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Dokumentenidentifikation DE3405933C2 19.05.1993
Titel Verfahren zur Ermittlung des Kurses eines bewegbaren Objekts
Anmelder Teldix GmbH, 6900 Heidelberg, DE
Erfinder Rogge, Joachim, Dr.-Ing., 6922 Meckesheim, DE
Vertreter Kammer, A., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 6832 Hockenheim
DE-Anmeldedatum 18.02.1984
DE-Aktenzeichen 3405933
Offenlegungstag 22.08.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.05.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.1993
IPC-Hauptklasse G01C 21/08
IPC-Nebenklasse G01C 17/28   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Kurses eines bewegbaren Objekts, insbesondere eines Fahrzeugs, enthaltend eine Magnetsonde zur Sensierung der Richtung des Erdmagnetfeldes, wobei die Magnetsonde auf einem Ringkern eine Erregerspule, eine erste Sekundärspule und orthogonal zu dieser eine zweite Sekundärspule aufweist, wobei die elliptische Ortskurve des mit der Magnetsonde gemessenen Erdfeldes ermittelt wird.

Aus der DE-OS 32 08 483 ist eine Kursermittlungseinrichtung bekannt, die das oben genannte Verfahren anwendet. Zur Bestimmung des Erdfeldvektors ist es erforderlich, ein Störfeld, welches das Fahrzeug bzw. Objekt erzeugt, zu eliminieren. Dieses Störfeld macht sich dadurch bemerkbar, daß der Nullpunkt des Erdfeldvektors verschoben ist. In einer Rechen- und Speichereinrichtung werden die Werte der Nullpunktsverschiebung erfaßt und entsprechend die ermittelten Werte des gestörten Erdfeldes korrigiert.

Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Fehler bzw. eine Verzerrung des Erdfeldvektors entsteht durch eine Polprägung, die durch die weichmagnetischen Teile eines Fahrzeugs verursacht wird. Diese Polprägung, die sich in einer Flußkonzentration bzw. Abschwächung in bestimmten Bereichen bemerkbar macht, ist je nach Lage der Magnetsonde in Bezug auf das Fahrzeug unterschiedlich.

Eine ebenfalls auftretende Fehlerquelle beruht auf der Drift, d. h. der Verschiebung des Arbeitspunktes, der an die Magnetsonde angeschlossenen Meßanordnung. Eine Kompensation solcher Meßfehler sieht die DE-OS 32 08 483 nicht vor.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem Meßfehler, welche auf die Arbeitspunktdrift der Meßanordnung zurückzuführen sind, ausgeglichen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Kursermittlungsvorrichtung.

Fig. 2 eine Darstellung des gestörten Erdfeldvektors.

Die Kursermittlungsvorrichtung in Fig. 1 enthält eine Magnetsonde 1, die auf einem Ringkern 2 eine Primärspule 3 und zwei in einem Winkel von 90° zueinander angeordneten Sekundärspulen 4, 5 aufweist. Ein externes Magnetfeld, welches durch den Pfeil 6 angedeutet ist, erzeugt eine Amplitudenmodulation der zweiten Oberwelle des in den Sekundärspulen induzierten Signals. Die Signale der Sekundärspulen werden über eine Umschalteinrichtung 9 einem Filter 7 und einem nachgeschalteten Verstärker 8 zugeführt. Die verstärkten Signale gelangen zu einer Berechnungseinheit 10, die die Richtung φK des ungestörten Erdfeldvektors bildet. Das somit erhaltene genaue Richtungssignal wird einer Richtungsanzeige 14 zugeführt zur Darstellung der Richtung des Fahrzeugs.

Die Bildung eines Erdfeldvektorsignals, das mit großer Genauigkeit dem tatsächlichen Erdfeldvektor entspricht, ist in Fig. 2 dargestellt. Es wird die Projektion des Erdfeldvektors in der Horizontalebene gemessen. Von diesem Meßvektor werden die Komponenten HMX und HMY mit den beiden orthogonal zueinander angeordneten Sekundärspulen 4, 5 der Magnetsonde 1 bestimmt. Der Fußpunkt des Meßvektors befindet sich im Koordinatennullpunkt. Die Ortskurve des Vektors ist eine Ellipse, die beliebig in der Ebene liegt. Es ist



wobei

den Vektor des hartmagnetischen Störfeldes im Meßbereich der Sonde und

einen Restvektor darstellt.

Der Restvektor läßt sich beschreiben nach der Beziehung



wobei

der Vektor des ungestörten Erdfeldes im Meßbereich der Sonde und

der Vektor des im Weicheisen durch das Erdfeld induzierten Störfeldes darstellt.

Dieser Vektor entsteht beispielsweise durch einen oder mehrere Magnetpole, die das Erdfeld verzerren. Durch diese Verzerrung entsteht näherungsweise eine elliptische Ortskurve 15 des Erdfeldvektors.

Die Spitze des Erdfeldvektors dreht sich bei Drehung des Fahrzeugs im ungestörten Zustand auf einer Kreisbahn 16. Ziel der Berechnung ist es, den Drehwinkel φK des Erdfeldvektors zu bestimmen, der ein direktes Maß für die Fahrzeugdrehung ist.

Zu diesem Zweck müssen in irgendeiner Form die Parameter der Ellipse ermittelt werden. Anschaulich läßt sich die Ellipse wie folgt beschreiben:





hierbei gilt:

x; y laufende Koordinaten (HMX, HMY)

a; b Ellipsenachsen

c; d Mittenversatz der Ellipse

α Drehwinkel der Ellipsenachse a in Bezug auf die x-Achse

Die Länge des ungestörten Erdfeldvektors ist der Fig. 2 zu entnehmen: HE = (a+b)/2. Die Länge des induzierten Störfeldvektors demzufolge ist HI = (a-b)/2.

In der Fig. 2 ist das hartmagnetische Störfeld etwa 2S-mal so groß wie das Erdfeld , und das induzierte Magnetfeld bewirkt einen zusätzlichen Winkelfehler δ von maximal etwa 15°.

Die Meßwerte zur Berechnung werden nach dem folgenden Verfahren ermittelt.

Zur Bestimmung der 5 Ellipsenparameter müssen 5 Gleichungen aufgestellt und dazu 5 beliebige Wertepaare der Sondensignale bei verschiedenen Winkelstellungen gemessen werden.

Die Verteilung der Meßpunkte über den ganzen Umfang ist sinnvoll und setzt voraus, daß ein Fahrzeug mit der Kursermittlungsvorrichtung einen Rundkurs über 360° fährt. Die Bahnkurve ist hierbei beliebig, sollte aber aus praktischen Gründen einem Kreis angenähert sein.

Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß beliebig viele Meßpunkte erzeugt werden können, die einen guten Ausgleich der Meßwertstreuungen erlauben.

Mit den gemessenen Werten werden die Ellipsenparameter berechnet.

Das Verfahren zur Bestimmung der Ellipsenparameter ist im folgenden dargestellt.

  • 1. Man geht von einer allgemeinen Gleichung der Ellipse aus, die die Form hat

    ex² + 2 fxy + gy² + 2 hx + 2 jy + 1 = 0 (4)

  • 2. Es werden 5 geeignete Meßwertpaare ausgewählt, die einigermaßen gleichmäßig über die Ellipse verteilt sind.
  • 3. Die Wertepaare werden in die allgemeine Gleichung eingesetzt. Aus den dadurch gewonnenen 5 Gleichungen werden die 5 unbekannten Parameter e bis j berechnet. Die Parameter werden abgespeichert.
  • 4. Die Schritte 2 und 3 werden mit den jeweils benachbarten 5 Meßwertpaaren wiederholt, bis auf diese Weise alle Werte verarbeitet worden sind.
  • 5. Infolge Meßwertstreuung unterscheiden sich die entsprechenden berechneten Ellipsenparametern voneinander. Daher werden die Mittelwerte von e, f, g, h und j gebildet.
  • 6. Nach bekannten Rechenmethoden werden aus den Mittelwerten die in Gleichung (3) genannten Ellipsenkenngrößen a, b, c, d und α bestimmt.


Aus dem Mittenversatz c, d der Ellipse läßt sich der durch hartmagnetische Eigenschaften erzeugte Störvektor ermitteln und ebenfalls kompensieren.

Aus der Differenz der Vektoren und ergibt sich der Restvektor mit der Richtung



Aus den Beträgen HR, HI und HE läßt sich nach dem Kosinussatz δ bestimmen. Es ist



Der gesuchte kompensierte Kurswinkel φK ist dann

φk = φ-δ (7)

Weiterhin läßt sich durch die im folgenden beschriebene Methode der Verstärkungsfaktor der Meßanordnung überprüfen und sein eventuelles Wegdriften bei der Meßwertverarbeitung berücksichtigen. Da angenommen werden kann, daß die Anlage nicht schnell driftet, kann von einer häufigen Überprüfung abgesehen werden.

Es wird zunächst durch Messung von HMX und HMY die Steigung HMY/HMX des Meßvektors berechnet. Eine Nullpunktsgerade mit dieser Steigung schneidet die Ellipse in der Regel zweimal. Dann berechnet man die Istlänge



Mit Hilfe dieser Längenbestimmung läßt sich abschätzen, ob der untere oder - wie gezeichnet - der obere Schnittpunkt der Nullpunktsgeraden mit der Ellipse der der Spitze des Vektors am nächsten liegende ist. Der Abstand zwischen Nullpunkt und dem der Spitze des Vektors am nächsten liegenden Schnittpunkt ist die Sollänge HMS des Vektors .

Die Differenz von HMI und HMS ist bedingt durch die Drift der Meßanordnung. Wenn mit dem Korrekturfaktor k = HMS/HMI die in der Folgezeit gemessenen Vektoren multipliziert werden, wird dadurch der Drifteinfluß ausgeglichen. Der Faktor k muß als Mittelwert über mehrere zeitlich benachbarte Kontrollen bestimmt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Ermittlung des Kurses eines bewegbaren Objekts, insbesondere eines Fahrzeugs, wobei mittels einer Magnetsonde, die einen Ringkern mit einer Erregerspule, einer ersten Sekundärspule und einer zu dieser orthogonal angeordneten zweiten Sekundärspule aufweist, der Erdmagnetfeldvektor als Ausgangsgröße zur Bestimmung des Kurses des bewegbaren Objekts gemessen und durch Drehung der Magnetsonde in der Horizontalebene die elliptische Ortskurve des Erdmagnetfeldvektors ermittelt und in einem in der Horizontalebene liegenden zweidimensionalen Koordinatensystem dargestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem
    1. - in dem zweidimensionalen Koordinatensystem die Richtung und die Istlänge (HMI) eines bestimmten Erdmagnetfeldvektors () ermittelt werden,
    2. - danach der der Spitze des Erdmagnetfeldvektors () am nächsten liegende Schnittpunkt einer durch den Erdmagnetfeldvektor () gelegten Nullpunktsgeraden mit der elliptischen Ortskurve (15) berechnet
    3. - und anschließend die Entfernung (HMS) dieses Schnittpunktes vom Koordinatennullpunkt als Sollänge des Erdmagnetfeldvektors ( bestimmt wird
    4. - und daß zur Kompensation einer Drift einer an die Magnetsonde (1) angeschlossenen Meßanordnung (7-10, 14) in der Folgezeit gemessene Erdmagnetfeldvektoren mit einem Korrekturfaktor k = HMS/HMI multipliziert werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngrößen der elliptischen Ortskurve (15) aus mindestens fünf Meßwertpaaren (HMX, HMY) des Erdmagnetfeldvektors () ermittelt werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertpaare (HMX, HMY) während der Drehung der Magnetsonde (1) um 360° gewonnen werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegung in Weg- oder Winkelinkremente unterteilt ist und jedes Inkrement oder ein Vielfaches davon die Aufnahme eines Meßwertpaares (HMX, HMY) auslöst.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung der Magnetsonde (1) an einem Fahrzeug die Drehung der Magnetsonde (1) durch kontinuierliches oder abschnittsweises Fahren eines Rundkurses bewerkstelligt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Wegzähler gebildeten Weginkremente die Meßpunkte bestimmen.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der Meßwertstreuung bei der Bestimmung der Kenngrößen der elliptischen Ortskurve (15) über mehrere Sätze von Kenngrößen gemittelt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor k = HMS/HMI durch Mittelwertbildung mehrerer zeitlich benachbarter Messungen der Soll- und Istlänge (HMS, HMI) gewonnen wird.






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