DE69911083T2

DE69911083T2 - Auf einem erweiterten Kalmanfilter basierte Überrollsensierung für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE69911083T2
Application number: DE69911083T
Authority: DE
Inventors: Jan Konried Newbury Park Schiffmann
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1999-01-11
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2019-01-12
Also published as: DE69911083D1; EP0934855A1; US6192305B1; US6002974A; EP0934855B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Überrollsensoren und insbesondere kostengünstige Fahrzeug-Überrollsensoren zur Erfassung eines Überroll- oder Umkipp-Zustandes eines Fahrzeuges.
Kraftfahrzeuge der zukünftigen Generation könnten in zunehmendem Maße sicherheitsbezogene Vorrichtungen einsetzen, die sich in dem Fall, dass das Fahrzeug überrollt, auslösen, um den Insassen des Fahrzeuges zusätzlichen Schutz zu bieten. Zum Beispiel kann bei der Detektion eines Fahrzeug-Überroll-Zustandes ein ausfahrbarer Überrollbügel ausgelöst werden, so dass sich der Überrollbügel, wenn er aktiviert ist, weiter vertikal nach außen erstreckt, um die Stützhöhe, die durch den Überrollbügel geboten wird, zu erhöhen. Andere steuerbare Merkmale könnten einschließen, dass die Auslösung eines oder mehrerer Airbags, wie etwa Airbags zur Vorder- und Seitenauslösung, betätigt wird, oder dass ein Straffer zur Vorspannung einer Rückhaltevorrichtung, wie etwa eines Sicherheitsgurtes oder eines Mehrpunkt-Sicherheitsgurtes, betätigt wird, um zu verhindern, dass Insassen des Fahrzeuges aus dem Fahrzeug heraus geschleudert werden oder mit dem Dach des Fahrzeuges kollidieren.
In der Vergangenheit wurden grundlegende Überrollsensoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Winkelstellung des Fahrzeuges zu messen, aus welcher ein Überroll-Zustand bestimmt werden kann. Die grundlegenden Überrollsensoren umfassten die Verwendung eines Pendels, das normalerweise auf Grund der Schwerkraft der Erde vertikal nach unten hing.
Viele grundlegende Erfassungsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge werden einfach eingesetzt, um die Winkelstellung des Fahrzeuges relativ zu einer ebenerdigen horizontalen Stellung zu überwachen. Als Folge waren die grundlegenden Kraftfahrzeug-Überrollsensoren im Allgemeinen fehleranfällig, wenn das Fahrzeug um eine Kurve fährt oder in der Luft schwebt, in welchem Fall die Schwerkraft der Erde, auf welche sich der Sensor verlässt, von anderen Kräften überwunden werden kann.
In jüngerer Zeit wurden hoch entwickelte Ansätze zur Überroll-Erfassung in Erwägung gezogen. Ein solcher in Erwägung gezogener Ansatz erfordert die Verwendung von sechs Sensoren, welche drei Beschleunigungsmesser und drei Drehraten-Sensoren, auch als Gyrometer bezeichnet, umfassen, die alle zusammen zur Verwendung in einem Inertial-Navigationssystem eingesetzt werden, welches die Stellung und Lage des Fahrzeuges verfolgt. Die drei Beschleunigungsmesser liefern im Allgemeinen Messungen der Seiten-, Längs- und Vertikal-Beschleunigung des Fahrzeuges, während die drei Gyrometer die Nickrate, Rollrate und Gierrate messen. Die höher entwickelten Ansätze zur Überroll-Erfassung erfordern jedoch im Allgemeinen eine große Anzahl von hoch präzisen und teuren Sensoren. Darüber hinaus sind bekannte hoch entwickelte Systeme anfällig für kumulative Driftfehler, und müssen daher gelegentlich neu eingestellt werden.
Die EP-A-0430813 beschreibt eine Sensoranordnung für ein Kraftfahrzeug, in welcher ein Gyrometer die Kippgeschwindigkeit misst und Beschleunigungsmesser die Quer- und Vertikal-Beschleunigungen messen. Ein elektronischer Schaltkreis verarbeitet. Signale von dem Gyrometer und von den Beschleunigungsmessern. Wenn das Verhältnis von Quer- zu Vertikal-Beschleunigung ein vorbestimmtes Niveau übersteigt, wird die Kippgeschwindigkeit über ein voreingestelltes Intervall integriert. Wenn der Integratorausgang ein eingestelltes Niveau übersteigt, wird eine Si cherheitsvorrichtung aktiviert. Die WO-A-97/49571 beschreibt eine Überroll-Vorhersage-Vorrichtung mit einer Sensorstufe, die eine Vielzahl von Parametern erfasst und digitale Signale erzeugt, welche jeden Parameter darstellen; einer Steuerstufe, welche die erzeugten Signale empfängt und ein Steuersignal erzeugt, wenn ein Parametersignal einen vorbestimmten Wert übersteigt; und einem Betätigungselement für eine Sicherheitsvorrichtung, welches bei Erhalt eines erzeugten Steuersignals eine Sicherheitsvorrichtung betätigt.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Überroll- und Umkipp-Erfassung für ein Fahrzeug zu schaffen, welche ein Minimum an erfassten Messungsparametern erfordert und gegen Fehler, die im Allgemeinen in herkömmlichen Sensoren im Maßstab für Kraftfahrzeuge zu finden sind, relativ immun ist. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Fahrzeug-Überrollerfassung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, die einen zukünftigen Überroll-Zustand im Voraus vorhersagen kann, um Zeit zur Auslösung von Schutzmaßnahmen für Insassen zu erlauben. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige Fahrzeug-Überrollerfassung in einem kostengünstigen Erfassungsmodul zu schaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fahrzeug-Überrollerfassung zum Vorhersagen eines Überschlags-Zustandes eines Fahrzeuges geschaffen. Die Vorrichtung umfasst einen Winkel-Rollraten-Sensor zum Erfassen der Rollrate des Fahrzeuges und einen Winkel-Nickraten-Sensor zum Erfassen der Nickrate des Fahrzeuges. Die Vorrichtung umfasst auch einen Längs-Beschleunigungsmesser zur Messung der Längs-Beschleunigung des Fahrzeuges, einen Seiten-Beschleunigungsmesser zur Messung der Seiten-Beschleunigung des Fahrzeuges, und einen Vertikal-Beschleunigungsmesser zur Messung der Vertikal-Beschleunigung des Fahrzeuges. Die Überroll-Erfassungsvorrichtung umfasst ferner ein nicht lineares Filter, wie etwa ein erweitertes Kalman-Filter, zum Abschätzen eines gegenwärtigen Rollwinkels und eines gegenwärtigen Nickwinkels. Ein Prädiktor sagt einen zukünftigen Rollwinkel und Nickwinkel vorher. Die vorhergesagten Roll- und Nickwinkel werden mit jeweiligen Roll- und Nickschwellen verglichen und ein Ausgang zur Anzeige eines vorhergesagten Überschlags-Zustandes des Fahrzeuges auf der Grundlage des Vergleiches wird erzeugt. Die Fahrzeug-Überroll-Erfassungsvorrichtung kann ein Überrollen um die Längsachse des Fahrzeuges vorhersagen und kann ein Umkippen um die seitliche Achse des Fahrzeuges vorhersagen.
Es wird auch ein Verfahren zum Vorhersagen eines Überschlags-Zustandes eines Fahrzeuges geschaffen. Das Verfahren umfasst die Erfassung der Winkel-Rollrate und der Winkel-Nickrate eines Fahrzeuges. Das Verfahren erfasst ferner die Längs-Beschleunigung, die Seiten-Beschleunigung und die Vertikal-Beschleunigung des Fahrzeuges. Ein gegenwärtiger Rollwinkel und ein gegenwärtiger Nickwinkel werden abgeschätzt, und zukünftige Roll- und Nickwinkel werden vorhergesagt. Die vorhergesagten zukünftigen Roll- und Nickwinkel werden mit jeweiligen Roll- und Nick-Schwellenwerten verglichen, und ein Signal für den Überschlags-Zustand des Fahrzeuges wird auf der Grundlage des Vergleiches ausgelöst. Im Besonderen sagt das Verfahren ein Überrollen des Fahrzeuges um die Längsachse des Fahrzeuges und einen Umkipp-Zustand um die seitliche Achse des Fahrzeuges vorher.
Diese und andere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung sind für den Ausführenden der Erfindung und den Fachmann aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung und der Ansprüche in Verbindung mit der Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erkennbar.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen ist/sind:
1 ein Blockdiagramm eines Überroll-Erfassungsmoduls zur Erfassung des Überrollens und Umkippens eines Fahrzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung;
2A und 2B Blockdiagramme, welche zusammen einen Überroll- Erfassungsalgorithmus zum Abschätzen gegenwärtiger Roll- und Nickwinkel und zum Vorhersagen eines Überrollens und Umkippens des Fahrzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung illustrieren;
3 ein Blockdiagramm, das die Dynamik- und Messungsmodelle des Verfahrens zur Verwendung in dem erweiterten Kalman-Filter von 2A veranschaulicht;
4 ein Blockdiagramm, das ein kinematisches Modell zweiter Ordnung der Verfahrensdynamik veranschaulicht, welches für die Roll- und Nickwinkel- sowie die Erd-Beschleunigungsmodelle von 3 verwendet wird;
5 ein Blockdiagramm, das ein kinematisches Modell erster Ordnung der Verfahrensdynamik veranschau licht, welches für die Sensor-Fehlermodelle von 3 verwendet wird;
6 ein Blockdiagramm, welches das Messungsmodell für das Längs-Beschleunigungs-Signal von 3 veranschaulicht;
7 ein Blockdiagramm, welches ein Messungsmodell für das Seiten-Beschleunigungs-Signal von 3 veranschaulicht;
8 ein Blockdiagramm, welches das Messungsmodell für das Vertikal-Beschleunigungs-Signal von 3 veranschaulicht;
9 ein Blockdiagramm, welches ein Messungsmodell für das Winkel-Rollraten-Signal von 3 veranschaulicht;
10 ein Blockdiagramm, welches ein Messungsmodell für das Winkel-Nickraten-Signal von 3 veranschaulicht;
11 ein Flussdiagramm, das allgemein die Verarbeitungsschritte des erweiterten Kalman-Filters veranschaulicht; und
12 ein Flussdiagramm, das eine Methode zum Vorhersagen von Überroll- und Umkipp-Zuständen eines Fahr zeuges gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Überroll-Erfassungsmodul 10 zur Verwendung. für das Erfassen der Fahrzeuglagen-Drehrate und Beschleunigungsdynamik, zum Abschätzen der Winkel-Roll- und Nickwinkel, und zum Vorhersagen eines Überroll- und/oder Umkipp-Zustandes eines Kraftfahrzeuges (nicht dargestellt) veranschaulicht. Das Überroll-Erfassungsmodul (RSM) 10 der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise an einem Kraftfahrzeug befestigt und wird verwendet, um im Voraus einen zukünftigen Überroll- oder Umkipp-Zustand des Fahrzeuges vorherzusagen. Ein Überroll-Zustand des Fahrzeuges, wie er hierin in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, kann eine Drehung des Fahrzeuges von Seite zu Seite um die Längsachse des Fahrzeuges, was allgemein als ein "Überrollen des Fahrzeuges" bezeichnet wird, und eine Drehung des Fahrzeuges von hinten nach vorne um die Querachse des Fahrzeuges, was allgemein als ein "Umkippen des Fahrzeuges" bezeichnet wird, oder eine Kombination von Überrollen und Umkippen umfassen. Zum Zweck der Beschreibung der Überroll-Erfassung der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "Überrollen" allgemein verwendet, um entweder einen Überroll-Zustand oder einen Umkipp-Zustand zu bezeichnen.
Das Überroll-Erfassungsmodul 10 ist zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug konstruiert, um die Fahrzeugdynamik wahrzunehmen und einen Überroll- oder Umkipp-Zustand des Fahrzeuges vorherzusagen. Bei Vorhersage eines Überroll- oder Umkipp-Zustandes des Fahrzeuges schafft das Überroll-Erfassungsmodul 10 ein Ausgangssignal, das den vorherge sagten Überroll- oder Umkipp-Zustand anzeigt. Das Überroll- oder Umkipp-Zustands-Ausgangssignal kann an eine oder mehrere ausgewählte Fahrzeugvorrichtungen, wie etwa sicherheitsbezogene Vorrichtungen, geliefert werden, um die ausgewählten Vorrichtungen in Vorwegnahme eines bevorstehenden Überrollereignisses zu betätigen. Das Ausgangssignal für den vorhergesagten Überroll- oder Umkipp-Zustand kann einge setzt werden, um einen ausfahrbaren Überrollbügel auszulösen, um den Insassen des Fahrzeuges unmittelbar vor dem tatsächlichen Auftreten des Fahrzeug-Überrollens erweiterten seitlichen Halt zu bieten. In ähnlicher Weise kann das Ausgangssignal für den vorhergesagten Überroll- oder Umkipp-Zustand eine Insassen-Rückhaltevorrichtung, wie etwa einen Sicherheitsgurt- oder Mehrpunkt-Sicherheitsgurt-Straffer betätigen, um Schlaffstellen in der Rückhaltevorrichtung unmittelbar vor dem Auftreten des Fahrzeug-Überrollens zu beseitigen. Andere gesteuerte Funktionen umfassen die Auslösung von Front- und/oder Seitenairbags, um die Fahrzeuginsassen während eines Überrollens des Fahrzeuges zu schützen. Diese und andere Vorrichtungen können in Ansprechen auf das Überroll-Zustands-Ausgangssignal gesteuert werden.
Das Überroll-Erfassungsmodul 10 umfasst fünf Sensoren, die vorzugsweise alle zusammen an dem Modul 10 angeordnet sind, und so ausgerichtet sind, um die beabsichtigten Erfassungsoperationen auszuführen. Die Sensoren umfassen einen Roll-Drehraten-Sensor 12, einen Nick-Drehraten-Sensor 16, einen Seiten-Beschleunigungsmesser 14, einen Längs-Beschleunigungsmesser 18 und einen Vertikal-Beschleunigungsmesser 20. Der Roll-Drehraten-Sensor 12 misst die Zeitrate des Winkelrollens um die Längsachse des Fahrzeuges, während der Nickraten-Sensor 16 die Zeitrate des Winkelnickens um die Querachse des Fahrzeuges misst. Der Seiten-Beschleunigungsmesser 14 misst die Horizontal-Beschleunigung des Fahrzeuges entlang der Querachse des Fahrzeuges. Der Längs-Beschleu nigungsmesser 18 misst die Horizontal-Beschleunigung des Fahrzeuges entlang der Längsachse des Fahrzeuges. Der Vertikal-Beschleunigungsmesser 20 misst die Vertikal-Beschleunigung des Fahrzeuges entlang der vertikalen Achse des Fahrzeuges. Ein Überroll-Erfassungsmodul mit fünf Sensoren wird in der miteingereichten U.S. Patentanmeldung Nr. [TBD, als H-200607 bezeichnet], betitelt "Vehicle Rollover Sensing (Fahrzeug-Überrollerfassung)", erteilt an Jan Schiffmann et al., beschrieben, deren Offenbarung durch Verweis hierin aufgenommen ist.
Das Überroll-Erfassungsmodul 10 umfasst ferner eine Mikroprozessor-Steuereinheit (MCU = microprocessor control unit) 22 zur Verarbeitung der erfassten Fahrzeugparameter in Übereinstimmung mit einem Überroll-Erfassungsalgorithmus, um Überroll- und Umkipp-Zustände des Fahrzeuges vorherzusagen. Die MCU 22 ist vorzugsweise ein mikroprozessorbasiertes Steuergerät und kann, gemäß einem Beispiel, das Modell Nr. HC12, das von Motorola erhältlich ist, umfassen. Zu der MCU 22 gehört ein elektrisch löschbarer, programmierbarer Festwert-Speicher (EEPROM) 24, der verschiedene programmierte Kalibrierungen zur Durchführung des Überroll-Erfassungsalgorithmus, wie hierin später erklärt, speichert. Der EEPROM 24 kann in die MCU 22 integriert werden oder extern dazu vorgesehen werden. Das Überroll-Erfassungsmodul 10 umfasst ferner eine Leistungs- und Kommunikationsschnittstelle 26 zum Empfangen eines Zündungssignals IGN1 an der Leitung 28 und zur Kommunikation über serielle Daten (SDATA) auf dem seriellen Datenbus 32. Das Überroll-Erfassungsmodul 10 ist des Weiteren über die Masseleitung 30 an Masse gelegt. Die Leistungs- und Kommunikationsschnittstelle 26 wandelt einen Signaleingang IGN 1 von ungefähr 12 Volt DC in 5 Volt DC zur Verwendung-als eine Leistungsversorgung für die Komponenten an dem Modul 10 um. Serielle Daten, die über den Datenbus 32 kommuniziert werden, können einzelne Sensorausgänge und Prozessorausgänge wie auch programmierte Eingänge umfassen.
Die MCU 22 empfängt als Eingänge Signale von jedem der Sensoren 12–20. Darüber hinaus empfängt die MCU 22 verschiedene andere Eingänge, die in Verbindung mit der Überroll- und Umkipp-Vorhersage der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Diese Eingänge können ein Signal 34 eines Fahrzeug-Geschwindigkeitssensors (VSS) umfassen, welches die Geschwindigkeit des Fahrzeuges anzeigt, sowie Signale 36 und 38 von hilfsweisen linken und rechten Radstellungssensoren (WPL) und (WPR) zur Lieferung einer Angabe, ob die Räder auf entweder der linken oder der rechten Seite des Fahrzeuges nicht in Kontakt mit dem Boden sind. Die Signale 36 und 38 der hilfsweisen linken und rechten Radstellungssensoren sind Radstellungs-Messungen, die relativ zu der Karosserie des Fahrzeuges vorgenommen werden. Andere Eingänge können ein Signal 40 über die Anwesenheit eines Insassen (PPS) umfassen, welches als ein erfasster Ausgang eines Insassen-Anwesenheitssensors zum Zweck der Erfassung der Anwesenheit eines Insassen erzeugt werden kann. Ein Signal 44 für den Fahrer-Sicherheitsgurt (DSB) und ein Signal 46 für den Beifahrer-Sicherheitsgurt (PSB) zeigen die Verwendung der Fahrer- bzw. Beifahrer-Sicherheitsgurte an. Ebenfalls vorgesehen ist ein Lenkradwinkelsignal (SWA) 42 zur Schaffung einer Angabe des gegenwärtigen Fahrzeug-Lenkradwinkels relativ zu der Längsachse des Fahrzeuges.
Die MCU 22 verarbeitet die verschiedenen Eingangssignale, wie hierin später noch erklärt wird, und erzeugt Ausgangssignale, die als Signal ROLLOVER 50 und als Signal PITCHOVER 52 identifiziert sind, welche einen vorhergesagten Fahrzeug-Überroll-Zustand bzw. einen vorhergesagten Umkipp-Zustand anzeigen. Darüber hinaus schafft die MCU 22 die vorhergesagten Überroll- und Umkipp-Ausgangsignale an der Leitung 62, um die angegebenen Steuervorrichtungen an Bord, wie etwa eine Steuerung 54 eines Sicherheitsgurtaufrollers, eine Steuerung 56 für einen Becken-Sicherheitsgurt-Straffer, und eine Steuerung 60 für eine Sicherheitsgurt-Rückholvorrichtung, zu steuern. Die Steuerung 54 des Sicherheitsgurtaufrollers steuert den Sicherheitsgurtaufroller sowohl für die Fahrer- als auch für die Beifahrerseite über jeweilige Signale DREL und PREL, die an der Ausgangsleitung 64 bzw. 66 bereitgestellt werden. Die Steuerung 56 des Sicherheitsgurt-Straffers steuert in ähnlicher Weise die Vorspannung der Sicherheitsgurte für die Fahrerseite und Beifahrerseite über Signale DPRET und PPRET, die an den Ausgangsleitungen 68 bzw. 70 bereitgestellt werden. Eine diagnostische Stromquelle und -Senke 58 gestatten eine diagnostische Prüfung der Steuerung 54 des Sicherheitsgurtaufrollers und des Sicherheitsgurt-Straffers 56. Die Steuerung 60 der Sicherheitsgurt-Rückholvorrichtung sperrt in Verbindung mit dem Sicherheitsgurt sowohl den Fahrer-Sicherheitsgurt als auch den Beifahrer-Sicherheitsgurt über Signale DRET und PRET, die an den Ausgangsleitungen 72 und 74 bereitgestellt werden.
Unter Bezugnahme auf 2A und 2B wird ein Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 zum Abschätzen des gegenwärtigen Rollwinkels φ und Nickwinkels θ, und zum Vorhersagen eines Fahrzeug-Überrollens um die Längsachse oder ein Umkippen um die Querachse des Fahrzeuges dargestellt. Der Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 ist vorzugsweise in der Software implementiert, die in dem EEPROM 24 gespeichert ist und über die Mikroprozessor-Steuereinheit 22 betrieben wird. Es ist jedoch einzusehen, dass der Algorithmus 80 zur Vorhersage eines Überroll- oder Umkipp-Zustandes eines Fahrzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung als analoge Schaltung oder auch als digitale Verarbeitung implementiert werden kann. Es ist ebenfalls einzusehen, dass der Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 auch verwendet werden kann, um laufende Abschätzun gen der gegenwärtigen und zukünftigen Werte der Lagewinkel (d. h., Rollund Nickwinkel) des Fahrzeuges zu liefern.
Der Fahrzeug-Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 empfängt ein Signal 82 für die Längs-Beschleunigung a ~ _x von dem Längs-Beschleunigungsmesser 18, ein Signal 84 für die Seiten-Beschleunigung a ~ _y von dem Seiten-Beschleunigungsmesser 14, und ein Vertikal-Beschleunigungs-Signal a ~ _z von dem Vertikal-Beschleunigungsmesser 20. Darüber hinaus empfängt der Fahrzeug-Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 ein Nick-Drehraten-Signal
rithmus 80 verwendet die gemessenen Beschleunigungs- und Drehraten-Signale 82 bis 90 zusammen, um die abgeschätzten gegenwärtigen Rollund Nickwinkel ^ und ^ zu erzeugen und des Weiteren ein Fahrzeug-Überrollen oder einen Umkipp-Zustand des Fahrzeuges vorherzusagen. Allgemein gesagt, erfordert der Fahrzeug-Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 vorzugsweise Beschleunigungssignale entlang der Längsachse, Querachse, und der vertikalen Achse des Fahrzeuges, wie auch Nick- und Roll-Drehraten-Signale.
Der Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 mittelt nach einem Beispiel jedes der gemessenen Fahrzeug-Beschleunigungs- und Drehraten-Signale 82 bis 90 über ein Zeitintervall von einer Sekunde. Insbesondere führen Mittelungsblöcke 92 bis 96 eine Mittelung über eine Sekunde des entsprechenden gemessenen Längs-Beschleunigungssignals a ~ _x 82, Seiten-Beschleunigungssignals a ~ _y 84, bzw. Vertikal-Beschleunigungssignals a ~ _z 86 durch. In ähnlicher Weise führen Mittelungsblöcke 98 und 100 eine Mitte
Die zeitgemittelten Beschleunigungs- und Drehraten-Signale werden in ein erweitertes Kalman-Filter 102 eingegeben. Effektiv schätzt das erweiterte Kalman-Filter 102 sowohl den gegenwärtigen Rollwinkel ^ und den gegenwärtigen Nickwinkel ^ als eine Funktion der gemessenen Längs-Beschleunigung, Seiten-Beschleunigung, Vertikal-Beschleunigung, Nick-Drehrate, und Roll-Drehrate des Fahrzeuges ab. Das erweiterte Kalman-Filter 102 ist ein nicht lineares Filter dreizehnter Ordnung, welches auf

(1) der Auswahl von physikalischen Größen, die durch Zustandsvariablen in dem Filter dargestellt werden sollen;
(2) den Dynamikmodellen, die zur Darstellung der Interaktion in der zeitlichen Entwicklung der Zustandsvariablen ausgewählt werden; und
(3) dem Messungsmodell, das zur Darstellung ausgewählt wird, wie die verfügbaren Messungen mit den Werten der physikalischen Größen, die in den Zustandsfaktoren dargestellt werden, in Beziehung stehen, basiert. Das erweiterte Kalman-Filter 102 behandelt Nicht-Linearitäten in den Modellen, insbesondere in dem Messungsmodell. In Verbindung mit dem Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 umfassen die physikalischen Größen, die in dem erweiterten Kalman-Filter 102 dargestellt werden, drei erdbezogene Komponenten der Beschleunigung A_x, A_y, und A_z, die Roll- und Nick-Lagenwinkel φ und θ und die Sensorfehler für jeden der fünf Sensoren. Die Beschleunigung und die Lagenwinkel werden unter Verwendung zeitdiskreter kinematischer Modelle modelliert, die durch weißes Rauschen angesteuert werden. Die Gleichungen für die Längs-, Seiten- und Vertikal-Beschleunigungskomponenten a_x, a_y bzw. a_z , und die Dreh-Nick- und Rollraten-Winkel . und . können wie folgt vorgesehen werden: a ~x = Ax cosθ – Az sinθ + bx + vx a ~y = Ax sinφ sinθ + Ay cosφ + Az sinφ cosθ + by + vy a ~z = Ax cos φ sinθ – Ay sin φ + Az cosφ cosθ + by + vy
wobei b_x, b_y, und b_z die Fehler der Längs-, Seiten- bzw. Vertikal-Beschleunigungsmesser sind, und v_x, v_y, und v_z weißes Messrauschen darstellen. Jede der Drehraten-Sensormessungen wird als Summe der wirklichen Drehrate, dem Sensorfehler und dem weißen Messrauschen modelliert, wobei b_θ und b_φ die Fehler der zwei Drehraten-Sensoren sind, und v_θ und v_φ weißes Messrauschen darstellen.

Das erweiterte Kalman-Filter 102 läuft mit einer Zykluszeit, welche im Allgemeinen länger als das Sensor-Messzeitintervall sein kann. Nach einem Beispiel arbeitet das erweiterte Kalman-Filter 102 mit einem Zykluszeitintervall von einer Sekunde, im Vergleich zu einem Sensor-Messzeitintervall von zum Beispiel zehn Millisekunden (10 ms). Das Zykluszeitintervall des erweiterten Kalman-Filters sollte vorzugsweise der Zeitperiode gleichkommen, über welche die Mittelungsblöcke 92 bis 100 die entsprechenden Mittelungsfunktionen durchführen. Die Verwendung einer langsamen Zykluszeit des erweiterten Kalman-Filters 102 kann die Verwendung eines langsameren, weniger teuren Mikroprozessors gestatten, als normalerweise erforderlich wäre.
Die Roll- und Nickwinkel-Abschätzugen ^ _EkF und ^ _EkF, die aus dem erweiterten Kalman-Filter 102 kommen, sind stückweise konstant, wobei sie sich im Allgemeinen jedes Zykluszeitintervall des erweiterten Kalman- Filters ändern. Um Roll- und Nickwinkel-Abschätzungen ^ und ^ zu erhalten, welche innerhalb des Zeitintervalls des erweiterten Kalman-Filters gültig sind, werden die Zeitintegrale der erfassten Dreh-Roll- und
Integratoren 108 und 110 erreicht. Das erweiterte Kalman-Filter 102 bestimmt den Fehler, der zu jedem der gemessenen Signaleingänge zu demselben gehört. Die Fehlersignale, die für die Nick-Drehraten- und Roll-Drehraten-Signale bestimmt wurden, werden ausgegeben und als b_θ bzw. b ^ _φ identifiziert. Das Rollraten-Fehlersignal b ^ _φ wird von dem gemessenen
Summierknoten 104 subtrahiert und in den Integrator 108 eingegeben. Dementsprechend empfangen die Integratoren 108 und 110 in jedem Sensormessintervall fehlerkorrigierte Nick- und Rollratensignale. Darüber hinaus empfangen die Integratoren 108 und 110 in jeder Zykluszeit des erweiterten Kalman-Filters die Abschätzung des Nickwinkels ^ _EKF und des Rollwinkels ^ _EkF von dem erweiterten Kalman-Filter 102. Um Lagewinkel-Abschätzungen zu erhalten, welche innerhalb des Zykluszeitintervalls des erweiterten Kalman-Filters gültig sind, werden die Integrale der erfassten Drehraten verwendet, wobei sie am Beginn eines jeden Filter-Zykluszeitintervalls auf die abgeschätzten Roll- oder Nickwinkel-Werte ^ _EkF oder ^ _EkF, die durch das erweiterte Kalman-Filter 102 angezeigt werden, zurückgesetzt werden. Dem entsprechend geben die Integratoren 108 und 110 eine aktualisierte Abschätzung des gegenwärtigen Nickwinkels ^ und eine aktualisierte Abschätzung des gegenwärtigen Rollwinkels ^ aus.
Unter besonderer Bezugnahme auf 2B setzt der Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 ein Paar von Taylor-Reihen-Prädiktoren ein, genauer den ersten Taylor-Reihen-Prädiktor 116 und den zweiten Taylor-Reihen-Prädiktor 118. Der erste Taylor-Reihen-Prädiktor 116 empfängt den abgeschätzten gegenwärtigen Nickwinkel B, der von dem Integrator 108 ausge
Reihen-Prädiktor 116 sagt der Fahrzeug-Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 einen Nickwinkel θ_T im Voraus für eine Zeit T in der Zukunft voraus. Der zeitliche Verlauf des Nickwinkels in der Umgebung der gegenwärtigen Zeit wird durch den Taylor-Reihen-Prädiktor 116 als eine gewichtete Summe angenähert, die wie folgt angenähert werden kann:
Die Taylor-Reihen-Vorhersage des vorhergesagten Nickwinkels θ_T ist daher eine Funktion der Abschätzung des gegenwärtigen Nickwinkels B summiert mit dem Produkt der gewünschten Warnzeit T und dem gemes
Der Taylor-Reihen-Prädiktor 118 erzeugt den vorhergesagten Rollwinkel φ_T
Integrator 110 ausgegeben wird. Mit dem Taylor-Reihen-Prädiktor 118 sagt der Fahrzeug-Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 einen Rollwinkel φ_T im Voraus für eine Zeit T in der Zukunft voraus. Der zeitliche Verlauf des Rollwinkels in der Umgebung der gegenwärtigen Zeit wird durch den Taylor-Reihen-Prädiktor 118 als eine gewichtete Summe angenähert, die wie folgt angenähert werden kann:
Die Taylor-Reihen-Vorhersage des vorhergesagten Rollwinkels φ_T ist daher eine Funktion der Abschätzung des gegenwärtigen Rollwinkels ^ summiert mit dem Produkt der gewünschten Warnzeit T und dem gemessenen
heiten für die obigen Gleichungen sind Radianten, Sekunden, Radianten pro Sekunde, und Radianten pro Sekundenquadrat. Gemäß einem Beispiel kann die gewünschte Warnzeit gleich 500 Millisekunden betragen, so dass eine ausreichend vorzeitige Warnung geschaffen wird, um die notwendige Sicherheits-Rückhaltevorrichtung auszulösen, bevor der tatsächliche Fahrzeug-Überroll-Zustand auftritt und bevor die Insassen sich zu weit außerhalb der (normalen) Stellung befinden. Dem entsprechend zeigen die vorstehend erwähnten Gleichungen zur Taylor-Reihen-Vorhersage, dass die Taylor-Reihen-Annäherung in Übereinstimmung mit einer Vorauswarnzeit T evaluiert wird. Während die obigen Gleichungen zur Taylor-Reihen-Vorhersage als Gleichungen zweiter Ordnung dargestellt wurden, ist auch einzusehen, dass Gleichungen erster Ordnung eingesetzt werden können, so dass der vorhergesagte Rollwinkel φ_T dem abgeschätzten Rollwinkel ^ summiert mit dem Produkt der gewünschten Warnzeit T
Der absolute Wert des vorhergesagten Nickwinkels θ_T wird mit einer programmierten Nick-Auslösungs-Schwelle θ₀ 122 über den Komparator 120 verglichen. Die Auslösungs-Schwelle θ₀ 122 ist ein programmierter, vorbestimmter Schwellenwert, der zur Bestimmung der Vorhersage eines Umkipp-Zustandes verwendet wird. Gemäß einem Beispiel wird die Auslösungs-Nickschwelle θ₀ 122 auf ungefähr siebzig Grad (70°) eingestellt. Der Komparator 120 erzeugt ein Nick-Auslösungs-Ausgangssignal 52, das einen vorhergesagten Überrollzustand anzeigt, wenn der vorhergesagte Nickwinkel θ_T größer ist als die Auslösungs-Nickschwelle θ₀ 122.
Der absolute Wert des vorhergesagten Rollwinkels φ_T wird mit einer programmierten Auslösungs-Rollschwelle φ₀ 126 über den Komparator 124 verglichen. Die Auslösungs-Rollschwelle φ₀ 126 ist ein programmierter, vorbestimmter Schwellenwert, der zur Bestimmung der Vorhersage eines Überroll-Zustandes verwendet wird. Gemäß einem Beispiel wird die Auslösungs-Nickschwelle φ₀ 126 auf ungefähr fünfzig Grad (50°) eingestellt. Der Komparator 124 erzeugt ein Überroll-Auslösungs-Ausgangssignal 50, das einen vorhergesagten Überrollzustand anzeigt, wenn der vorhergesagte Rollwinkel φ_T größer ist als die Auslösungs-Rollschwelle φ₀ 126. Das erzeugte Überroll-Ausgangssignal 50 und das Umkipp-Ausgangssignal 52 können von einer oder mehreren beliebigen ausgewählten Vorrichtungen eingesetzt werden, um Insassen-Sicherheits-Rückhaltevorrichtungen auszulösen oder wie gewünscht andere Funktionen auszuführen.
Die Überroll- und Umkipp-Erfassung der vorliegenden Erfindung setzt eine Modellierung 130 der Verfahrensdynamik und Messverfahren, wie in 3 dargestellt, zur Verwendung. in dem erweiterten Kalman-Filter 102 ein. Die Modellierung 130 umfasst ein kinematisches Modell der Rollwinkel-Dynamik 132 und ein kinematisches Modell der Nickwinkel-Dynamik 134. Ebenfalls eingeschlossen ist ein kinematisches Modell der Dynamik der Erd-Längs-Beschleunigung 136 und ein kinematisches Modell der Dynamik der Erd-Seiten-Beschleunigung 138. Die Modellierung umfasst des Weiteren Modelle der Fehlerdynamik in jedem der eingesetzten Sensoren. Das kinematische Modell der Fehlerdynamik umfasst das Modell 140 für den Roll-Drehraten-Sensor 12, das Modell 142 für den Nick-Drehraten-Sensor 16, das Modell 144 für den Längs-Beschleunigungsmesser 18, das Modell 146 für den Seiten-Beschleunigungsmesser 14, und das Modell 148 für den Vertikal-Beschleunigungsmesser 20.
Jedes der kinematischen Modelle 132–148 empfängt Rauschen, welches hierin als "weißes Rauschen" bezeichnet wird, und insbesondere jeweils als weißes Rauschen 152–168 bezeichnet wird. Das weiße Rauschen stellt allgemein Unsicherheiten in den Schwankungen der modellierten Größen dar. Zum Beispiel kann das weiße Rauschen 152 in Bezug auf das kinematische Modell der Rollwinkel-Dynamik 132 zufällige Schwankungen in der Roll-Beschleunigung, der Rollrate, und dem Rollwinkel darstellen. In ähnlicher Weise kann das weiße Rauschen 156 in Bezug auf das kinematische Modell der Erd-Längs-Beschleunigung 136 zufällige Schwan kungen in der Rate, mit welcher sich die Erd-Längs-Beschleunigung ändert, und in der Erd-Längs-Beschleunigung selbst darstellen.
Darüber hinaus umfasst das Modell 130 ferner ein Messungsmodell, das als Block 150 identifiziert wird, welches Eingänge von jedem der kinematischen Modelle 132–138 empfängt. Zusätzlich empfängt das Messungsmodell 150 weißes Rauschen 170, welches Rauschen in der Messung jeder der Größen, die gemessen werden, darstellt, einschließlich Seiten-Beschleunigung, Längs-Beschleunigung, Vertikal-Beschleunigung, Roll-Drehrate, und Nick-Drehrate, wenn es um den Überschlags-Zustand geht. Die Messung wird so modelliert, dass sie jegliche wahren Werte dieser gemessenen Werte plus einen gewissen unbekannten Rauschwert darstellt. Das Messungsmodell 150 erzeugt Modellausgänge für die gemesse
in den 4–10 veranschaulichten und hierin später beschriebenen Messungsmodelle dargestellt werden.
Das kinematische Modell der Dynamik der Erd-Längs-Beschleunigung 136 ist in 4 dargestellt. Das Modell 136 umfasst einen Summierknoten 172 und eine Verzögerungsvorrichtung 174. Der Summierknoten 172 summiert weißes Rauschen W₁ mit einer Rückkopplung des Verzögerungsblockes 174. Der Ausgang des Verzögerungsblockes schafft die Änderung der erd-basierten Längskomponente, welche über den Integrator 176 integriert wird. Ein Summierknoten 178 summiert den integrierten Ausgang mit weißem Rauschen W₂ und einer verzögerten Rückkopplung des Verzögerungsblockes 180. Der Ausgang des Verzögerungsblockes 180 schafft die erd-basierte Längskomponente A_z, welche in das Messungsmodell 150 eingegeben wird.
Die kinematischen Modelle 132, 136 und 138 der Rollwinkeldynamik, der Nickwinkeldynamik, bzw. der Erd-Seiten-Beschleunigung werden ebenso ähnlich dem Modell 136 modelliert. Das kinematische Modell 132 liefert den Rollwinkel φ und die Rollrate . als einen Eingang in das Messungsmodell 150, während das kinematische Modell 134 den Nickwinkel θ und die Nickrate . an das Messungsmodell 150 liefert. In ähnlicher Weise liefert das kinematische Modell 138 eine erd-basierte seitliche Komponente A_y an das Messungsmodell 150.
Die kinematischen Modelle 140–148 der Fehlerdynamik jedes der Sensoren sind untereinander ähnlich modelliert. Zum Zweck der Illustration wird das kinematische Modell der Fehlerdynamik in dem Längs-Beschleunigungsmesser 144 in 5 dargestellt, um den Fehler b_x des Längs-Beschleunigungsmessers als einen Eingang in das Messungsmodell 150 zu liefern. Das Messungsmodell 144 umfasst den Summierknoten 182 und den Verzögerungsblock 184. Der Summierknoten 182 summiert das weiße Rauschen W₃ mit dem verzögerten Ausgang, während der Verzögerungsblock 184 den Fehler bz des Längs-Beschleunigungsmessers liefert. In ähnlicher Weise liefern die kinematischen Modelle 146 und 148 den Fehler by des Seiten-Beschleunigungsmessers und den Fehler b_z des Vertikal-Beschleunigungsmessers als Eingänge zu dem Messungsmodell 150. Die kinematischen Modelle 140 und 142 liefern den Fehler bφ des Roll-Drehraten-Sensors und den Fehler b_θ des Nick-Drehraten-Sensors als Eingänge zu dem Messungsmodell 150.
Das Messungsmodell 150 wird ferner in den 6–10 veranschaulicht. Das Messungsmodell 150 umfasst das Modell 186, welches den Fehler b_x des Längs-Beschleunigungsmessers, die Erd-Längs-Beschleunigung A_x, den Nickwinkel θ und die Schwerkraft der Erde (d. h. Beschleunigung) g empfängt und die modellierte Längs-Beschleunigung a ~ _x erzeugt. In das Modell 186 eingeschlossen sind eine Cosinus-Funktion 188 und eine Sinus-Funktion 190, welche beide den Nickwinkel θ empfangen und die Cosinus- bzw. Sinus-Funktion davon erzeugen. Der Ausgang der Cosinus-Funktion 188 wird mit der Erd-Längs-Beschleunigung A_x über den Multiplizierer 192 multipliziert, und der Ausgang des Multiplizierers 192 wird in den Summierknoten 196 eingegeben. Der Ausgang der Sinus-Funktion 190 wird mit der Schwerkraft der Erde g über den Multiplizierer 194 multipliziert, und der Ausgang des Multiplizierers 194 wird in den Summierknoten 196 eingegeben. Der Summierknoten 196 summiert den Fehler b_x des Längs-Beschleunigungsmessers mit den Ausgängen der Multiplizierer 192 und 194 und ferner mit dem weißen Messrauschen V₁, und erzeugt die modellierte Längs-Beschleunigungsmessung a ~ _x.
Das Messungsmodell 150 umfasst auch das Modell 200, welches den Fehler by des Seiten-Beschleunigungsmessers, die Erd-Längs-Beschleunigung A_x, den Nickwinkel θ, den Rollwinkel φ, die Erd-Seiten-Beschleunigung A_y, und den negativen Wert der Schwerkraft der Erde g empfängt, und die modellierte Seiten-Beschleunigungsmessung a ~ _y erzeugt. In das Modell 200 eingeschlossen sind die Sinus-Funktion 202 und die Cosinus-Funktion 204 zum Empfangen des Nickwinkels θ und zum Erzeugen jeweiliger Sinus- bzw. Cosinus-Werte daraus. Das Messungsmodell 200 umfasst ferner die Sinus-Funktion 210 und die Cosinus-Funktion 212 zum Empfangen des Rollwinkels φ und zum Erzeugen jeweiliger Sinus- bzw. Cosinus-Werte daraus. Ein Multiplizierer 206 multipliziert den Ausgang der Sinus-Funktion 202 mit der Erd-Längs-Beschleunigung A_x und auch mit dem Ausgang der Sinus-Funktion 210, und erzeugt einen Ausgang, der als ein Eingang an den Summierknoten 208 gelegt wird. Ein Multiplizierer 216 multipliziert den Ausgang der Cosinus-Funktion 212 mit der Erd-Seiten-Beschleunigung A_y und erzeugt einen Ausgang, der in den Summierknoten 208 eingegeben wird. Ein Multiplizierer 214 multipliziert den Ausgang der Cosinus-Funktion 204 mit dem Ausgang der Sinus-Funktion 210 und ferner mit dem negativen Wert der Schwerkraft der Erde g, und erzeugt einen Ausgang, der in den Summierknoten 208 eingegeben wird. Der Summierknoten 208 summiert die Ausgänge der Multiplizierer 206, 214, und 216 mit dem Fehler by des Seiten-Beschleunigungsmessers und mit dem weißen Rauschen V₂ und erzeugt die modellierte Messung a ~ _y des Seiten-Beschleunigungsmessers als einen Ausgang.
Ebenfalls in das Messungsmodell 150 eingeschlossen ist das Modell 220, welches den Fehler b_z der Vertikal-Beschleunigungsmesser, die Erd-Längs-Beschleunigung A_x, den Nickwinkel θ, den Rollwinkel φ, die Erd-Seiten-Beschleunigung A_y, und den negativen Wert der Schwerkraft der Erde g empfängt und die modellierte Messung a ~ _z des Vertikal-Beschleunigungsmessers erzeugt. In das Modell 220 eingeschlossen sind eine Sinus-Funktion 222 und eine Cosinus-Funktion 224 zum Empfang des Nickwinkels θ und zum Erzeugen jeweiliger Sinus- bzw. Cosinus-Funktionen daraus. Ebenfalls eingeschlossen sind die Sinus-Funktion 232 und die Cosinus-Funktion 234 zum Empfang des Rollwinkels φ und zum Erzeugen jeweiliger Sinus- bzw. Cosinus-Werte daraus. Ein Multiplizierer 226 multipliziert die Erd-Längs-Beschleunigung A_x mit dem Ausgang der Sinus-Funktion 222 und dem Ausgang der Sinus-Funktion 232, und erzeugt einen Ausgang, der in den Summierknoten 230. eingegeben wird. Ein Inverter 236 invertiert die Erd-Seiten-Beschleunigung A_y. Der Multiplizierer 238 multipliziert die invertierte Erd-Seiten-Beschleunigung A_y mit dem Ausgang der Cosinus-Funktion 234 und erzeugt einen Ausgang, der in den Summierknoten 230 eingegeben wird. Ein weiterer Multiplizierer 228 multipliziert den Ausgang der Cosinus-Funktion 224 mit dem Ausgang der Sinus-Funktion 232 und dem negativen Wert der Schwerkraft der Erde g, und erzeugt einen Ausgang, der in den Summierknoten 230 eingegeben wird. Der Summierknoten 230 summiert die Ausgänge der Multiplizieren 226, 228, und 238 mit dem Fehler bz des Vertikal-Beschleunigungsmessers und dem weißen Rauschen V₃, um die modellierte Messung a ~ _z der Vertikal-Beschleunigung zu erzeugen.
Das erweiterte Kalman-Filter 102 der vorliegenden Erfindung führt sowohl die zeit-aktualisierten Abschätzungen des erweiterten Kalman-Filters als auch die messungs-aktualisierten Abschätzungen des erweiterten Kalman-Filters durch. Unter Bezugnahme auf 11 wird darin eine Methode 250 zur Verarbeitung von Informationen in Übereinstimmung mit dem erweiterten Kalmari-Filter 102 geschaffen. Die Methode 250 umfasst den Empfang von messungs-aktualisierten Abschätzungen aus dem vorhergehenden Zeitmoment auf den Block 252 folgend. Die Abschätzungen werden zeit-aktualisiert, um die Zeit, die seit dem vorhergehenden Zeitmoment vergangen ist, unter Verwendung des Modells der Verfahrensdyna mik, wie es in Block 254 vorgesehen war, zu berücksichtigen. Zu Block 256 fortschreitend, nimmt die Methode 250 Messungen der messbaren Größen zu dem gegenwärtigen Zeitmoment vor. Zu Block 258 fortschreitend, werden die Abschätzungen messungs-aktualisiert, um Unterschiede zwischen gerade genommenen Messungen und deren vorhergesagten Werten auf der Grundlage der zeit-aktualisierten Abschätzungen unter Verwendung des Modells des Messungsverfahrens zu berücksichtigen. Unter Bezugnahme auf Block 260 werden messungs-aktualisierte Abschätzungen zu dem gegenwärtigen Zeitmoment geschaffen.
Unter Bezugnahme auf 12 wird eine Überroll-Vorhersagemethode 270 zum Vorhersagen eines Überroll- oder Umkipp-Zustandes eines Fahrzeuges und zum Auslösen einer oder mehrerer Sicherheitsvorrichtungen in Ansprechen darauf dargestellt. Die Überroll-Vorhersagemethode 270 beginnt mit dem Startblock 272 und schreitet fort, um das erweiterte Kalman-Filter und den Initialisierungsblock 274 zu initialisieren. Das Initialisieren des erweiterten Kalman-Filters 102 umfasst das Initialisieren aller Variablen mit Null oder anderen geeigneten Werten auf der Grundlage irgendwelcher verfügbaren früheren Informationen. Darüber hinaus werden die fünf Messungs-Mittelungsblöcke 92 bis 100, sowie die Rollund Nickwinkel-Integratoren 108 und 110, mit Null initialisiert. Auch Auslösungs-Flags und andere Flags werden mit ihren geeigneten Werten initialisiert. Des Weiteren werden die Dreh-Beschleunigungsfilter 112 und 114 initialisiert. Sobald die Initialisierung abgeschlossen ist, führt die Methode 270 gleichzeitig zwei verschiedene parallel laufende Verarbeitungspfade durch. Der durch die Blöcke 276 bis 282 definierte Zykluspfad umfasst ein Verfahren mit langsamer Zykluszeit, das mit einer Zykluszeit von ungefähr einer Sekunde läuft. Der durch die Blöcke 284 bis 298 definierte Zykluspfad umfasst gemäß einem Beispiel ein Verfahren mit schneller Zykluszeit, das mit einer Zykluszeit von ungefähr zehn Millisekunden (10 ms) läuft.
Unter Bezugnahme auf das Verfahren mit langsamer Zykluszeit überprüft die Methode 270, wann es Zeit ist, das erweiterte Kalman-Filter 102 auf den Entscheidungsblock 276 folgend zu durchlaufen. Die Entscheidung, das erweiterte Kalman-Filter zu durchlaufen, erfolgt ungefähr jedes Intervall von einer Sekunde. Wenn die langsame Zykluszeit von einer Sekunde abgelaufen ist, schreitet die Methode 270 fort, um das erweiterte Kalman-Filter auf den Block 278 folgend zu durchlaufen. Ein Zyklus des erweiterten Kalman-Filters wird unter Verwendung der über das vorhergehende Intervall von einer Sekunde gemittelten Messungen, wie durch die Mittelungsblöcke 92 bis 100 bestimmt, durchlaufen. Die Zykluszeit umfasst sowohl eine Zeitaktualisierung als auch eine Messungsaktualisierung und erzeugt Abschätzungen der Roll- und Nickwinkel, sowie Fehlerabschätzungen für jeden der Sensoren. Als Nächstes setzt die Methode 270 auf den Block 280 folgend die Roll- und Nickwinkel-Abschätzungen ^ _EkF und ^ _EkF, die in die Integratoren. 110 bzw. 108 eingegeben werden, auf die neu berechneten Abschätzungswerte, wie sie durch das erweiterte Kalman-Filter 102 bestimmt wurden, zurück. Die Werte in den Roll- und Nickwinkel-Integratoren 110 und 108 werden dabei durch die letzten Rollwinkel- und Nickwinkel-Abschätzungen, die von dem erweiterten Kalman-Filter erzeugt wurden, ersetzt. Bis zum nächsten Zeitpunkt, an dem das erweiterte Kalman-Filter durchlaufen wird, werden die in den Integratoren 110 und 108 enthaltenen Roll- und Nickwinkel-Abschätzungen mit dem Verfahren mit der schnellen Zykluszeit unter Verwendung der fehlerkorrigierten Roll- und Nickraten aktualisiert, wie hierin später erläutert wird. Um das Verfahren mit der langsamen Zykluszeit abzuschließen, setzt der Block 282 die fünf Messungs-Mittelungsblöcke 92 bis 100 zurück auf Null, was dem erweiterten Kalman-Filter 102 in dem nächsten langsamen Zyklus gestattet, die Mittelungen der fünf Messungen über das vorhergehende langsame Zykluszeitintervall von einer Sekunde als Eingänge zu haben. Die Methode 270 fährt fort, das Verfahren mit der langsamen Zykluszeit jede Sekunde durchzuführen.
In Bezug auf den schnellen Verfahrenszyklus schreitet die Methode 270 zu dem Entscheidungsblock 284 fort, um zu überprüfen, wann ein schnelles Zykluszeitintervall abgelaufen ist, was anzeigt, dass es Zeit ist, das Verfahren der Methode 270 mit dem schnellen Zyklus durchzuführen. Sobald die schnelle Zykluszeit abgelaufen ist, misst der Block 286 die Längs-, Seiten- und Vertikal-Beschleunigungen und die Nick- und Roll-Drehraten. Die von den fünf Sensoren ausgegebenen Werte werden aufgezeichnet. In Block 288 zeichnet jeder der Mittelungsblöcke 92 bis 100 den Mittelwert seines jeweiligen Messungseingangs über das Zeitintervall auf, das mit dem letzten Mal begonnen hat, als der langsame Zyklus anfing, d. h. jede Sekunde. Als Nächstes werden in Block 290 die zuletzt gemessenen Werte der Rollrate- und Nickrate unter Verwendung der letzten Abschätzungen des Fehlers b_φ der Roll-Drehrate und des Fehlers b_θ der Nick-Drehrate, die von dem erweiterten Kalman-Filter 102 ausgegeben wurden, korrigiert.
Die Methode 270 schreitet fort zu Block 292, um die Roll- und Nick-Dreh-Integratoren 110 und 108 zu aktualisieren. Sowohl für das Rollen als auch für das Nicken wird das Produkt der schnellen Zykluszeit und der jeweiligen fehlerkorrigierten Drehrate zu dem Wert addiert, der von dem entsprechenden Integrator 108 oder 110 gehalten wird. Die Integrator-Werte dienen als die Abschätzungen für den gegenwärtigen Roll- und Nickwinkel ^ und ^. Darüber hinaus schätzt die Methode 290 die Rollund Nick-Dreh-Beschleunigungen, wie sie in Block 294 geschaffen wur den, ab. Ein separates, einfaches Kalman-Filter kann zur Abschätzung der Zeitableitungen der fehlerkorrigierten gemessenen Rollraten- und Nickraten-Signale verwendet werden, um die abgeschätzten Roll- und Nick-Beschleunigungen zu schaffen.
Bei gegebenen abgeschätzten Roll- und Nickwinkeln, Roll- und Nick-Beschleunigungen und gemessenen Roll- und Nick-Drehraten berechnet die Methode 270 die vorhergesagten Roll- und Nickwinkel φ_T und θ_T auf den Block 296 folgend. Der vorhergesagte Rollwinkel φ_T wird berechnet, indem eine gewichtete Summe des abgeschätzten Rollwinkels, der Rollrate, und der abgeschätzten Roll-Beschleunigung gebildet wird. In ähnlicher Weise wird der vorhergesagte Nickwinkel. θ_T berechnet, indem eine gewichtete Summe des abgeschätzten Nickwinkels, der Nickrate, und der abgeschätzten Nick-Beschleunigung gebildet wird. Die Gewichte in der gewichteten Summe sind im Wesentlichen Kalibrierungen. Zu dem Entscheidungsblock 298 fortschreitend, überprüft die Methode 270, ob die vorhergesagten Roll- und Nickwinkel die entsprechenden Roll- und Nick-Grenzwerte überschreiten. Die vorhergesagten Roll- und Nickwinkel werden jeder geprüft, um zu sehen, ob eine von deren beiden Größen die entsprechende Kalibrierungsschwelle überschreitet. Gemäß einem Beispiel wird der vorhergesagte Rollwinkel φ_T mit einer Schwelle von fünfzig Grad (50°) verglichen, während der vorhergesagte Nickwinkel θ_T mit einem Schwellenwinkel von siebzig Grad (70°) verglichen wird. Wenn weder der Nicknoch der Rollwinkel die entsprechenden Schwellenwerte überschreitet, kehrt die Methode 270 an den Beginn des schnellen Verfahrenszyklus zurück. Anderenfalls, wenn entweder der vorhergesagte Roll- oder der Nickwinkel die entsprechenden Grenzwerte übersteigt, sagt die Methode 270 voraus, dass ein zukünftiges Überrollereignis auftreten wird und schreitet fort zu Block 300. Der vorhergesagte Überroll-Ausgang kann dann verwendet werden, um die Auslösung von Sicherheits-Rückhaltevorrichtungen zu signalisieren, wie in Block 300 vorgesehen, um so zum Beispiel einen ausfahrbaren Überrollbügel, einen Sicherheitsgurt-Straffer, einen Airbag, oder andere ausgewählte Vorrichtungen zu betätigen. Auf die Signalisierung der Auslösung der Vorrichtungen folgend ist die Methode 270 nach dem Stoppblock 302 abgeschlossen.
Wenn sie verwendet wird, um eine sicherheitsbezogene Funktion des Fahrzeuges auszulösen, kann die Überroll-Zustands-Vorhersagemethode 270 eingesetzt werden, um eine nicht wieder verwendbare Vorrichtung auszulösen. Jedoch ist einzusehen, dass eine rücksetzbare Überroll-Zustands-Erfassungsvorrichtung erreicht werden kann, um wiederholt eine oder mehrere Vorrichtungen zu auslösen, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Dem entsprechend schafft die Vorrichtung und das Verfahren zur Überroll-Erfassung der vorliegenden Erfindung eine Vorhersage eines Überroll- oder Umkipp-Zustandes eines Fahrzeuges vor dem tatsächlichen vollständigen Auftreten eines Überroll- oder Umkipp-Ereignisses des Fahrzeuges, so dass ausgewählte Vorrichtungen, in einer zeitgerechten Art ausgelöst werden können, um den Insassen des Fahrzeuges zusätzlichen Schutz zu bieten. Die Überroll-Erfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist relativ immun gegen wesentliche Fehler, die in Sensoren im Maßstab für Kraftfahrzeuge vorliegen, und- schafft daher eine verbesserte Überroll-Erfassung zur Verwendung mit Sensoren im Maßstab für Kraftfahrzeuge, wie auch eine Reduktion der Anzahl von Sensoren, die anderenfalls in vorbekannten Ansätzen erforderlich wären.
Zusätzlich kann das Überroll-Erfassungsmodul 10 und der Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 der vorliegenden Erfindung des Weiteren das Signal des Fahrzeug-Geschwindigkeitssensors (VSS) und/oder Signale von Radstellungssensoren (WPL und WPR) zur Verwendung in der Detektion eines Überroll- und/oder Umkipp-Zustandes eines Fahrzeuges einsetzen. Das Signal des Fahrzeug-Geschwindigkeitssensors kann unter gewissen Umständen eingesetzt werden, um eine genaue Darstellung der tatsächlichen Längs-Beschleunigung des Fahrzeuges zu schaffen. Dies gestattet es, den Nickwinkel unter der Annahme, dass die Differenz in den Längs-Beschleunigungen, die von dem Fahrzeug-Geschwindigkeitssensor und. dem Längs-Beschleunigungsmesser abgeleitet wurden, in einer Schwerkraftkomponente begründet ist, abzuschätzen. Darüber hinaus kann das Wissen darüber, dass das Fahrzeug angehalten hat, bei der Abschätzung von Fehlern des Überrollsensors helfen, insbesondere von Fehlern des Drehratensensors. Wenn ein Neigungsmesser zur Verfügung gestellt wird, könnten Fehler des Beschleunigungsmessers ebenfalls abgeschätzt werden, wenn bekannt ist, dass das Fahrzeug angehalten hat. Des Weiteren würde in einer Situation, in welcher Modelle der Fahrzeugdynamik in dem Überroll-Algorithmus verwendet werden, das Wissen über die Geschwindigkeit des Fahrzeuges, das von dem Fahrzeug-Geschwindigkeitssensor erhalten wird, ferner die Überroll-Zustandsvorhersage der vorliegenden Erfindung unterstützen.
Die Signale der linken und rechten Radstellungssensoren (WPL und WPR) zeigen den Abstand zwischen dem Zentrum eines jeden Rades und der Fahrzeugkarosserie an. Die Signale der Radstellungssensoren könnten verwendet werden, um die Häufigkeit von falschen Auslösungen zu verringern. Die Federn der Aufhängung des Fahrzeuges üben eine starke Kraft aus, welche die Räder von der Fahrzeugkarosserie weg drücken, so dass nur der Kontakt mit dem Boden die Räder nahe an der Karosserie hält. Zentrifugalkräfte, die in einer Überrollsituation vorhanden sind, bewirken ebenfalls, dass die Räder von der Karosserie weg gezogen werden. Da ein Fahrzeug im Allgemeinen nicht überrollt, ohne dass ein oder mehrere Räder den Boden verlassen, könnte die Auslösung bei einem Überrollen abgeschaltet werden, solange nicht zumindest ein Rad ausreichend weit von der Fahrzeugkarosserie weg ist, wie durch die Radstellungssensoren detektiert wird. Dem entsprechend können das Überroll-Erfassungsmodul 10 und der Überroll-Vorhersagealgorithmus 80 die Radstellungssensoren einsetzen, um einen Ausgang über einen vorhergesagten Überroll- und/oder Umkipp-Zustand nur dann zu schaffen, wenn detektiert wurde, dass entweder die Räder auf der linken oder der rechten Seite des Fahrzeuges den Boden verlassen haben.

Claims

Überroll-Erfassungsvorrichtung (10) zum Vorhersagen eines Überschlags-Zustandes für ein Fahrzeug, umfassend: einen Winkel-Rollraten-Sensor (12) zum Erfassen der Rollrate eines Fahrzeuges und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, welches diese anzeigt; einen Winkel-Nickraten-Sensor (16) zum Erfassen der Nickrate des Fahrzeuges und zum Erzeugen eines Ausgangssignals; welches diese anzeigt; einen Längs-Beschleunigungsmesser (18) zum Messen der Längs-Beschleunigung des Fahrzeuges und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, welches diese anzeigt; einen Seiten-Beschleunigungsmesser (14) zum Messen der Seiten-Beschleunigung des Fahrzeuges und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, welches diese anzeigt; einen Vertikal-Beschleunigungsmesser (20) zum Messen der Vertikal-Beschleunigung des Fahrzeuges und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, welches diese anzeigt; ein nicht lineares Filter (102) zum Empfangen der Signale von den Winkel-Rollraten- und -Nickraten-Sensoren (12 und 16) und den Längs-, Seiten- und Vertikal-Beschleunigungsmessern (18, 14 und 20), und zum Abschätzen eines abgeschätzten Rollwinkels und eines abgeschätzten Nickwinkels als eine Funktion der empfangenen Signale; einen Prädiktor (116 und 118) zum Vorhersagen eines zukünftigen Rollwinkels als eine Funktion des abgeschätzten Rollwinkels und der erfassten Rollrate, und zum Vorhersagen eines zukünftigen Nickwinkels als eine Funktion des abgeschätzten Nickwinkels und der erfassten Nickrate; einen Komparator (120 und 124) zum Vergleichen eines jeden der vorhergesagten Roll- und Nick-Lagenwinkel mit einem Schwellen wert; und einen Ausgang (50 oder 52) zum Auslösen eines Ausganges über einen Fahrzeug-Überschlagszustand auf der Grundlage des Vergleichs.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das nicht lineare Filter ein erweitertes Kalman-Filter (102) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen ersten Integrator (110) zum Empfang des abgeschätzten Rollwinkels von dem Filter (102) mit einer ersten Zeitaktualisierungsrate und ferner zum Empfang der erfassten Rollrate mit einer zweiten Zeitaktualisierungsrate, welche schneller ist als die erste Zeitaktualisierungsrate, so dass der abgeschätzte Rollwinkel periodisch einen abgeschätzten gegenwärtigen Rollwinkel mit seiner ersten Zeitaktualisierungsrate bildet, während die erfasste Rollrate integriert wird, um abgeschätz te gegenwärtige Rollwinkelaktualisierungen zwischen Filteraktualisierungen zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend einen ersten Integrator (108) zum Empfang des abgeschätzten Nickwinkels von dem Filter (102) mit einer ersten Zeitaktualisierungsrate und ferner zum Empfang der erfassten Nickrate mit einer zweiten Zeitaktualisierungsrate, welche schneller ist als die erste Zeitaktualisierungsrate, so dass der abgeschätzte Nickwinkel periodisch einen abgeschätzten gegenwärtigen Nickwinkel mit seiner ersten Zeitaktualisierungsrate bildet, während die erfasste Nickrate integriert wird, um abgeschätzte gegenwärtige Nickwinkelaktualisierungen zwischen Filteraktualisierungen zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Prädiktor ferner einen Prädiktor (116 und 118) auf Taylor-Reihen-Basis zur Schaffung der Vorhersage der Roll- und Nickwinkel umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das nicht lineare Filter (102) ferner den Fehler in den Eingangssignalen erfasst und ferner den Fehler von den empfangenen Signalen subtrahiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Prädiktor (116 und 118) ferner den zukünftigen Rollwinkel als eine Funktion einer abgeschätzten Roll-Beschleunigung vorhersagt und ferner den zukünftigen Nickwinkel als eine Funktion einer abgeschätzten Nick-Beschleunigung vorhersagt.
Verfahren (270) zum Vorhersagen eines Überschlags-Zustandes eines Fahrzeuges, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: dass die Winkel-Rollrate eines Fahrzeuges erfasst (286) und ein Ausgangssignal, das diese anzeigt, erzeugt wird; dass die Winkel-Nickrate des Fahrzeuges erfasst (286) und ein Ausgangssignal, das diese anzeigt, erzeugt wird; dass die Längs-Beschleunigung des Fahrzeuges erfasst (286) und ein Ausgangssignal, das diese anzeigt, erzeugt wird; dass die Seiten-Beschleunigung des Fahrzeuges erfasst (286) und ein Ausgangssignal, das diese anzeigt, erzeugt wird; dass die Vertikal-Beschleunigung des Fahrzeuges erfasst (286) und ein Ausgangssignal, das diese anzeigt, erzeugt wird; dass ein Rollwinkel und ein Nickwinkel mit einem nicht linearen Filter als eine Funktion der erfassten Winkel-Roll- und -Nickraten und der erfassten Längs-, Seiten- und Vertikal-Beschleunigungen abgeschätzt (292) wird; dass ein Rollwinkel auf der Grundlage des abgeschätzten Rollwinkels und der erfassten Rollrate vorhergesagt (296) wird; dass ein Nickwinkel auf der Grundlage des abgeschätzten Nickwinkels und der erfassten Nickrate vorhergesagt (296) wird; dass der vorhergesagte Rollwinkel mit einem Roll-Schwellenwert verglichen (298) wird; dass der vorhergesagte Nickwinkel mit einem Nick-Schwellenwert verglichen (298) wird; und dass ein Fahrzeug-Überschlags-Zustandssignal auf der Grundlage eines der Vergleiche ausgelöst (300) wird.
Verfahren nach Anspruch 8, worin der Schritt der Abschätzung (292) des Rollwinkels und des Nickwinkels eine erweiterte Kalman-Filterung (278) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend die Schritte, dass der abgeschätzte Rollwinkel mit einer ersten Zeitaktualisierungsrate aktualisiert wird, dass die gemessene Rollrate mit einer zweiten Zeitaktualisierungsrate, welche schneller ist als die erste Zeitaktualisierungsrate, integriert wird, und dass der abgeschätzte Rollwinkel. als eine Funktion der integrierten Rollrate aktualisiert wird, um abgeschätzte gegenwärtige Rollwinkelaktualisierungen zwischen den Filteraktualisierungen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend die Schritte, dass der abgeschätzte Nickwinkel mit einer ersten Zeitaktualisierungsrate aktualisiert wird, dass die gemessene Nickrate mit einer zweiten Zeitaktualisierungsrate, welche schneller ist als die erste Zeitaktualisierungsrate, integriert wird, und dass der abgeschätzte Nickwinkel als eine Funktion der integrierten Nickrate aktualisiert wird, um abgeschätzte gegenwärtige Nickwinkelaktualisierungen zwischen Filteraktualisierungen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 8, worin der Schritt der Vorhersage (296) eines Rollwinkels die Durchführung einer Vorhersage auf Basis von Taylor-Reihen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend den Schritt, dass der Fehler der Eingangssignale abgeschätzt (290) wird und ferner der Fehler von gegenwärtigen empfangenen Signalen subtrahiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend den Schritt, dass eine gegenwärtige Roll-Beschleunigung abgeschätzt (294) wird und ferner der Rollwinkel als eine Funktion der abgeschätzten gegenwärtigen Roll-Beschleunigung vorhergesagt (296) wird.