DE3687173T2

DE3687173T2 - Einrichtung zum generieren eines kurssignals fuer ein landfahrzeug.

Info

Publication number: DE3687173T2
Application number: DE8686301544T
Authority: DE
Inventors: Stanley K Honey; Kenneth A Milnes; Walter B Zavoli
Original assignee: Etak Inc
Current assignee: TomTom North America Inc
Priority date: 1985-03-06
Filing date: 1986-03-05
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2006-03-06
Also published as: EP0194802A2; DE3687173D1; US4734863A; EP0194802B1; CA1268240A; ATE83069T1; JP2681628B2; EP0194802A3; JPS61258112A

Description

Feld der Erfindung

Die Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung, welche eine genaue Information bezüglich der Ausrichtung eines Landfahrzeuges zur Verfügung stellt.

Hintergrund der Erfindung

Eine Vielzahl von automatischen Fahrzeug-Navigations- Systemen sind entwickelt worden und werden gebraucht um Informationen über die aktuelle Position des Fahrzeuges und seiner Bewegung über Straßen zur Verfügung zu stellen. Ein Beispiel für einen allgemeinen Ansatz für solch ein Fahrzeug-Navigations-System ist bekannt als "Koppel- Navigation" in welcher das Fahrzeug verfolgt wird durch das Weiterführen einer gekoppelten Position aus der gemessenen, zurückgelegten Distanz und der Richtung des Fahrzeuges.
Ein zentraler Punkt für all diese Koppel-Navigations- Systeme für Fahrzeuge ist die Notwendigkeit der Erzeugung von Daten bezüglich der Ausrichtung des Fahrzeuges, welches sich durch stetig ändernde Bedingungen bewegt. Jeglicher Fehler, welcher in der Ausrichtungsinformation durch das System erzeugt wird, überträgt sich direkt auf einen Fehler bezüglich der Position des Fahrzeuges, welcher durch Koppel-Navigations-Systeme ermittelt wird.
Einige Systeme im Stand der Technik benutzen einen absoluten Ausrichtungssensor, wie z. B. einen Magnetkompaß oder einen Kreiselkompaß, um Daten bezüglich der Ausrichtung des Fahrzeuges zu erzeugen. Kreiselkompasse sind teuer und nicht geeignet zum Gebrauch in Fahrzeugen wie z. B. Automobilen oder anderen Landfahrzeugen mit schnellen Richtungs- und Bewegungsänderungen.
Magnetkompasse arbeiten ebenfalls nicht ideal, da z. B. die Straßen von großen Stahlkonstruktionen umgeben sein können, welche Abweichungen des magnetischen Erdfeldes um diese Konstruktionen bedingen, wodurch wiederum Abweichungen im ausgelesenen magnetischen Kurs entstehen, wenn das Fahrzeug sich durch diese Gebiete bewegt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß die Straßen seitlich oder in Vorwärts- Richtung geneigt oder auch gewellt sind wodurch wiederum andere Fehler wie z. B. magnetische Inklinationsfehler entstehen, welche sich wieder in den erzeugten Signalen durch den Sensor widerspiegeln. Wenn der Magnetkompaß kardanisch aufgehängt ist, so beeinflussen Beschleunigungen des Fahrzeuges die Ausrichtung des Kompasses und bedingen dadurch entsprechende magnetische Inklinationsfehler.
Ein anderer Typ von Richtungssensoren mißt die relative Ausrichtung. Als Beispiel seien genannt der Richtungskreiselkompaß, ein Gasdrehratensensor, ein Laserkreiselkompaß, ein vibrierender Stabdrehratensensor und der differentielle Odometer. Diese Arten von Sensoren messen Drehraten, mit welchen die relative Ausrichtung des Fahrzeuges zu einer bestimmten Zeit aus einer früher eingegebenen Ausrichtung errechnet wird. Relative Ausrichtungssensoren sind auch Gegenstand einer Vielzahl von Fehlern, welche durch Temperatur, Komponentendrifts und Komponentenabweichungen entstehen. Differentielle Odometer sind Gegenstand von Fehlern bezüglich der Charakteristiken von Straßen, Reifen des Fahrzeuges oder des Fahrzeuges selbst wie z. B. gewellte Straßen, holprige Straßen, ungleichmäßiger Lauf der Räder über die Straße, Fehleinstellungen der Räder usw. Aus diesen und anderen Gründen ist es sehr schwierig, die Genauigkeit dieser Art von Sensoren zu erhalten.
Für jeden gegebenen Typ von Ausrichtungssensor sind die Fehlerquellen im erzeugten Sensorsignal zum großen Teil außerhalb des Sensors selbst gelegen, so daß eine Kalibrierung des Sensors einige Quelle bezüglich der Ausrichtungsungenauigkeiten des Landfahrzeuges nicht kompensieren kann. Da alle Richtungssensoren Fehler beinhalten, welche durch Kombinationen von Zuständen des Fahrzeuges, des Sensors und der Straßen bzw. des Gebietes über welches sich das Fahrzeug bewegt erzeugt werden, können Navigationssysteme der bekannten Art keine genauen Daten bezüglich der Ausrichtung des Landfahrzeuges erzeugen.
Es besteht daher die Notwendigkeit für eine Vorrichtung zur Erzeugung genauer Daten bezüglich der Ausrichtung von Landfahrzeugen, welche sich durch stetig ändernde Bedingungen bewegen, wie z. B. ein Landfahrzeug, welches über unterschiedliche Oberflächen und durch unterschiedliche Umweltbedingungen sich bewegt.
Die Patentschrift US-A-4032758 offenbart ein kompensiertes Fahrzeug-Ausrichtungssystem. In diesem System wird die Ausrichtungsinformation durch einen magnetischen Sensor und Bewegungssensoren zur Verfügung gestellt. Es werden die Daten aus den Bewegungssensoren mit den Daten aus dem magnetischen Sensor kombiniert und verglichen, um Ausrichtungsdaten zu erzeugen.
Die Schriften US-A-4351027, US-A-3749893 und GB-A-2144007 beschreiben alle den Gebrauch von Filtern für Navigationsvorrichtungen.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Daten bezüglich der Ausrichtung von Landfahrzeugen, welche selbstverständlicherweise eine Vielzahl von Sensoren zur Erzeugung einer Vielzahl von unabhängigen Richtungssignalen einschließlich der Ausrichtungsinformation, welche die Ausrichtung eines Landfahrzeuges anzeigt, beinhalten, wobei die Richtungssignale Fehler enthalten und Verarbeitungsmittel vorgesehen sind, welche auf die Vielzahl von unabhängigen Richtungssignalen zur Erzeugung einer geschätzten Richtung des Landfahrzeuges antworten. Entsprechend der Erfindung beinhalten die Verarbeitungsmittel Filtermittel, welche auf ein Filterkontrollsignal zur Reduzierung des Effektes vorgenannter Fehler antworten und Mittel zur Erzeugung des Filterkontrollsignals in Antwort auf Parameter, welche eine geschätzte Fehlergröße von mindestens einem Richtungssignal anzeigen.
Die Vielzahl von unabhängigen Richtungssignalen beinhalten typischerweise Fehler, welche eine grundlegend unabhängige spektrale Charakteristik aufweisen. Mit anderen Worten: Die Fehler welche aus der Vielzahl von Sensoren erhalten werden, spiegeln die unabhängigen Richtungssignale mit Frequenz-Charakteristiken wieder, welche sich von der Frequenz-Charakteristik, welche durch andere unabhängige Richtungssignale erhalten werden, unterscheiden. In einer Ausführungsform filtern die kontrollierten Filtermittel selektiv mindestens ein Signal der Vielzahl von unabhängigen Richtungssignalen entsprechen der spektralen Charakteristik der Fehler welche in dem genannten mindestens einem Richtungssignal enthalten sind. Dadurch wird die Ausrichtungsinformation aus diesem Richtungssignal im wesentlichen fehlerfrei wiedererlangt.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet die Vielzahl von unabhängigen Richtungssignalen mindestens ein erstes Richtungssignal, welches Fehler mit einer primären ersten spektralen Charakteristik beinhaltet und ein zweites Richtungssignal, welches Fehler mit einer primären zweiten spektralen Charakteristik beinhaltet, wobei dieses sich von der ersten spektralen Charakteristik unterscheidet. In dieser Vorrichtung beinhalten die Bearbeitungsmittel ein erstes Mittel zur Kombinierung des ersten Richtungssignals und des zweiten Richtungssignals, um ein kombiniertes Fehlersignal zu generieren, in dem sie die ersten und die zweiten Fehler von der Ausrichtungsinformation isolieren. Dieses kombinierte Fehlersignal wird als Filter- Kontrollsignal genutzt, so daß die Filtermittel das kombinierte Filtersignal entsprechend der ersten spektralen Charakteristik filtern, um ein gefiltertes Fehlersignal zu erhalten, welches im wesentlichen nur die zweiten Fehler enthält. Das gefilterte Fehlersignal und das zweite Richtungssignal können zu einem zweiten kombinierenden Mittel geleitet werden, in welchem die zweiten Fehler durch das gefilterte Fehlersignal ausgeglichen werden, wodurch eine verbesserte geschätzte Ausrichtungsinformation erlangt wird.
Weiterhin kann das Fahrzeug-Navigations-System eine Speichereinrichtung zur Speicherung einer Kartendatenbank beinhalten, wobei diese Daten Informationen bezüglich der Ausrichtung der Straßen in der Karte beinhalten. Das FahrzeugNavigations-System stellt Mittel zur Erkennung, daß das Fahrzeug sich in einer bestimmten Straße befindet und zur Erzeugung eines Signals bezüglich der Ausrichtung des Fahrzeuges wenn erkannt wird, daß das Fahrzeug sich in dieser bestimmten Straße befindet, zur Verfügung.
Vorgesehen ist in diesem Aspekt der Erfindung ein Mittel, welches auf ein Kontrollsignal antwortet, um zwischen den Ausrichtungsdaten, welche von der Kartendatenbank erhalten werden, und den Ausrichtungsdaten, welche durch einen der Richtungssensoren generiert werden, auszuwählen.
Die Sensormittel können einen ersten Sensor zur Erzeugung eines relativen Richtungssignals beinhalten, welches eine Ausrichtungskomponente beinhaltet, welche eine Ausrichtungsrichtung des Landfahrzeuges relativ zu einer vorhergehenden Ausrichtung des Landfahrzeuges beinhaltet und ebenso eine erste Fehlerkomponente beinhaltet, weiterhin einen zweiten Sensor zur Erzeugung eines absoluten Richtungssignals, welches eine Ausrichtungskomponente beinhaltet, welche eine Ausrichtungs-Richtung des Landfahrzeuges, relativ zur Erde und einer zweiten Fehlerkomponente, anzeigt. In diesem Fall kann das Verarbeitungsmittel in Kommunikation mit dem ersten Mittel und dem zweiten Mittel stehen und weiterhin ein Mittel beinhalten, welches dem relativen Richtungssignal und dem absoluten Richtungssignal eine Wichtung zuordnet; außerdem sind Mittel vorgesehen zur Kombinierung des relativen Richtungssignals und des absoluten Richtungssignals unter Berücksichtigung der zugeordneten Wichtung und außer dem Mittel für die Unterstützung der Parameter in Antwort auf eine geschätzte Größe der Komponente von einem absoluten Richtungssignal oder relativen Richtungssignal.
Weitere Ausstattungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindungen werden im folgenden im Wege von Beispielen beschrieben mit Bezugszeichen zu der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.

Kurzfassung der Zeichnungsbeschreibungen

Fig. 1 zeigt ein System/Überblick-Blockdiagramm der Erfindung.
Fig. 1A-1C stellt verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dar.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3A-3E sind Graphen von Signalen, welche in der Beschreibung der Vorrichtung von Fig. 1 genutzt werden.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der Filter-Kontrollmittel, welche in Verbindung mit der Vorrichtung aus Fig. 2 genutzt werden.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm des Auswahlkontrollmittels, welches in Verbindung mit der Vorrichtung aus Fig. 2 genutzt wird.
Fig. 6 ist eine Darstellung, welche die Kartendatenbank veranschaulicht.
Fig. 7 ist ein Fließschema, welches eine Unter-Routine zur Bestimmung, ob das Fahrzeug sich parallel zu einer speziellen Straße in der Kartendatenbank bewegt, zeigt.
Fig. 8 und 8A-8H zeigt Flußdiagramme zur Verdeutlichung der Methode der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Mit Bezug auf die Figuren ist ein Systemüberblick der vorliegenden Erfindung dargestellt, gefolgt durch eine Diskussion der Basistheorie des Betriebes und eine Beschreibung einer bevorzugten Ausführung.

I. Überblick

Die Komponenten der Vorrichtung 10, bezogen auf die vorliegende Erfindung, können im Systemüberblick gezeigt in der Fig. 1 gesehen werden. Die Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Vielzahl 5 von Sensoren einschließlich mindestens eines ersten Sensors 11 zur Erzeugung eines ersten Richtungssignals einschließlich der Ausrichtungsinformation in der Leitung 12 und einem zweiten Sensor 13, welcher ein zweites Richtungssignal erzeugt, welches eine Ausrichtungsinformation auf der Leitung 14 erzeugt, welche unabhängig vom ersten Richtungssignal ist. Das erste und zweite Richtungssignal beinhaltet erste und zweite Fehler zusätzlich zu den Ausrichtungsinformationen. Die ersten Fehler haben eine erste Spektralcharakteristik. Die zweiten Fehler im zweiten Ausrichtungssignal haben eine zweite Spektralcharakteristik, welche sich von der ersten Spektralcharakteristik unterscheidet.
Das zweite Richtungssignal auf der Leitung 14 und das erste Richtungssignal auf der Leitung 12 sind verbunden mit einem ersten Kombinierungsmittel 15 zur Kombinierung des ersten Richtungssignals und des zweiten Richtungssignals zur Erzeugung eines kombinierten Fehlersignals auf Leitung 16. Das kombinierte Fehlersignals ist die Differenz zwischen dem ersten Richtungssignal und dem zweiten Richtungssignal, so daß die Ausrichtungsinformation aus dem kombinierten Fehlersignal gelöscht ist. Das kombinierte Fehlersignal des ersten Kombinierungsmittels 15, genannt DELTA, ist über die Leitung 16 dem Filtermittel 17 zur Verfügung gestellt, um das DELTA entsprechend der zweiten spektralen Charakteristik zu filtern. Der Ausgang des Filtermittels 17 ist ein gefiltertes Fehlersignal F-DELTA auf Leitung 18 von welchem die zweiten Fehler im wesentlichen ausgefiltert wurden, wobei die ersten Fehler verbleiben. Das erste Richtungssignal von Leitung 12 und F-DELTA auf Leitung 18 ergeben den Eingang zu einem zweiten Kombinierungsmittel 19. Das zweite Kombinierungsmittel 19 kombiniert das F-DELTA-Signal und das erste Richtungssignal, welches im wesentlichen das erste Fehlersignal ausgleicht, um eine verbesserte geschätzte Ausrichtung EH auf Leitung 20 zu generieren, um die Ausrichtung des Landfahrzeuges, auf dem die Vorrichtung montiert ist, zu schätzen.
Zusammengefaßt beinhaltet die Vorrichtung 10, welche in Fig. 1 gezeigt ist, mindestens einen ersten Sensor 11, einen zweiten Sensor 13 und Verarbeitungsmittel 21, welche auf ein erstes Richtungssignal antworten, welches durch den ersten Sensor 11 generiert wird und auf das zweite Richtungssignal antworten, welches durch den zweiten Sensor 13 generiert wird, wodurch wieder Daten auf Leitung 20 bezüglich der geschätzten Ausrichtung EH des Fahrzeuges generiert werden.

II. Theorie des Betriebs

Die vorliegende Erfindung ist in Form von "spektralen Charakteristiken" von Fehlern in Richtungssignalen beschrieben. Die spektralen Charakteristiken von Fehlern in speziellen Richtungssignalen sind teilweise bestimmt durch den Typ des Richtungssensors, welcher das Signal generiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie nachfolgend beschrieben ist, ist das erste Sensormittel mit einem relativen Richtungssensor wie z. B. einem differentiellen Odometer ausgestattet, welcher ein relatives Richtungssignal RDS erzeugt, während ein zweites Sensormittel mit einem absoluten Richtungssensor, wie z. B. einem Kompaß ausgestattet ist, welcher ein absolutes Richtungssignal ADS erzeugt. Wie schon vorher erwähnt, ist ein absoluter Richtungssensor, wie z. B. ein magnetischer Kompaß Gegenstand von magnetischen Abweichungen, welche Kurzzeitfehler erzeugen. Genauer gesagt erzeugen diese Abweichungen Fehler in dem ADS für Entfernungen relativ nahe zum Ort der Abweichung. D.h. wenn ein Fahrzeug eine solche Abweichung passiert, ist dieser Effekt nur für eine kurze Distanz zu sehen. Da Abstand und Zeit in direkter Relation miteinander stehen (Geschwindigkeit·Zeit = Abstand) ist es sehr nützlich Zeit gegen Abstand auszutauschen und die mehr gebräuchliche Zeit/Frequenz-Analogie bei der Diskussion der vorliegenden Erfindung zu gebrauchen. D.h. die Fehler in dem ADS sind begrenzt auf das relativ hohe Ende des Richtungsignal- Spektrums, d. h. sie haben Komponenten mit relativ hoher Frequenz.
Im Gegensatz dazu sind die primären Fehler des RDS relativ langzeitig (d. h. mit langem Abstand) ausgelegt und daraus folgt, sie sind an das relativ niedrige Ende des Ausrichtungssignal-Spektrums gebunden, d. h. sie haben Komponenten mit relativ niedriger Frequenz.
Schließlich können wir uns die aktuelle Ausrichtungsinformation mit einer zu einer bestimmten oder anderen Zeit vorhandenen spektralen Charakteristik, welche alle Frequenzkomponenten im Ausrichtungssignalspektrum beinhaltet, vorstellen. So wird beispielsweise während des Umfahrens einer scharfen Ecke die aktuelle Ausrichtung sich schnell über eine relativ kurze Distanz und Zeit ändern, wodurch Hochfrequenz-Komponenten entstehen. Beim Fahren entlang einer geraden Straße ändert sich die Ausrichtung nur geringfügig, wodurch die niederfrequenten Komponenten ansteigen. Allgemein heißt dies, die Frequenzkomponenten der Ausrichtung werden über ein weites Spektrum in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Route variieren.
Da die aktuelle Ausrichtung über ein weites Spektrum variiert, ist ein einfaches Frequenzfiltern entweder des ADS-Signals oder des RDS-Signals nicht angebracht, da hierdurch zeitweise sowohl das aktuelle Ausrichtungssignal, als auch das Fehlersignal ausgefiltert wird.
Die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung subtrahiert zuerst ein Richtungssignal vom anderen, wodurch die aktuelle Ausrichtungsinformation eliminiert wird und ein kombiniertes Fehlersignal DELTA, welches die Fehler beider Signale enthält, generiert wird. Da die Fehler von beiden Sensoren unabhängig sind, wird im Mittel nichts anderes gelöscht und das verbleibende Signal DELTA repräsentiert alle Fehler. Wir können nun dieses kombinierte Fehlersignal DELTA durch einen frequenzselektiven Filter schleusen, welcher dazu abgestimmt ist, die hochfrequenten Fehlerkomponenten zu eliminieren, d. h. die Fehler, welche der spektralen Charakteristik der Fehler im ADS entsprechen. Dieses hat den Effekt, daß die hochfrequenten Fehler des ADS eliminiert werden. Idealerweise enthält das Signal F-DELTA nach der Filterung (Leitung 18, Fig. 1) nur die niederfrequenten Fehler des RDS-Signals, welche im wesentlichen unverändert bleiben. Dieses Signal wird rekombiniert mit dem RDS-Signal, um diese niederfrequenten Fehler auszulöschen, wobei idealerweise nur die aktuelle Ausrichtungsinformation am Ausgang als eine genauere Ausrichtungsschätzung EH übrig bleibt.
Wie nachfolgend beschrieben, ist die vorliegende Erfindung weiterhin durch Schätzung der relativen Größe des Fehlers im ADS und RDS verbessert. Zu verschiedenen Zeiten zeigen der eine oder der andere Sensor ein höheres Fehlerniveau an. Wenn dieses geschieht, wird der Filter so eingestellt, daß von dem Sensor, der das höhere Fehlerniveau produziert, auch mehr Fehler eliminiert werden.
Allgemein gilt, daß die geschätzte Ausrichtung EH nicht genau gleich ist mit der aktuellen Ausrichtung des Fahrzeuges, da die Kombinierungs- und Filterungsprozesse nicht ideal sind und spektrale Eigenschaften von beiden Sensoren nicht total getrennt werden können. Jedoch ergibt die vorliegende Erfindung eine grundlegend besser geschätzte Ausrichtung EH über mehr Fahredingungen und Umwelteinflüsse als sie von einem der Ausrichtungssensoren individuell erhalten werden können.
Die vorliegende Erfindung kann weiterhin in Form eines vereinfachten mathematischen Modells dargestellt werden. Die ersten Sensormittel 11 erzeugen z. B. ein relatives Richtungssignal RDS, welches die Ausrichtung des Fahrzeuges relativ zu einer früheren Ausrichtung des Fahrzeuges anzeigt. Während die ersten Sensormittel 11 ein relatives Richtungssignal RDS erzeugen, wird eine zufällige Start- Ausrichtung des Fahrzeuges im Ausgang der ersten Sensormittel 11 durch einen Ausgleich der Ausrichtung des Fahrzeuges relativ zur Erde durch einen zufälligen Wert widergespiegelt. Ebenso stellen der Schlupf von Rädern und eine nicht präzise Kalibrierung zusätzliche Fehler dar. Diese Fehler werden im RDS-Signal akkumuliert, d. h. jeder Fehler der in einem vorhergehenden Ausgang des Sensormittels 11 widergespiegelt ist, ist im laufenden Ausgang des ersten Sensormittels 11 für die derzeitige Ausrichtung enthalten. Dieses relative Richtungssignal (RDS) läßt sich vereinfacht in folgender Gleichung darstellen:
(1) RDS = H + R + D,
wobei H die Ausrichtungsinformation darstellt, R ist gleich der zufälligen Startausrichtung und D stellt die aufsummierten Fehler bezüglich Drift und anderer Fehler im generierten Signal durch den ersten Sensor dar.
Ein zweites Sensormittel 13 erzeugt z. B. ein absolutes Richtungssignal ADS, welches die Ausrichtung des Fahrzeuges relativ zur Erde anzeigt. In der bevorzugten Ausführung erfaßt das zweite Sensormittel 13 die Richtung des magnetischen Erdfeldes und berechnet die Ausrichtung des Fahrzeuges relativ zur Richtung des magnetischen Erdfeldes. Die Differenz der magnetischen Ausrichtung und der wahren Ausrichtung, genannt die Abweichung, kann leicht mit Hilfe einer Tabelle oder auf andere Art und Weise korrigiert werden und soll hierbei nicht betrachtet werden, um die Diskussion zu vereinfachen. Eine wesentliche Fehlerquelle im Ausgang des zweiten Sensormittels 13 ist durch die magnetischen Unregelmäßigkeiten wie Änderungen des magnetischen Feldes der Erde, hervorgerufen durch Änderungen der Umstände um das zweite Sensormittel 13, bedingt, wie z. B. das Fahren des Fahrzeuges über unterschiedliches Terrain oder Straßen. D.h. der Ausgang des zweiten Sensormittels 13, das absolute Richtungssignal (ADS), kann wie folgt in der vereinfachten Form dargestellt werden:
(2) ADS = H + A,
wobei H die Ausrichtungsinformation des Fahrzeuges darstellt und A gleich dem Fehler durch magnetische Unregelmäßigkeiten oder andere Fehler ist.
Die Mittel 21 zur Kombinierung des relativen Richtungssignal RDS und des absoluten Richtungssignales ADS reduzieren die Effekte des Fehlers A im absoluten Richtungssignal ADS und der Fehler D und R im relativen Richtungssignal RDS, wobei eine verbesserte Schätzung der Ausrichtung des Fahrzeuges EH auf Leitung 20 erzeugt wird.
Das erste Kombinierungsmittel 15 subtrahiert das relative Richtungssignal RDS von dem absoluten Richtungssignal ADS und erzeugt ein kombiniertes Fehlersignal DELTA:
(3) DELTA = ADS-RDS = (H + A) - (H + D + R) = A - (D + R)
In diesem Signal ist die Ausrichtungsinformation H des Fahrzeuges ausgelöscht. Alles was übrig bleibt sind die Unregelmäßigkeiten oder Anomalien A, der zufällige Startausrichtungsfehler R und der Driftfehler D. In Abwesenheit von A wird sich das DELTA-Signal typischerweise nur langsam mit einer niederfrequenten Charakteristik ändern, da R konstant ist und D sich nur langsam ändert. Die Anomalien A ändern sich jedoch im allgemeinen schnell mit der Zeit, dies heißt mit der Distanz welche das Fahrzeug zurücklegt. Diese Anomalien A können aus dem Signal durch einen Tiefpaßfilter herausgefiltert werden, welcher nur konstante Werte oder sich langsam ändernde Signale passieren läßt. Während H sich ebenso schnell ändern kann, liegt der Schlüssel dieser Ausgestaltung darin, daß zuerst H subtrahiert wird (Gleichung 3) um die Fehler zu isolieren, danach das resultierende Signal DELTA zu filtern, um A zu eliminieren und dann das resultierende gefilterte Fehlersignal F-DELTA zu nutzen, um die niederfrequenten Fehler aus dem RDS-Signal zu eliminieren und eine verbesserte Ausrichtungsschätzung zu erhalten. Die Filtermittel 17 filtern die Fehler A von DELTA, um F-DELTA zu erzeugen. Daraus folgt, daß F-DELTA entspricht:
(4) F-DELTA = - (R + D)
Das zweite Kombinierungsmittel 19 addiert dann RDS und F- DELTA, um eine verbesserte geschätzte Ausrichtung zu erzeugen:
(5) EH = RDS + F-DELTA = H + R + D - (R + D) = H
Wie das gerade beschriebene vereinfachte mathematische Modell darlegt, ist der Ausgang auf Leitung 20 der Vorrichtung 10 ein Signal, welches die Ausrichtung des Fahrzeuges schätzt.
Es sollte erwähnt werden, daß die oben gemachte Beschreibung nur eine Näherung des tatsächlichen Geschehens ist und folglich der Ausgang nicht exakt ist. Fehler wie z. B. Messungsrauschen, nicht ideales Filtern und überlappen im Spektrum von A und den anderen Fehlersignalen R und D bedingen eine Ungenauigkeit in der Schätzung.
Die Ausführung der Erfindung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, kann auf eine Vielzahl von Sensoren erweitert werden, wie es mit Hilfe der Fig. 1A, 1B und 1C beschrieben ist. Fig. 1A zeigt eine Vorrichtung 10 der Fig. 1 nochmals gezeichnet entsprechend den Standardbezeichnungen linearer Systeme (siehe z. B. Digital Signal Processing von A. Oppenheim und R. Schafer). So ist in Fig. 1A jedes Signal und jeder Filter als eine Funktion von Frequenzen (s) beschrieben. Es repräsentiert ADS(s) das absolute Richtungssignal, RDS(s) repräsentiert das relative Richtungssignal und F(s) repräsentiert den Filter. Entsprechend kann die Systemgleichung für Fig. 1A als 20 Gleichung (6) wie folgt beschrieben werden.
(6) EH(s) = RDS(s) + (ADS(s) - RDS(s)) F(s);
wobei EH(s) die geschätzte Ausrichtung als eine Funktion der Frequenz repräsentiert.
Gleichung (6) kann umgeschrieben werden in Gleichung (7) wie folgt:
(7) EH(s) = RDS(s) (1 - F(s)) + ADS(s) F(s).
Gleichung (7) kann dargestellt werden als Gleichung (8) wie folgt:
(8) EH(s) = RDS(s) F&sub1;(s) + ADS(s) F&sub2;(s);
wobei F&sub1;(s) + F&sub2;(s) = 1 für alle s gilt.
Ebenso kann Fig. 1A dargestellt werden wie es in Fig. 18 gezeigt ist. In dieser Art ist F&sub1;(s) der Filtergleichung angepaßt, um die Fehler herauszufiltern, welche eine spektrale Charakteristik besitzen, welche denen ähnlich sind, die im relativen Richtungssignal vorkommen. Ebenfalls entspricht F&sub2;(s) der Filtergleichung, welche eine Filtercharakteristik definiert, die der spektralen Charakteristik von Fehlern entspricht, welche im absoluten Richtungssignal vorkommen. Auch entsprechend der Ausführung die in Fig. 1B gezeigt ist, ist jedes Richtungssignal separat gefiltert und die gefilterten Ausgänge werden kombiniert, um eine geschätzte Ausrichtung EH(s) zu erhalten, mit der Bedingung für die Filter, daß F&sub1; und F&sub2; aufsummiert über den gesamten Frequenzbereich (s), welcher für die Berechnung der Ausrichtung relevant ist, den Wert 1 ergeben.
Eine zusätzliche Erweiterung aus der Ausgestaltung der Fig. 1B und der Gleichung (8) ist in Fig. 1C gezeigt, welche eine Ausgestaltung der Erfindung zeigt, die eine Vielzahl von Sensoren zur Erzeugung einer Vielzahl von Richtungssignalen X&sub1;(s), X&sub2;(s) . . .. XN(s) und einer Vielzahl von Filter mit Filtercharakteristiken, welche durch die Gleichungen F&sub1;(s), F&sub2;(s) . . .. FN(S) definiert sind. Die geschätzte Ausrichtung EH(s) wird erzeugt durch die Kombination der Ausgänge jedes einzelnen der Vielzahl von Filtern, wie es in der nachfolgenden Gleichung (9) gezeigt ist:
(9) EH(s) = X&sub1;(s)F&sub1;(s) + S&sub2;(s)F&sub2;(s) + . . .. XN(s)FN(s);
wobei F&sub1;(s) und F&sub2;(s) + . . .. FN(s) = 1 für alle s gilt.
In einer bevorzugten Ausführung entspricht das Xi(s) dem Signal des iiten-Sensors, Fi(s) repräsentiert die Filtergleichung, die die Filtercharakteristik definiert, die angepaßt ist, um Fehler herauszufiltern, welche eine spektrale Charakteristik besitzen, die im Signal Xi(s) des iiten-Sensors vorkommen. D.h. jeder Sensor ist entsprechend der spektralen Charakteristik der vorkommenden Fehler im Richtungssignal, welches durch den Sensor erzeugt wird, angepaßt, mit der über alles geltenden Filterbedingung, daß die Summe der Filtergleichungen für alle in Frage kommenden Frequenzen gleich Eins ist.

III. Eine bevorzugte Ausführung

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wie es in einem Fahrzeug, welches sich über Land bewegt, implementiert ist und in Verbindung mit einem Fahrzeug-Navigationssystem Anwendung findet. Die Bezugszeichen, welche in Fig. 1 gebraucht wurden, werden in Fig. 2 zur Übereinstimmung in Fällen gleicher Anwendung gebraucht.
Die Fig. 3A bis 3E werden gebraucht, um die Betriebsweise der Vorrichtung 10 aus Fig. 2 beispielhaft darzustellen. Fig. 3A zeigt ein Beispiel des absoluten Richtungssignals ADS, welches z. B. durch einen magnetischen "flux gate"-Kompaß der im Fahrzeug montiert ist, generiert wird. Fig. 3B zeigt ein relatives Richtungssignal RDS, welches z. B. durch einen differentiellen Odometer am Fahrzeug erzeugt wird. Fig. 3C zeigt das Deltasignal, welches am Ausgang des ersten Kombinierungsmittels 15 erzeugt wird. Fig. 3D zeigt das FDELTA-Signal, welches am Ausgang des Filtermittels 17 erzeugt wird. Fig. 3E zeigt die resultierende geschätzte Ausrichtung EH des Fahrzeuges auf seinem Kurs, beispielhaft überlagert mit dem aktuellen Kurs H.
Die Vorrichtung 10 aus Fig. 2 beinhaltet das erste Sensormittel 11, das zweite Sensormittel 13, und Verarbeitungsmittel 21, einschl. dem ersten Kombinierungsmittel 15, dem Filtermittel 17 und dem zweiten Kombinierungsmittel 19.
Das erste Sensormittel 11 ist ausgeführt als differentielles Odometer 22. Der differentielle Odometer 22 ist ein Mittel zur Erzeugung eines relativen Richtungssignals RDS auf Leitung 12 durch Vergleich des Unterschiedes der zurückgelegten Strecke der Räder einer Achse des Fahrzeuges auf jeweils gegenüberliegender Seite.
Das zweite Sensormittel 13 ist verwirklicht mit einem Kompaßmittel 23 zur Erzeugung eines absoluten Richtungssignales ADS wie z. B. ein magnetischer "flux gate"-Kompaß, der in einer früheren US-Patentschrift Nr. 675, 827 (Titel "FLUX GATE SENSOR", Erfinder Alan C. Phillips), welches sich im Besitz des Inhabers dieses Patentes befindet, beschrieben ist. Die Kompaßmittel 23 erzeugen ein Signal auf Leitung 28, welches die Ausrichtung des Fahrzeuges relativ zum Magnetfeld der Erde anzeigt. Der Ausgang aus den Kompaßmitteln 23 beinhaltet eine Größenkomponente M, welche die Größe des Magnetfeldes um die Kompaßmittel 23 anzeigt und eine Richtungskomponente R, welche den Winkel der Ausrichtung des Fahrzeuges relativ zum Magnetfeld anzeigt.
Die akutellen Kompaßausgaben X und Y sind durch die Gleichung 10 und 11 beschrieben:
(10) X = M cos L cos R
(11) Y = M cos L sin R
mit, M = Größe des magnetischen Erdfeldes,
L = Winkel zwischen der Horizontalen und magnetischem Erdfeld, oder "magnetische Inklination"
e= Horizontaler Winkel des magnetischen Erdfeldes oder "Richtung".
Somit kann die Richtungskomponente R durch die Gleichung 12 gut angenähert werden, mit:
(12) R = arctan (Y/X)
Die Ausrichtungskomponente R des Ausgangs wird den Auswahlmitteln 24 zugeführt, welche für ein ADS- Kontrollsignal auf Leitung 26 verantwortlich sind und eine der beiden Eingaben als absolutes Richtungssignal ADS für die Leitung 14 auswählen. Der zweite Eingang des Auswahlmittels 24 ist in einer Kartendatenbank 25 des Fahrzeug-Navigationssystems wie beschrieben gespeichert. Die Daten, welche von der Kartendatenbank 25 erzeugt werden, zeigen die Ausrichtung des Fahrzeuges an, wenn das Fahrzeug sich bekannterweise auf einer speziellen Straße bewegt.
Im normalen Betrieb und für die Zwecke der Beschreibung der Vorrichtung 10, wie in Fig. 10 dargestellt, kann davon ausgegangen werden, daß die Auswahlmittel 24 die Ausrichtungskomponente R von Kompaßmitteln 23 als das absolute Richtungssignal ADS für die Leitung 14 auswählen. Die Erzeugung des ADS-Kontrollsignals auf Leitung 26 und die Auswahl der zwei Eingaben ist detaillierter in der nachfolgenden Fig. 5 beschrieben.
Wie oben erwähnt kann der Betrieb der Vorrichtung 10 aus Fig. 2, bezogen auf die Signalgrafiken von Fig. 3A bis 3E beschrieben werden. Beginnend mit Fig. 3E zeigt die Kurve H die aktuelle Ausrichtung des Fahrzeuges in diesem Beispiel. Entsprechen diesem Beispiel beginnt das Fahrzeug mit einer Ausrichtung von ungefähr 45 Grad Nord von Ost entlang dem Segment 101. Danach macht das Fahrzeug, anzeigt durch das Segment 102, eine Drehung von 45 Grad nach Ost. (Zum Zwecke der Verdeutlichung sind die Drehungen als augenblicklich ausgeführt dargestellt.) Das Fahrzeug fährt danach geradeaus, wie im Segment 103 gezeigt ist, bis es eine Wendung um ungefähr 120 Grad vornimmt, wie im Segment 104 dargestellt. Danach fährt das Fahrzeug geradeaus mit der resultierenden Ausrichtung von ungefähr 30 Grad West von Nord bis zum Ende dieses Beispiels entlang dem Segment 105.
Fig. 3A zeigt ein Beispiel für das absolute Richtungssignal ADS als Ausrichtungskomponente R des magnetischen flux gate-Kompasses 23. Das Signal wird durch den magnetischen flux gate-Kompaß 23 erzeugt und folgt der aktuellen Ausrichtung H. Es kann gesehen werden, daß Fehler 106 vorkommen können, die durch Abweichungen wie z. B. magnetische Inklinationsfehler erzeugt werden und die sich im Signal, welches durch den magnetischen "flux gate"- Kompaß 23 erzeugt werden, widerspiegeln. Ebenfalls zeigt die Grafik der Fig. 3A magnetische Abweichungen, die durch Stahlkonstruktionen erzeugt werden, ebenfalls kann dieses den "flux gate"-Kompaß dazu anregen, eine Spitze 107 zu erzeugen, wobei das Signal eine große Abweichung anzeigt, hier als eine 360-Grad-Wendung im ADS angezeigt.
Fig. 3B zeigt ein vereinfachtes Beispiel des RDS, welches durch den differentiellen Odometer 22 erzeugt wird. Die Anfangsausrichtung 109 ist, wie weiter oben diskutiert, ein zufälliger Wert und entspricht nicht unbedingt der tatsächlichen Ausrichtung des Fahrzeuges. Das Signal verdeutlicht die Sensordrift, hier angezeigt in der Steigung der Kurve relativ zum Richtungssignal. Die Drehungen, die durch das Fahrzeug vorgenommen werden, sind gut dargestellt mit den Segmenten 110 und 111. Jedoch bedingt durch Fehler, z. B. durch Radschlupf, erscheint die Drehung 111, die durch das relative Richtungssignal RDS angezeigt ist, etwas geringer als eine volle 120 Grad- Drehung, wie im Segment 104 gezeigt. Ebenso ist in der Fig. 3B zu erkennen, daß die Steigung im Endsegment 112 etwas größer ist als die Steigung der vorherigen Elemente dieser Figur, welches zeigt, daß der Driftfehler sich nicht bei einer konstanten Rate in dem relativen Richtungssignal akkumuliert.
Fig. 3C zeigt das DELTA-Signal, welches durch Subtraktion des absoluten Richtungssignal aus Fig. 3A vom relativen Richtungssignal aus Fig. 3B erzeugt wird. Die magnetischen Abweichungen 106 und 107 sind klar wiedergegeben im DELTA- Signal. Auch die Drift, Radschlupf und zufällige Anfangsausrichtung sind im DELTA-Signal wiedergegeben. Dies kann am Endsegment 113 gezeigt werden, welches eine größer werdende Steigung der Drift anzeigt, dargestellt durch das Segment 112 in Fig. 38. Auch ein leichter Ausgleich 114, bedingt durch den Schlupf der Räder kann im DELTA-Signal gesehen werden. Durch Abzug des RDS vom ADS haben wir die manchmal heftig variierende Ausrichtungsinformation gelöscht. Wie weiter oben diskutiert wurde, konnte nun die Abweichungen höherer Frequenz vom DELTA-Signal auf Leitung 16 durch die Filtermittel 17 herausgefiltert werden, ohne die Ausrichtungsinformationen H zu beeinflussen und ein F- DELTA-Signal erzeugt werden, wie es in Fig. 3D dargestellt ist. Das F-DELTA-Signal von Leitung 18 aus der Fig. 3D ist dem DELTA-Signal aus Fig. 3C mit einigen Ausnahmen ähnlich. Am bemerkenswertesten ist die Reduktion der Spitze 107. Weniger bemerkenswert ist die etwas geringere Reduktion der magnetischen Inklinationsfehlerabweichung 106 und der Radschlupf 114. Die Neigung durch die Drift ist erhalten geblieben, obwohl eine leichte neigungsabhängige Verschiebung durch den Filter aus Punkt 115 und 116 eingeführt ist.
Das F-DELTA-Signal ist danach zum relativen Richtungssignal über ein zweites Kombinierungsmittel 19 addiert worden, und der Ausgang ist eine geschätzte Ausrichtung EH zuzüglich der magnetischen Variation und überlagert von einer aktuellen Ausrichtung H, wie es in Fig. 3E dargestellt ist. Die geschätzte Ausrichtung H ist nicht Gegenstand der Mehrheit der Abweichungen, welche im absoluten Richtungssignal und im relativen Richtungssignal wiedergegeben werden.
Die Charakteristik der Filtermittel 17 bestimmen die relative Charakteristik der Vorrichtung 10 bei der Eliminierung der Fehler in den ADS- und RDS-Signalen. Entsprechend wirkt das Setzen der Charakteristik der Filtermittel 17 direkt auf die Ansprechempfindlichkeit der Vorrichtung 10 bei der Erzeugung genauer Daten bezüglich der geschätzten Ausrichtung des Fahrzeuges. In der bevorzugten Ausführung arbeiten die Filtermittel 17 mit einer periodischen Signalabtastung des DELTA-Signals von Leitung 16 vom ersten Kombinierungsmittel 15 über Perioden der zurückgelegten Distanz und Filterung des DELTA-Signals um ein F-DELTA entsprechend der folgenden Filtergleichung (13) zu erzeugen:
wobei F-DELTAneu gleich dem neuen Wert von F-DELTA ist; F- DELTAalt ist gleich dem vorhergegangenen Wert von F-DELTA; TC ist gleich der Filterzeitkonstanten (das ist die Distanz); und DELTAneu ist gleich dem neuen Wert von DELTA.
Somit reagiert das Filtermittel 17 entsprechend der Filterkonstanten TC.TC wird so gesetzt, daß im allgemeinen hohe Frequenzänderungen entsprechend den Fehlern vom ADS in dem DELTA-Signal auf Leitung 16 ausgefiltert werden, während konstante und im allgemeinen niederfrequente Änderungen entsprechend den Fehlern aus dem RDS den Filter passieren und im F-DELTA auf Leitung 18 wiederzufinden sind. Eine Reduktion von TC hat den Effekt, daß höhere Frequenzen passieren und somit dem ADS ein höheres Gewicht gegeben wird. Eine Reduktion von TC hat den Effekt der Reduktion der passierenden Frequenzen und somit wird ein höheres Gewicht zum RDS-Signal gegeben. Die Filtermittel 17 können sowohl unter Benutzung von analoger oder digitaler Technik eingesetzt werden und sie können in einer Vielzahl von anderen Filterrelationen abhängig von der spektralen Charakteristik der interessierenden Fehler im Richtungssignal von den ersten Filtersensormitteln und den zweiten Filtersensormitteln angewandt werden.
In der bevorzugten Ausführung antworten die Filtermittel 17 auf ein Filterkontrollsignal auf Leitung 27, um die Charakteristik der Filtermittel 17 zu variieren wie z. B. die Änderung der Filterkonstanten TC in der oben dargestellten Filtergleichung (Gleichung 13). Die Steuerung der Filtermittel 17 wird mit Bezug auf die Fig. 4 diskutiert.

III.A Filtersteuerung

Fig. 4 zeigt ein Filterkontrollmittel 30 zur Erzeugung des Filterkontrollsignals auf Leitung 27. Das Filterkontrollmittel 30 empfängt eine Vielzahl von Parametern FP1, FP2, FP3, FP4 usw. bis FPN. Die Filterparameter werden vom relativen Wichtungssignal, dem absoluten Richtungssignal, Vergleichen zwischen dem absoluten Richtungssignal und dem relativen Richtungssignal, der Kartendatenbank, der gemessenen Größe des magnetischen Feldes und Vergleichen zwischen der magnetischen Feldstärke und anderen Quellen von Daten erzeugt. Das Filterkontrollsignal auf Leitung 27 dient dazu die Filterkonstante TC zu variieren und damit auch die Richtung, die dem relativen Richtungssignal im Vergleich zum absoluten Richtungssignal gegeben wird bei der Erzeugung der Daten auf Leitung 20, welche eine Schätzung der Ausrichtung des Fahrzeuges darstellen.
Für ein Filtermittel 17, ausgestattet entsprechend der oben dargestellten Gleichung 13 mit einer dem Wert 1 genäherten Filterkonstante TC folgt der Ausgang auf Leitung 20 der Vorrichtung 10 dem absoluten Richtungssignal auf Leitung 14 ziemlich nahe. Wenn die Filterkonstante TC ansteigt, ist dem absoluten Richtungssignal auf Leitung 14 weniger Gewicht gegeben und das relative Richtungssignal auf Leitung 12 entspricht mehr dem Signal auf Leitung 20. Für ein Filtermittel 17, welches entsprechend der oben dargestellten Gleichung (13) ausgeführt ist, und bei dem die Filterkonstante TC sich dem Wert 1 nähert, folgt der Ausgang auf Leitung 20 der Vorrichtung 10 dem absoluten Richtungssignal auf Leitung 14 nahezu direkt. Wenn die Filterkonstante TC wächst, so ist dem absoluten Richtungssignal auf Leitung 14 weniger Gewicht gegeben und das relative Richtungssignal auf Leitung 12 wird auf Leitung 20 direkt wiedergegeben.
Der erste Filterparameter FP1, welcher der Eingang zum Filterkontrollmittel 30 ist, wird durch Subtrahieren des relativen Richtungssignals RDS auf Leitung 12 vom absoluten Richtungssignal ADS vom Kompaßmittel 23 auf Leitung 28 erzeugt (ADS - RDS). Danach wird die Standardabweichung SDD von (ADS - RDS) mit einer Wichtung als Funktion der Entfernung bestimmt. Wenn die entsprechend der Entfernung gewichtete Standardabweichung SDD groß ist, dann erzeugen der differentielle Odometer 22 und/oder die Kompaßmittel 23 fehlerhafte Signale. Wenn die Kompaßmittel 23 und/oder der differentielle Odometer 22 fehlerhafte Signale erzeugen, was durch den ersten Filterparameter FP1 angezeigt wird, so bestimmt das Filterkontrollmittel 30, basierend auf den anderen Filterparametern, ob die Filterkonstante TC vergrößert oder verkleinert wird.
Ein Mittel 31 zur Erzeugung des ersten Filterparameters FP1 ist in der bevorzugten Ausführung über einen (nicht gezeigten) Computer mit Hilfe einer Software-Steuerung vorgesehen. Beispielsweise erzeugen die Mittel 31 den ersten Filterparameter FP1 durch sekundenweises Abtasten von (ADS - RDS) für jeweils eine Sekunde, in der das Fahrzeug sich um 15 Fuß (4,57 m) oder mehr bewegt. Die Standardabweichung SDD wird durch Auslesen der jüngsten drei R1 bis R3-Ablesungen und Berechnungen der laufenden Standardabweichung SDN auf diese Beispiele errechnet. Wenn SDN größer oder gleich SDD ist, dann wird SDD gleich SDN gesetzt. Wenn SDN kleiner als SDD ist, dann wird SDD entsprechend der Gleichung 14 reduziert:
wobei T die Zeitkonstante des letzten SDD-Wertes ist. Auf diese Art und Weise wird die Standardabweichung von (ADS - RDS) gewichtet um die Abweichungen in den gesammelten Daten des nächsten Segmentes der zurückgelegten Distanz zu wiederzuspiegeln und schnell auf plötzlich Erhöhungen zu reagieren.
Der zweite Filterparameter FP2 wird durch Mittel 32 zur Erzeugung eines Signals zur Anzeige ungewöhnlicher Abweichungen in der Größe des magnetischen Feldes der Erde, welches durch die Kompaßmittel 23 gemessen wird, erzeugt.
Der zweite Filterparameter FP2 wird erzeugt durch Vergleichen der gemessenen Größe des magnetischen Feldes der Erde aus dem Ausgang des Kompaßmittels 23 gegen die erwartete Größe des magnetischen Feldes der Erde (korrigiert für jeden signifikanten vertikalen Inklinationswinkel L am Ort des Fahrzeuges). Wenn die Differenz zwischen der erwarteten Größe und der gemessenen Größe groß ist, dann kann der Ausgang aus dem Kompaßmittel als ein unzuverlässiger Wert erwartet werden. Wenn also die Filtermittel 32 einen Filterparameter FP2 erzeugen, welcher anzeigt, daß die gemessene Größe des magnetischen Feldes der Erde von der erwarteten Größe abweicht und der Filterparameter eins FP1 gesetzt ist, dann signalisieren die Filterkontrollmittel 31 dem Filtermittel 17, daß die Filterkonstante TC verkleinert werden muß und somit der Einfluß des absoluten Richtungssignals auf dem Ausgang reduziert und die Abhängigkeit vom relativen Richtungssignal steigen muß.
In der bevorzugten Ausführung sind die Mittel 32 mit Hilfe einer Software-Kontrolle durch einen Computer ausgeführt. Die Werte für die erwartete Größe des magnetischen Feldes der Erde werden in dem Computer während der Kalibrierung der Kompaßmittel 23 gespeichert. Zum Beispiel können die Daten durch Orientierung des Kompaßmittels 23 in einer Anzahl von bekannten Ausrichtungen und Messungen der Größe des magnetischen Erdfeldes für jeden dieser bekannten Ausrichtungen erzeugt werden. Die gemessenen Größen für die bekannten Ausrichtungen sind im Computer gespeichert. Wenn das Fahrzeug sich über ein Gebiet bewegt, welches bekannte Abweichungen im magnetischen Feld der Erde bedingt, dann zeigt die Differenz zwischen der erwarteten Größe des magnetischen Feldes der Erde, welches während der Kalibrierung des Kompaßmittels 23 erzeugt wurde und der gemessenen Größe die Anwesenheit von vielen solcher Abweichungen an.
Der dritte Filterparameter FP3 wird durch die Mittel 33 erzeugt, um die Genauigkeit des Kompaßmittels 23 anzuzeigen. Beispielsweise kann das Mittel 33 durch Nutzung einer Kartendatenbank (wie sie weiter unten detaillierter diskutiert wird) der Art ausgeführt werden, daß ein spezielles Bit setzt für Gebiete auf der Karte in welchen der Ausgang des Kompaßmittels 23 als durch Anomalien beeinflußt erwartet wird. Der dritte Filterparameter FP3 zeigt an, daß die Filterkonstante TC reduziert werden sollte, wenn FP1 gesetzt ist.
Der vierte Filterparameter FP4 wird durch Mittel 34 erzeugt zur Anzeige der Genauigkeit des differentiellen Odometers 22, oder des ersten Filtersensormittels 11, welche das relative Richtungssignal erzeugen. Beispielsweise kann das Mittel 34 mit dem differentiellen Odometer 22 ausgeführt werden, indem es Mittel beinhaltet, welche den Drehradius und die Zentrifugalkräfte des Fahrzeuges messen. Diese Daten bezogen auf den Drehradius und die Zentrifugalkraft des Fahrzeuges während einer Drehung korrelieren mit Ungenauigkeiten im differentiellen Odometer 22, welche von der Geometrie der Aufhängung des Fahrzeuges oder anderen spezifischen Faktoren der speziellen Ausführung des differentiellen Odometers abhängen. Die Koeffizienten, welche in FP4 genutzt werden, können von beidem, den Daten welche bezüglich der Fahrzeugspezifikation eingegeben wurden und den gemessenen Kalibrationsdaten für den relativen Richtungssensor im spezifischen Fahrzeug, erhalten werden.
Zusätzliche Parameter, wie sie z. B. durch den n-ten Filterparameter FPN in Fig. 4 angedeutet werden, können in Abhängigkeit von besonderen Ausführungen des jeweils benutzten Richtungssensors ausgeführt werden.
In der bevorzugten Ausführung antworten die Filterkontrollmittel auf eine Vielzahl von Parametern um ein Signal auf Leitung 27 zu erzeugen, welches die Filterkonstante TC für das Filtermittel 17 steuert. Diese Filterkontrolle ist beispielhaft über eine Software- Steuerung eines Computers ausgeführt.
Viele Zwischenbeziehungen zwischen der Vielzahl von Parametern, welche in die Filterkontrollmittel 30 eingegeben werden, werden durch die im speziellen Fall gewählten Ausführungen bestimmt und bei der Programmierung der Computer berücksichtigt, um diese Zwischenbeziehungen zu erkennen. Somit ist für eine gegebene Vielzahl von Sensormitteln das Filtermittel 17 steuerbar, um die Filter den spektralen Charakteristiken der Fehler anzupassen, welche in den Richtungssignalen erzeugt, durch diese Filtermittel widergespiegelt sind.

III.B. Fahrzeugnavigationssystem

Wie oben erwähnt ist die Vorrichtung 10, welche in Fig. 2 als bevorzugte Ausführung gezeigt ist, in ein Landfahrzeug, welches ein Fahrzeugnavigationssystem besitzt, implementiert. Das Fahrzeug-Navigationssystem beinhaltet die Karten-Datenbank 25, welche Richtungsdaten bezüglich der Ausrichtung des Fahrzeuges, welches sich bekannterweise in einer speziellen Straße bewegt, besitzt.
Die bevorzugte Ausführung des Fahrzeug-Navigationssystems ist im Detail in der bekannten US-Patentschrift mit dem Titel "Vehicle Navigation System and Method", Nr. 618 041; Filing Date 06/07/84, im gemeinsamen Besitz mit dem Rechtsinhaber dieser Anmeldung dargelegt, welche gleichlautend ist der Anmeldung EP-A-0166547. Die Offenlegung der Anmeldung Nr. 618,041, einschließlich der Zeichnungen, Beschreibung und Ansprüche ist Bestandteil dieser Anmeldung durch Referenz zum Zwecke der Offenlegung einer bevorzugten Ausführung des Fahrzeugnavigationssystems mit dem die Vorrichtung 10 genutzt wird.

III.C. Kartendatenbank

Für eine Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Fahrzeug- Navigationssystem stellt die Erfindung Auswahlmittel 24 zur Verfügung wie sie oben zur Auswahl zwischen den Ausrichtungsdaten der Kartendatenbank und den Ausrichtungsdaten des zweiten Sensormittels für das ADS- Signal diskutiert wurden. Die Kartendatenbank 25 wird nun diskutiert.
Das Fahrzeug-Navigationssystem stellt Kartenspeichermittel 25 (gezeigt in Fig. 2) einschl. einer Kartendatenbank, wie sie in der US-Patentschrift Nr. 618 041 dargestellt ist, zur Verfügung. Diese Kartendatenbank beinhaltet Daten zur Identifizierung von (1) eines Satzes von Liniensegmenten S, die einen Satz von Straßen St definieren, (2) Straßenbreiten, (3) vertikale Neigungen des Liniensegmentes S, (4) magnetische Variation der geographischen Gegend, welche in der Karte identifiziert wurde, (5) geschätzte Kartengenauigkeiten und (6) Straßennamen und Straßenadressen.
Anhand der Fig. 6 werden die Straßensegmentdaten erklärt, welche in den Kartenspeichern 25 gespeichert sind und einen Satz von Liniensegmenten S identifizieren, die einen Satz von Straßen St definieren. Jede dieser Straßen St ist in den Speichermitteln 25 gespeichert als eine algebraische Darstellung der Straße St. Im allgemeinen ist jede Straße St gespeichert als Ein- oder Mehrbogensegmente, oder genauer gesagt als ein oder mehrere gerade Liniensegmente S. Wie in Fig. 6 gezeigt wird, hat jedes Liniensegment S zwei Endpunkte EP&sub1; und EP&sub2;, welche durch die Koordinaten X&sub1;, Y&sub1; und X&sub2;, Y&sub2; definiert sind, und es sind diese XY-Koordinaten-Daten, welche in den Speichermitteln 25 gespeichert sind. Der Kurs oder die Ausrichtung des Segmentes S kann über diese Endpunkte bestimmt werden.
Die Kartendatenbank beinhaltet also Daten, wie die Relation von magnetisch Nord zu wahrem Nord, die magnetischen Inklinationswinkel zur Bestimmung des Ausrichtungsfehlers aufgrund der vertikalen Neigung der Straßen St und andere Daten, welche zur aktuellen magnetischen Variation eines gegebenen geographischen Ortes zählen. Da diese Daten im allgemeinen kontinuierlich und langsam variierende Charakteristiken besitzen, werden für die dargelegte Kartendatenbank für diesen Zweck nur wenige Faktoren zur Speicherung benötigt. Wie oben bemerkt, können diese Faktoren Eingangsdaten für einen oder mehrere der vielen Parameter für die Filterkontrollmittel 30 und die Auswahlkontrollmittel 50, die weiter unten beschrieben sind, darstellen.
Die Kartendatenbank ist Gegenstand für eine Vielzahl von anderen Fehlern einschl. Vermessungsfehler und fotografische Fehler, welche bei der Vermessung und fotografischen Abbildung eines gegebenen geografischen Gebietes zur Erstellung einer Kartendatenbank vorkommen können, Fehler von veralteten Daten wie z. B. eine neue Straße St, welche im Anschluß an die Erzeugung der Kartendatenbank gepflastert wurde und eine allgemeine Klasse von Fehlern, welche durch die Beschreibung einer dreidimensionalen Erdoberfläche als eine zweidimensionale flache Oberfläche entstehen. Konsequenterweise kann die Kartendatenbank Daten enthalten, welche die Genauigkeit der vorliegenden Karte, bezogen auf das Untergebiet der Karte oder für das spezifische Liniensegment S, schätzen. Zusätzlich sind einige Straßen St in der Karte M bekannt als Verallgemeinerungen von tatsächlichen Orten (z. B. einige Anhänger-Parkstraßen). Die Kartengenauigkeitsdaten können derart codiert sein, daß sie diese Straßen St identifizieren.
Die Ausrichtung des Fahrzeuges, welches auf einem speziellen Liniensegment S erkannt wird, wird von der Kartendatenbank durch Bestimmung der Neigung des Segmentes S von den Endpunkten EP&sub1; und EP&sub2; und dem Vergleich zu der bekannten Orientierung in der Karte errechnet. Für eine in zwei Richtungen befahrbare Straße wird die Ausrichtung des Fahrzeuges dadurch bestimmt, daß die Richtung, welche am wahrscheinlichsten der geschätzten Ausrichtung des Fahrzeuges entspricht, genommen wird.
Zusammenfassend beinhaltet die Kartendatenbank Daten zur Identifizierung von Orten auf der Karte mit Charakteristiken von denen angenommen werden kann, daß sie eine Unzuverlässigkeit der Kompaßmittel bedingen wie z. B. Straßen mit Neigungen, welche magnetische Inklinationsfehler bedingen, Straßen mit großen Stahlkonstruktionen in unmittelbarer Nähe, welche Unregelmäßigkeiten im magnetischen Feld um die Konstruktion bedingen, Daten, welche geographische Gebiete identifizieren, welche natürliche Abweichungen im Magnetfeld haben usw. Diese Daten, welche die Charakteristiken von geographischen Gebieten identifizieren, sind durch Daten, welche die Genauigkeit der Karte selbst identifizieren in der Kartendatenbank ergänzt.

III.D. Auswahlkontrolle

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm eines Auswahlkontrollmittels 50 zur Erzeugung des ADS- Kontrollsignals auf Leitung 26. Wie oben erwähnt arbeitet die Vorrichtung aus Fig. 2 normalerweise dadurch, daß sie den Ausgang aus den Kompaßmitteln 23 auswählt. Jedoch wenn das ADS-Kontrollsignal anzeigt, daß die Ausrichtung, welche von der Kartendatenbank errechnet wurde, vorzuziehen ist, wird das Auswahlmittel 24 die Ausrichtung von der Kartendatenbank als das absolute Richtungssignal auf Leitung 14 auswählen. Das Kontrollmittel 50 zur Erzeugung des ADS-Kontrollsignals auf Leitung 26 in der bevorzugten Ausführung antwortet auf viele Auswahlparameter SP1 bis SPN um das ADS-Kontrollsignal auf Leitung 26 zu erzeugen, welches dafür verantwortlich ist, daß das Auswahlmittel 24 die Daten von der Kartendatenbank 25 oder dem Kompaßmittel 23 als geeignet auswählt.
Der erste Kontrollparameter SP1 zeigt an, ob das Navigations-Kontrollsystem den Ort des Fahrzeuges als einen Ort auf einer speziellen Straße identifiziert hat. Somit ist der erste Kontrollparameter SP1 durch das Mittel 51 erzeugt, welches anzeigt, daß das Fahrzeug sich in einer speziellen Straße befindet.
Der zweite Auswahlparameter SP1 zeigt an, ob die Ausrichtung der speziellen Straße sich innerhalb der Schwelle der Daten auf Leitung 20 befindet, bezogen auf die geschätzte Ausrichtung des Fahrzeuges. Somit ist der zweite Auswahlparameter SP2 durch das Mittel 51 erzeugt um anzuzeigen ob die Vorrichtung 10 Daten erzeugt, welche eine geschätzte Ausrichtung des Fahrzeuges anzeigen, welche einer Ausrichtung entsprechen, die durch einen spezielle Straße in der Kartendatenbank 25 vorhergesagt wird.
Der dritte Kontrollparameter wird aus der Kartendatenbank erhalten und zeigt an, ob das Fahrzeug sich in einem geographischen Gebiet oder in einem speziellen Straßensegment befindet, welches erwarten läßt, daß magnetische Abweichungen Fehler im Ausgang des Kompaßmittels 23 bedingen. Somit erzeugen die Mittel 35 zur Erzeugung des dritten Auswahlparameter SP3 Daten bezüglich der erwarteten Fehler im Kompaßsignal in Abhängigkeit von dem Ort des Fahrzeuges.
In der bevorzugten Ausführung wird das Auswahlkontrollmittel 50 dafür verantwortlich sein, daß die Auswahlmittel 24 die Kartendatenbank nur dann auswählen, wenn der erste Auswahlparameter SP1, der zweite Auswahlparameter SP2 und der dritte Auswahlparameter SP3 gesetzt sind. Somit wird die Kartendatenbank nur dann zur Erzeugung des absoluten Richtungssignals auf Leitung 14 genutzt, wenn die Navigationsalgorithmen entschieden haben, daß das Fahrzeug sich in einer bestimmten Straße befindet, die Kartendatenbank anzeigt, daß das Kompaßmittel erwartungsgemäß Gegenstand von Abweichungen in der Gegend, in welcher sich das Fahrzeug befindet, ist und der Ausgang der Vorrichtung 10 anzeigt, daß Daten bezüglich der geschätzten Ausrichtung des Fahrzeuges innerhalb einer Winkelschwelle der Ausrichtung verbleiben, welche für eine spezielle Straße in der Kartendatenbank angezeigt ist.
Wie in der Fig. 5 dargestellt ist, können zusätzliche Auswahlparameter SPN abhängig von dem speziellen Typ des zweiten Sensormittels 13, welches zur Erzeugung des absoluten Richtungssignals genutzt wird implementiert werden. Vielfältige Zwischenbeziehungen zwischen den Auswahlparametern sind durch die Charakteristiken des Fahrzeug-Navigationssystems, der Kartendatenbank und des Sensors zur Erzeugung des absoluten Richtungssignals bestimmt worden.
In dieser bevorzugten Ausführung ist jeder der Auswahlparameter SP1 bis SPN und das Auswahlkontrollmittel 50 mit Hilfe einer Software-Steuerung eines Computers in Verbindung mit dem Navigations-Steuerungssystem implementiert.

III.E. Navigationssystem Parameter

Ein anderer Aspekt in der vorliegenden Erfindung ist es, wenn sie in einem Fahrzeug-Navigationssystem wie oben dargelegt implementiert ist, und der Ausgang der Filterkontrollmittel 30, wie in Fig. 4 gezeigt, eine Parameterrückkopplung zum Navigationssystem darstellt. Der Parameter auf Leitung 27 wird durch das Fahrzeug- Navigationssystem in seinen Algorithmen genutzt um zu bestimmen, ob das Fahrzeug sich in einer gegebenen Straße befindet. Ein Teil dieses Algorithmus vergleicht den Ausgang der Vorrichtung 10, das sind die Daten, welche die geschätzte Ausrichtung des Fahrzeuges auf Leitung 20 anzeigen, mit der bekannten Ausrichtung eines Segmentes S, auf welchem das Fahrzeug sich befindet.
Fig. 7 zeigt ein Fließschema der Unterroutine im Fahrzeug- Navigationssystem, welches in einer vorausgegangenen Veröffentlichung (VEHICLE NAVIGATION SYSTEM AND METHOD, Nr. 618,041) zur Bestimmung ob ein Segment S parallel zu einer geschätzten Ausrichtung EH des Fahrzeuges innerhalb einer Schwelle dargestellt ist. Zu Beginn wird ein Winkel α des Liniensegmentes S berechnet (Block 7A) in Übereinstimmung mit der Gleichung 15:
(15) α = arctan [(Y&sub2; - Y&sub1;)/X&sub2; - X&sub1;)]
wobei X&sub1;, X&sub2;, Y&sub1;, Y&sub2; die XY-Koordinatendaten der Endpunkte EP des Liniensegmentes s, auf welchem das Fahrzeug sich voraussichtlich befindet, darstellen und welches gegenwärtig durch das System bearbeitet wird.
Dann wird die gegenwärtig geschätzte Ausrichtung EH des Fahrzeuges von Leitung 20 der Vorrichtung 10 bestimmt (Block 7B). Als nächstes bestimmt das System, ob der absolute Wert von α - EH oder der absolute Wert von α - EH + 180º kleiner ist als die Schwellenanzahl an Graden (Block 7D). Wenn diese Differenz größer als die Schwelle ist (Block 7D), dann bestimmt das System, daß dieses Liniensegment S nicht parallel zur geschätzten Ausrichtung EH des Fahrzeuges liegt (Block 7E). Wenn diese Differenz kleiner als die Schwelle ist (Block 7D), dann bestimmt das System, daß dieses Segment S parallel ist zu der geschätzten Ausrichtung EH des Fahrzeuges (Block 7F).
Die Mittel zur Bestimmung, ob dieses spezielle Segment parallel zur geschätzten Ausrichtung des Fahrzeuges ist, erhalten die Parameter auf Leitung 27 der Fig. 4 und erzeugen einen Wert für die Schwelle von Block 7D. Wenn der Parameter anzeigt, daß die Mittel zur Schätzung der Ausrichtung 20 unzuverlässig sind, dann wird die Schwelle von Block 7D vergrößert. Andererseits wird die Schwelle von Block 7D verkleinert, wenn die Vertrauenswürdigkeit der geschätzten Ausrichtung auf Leitung 20 gut ist, wie es durch den Parameter auf Leitung 27 angezeigt wird.
Dieser Parameter zum Setzen der Schwelle von Block 7D ist einer von einigen Parametern, welcher in dem Navigationssystem gebraucht wird, welches in der Veröffentlichung VEHICLE NAVIGATION SYSTEM AND METHOD beschrieben ist und welcher dazu benutzt wird zu bestimmen, auf welchem speziellen Segment sich das Fahrzeug befindet und weiterhin zu bestimmen, ob die Kartenausrichtungsdaten manchmal als ADS genutzt werden, wie oben beschrieben.

III.F. Software-Ausführung

Die Vorrichtung 10 zur Erzeugung einer verbesserten Schätzung bezüglich der Ausrichtung des Landfahrzeuges, wie es oben offenbart ist, kann durch Nutzung analoger oder digitaler Komponenten der bekannten Art verwirklicht werden. In der bevorzugten Ausführung ist die Vorrichtung vorzugsweise als Software-Steuerung eines Computers (nicht gezeigt) verwirklicht. Fig. 8 und 8A bis 8H zeigen
Flußdarstellungen der Software-Steuerung des Computers, welcher entsprechend der vorliegenden Erfindung arbeitet.
Fig. 8 ist ein Gesamt-Flußschema für die Berechnung der geschätzten Ausrichtung EH entsprechend der vorliegenden Erfindung. Der erste Schritt in der Flußzeichnung zur Berechnung der geschätzten Ausrichtung EH ist die Berechnung der Ausrichtung HC vom Kompaß (Block 8A). Die Ausrichtung HC vom Kompaß korrespondiert mit der Richtungskomponente des Ausganges des Kompasses. Die Berechnung der Ausrichtung HC ist in Fig. 8A dargestellt.
Der nächste Schritt zeigt die Berechnung der Ausrichtung HW der Räder, das ist die Berechnung des Richtungssignals vom differentiellen Odometer an den Rädern (Block 8B). Die Berechnung des Ausrichtungssignales HW der Räder ist in Fig. 8B gezeigt.
Der nächste Schritt betrifft die Berechnung der Kompaßfehlergrenzen EC (Block 8C). Die Kompaßfehlergrenzen sind berechnet, wie es in der Flußzeichnung von Fig. 8C gezeigt ist.
Der nächste Schritt betrifft die Berechnung der Radsensorfehlergrenzen EW (Block 8D). Die Berechnung der Radfehlergrenzen EW ist in Fig. 8D gezeigt.
Der nächste Schritt in der Gesamt-Flußdarstellung von Fig. 8 zeigt die Berechnung des kombinierten Fehlersignals DELTA von HC und HW (Block 5). DELTA ist gleich HC-HW.
Im nächsten Schritt bestimmt die Software, ob das Fahrzeug sich über eine Grenzdistanz bewegt hat (Block 6). Die Grenzdistanz wird bestimmt durch den Typ des Sensors, welcher genutzt wird, die mittlere Geschwindigkeit des Fahrzeuges und andere Faktoren zur Optimierung der Berechnung der geschätzten Ausrichtung.
Wenn das Fahrzeug sich über die Grenzdistanz bewegt hat, dann wird ein Filterzeitkonstantenfaktor berechnet (Block 8E). Der Filterzeitkonstantenfaktor F wird in der Berechnung der Filterzeitkonstanten TC benutzt, wie es oben diskutiert wurde. Die Berechnung des Filterzeitkonstantenfaktors F ist in der Flußzeichnung Fig. 8E gezeigt. Wenn das Fahrzeug sich nicht über die Grenzdistanz bewegt hat, dann wird der Zeitkonstantenfaktor nicht angegriffen.
Der nächste Schritt betrifft die Bestimmung, ob das absolute Richtungssignal von der Ausrichtung HC oder von der Kartendatenbank ausgewählt wird. Wenn die Ausrichtung von der Kartendatenbank ausgewählt wird, dann wird DELTA neu berechnet (Block 8F). Fig. 8F zeigt die Algorithmen zur Auswahl der Kartendatenbank oder der Ausrichtung HC.
Im nächsten Schritt wird F-DELTA durch Nutzung des Filterzeitkonstantenfaktors F zur Berechnung der Filterzeitkonstanten TC (Block 8G) berechnet. Die Flußzeichnung zur Berechnung von F-DELTA ist in Fig. 8G gezeigt.
Im letzten Schritt wird die geschätzte Ausrichtung EH aus der Ausrichtung der Räder HW und F-DELTA berechnet. Der Algorithmus zur Berechnung der geschätzten Ausrichtung EH ist in Fig. 8H gezeigt.
Fig. 8A zeigt den Algorithmus zur Berechnung der Ausrichtung von Kompaß HC. Im ersten Schritt werden die Ausgänge des "flux gate"-Kompasses X1 und Y1 gelesen (Block 1). Im nächsten Schritt werden die Kompaßabweichungen kompensiert durch Erzeugung von X2 = X1 - X0 und Y2 = Y1 - X0, wobei X0 und Y0 die Kompaßabweichungen darstellen (Block 2). Im nächsten Schritt wird die Ausrichtungskomponente des Ausganges vom Kompaß berechnet (Block 3). Die Ausrichtungskomponente bezeichnet mit A ist gleich arctang (X2, Y2). Im nächsten Schritt wird die Kompaßabweichung für die Ausrichtung A kompensiert (Block 4). Dies wird durchgeführt durch Berechnung von B = A plus die Abweichung für die Ausrichtung A. Die Abweichung kommt von einer Nachschautabelle, welche während der Kalibrierung erzeugt wurde. Im letzten Schritt werden die Kompaßrotation und die magnetische Variation kompensiert (Block 5). Dies wird durchgeführt durch Berechnung von HC = B - R + V, wobei R gleich der Rotation des Kompasses ist und V gleich der magnetischen Variation ist. Der Rotationstherm R wird während der Kalibrierung berechnet und der magnetische Variationstherm V ist als ein Teil der Kartendatenbank gespeichert.
Fig. 8B zeigt eine Flußzeichnung zur Berechnung der Ausrichtung der Räder HW. Der erste Schritt betrifft die Auslesung der Gradimpulse der linken und der rechten Räder, um die zurückgelegte Entfernung durch die linken und rechten Räder, bezeichnet mit 1 und r, zu berechnen (Block 1). Im nächsten Schritt wird die Geschwindigkeit V berechnet durch Addition von l und r und Teilung des Ergebnisses durch 2 (Block 2). Im nächsten Schritt wird das Verhältnis R gleich (L - R) geteilt durch V berechnet (Block 3). Als nächstes wird der effektive Radweg T mittels Heranziehung einer Nachschautabelle bestimmt, basierend auf dem Verhältnis R und der Geschwindigkeit V (Block 4). Diese Nachschautabelle ist während der Kalibrierung berechnet worden. Der Drehwinkel Alpha wird danach durch Multiplikation von (l - r) · KD und Division des Produktes durch T berechnet, wobei KD dem Kalibrationsfaktor für den Radsensor ist (Block 5). Zum Schluß wird die Radausrichtung HW gleich der vorhergehenden Radausrichtung plus α gesetzt (Block 6).
Fig. 8C ist ein Flußdiagramm, welches die Berechnung der Kompaßfehlergrenzen EC zeigt. Im ersten Schritt werden die Ausgänge X1 und Y1 vom "flux gate"-Kompaß eingelesen (Block 1). Im nächsten Schritt werde die Kompaßabweichungen kompensiert (Block 2). Als nächstes wird die magnetische Feldstärke BM mit Hilfe der Quadratwurzel aus (X2² + Y2²) berechnet (Block 3). Die magnetische Feldstärke korrespondiert mit der Größenkomponente des Ausganges des Kompaßmittels. Im nächsten Schritt wird der Faktor D kalkuliert, in dem der absolute Wert von (DM-BE)/BE genommen wird, wobei DE gleich der magnetischen Feldstärke der Erde aus der Nachschautabelle ist (Block 4). Zum Schluß werden die Kompaßfehlergrenzen EC gleich dem Wert D · 60º gesetzt (Block 5).
Fig. 8D zeigt die Berechnung der Radsensorfehlergrenzen EW. Im ersten Schritt wird die Ausrichtungsänderung α der Räder berechnet (Block 1). Als nächstes wird der inkrementale Radsensorfehler EWI berechnet, welcher gleich dem absoluten Wert von α · K ist, wobei K gleich einer Konstanten ungefähr gleich 0,1 ist (Block 2). Im nächsten Schritt wird der akkumulierte Radsensorfehler EWA gleich dem Wert EW + EWI gesetzt (Block 3). Als nächstes wird die Filterkonstante FE gleich dem Wert DN/DT gesetzt, wobei DN gleich einer nominalen Entfernungskonstante ist und DT gleich der zurückgelegten Entfernung durch das Fahrzeug seit der letzten Berechnung ist (Block 4). Zum Schluß werden die Radsensorfehlergrenzen EW gleich dem Wert EWA · (FE-1)/FE gesetzt (Block 5).
Fig. 8E zeigt die Berechnung des Filterzeitkonstantenfaktors F, welcher in der Berechnung der Filterzeitkonstanten TC gebraucht wird. Im ersten Schritt wird die zeitgewichtete Standardabweichung SDD von DELTA berechnet (Block A). Der Algorithmus zur Berechnung der zeitgewichteten Standardabweichung von DELTA SDD ist gezeigt in Fig. 8E/A. Im nächsten Schritt wird der Ausrichtungsfehler Eh = SDD · K · (EW - EC) berechnet, wobei K gleich einer Konstanten gesetzt wird, die durch Versuch und Irrtum die Genauigkeit der Vorrichtung maximiert (Block 2). Im nächsten Schritt wird Eh verglichen mit Null (Block 3). Wenn Eh größer als Null ist, dann bezieht sich der Fehler primär auf die Räder des differentiellen Odometers, so daß der Filterzeitkonstantenfaktor F sich errechnet mit (Eh + K&sub1;)/K&sub1;, wobei K&sub1; eine Konstante darstellt (Block 4). Wenn Eh kleiner oder gleich Null ist, dann bezieht sich der Fehler primär auf den Ausgang des Kompasses. Somit wird der Filterzeitkonstantenfaktor F gleich K&sub2;/(Eh + K&sub2;) gesetzt, wobei K&sub2; gleich einer Konstanten ist (Block 5).
Fig. 8E/A zeigt ein Flußdiagramm zur Berechnung der zeitgewichteten Standardabweichung SDD. Im ersten Schritt wird die Standardabweichung von drei vorhergegangenen DELTA-Messungen SDN berechnet (Block 1). Im nächsten Schritt wird die zeitgewichtete Standardabweichung SDD mit (1 geteilt durch T) · SDN + (T-1) geteilt durch T · SDDO berechnet, wobei T ungefähr 6 ist und SDDO gleich dem zuvor berechneten SDD (Block 2). Im nächsten Schritt wird SDS verglichen mit SDD (Block 3). Wenn SDN größer ist als SDD, dann wird SDD gleich SDN gesetzt (Block 4). Anderenfalls wird SDD so belassen wie er in Block 2 berechnet wurde.
Fig. 8F zeigt den Algorithmus zur Bestimmung, ob das ADS- Signal vom Kompaß oder der Kartendatenbank ausgewählt wird. Im ersten Schritt bestimmt die Software, wo auf der Karte das Fahrzeug beim letzten update des Navigationsalgorithmus sich befand (Block 1). Wenn das Fahrzeug sich nicht auf einer speziellen Straße befindet, dann wird die Ausrichtung des Kompasses ausgewählt. Jedoch wenn das Fahrzeug durch die Karte "upgedatet" würde, dann bestimmt die Software, ob ein spezielles Kartendatenbankbit gesetzt ist (Block 2). Dieses spezielle Kartendatenbankbit ist gesetzt, wenn die Karte anzeigt, daß das Fahrzeug sich in einem Gebiet befindet, wo das Ausrichtungssignal HC des Kompasses als ungenau erwartet wird. Wenn das spezielle Kartendatenbankbit nicht gesetzt ist, so wird die Ausrichtung vom Kompaß übernommen. Wenn das spezielle Kartendatenbankbit gesetzt ist, dann bestimmt die Software, ob die Ausrichtung der Karte mit der Ausrichtung des Kompasses innerhalb einer Grenze übereinstimmt (Block 3). Wenn die Ausrichtungen sich unterscheiden, dann wird die Ausrichtung des Kompasses übernommen. Wenn sie übereinstimmen, dann wird die Ausrichtung der Kartendatenbank übernommen und DELTA wird neu berechnet mit HM - HW, wobei HM gleich der Ausrichtung von der Karte ist und HW gleich der Ausrichtung der Räder ist (Block 4).
Fig. 8G zeigt den Algorithmus für die Berechnung von F- DELTA. Im ersten Schritt wird die Filterkonstante TC berechnet, indem sie gleich dem Wert DN geteilt durch (DT · F) gesetzt wird, wobei DN gleich der nominalen Entfernungskonstante ist, DT gleich der zurückgelegten Entfernung ist und F gleich dem Filterzeitkonstantenfaktor ist (Block 1). Im nächsten Schritt wird F-DELTA berechnet zu (DELTAneu/TC) + ((TC - 1)/T) · F-DELTAalt wie es weiter oben in der Beschreibung dargestellt wurde (Block 2).
Fig. 8H zeigt die Berechnung der Ausrichtung der Räder und F-DELTA. Die geschätzte Ausrichtung EH ist gleichgesetzt mit HW + F-DELTA (Block 1).
Anhang A dieser Anmeldung ist ein Ausdruck des Quellcodeprogrammes zur Durchführung der dargestellten Erfindung, welche zur Verfügung gestellt ist, um ein Beispiel für eine Ausstattung der vorliegenden Erfindung zur Verfügung zu stellen. Die Software in Anhang A beinhaltet die folgenden Unterroutinenmodule:
1) COUR MOD. Dieses Modell bestimmt den Koeffizienten für den Tiefpaßfilter der F- DELTA berechnet.
2) SDEV. Dieses Modul berechnet die Standardabweichung.
3) STDEV. Dieses Modul berechnet die Standardabweichung.
4) DEVCORR. Dieses Modul korrigiert die Kompaßablesung für elliptische Abweichung.
5) DR. Dieses Modul ist das Hauptkoppelnavigationsprogramm.
6) ERRFLTR. Dieses Modul führt einen schnell ansprechenden, langsam abklingenden Filter aus.
7) LFILTER. Dieses Modul implementiert einen ein-poligen unendlichen Impulsantwort- Digitalfilter.
8) RDSENSOR. Dieses Modul liest den magnetischen Feldsensor und die Radsensoren.
9) TRACK. Dieses Modul berechnet die Ackermann-Steuerungsradspur für die linke und rechte Radentfernung.
10) DRPUPDT. Dieses Modul erneuert die Koppelnavigationsposition, die durch inkrementelle Änderungen in der Fahrzeugposition gegeben ist.
11) DRCALC. Dieses Modul berechnet die zurückgelegte inkrementelle Entfernung und die inkrementellen Ausrichtungsänderungen, welche durch die linken und rechten Radsensor-Auslesungen gegeben sind.

IV. Zusammenfassung

Die Vorrichtung 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung überwindet die Probleme von Sensoren des Standes der Technik zur Erzeugung genauer Daten bezüglich der Ausrichtung von Landfahrzeugen durch Eliminierung von Fehlern in den erzeugten Signalen in den Richtungssensoren. Entsprechend dieser Vorrichtung und dieser Methode werden Fehler bezüglich des absoluten Richtungssignals und des relativen Richtungssignals minimiert. Da die Fehler im relativen Richtungssensor für den größten Teil wahrscheinlicherweise unabhängig sind und spektral getrennt 20 sind von den durch magnetische Abweichungen induzierten Fehlern, die im absoluten Richtungssignal vorkommen, ist die vorliegende Erfindung in der Lage, die Signale zu kombinieren, zu isolieren und den Effekt der Fehler zu minimieren und damit genaue Daten bezüglich der Ausrichtung des Fahrzeuges zu erzeugen.
Die vorausgegangene Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist zum Zwecke der Verdeutlichung und Beschreibung dargestellt worden. Dieses bedeutet keinen Ausschluß oder keine Begrenzung der Erfindung auf die genau dargestellte Form der Veröffentlichung und es sind natürlich vielfältige Modifikationen und Variationen im Lichte des oben dargestellten möglich. Diese Ausführung wurde gewählt und beschrieben um möglichst gut die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erklären, so daß andere Fachleute den besten Nutzen in verschiedenen Ausführungen und mit verschiedenen Modifikationen passend auf den beabsichtigten speziellen Gebrauch ziehen. Es ist beabsichtigt, daß der Schutzbereich der Erfindung durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird. Demgemäß können weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung durch ein Studium der Beschreibung des Anhangs der Ansprüche und der Zeichnungen bestimmt werden.

Claims

1. Vorrichtung (10) zur Erzeugung von Daten zur Ausrichtung eines Landfahrzeuges mit:

einer Vielzahl von Sensoren (5, 11, 13) zur Erzeugung einer Vielzahl von unabhängigen Richtungssignalen, welche Ausrichtungs- Informationen beinhalten, die die Ausrichtung des Landfahrzeuges anzeigen, wobei die Richtungssignale Fehler beinhalten;

Verarbeitungsmitteln (21) für die Vielzahl von unabhängigen Richtungssignalen zur Erzeugen einer geschätzten Ausrichtung des Landfahrzeuges; gekennzeichnet dadurch, daß:

die Verarbeitungsmittel Filter (17) beinhalten, welche auf ein Filterkontrollsignal zur Reduktion der Effekte vorgenannter Fehler antworten;

Mittel (30) zur Erzeugung der Filterkontrollsignale in Antwort auf einen Parameter, welcher eine geschätzte Fehlergröße von mindestens einem der Richtungssignale anzeigt, vorgesehen sind.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor folgendes beinhaltet:

einen ersten Sensor (11) zur Erzeugung eines relativen Richtungssignales mit einer Ausrichtungskomponente welche die Ausrichtung des Landfahrzeuges relativ zur vorhergehenden Ausrichtung des Landfahrzeuges anzeigt und eine erste Fehlerkomponente;

und einen zweiten Sensor (13) zur Erzeugung eines absoluten Richtungssignales mit einer Ausrichtungskomponente, welches eine Ausrichtungsrichtung des Landfahrzeuges relativ zur Erde anzeigt und eine zweite Fehlerkomponente.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter auf welchen die Mittel zur Zeugung des Filterkontrollsignales antworten, eine geschätzte Größe aus einer Kombination von Fehlerkomponenten des vorgenannten relativen Richtungssignales und des vorgenannten absoluten Richtungssignales darstellt.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vorgenannter erster Sensor (11) einen differentiellen Odometersensor (22) zur Erzeugung des relativen Richtungssignals enthält.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter, auf welchen die Mittel zur Erzeugung des Filterkontrollsignals antworten durch Messung der Geschwindigkeit und der Drehrate des vorgenannten Fahrzeuges ermittelt ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor weiterhin Kompaßmittel (23) zur Erzeugung von Kompaßsignaldaten enthält, welche die Ausrichtung des Landfahrzeuges relativ zum Magnetfeld der Erde anzeigen.

7. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter, auf welchen die Mittel zur Erzeugung des Filterkontrollsignals antworten durch Beobachtung der Änderungen in der Größenkomponente vorgenannter Kompaßsignaldaten relativ zur erwarteten Größe des Magnetfeldes der Erde erhalten wird.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß:

weitere Mittel (25) zur Speicherung einer Tabelle von erwarteten Größen des Magnetfeldes der Erde für einen Satz von Richtungen vorgesehen sind;

Mittel zum Vergleichen der Größenkomponente der Kompaßsignaldaten, welche durch die Kompaßmittel (23) generiert werden, mit der erwarteten Größe des Magnetfeldes der Erde aus der Tabelle, zur Erzeugung eines Differenzsignals;

und Mittel, welche auf die Differenzsignale antworten und vorgenannten Parameter generieren, vorgesehen sind.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß:

Mittel (15) vorgesehen sind, welche die relativen Richtungssignaldaten und die Richtungskomponente der Kompaßsignaldaten kombinieren um ein kombiniertes Fehlersignal zu erzeugen;

Mittel zur Erzeugung einer Abweichungsstatistik über eine Sequenz von Signalmessungen, welche die Abweichung des kombinierten Fehlersignals vom Mittelwert über die Sequenz von Signalmessungen anzeigt, vorgesehen sind;

und Mittel, welche auf die vorgenannten Abweichungsstatistik zur Generierung der Parameter antworten, vorgesehen sind.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß:

weiterhin Mittel (25) vorgesehen sind, welche eine Kartendatenbank zur Verfügung stellen, mit Eintragungen, welche ein Straßensegment identifizieren und eine vorhergesagte Ausrichtung des Landfahrzeuges in diesen Straßensegment dieses Eintrags anzeigen;

weiterhin Selektionsmittel (24) vorgesehen sind, welche auf ein Selektionssignal zur Auswahl der Kompaßsignaldaten oder vorhergesagter Ausrichtungen in einem speziellen Kartendatenbankeintrag als absolutes Richtungssignal antworten;

und Auswahlkontrollmittel (50) zur Unterstützung des vorgenannten Selektionssignals vorgesehen sind.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswahlkontrollmittel (50) auf einen ersten Parameter (SP1) antwortet, und dort Mittel (51) zur Erzeugung des ersten Parameters (SP1) vorgesehen sind, als Antwort auf eine Differenz zwischen einer geschätzten Ausrichtung des Landfahrzeuges und der vorhergesagten Ausrichtung die im Kartendatenbankeintrag identifiziert wurde.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Auswahlkontrollmittel (50) auf einen ersten Parameter (SP1) antworten und die Kartendatenbankeinträge weiterhin einen Fehlereintrag beinhalten, welcher gesetzt wird wenn die Kompaßausrichtungsdaten als ungenaue Daten für das Straßensegment, welches in dem speziellen Kartendatenbankeintrag identifiziert ist, erwartet werden;

weiterhin Mittel (51) zur Unterstützung des Fehlereintrags als erster Parameter zur Auswahl der vorhergesagten Ausrichtung, welche in dem speziellen Kartendatenbankeintrag identifiziert ist, wenn das Fahrzeug sich in dem Straßensegment befindet, vorgesehen sind.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Auswahlkontrollmittel (50) auf den ersten Parameter (SP1) antworten; weitere Mittel zur Speicherung von Daten, welche Kartendatenbankeinträge identifizieren, welche wiederum Straßensegmente in geographischen Gebieten mit Eigenschaften identifizieren, welche Ungenauigkeiten bei vorgenannten Kompaßmitteln bedingen, vorgesehen sind;

und Mittel (51) zur Unterstützung des ersten Parameters zur Auswahl von vorhergesagten Ausrichtung, welche in den speziellen Kartendatenbankeintragungen identifiziert sind, wenn das Fahrzeug sich in einem der genannten geographischen Gebiete befindet, vorgesehen sind.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß ein Fahrzeugnavigationssystem zur Ortsbestimmung des Landfahrzeuges vorgesehen ist, wobei das Auswahlsignal das Fahrzeugnavigationssystem in Form eines Parameters stützt, welcher zur Ortsbestimmung des Landfahrzeuges genutzt wird.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß:

Mittel (24) in Verbindung mit den Kompaßmitteln (23) und Mitteln (25) zur Zurverfügungstellung der Kartendatenbank und in Beantwortung eines Kontrollsignals (26) zur Unterstützung des absoluten Richtungssignals, basierend auf den Kompaßsignaldaten und einer vorhergesagten Ausrichtung, welche in dem speziellen Kartendatenbankeintrag identifiziert wurde, vorgesehen sind;

und weiterhin Kontrollmittel (50) zur Unterstützung des Kontrollsignals (26) vorgesehen sind.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, gekennzeichnet dadurch, daß Mittel zur Unterstützung der Auswahlmittel (24) mit einem Eintrag in die Kartendatenbank, welcher das Straßensegment identifiziert, in dem sich das Landfahrzeug befindet, vorgesehen sind.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß:

die Verarbeitungsmittel in miteinander kommunizierender Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Mittel vorgesehen sind;

Mittel zur Wichtung des relativen Richtungssignals und des absoluten Richtungssignals vorgesehen sind;

weiterhin Mittel zur Kombinierung des gewichteten relativen Richtungssignals und des gewichteten, absoluten Richtungssignals vorgesehen sind;

außerdem Mittel zur Zurverfügungstellung der Parameter in Antwort auf eine geschätzte Größe der Fehlerkomponente des absoluten oder relativen Richtungssignals vorgesehen sind.

18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, gekennzeichnet dadurch, daß das Verarbeitungsmittel auch auf die geschätzte Größe von beiden Fehlerkomponenten antwortet.

19. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Fehler im wesentlichen unabhängige spektrale Charakteristiken besitzen und die Filtermittel dazu dienen einen Unter-Satz der genannten Signale herauszufiltern, welche den spektralen Charakteristiken der Fehler entsprechen.

20. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fehlerkomponente primär erste spektrale Charakteristiken aufweist und die zweite Fehlerkomponente primär zweite spektrale Charakteristika aufweist, welche sich von der ersten spektralen Charakteristik unterscheidet.

21. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß Mittel zur Kombinierung der Richtungssignale zur Generierung eines kombinierten Fehlersignals im wesentlichen durch Isolierung der Fehlerkomponenten vorgesehen sind.

22. Vorrichtung gemäß Anspruch 20, gekennzeichnet dadurch, daß Mittel zur Kombinierung der Richtungssignale zur Generierung eines kombinierten Fehlersignals sind und Filtermittel, welche das kombinierte Fehlersignal entsprechend der Filtercharakteristiken in Annäherung der ersten spektralen Charakteristiken filtern um ein gefiltertes Fehlersignal zu erzeugen, welches im wesentlichen die vorgenannte zweite Fehlerkomponente beinhaltet, vorgesehen sind.

23. Vorrichtung gemäß Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch, daß Mittel zur Kombinierung des gefilterten Fehlersignals und des Richtungssignals des zweiten Mittels vorgesehen sind, um Fehler im Richtungssignal auszugleichen.

24. Vorrichtung gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterkontrollsignal in Antwort auf das Richtungssignal erzeugt wird und dazu dient die Filtercharakteristik zu variieren.

25. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterkontrollsignal generiert wird, in Antwort auf eine Vielzahl von Parametern, welche eine geschätzte Genauigkeit des ersten und zweiten Mittels anzeigen und welches dazu dient, die Filtermittel zu kontrollieren, die Hochfrequenzfehler aus dem absoluten Richtungssignal und Niederfrequenzfehler aus dem relativen Richtungssignal filtern.

26. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß:

Mittel zur Kombinierung der absoluten und relativen Richtungssignale zur Erzeugung eines kombinierten Fehlersignals, welches den Unterschied zwischen absoluten und relativen Richtungssignal anzeigt, vorgesehen sind;

weiterhin sind Filtermittel zur Herausfilterung der hochfrequenten Fehler aus dem kombinierten Fehlersignal und zur Zurverfügungstellung eines gefilterten Fehlersignals und des Filterkontrollsignals, welches auf geschätzte Größen von wenigstens einem der Fehlerkomponenten antwortet, vorgesehen;

weiterhin Mittel vorgesehen sind, welche die gefilterten Fehlersignale, mit dem dem relativen Richtungssignal, im wesentlichen zur Aufhebung der ersten Fehlerkomponente und zur Zurverfügungstellung einer geschätzten Ausrichtung kombinieren.