DE10320544B4 - Vorrichtung zur Bestimmung der Quergeschwindigkeit eines Fahrzeugs und Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität eines Fahrzeuges - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung der Quergeschwindigkeit eines Fahrzeugs und Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität eines Fahrzeuges Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der Quergeschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges umfassend:
einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor zum Erzeugen eines Signals der Fahrzeuggeschwindigkeit;
einen Seitenneigungswinkelgeschwindigkeits-Sensor (34) zum Erzeugen eines Seitenneigungswinkelgeschwindigkeits-Signals;
einen Gierwinkelgeschwindigkeits-Sensor (28) zum Erzeugen eines Gierwinkelgeschwindigkeits-Signals;
einen Querbeschleunigungs-Sensor (32) zum Erzeugen eines Querbeschleunigungs-Signals;
einen Längsbeschleunigungs-Sensor (36) zum Erzeugen eines Längsbeschleunigungs-Signals; und
einen mit den Sensoren gekoppelten Regler (26), ausgebildet zur Bestimmung
– eines stationären Nickwinkels und eines stationären Seitenneigungswinkels als Funktion des Querbeschleunigungs-Signals, des Längsbeschleunigungs-Signals, des Gierwinkelgeschwindigkeits-Signals und des Fahrzeuggeschwindigkeits-Signals,
– einer Gleitkennzahl als Funktion des stationären Nickwinkels, des stationären Seitenneigungswinkels und der Seitenneigungswinkelgeschwindigkeits-Signals, und
– einer Quergeschwindigkeit als Funktion der Gleitkennzahl.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Quergeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität eines Kraftfahrzeugs.
  • Es ist bekannte Praxis, verschiedene Betriebsdynamiken eines Motorfahrzeuges zu regeln, um eine aktive Sicherheit zu erzielen, indem Regelungssysteme für Gier- und Schlingerstabilität verwendet werden. Der effektive Betrieb der verschiedenen Sicherheitsregelvorrichtungen erfordert eine hochgenaue und schnelle Ansprechzeit des Betriebszustandes des Motorfahrzeugs im Hinblick auf die verschiedenen Straßenbedingungen und Fahrzustände. Ein in solchen Systemen genutzter wichtiger Betriebszustand ist die Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges.
  • Wenn ein Fahrzeug gesteuert wird, kann es in Bezug auf die Straßenoberfläche längs der Querachse des Fahrzeuges rutschen, insbesondere wenn es auf einer Straßenoberfläche mit geringer Reibung (kleines μ) betrieben wird. Dieses Rutschen kann quantitativ abgeschätzt werden, indem die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugschwerpunktes, die auf die Querrichtung des Fahrzeuges übertragen wird, genutzt wird. Die Quergeschwindigkeit, die mit anderen dynamischen Variablen des Fahrzeugs wie Geschwindigkeit in Längsrichtung des Fahrzeuges und Größe des Gierwinkels kombiniert ist, muss zur Ermittlung der Lage des Fahrzeuges verwendet werden. Die Fahrzeuglage kann genutzt werden, um Steuerbefehle für Regelungssysteme für die Gier- und Schlingerstabilität des Fahrzeuges zu generieren. Die Quergeschwindigkeit kann durch Sensoren wie optische Sensoren oder Sensoren des Positionsbestimmungs-Systems (GPS) direkt gemessen werden. Jedoch sind diese Sensoren für die ständigen Regelungen der Fahrzeugdynamik sehr kostspielig. Daher ist es wünschenswert, andere verfügbare Sensorsignale zur Einschätzung der Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges zu verwenden.
  • Viele bekannte Systeme verlassen sich auf grundlegende Annahmen im Hinblick auf Bedingungen wie das Fahren auf einer flachen Oberfläche (kein Steigungs- oder Überhöhungswinkel) oder auf einer Oberfläche mit hohem μ oder bei einer kleinen Änderung der Fahrzeuglage. Beispiel eines solchen Systems ist im US-Patent US 5 742 919 A zu finden, das ein Verfahren zur Abschätzung der Quergeschwindigkeit bereitstellt. Das offenbarte Verfahren ist nur genau, wenn die Straße flach ist, die Straßenoberfläche ein hohes μ aufweist und das Fahrzeug eine sehr kleine Schlingerbewegung macht.
  • Ein anderes bekanntes Verfahren, vgl. beispielsweise EP 0 694 464 A1 , nutzt ein Sensorsignal der Querbeschleunigung, um die zeitliche Ableitung der Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges aufzustellen, indem das Produkt des Gierwinkels und der Längsgeschwindigkeit des Fahrzeuges abgezogen wird. Da der Straßenzustand (zum Beispiel die Straßenüberhöhung und Neigung), das dynamische Kurvenschlingern bzw. Kurvenwanken und die dynamische Nickstellung des Fahrzeuges eine zusätzliche Komponente in der Querbeschleunigung erzeugen werden, scheitert dieses Verfahren daran, eine genaue Quergeschwindigkeit auf einer Straße mit Überhöhung/Neigung oder wenn die Fahrzeugkarosserie erhebliche Änderungen der Lage aufweist, zu detektieren. Zum Beispiel kann die Lenkeingabe eines aggressiven Fahrers eine große Änderung der Wank- bzw. Schlingerlage des Fahrzeuges verursachen. Beim Fahren im Gelände wird eine große Überhöhung und Neigung der Fahrbahn durch Änderungen der Fahrzeuglage spürbar. Ein Fahrzeug könnte bei Manövern mit hoher Querbeschleunigung 6 Grad eines relativen Seitenneigungswinkels zwischen der Fahrzeugkarosserie und einer ebenen Straßenoberfläche erreichen. Wenn ein solches Fahrzeug mit 72 km/h (45 mph) auf einer um 10 Grad überhöhten Straße gefahren wird, ist das Messergebnis des Querbeschleunigungssensors um 2,7 m/s2 nur auf Grund der Schwerkraft erhöht. Deshalb könnte eine Vernachlässigung von Informationen der Straßenüberhöhung und des Schlingerns bzw. Wankens des Fahrzeuges einen Fehler von 2,7 m/s pro Sekunde einleiten. Das heißt, in diesem Fall wird ein Manöver von 2 Sekunden mit einem Fehler der Quergeschwindigkeit von etwa 5,4 m/s, was mehr als 27% der Fahrzeuggeschwindigkeit von 72 km/h (45 mph) ist, enden.
    •
  • Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine robuste Bestimmung der Quergeschwindigkeit bereitzustellen, die auf Straßen mit Überhöhungen, Neigungen, verschiedenen μ der Oberfläche und wenn das Fahrzeug unter wechselnden dynamischen Bedingungen arbeitet, zuverlässig ist und ein Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität eines Fahrzeugs bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung stellt eine robuste Bestimmung der Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges bereit, die eine hohe Genauigkeit dadurch aufrechterhält, dass verschiedene dynamische Bedingungen des Fahrzeuges und verschiedene Straßenzustände einbezogen und kompensiert werden.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung enthält eine Vorrichtung zur Bestimmung der Quergeschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges einen Sensor für Fahrzeuggeschwindigkeit, der ein Signal der Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugt, einen Seitenneigungswinkelgeschwindigkeits-Sensor zum Erzeugen eines Signals der Seitenneigungswinkelgeschwindigkeit, einen Gierwinkelgeschwindigkeits-Sensor zum Erzeugen eines Signals der Gierwinkelgeschwindigkeit, einen Querbeschleunigungs-Sensor zum Erzeugen eines Querbeschleunigungs-Signals und einen Längsbeschleunigungs-Sensor zum Erzeugen eines Längsbeschleunigungs-Signals. Mit den Sensoren ist ein Regler gekoppelt, der einen stationären Nickwinkel und einen stationären Seitenneigungswinkel als Funktion des Querbeschleunigungs-Signals, des Längsbeschleunigungs-Signals, des Gierwinkelgeschwindigkeits-Signals und des Fahrzeuggeschwindigkeits-Signals bestimmt. Der Regler bestimmt eine Gleitkennzahl als Funktion des stationären Nickwinkels, des Seitenneigungswinkels im stationären Zustand und des Signals der Seitenneigungswinkelgeschwindigkeit. Der Regler bestimmt die Quergeschwindigkeit als Funktion der Gleitkennzahl.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität eines Fahrzeuges das Messen einer Fahrzeuggeschwindigkeit, das Messen einer Seitenneigungswinkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges, das Messen eines Signals der Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges, das Messen eines Signals der Querbeschleunigung des Fahrzeuges, das Messen einer Längsbeschleunigung des Fahrzeuges und das Bestimmen einer Quergeschwindigkeit als Funktion von Längsbeschleunigung, Fahrzeuggeschwindigkeit, Querbeschleunigungs-Signal, Signal der Gierwinkelgeschwindigkeit und Signal der Seitenneigungswinkelgeschwindigkeit sowie das Steuern eines Sicherheitssystems als Reaktion auf die Quergeschwindigkeit und die anderen berechneten und gemessenen Variablen.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie eine geschlossene Formel für die Quergeschwindigkeit und die zuverlässige Berechnung eine Abschätzung der Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges liefert. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Abschätzung der Quergeschwindigkeit genau ist, ohne Rücksicht auf das Straßenprofil (flach, überhöhte oder mit Neigung versehene Straßenoberfläche), den Zustand der Straßenoberfläche (kleines oder hohes μ) und die Fahrzustände (Bewegung, die mit großer oder kleiner Schlinger-/Nick-/Gierbewegung kombiniert ist).
    •
  • Vorteile der Erfindung werden deutlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung des Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen
  • 1 die schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit veränderlichen Vektoren und Koordinaten-Rahmen gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 die Vorderansicht eines Kraftfahrzeugs auf einer seitlichen Weg-Überhöhung;
  • 3 die Seitenansicht eines Fahrzeugs auf einer Längsneigung eines Weges;
  • 4 das Blockbild eines Stabilitätssystems nach der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ein Ablaufdiagramm der Funktionen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Im Folgenden werden Abbildungen mit den identischen Bezugszeichen verwendet, um gleiche Funktionen oder identische Komponenten zu kennzeichnen. Die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise in Verbindung mit einem Sicherheitssystem wie ein Gierstabilitäts-Steuersystem oder ein Schlingerstabilitäts-Steuersystem für ein Kraftfahrzeug genutzt. Die Erfindung kann jedoch auch mit dem entfalteten Gerät eines Sicherheitssystems, wie ein Airbag verwendet werden. Die Erfindung wird unter dem Aspekt von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Bezug auf ein Kraftfahrzeug erörtert, das sich in einem dreidimensionalen Straßengelände bewegt.
  • In 1 ist ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Sicherheitssystem der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen, darauf wirkenden Kräften und Momenten dargestellt. Das Fahrzeug 10 besitzt vordere rechte und vordere linke Reifen 12a, 12b bzw. hintere rechte und hintere linke Reifen 13a, 13b. Das Fahrzeug 10 kann außerdem eine Anzahl unterschiedlicher Typen von vorderen Lenksystemen 14a und hinteren Lenksystemen 14b aufweisen, einschließlich dessen, dass jedes der Vorder- und Hinterräder mit einem entsprechenden regelbaren Stellglied ausgeführt ist, die Vorder- und Hinterräder ein System von konventioneller Art sind, in dem beide der Vorderräder gemeinsam gesteuert werden und beide der Hinterräder gemeinsam gesteuert werden, ein System mit konventioneller vorderer Lenkung und unabhängig davon steuerbarer, hinterer Lenkung für jedes der Räder oder umgekehrt. Im Allgemeinen weist das Fahrzeug ein Gewicht auf, das als Mg im Schwerpunkt des Fahrzeuges dargestellt wird, in dem g = 9,8 m/s2 beträgt und M die Gesamtmasse des Fahrzeuges ist.
  • Wie oben erwähnt, kann das System auch mit aktiven/halbaktiven Aufhängungssystemen, einem Querstabilisator oder anderen Sicherheitsvorrichtungen verwendet werden, die beim Ermitteln von vorgegebenen dynamischen Zuständen des Fahrzeuges entfaltet oder aktiviert werden.
  • Das Ermittlungssystem 16 ist mit einer Regelung 18 gekoppelt. Das Ermittlungssystem 16 nutzt vorzugsweise eine normale Sensoranordnung zur Steuerung der Gierstabilität (einschließlich Querbeschleunigungs-Sensor, Gierwinkelgrößen-Sensor und Raddrehzahl-Sensor) zusammen mit einem Seitenneigungswinkel-Sensor und einem Längsbeschleunigungs-Sensor. Die verschiedenen Sensoren werden nachstehend weiter beschrieben. Die Raddrehzahl-Sensoren 20 sind in jeder Ecke des Fahrzeuges montiert, und die restlichen Sensoren des Ermittlungssystems 16 sind vorzugsweise direkt im Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie längs der in 1 dargestellten Richtungen x,y and z montiert. Der Fachmann wird erkennen, dass der Rahmen von b1, b2 und b3 Karosserierahmen 22 genannt wird, dessen Ursprung im Schwerpunkt der Wagenkarosserie angeordnet ist, wobei b1 der Längsachse oder der nach vorn zeigenden x-Achse entspricht, b2 der Quer- oder der Y-Achse entspricht, die von der Antriebsseite (nach links) weg zeigt, und b3 der vertikalen oder nach oben zeigenden z-Achse entspricht. Die Winkelverhältnisse der Fahrzeugkarosserie werden über ihre jeweiligen Achsen wie wx für die Größe des Seitenneigungswinkels, wy für die Größe des Nickwinkels und wz für die Größe des Gierwinkels bezeichnet.
  • Die Sensoren für das Winkelverhältnis und die Beschleunigungs-Sensoren sind an der Fahrzeugkarosserie längs der Karosserierahmen-Richtungen b1, b2 und b3, die die x – y – z Achsen der gefederten Masse des Fahrzeuges darstellen, angeordnet.
  • Der Längsbeschleunigungs-Sensor ist an der Wagenkarosserie im Schwerpunkt mit seiner Ermittlungsrichtung längs der b1-Achse angebracht, wobei sein Ausgang als ax bezeichnet wird. Der Querbeschleunigungs-Sensor ist an der Wagenkarosserie im Schwerpunkt mit seiner Ermittlungsrichtung längs der b2-Achse angebracht, wobei sein Ausgang als ay bezeichnet wird.
  • Gemäß 2 wird mit der vorliegenden Erfindung eine Quergeschwindigkeit durch Kompensation eines Straßenböschungswinkels θbank, wenn die Fahrzeugkarosserie eine leichte Schlingerlage in Bezug auf die Straßenoberfläche aufweist oder sonst eines Winkels θx der Schlingerlage des Fahrzeuges, welcher der globale Seitenneigungswinkel der Fahrzeugkarosserie in Bezug auf den Meeresspiegel ist, bestimmt. Bei der Bestimmung kann ein Seitenneigungswinkel im stationären Zustand verwendet werden. Damit wird das Vorhandensein entweder einer Straßenneigung oder einer großen Neigungslage des Fahrzeuges doch eine genaue Bestimmung der Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges ermöglichen, indem die vorliegende Erfindung genutzt wird.
  • Gemäß 3 wird mit der vorliegenden Erfindung eine Quergeschwindigkeit durch Kompensation eines Neigungs- oder Nickwinkels θslope, wenn die Fahrzeugkarosserie eine leichte Nicklage in Bezug auf die Straßenoberfläche oder sonst einen Nicklage-Winkel θy des Fahrzeuges aufweist, welcher der globale Nickwinkel der Fahrzeugkarosserie in Bezug auf den Meeresspiegel ist, bestimmt. Bei der Bestimmung kann ein Nickwinkel im stationären Zustand verwendet werden. Somit wird das Vorhandensein von entweder der Straßenneigung oder einer großen Nicklage des Fahrzeugs doch eine genaue Bestimmung der Quergeschwindigkeit mit dem System der vorliegenden Erfindung erlauben.
  • In 4 ist die Regelung 18 weiter ausführlich mit einem Regler 26 dargestellt, der zur Aufnahme von Informationen aus einer Anzahl von Sensoren genutzt wird, die einen Gierwinkelgrößen-Sensor 28, einen Drehzahlsensor 20, einen Querbeschleunigungs-Sensor 32, einen Seitenneigungswinkelgrößen-Sensor 34, einen Lenkwinkel-Sensor 35 (Lenkradstellung), einen Längsbeschleunigungs-Sensor 36, einen Nickwinkel-Sensor 37 und einen Lenkwinkel-Positionssensor 39 umfassen.
  • Im Ausführungsbeispiel werden nur zwei Sensoren für axiale Verhältnisse verwendet. Wenn zwei von diesen axialen Verhältnissen bekannt sind, können die anderen mittels anderer, normalerweise verfügbarer Sensoren abgeleitet werden. Vorzugsweise werden die Größe des Gierwinkels und die Größe des Seitenneigungswinkels als Sensoren für axiale Verhältnisse genutzt. Obwohl der Nickwinkel-Sensor 37 dargestellt ist, kann er im bevorzugten Ausführungsbeispiel weggelassen werden.
  • Im Ausführungsbeispiel sind die Sensoren im Schwerpunkt des Fahrzeuges angeordnet. Der Fachmann wird erkennen, dass der Sensor auch vom Schwerpunkt weg angeordnet sein kann und äquivalent dazu übertragen werden kann.
  • Querbeschleunigung, Schlingerlage und Drehzahl können mittels eines Positionsbestimmungs-Systems (GPS) erhalten werden. Basierend auf Eingaben von den Sensoren kann die Steuerschaltung 26 eine Sicherheitsvorrichtung 38 steuern. In Abhängigkeit von der gewünschten Empfindlichkeit des Systems und verschiedenen anderen Faktoren können nicht alle der Sensoren 28-39 in einem kommerziellen Ausführungsbeispiel genutzt werden. Die Sicherheitsvorrichtung 38 kann einen Airbag 40, ein aktives Bremssystem 41, ein aktives vorderes Lenksystem 42, ein aktives hinteres Lenksystem 43, ein aktives Aufhängungssystem 44 und ein aktives System 45 von Querstabilisatoren oder eine Kombination davon steuern. Jedes der Systeme 40-44 kann seine eigenen Regler zum Aktivieren jedes einzelnen aufweisen. Wie oben erwähnt, ist das Sicherheitssystem 38 vorzugsweise zumindest das aktive Bremssystem 41.
  • Der Seitenneigungswinkelgrößen-Sensor 34 und der Nickwinkelgrößen-Sensor 37 können den Zustand der Seitenneigung des Fahrzeuges basierend auf dem Abtasten der Höhe von einem oder mehreren Punkten am Fahrzeug relativ zu der Straßenoberfläche ermitteln. Sensoren, die dazu verwendet werden können, um dies zu erreichen, enthalten einen Näherungsschalter auf Radarbasis, einen Näherungsschalter auf Laserbasis und einen Näherungsschalter auf Sonarbasis.
  • Der Seitenneigungswinkelgrößen-Sensor 34 und der Nickwinkelgrößen-Sensor 37 können auch den Zustand der Seitenneigung basierend auf der Ermittlung der linearen oder relativen Drehverschiebung oder Verschiebungsgeschwindigkeit von einem oder mehreren der Bauteile der Fahrgestell-Aufhängung messen. Die Sensoren 34, 37 für Seitenneigungswinkelgröße- und Nickwinkelgröße können einen linearen Höhen- oder Wegsensor, einen drehbaren Höhen- oder Wegsensor, einen Raddrehzahl-Sensor, der zur Beobachtung einer Geschwindigkeitsänderung genutzt wird, einen Lenkrad-Stellungssensor, einen Lenkrad-Geschwindigkeitssensor und / oder eine Kursbefehlseingabe des Fahrers von einem elektronischen Bauteil, welches das Lenken per Draht mittels eines Handrades oder eines Joysticks einschließen kann, umfassen.
  • Der Seitenneigungswinkel kann außerdem durch Ermittlung von Kraft oder Drehmoment, die dem Belastungszustand von einem oder mehreren Aufhängungs- oder Karosseriebauteilen zugeordnet sind, bestimmt werden. Diese Parameter können durch einen Druckwandler in einer aktiven Luftfederung, einen Stoßdämpfer-Sensor wie eine Kraftmessdose, ein Dehnungsmessgerät, einen Sensor für absolute und relative Motorbelastung des Lenksystems, einen Hydraulikdruck-Sensor des Lenksystems, einen Querkraftsensor oder -sensoren, einen Reifen-Längskraft-Sensor, einen Reifen-Vertikalkraft-Sensor oder einen Reifenseitenwand-Torsions-Sensor gemessen werden.
  • Der Seitenneigungswinkel des Fahrzeuges kann auch durch eines oder mehrere der folgenden erzeugt werden: translatorische oder rotatorische Positionen, Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen des Fahrzeuges. Diese Parameter können durch eines oder mehrere der folgenden bestimmt werden: ein Schlinger-Gyroskop, den Seitenneigungswinkel-Sensor 34, den Gierwinkel-Sensor 28, den Querbeschleunigungs-Sensor 32, einen Vertikalbeschleunigungs-Sensor, einen Fahrzeug-Längsbeschleunigungssensor, Quer- oder Vertikalgeschwindigkeits-Sensor mit einem Drehzahlsensor auf Radbasis, einem Geschwindigkeits-Sensor auf Radarbasis, einem Geschwindigkeits-Sensor auf Sonarbasis, einem Geschwindigkeits-Sensor auf Laserbasis oder einem optisch basierten Geschwindigkeitssensor.
  • Auf den Eingaben von den Sensoren 28 bis 39 basierend, bestimmt der Regler 26 einen Zustand der Seitenneigung und steuert eine beliebige oder mehrere der Sicherheitsvorrichtungen 40-45.
  • Der Drehzahlsensor 30 kann einer von, dem Fachmann bekannten, vielfältigen Drehzahlsensoren sein. Zum Beispiel kann ein geeigneter Drehzahlsensor einen Sensor an jedem Rad umfassen, die durch den Regler 26 gemittelt werden. Vorzugsweise wandelt der Regler die Raddrehzahlen in die Geschwindigkeit des Fahrzeuges um. Gierwinkel, Lenkwinkel, Raddrehzahl und möglicherweise ein Schätzwert des Rutschwinkels an jedem Rad können zurück auf die Geschwindigkeit des Fahrzeuges im Schwerpunkt umgewandelt werden. Verschiedene andere Algorithmen sind dem Fachmann bekannt. Die Geschwindigkeit kann auch von einem Getriebe-Sensor erhalten werden. Zum Beispiel kann, wenn eine Geschwindigkeit bei Drehzahlerhöhung oder beim Bremsen um eine Ecke bestimmt wird, die kleinste oder höchste Raddrehzahl wegen ihres Fehlers nicht genutzt werden.
  • Aus einer grundlegenden Betrachtung der Dynamik gibt es für ein sich bewegendes Fahrzeug kinematische Beziehungen zwischen den folgenden Variablen: der Beschleunigung ay in Fahrzeugquerrichtung, der Beschleunigung ax in Fahrzeuglängsrichtung, dem Seitenneigungswinkel ωx, dem Gierwinkel ωy, der Bezugsgeschwindigkeit νx des Fahrzeuges, der Schlingerlage θx der Fahrzeugkarosserie, der Nicklage θy der Fahrzeugkarosserie (Neigungswinkel), der Quergeschwindigkeit νy des Fahrzeugs und dem Nickwinkel ωy. Diese kinematischen Beziehungen können durch die folgenden nichtlinearen Differenzialgleichungen ausgedrückt werden
  • Figure 00150001
  • Wie zuvor erwähnt, könnte die durch die erste Gleichung von (1.1) genutzte Bestimmung der Quergeschwindigkeit als ν .y = ay – [ωzνx + gsin(θx)cos(θy)]ausgedrückt werden, wobei die bestehenden Verfahren in der aktuellen Literatur, welche die globale Nickbewegungs- und Seitenneigungslagen des Fahrzeuges vernachlässigen, zu ν .y ≈ ay – ωzνx führen. Es ist außerdem zu beachten, dass, obwohl die globalen Positionen des Fahrzeuges θx und θy verfügbar sind, ein sorgfältiges Integrationsschema gewählt werden muss, um νy durch Integration von ay –[ωzνx + gsin(θx)cos(θy)] zu erhalten. Da νy sowohl hochfrequente als auch niederfrequente Komponenten aufweisen könnte, kann eine einfache Integration mit Hochpassfilter nicht das gewünschte Ergebnis erzielen. Diese Schwierigkeit besteht deswegen, weil es schwierig ist, zwischen der Integrationsverschiebung und dem tatsächlichen Rutschen des Fahrzeuges mit geringer Frequenz zu unterscheiden. Die vorliegende Erfindung erzielt eine genaue Abschätzung ohne Rücksicht auf solche Schwierigkeiten.
  • Bei der aktuellen Steuerung der Gier- oder Seitenneigungsstabilität des Fahrzeuges sind ay, ax, ωx und ωy gemessene Sensorsignale, wobei νx bekannt ist (berechnet aus den Raddrehzahl-Sensorsignalen und den anderen berechneten Signalen, die bei der Steuerung der Gierstabilität genutzt werden), während θx, θy, νy und ωy unbekannt sind. Folglich erfordert das Berechnen der Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges aus der Gleichung (1.1) das Lösen einer Gruppe von nichtlinearen Differenzialgleichungen. Die Lösung für die oben genannten, nichtlinearen Differenzialgleichungen kann erhalten werden, indem eine einzige lineare, jedoch zeitlich veränderliche Differenzialgleichung gelöst wird. Der Vorteil des Lösens einer linearen, zeitlich veränderlichen Differenzialgleichung gegenüber dem Lösen von nichtlinearen Differenzialgleichungen ist, dass im Allgemeinen die Lösung in geschlossener Form für lineare Differenzialgleichungen gefunden werden kann, was normalerweise für nichtlineare Differenzialgleichungen unmöglich ist. Die Lösung in geschlossener Form berechnet die Quergeschwindigkeit νy aus den bekannten Signalen ay, ax, ωx, ωy und νy direkt, indem die bekannten Variablen θx, θY und ωy eliminiert werden. Ein Vorteil dieser Behandlung ist, dass potenzielle numerische Fehler, die in der Integration für θx, θy und ωy gefunden wurden, eliminiert werden. Deshalb ist das System robuster und zuverlässig.
  • Wenn ein Fahrzeug in einem stabilen Zustand fährt, ist die Quergeschwindigkeit wahrscheinlich nahezu Null. In diesem Fall werden die entsprechenden Schlinger- und Nicklagen des Fahrzeuges als θxss und θyss bezeichnet, die durch Setzen von νy = 0 in den ersten beiden Gleichungen von Gleichung (1.1) erhalten werden können.
  • Figure 00160001
  • Es ist zu beachten, dass Gleichung (1.2) keinem der realen Werte der Fahrzeuglagen entspricht, wenn das Fahrzeug eine erhebliche Rutschbewegung in Querrichtung macht, wobei die Fahrzeuglagen in diesem Falle folgendem unterliegen
    Figure 00160002
  • Berücksichtigt man, dass die Fahrzeuglagen klein genug sind, so dass die Annahme eines kleinen Winkels hält, dann kann (1 .3) auf folgendes vereinfacht werden
    Figure 00170001
  • Ferner ist durch Annahme eines kleinen Winkels auf die dritte Gleichung (1.1) die folgende Beziehung richtig
    Figure 00170002
  • Definiert man das Folgende als Gleitkennzahl SI = (θ .xss – ωx – ωzθyss)g (1.6)dann erfüllt die Quergeschwindigkeit die folgende einzige Differenzialgleichung zu einem beliebigen Zeitpunkt t ν ..y(t) + ωz(t)2νy(t) = SI(t) (1.7)
  • Es ist zu beachten, dass SI die Stärke des Rutschens des Fahrzeuges mittels der bekannten oder der berechneten und der gemessenen Variablen kennzeichnet. Wenn SI = 0, führt (1 .7) zu ν ..y(t) + ωz(t)2νy(t) = 0und die einzige, das Obige erfüllende, Lösung νy ist νy = 0. Deshalb deutet eine kleine Größe von SI auf eine kleine Größe der Quergeschwindigkeit, folglich kleineres Rutschen, des Fahrzeuges hin; eine große Größe von SI deutet auf eine große Quergeschwindigkeit, daher großes Rutschen des Fahrzeuges hin. Dies ist auch der Grund, dass diese Größe Gleitkennzahl genannt wird. Basierend auf der obigen Erörterung könnte die Bestimmung der Quergeschwindigkeit wie im Folgenden für einen gewissen Schwellenwert s des Gleitkennzahl geführt werden.
    Figure 00180001
    • {Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges ist vernachlässigbar},
    • {Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges ist bedeutend, quantitatives Berechnen der Quergeschwindigkeit des Fahrzeuges}
  • Obwohl die Gleichung (1.7) zur Lösung der Quergeschwindigkeit in Echtzeit mittels Taylor-Entwicklung und Differenzgleichungen sowie numerischer Integration genutzt werden könnte, ist eine solche Annäherung für eine Echtzeit Realisierung auf Grund eines potenziellen, nicht steuerbaren, akkumulativen Fehlers und niederfrequenten Abweichens der Integration nicht robust und zuverlässig.
  • Wenn der Fahrzeug-Gierwinkel ωz(t) konstant gehalten wird, zum Beispiel ωz(t) = Ω, mit zeitlichem Verstreichen, könnte die Quergeschwindigkeit direkt als Ausdruck in geschlossener Form als
    Figure 00180002
    gelöst werden. Da der Gierwinkel des Fahrzeuges normalerweise zeitlich veränderlich ist, dürfte folglich die obige Lösung in geschlossener Form in (1.8) nicht brauchbar sein. Wenn wir jedoch die Konstante Ω durch die Integration des Gierwinkels wie im Folgenden
    Figure 00190001
    ersetzen, dann kann die Quergeschwindigkeit und ihre Ableitung im Folgenden ausgedrückt werden
    Figure 00190002
  • Das heißt, die Querbeschleunigung wird auf die Projektion der Gleitkennzahl mittels des Gierwinkels des Fahrzeuges bezogen.
  • Um zu überprüfen, dass die in Gleichung (1.10) dokumentierte Lösung der linearen, zeitlich veränderlichen Differenzialgleichung (1.7) unterliegt, wird die zeitliche Ableitung νy(t) gefunden. Es ist zu beachten, dass Ω .t = ωz(t) ist, folglich ist
    Figure 00190003
    was bedeutet, dass die in Gleichung (1.10) ausgedrückte Lösung die Gleichung (1.7) erfüllt.
  • Da die Quergeschwindigkeit νy(t) und ihre in Gleichung (1.10) beschriebene Ableitung νy(t) aus einer kinematischen Gleichung stammen, sind sie genau, ohne Rücksicht auf den Fahrzustand des Fahrzeuges, den Straßenzustand, den Zustand der Straßenoberfläche und die Fahrbahn des Fahrzeuges, sobald die Sensoren im Schwerpunkt der Wagenkarosserie angebracht sind, wobei die relativen Lagen des Fahrzeuges in Bezug auf die mittlere Straßenfläche genau berechnet werden. Ein weiterer Vorteil der obigen Berechnung der Quergeschwindigkeit ist, dass sie die Straßen überhöhung, Straßenneigung und Informationen der Fahrzeuglage ausdrücklich nicht einbezieht, und dass der Einfluss von allen diesen Variablen durch die Beziehung, die in der Differenzialgleichung (1.7) durch die Gleitkennzahl dargestellt ist, widergespiegelt wird.
  • Eine numerische Implementierung der Lösung in geschlossener Form in Gleichung (1.10) wird durchgeführt, um eine Realisierung in brauchbarer Art und Weise zu erlauben. Der Gierwinkel Ω1 der Fahrzeugkarosserie, wie er in Gleichung (1.9) definiert ist, kann berechnet werden, indem das folgende reine Integrationsschema genutzt wird Ωk+1 = Ωk + ωzk+1ΔT (1.11)wobei ΔT die Abtastzeit der Regelung ist, Ωk+1, und ωzk+1 die Werte des Gierwinkels und des Gierwinkelgrößen-Sensors im zeitlichen Augenblick t = (k+1)ΔT sind. Wegen des potenziellen Verschiebungsproblems kann Gleichung (1.11) nicht eng am tatsächlichen Gierwinkel liegen. Jedoch erscheint Ωk+1 nur in sin-Funktion und cos-Funktion, wobei das Verschieben mittels der folgenden kongruenten Modifizierungsoperation
    Figure 00200001
    eliminiert werden kann. Durch Kombination von (1.11) und (1.12) kann das folgende iterative Schema zum Berechnen des kongruenten modifizierten Gierwinkels verwendet werden
    Figure 00200002
  • Es ist zu beachten, dass das in (1.12) berechnete Ω immer innerhalb von 0 und 2π fällt. Das Minimum floor(·) ist eine Funktion, welche die durch die reale Zahl·begrenzte, größte ganze Zahl ist. Das heißt,
    Figure 00200003
    löst immer aus dem Teil auf, der die ganzzahligen Vielfache von 2π von Ω(k+1) ist und gibt eine Menge mit einem Wert aus, der zwischen 0 und 2π liegt. Diese Funktion ist in der "C" Programmiersprache üblich. Die folgenden Zwischenvariablen können berechnet werden.
  • Die Projektionen der Gleitkennzahl SI längs der Gierwinkel-Richtungen können jetzt auf der Basis des berechneten Ωgk+1 berechnet werden. Sind
    Figure 00210001
    definiert, dann kann deren numerische Berechnung mittels des folgenden die Verschiebung verhindernden Integrationsfilters
    Figure 00210002
    als folgendes erhalten werden
  • Figure 00210003
  • Mittels des in Gleichung (1.13) dargestellten numerischen Schemas wird die folgende Berechnung der Quergeschwindigkeit und ihrer Ableitung basierend auf der Gleitkennzahl längs der Gierwinkelrichtung als
    Figure 00210004
    dargestellt.
  • Wie oben erwähnt, kann anschließend ein Steuersignal basierend auf der Quergeschwindigkeit und vielleicht der in Gleichung (1.14) gefundenen Ableitung der Quergeschwindigkeit entwickelt werden. Zum Beispiel kann eine Regelung der Schlinger- oder der Gierstabilität daraus das Steuersignal ableiten. Natürlich können mehrfache Systeme in ihren Berechnungen die Quergeschwindigkeit und/oder die Ableitung der Quergeschwindigkeit gleichzeitig nutzen.
  • Mit Bezug jetzt auf 5, ist ein das Verfahren veranschaulichender zusammenfassender Ablaufplan dargestellt. Im Schritt 70 werden die verschiedenen Sensoren gelesen. In den folgenden Beispielen werden Gierwinkelgrößen-Sensor 28, der Seitenneigungswinkel-Sensor 34, der Drehzahlsensor 20, der Querbeschleunigungs-Sensor 32 und der Längsbeschleunigungs-Sensor 36 verwendet. Im Schritt 72 wird aus der Gleichung (1.2) oben ein Nick- und Seitenneigungswinkel 72 im stationären Zustand erhalten. Im Schritt 74 wird eine Gleitkennzahl bestimmt, die der Gleichung (1.6) oben entspricht. Die Gleitkennzahl wird längs der Richtung des Gierwinkels im Schritt 76 übertragen. Die Projektion des Gierwinkels wird in Gleichung (1.13) erläutert.
  • Auf der Basis der Projektion der Gleitkennzahl längs der Richtung des Gierwinkels bestimmt der Schritt 78 eine lineare, zeitveränderliche Differenzialgleichung als Funktion der Projektion der Gleitkennzahl. Im Schritt 80 werden die Quergeschwindigkeit und die Ableitung der Geschwindigkeit erhalten. Im Schritt 82 wird eine Regelung, wie ein Sicherheitssystem als Reaktion auf die Quergeschwindigkeit und/oder die Ableitung der Quergeschwindigkeit gesteuert.

Claims (16)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung der Quergeschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges umfassend: einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor zum Erzeugen eines Signals der Fahrzeuggeschwindigkeit; einen Seitenneigungswinkelgeschwindigkeits-Sensor (34) zum Erzeugen eines Seitenneigungswinkelgeschwindigkeits-Signals; einen Gierwinkelgeschwindigkeits-Sensor (28) zum Erzeugen eines Gierwinkelgeschwindigkeits-Signals; einen Querbeschleunigungs-Sensor (32) zum Erzeugen eines Querbeschleunigungs-Signals; einen Längsbeschleunigungs-Sensor (36) zum Erzeugen eines Längsbeschleunigungs-Signals; und einen mit den Sensoren gekoppelten Regler (26), ausgebildet zur Bestimmung – eines stationären Nickwinkels und eines stationären Seitenneigungswinkels als Funktion des Querbeschleunigungs-Signals, des Längsbeschleunigungs-Signals, des Gierwinkelgeschwindigkeits-Signals und des Fahrzeuggeschwindigkeits-Signals, – einer Gleitkennzahl als Funktion des stationären Nickwinkels, des stationären Seitenneigungswinkels und der Seitenneigungswinkelgeschwindigkeits-Signals, und – einer Quergeschwindigkeit als Funktion der Gleitkennzahl.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein mit dem Regler (26) gekoppeltes, in Reaktion auf die Quergeschwindigkeit arbeitendes Sicherheitssystem (82).
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem (82) eine Gier-Regelung aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem (82) eine Wankstabilitäts-Regelung aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (26) ausgebildet ist, zusätzlich zur Quergeschwindigkeit eine Ableitung der Quergeschwindigkeit als Funktion der Gleitkennzahl zu bestimmen.
  6. Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität eines Fahrzeuges umfassend: Messen der Fahrzeuggeschwindigkeit; Messen der Seitenneigungswinkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges; Messen der Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges; Messen der Querbeschleunigung des Fahrzeuges; Messen der Längsbeschleunigung des Fahrzeuges; und Bestimmen der Quergeschwindigkeit als Funktion der Längsbeschleunigung, der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Querbeschleunigung, der Gierwinkelgeschwindigkeit und der Seitenneigungswinkelgeschwindigkeit; und Ansteuern eines Sicherheitssystems (82) in Reaktion auf die Quergeschwindigkeit.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung einer Quergeschwindigkeit die Bestimmung eines stationären Nickwinkels als Funktion der Längsbeschleunigung und der Fahrzeuggeschwindigkeit umfasst.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung einer Quergeschwindigkeit die Bestimmung eines stationären Seitenneigungswinkels als Funktion der Querbeschleunigung, der Gierwinkelgeschwindigkeit und der Fahrzeuggeschwindigkeit umfasst.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung einer Quergeschwindigkeit die Bestimmung einer Gleitkennzahl als Funktion des stationären Nickwinkels, des stationären Seitenneigungswinkels und der Seitenneigungswinkelgeschwindigkeit umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Bestimmung der Quergeschwindigkeit als Funktion der Gleitkennzahl; und Steuern eines Sicherheitssystems (82) als Reaktion auf die Quergeschwindigkeit.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, gekennzeichnet durch die Bestimmung der Ableitung der Quergeschwindigkeit als Funktion der Gleitkennzahl.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem eine Gier-Regelung und/oder eine Überschlag-Regelung aufweist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch das Erzeugen einer die Quergeschwindigkeit und ihre Ableitung enthaltenden Differenzialgleichung durch Verwendung der Gleitkennzahl.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzialgleichung abgeleitet wird, indem die Gleitkennzahl in der Richtung eines Gierwinkels projeziert wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Projezierens der Gleitkennzahl in den Richtungen des Gierwinkels ausgeführt wird, indem ein die Abweichung kompensierendes Integrationsfilter genutzt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Größe des Gierwinkels durch reine Integration und eine 2π kongruente Modifizierungsoperation erfolgt, so dass der akkumulierte Integrationsfehler des realen Signals eliminiert wird.
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