ES2297792T3 - Procedimiento para determinar la posicion angular absoluta del volante de un vehicuko automovil. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la determinación absoluta de un ángulo de giro, en particular de la posición angular del volante de un vehículo automóvil, mediante una unidad emisora receptora que comprende una fuente de luz y una matriz lineal de sensores compuesta por numerosos elementos conversores optoelectrónicos, así como un soporte de código dispuesto de forma giratoria frente a aquella, el cual tiene un código de valores de ángulo unívoco y de una sola pista, formándose sobre la matriz lineal de sensores una imagen de un segmento continuo de la pista de código y evaluándose la señal de salida de la matriz lineal de sensores para la determinación de una palabra de código correspondiente al valor de ángulo actual, caracterizado porque la posición real de las transiciones claro/oscuro sobre la matriz lineal de sensores se compara con una curva que representa las condiciones ideales, y a partir de la distribución y de la magnitud de las desviaciones respecto de esta curva, se determinan las desviaciones debidas a las tolerancias en la construcción geométrica del dispositivo de medida.

Description

Procedimiento para determinar la posición angular absoluta del volante de un vehículo automóvil.

La invención se refiere a un procedimiento para la determinación absoluta de un ángulo de giro, en particular de la posición angular del volante de un vehículo automóvil, mediante una unidad emisora receptora que comprende una fuente de luz y una matriz lineal de sensores compuesta por numerosos elementos conversores optoelectrónicos, así como un soporte de código dispuesto de forma giratoria frente a aquella, el cual tiene un código de valores de ángulo unívoco y de una sola pista, formándose sobre la matriz lineal de sensores una imagen de un segmento continuo del código y evaluándose la señal de salida de la matriz lineal de sensores para la determinación de una palabra de código correspondiente al valor de ángulo actual.

En los vehículos automóviles se utiliza la posición angular absoluta designada como ángulo de la dirección para alimentar con este valor un sistema de control de la dinámica de la marcha. Un sistema regulador de la dinámica de la marcha de este tipo, recibe junto con el valor de ángulo de la dirección mencionado otros datos de mediciones como la velocidad de giro de las ruedas o como el giro del vehículo sobre su eje vertical. Se utilizan por un lado el valor absoluto del ángulo de la dirección y por otro la velocidad del volante, para evaluarlos mediante el sistema de control de la dinámica de la marcha junto con otros datos captados, y para utilizarlos para gobernar actuadores, por ejemplo los frenos, y/o la gestión del motor.

Se conoce por el documento DE 40 22 837 A1 un sensor optoelectrónico de ángulo de la dirección adecuado para aplicar un procedimiento de este tipo. El sensor de ángulo de la dirección descrito en este procedimiento comprende una unidad de control electrónica y una unidad de sensor consistente en dos elementos dispuestos en paralelo y separados entre sí -una fuente de luz y un sensor de filas- así como un disco de código dispuesto entre la fuente de luz y el sensor de filas, el cual está fijado en rotación con el eje de la dirección. Como sensor de filas se utiliza una fila de sensores CDC. Como codificación del disco de código se prevé una espiral de Arquímedes que se extiende sobre 360º, configurada como ranura de luz. Mediante la iluminación de los correspondientes elementos convertidores del sensor de fila en una posición del volante dada, es posible conocer la posición angular efectiva del volante. La espiral de Arquímedes utilizada como codificación está configurada transcurriendo continua de modo que puede ser considerada como una codificación analógica. Sin embargo, con la misma disposición se puede leer igualmente en el disco de código una codificación digital.

Se conoce por el documento DE 197 58 104 A1 un procedimiento para la determinación absoluta de un ángulo de giro según el preámbulo de la reivindicación 1. En este procedimiento conocido la señal de salida de la matriz lineal de sensores se transforma en una diferencia de contraste mediante la evaluación de las variaciones de señal más nítidas llamadas flancos. Las diferencias de contraste se decodifican mediante un microcontrolador en el que se comparan con una muestra en blanco y negro que representa la información de ángulo.

Este procedimiento conocido es capaz de conseguir en condiciones ideales el objetivo de determinar el valor de ángulo buscado, sin embargo en la realidad las inevitables tolerancias mecánicas del conjunto del sistema óptico por un lado, así como en particular la sustentación del soporte de código por el otro, producen desviaciones significativas en la posición de los flancos y con ello también en las diferencias de contraste derivadas. Como medidas adicionales para la compensación de estas influencias se propone en este procedimiento iluminar la codificación con dos fuentes de luz desde direcciones distintas, o bien utilizar dos matrices lineales de sensores que se iluminan con una fuente de luz. Sin embargo esto significa en ambos casos que se requiere un coste adicional de hardware.

Partiendo del estado de la técnica presentado, el objeto de la invención consiste en mejorar adicionalmente un procedimiento del tipo mencionado al inicio, que permita determinar las influencias de las tolerancias en especial con el fin de compensarlas a continuación sin requerir coste adicional de hardware.

Según la invención este objeto se consigue de manera que la posición real de las transiciones claro/oscuro sobre la matriz lineal de sensores se compara con una curva que representa las condiciones ideales, y a partir de la distribución y de la magnitud de las desviaciones respecto de esta curva, se determinan las desviaciones debidas a las tolerancias en la construcción geométrica del dispositivo de medida.

Con ello se pueden determinar las desviaciones tanto estáticas como dinámicas debidas a las tolerancias en la construcción geométrica del dispositivo de medida, a partir de las cuales se pueden generar los valores de corrección para compensar las influencias de estas desviaciones.

En una realización preferida del procedimiento se determina, en una primera aproximación, un ancho de estructura mínimo medio de la imagen de la codificación sobre la matriz lineal de sensores, comparándose la posición de hecho de las transiciones claro/oscuro con un retículo de divisiones equidistantes.

Esta comparación de la posición de las transiciones claro/oscuro con el retículo de divisiones equidistantes se realiza preferentemente mediante una regresión lineal en la que se representan las posiciones conocidas respecto al retículo de divisiones equidistantes y se determina la recta con las menores desviaciones estándar, deduciéndose a partir de la pendiente de la recta, la medida del ancho de estructura mínimo medio de la imagen de la codificación sobre la matriz lineal de sensores, y a partir de la intersección de la recta sobre el eje, la posición geométrica de la codificación en relación con la matriz lineal de sensores.

La subreivindicaciones comprenden otras ventajas y realizaciones de la invención, así como la descripción del ejemplo de realización que sigue a continuación.

En el presente ejemplo de realización se parte de una disposición de sensor de ángulo, en el que un soporte de código que tiene una pista de código representando una codificación digital de los valores de ángulo, está fijado de forma giratoria frente a una unidad emisora-receptora optoelectrónica. La pista de código presenta una codificación unívoca de los valores de ángulo de 0 a 360º, y el receptor de la unidad emisora-receptora está formado por un sensor de fila recta formado por numerosos fotodiodos, llamado matriz lineal de fotodiodos (PDA). En el presente ejemplo se utiliza una PDA que tiene 128 fotodiodos individuales, llamados también Píxeles. Esta PDA se ilumina mediante un emisor de luz asociado o un diodo emisor de luz (LED) a través del soporte de código que contiene la codificación. La codificación se realiza por ejemplo mediante una sucesión de perforaciones que dejan pasar la luz en un soporte de código que es de un material opaco. En el caso de que la iluminación de la codificación sea radial, ésta se realiza como una pista que rodea la superficie de una camisa cilíndrica, y en el caso de una iluminación axial como una pista en forma de anilla circular de radio medio constante sobre un disco de código.

Mediante la iluminación a través de esta codificación se forma sobre la PDA una distribución de luz que representa la posición angular correspondiente. Según la resolución deseada para la codificación de ángulo, así como de las circunstancias geométricas particulares, se obtiene un ancho de estructura mínimo de la imagen de la codificación en la PDA. Así se designa la distancia más corta entre dos transiciones claro-oscuro de la distribución de luz sobre la PDA, que en el ejemplo de realización considerado corresponde a una distancia angular de aproximadamente un grado en el soporte de código, es decir una distancia de unos 10 píxeles en la PDA.

El hecho de que la codificación forme una pista curvada, pero que se proyecte sobre una fila de sensores recta, en el caso de un ancho de estructura mínimo real constante de la codificación en el soporte de código, el cual se obtiene mediante el desarrollo de la pista curvada sobre el soporte de código en la dirección de la circunferencia, tiene como efecto una variación sistemática del ancho de estructura mínimo efectivo de la imagen sobre la fila de sensores recta que depende de la posición sobre ésta. Mientras que con una codificación que se ensanchase linealmente el ancho de estructura mínimo de la imagen sobre la fila de sensores sería constante, el efecto de la pista de código curvada se manifiesta de manera que el ancho de estructura mínimo de la imagen, tiene un valor mínimo en el centro de la PDA en el caso de condiciones geométricas ideales, y aumenta hacia los bordes de la PDA. Cada desviación de la construcción respecto de la configuración geométrica ideal da lugar a un cambio en el recorrido de esta desviación sistemática. El procedimiento según la invención hace uso de este hecho, pues permite deducir a partir de la naturaleza y el tamaño de esta variación de la desviación, las tolerancias que las causan, así como aplicar las correcciones correspondientes.

La señal de salida de la PDA generada por la distribución de luz constituye el punto de partida del presente procedimiento por el que se determina la información sobre el ángulo a partir de esta señal de salida.

Para ello se determina en primer lugar la posición de las transiciones claro-oscuro en la distribución de luz sobre la PDA. Esto puede realizarse por ejemplo mediante la detección de los flancos presentes en la señal, tal como se describe en los procedimientos conocidos, o bien mediante un procedimiento de correlación de una o de varias etapas, por el que la señal de salida de la PDA se correlaciona mediante una operación de convolución con una señal de referencia.

En el procedimiento de correlación mencionado, la señal de la PDA que junto con la información deseada puede contener también diversas perturbaciones, se convoluciona con una función de filtro en un filtro de correlación, que permite reconstruir la muestra claro-oscuro de la señal de la PDA y determinar su posición respecto de la PDA. La función de filtro utilizada para ello es una curva de señal de referencia que representa bien la sucesión de código completa sobre 360º, o bien un fragmento relativamente pequeño del mismo. Un fragmento de este tipo puede ser por ejemplo una función de escalón o una función de salto, que tiene el punto de señal en el centro de una transición claro-oscuro en el correspondiente menor ancho. El resultado de este filtrado es en cada caso una función de correlación que en sus pronunciados extremos contiene la información sobre la secuencia de las transiciones claro-oscuro, así como su posición respecto de la PDA.

Las posiciones de las transiciones claro-oscuro sobre la PDA conocidas de este modo contienen simultáneamente la información sobre el ya mencionado ancho de estructura mínimo efectivo de la imagen de la codificación sobre la PDA, como sobre su recorrido en función de la posición sobre la PDA.

Debido al tipo de codificación, en el caso de una codificación lineal, la distancia entre dos transiciones sucesivas claro-oscuro debería corresponderse con un múltiplo del ancho de estructura mínimo de la imagen sobre la PDA. También es así en el caso de codificación en un pista curvada, a pesar de la desviación sistemática ya descrita por lo menos de modo aproximado, de manera que una estimación que se deduzca de esta suposición significa una buena aproximación, a partir de la cual se puede realizar un afinado del resultado.

En el procedimiento según la invención se utiliza la circunstancia, de que se adapta un retículo con divisiones equidistantes aunque variables a la sucesión de transiciones claro-oscuro. Esto puede realizarse por ejemplo con la ayuda de una regresión lineal, en la que las posiciones conocidas se refieren a un retículo con divisiones equidistantes y se determina la recta de regresión mediante el procedimiento del error cuadrático. La pendiente de la recta ajustada proporciona la medida buscada para el ancho de estructura mínima medio que mejor representa las circunstancia reales.

Además la intersección con el eje de esta recta reproduce la posición geométrica del código respecto de la PDA. Aquí debe mencionarse que para la determinación de esta posición no se ha recurrido a ningún flanco, tal como es el caso en los procedimientos conocidos del estado de la técnica. La posición del código respecto de la PDA se obtiene aquí más bien a partir del conjunto de la información de la señal de la PDA, de manera que la información representa un valor estadístico con una precisión por debajo del píxel.

En el caso ideal de una construcción libre de tolerancias geométricas con una codificación lineal, todas las transiciones claro oscuro se encontrarían sobre la recta determinada y a lo largo de toda la codificación, apareciendo desviaciones estadísticas, es decir distribuidas sin regla respecto de esta recta.

En el caso ideal de una construcción geométrica sin tolerancias con una codificación curvada todas las transiciones claro-oscuro se encontrarían sobre una curva de forma aproximadamente parabólica, alrededor de la recta determinada, que tiene un mínimo en el centro de la PDA, apareciendo también desviaciones estadísticas, es decir distribuidas sin regla, de esta curva.

En la realidad se producen desplazamientos radiales y tangenciales entre la codificación y la PDA, debidos especialmente a tolerancias del eje o de la fijación del soporte de código, debido a errores en la impresión del código, o por inclinación y/o desplazamiento de la PDA. Con motivo de estas desviaciones respecto de las condiciones ideales supuestas anteriormente, se producen desviaciones en la posición de las transiciones claro-oscuro respecto de la curva ideal, a partir de las cuales se puede reconocer claramente el tipo de desviación así como las medidas correctivas correspondientes.

Así por ejemplo, los errores de distancia entre el eje de giro del soporte de código y la PDA se manifiesta en una variación de la curvatura de la curva, dando lugar una mayor distancia a una menor curvatura y una menor distancia a una mayor curvatura de la curva. Por lo tanto, a partir de la curvatura de la curva se puede deducir la desviación radial de la fijación.

Los desplazamientos tangenciales, es decir laterales de la PDA respecto de la posición ideal dan lugar a un desplazamiento del mínimo de la curva respecto del centro hacia uno u otro extremo de la PDA.

Estas y otras desviaciones combinadas respecto de la posición ideal pueden determinarse a partir del recorrido de la curva y pueden ser compensadas mediante las correcciones correspondientes. En esto pueden tomarse en cuenta tanto las desviaciones estáticas condicionadas por la construcción, como las desviaciones dinámicas, es decir, que varían a lo largo del movimiento del soporte de código.

Para ello con cada cálculo de ángulo se determina periódicamente el error de posición entre el soporte de código y la PDA en forma de vector, es decir un valor y una dirección, y se convierte en una corrección del valor de ángulo, con la cual se corrige el ángulo medido antes de su salida hacia los dispositivos de control dispuestos a continuación o de su proceso en los mismos.

Claims (8)

1. Procedimiento para la determinación absoluta de un ángulo de giro, en particular de la posición angular del volante de un vehículo automóvil, mediante una unidad emisora receptora que comprende una fuente de luz y una matriz lineal de sensores compuesta por numerosos elementos conversores optoelectrónicos, así como un soporte de código dispuesto de forma giratoria frente a aquella, el cual tiene un código de valores de ángulo unívoco y de una sola pista, formándose sobre la matriz lineal de sensores una imagen de un segmento continuo de la pista de código y evaluándose la señal de salida de la matriz lineal de sensores para la determinación de una palabra de código correspondiente al valor de ángulo actual, caracterizado porque la posición real de las transiciones claro/oscuro sobre la matriz lineal de sensores se compara con una curva que representa las condiciones ideales, y a partir de la distribución y de la magnitud de las desviaciones respecto de esta curva, se determinan las desviaciones debidas a las tolerancias en la construcción geométrica del dispositivo de medida.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se determinan las desviaciones estáticas y/o dinámicas debidas a las tolerancias en la construcción geométrica del dispositivo de medida.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque a partir de las desviaciones debidas a las tolerancias se generan los valores de corrección para compensar las influencias sobre los resultados de la medición de estas desviaciones.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque en una primera aproximación se determina un ancho de estructura mínimo medio de la imagen de la codificación sobre la matriz lineal de sensores, comparándose la posición de hecho de las transiciones claro/oscuro con un retículo de divisiones equidistantes.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la comparación de la posición de las transiciones claro/oscuro con el retículo de divisiones equidistantes se realiza mediante una regresión lineal en la que se representan las posiciones conocidas respecto al retículo de divisiones equidistantes y se determina la recta con las menores desviaciones estándar.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque la medida del ancho de estructura mínimo medio de la imagen de la codificación sobre la matriz lineal de sensores se deduce a partir de la pendiente de la recta, y la posición geométrica de la codificación en relación con la matriz lineal de sensores se deduce a partir de la intersección de la recta con el eje.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la posición de las transiciones claro/oscuro en la señal de salida de la matriz lineal de sensores se realiza mediante la evaluación de los flancos de la señal.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la posición de las transiciones claro/oscuro en la señal de salida de la matriz lineal de sensores se determina obteniendo una función de correlación en un filtro de correlación, mediante una operación de convolución de la señal de salida con una señal de referencia que representa una señal de codificación, dando los valores extremos de la función de correlación la posición de las transiciones claro/oscuro de la señal de código.