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1. WO1999000645 - PROCEDE DE DETERMINATION DE LA POSITION ANGULAIRE ABSOLUE DU VOLANT DE DIRECTION D'UN VEHICULE A MOTEUR ET CAPTEUR DE L'ANGLE DE BRAQUAGE OPTOELECTRONIQUE

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[ DE ]

Verfahren zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges sowie optoelektronischer Lenkwinkelsensor

Die Erfindung betrifft das Gebiet optoelektronischer Lenkwinkelerfassungssysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Be-stimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges innerhalb eines Segmentes von 360° unter Verwendung eines optoelektronischen Lenkwinkelsensors mit folgenden Schritten: Bestrahlen eines eine lichtdurchlässige Codespur aufweisenden Codegebers mit einer Lichtquelle zum Abbilden der durch die Codespur erzeugten Lichtspur auf der photosensitven Oberfläche eines Zeilensensors, Abtasten der Lichtspur mit dem Zeilensensor und Beaufschlagen einer Auswerteeinheit mit den Ausgangssignalen des Zeilensensors zur Bestimmung der absoluten Winkelstellung des Lenkrades.

Ferner betrifft die Erfindungen einen optoelektronischen Lenkwinkelsensor zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges innerhalb eines Segmentes von 360° umfassend einen Codegeber mit einer Codespur und eine als Zeilensensor ausgebildete Sensoreinrichtung, welcher Codegeber mit der Drehbewegung des Lenkrades relativ zum Zeilensensor bewegbar und von seiner einen Seite mit Licht bestrahlt ist, so daß die Codespur auf der photosensitiven Oberfläche des Zeilensensors abgebildet und von diesem erfaßbar ist, welcher Zeilensensor zur Bestimmung der erfaßten Codespursignale an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen ist.

Der Lenkwinkel bzw. der Lenkwinkeleinschlag bei Kraftfahrzeugen wird benötigt, um mit diesem Wert etwa ein Fahrdynamikregelsystem beaufschlagen zu können. Ein solches Fahrdynamikregelsystem erhält neben dem genannten Lenkwinkelwerten weitere Meßdaten, etwa die Raddreh-zahl oder die Drehung des Kraftfahrzeuges um seine Hochachse. Benötigt werden zum einen der absolute Lenkwinkeleinschlag und zum anderen die Lenkgeschwindigkeit, damit diese Werte zusammen mit den anderen erfaßten Daten durch das Fahrdynamikregelsystem ausgewertet und zum Steuern der Aktoren, beispielsweise der Bremsen und/oder das Motorma-nagement umgesetzt werden können.

Ein optoelektronischer Lenkwinkelsensor ist beispielsweise aus der DE 40 22 837 A1 bekannt. Der in diesem Dokument offenbarte Lenkwinkelsensor besteht aus zwei parallel und mit Abstand zueinander angeordneten Elementen - einer Lichtquelle und einem Zeilensensor - sowie einer zwi-sehen der Lichtquelle und dem Zeilensensor angeordneten Codescheibe, die drehfest mit der Lenkspindel verbunden ist. Als Zeilensensor ist eine CCD-Sensorzeile vorgesehen. Der Codegeber ist als Lichtschlitzscheibe ausgebildet und umfaßt als Codespur eine sich von innen nach außen vergrößernde Spirale. Über die Belichtung der Bildpunkte des Zeilensen-sors bei einem bestimmten Lenkeinschlag kann ein Aufschluß über den tatsächlichen Lenkwinkeleinschlag gewonnen werden.

Damit die gewonnenen Lenkwinkeldaten zur Weiterverarbeitung als Eingangsgröße eines Fafirdynamikregelsystems verwendet werden können, müssen diese einen hohen Genauigkeitsgrad und eine möglichst hohe Auflösung haben. Diesen gewünschten Anforderungen kann der aus der DE 40 22 837 A1 bekannte Lenkwinkelsensor bzw. das darin offenbarte Verfahren nicht genügen. Da die Codescheibe drehfest an der Lenkspindel angeordnet ist und der Zeilensensor bezüglich der Drehbewegung der Codescheibe ortsfest und somit nicht an der Lenkspindel befestigt vorgesehen ist, werden Bewegungen der Lenkspindel, mit der diese in Richtungen senkrecht zur Längsachse bewegt wird, durch die entsprechende Bewegung der Codescheibe und der damit einhergehenden Bewegung der auf dem Zeilensensor abgebildeten Codespur als Änderung des Lenkwinkeleinschlages erfaßt. Entsprechend wird auch das Fahrdynamikregelsystem mit einer solchen Fehlinformation beaufschlagt.

Die Meßgenauigkeit des vorbekannten Lenkwinkelsensors ist durch die Genauigkeit und die Feinheit der verwendeten Codespur sowie durch die Abbildungsschärfe der Lichtspur der Codescheibe auf dem Zeilensensor bestimmt. Zur Erzielung einer möglichst guten Abbildungsschärfe verwendet der vorbekannte Lenkwinkelsensor eine langgestreckte Lichtquelle, etwa ein Line-Source-LED oder eine längsförmige Lichtquelle, wobei die Länge dieser Lichtquellen der Länge der verwendeten Sensorzeile ent-spricht. Die emittierten Lichtstrahlen sollen möglichst rechtwinklig auf die Oberfläche des Codegebers auftreffen. Durch diese Maßnahme ist man bestrebt, einen möglichst sprunghaften Hell-Dunkel-Übergang zu schaffen, um exakte Lagebestimmungen der Lichtspur auf dem Zeilensensor vornehmen zu können. Diese Anforderungen bedingen eine hochexakte Montage und Justage der Codescheibe bezüglich der Lichtquelle und dem Zeilensensor. Die erreichbare Auflösung auch bei Verwendung einer hochpräzisen Codespur entspricht der physikalischen Auflösung des Zei-lensensors. Daher kann die Auflösung eines derartigen Lenkwinkelsensors lediglich dadurch gesteigert werden, daß ein Zeilensensor mit einem extrem hohen Bildpunktanzahl und eine Codespur mit einer sehr präzisen Linie verwendet wird. Diese genannten Maßnahmen erfordern jedoch einen erheblichen Aufwand und stellen sehr hohe Anforderungen an die einzuhaltenden Toleranzen.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges innerhalb eines Segmentes von 360° bereitzustellen, mit dem eine präzise hochaufgelöste Lenkwinkelerfassung möglich ist.

Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Lenkwinkelsensor bereitzustellen, der nicht nur durch Verwendung einfach konzipierter Bauelemente realisierbar ist, sondern der auch eine Auflösung aufweist, die den genannten Anforderungen genügt.

Die verfahrensbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Codespur eine Abtastlinie und eine Referenzlinie von der Licht-quelle bestrahlt werden und die Abbildung der Lichtspuren der Abtastlinie und der Referenzlinie auf der photosensitiven Oberfläche des Zeilensensors dergestalt erfolgt, daß sich die Hell-Dunkel-Übergänge einer Lichtspur über mehrere Bildpunkte des Zeilensensors hinweg erstrecken, und daß die Bestimmung der Winkelstellung des Lenkrades durch subpi-xelgenaues Ermitteln des Abstandes zwischen sich entsprechenden Charakteristika der von dem Zeilensensor erfaßten Signalcluster der Abtastlichtspur und der Referenzlichtspur erfolgt, welcher Abstand als Maß für die absolute Winkelstellung des Lenkrades verwendet wird.

Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Codespur des Codegebers aus einer Abtastlinie und einer Referenzlinie besteht und die durch die Lichtbestrahlung des Codegebers erzeugten Lichtspuren der Referenzlinie und der Abtastlinie bei ihrer Abbil- dung auf den Zeilensensor eine sich über mehrere Bildpunkte erstreckende Unscharfe im Hell-Dunkel-Übergang zwischen dem Hellbereich der Lichtspur und den benachbarten dunklen Bereichen aufweisen und die von den Signalen des Zeilensensors beaufschlagte Auswerteeinheit eine Einrichtung zum subpixelgenauen Ermitteln des Abstandes zwischen sich entsprechenden Charakteristika der von dem Zeilensensor erfaßten Si-gnalcluster der Abtastlichtspur und der Referenzlichtspur umfaßt, welcher Abstand ein Maß für die absolute Winkelstellung des Lenkrades ist.

Der erfindungsgemäße Lenkwinkelsensor verwendet im Gegensatz zum vorbekannten Stand der Technik die fast unvermeidbare Unscharfe der sich über einige Bildpunkte erstreckenden Hell-Dunkel-Übergänge der erfaßten Codespuren zur Bestimmung der tatsächlichen bzw. angenäherten Lage der Lichtspurkante. Diese Maßnahme hat zum Vorteil, daß die Anforderungen an die Bauelementanordnung und an die Lichtquelle nur gering sind. Vielmehr ist es sinnvoll, einen Hell-Dunkel-Übergangsbereich vorzusehen, der sich über mehrere Bildpunkte erstreckt, um aus den diskreten Signalen der von der Codespur bestrahlten Bildpunkte, im Folgenden als Signalcluster bezeichnet, ein bestimmtes Charakteristikum zur Lenkwinkelbestimmung zu verwenden.

Der Codegeber trägt erfindungsgemäß eine Abtastlinie und eine Referenzlinie, wobei der Abstand zwischen der Abtastlinie und der Referenzlinie in dem den Lenkwinkel zu erfassenden Segment von 360° in jedem Punkt unterschiedlich ist. Daher kann der Abstand jeweils gleicher Charakteristika der Signalcluster der Abtastlichtspur und der Referenzlichtspur zur absoluten Lenkwinkelbestimmung verwendet werden. Durch die Abstandsbestimmung erfolgt die Lenkwinkelbestimmung jeweils in Relation dieser beiden Lichtspuren zueinander, so daß Bewegungen der Lenk-spindel, die diese aus ihrer normalen Drehachse in Längsrichtung des Zeilensensors herausbewegen, kompensiert werden. Die Abstandsbestimmung erfolgt in Subpixelgenauigkeit.

Bei dem erfindungsgemäßen Lenkwinkelsensor kann als Abtastlinie und als Referenzlinie entweder eine Lichtspur vorgesehen sein, so daß der Codegeber beispielsweise als Lichtschlitzscheibe ausgebildet ist, oder aber eine Dunkelspur auf einer ansonsten hellen, etwa transparenten Codespur vorgesehen sein.

In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Unscharfe in der Abbildung der Lichtspuren zur Berechnung einer Interpolationskurve oder eines Interpolationspolynoms im Bereich von einer oder von beiden Signalflan-ken der beiden Lichtspuren zu benutzen. Durch die Interpolation wird ein quasi analoges Signal auf einer kontinuierlichen Kurve erzeugt. Durch einen dem Interpolator nachgeschalteten Vergleicher erfolgt anschließend ein Abgleich des interpolierten Signals mit einem vorbestimmten Schwellwert. Der auf diese Weise ermittelte Wert erlaubt sodann eine genauere Positionsbestimmung, nämlich eine solche im Subpixelbereich. Das Ausgangssignal des Vergleichers ist ein hochaufgelöstes Sprungsignal, welches eine Auswertlogik beaufschlagt. Durch eine entsprechende Überabtastung, wobei beispielsweise eine 16-fache Überabtastung vorgesehen sein kann, ist eine Abtastung der Codescheibe in einer der Taktrate der Überabtastung entsprechenden Schrittanzahl, beispielsweise in 16 Subpi-xelschritten je Bildpunkt, möglich. Die Auflösung bei einem Kreissegment von 360° und bei einer 16-fachen Überabtastung führt bei Verwendung einer 128 Pixel-Zeilensensor zu einer effektiven Auflösung von etwa 1600 Schritten, mit anderen Worten: zu einer Auflösung von 0,225 Grad je Subpixelwert. Die verfahrensimmanente lokale Linearitätsabweichung liegt bei dieser Anordnung im Bereich ±3 Subpixelschritte (entspricht ±0,7°) aufgrund des Interpolationsfehlers.

Vorteilhafterweise erstreckt sich der Hell-Dunkel-Übergang einer Lichtspur zwischen 10 - 90 % des Überganges über 3 - 10 Pixel. Besonders bevorzugt erstreckt sich der genannte Hell-Dunkel-Übergang über 5 - 7 Pixel. Wird eine geringere Pixelanzahl verwendet, ist der Interpolationsfehler entsprechend größer. Bei einer Verwendung einer größeren Pixelanzahl mag zwar zunächst die Interpolationsgenauigkeit verbessert sein, jedoch verringert sich dann der örtliche Verschiebungsbereich der Abtastlinie, so daß die effektive Auflösung des Verfahrens nicht entsprechend ansteigt.

Der Abgleich des interpolierten Signals erfolgt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von dem Referenzliniensignal, wobei die maximale Helligkeit der Referenzlichtlinie die Bezugsgröße darstellt. Der Schwellwert beträgt in einem Ausführungsbeispiel 50 % der maximalen Helligkeit der Referenzlichtspur.

Der Zeilensensor und die Auswertelogik werden vorteilhafterweise von ein und demselben Taktgeber getriggert, so daß beide Elemente Pixelsynchron getaktet sind.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zur Abstandsbestimmung bestimmter Signalcharakteristika ist vorgesehen, beide Flanken der Signalcluster der Abtastlichtspur und der Referenzlichtspur in der oben dargestellten Art und Weise auszuwerten und anschließend aus den bestimmten Flanken einen Mittelwert zu bilden. Zur Abstandsbestimmung wird der Abstand der beiden Mittelwerte zueinander ermittelt. In einer solchen Ausgestaltung wird das durch eine Abstandsänderung des Codegebers zum Zeilensensor hervorgerufene „Pumpen" der Signalcluster bzw. der Lichtspuren kompensiert.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zur subpixelgenauen Abstandsbestimmung der Abtastlichtspur und der Referenzlichtspur wird in einem ersten Schritt die pixelbezogene Lage der Signalcluster der beiden Lichtspuren ermittelt. Anschließend werden die Signalcluster mit einem vorbestimmten Referenzimpuls zur Ermittlung etwa von Korrelationsfunk-tionen oder von quadratischen Fehlersummen miteinander verglichen. Bei diesen Vergleichen wird der Referenzimpuls schrittweise über das Signalcluster gefahren, wobei in jedem Schritt ein Korrelationkoeffizient bzw. eine quadratische Fehlersumme ermittelt wird. Die Schrittweite ist kleiner bemessen als die Erstreckung eines Bildpunktes. Die eigentliche Ab-Standsbestimmung erfolgt dann durch Bestimmen des Abstandes der beiden Extrema der jeweils ermittelten Funktionsabschnitte.

Bei einem Auswerteverfahren kann vorgesehen sein, daß zur Lagebestimmung der Signalcluster gemäß einer hierarchischen Suche in einem ersten Schritt die Sensorzeilensignale in größeren Schritten mit dem Referenzimpuls abgetastet werden. Ebenfalls kann vorgesehen sein, daß die Signalcluster durch Bestimmen der Signalclusterflanken der beiden Lichtspuren im Wege einer Bestimmung der oben beschriebenen Hell-Dunkel-Übergänge ermittelt werden.

Zur Abstandsbestimmung kann ebenfalls ein Schwerpunktbestimmungsverfahren verwendet werden, gemäß dem die Schwerpunkte der Signalcluster ermittelt werden und anschließend der Abstand der beiden Schwerpunkte voneinander ermittelt wird. Da die Schwerpunktbestimmung zu einer Lage der Schwerpunkte in Subpixelgenauigkeit führt, ist folglich auch der ermittelte Abstand der beiden Lichtspuren in einer Subpixelgenauigkeit bestimmbar.

In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß diametral dem ersten Zeilensensor gegenüberliegend ein zweiter lichtbeaufschlagter Zeilensensor zum Abtasten der Referenzlinie sowie der Abtastlinie angeordnet ist. Dieser Zeilensensor erfaßt ebenfalls die genannten Lichtspuren, so daß für einen zu erfassenden Drehwinkel zwei ermittelte Winkelwerte vorliegen. Mit Hilfe dieser beiden erfaßten Winkelwerte ist ein gemittelter Winkelwert berechenbar, der gegenüber dem Achsspiel des Codegebers in der Drehebene senkrecht zur Sensorlängsachse oder bezüglich der Exzentrizität des Codegebers kompensiert ist. Darüber hinaus bietet der Ein-satz eines zweiten Zeilensensors einen hohen Schutz gegenüber Fehlern durch lokale optische Störungen, da zu jedem Zeitpunkt an zwei besonders weit voneinander entfernten Positionen auf dem Codegeber gemessen wird. Die Wahrscheinlichkeit, daß an beiden Meßorten eine lokale Störung vorliegt, ist äußerst gering, so daß auch die Ausfallwahrschein-lichkeit einer solchen Sensoranordnung erheblich reduziert ist.

Weitere Vorteile der Erfindung sowie Weiterbildungen sind Bestandteil der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen

Lenkwinkelsensors,

Fig. 2 eine schematisierte Draufsicht auf den Lenkwinkelsensor in der Figur 1 ,

Fig. 3 ein Blockschaltbild zum Betreiben des in Figur 1 gezeigten

Lenkwinkelsensors,

Fig. 4 ein Diagramm, welches die Signalverarbeitung des mit dem

Zeilensensor des Lenkwinkelsensors abgetasteten Signales zeigt, Fig. 5 ein Diagramm, aus dem sich der bei der Signalverarbeitung verwendete Interpolationsalgorithmus ergibt,

Fig. 6 ein Diagramm, welches die Subpixelauflösung des Lenkwinkelsensors bei einer 16-fachen Überabtastung innerhalb eines Pixels zeigt,

Fig. 7 eine schematische Draufsicht auf einen weiteren Lenkwinkelsensor,

Fig. 8 ein Diagramm darstellend einen Vergleich eines Signalclu- sters mit einem Referenzimpuls und

Fig. 9 in einem schematisierten Diagramm das Abtasten eines Si- gnalclusters mit einem Referenzimpuls.

Figur 1 zeigt einen optoelektronischen Lenkwinkelsensor 1 , der eine Lichtquelle 2, eine Codescheibe 3, einen Zeilensensor, nämlich eine CMOS-Sensorzeile 4 und eine Auswerteeinheit 5 umfaßt. Die CMOS-Sensorzeile 4 besteht aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter einzelner Bildpunkte (Pixel) 4'. Als Lichtquelle 2 ist bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine linienförmige, über die Sensorzeile 4 ausgedehnte Lichtquelle, welche an allen Punkten Licht mit einer Vorzugsrichtung ausstrahlt, vorgesehen.

Die Codescheibe 3 ist drehfest an einer Lenkspindel 6 angeordnet. Die Codescheibe 3 ist mit Ausnahme von zwei Lichtschlitzen 7, 8 lichtundurchlässig. Von den beiden Lichtschlitzen 7, 8 ist der Lichtschlitz 7 als Referenzlinie und der Lichtschlitz 8 als Abtastlinie vorgesehen. Die Refe-renzlinie 7 wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die äußere Kante der Codescheibe 3 gebildet, so daß diese in der Draufsicht konzentrisch die Lenkspindel 6 umgebend kreisrund ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Referenzlichtlinie 7 als eigene konzentrische Durchbrechung (Schlitz) in die Codescheibe 3 eingebracht ist. Die Abtastlinie 8 ist, wie in Figur 2 ersichtlich, von innen nach außen größer werdend und über 360° angeordnet spiralförmig ausgebildet. Durch Abtasten des Abstandes zwischen der Lichtspur 9 der Referenzlinie 7 und der Lichtspur 10 der Abtastlinie 8 bzw. von daraus sich ergebenden Charakte- ristika ein Maß erhältlich, welches über 360° eindeutig den jeweiligen Lenkwinkeleinschlag wiedergibt. Dabei wird insbesondere aus der Draufsicht der Figur 2 deutlich, daß Toleranzen bezüglich der Zentrizität der Codescheibe 3 sich bei einer solchen Abstandsmessung nicht bemerkbar machen, da sich diese gleichermaßen auf die Referenzlinie 7 und die Abtastlinie 8 auswirken. Darüberhinaus ist auch bei einem Ausfall des Systems und bei einer neuen Inbetriebnahme durch die Eindeutigkeit der Zuordnung ein fehlerfreies Arbeiten des Systems möglich, ohne dieses vorher neu kalibrieren zu müssen.

Das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht beleuchtet den gesamten Radius der Codescheibe 3 im Bereich der der CMOS-Sensorzeile 4 gegenüberliegenden Seite. Durch die Lichtschlitze von Referenzlinie 7 und Ab-tastiinie 8 werden deren Lichtspuren 9, 10 auf der CMOS-Sensorzeile 4 abgebildet. Die Lichtspuren 9, 10 werden sodann von bestimmten Bildpunkten 4' erfaßt. Bedingt durch den Abstand der CMOS-Sensorzeile 4 von der Codescheibe 3 und durch die Emission von nicht parallelem Licht aus der Lichtquelle 2 bildet sich die Kante der Referenzlinie 7 bzw. der Abtastlinie 8 unscharf ab. Es existiert daher zu jeder Lichtspur 9, 10 ein Hell-Dunkel-Übergangsbereich 11 , 11 ', 12. Jeder Hell-Dunkel-Übergangsbereich 11 , 11 ', 12 erstreckt sich über mehrere Bildpunkte 4'. Zur Abstandsbestimmung wird im folgenden der Abstand zwischen den Hell-Dunkel-Übergangsbereichen 11 , 12 bestimmt. Diese Bestimmung und die Berechnung des sich daraus ergebenden Lenkwinkels erfolgt in der Auswerteeinheit 5, deren Eingang an den Ausgang des Zeilensensors 4 angeschlossen ist.

Die Auswerteeinheit 5 umfaßt, wie in Figur 3 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt, einen Interpolator 13, einen Vergleicher 14, eine Auswer-telogik 15 und einen Taktgeber 16. Der Taktgeber 16 taktet die CMOS-Sensorzeile 4 und bestimmt somit deren Abtastrate. Entsprechend getaktet wird der Eingang des Interpolators 13 mit dem Zeilensignal bzw. den Pixelsignalen der CMOS-Sensorzeile 4 beaufschlagt. Die Form dieses Signales ist dem Diagramm der Figur 4 entnehmbar, wobei bedingt durch die geringe Auflösung der Abbildung die Werte der einzelnen Bildpunkte 4', die außerhalb der Signalflanken liegen, als zusammenhängendes Signal wiedergegeben sind. Die in Figur 4 wiedergegebenen Signalveränderungen entsprechen jeweils den durch die in Figur 3 dargestellten elektronischen Bauelemente ausgeführten Signalverarbeitungsschritten. Durch den Interpolator 13 erfolgt zunächst eine Interpolation des ortsdiskreten CMOS-Sensorzeilensignals. Die Interpolation erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch Berechnung eines Interpolationspo-lynoms, das den Verlauf der Signalkante an dieser Stelle mit vorhersagbarer Genauigkeit approximiert. Zur Verdeutlichung des Interpolationsvorganges ist in Figur 5 beispielsweise die Interpolation des Hell-Dunkel-Übergangsbereiches 11 der Figur 1 abgebildet. In diesem Diagramm sind auf der x-Achse die einzelnen Bildpunkte und auf der y-Achse die Signal-intensität der einzelnen Bildpunkte aufgetragen, die das ortsdiskrete Ursprungssignal darstellen. Das berechnete Interpolationspolynom 17 approximiert den tatsächlichen Verlauf des Hell-Dunkel-Übergangs.

Das interpolierte Zeilensignal (vgl. Figur 4) beaufschlagt den Vergleicher 14. In dem Vergleicher 14 erfolgt ein Abgleich des Interpolationspolynoms 17 mit einem vorgegebenen Schwellwert. Als Schwellwert ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 50 % der maximalen Helligkeit der Referenzlichtspur 9 vorgesehen. Durch Gleichsetzen des Interpolationspolynoms 17 mit dem Schwellwert 18 anschließend eine genaue Positions-bestimmung der Kante der Lichtspur 11. Aus dem Diagramm der Figur 5 läßt sich die berechnete Lage der Lichtspurkante und insbesondere deren unterschiedliche Lage bezogen auf die ansonsten allein durch die physikalische Pixelauflösung bestimmte Lage entnehmen. Der Vergleicher erzeugt somit ein hochaufgelöstes Sprungsignal, welches anschließend die Auswertelogik 15 beaufschlagt.

Die Auswertelogik 15 bestimmt, wie in Figur 4 gezeigt, den Abstand der hochaufgelösten Kanten der Hell-Dunkel-Übergangsbereiche 11 und 12, welcher Abstand in Figur 4 durch das Bezugszeichen A gekennzeichnet ist.

Der Taktgeber 16 beaufschlagt nicht nur die CMOS-Sensorzeile 4, sondern auch die Auswertelogik 15 bzw. den Interpolator 13. Durch die Auswertelogik 15 erfolgt ferner eine Überabtastung des Bildzeilensignales der CMOS-Sensorzeile 4. Dabei wird die sinnvolle maximale Überabtastungsrate, beispielsweise 16-facher Pixeltakt, prinzipiell nur durch den Signal-Rausch-Abstand des Sensors begrenzt.

Das in Figur 6 gezeigte Diagramm verdeutlicht die Subpixelauflösung des Lenkwinkelsensors 1 innerhalb eines einzigen Bildpunktes 4'. Das Diagramm zeigt aufgetragen auf der y-Achse die Meßwerte der einzelnen Subpixelschritte, deren Anzahl aufgrund der 16-fachen Überabtastung 16 beträgt. Auf der x-Achse ist die Anzahl der Meßwerte aufgetragen. Die Codescheibe 3 ist zur Erzeugung der Kurve um 0,01 mm/s bzw. 0,35 s bewegt worden. Die Auflösung des Positionserfassungssystems 1 beträgt bei einer CMOS-Sensorzeile 4 mit 128 Pixeln und einer 16-fachen Überabtastung bei 360° etwa 0,225 Grad je Subpixelwert bei einer lokalen Li-nearitätsabweichung von ± 3 Subpixelwerten oder + 0,7 Grad.

Diese hochaufgelösten Meßwerte erlauben dann die Berechnung des absoluten Lenkwinkels, welcher Wert an ein Fahrdynamikregelsystem übergeben wird.

Zur Erfassung der Lenkradumdrehungen kann auf verschiedene Zähleinrichtungen zurückgegriffen werden, beispielsweise eine solche, wie sie in der DE 195 08 607 C1 der Anmelderin beschrieben ist.

In Figur 7 ist das Positionserfassungssystem 1 dargestellt, dem eine zweite CMOS-Sensorzeile 19 zugeordnet ist. Die CMOS-Sensorzeile 19 ist diametral zur ersten CMOS-Sensorzeile 4 angeordnet und ebenso wie die CMOS-Sensorzeile 4 lichtbeaufschlagt. Die beiden CMOS-Sensorzeilen 4, 19 sind mit ihren Längsachsen fluchtend angeordnet. Durch Verwendung der beiden CMOS-Sensorzeilen 4, 19 ist es möglich, das Achsspiel in der Drehebene senkrecht zur Sensorlängsachse sowie eine mögliche Exzentrizität der Codescheibe 3 zur Drehachse der Lenkspindel 6 durch eine Mittelwertbildung zu kompensieren. Im Falle einer exakten Drehbewegung wird von beiden CMOS-Sensorzeilen 4, 19 je-weils der gleiche Winkelversatz ermittelt. Im Falle eines Achsspiels senkrecht zur Sensorlängsachse bzw. einer Exzentrizität der Codescheibe 3 wird der durch das Spiel hervorgerufene Versatz von der ersten CMOS-Sensorzeile 4 als positiver Winkelversatz und von der zweiten CMOS-Sensorzeile 19 als negativer Winkelversatz erfaßt, wobei gegebenenfalls nur ein Vektor des Versatzes, nämlich der der Längsachse der CMOS-Sensorzeilen 4, 19 entsprechende, erfaßt wird. Aufgrund dieser Eigenschaften kann durch nachfolgende Mittelwertbildung über die beiden von den beiden CMOS-Sensorzeilen 4, 19 ermittelten Winkelwerte sowohl das Achsspiel in Sensorrichtung als auch eine Exzentrizität der Codescheibe 3 in einer numerisch besonders aufwandsgünstigen Art und Weise kompensiert werden. Für eine Drehbewegung ergibt sich:

_ (φa/, + Δφ)fe„ , + (φ„;,Δφ) r2
Ψ neu, kompensiert n. Ψ all Ψ

Für ein Achsspiel oder einen Mittenversatz ergibt sich mit einem daraus interpretierten Winkelversatz:

_ (Φa/, + Δφ) ,, + (φ„„Δφ) enro,2 _
T neu, kompensiert y T alt

Eine Änderung des detektierten Winkels kann somit nur noch durch eine Drehbewegung erfolgen.

Gemäß einem weiteren Verfahren wird der Abstand zwischen der Lichtspur 10 der Abtastlinie 8 und der Lichtspur 9 der Referenzlinie 7 durch ein Korrelationsverfahren ermittelt. Zu diesem Zweck erfolgt in einem ersten Schritt eine lagebezogene Ermittlung der Signalcluster der Abtastlichtspur 10 und der Referenzlichtspur 9. Anschließend wird jedes Signalcluster mit einem Referenzimpuls zur Erstellung einer Korrelationsfunktion verglichen. Der Referenzimpuls ist bezüglich seiner Formgebung an die zu erwartenden Signalcluster S angepaßt und kann beispielsweise durch die nachfolgend wiedergegebene Funktion beschrieben werden:

sm(bx)
a ,x ≠ 0
/(*) = x
, = 0

Zur Erstellung einer solchen Korrelationsfunktion bzw. der den Signalclu-stern zugeordneten Korrelationsfunktionsabschnitte wird der Referenzimpuls schrittweise über die gesamte Ersteckung des Signalclusters S ver-fahren. Die gewählte Schrittweite ist erheblich geringer als die Erstreckung eines Bildpunktes, so daß die Auflösung dieses Abstandsbestimmungs-verfahrens subpixelgenau ist. In jedem Vergleichsschritt wird, wie sehe- matisch in Figur 8 dargestellt, die Unterschiede der erfaßten Intensität [s(n)] mit den Funktionswerten des Referenzimpulses verglichen, woraus zu jedem Schritt ein Korrelationskoeffizient bestimmbar ist.

Das schrittweise Abtasten der Signalcluster S1 und S2 ist schematisiert in Figur 9 wiedergegeben. Dabei gibt das Signalcluster S1 die Referenzlichtspur 9 und das Signalcluster S2 die Abtastlichtspur 10 wieder. Die Abstandsbestimmung erfolgt dadurch, daß der Abstand der sich auf der Korrelationsfunktion abbildenden Maxima ermittelt wird.

Anstelle der Erstellung von Korrelationskoeffizienten können auch in jedem Schritt die quadratischen Fehlersummen ermittelt werden, so daß sich das Charakteristikum für jedes Signalcluster als konkretes Minimum erkennen läßt. Der Abstand dieser Minima ist dann wiederum das Maß für den absoluten Lenkwinkeleinschlag. Die quadratischen Fehlersummen lassen sich gemäß nachfolgend wiedergegebener Gleichung ermitteln:

K(x0) = ∑ s(nQ + n) - f(n - Δx - x,_)

( o) = Σ TRUNC\ — j + n \ - f(n - Ax ~ (xQMODAx)

Zusammenstellung der Bezugszeichen

1 Lenkwinkelsensor
2 Lichtquelle
3 Codescheibe
4 CMOS-Sensorzeile
4' Bildpunkt (Pixel)
5 Auswerteeinheit
6 Lenkspindel
7 Lichtschlitz, Referenzlinie
8 Lichtschlitz, Abtastlinie
9 Lichtspur, Referenzlinie
10 Lichtspur, Abtastlinie
11 , 11 ' Hell-Dunkel-Übergangsbereich
12 Hell-dunkel-Übergangsbereich
13 Interpolator
14 Vergleicher
15 Auswertelogik
16 Taktgeber
17 Interpolationspolynom
18 Schwellwert
19 CMOS-Sensorzeile

A Abstand
R Referenzimpuls
S Signalcluster
s1 Signalcluster
s2 Signalcluster