DE19829582C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Drehratenbestimmung, insbesondere der Gier-Drehrate eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehrate, insbesondere der Gier-Drehrate eines Kraftfahrzeugs, bei dem die Drehrate mittels eines Drehratensensors und ein zugehöriger Drehwinkel mittels eines Richtungswinkelsensors gemessen wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird eine Nullagendrift des Drehratensensors dadurch kompensiert, daß von der gemessenen Drehrate ein Driftkompensationswert subtrahiert wird, der sich aus der Differenz zwischen dem gemesseneen Drehwinkel und dem Integral einer auf der gemessenen Drehrate beruhenden Berechnungs-Drehrate und/oder aus der Differenz zwischen einer auf der gemessenen Drehrate beruhenden Berechnungs-Drehrate und dem Differential des gemssesenen Drehwinkels bestimmt. DOLLAR A Verwendung z. B. zur Gier-Drehratenbestimmung für fahrdynamische Steuer- und Regelsysteme von Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drehratenbestimmung, insbesondere zur Bestimmung der Gier- Drehrate eines Kraftfahrzeugs, d. h. von dessen Drehgeschwindig­ keit um die Hochachse. Die Gier-Drehrate stellt eine Eingangs­ größe für fahrdynamische Steuer- und Regelsysteme dar, wie das von der Anmelderin unter der Bezeichnung ESP verwendete Fahrsta­ bilitätssystem, das ein individuelles Ansteuern der vier Rad­ bremsen umfaßt, um in schleudergefährdeten Fahrzuständen die Lenkwirkung zu stabilisieren und so die Fahrsicherheit des Kraftfahrzeuges zu erhalten bzw. zu steigern.

Zur Drehratenbestimmung dienen häufig Drehratensensoren, die auf einem mechanischen Funktionsprinzip beruhen, bei dem die Corio­ lis-Kraft ausgenutzt wird. Die Drehrate wird hier durch Analyse einer stehenden Schwingung in einem Zylinder, Ring oder stimmga­ belförmigen Körper bestimmt. Führt der Drehratensensor eine Drehbewegung aus, so ändert sich die Phasenlage der Schwingung im jeweiligen Körper, d. h. es kommt zur Ausbildung von Quer- Schwingungsanteilen, die ein Maß für die Drehrate darstellen. Handelsübliche Drehratensensoren, die auf diesem Prinzip beru­ hen, werden z. B. von der Fa. Bosch als Typ DRS 50 bzw. 100, von der Fa. Akai als Typ L-1H, von der Fa. Systron Donner als Typ QRS 15 und von der Fa. British Aerospace angeboten.

Es ist auch möglich, eine Drehratenbestimmung in einem optischen System unter Ausnutzung des Sagnac-Effektes durchzuführen. Führt das optische System eine Drehbewegung aus, so verändern sich Phasenlage und Interferenz zweier gegensinnig umlaufender Licht­ wellen. Daraus kann wiederum die Drehrate des Systems bestimmt werden.

Bekannte Drehratensensoren weisen je nach Ausführung und Materi­ al eine mehr oder weniger ausgeprägte Nullpunktsdrift auf, die insbesondere durch Temperaturänderungen, aber auch durch andere Umwelteinflüsse und Alterung hervorgerufen wird. Die Nullage­ drift des Drehratensensors führt dazu, daß dieser auch ohne Drehbewegung eine betragsmäßig von null verschiedene Drehrate vortäuscht. Die Nullpunktsdriftamplitude eines handelsüblichen Drehratensensors erreicht leicht 5° pro Sekunde. Dies liegt au­ ßerhalb eines für eine Fahrdynamikregelung erforderlichen Genau­ igkeitsrahmens.

Anstatt mit einem Drehratensensor ist es auch möglich, eine Drehrate indirekt mit einem Richtungssensor zu ermitteln. Die Drehrate wird dabei durch zeitliche Differentiation aus einem Richtungswinkel bestimmt.

Wie in dem Übersichtsartikel G. HSU, Magnetic Compassing, Measu­ rement & Control, Reprint vom September 1995 beschrieben, sind als Richtungssensoren Magnetfeldsensoren bekannt, die einen Richtungswinkel des Fahrzeugs relativ zum Erdmagnetfeld anzei­ gen. Solche Magnetfeldsensoren sind beispielsweise der Rich­ tungssensor Precision Navigation, Typ TCM 2 und die Richtungs­ sensoren KVH Industries, USA, Typ KVH C 100, option SE 25 bzw. 10. Diese Sensoren sind zwei- bzw. dreiachsig aufgebaut und wei­ sen zwei bzw. drei unter 90° gekreuzt angeordnete Spulen, mag­ netfeldempfindliche Widerstände oder Halleffekt-Sensoren auf. Diese Sensoren werden fest in der xy-Ebene eines Fahrzeugs ein­ gebaut und erfassen zwei bzw. drei Komponenten des dreidimensio­ nalen Erdmagnetfeldes. Aus ihrem Sensorsignal läßt sich die Richtung der Fahrzeuglängsachse bezüglich der Richtung des ef­ fektiven Magnetfeldes in der xy-Ebene errechnen. Magnetfeldsen­ soren werden häufig in Fahrzeugnavigationssystemen eingesetzt.

Die Schwierigkeit einer Richtungsbestimmung mittels Magnetfeld­ sensors besteht darin, daß dieser ein lokales Magnetfeld sen­ siert, das sich neben dem Erdmagnetfeld auch aus Störfeldern zu­ sammensetzt. Diese Störfelder werden beispielsweise durch Brüc­ ken oder Bauwerke, die massive Eisenkonstruktionen darstellen, durch Wasserkanäle und Schienenanlagen hervorgerufen und treten insbesondere in Tunnels auf. Außerdem können magnetische Stör­ felder von gleichstrombetriebenen Bahnanlagen oder aber von im Fahrzeug selbst fest montierten Bauelementen verursacht werden. In der Praxis zeigt sich, daß diese Störfelder so stark sein können, daß es sogar zu einer Inversion des ungestörten effekti­ ven Erdmagnetfeldes kommen kann.

In einem sich bewegenden Fahrzeug erweisen sich somit Drehraten­ sensoren als kurzzeitstabil, weil ihre Nullage lediglich relativ langsam driftet. Umgekehrt ist die Abweichung der Magnetfeldsen­ soren von einer richtigen Richtungsanzeige statistischer Natur, d. h. die Abweichungen von einer richtigen Richtungsanzeige mit­ teln sich langfristig weg, ihr momentaner Anzeigewert kann aber fehlerbehaftet sein, d. h. Magnetfeldsensoren sind langzeitsta­ bil.

Um die Kurzzeitungenauigkeit eines Magnetfeldsensors, der zur Richtungsbestimmung verwendet wird, zu kompensieren, ist bei­ spielsweise aus der EP 0 541 223 A1 bekannt, einen geomagneti­ schen Sensor mit einem Drehratensensor zu kombinieren, um so auch eine im Kurzzeitbereich genaue Vorrichtung zur Richtungsbe­ stimmung eines Fahrzeugs zu schaffen. Dazu wird das Ausgangs­ signal eines Integriergliedes von einem Richtungssignal, das auf dem xy-Ausgangssignal des Magnetfeldsensors basiert, subtra­ hiert. Das Differenzsignal wird durch ein Dämpfungsglied geführt und zu einem Drehratensignal addiert, das vom Drehratensensor herrührt. Dieses addierte Signal wird dem Integrierglied zur In­ tegration zugeführt und bildet dann ein Richtungsbestimmungs­ signal am Ausgang des Integrationsgliedes. Bleibt die Fahrtrich­ tung des Fahrzeugs konstant, so erreicht man mit dieser Schal­ tung, daß das Richtungsbestimmungssignal nach dem Richtungs­ signal des Magnetfeldsensors konvergiert. Ändert das Fahrzeug dagegen seine Fahrtrichtung, so wird das Richtungsbestimmungs­ signal primär durch das integrierte Drehratensensorsignal be­ stimmt.

In der EP 0 541 224 A1 ist eine Vorrichtung zur Richtungswinkel­ bestimmung für Kraftfahrzeuge beschrieben, die einen Erdmagnet­ feldsensor und einen Drehratensensor enthält. Darin wird der Ausgang des Erdmagnetfeldsensors einer Tiefpaßfilterung unterzo­ gen und sein Richtungssignal bezüglich eines Fehlers korrigiert, der auf der Selbstmagnetisierung des Fahrzeugs und der magneti­ schen Deklination beruht. Das Signal des Drehratensensors wird integriert und in einer Rechnereinheit mit dem korrigierten Sig­ nal des Erdmagnetfeldsensors verglichen. Weicht das integrierte Drehratensensorsignal um weniger als ein Schwellwert vom korri­ gierten Erdmagnetfeldsensorsignal ab, so wird ein Richtungswin­ kel ausgegeben, der auf dem Erdmagnetfeldsensorsignal beruht. Unterscheiden sich jedoch das integrierte Drehratensensorsignal und das korrigierte Erdmagnetfeldsensorsignal um mehr als ein Schwellwert, so wird die zeitliche Änderungsrate der Differenz zwischen den beiden Winkelgrößen bewertet und daraufhin ein Richtungswinkelsignal bereitgestellt, das entweder auf einem entsprechend dem Oberbegriff des Anspruch 1 korrigierten Drehra­ tensensorsignal beruht oder auf den Erdmagnetfeldsensor zurück­ geht.

Aus der EP 0 690 289 A1 ist eine Vorrichtung zur Richtungswin­ kelbestimmung eines Fahrzeugs bekannt, in der ein fehlerarmes, zuverlässiges Richtungssignal durch Integration eines Drehraten­ sensorsignals bei gleichzeitiger Auswertung eines Richtungswin­ kelsensorsignals generiert wird. Dabei wird die Nullpunktsdrift des Drehratensensors kompensiert. Die Kompensation der Null­ punktsdrift des Drehratensensors erfolgt dadurch, daß zunächst zwei Drehraten-Hilfsgrößen gebildet werden und zwar eine erste Hilfsgröße durch Bilden eines Differenzenquotienten aus inte­ grierten Drehratensensorsignalen und eine zweite Drehratenhilfs­ größe durch Bilden eines entsprechenden Differenzenquotienten aus dem Richtungswinkelsensorsignal. Diese erste und zweite Drehratenhilfsgröße werden fortlaufend in einem Algorithmus be­ wertet. Ist die zweite Drehratenhilfsgröße kleiner oder gleich der ersten Drehratenhilfsgröße, so wird dies dahingehend gewer­ tet, daß das Fahrzeug sich nicht dreht. Die Nullpunktsdrift des Drehratensensors wird dann kompensiert, indem vom Drehratensen­ sorsignal der erste Differenzenquotient aus den integrierten Drehratensensorsignalen subtrahiert wird. Ist die zweite Drehra­ tenhilfsgröße größer als die erste, so wird daraus geschlossen, daß das Fahrzeug sich dreht. Die Nullpunktsdrift des Drehraten­ sensors wird dann kompensiert, indem vom Drehratensensorsignal ein solcher erster Differenzenquotient subtrahiert wird, der in einem Zeitintervall gebildet wurde, in dem sich das Fahrzeug nicht gedreht hat.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Drehratenbestimmung, insbesondere der Gier-Drehrate eines Kraftfahrzeugs, zugrunde, mit denen eine im Kurzzeit- und Langzeitbereich vergleichsweise genaue Drehratenbestimmung erzielt wird, die von eventuellen Fehlern und Störeinflüssen weitestgehend frei ist, so daß bei­ spielsweise die so ermittelte Gier-Drehrate zuverlässig für die Steuerung zeitkritischer Fahrdynamikanwendungen verwendet werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 6 und 7 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, 13 und 14 gelöst.

Beim Verfahren gemäß dem Anspruch 1 wird der mittels eines Rich­ tungswinkelsensors gemessene Drehwinkel in Abhängigkeit vom Längsneigungswinkel des Fahrzeugs und/oder in Abhängigkeit vom Querneigungswinkel des Fahrzeugs korrigiert. Aufgrund des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens werden Fehlmessungen vermieden, und es ist möglich, zur Gier-Drehratenbestimmung für fahrdynamische Steuer- und Regelsysteme preiswerte, handelsübliche Sensoren einzusetzen, die gegebenenfalls schon im Fahrzeug für andere An­ wendungen benutzt werden, so daß nur ein vergleichsweise gerin­ ger Aufwand für die Implementierung des Verfahrens entsteht. Die Vorrichtung nach Anspruch 8 eignet sich zur Durchführung dieses Verfahrens.

In einem nach dem Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren wird der Driftkompensationswert in einem Algorithmus berechnet, der die Differenz zwischen dem gemessenen Drehwinkel und dem Integral der Berechnungs-Drehrate und/oder die Differenz zwischen der Be­ rechnungs-Drehrate und dem Differential des gemessenen Drehwin­ kels durch eine glättende Bearbeitung in Form eines Tiefpasses und/oder eines arithmetischen Mittelwerts und/oder einer Aus­ gleichsgeraden und/oder eines Ausgleichspolynoms aus einzelnen Differenzrohwerten aufbereitet. Ein solcher Algorithmus ist leicht in einem Fahrzeugrechner zu implementieren und kann an Bord in Echtzeit ablaufen. Eine Vorrichtung nach Anspruch 10 eignet sich zur Durchführung dieses Verfahrens. Dabei ist der Begriff der Mittelwertbildungsmittel allgemein zu verstehen im Sinne von Mitteln zur glättenden oder vergleichmäßigenden Bear­ beitung.

In einem nach dem Anspruch 3 weitergebildeten Verfahren wird der zugehörige Drehwinkel mittels eines Magnetfeldsensors gemessen und das Signal des Magnetfeldsensors gemäß gespeicherten geoma­ gnetischen Daten in Abhängigkeit vom lokalen magnetischen Dekli­ nationswinkel (der Abweichung zwischen magnetischer und geogra­ phischer Nordrichtung in der horizontalen Ebene) und/oder in Ab­ hängigkeit vom lokalen magnetischen Inklinationswinkel (der Ab­ weichung des Magnetfeldes von der vertikalen Richtung) korri­ giert. Zur Durchführung dieses Verfahrens eignet sich eine nach Anspruch 10 weitergebildete Vorrichtung. Auf diese Weise ist es möglich, einen kostengünstigen Erdmagnetfeldsensor einzusetzen, wobei die Empfindlichkeit des Verfahrens für Störungen des na­ türlichen Erdmagnetfeldes dennoch gering ist.

Ein nach Anspruch 4 weitergebildetes Verfahren ermöglicht eine Volldrehungskorrektur für Anwendungsfälle, in welche sich der zur interessierenden Drehrate gehörige Drehwinkel um mehr als 360° ändern kann. Zur Durchführung dieses Verfahrens eignet sich eine nach Anspruch 11 weitergebildete Vorrichtung.

In einem nach dem Anspruch 5 weitergebildeten Verfahren wird der zugehörige Drehwinkel mittels eines Magnetfeldsensors gemessen und der gemessene Drehwinkel dahingehend bewertet, ob er auf ei­ ner durch eine Störung des Erdmagnetfeldes verursachten Falsch­ messung beruht, wobei zur Bewertung des gemessenen Drehwinkels die im Magnetfeldsensor gemessene Gesamtfeldstärke des Erdmag­ netfeldes und/oder die Differenz von integrierter Drehrate und dem gemessenen Drehwinkel und/oder die Geschwindigkeit und/oder der Lenkwinkel des Fahrzeugs verwendet werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Unempfindlichkeit des Verfahrens für Störun­ gen des natürlichen Erdmagnetfeldes noch weiter zu verbessern. Zur Durchführung dieses Verfahrens eignet sich eine nach An­ spruch 12 weitergebildete Vorrichtung.

Beim Verfahren nach dem Anspruch 6 wird der zugehörige Drehwin­ kel speziell mittels eines auf dem Prinzip der Funkortung beru­ henden Richtungsensors gemessen, wobei ein z. B. satellitenge­ stütztes Positionsbestimmungssystem verwendet wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Verfahren unabhängig vom lokalen Erdmagnetfeld ist. Zur Durchführung dieses Verfahrens eignet sich die Vorrichtung nach Anspruch 13.

Beim Verfahren nach Anspruch 7 werden bei der Bestimmung des Driftkompensationswertes für eine Gier-Drehratenbestimmung eines Kraftfahrzeugs speziell die Wank- und Nickbewegung sowie der Längs- und der Querneigungswinkel des Fahrzeugs korrektiv be­ rücksichtigt. Zur Durchführung dieses Verfahrens eignet sich die Vorrichtung nach Anspruch 14.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Vor­ richtung zur Drehratenbestimmung, in der die Nullpunkts­ drift des Drehratensensors auf der Basis der Winkeldiffe­ renz zwischen einem integrierten Drehratensensor-Meßsig­ nal und einem Magnetfeldsensor-Meßsignal kompensiert wird,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Vor­ richtung zur Drehratenbestimmung, in der die Nullpunkts­ drift des Drehratensensors auf der Basis der Drehraten­ differenz zwischen dem Drehratensensor-Meßsignal und dem Differential des Magnetfeldsensor-Meßsignals kompensiert wird,

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Auswerteschaltung für das Rich­ tungssignal eines dreiachsigen Magnetfeldsensors, die in den Ausführungsformen von Fig. 1 und 2 verwendet werden kann,

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Variante der Ausführungsform von Fig. 1, in der der Richtungssensor durch ein Funkortungs­ system und eine GPS-Vorrichtung gebildet wird,

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Variante der Ausführungsform von Fig. 2, in der der Richtungssensor ebenfalls durch ein Funkortungssystem und eine GPS-Vorrichtung gebildet wird,

Fig. 6 eine Auswerteschaltung zur Richtungsbestimmung mittels zweier fahrzeugfester GPS-Systeme, die in den Ausfüh­ rungsformen der Fig. 4 und 5 verwendet werden kann.

In den Figuren, im folgenden Text und in den Patentansprüchen ist die zeitliche Ableitung physikalischer Größen, wie bei­ spielsweise die Ableitung von Winkeln, mit einem zusätzlichen Index "P" kenntlich gemacht.

Fig. 1 zeigt in Blockschaltbilddarstellung eine erste Ausfüh­ rungsform der Vorrichtung zur Gier-Drehratenbestimmung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Automobil. Die Vorrichtung er­ zeugt aus einem Gier-Drehratensignal ψ_ZP eines Gier-Drehraten­ sensors 1 und einem Richtungssignal in Form eines Richtungs- bzw. Drehwinkels ψ_R eines als einachsiger Erdmagnetfeldsensor ausgebildeten Richtungssensors 2 ein nullpunktsdrift-kompensier­ tes Gier-Drehratensignal ψ_KP. Das Gier-Drehratensignal ψ_KP wird am Ausgang 3 eines Subtrahiergliedes 4 bereitgestellt, das dazu dient, vom unkompensierten Gier-Drehratensensorsignal ψ_ZP ein Nullpunktsdriftkompensationssignal ψ_OP zu subtrahieren.

Dieses Nullpunktsdriftkompensationssignal ψ_OP korrigiert die Nullpunktsdrift des Gier-Drehratensensors 1. Die Nullpunktsdrift des Gier-Drehratensensors 1 wird berechnet, indem ein modifi­ ziertes Richtungssignal ψ_R3 des Drehwinkelsensors 2 mit einem di­ mensionsmäßig dem Richtungssignal entsprechenden Integral über ein modifiziertes, vom Ausgangssignal des Gier-Drehratensensors 1 abgeleitetes Drehratensignal verglichen wird. Der Vergleich besteht in dem Bilden einer Winkeldifferenz Δψ in einem Subtra­ hierglied 6, die anschließend gemittelt und differenziert wird.

Zu diesem Vergleich ist es erforderlich, daß sich das modifi­ zierte und integrierte Drehratensignal vom Gier-Drehratensensor 1 und das Richtungssignal des Drehwinkelsensors 2 auf eine ge­ meinsame Drehebene beziehen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist als Drehebene, in der die Winkelgrößen ver­ glichen werden, die horizontale Ortsebene festgelegt. In der Vorrichtung wird ausgenutzt, daß das Richtungssignal ψ_R zwar ver­ rauscht, d. h. fehlerhaften, kurzfristigen Schwankungen unterwor­ fen ist, die seiner Richtungsinformation aufmoduliert sind, das Richtungssignal aber im Mittel nicht driftet. Die Differenz des modifizierten Richtungssignals des Drehratensensors 2 und des Integrals über das modifizierte Drehratensignal aus dem Gier- Drehratensensor 1 stellt daher eine Größe dar, die nur noch die Nullpunktsdrift des Gier-Drehratensensors und das aufmodulierte Rauschen aufweist. Letzteres kann dann weggemittelt werden, um so die eigentliche Nullpunktsdrift des Gier-Drehratensensors zu erhalten und zu kompensieren.

Um das Gier-Drehratensignal auf die horizontale Ortsebene zu be­ ziehen, ist bei der Ausführungsform von Fig. 1 eine erste Vorab­ korrekturstufe 7 vorgesehen. Von dieser wird unter Verwendung der Informationen über den Längs- und Querneigungswinkel des Fahrzeugs, die von einem Fahrzeuglagesensor 14 bereitgestellt werden, der Wank-Drehrate ψ_XP und der Nick-Drehrate ψ_YP, die von entsprechenden Wank- und Nick-Drehratensensoren 1a und 1b erfaßt werden, eine geeignete Koordinatentransformation vorgenommen. Das umgerechnete Gier-Drehratensensorsignal wird dann im Inte­ grationsglied 8 integriert, um den zugehörigen korrigierten Gierwinkel ψ_Z zu bilden.

Zur Umrechnung des Richtungssignals ψ_R vom Erdmagnetfeldsensor 2 in die horizontale Ortsebene sind in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weitere Korrekturmittel 9 bis 11 vorgesehen. Das Richtungssignal ψ_R wird zunächst in einer zweiten Vorabkorrektur­ stufe 9 unter Berücksichtigung von Längs- und Querneigung des Fahrzeugs korrigiert, wozu diese mit dem Fahrzeuglagesensor 14 verbunden ist. Darauf erfolgt in einer Volldrehungserkennungs­ stufe 10 eine Durchdreherkennungskorrektur, die dazu dient, den zunächst auf 360° beschränkten, vorab-korrigierten Richtungssig­ nalwinkel an den betragsmäßig unbeschränkten Gierwinkel aus dem Integrationsglied 8 anzupassen. Dazu ist die Volldrehungserken­ nungsstufe 10 mit einem Fahrzeugsensor 12, der Geschwindigkeit und Lenkwinkel erfaßt, und zusätzlich mit dem Ausgang des Sub­ trahiergliedes 6 verbunden. Im Rahmen der Durchdreherkennungs­ korrektur werden Geschwindigkeit, Lenkwinkel und die Größe der vom Subtrahierglied 6 gebildeten Winkeldifferenz Δψ bewertet. Prinzipiell kamt die Durchdreherkennungskorrektur aber auch auf andere Fahrzeugparameter hin erfolgen.

Im Anschluß an die Durchdreherkennungskorrektur wird in einer anschließenden dritten Vorabkorrekturstufe 11 nochmals das Rich­ tungswinkelsignal aufgrund von Längs- und Querneigungswinkel korrigiert, um am Ausgang ein vollkorrigiertes Richtungswinkel­ signal ψ_R3 bereitzustellen.

Aus der Differenz Δψ des vollkorrigierten Richtungswinkelsignals ψ_Z3 und des Gierwinkels ψ_Z aus dem Integrationsglied 8, die im Subtrahierglied 6 gebildet wird, wird von einer Rechnereinheit 5 das endgültige Driftkompensationssignal ψ_OP generiert. Der in der Rechnereinheit 5 ablaufende Rechenalgorithmus bildet dazu ein arithmetisches Mittel, eine Ausgleichsgerade oder ein Aus­ gleichspolynom über die Winkeldifferenzen Δψ innerhalb eines be­ stimmten, von einer Zeitfenstersetzeinheit 13 ermittelten Zeit­ fensters Δt, dessen Länge über den Fahrzeugsensor 12 gesteuert wird, bzw. führt eine Tiefpaßfilterung der Winkeldifferenz Δψ durch. Die Rechnereinheit 5 stellt also ein Mittelwertbildungs­ mittel bzw. ein Mittel zur glättenden Bearbeitung dar. Außerdem optimiert die Rechnereinheit 5 den dort ablaufenden Rechenalgo­ rithmus unter Berücksichtigung von Geschwindigkeits- und Lenk­ winkelinformationen des Fahrzeugs 12.

Die Fig. 2 zeigt in Blockschaltbilddarstellung eine zweite Aus­ führungsform der Vorrichtung zur Drehratenbestimmung, die eine Variante der ersten Ausführungsform darstellt, wobei für funk­ tionell übereinstimmende Elemente gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet sind, zu deren Erläuterung auf die Beschreibung von Fig. 1 verwiesen werden kann.

Die Ausführungsform von Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 prinzipiell darin, daß in einem dem Subtrahierglied 6 aus Fig. 1 entsprechenden Subtrahierglied 6' die Differenz Δψ_P zweier modi­ fizierter Drehraten ψ_ZPS, ψ_R3P gebildet wird. ψ_ZPS stellt die in der ersten Vorabkorrekturstufe 7 modifizierte Drehrate ψ_ZP dar, ψ_R3P geht aus dem in den weiteren Korrekturmitteln 9, 10' und 11 modifizierten Richtungswinkelsignal ψ_R3 des Erdmagnetfeldsensors 2 hervor, das in einem Differenzierglied 15 differenziert wird. Im Mittel 10' erfolgt eine dem Mittel 10 entsprechende Durch­ dreherkennungskorrektur. Zu dieser Durchdreherkennungskorrektur werden das Ausgangssignal Δψ_P des Subtrahiergliedes 6', das Sig­ nal vom Integrierglied 8 sowie die Geschwindigkeits- und Lenk­ winkelinformation vom Fahrzeugsensor 12 herangezogen. Aus dem Ausgangssignal Δψ_P des Subtrahiergliedes 6' wird in einer Rech­ nereinheit 5' unter Verwendung eines Drift-Kompensationsalgo­ rithmus ein Nullpunktsdrift-Kompensationssignal errechnet, das im Subtrahierglied 4 vom Gier-Drehratensensorsignal ψ_ZP subtra­ hiert wird, wodurch eine nullpunktsdrift-kompensierte Gier-Dreh­ rate ψ_KP gewonnen wird.

Zur Erzielung einer noch größeren Richtungsgenauigkeit können anstelle des genannten einachsigen Erdmagnetfeldsensors zwei- oder dreiachsige Magnetfeldsensoren eingesetzt werden, die ein Erdmagnetfeld-Meßsignal mit den Komponenten B_x, B_y und gegebenen­ falls B_z bereitstellen. Die Fig. 3 zeigt als Blockdiagramm eine Auswerteschaltung für das Richtungssignal eines dreiachsigen Erdmagnetfeldsensors 16, die in den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 verwendet werden kann, um dort die Mittel zur Erzeugung des korrigierten Richtungswinkels ψ_R3 zu ersetzen.

Der dreiachsige Erdmagnetfeldsensor 16 sensiert den dreidimen­ sionalen Vektor (B_x, B_y, B_z) des lokalen Erdmagnetfeldes. Aus diesem Vektor wird in einer Umrechnungseinheit 17 ein Vorab- Richtungswinkel ψ_R' errechnet. Zusätzlich ist die Auswerteschal­ tung mit einer GPS-Einheit 21 versehen, mit der eine genaue Po­ sitionsbestimmung des Fahrzeugs erfolgt. Ein Rechner 23 liest entsprechend den von der GPS-Einheit 21 gelieferten Positionsda­ ten aus einem Speicher 22 dort abgelegte lokale Werte für den Betrag, die Deklination bzw. Inklination des Erdmagnetfeldes und veranlaßt in einer zweiten Vorabkorrekturstufe 18 und einer dritten Vorabkorrekturstufe 20 eine entsprechende Korrektur des errechneten Vorab-Richtungswinkels ψ_R'. Zwischen den beiden Stu­ fen 18 und 20 findet in einer Volldrehungserkennungsstufe 19 ei­ ne Durchdreherkennungskorrektur des Richtungswinkelsignals ent­ sprechend der Durchdreherkennungskorrektur in den Stufen 10 und 10' bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten ersten beiden Ausfüh­ rungsformen der Vorrichtung zur Drehratenbestimmung statt. In der Auswerteschaltung ist zusätzlich eine Erdmagnetfeldberech­ nungsstufe 24 vorgesehen, in der aus den Komponenten des Erdma­ gnetfeldes der Betrag der Gesamtfeldstärke berechnet wird. Von dieser Größe wird dann in einem Subtrahierglied 25 ein Erdmag­ netfeldbetrag subtrahiert, der mittels des Rechners 23 entspre­ chend den Fahrzeugpositionsdaten aus dem Speicher 22 gelesen wurde. Zur Durchdreherkennungskorrektur werden in der Stufe 19 das Ausgangssignal des Subtrahiergliedes 25 sowie die vom Fahr­ zeugsensor 12 gelieferten Informationen über die Geschwindigkeit und den Lenkwinkel des Fahrzeugs bewertet. Zusammen mit der Ge­ schwindigkeit und dem Lenkwinkel vom Fahrzeugsensor 12 steuert das Ausgangssignal des Subtrahiergliedes 25 darüber hinaus in der Zeitfenstersetzeinheit 13 die Länge des Zeitfensters Δt, mit dem in den Rechnereinheiten 5 bzw. 5' entsprechend den anhand von Fig. 1 bzw. 2 beschriebenen Ausführungsformen eine glättende Bearbeitung durchgeführt wird.

Die Fig. 4 zeigt in Blockschaltbilddarstellung eine dritte Aus­ führungsform der Vorrichtung zur Gier-Drehratenbestimmung, die bis auf die Einheiten zur Bestimmung des Richtungswinkels der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 entspricht. Für mit Fig. 1 funktionell übereinstimmende Elemente sind gleiche Bezugszeichen verwendet, zu deren Erläuterung auf die Beschreibung von Fig. 1 verwiesen wird. Der einachsige Erdmagnetfeldsensor ist hier durch eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Richtungswinkels er­ setzt, die aus den Einheiten 26 bis 28 gebildet wird. Die Ein­ heit 26 stellt eine Funkortungsvorrichtung mit Richtantenne dar, die einen Winkel zwischen der Fahrzeugachse und der Richtung zu einem Funksender bestimmt. Eine GPS-Einheit 27 liefert Fahrzeug- Ortskoordinaten, aus denen ein Rechner 28 einen Fahrzeug-Rich­ tungswinkel ψ_C für das Subtrahierglied 6 bestimmt.

Die Fig. 5 zeigt eine weitere Vorrichtung zur Drehratenbestim­ mung, die ebenfalls bis auf die Einheiten zur Richtungswinkelbe­ stimmung mit der zweiten Ausführungsform nach Fig. 2 überein­ stimmt. Für mit Fig. 2 funktionell übereinstimmende Elemente sind gleiche Bezugszeichen verwendet, zu deren Erläuterung auf die Beschreibung der Fig. 1 und 2 verwiesen wird. Wie bei der Ausführungsform aus Fig. 4 wird in einem Rechner 28 aus einem Funkortungswinkel, der von der Funkortungsvorrichtung 26 gelie­ fert wird, und den Fahrzeugkoordinaten des Fahrzeugs, die in der GPS-Einheit 27 bestimmt werden, ein horizontaler Fahrzeug-Rich­ tungswinkel ψ_C berechnet. Dieser Richtungswinkel wird in einem Differenzierglied 15 differenziert und stellt ein korrektives Eingangssignal ψ_CP für das Subtrahierglied 6 dar, das dieses Si­ gnal vom Ausgangssignal der ersten Vorabkorrekturstufe 7 subtra­ hiert.

Als Alternative zur Richtungswinkelbestimmung über Funkortung gemäß der in den Fig. 4 und 5 dargestellen dritten und vierten Ausführungsform zeigt Fig. 6 eine weitere mögliche Konzeption einer Vorrichtung zur Bestimmung des Richtungswinkels ψ_C eines Fahrzeugs in der Vorrichtung zur Drehratenbestimmung. Dabei wer­ den zwei GPS-Einheiten 29, 30 verwendet. Diese beiden GPS-Ein­ heiten 29, 30 sind räumlich voneinander getrennt vorne bzw. hin­ ten im Fahrzeug angebracht. Aus ihren Positionsdaten berechnet ein Kursrechner 31 die Lage und damit den Kurswinkel ψ_C des Fahr­ zeugs, wozu die GPS-Einheiten 29, 30 mit entsprechen hoher Orts­ auflösung arbeiten.

Wie die obige Beschreibung verschiedener vorteilhafter Ausfüh­ rungsformen verdeutlicht, realisiert die Erfindung eine kosten­ günstig herstellbare Vorrichtung zur driftkompensierten Drehra­ tenbestimmung, bei der bekannte, günstig erhältliche Komponenten verwendet werden körnen, und ein dafür geeignetes Verfahren.

Mit den geschilderten Kompensationsalgorithmen und Vorab-Korrek­ turen ist es möglich, selbst mit preiswerten, mehr oder weniger driftbehafteten Drehratensensoren noch ausreichend genaue Dreh­ ratendaten bereitzustellen, wie sie für die Bestimmung der Gier- Drehrate bei Fahrdynamikregelsystemen von Kraftfahrzeugen benö­ tigt werden. Mit einer solchen Fahrdynamikregelung läßt sich die Fahrzeug- und Verkerhssicherheit im normalen Fahrbetrieb und vor allem auch in kritischen oder überraschend auftretenden Fahrzu­ ständen durch entsprechende aktive Eingriffe in die Fahrdynamik erhöhen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Drehratenbestimmung, insbesondere der Gier- Drehrate eines Kraftfahrzeugs, bei dem

• 1. die Drehrate mittels eines Drehratensensors (1) gemessen wird und ein zugehöriger Drehwinkel mittels eines Richtungswinkel­ sensors (2) gemessen wird und
• 2. das Ausgangssignal des Drehratensensors (1) nullagendriftkom­ pensiert wird, indem von der gemessenen Drehrate (ψ_ZP) ein Driftkompensationswert (ψ_OP) subtrahiert wird, der sich aus der Differenz zwischen dem gemessenen Drehwinkel und dem Zeit­ integral einer auf der gemessenen Drehrate beruhenden Berech­ nungs-Drehrate und/oder aus der Differenz zwischen einer auf der gemessenen Drehrate beruhenden Berechnungs-Drehrate und der Zeitableitung des gemessenen Drehwinkels bestimmt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. es für ein Fahrzeug eingesetzt wird und der mittels eines Richtungswinkelsensors (2) gemessene Drehwinkel in Abhängig­ keit vom Längsneigungswinkel des Fahrzeugs und/oder in Abhän­ gigkeit vom Querneigungswinkel des Fahrzeugs korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung des Driftkompensationswertes (ψ_OP) die Diffe­ renz zwischen dem gemessenen Drehwinkel und dem Zeitintegral der Berechnungs-Drehrate und/oder die Differenz zwischen der Berech­ nungs-Drehrate und der Zeitableitung des gemessenen Drehwinkels durch eine glättende Bearbeitung in Form eines Tiefpasses und/­ oder eines arithmetischen Mittelwertes und/oder einer Aus­ gleichsgeraden und/oder eines Ausgleichspolynoms aufbereitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel mittels eines Magnetfeldsensors (2) gemessen wird und das Signal des Magnetfeldsensors gemäß gespeicherten geomagnetischen Daten in Abhängigkeit vom lokalen magnetischen Deklinationswinkel und/oder in Abhängigkeit vom lokalen magneti­ schen Inklinationswinkel korrigiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittels des Richtungswinkelsensors (2) gemessene Dreh­ winkel bei Volldrehung um ganze Vielfache des Vollwinkels von 360° korrigiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel mittels eines Magnetfeldsensors (2) gemessen wird und hinsichtlich Erdmagnetfeldstörungen unter Benutzung der im Magnetfeldsensor (2) gemessenen Gesamtfeldstärke des Erdmag­ netfeldes und/oder der Differenz von integrierter Drehrate und gemessenem Drehwinkel und/oder der Geschwindigkeit und/oder des Lenkwinkels des Fahrzeugs bewertet wird.

6. Verfahren zur Drehratenbestimmung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, bei dem

• 1. die Drehrate mittels eines Drehratensensors (1) gemessen wird und ein zugehöriger Drehwinkel mittels eines Richtungswinkel­ sensors (2) gemessen wird und
• 2. das Ausgangssignal des Drehratensensors (1) nullagendriftkom­ pensiert wird, indem von der gemessenen Drehrate (ψ_ZP) ein Driftkompensationswert (ψ_OP) subtrahiert wird, der sich aus der Differenz zwischen dem gemessenen Drehwinkel und dem Zeit­ integral einer auf der gemessenen Drehrate beruhenden Berech­ nungs-Drehrate und/oder aus der Differenz zwischen einer auf der gemessenen Drehrate beruhenden Berechnungs-Drehrate und der Zeitableitung des gemessenen Drehwinkels bestimmt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. der zugehörige Drehwinkel mittels eines auf dem Prinzip der Funkortung beruhenden Richtungssensors (26) gemessen wird.

7. Verfahren zur Drehratenbesimmung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem

• 1. die Drehrate mittels eines Drehratensensors (1) gemessen wird und ein zugehöriger Drehwinkel mittels eines Richtungswinkel­ sensors (2) gemessen wird und
• 2. das Ausgangssignal des Drehratensensors (1) nullagendriftkom­ pensiert wird, indem von der gemessenen Drehrate (ψ_ZP) ein Driftkompensationswert (ψ_OP) subtrahiert wird, der sich aus der Differenz zwischen dem gemessenen Drehwinkel und dem Zeit­ integral einer auf der gemessenen Drehrate beruhenden Berech­ nungs-Drehrate und/oder aus der Differenz zwischen einer auf der gemessenen Drehrate beruhenden Berechnungs-Drehrate und der Zeitableitung des gemessenen Drehwinkels bestimmt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. es für ein Fahrzeug eingesetzt wird und die Berechnungs-Dreh­ rate aus der gemessenen Gier-Drehrate, den Drehraten in Wank- und Nickrichtung und den Längs- und Querneigungswinkeln des Fahrzeugs berechnet wird.

8. Vorrichtung zur Drehratenbestimmung, insbesondere der Gier- Drehrate eines Kraftfahrzeugs, mit

• 1. einem Drehratensensor (1)
• 2. einem Richtungswinkelsensor (2),
• 3. einem Subtrahierglied (4), in dem vom gemessenen Drehratensen­ sorwert des Drehratensensors (1) ein Nullagen-Driftkompensa­ tionswert (ψ_OP) subtrahiert wird, und
• 4. Mitteln (5 bis 14) zur Bestimmung des Driftkompensationswertes aus der Differenz zwischen dem vom Richtungswinkelsensor ge­ messenen Drehwinkel und dem Zeitintegral einer auf der gemes­ senen Drehrate beruhenden Berechnungs-Drehrate und/oder aus der Differenz zwischen einer auf der gemessenen Drehrate beru­ henden Berechnungs-Drehrate und der Zeitableitung des gemesse­ nen Drehwinkels,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. sie in einem Fahrzeug angeordnet ist und Fahrzeuglagekorrek­ turmittel (9, 11, 14) zur Korrektur des Signals des Richtungs­ winkelsensors (2) in Abhängigkeit von der Längs- und Quernei­ gung des Fahrzeugs vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittelwertbildungsmittel (5, 5') vorgesehen sind, welche zur Berechnung des Driftkompensationswertes die Differenz zwischen dem gemessenen Drehwinkel und dem Zeitintegral der Berechnungs- Drehrate und/oder die Differenz zwischen der Berechnungs-Dreh­ rate und der Zeitableitung des gemessenen Drehwinkels durch eine glättende Bearbeitung in Form eines Tiefpasses und/oder eines arithmetischen Mittelwerts und/oder einer Ausgleichsgeraden und/oder eines Ausgleichspolynoms aufbereiten.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungswinkelsensor als Magnetfeldsensor ausgebildet ist und Magnetfeldkorrekturmittel (21, 22, 23) zur Korrektur des Signals des Magnetfeldsensors (16) vorgesehen sind, die eine Auswerteeinheit (23), eine Fahrzeugpositionsbestimmungseinheit (21) und einen Speicher (22) beinhalten, in dem flächendeckend die lokale Deklination und/oder Inklination des Erdmagnetfeldes abgespeichert sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Volldrehungserkennungsmittel (10, 19) vorgesehen sind, die Drehwinkeländerungen von mehr als 360° erkennen und das vom Richtungssensor (2, 16) gelieferte Richtungswinkelsignal um gan­ ze Vielfache des Vollwinkels von 360° korrigieren.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungswinkelsensor als Magnetfeldsensor ausgebildet ist und Magnetfeldabweichungskorrekturmittel (25) vorgesehen sind, welche die Differenz zwischen einem durch einen Erdmagnet­ feldsensor (16) ermittelten Erdmagnetfeldbetrag und einem Erd­ feldmagnetfeldbetrag bilden, der von einer Rechnereinheit (23) aus von einer Fahrzeugpositionsbestimmungseinheit (21) ermittel­ ten Fahrzeugortskoordinaten und aus in einem Speicher (22) abge­ legten lokalen Erdmagnetfeldwerten berechnet wird, und das ge­ bildete Magnetfeldbetrag-Differenzsignal korrektiv bei der Be­ stimmung des Driftkompensationswertes berücksichtigen.

13. Vorrichtung zur Drehratenbestimmung, insbesondere nach ei­ nem der Ansprüche 8, 9 oder 11, mit

• 1. einem Drehratensensor (1)
• 2. einem Richtungswinkelsensor (2),
• 3. einem Subtrahierglied (4), in dem vom gemessenen Drehratensen­ sorwert des Drehratensensors (1) ein Nullagen-Driftkompensa­ tionswert (ψ_OP) subtrahiert wird, und
• 4. Mitteln (5 bis 14) zur Bestimmung des Driftkompensationswertes aus der Differenz zwischen dem vom Richtungswinkelsensor ge­ messenen Drehwinkel und dem Zeitintegral einer auf der gemes­ senen Drehrate beruhenden Berechnungs-Drehrate und/oder aus der Differenz zwischen einer auf der gemessenen Drehrate beru­ henden Berechnungs-Drehrate und der Zeitableitung des gemesse­ nen Drehwinkels,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. der Richtungswinkelsensor von Funkortungsmitteln (26, 27, 39, 30, 31) gebildet ist.

14. Vorrichtung zur Drehratenbestimmung, insbesondere nach ei­ nem der Ansprüche 8 bis 13, mit

• 1. einem Drehratensensor (1)
• 2. einem Richtungswinkelsensor (2),
• 3. einem Subtrahierglied (4), in dem vom gemessenen Drehratensen­ sorwert des Drehratensensors (1) ein Nullagen-Driftkompensa­ tionswert (ψ_OP) subtrahiert wird, und
• 4. Mitteln (5 bis 14) zur Bestimmung des Driftkompensationswertes aus der Differenz zwischen dem vom Richtungswinkelsensor ge­ messenen Drehwinkel und dem Zeitintegral einer auf der gemes­ senen Drehrate beruhenden Berechnungs-Drehrate und/oder aus der Differenz zwischen einer auf der gemessenen Drehrate beru­ henden Berechnungs-Drehrate und der Zeitableitung des gemesse­ nen Drehwinkels,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. sie in einem Fahrzeug angeordnet ist und Sensoren zur Wank- und Nick-Drehratenmessung und Fahrzeuglagesensoren (14) zur Bestimmung von Längs- und Querneigungswinkel des Fahrzeugs aufweist und Mittel (7) zur Ermittlung der Berechnungs- Drehrate aus der gemessenen Gier-Drehrate, den Drehraten in Wank- und Nickrichtung und dem Längs- und Querneigungswinkel vorgesehen sind.