DE102014211273A1 - Vehicle mass estimation method - Google Patents
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Abstract
Bei einem Fahrzeugmassenschätzungsverfahren zum Schätzen der Masse eines Fahrzeugs werden für das Fahrzeug mehrere Modelle zum Schätzen der Masse erstellt, mit den Modellen wird je mindestens ein am Fahrzeug messbarer Parameter geschätzt, am Fahrzeug wird der messbare Parameter gemessen und es erfolgt eine Bewertung der Modelle mittels eines Vergleichs des geschätzten und des gemessenen Parameters.In a vehicle mass estimation method for estimating the mass of a vehicle, a plurality of mass estimation models are prepared for the vehicle, each of the models is estimated to have at least one parameter measurable on the vehicle, the measurable parameter is measured on the vehicle and the models are evaluated using a model Comparison of the estimated and measured parameters.
Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugmassenschätzungsverfahren, mittels dem es möglich ist, die Masse eines Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, zu schätzen. Ferner ist es mit dem hier relevanten Fahrzeugmassenschätzungsverfahren auch möglich, die Masse eines Gespanns, also eines Fahrzeugs mit Anhänger, sowie eines Anhängers allein zu schätzen.The invention relates to a vehicle mass estimation method, by means of which it is possible to estimate the mass of a vehicle, in particular a passenger car. Furthermore, with the vehicle mass estimation method relevant here, it is also possible to estimate the mass of a team, ie a vehicle with a trailer, as well as a trailer alone.
Die derartige Schätzung der Fahrzeugmasse und insbesondere auch der Anhängermasse dient als Grundlage für eine fahrdynamische Stabilisierung des Fahrzeugs und gegebenenfalls seines Anhängers.Such an estimation of the vehicle mass and in particular also the trailer mass serves as the basis for a dynamic driving stabilization of the vehicle and possibly its trailer.
Es sind diverse Verfahren für eine Schätzung der Fahrzeugmasse aus einer Vertikaldynamik des jeweiligen Fahrzeugs bekannt, die insbesondere mit Tiefpassfiltern der Kräfte der zugehörigen Radaufhängung und mit nichtlinearen Zustandsbeobachtern (EKF) arbeiten.Various methods are known for estimating the vehicle mass from a vertical dynamics of the respective vehicle, which operate in particular with low-pass filters of the forces of the associated wheel suspension and with non-linear state observers (EKF).
So ist aus
In
Aus
Die
Gemäß
Erfindungsgemäß ist ein Fahrzeugmassenschätzungsverfahren zum Schätzen der Masse eines Fahrzeugs geschaffen, bei dem für das Fahrzeug mehrere Modelle zum Schätzen der Masse erstellt werden, mit den Modellen je mindestens ein am Fahrzeug messbarer Parameter geschätzt wird, am Fahrzeug der messbare Parameter gemessen wird und eine Bewertung der Modelle mittels eines Vergleichs des geschätzten und des gemessenen Parameters erfolgt. Insbesondere wird bei der Parametrisierung der erfindungsgemäßen Modelle zwischen den verschiedenen Modellen allein der Parameter der Masse des Fahrzeugs als unterschiedliche bzw. jeweils anders gesetzt.According to the invention, a vehicle mass estimation method is provided for estimating the mass of a vehicle in which a plurality of models for estimating the mass are created for the vehicle, the models are each estimated to have at least one parameter measurable on the vehicle, the measurable parameter is measured on the vehicle and an evaluation of the Models by means of a comparison of the estimated and the measured parameter takes place. In particular, in the parameterization of the models according to the invention between the various models alone, the parameter of the mass of the vehicle is set as different or respectively different.
Die mehreren Modelle werden erfindungsgemäß bevorzugt zyklisch erstellt bzw. ausgeführt und dabei wird für ein erneutes Schätzen der Masse des Fahrzeugs jenes Modell gewählt, das vorhergehend eine im Vergleich zu den anderen Modellen gute Bewertung erhalten hat. Insbesondere werden mehrere Modelle (alle mit unterschiedlichen Massen) initialisiert. Diese werden dann zyklisch (bevorzugt gemäß dem Kalman Filter) ausgeführt. In jedem Schritt werden alle Modelle bewertet. Damit liegt dann für jedes Modell zu jeder Zeit eine Bewertung bzw. eine Wahrscheinlichkeit vor. Dabei kann durch ein zyklisches Vorgehen ermittelt werden, welches Modell mehrfach eine gute Bewertung erhalten hat, und dann dieses Modell als das die Masse des Fahrzeugs als am wahrscheinlichsten richtig angebende Modell erkannt werden. Vorzugsweise wird nach einer gewissen Zeit eine „Massen-Region” von Modellen als wahrscheinlicher bewertet als andere. Dann kann man sozusagen neu initialisieren und zwar eben in der zuvor gefunden Region mit höher Dichte an Modellen. Für ein erneutes Schätzen der Masse des Fahrzeugs werden ferner bevorzugt von den vorhergehenden Modellen α Modelle mit der geringsten Wahrscheinlichkeit gelöscht und α neue Modelle erstellt. Dadurch kann eine Diskretisierung im wahrscheinlichen Bereich verfeinert werden. Darüber hinaus werden vorteilhaft für ein erneutes Schätzen der Masse des Fahrzeugs die Modelle mittels der vorhergehend gemessenen Parameter optimiert. Die mehreren Modelle zum Schätzen der Masse und deren Bewertung laufen dann also parallel bzw. zeitgleich. Ferner kann man zur Bewertung der Modelle vorteilhaft den gewichteten Mittelwert über mindestens zweit, bevorzugt über alle Modelle erstellt. Für den gewichteten Mittelwert wird die Masse des jeweiligen Modells und deren Wahrscheinlichkeit bzw. Güte berücksichtigt.According to the invention, the plurality of models are preferably created or executed cyclically and, in the process, a model is selected for a new estimation of the mass of the vehicle which has previously received a good rating compared to the other models. In particular, several models (all with different masses) are initialized. These are then executed cyclically (preferably according to the Kalman filter). In each step all models are evaluated. This then provides for each model at any time a rating or a probability. It can be determined by a cyclic procedure, which model has received a good rating several times, and then this model is recognized as the model of the vehicle's mass that is most likely correct. Preferably, after a certain time, a "mass region" of models is more likely to be rated than others. Then you can re-initialize, so to speak, and just in the previously found region with higher density of models. For re-estimating the mass of the vehicle, it is also preferred to delete models with the least probability from the previous models α and to create new models. As a result, a discretization in the probable range can be refined. In addition, advantageously for re-estimating the mass of the vehicle, the models are optimized by means of the previously measured parameters. The several models for estimating the mass and their evaluation then run in parallel or at the same time. Furthermore, one can advantageously for the evaluation of the models, the weighted average over at least two, preferably created over all models. The mass of the respective model and its probability or quality are taken into account for the weighted average.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß zur Masseschätzung ein Multi-Model-Ansatz verwendet. Zur Masseschätzung erfolgt dabei ein Vergleich von gemessenen und geschätzten Parametern. Damit wird die Güte der Modelle bewertet, welche unter der Annahme unterschiedlicher Massen parametriert werden. Insbesondere wird die Masse entsprechend dem Modell mit der höchsten Güte ausgewählt.In other words, according to the invention, a multi-model approach is used for mass estimation. For mass estimation, a comparison of measured and estimated parameters is performed. Thus, the quality of the models is evaluated, which are parameterized under the assumption of different masses. In particular, the mass is selected according to the model with the highest quality.
Die mehreren Modelle werden gemäß der Erfindung vorzugsweise mit jeweils einer linearen Zustandsgleichung erstellt.The plurality of models are preferably created according to the invention, each with a linear equation of state.
Bei der Bewertung wird vorteilhaft als Bewertungskriterium eine zuvor definierte Wahrscheinlichkeit für das Modell verwendet.In the evaluation, advantageously a previously defined probability for the model is used as the evaluation criterion.
Als messbarer Parameter wird besonders bevorzugt ein Parameter der Vertikaldynamik des Fahrzeugs, insbesondere ein Höhenstand einer Radaufhängung, eine Federsteifigkeit einer Radaufhängung, ein Dämpfungswert einer Radaufhängung und/oder eine Radbeschleunigung eines Fahrzeugrades, verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird als messbarer Parameter ein Parameter der Längsdynamik oder der Querdynamik oder des Lenkwinkels des Fahrzeugs, insbesondere eine Gesamtbeschleunigung, verwendet.As a measurable parameter is particularly preferably a parameter of the vertical dynamics of the vehicle, in particular a ride height of a suspension, a spring stiffness of a suspension, a damping value of a suspension and / or a wheel acceleration of a vehicle wheel used. Alternatively or additionally, a parameter of the longitudinal dynamics or the transverse dynamics or the steering angle of the vehicle, in particular a total acceleration, is used as the measurable parameter.
Mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Modellen wird ferner bevorzugt je eine Teilmasse des Fahrzeugs geschätzt, wobei vorzugsweise vier Multi-Modell-Ansätze für je eine Viertelfahrzeugmasse verwendet werden. Die Gesamtmasse des Fahrzeugs wird dann als eine Summe der Teilmassen ermittelt.With the models provided according to the invention, a partial mass of the vehicle is also preferably estimated, with preferably four multi-model approaches being used for each quarter vehicle mass. The total mass of the vehicle is then determined as a sum of the sub-masses.
Um das erfindungsgemäße Fahrzeugmassenschätzungsverfahren weiter zu verbessern, ist ferner vorzugsweise vorgesehen, bei den erfindungsgemäßen Modellen Brems- und/oder Beschleunigungsvorgänge sowie Kurven- und Lenkvorgänge des Fahrzeugs zu berücksichtigen.In order to further improve the vehicle mass estimation method according to the invention, it is further preferably provided to take into account braking and / or acceleration processes as well as cornering and steering operations of the vehicle in the models according to the invention.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Verfahren zur Bestimmung von Fahrwerksparametern, vor allem auch der Fahrzeugmasse, aus der Vertikaldynamik hinlänglich bekannt sind. Die bekannten Verfahren weisen aber insbesondere den Nachteil auf, dass nichtlineare Zustandsbeobachter relativ aufwändig sind und vergleichsweise viel Rechenzeit benötigen. Zudem können sich instabile bzw. divergierende Zustandsschätzungen aufgrund einer unzureichenden Güte der Parametrierung ergeben.The invention is based on the finding that methods for determining chassis parameters, in particular also the vehicle mass, from the vertical dynamics are well known. However, the known methods have the particular disadvantage that nonlinear state observers are relatively complex and require comparatively much computing time. In addition, unstable or divergent state estimates may result due to insufficient quality of the parameterization.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es hingegen möglich, die Rechenzeit pro Modell auf ca. 1/10 im Vergleich zu einer Verwendung von nicht-linearen Zustandsbeobachtern zu reduzieren. Die erfindungsgemäße Lösung basiert ferner darauf, dass viele Größen, die zur Zustandsschätzung benötigt werden, mittels zugehöriger Gleichungen einmalig vorberechnet werden. Somit müssen diese Größen nicht wie sonst üblich in jedem Zeitschritt bzw. jedem Schätzungsdurchlauf neu berechnet werden. Ferner ist eine robustere Modellierung und Parametrierung geschaffen. Die erfindungsgemäße Funktionalität ergibt sich auch bei einer im Fahrzeug eingebauten Niveauregelung. Insbesondere wird gemäß der Erfindung auch kein Referenzhöhenstand, also die Höhe des Fahrzeugaufbaus bei entspannter Feder der zugehörigen Radaufhängung, benötigt.By contrast, with the solution according to the invention, it is possible to reduce the computing time per model to approximately 1/10 in comparison with the use of non-linear state observers. The solution according to the invention is further based on the fact that many variables which are required for state estimation are precomputed by means of associated equations. Thus, these quantities do not have to be recalculated as usual in every time step or each estimation run. Furthermore, a more robust modeling and parameterization is created. The functionality of the invention also results in a built-in vehicle level control. In particular, according to the invention, no reference level, ie the height of the vehicle body with a relaxed spring of the associated wheel suspension, is required.
In einer vorteilhaften Ausprägung der erfindungsgemäßen Lösung wird der gewichtete Mittelwert aller Modellmassen gewichtet mit der jeweiligen Modellgüte bestimmt. Hinlänglich bekannte Verfahren bewerten die Modellfehler anhand der Varianz einer Normalverteilung – dies ist hier nicht gemacht. Erfindungsgemäß wird für alle Modelle die gleiche Varianz zur Bewertung herangezogen. Die Varianz entspricht hierbei einem Designparameter: Umso größer die Varianz angenommen wird, desto langsamer konvergiert die Massenschätzung. Hinlänglich bekannte Verfahren setzten ferner für die Modellfehler eine Normalverteilung an (Kalmann Filter) – diese Einschränkung wird mit dem vorgeschlagenen Verfahren aufgelöst.In an advantageous embodiment of the solution according to the invention, the weighted mean value of all model masses is weighted with the respective model quality. Well-known methods evaluate the model errors based on the variance of a normal distribution - this is not done here. According to the invention, the same variance is used for the evaluation for all models. The variance corresponds to a design parameter: the greater the variance is assumed, the slower the mass estimation converges. Well-known methods also used a normal distribution for the model errors (Kalmann filter) - this restriction is resolved by the proposed method.
Kombiniert man die erfindungsgemäße Masseschätzung mit einer hinlänglich bekannter Massenschätzung aus der Fahrzeuglängsdynamik, so lässt sich die Verteilung der Massen (Fahrzeugmasse, Anhängermasse) in einem Fahrzeug-Anhängergespann bestimmen. Bei einem solchen bekannten Massenschätzungsverfahren wird, wie etwa oben zu
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:An exemplary embodiment of the solution according to the invention will be explained in more detail below with reference to the attached schematic drawings. It shows:
Für die Dynamik des derart reduzierten Viertelfahrzeugs werden mehrere lineare Zustandsbeobachter der Form
Zur Parametrierung werden also als Parameter, insbesondere die Federsteifigkeit Fc und der Dämpfungswert bzw. Dämpfungsparameter Fd der Fahrzeugaufhängung, verwendet. Bei einem Fahrzeug mit Luftfedern, die ein- oder zweiachsig verbaut sein können, kann dabei z. B. über einen Luftdrucksensor der Innendruck gemessen und aus einer Lookup-Tabelle die Federsteifigkeit Fc bestimmt werden.For parameterization, the parameters used are therefore, in particular the spring stiffness F c and the damping value or damping parameter F d of the vehicle suspension. In a vehicle with air springs, which can be installed on one or two axes, z. B. measured via an air pressure sensor, the internal pressure and the spring stiffness F c are determined from a lookup table.
In
Wie in
Das Korrigieren bzw. Optimieren
Hierbei ist F die Systemmatrix und
- zk
- ist die Messung in Zeitschritt k und H die Beobachtungsmatrix.
- Lk
- entspricht dem stationären Wert des Kaiman-Gains eines Viertelfahrzeuges, welches eine in etwa zu erwartende Viertelfahrzeugmasse besitzt.
- z k
- the measurement in time step k and H is the observation matrix.
- L k
- corresponds to the stationary value of the Cayman Gain of a quarter vehicle, which possesses an approximately expected quarter vehicle mass.
Als stationärer Wert wird das „eingeschwungene” Kalman-Gain verwendet.The stationary value used is the "settled" Kalman gain.
Die stationären Werte können durch mehrfaches Auswerten von
- (1)
Ppriori,k = FPposteriori,k-1F' + Q - (2)
Sk = HPpriori,kH' + R - (3)
Lk = Ppriori,kHS –1 / k - (4)
Pposteriori,k = (I – LkH)Ppriori,k
- (1)
P priori, k = FP posteriori, k-1 F '+ Q - (2)
S k = HP a priori, k H '+ R - (3)
L k = P priori, k HS -1 / k - (4)
P posteriori, k = (I - L k H) P priori, k
Das Kalman-Filter ist ein Zustandsbeobachter, der bei normaler Anwendung komplett (mit allen Gleichungen) zeitsynchron eine Schätzung der Zustände errechnet. Vorliegend werden nur die Gleichungen
Das Kalman-Gain L wird bei dieser Vorgehensweise konstant gesetzt und kann daher separat vorberechnet werden, und zwar abhängig von der gewählten Prozessrauschmatrix Q und der Messrauschmatrix R, und abhängig von dem Modell, welches F vorgibt. Konkret heißt das, dass ein Modell der Masse 400 kg ein leicht verschiedenes F aufweist, als ein Modell der Masse 500 kg. Praktisch sollte man ein Modell der Masse verwenden, zu dem auf passende Messungen gemacht wurden. Dazu werden die Gleichungen (1) bis (4), die so genannten Kalman-Gleichungen, in Schleife berechnet, bis sie eingeschwungen sind und das Kalman-Gain einen stationären Wert erreicht. Dieses wird dann gespeichert und kann jederzeit benutzt werden.The Kalman gain L is set constant in this procedure and can therefore be pre-calculated separately, depending on the selected process noise matrix Q and the measurement noise matrix R, and depending on the model which specifies F. Specifically, this means that a model of
Eine Lösung mittels der so genannten Riccati-Gleichung
Die genannte Vorgehensweise kann schon vor der Verwendung im Fahrzeug erfolgen, nachdem beim Kalman-Filter die Gains unabhängig von den Messungen zk sind.The mentioned procedure can be carried out before use in the vehicle, since the gains are independent of the measurements z k for the Kalman filter.
Wobei Pposteriori,k-1 die geschätzte Kovarianzmatrix des letzten Zustandsvektors ist, Q die diskretisierte Kovarianzmatrix des Systemrauschens, R die Kovarianzmatrix des Messrauschens und/die Einheitsmatrix ist.Where P is posteriori, k-1 is the estimated covariance matrix of the last state vector, Q is the discretized covariance matrix of the system noise, R is the measurement noise covariance matrix and / or the unit matrix.
Das Kalman-Gain L ist also für alle Modelle zu jedem Zeitschritt gleich. Bei der einmaligen Parameterwahl von Q und R wird nicht darauf geachtet, dass das Filter konsistent ist. Dies wäre für eine einzelne Masse möglich, bei mehreren Massen müssten aber auch die Parameter Q und gegebenenfalls R dafür jeweils geändert werden. Praktisch sind aber nicht immer alle nötigen Messreihen vorhanden. Dies alles führt dazu, dass die durch das Kalman-Filter berechneten Kovarianzen nicht zur Bewertung
Wie bereits zu
Durch K aufeinanderfolgende Messungen z der Vertikaldynamik, vorliegend des Höhenstands zA und vorzugsweise auch einer Radbeschleunigung, wird die Bewertung
Dabei kann man für jedes Modell i nach K Messschritten folgende bevorzugten Modellwahrscheinlichkeit
Die Fahrzeugmasse des Viertelfahrzeugs
Zur Abschätzung der Güte über die Massenschätzung und eventueller Abbruchkriterien bei Erreichung einer entsprechend sicheren Schätzung dient die Form der Kurve, wie sie in
Nach einer gewissen Zykluszeit werden unwahrscheinliche Modelle
Von den N Modellen
Wahrscheinlichstes Modell liegt am Rand (i = 1 bzw. i = N):
Δmneu > Δmalt (Weite der Diskretisierung der Massen wird vergrößert)
α neue Modelle setzten die Simulation auf der Seite des Modells mit Pmax fort.From the
Most probable model is on the edge (i = 1 or i = N):
Δm new > Δm old (width of the discretization of the masses is increased)
α new models continued the simulation on the side of the model with P max .
Wahrscheinlichstes Modell ist nicht am Rand (1 < i < N):
Δmneu < Δmalt (Weite der Diskretisierung der Massen wird verringert)
α neue Modelle um das Modell mit mit Pmax unterteilen die wahrscheinlichsten Intervalle.Most likely model is not on the edge (1 <i <N):
Δm new <Δm old (width of the discretization of the masses is reduced)
α new models around the model with P max divide the most likely intervals.
Schließlich sei noch angemerkt, dass zur Berechnung des Kaiman-Gains – neben der Viertelfahrzeugmasse – die Varianzeinträge für das Systemrauschen Q und das Messrauschen R vorgegeben werden können. Zur Bestimmung der Prozessrauschparameter, der Parameter des Messrauschens sowie des Exponenten δ kann ein Optimierungsalgorithmus („Differential Evolution”) verwendet werden. Dieser bestimmt die optimalen Parameter auf der Grundlage von Trainingsdaten, respektive Messfahrten von Fahrzeugen mit bekannter Masse, anhand der Bewertung, wie passend die Masse (und u. a. weitere dynamische Größen) geschätzt wurden.Finally, it should be noted that for the calculation of the Kalman gain - in addition to the quarter vehicle mass - the variance entries for the system noise Q and the measurement noise R can be specified. To determine the process noise parameters, the parameters of the measurement noise and the exponent δ, an optimization algorithm ("differential evolution") can be used. This determines the optimal parameters based on training data, respectively measuring runs of vehicles of known mass, based on the evaluation of how well the mass (and, among other dynamic variables) have been estimated.
Die Masse mG des Gesamtfahrzeugs ergibt sich schließlich aus der Summe der vier Einzelergebnisse mA aus den Vierteilfahrzeugmodellen: The mass m G of the total vehicle finally results from the sum of the four individual results m A from the four-vehicle models:
Zur Schätzung der Masse eines Anhängers sind Massenschätzungen aus der Längsdynamik hinlänglich bekannt. Bei den bekannten Verfahren wird, falls ein Anhänger vorhanden ist, die Gesamtmasse des Gespanns geschätzt. Beim hier vorgestellten Verfahren der Massenschätzung aus der Vertikaldynamik wird hingegen die reine Fahrzeugmasse mG (zuzüglich der im Verhältnis kleinen statischen Anhängelast auf der Anhängerkupplung des Zugfahrzeugs) bestimmt.To estimate the mass of a trailer, mass estimates from longitudinal dynamics are well known. In the known methods, if a trailer is present, the total mass of the team is estimated. By contrast, in the case of the method of mass estimation from vertical dynamics presented here, the pure vehicle mass m G (plus the relatively small static trailer load on the towing hitch of the towing vehicle) is determined.
Mit
In einem Bereich, in dem sicher von einem vorhandenen Anhänger ausgegangen wird, kann die Fahrzeugmasse – und damit auch die Anhängermasse – noch um die erwarteten statischen Kupplungskräfte korrigiert werden, die in der Massenschätzung durch die Vertikaldynamik dem Fahrzeug zugeschlagen wurde: mit der Erdbeschleunigung
Systematische Fehler der Schätzung der Fahrzeugmasse, die aufgrund von Eigenschaften des Anhängers (Masse, Trägheitsmoment, ...) auftreten, können in einer zweiten Korrektur berücksichtigt werden:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Viertelfahrzeugdistrict vehicle
- 1212
- Schätzungestimate
- 1414
- ErgebnisResult
- 1616
- Bewertungrating
- 1818
- Wahrscheinlichkeitprobability
- 2020
- Gesamtschätzungoverall estimate
- 2222
- Gesamtmassetotal mass
- 2424
- OptimierenOptimize
- 2626
- Modellmodel
- 2828
- ZustandStatus
- 3030
- ZustandStatus
- 3232
- ZustandStatus
- 3434
- Gütewertquality value
- 3636
- Modellwahrscheinlichkeitmodel probability
- 3838
- MessungMeasurement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- US 2009/0306861 [0008] US 2009/0306861 [0008]
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Applications Claiming Priority (1)
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