2.4 Sensoren und Fahrzeugnavigationssysteme
2.4.1 Sensoren zur Wegl¨ angenbestimmung
Richtungsfehler resultieren nahezu immer in einer schlechteren Positionsl¨osung (vgl.
[BW99]). Um eine m¨oglichst pr¨azise Richtungsinformation erzielen zu k¨onnen, er-folgt in einem dritten Verfahren die Richtungserfassung redundant. Das somit viel-versprechendste Verfahren, welches in dieser Arbeit umgesetzt wird, ist eine Kombi-nation eines Drehratenmessers und eines Differential-Hodometers. Dieses Verfahren verspricht die effektivste Fehlererkennung.
Die Messung erfolgt im spurfesten Koordinatensystem. Es kann dar¨uber hinaus die momentane Geschwindigkeit ermittelt werden, indem die sensierten Weginkremente auf ein zeitliches Abtastintervall bezogen und somit die mittlere Geschwindigkeit im Abtastintervall berechnet werden kann.
Es existieren verschiedene Bauarten von Hodometern. Nach [BW99] sind bekannte-sten sind
• Mechanische und elektromechanische Sensoren
• Sensoren mit Reed-Kontakt (Schutzgaskontakt)
• Ger¨ate mit Hallsensoren
• Elektrooptische Verfahren
• Induktive Sensoren
Die magnetischen Verfahren (induktive Sensoren und Hallsensoren) bieten den Vor-teil, dass sie weitgehend unempfindlich gegen¨uber Schmutz und Vibration sind.
Die Messung erfolgt ber¨uhrungslos und erf¨ullt h¨ochste Anforderungen. Magnetische Sensoren werden daher von den einer Vielzahl von ABS Systemen verwendet(vgl.
[Rob03]).
2.4.1.2 Beschleunigungssensoren
Die Messung linearer Beschleunigungen erfolgt nach dem Prinzip der Kraftmessung.
Eine federnd aufgeh¨angte Testmasse erf¨ahrt eine Auslenkung proportional zur Be-schleunigung. Die Berechnung der Beschleunigung erfolgt nach dem Newton’schen Gesetz:
F =m·a (2.1)
Der schematische Aufbau ist in Abbildung 2.2 gezeigt.
Traditionell existieren zwei verschiedene Arten von Beschleunigungssenso-ren, die sich in der Art der Masselagerung unterscheiden, der Pendel-Beschleunigungsmesser (kraftkompensierte Pendel-Pendel-Beschleunigungsmesser Abbil-dung 2.3) und Schwingquarz-Beschleunigungsmesser (AbbilAbbil-dung 2.5).
Pendelbeschleunigungsmesser, wie in Abbildung 2.3 gezeigt, bestehen aus einem einseitig gelagertem Pendel. Dieses Pendel mit einer bestimmten Masse erf¨ahrt bei Beschleunigung ebenfalls eine Auslenkung. In der praktischen Ausf¨uhrung wird das Pendel durch Magnetkraft in der Ausgangslage gehalten. Der erforderliche Spulen-strom des Elektromagneten zur Erzeugung der Gegenkraft ist proportional zur Be-schleunigung. Ein detaillierter Aufbau eines solchen Pendelbeschleunigungsmesser ist Abbildung 2.4 zu entnehmen.
Abb. 2.2: Schematisches Modell eines Beschleunigungssensors
Abb. 2.3: Pendelbeschleunigungsmesser nach [Sto97]
Eingangsachse
Momentenspule Positionsabgriff
Probemasse Magnet
Lager
Abb. 2.4: Prinzip eines Pendel-Beschleunigungsmessers (nach [Sch97b])
Die Regelspannung UR zur Positionsregelung der Probemasse ist proportional zur gesuchten Beschleunigung. Nach Kalibrierung und Bestimmung des Skalenfaktors qac, l¨asst sich das Drehmoment bestimmen zu:
M =qac·UR (2.2)
Mit dem Abstand lM der Probemasse von dem Lager folgt f¨ur das mechanische Drehmoment:
M =F ·lM (2.3)
Die Beschleunigung kann somit unter Beachtung der Probemasse m berechnet wer-den mit:
a = qac
m·lM ·UR (2.4)
Winkelbeschleunigungen werden vom Pendel-Beschleunigungsmessers mitsensiert.
Zur Reduzierung dieses Fehlereinflusses werden die Pendel sehr kurz ausgef¨uhrt ([Sch97b]).
Ein Beispiel f¨ur einen vielfach eingesetzten Beschleunigungsmesser ist der Qflex Sen-sor der Firma Honeywell (z.B. QA2000 aus Honeywell H-764 [Hon06b] und [Hon93]).
Schwingquarz-Beschleunigungsmesser, oder auch Vibrationsbeschleunigungsmesser genannt, erreichen bisher noch nicht die Genauigkeit von Pendelbeschleunigungs-messern. Sie haben jedoch den Vorteil, dass der Einfluss von Winkelbeschleunigun-gen recht gering ist und sie ein digitales Ausgangssignal liefern. Die Funktionsweise beruht auf folgendem Prinzip:
Eine Saite wird mit einer Masse beschwert und in Schwingung versetzt. Die Eigen-frequenz dieses Systems ¨andert sich entsprechend der in Saitenrichtung wirkenden Beschleunigung, die ¨Anderung der Eigenfrequenz ist ein Maß f¨ur die Beschleunigung.
Abbildung 2.5 zeigt den schematischen Aufbau.
m
a
Abb. 2.5: Funktionsprinzip eines Schwingquarz-Beschleunigungsmessers Die technischen Umsetzung sieht folgendermaßen aus (Abbildung 2.6):
Oszillator
Oszillator Lager Pendel
Abb. 2.6: Aufbau eines Schwingquarz-Beschleunigungsmessers nach [Sch04b]
Die Quarz-Kristalle werden mit Hilfe eines Oszillators zum Schwingen angeregt.
Gemessen wird die Differenzfrequenz der resultierenden Schwingungen, welche pro-portional zur Beschleunigung ist (z.B. Accelerex RBA-500 [Hon06a]).
Konventionelle Beschleunigungsmesser haben aufgrund ihres vielfachen Einsatzes und langj¨ahrigen Entwicklung eine hohe Zuverl¨assigkeit und robustes Verhalten.
Zwar messen sie auch St¨orungen in einem weiten Frequenzbereich mit, durch die nachfolgende Integration des Beschleunigungssignals werden alle mittelwertfreien St¨orungen ausgeglichen.
Eine Schwierigkeit stellen jedoch die nicht mittelwertfreien St¨orungen oder Eigen-fehler dar. Die zweifache Integration des Signals zur Berechnung des zur¨uckgelegten Wegs f¨uhrt dazu, dass kleine Fehler von z.B. 1mg nach 100 Sekunden einen Ge-schwindigkeitsfehler von 1 ms und einen Positionsfehler von 50m bewirken.
Besonders zu ber¨ucksichtigen ist bei einer Navigationsl¨osung in einem ebenen, erd-parallelen Koordinatensystem der Einfluss der Gravitation. Hier wird zun¨achst an-genommen, dass der Gravitationsvektor vom Beschleunigungsmesser nicht gemessen wird. Ein Winkelfehler im Nickwinkel θoder Rollwinkel3 φvon 0,06◦ f¨uhrt zu einem Fehler von 1mg durch den Einfluss der Gravitation (s. Abb. 2.7). Will man diesen Fehler kompensieren, muss man die Lagewinkel θ und φ ermitteln.
Die exakte Bestimmung der Lagewinkel θ und φ ist sehr aufwendig, und kann im Stand durch drei Beschleunigungsmesser in allen drei Raumachsen ermittelt wer-den. In der Bewegung sind zus¨atzlich drei Drehratenmesser und eine vollst¨andige Strap-Down Rechnung notwendig. Bei der hier gew¨ahlten L¨osung wird man mit Hilfe von Sch¨atzalgorithmen versuchen, diese Fehler auszugleichen, um die L¨osung vorraussetzungsgem¨aß kosteng¨unstig zu halten.
Gravitation
Horizontalebene
Abb. 2.7: Auswirkung eines Nickwinkelfehlers
Weitere m¨ogliche Fehlerquellen von Beschleunigungsmessern sind: (nach [BW99]):
• Nullpunktsfehler (kalibrierbarer Bias und nicht kalibrierbarer Restfehler)
• Skalenfaktorfehler
• Fehlereinfluss durch Rotation
• Fehlereinfluss durch Vibration
3In der Fahrzeugtechnik auch als Wankwinkel bezeichnet.
2.4.1.3 Doppler-Messung
Die Geschwindigkeitsmessung kann auch per Doppler-Radar durchgef¨uhrt werden, welche den Vorteil hat, dass die Geschwindigkeitsmessung schlupffrei und un-abh¨angig vom Raddurchmesser bzw. der Profiltiefe des Rades ist. Der Doppler-Effekt entsteht bei einer Relativbewegung zwischen einem Wellensender und einem Wellenempf¨anger. Bei Ver¨anderung des Abstands zwischen dem Sender und dem Empf¨anger ¨andert sich die Frequenz des Signals. Ultraschall- oder Radarsignale werden schr¨ag auf den Boden abgestrahlt. Anhand der Dopplerverschiebung der reflektierten Wellen kann die Geschwindigkeit und die zur¨uckgelegte Strecke be-stimmt werden. (vgl. [Kee95]). Dopplerradar-Hodometer werden haupts¨achlich im Schienenverkehr als redundanter Sensor zur Geschwindigkeitsmessung eingesetzt.
Bei ung¨unstigem Fahrbahnzustand, wie Bedeckung durch Eis, Schnee oder Laub, ist die Funktion eingeschr¨ankt.