, durch die auch Änderungen der Form, der Lage und der Drehung der Ortskurve berücksichtigt werden. Damit ist sichergestellt, daß die Einflüsse auf das gemessene Magnetfeld H, die durch Zuschalten elektrischer Verbraucher im Kraftfahrzeug wie Scheinwerfer, Heckscheibenheizung, Scheibenwischer und dgl. oder durch Beladung des Kraftfahrzeugs hervorgerufen werden, bei der Berechnung der Fahrrichtung kompensiert werden. Mit einem Drei-Achsen-Magnetometer kann auf diese Weise auch eine räumliche Störfeldänderung in allen drei Koordinaten berücksichtigt und eine entsprechende Fehlerkompensation durchgeführt werden. Zusätzlich zur Ermittlung der Fahrzeugneigung bzw. Fahr zeugsteigung aus der Änderung der in der Fahrebene liegenden Feldvektoren kann mit einer entsprechend aufgebauten Auswerteschal tung zusammen mit Wegsignalen auch die jeweilige Standorthöhe des Fahrzeuges berechnet und ausgegeben werden. Zur Nacheichung der Höheninformation ist jedoch dann von Zeit zu Zeit ein vorgegebener Höhenstützpunkt einzugeben,