DE10148667C2 - Verfahren zur Bestimmung einer vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung einer vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung einer vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
Es ist bereits aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 100 49 905 A1 bekannt, in einem Steuergerät eine kinematische Sensorplattform einzusetzen, wobei die kinematische Sensorplattform Inertialsensoren wie Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren umfasst. Dadurch kann ein Wert für die vektorielle Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt werden. Dieser Wert kann einer Fahrdynamikregelung (ESP = Elektronisches Stabilitätsprogramm) zugeführt werden, so dass ein ESP entsprechend der Sensorwerte die Fahrdynamik regelt. Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich daher die Aufgabe, die Bestimmung der vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit zu verbessern.
Aus DE 100 08 550 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit bekannt, wobei zum einen mittels Inertialsensorik eine solche Geschwindigkeit bestimmt wird und zum anderen aus differentiellen GPS-Signalen. In Abhängigkeit von diesen beiden Werten wird eine vektorielle Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt, die dann weiterverarbeitet wird.
Aus DE 198 29 582 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drehratenbestimmung, insbesondere der Gierrate eines Kraftfahrzeugs, bekannt. Dabei wird die Offsetbestimmung des Drehratensignals mittels eines Richtungssensors offenbart. Dieser Richtungssensor kann beispielsweise das Erdmagnetfeld ausmessen, oder aber über GPS den Kurswinkel des Fahrzeugs bestimmen. Die Bestimmung des Kurswinkels erfolgt über zwei GPS-Antennen.
Aus DE 199 44 177 A1 ist ein Fahrzeugdatenbus-System mit Ortungsmitteln bekannt, wobei die Ortungsmittel einen GPS-Empfänger mit zugehöriger GPS-Antenne und ein Gyrodatenerfassungsmittel aufweisen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber der Vorteil, dass die Inertialsensoren um eine Ortungsvorrichtung ergänzt werden, so dass damit ein zweiter Wert für die vektorielle Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird, um mittels eines Vergleichs des Werts, der mittels der Inertialsensoren ermittelt wurde, und des Werts, der mittels der Ortungsvorrichtung bestimmt wurde, einen Durchschnittswert zu bilden, der eine bessere Schätzung für die vektorielle Fahrzeuggeschwindigkeit darstellt. Damit kann auch ein gezieltes Unterbremsen zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit entfallen, so dass solche Reglereingriffe nicht mehr notwendig sind. Dies führt dann insgesamt zu einer Verkürzung des Bremswegs. Ein weiterer Vorteil ist, dass mittels der verbesserten vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit die Fahrdynamikregelung durch ESP verbessert werden kann.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Verfahrens zur Bestimmung einer vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Ortungsvorrichtung ein GPS (Global Positioning System) ist, das eine sehr genaue Ortsbestimmung und damit auch eine sehr genaue Geschwindigkeitsbestimmung ermöglicht. Die Geschwindigkeitsbestimmung kann mit dem Dopplereffekt der Trägersignale oder aus den Trägerphasen bestimmt werden. Damit liegt dann ein Geschwindigkeitsvektor vor, denn sowohl der Betrag als auch die Richtung als Komponenten des Geschwindigkeitsvektors sind damit bestimmbar. Dies kann dadurch verbessert werden, dass zwei oder drei Antennen verwendet werden, so dass die Orientierung in der Fläche oder im Raum bestimmbar wird.
Darüber hinaus wird eine Fahrdynamikregelung wie das ESP damit verbessert, da eine maximale Anzahl an Sensorinformationen der Fahrdynamikregelung zur Verfügung gestellt wird. Die Gewichtung der Geschwindigkeitswerte, die mittels der Ortungsvorrichtung und der Inertialsensoren bestimmt wurden, hängt davon ab, wieviele Satelliten die Ortungsvorrichtung als satellitenbasiertes System zu dem Meßzeitpunkt empfangen kann, wieviele Antennen verwendet werden und bei der Geschwindigkeit, die durch die Inertialsensoren bestimmt wird, welchen Schlupf die Reifen aufweisen. Durch eine Mittelwertbildung ist dann eine möglichst genaue Schätzung der vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit möglich.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorliegt, die eine Sensorplattform mit einer Ortungsvorrichtung aufweist, wobei entweder zwei oder drei Antennen bei Verwendung eines GPS-Systems verwendet werden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahren, Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugbussystems und Fig. 3 ein Blockschaltbild einer kinematischen Sensorplattform mit Ortungsvorrichtung.
Beschreibung
Seit längerer Zeit arbeiten die Zulieferfirmen von Fahrzeugherstellern intensiv an Fahrzeugsystemen, welche die Fahrzeugzustände in fahrdynamischen Grenzsituationen stabilisieren sollen. Dabei werden ABS (Antiblockiersystem), TCS (Traction Control System oder auch ASR = Antischlupfregelung) und ESP eingesetzt. Die Sensorik, auf die solche Systeme zugreifen sind im Wesentlichen Gierratensensoren, Querbeschleunigungssensoren, Raddrehzahlen-, Bremsdruck- und Lenkwinkelsensoren. Mittels dieser Sensoren wird einerseits der Fahrerwunsch bezüglich der Richtung und der Beschleunigung/Bremsung ermittelt und andererseits wird auf dieser Basis der Bewegungszustand des Fahrzeugs bestimmt. Ganz wesentliche Größen für eine korrekte Regelung des Fahrzeugzustandes sind die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Gierrate und der Schwimmwinkel des Fahrzeugs.
Steuergeräte können nun eine intelligente Sensorplattform aufweisen, wobei solch eine Sensorplattform eine Integration von Inertialsensoren, das sind Linearbeschleunigungs- und Drehratensensoren, darstellt. Ziel ist es nun, den Fahrzustand modellgestützt zu schätzen.
Erfindungsgemäß wird nun eine solche intelligente Sensorplattform um eine Ortungsvorrichtung ergänzt, die so ausgebildet ist, dass eine verbesserte Schätzung der vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit möglich ist. Dies verbessert die Wirkung einer Fahrdynamikregelung wie ESP.
Fig. 2 zeigt als Blockschaltbild, wie verschiedene Systeme in einem Fahrzeug über einen Bus miteinander verbunden sind. Ein Fahrzeugbus 19, beispielsweise ein CAN-Bus, verbindet hier ein Steuergerät, das unter anderem aus einem Buscontroller 18, einem Prozessor 17 und einer Sensorplattform 16 besteht, mit einer Leuchtweitenregulierung 28 und einem ESP-System 30. Sowohl die Leuchtweitenregulierung 28 als auch das ESP-System 30 weisen jeweils einen Buscontroller 27 und 29 auf, um die Kommunikation über den Bus 19 zu ermöglichen. Die Sensorplattform 16 ist über einen Dateneingang an den Prozessor 17 angeschlossen, der die Sensordaten verarbeitet und entsprechende Daten wie eine Fahrzeuggeschwindigkeitsschätzung dann mittels des Buscontrollers 18 an die Leuchtweitenregulierung 28 bzw. die Fahrdynamikregelung 30 überträgt.
Fig. 3 zeigt den Aufbau der Sensorplattform 16, die an den Prozessor 17 angeschlossen ist. Auf der Sensorplattform 16 befinden sich drei GPS-Empfänger. Der erste GPS-Empfänger weist eine Antenne 20 und eine Empfangsvorrichtung 21 auf, die einen ersten Dateneingang des Prozessors 17 angeschlossen sind. Ein zweiter GPS-Empfänger, bestehend aus einer Antenne 22 und einer nachgeschalteten GPS- Empfangsvorrichtung 23, ist an einen zweiten Dateneingang des Prozessors 17 angeschlossen. Ein dritter GPS-Empfänger, bestehend aus einer Antenne 25 und einer GPS- Empfangsvorrichtung 24, ist an einen dritten Dateneingang des Prozessors 17 angeschlossen. An einen vierten Dateneingang des Prozessors 17 ist eine Gruppe von Inertialsensoren 26 mit nachgeschalteter Meßverstärkung und Digitalisierung angeschlossen. Die GPS-Empfangsvorrichtungen 21, 23 und 24 sind durch Leitungen miteinander verbunden, um sie miteinander zu synchronisieren.
Alternativ ist es hier möglich, dass anstatt drei GPS- Empfängern nur zwei GPS-Empfänger verwendet werden. Dies ermöglicht die Bestimmung der Orientierung in einer Fläche während drei Antennen die Bestimmung der Orientierung im Raum. Weiterhin ist es möglich, dass die Antennen 20, 22 und 25 an eine Empfangsvorrichtung angeschlossen sind, die die unterschiedlichen Signale gemeinsam auswerten kann. Die Signale von den Antennen 20, 22 und 25 werden dann nacheinander von der einzigen Empfangsvorrichtung abgefragt. Der Prozessor 17 bestimmt dann aus den GPS-Daten und den Sensordaten von den Inertialsensoren 26 jeweils einen unterschiedlichen Wert für die vektorielle Geschwindigkeit. Durch einen Vergleich dieser beiden Werte wird dann ein Durchschnitts- oder Mittelwert gebildet, um eine möglichst gute Schätzung für die vektorielle Fahrzeuggeschwindigkeit zu ermitteln. Dieser Wert wird dann an die Fahrdynamikregelung 30 übertragen. Aus der vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit kann auch der Schwimmwinkel bestimmt wird, der für die Leuchtweitenregulierung 28 eingesetzt wird.
Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild beschreibt das erfindungsgemäße Verfahren. Im Block 1 sensieren ESP- Sensoren, das sind die Inertialsensoren 26 Linearbeschleunigungs- und Drehratenwerte, die im Fahrzeug vorkommen. Ein ESP-Schätzer 2 ermittelt daraus einen ersten Wert für die Geschwindigkeit 3 und eine entsprechende Gewichtung für diesen Geschwindigkeitswert 4. Der Geschwindigkeitswert 3 wird aus den auftretenden Beschleunigungen bestimmt, also vornehmlich durch Integration der ermittelten Beschleunigungswerte. Die Gewichtung 4 bestimmt sich aus Eigenschaften des Fahrzeugs wie den Schlupfwerten der Reifen. Der Geschwindigkeitswert 3 wird dann im Block 5 mit der Gewichtung 4 multipliziert. GPS-Sensoren 6, wie in Fig. 3 dargestellt, bestimmen für jeden Zeitpunkt den genauen Ort des Fahrzeugs. Im zeitlichen Verlauf ist damit die Bestimmung der vektoriellen Geschwindigkeit möglich. Eine nachgeschaltete GPS-Elektronik 7, die in Fig. 3 in dem Prozessor 17 integriert ist, ermittelt daraus einen zweiten Geschwindigkeitswert 9 und eine Gewichtung für diesen zweiten Geschwindigkeitswert 8. In einem Multiplizierer 10 wird damit der Geschwindigkeitswert 9 mit der Gewichtung 8 multipliziert. Im Block 11 werden die Gewichtungswerte 4 und 8 miteinander addiert. Im Block 12 erfolgt die Addition der gewichteten Geschwindigkeitswerte, wobei dieser addierte Wert dann im Block 13 durch die Summe der Gewichtungen aus Block 11 geteilt wird, um in Block 14 einen Durchschnittswert zu ermitteln. Dieser Durchschnittswert wird dann über den Bus 19 zu einer Fahrdynamikregelung 15, hier dem ESP, übertragen. Als ein weiterer Wert wird die Gewichtung 8 an die Fahrdynamikregelung 15 übertragen. Die Gewichtungen geben Aufschluss über die Qualität der Messgrößen. Liefert beispielsweise das GPS eine sehr zuverlässige Information über die Fahrgeschwindigkeit, ist die entsprechende Gewichtung sehr hoch.
Damit liegt dann ein gewichteter Mittelwert für die Geschwindigkeitsschätzung bezüglich Betrag und Richtung, also vektoriell, vor.
Falls nun der Geschwindigkeitswert 9 mit einer entsprechend guten Qualität, also mit einem hohen Gewicht vorliegt, was der Fahrdynamikregler 15 bestimmt, ist es nicht nötig, aktiv ein Rad durch den ESP-Regler 15 zu unterbremsen, um die Fahrgeschwindigkeit zu bestimmen.
Eine wesentliche Schwierigkeit ist, dass mittels GPS die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem umgebungsfesten Koordinatensystem berechnet wird. Im ESP-System liegen die Geschwindigkeitsgrößen dagegen in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem vor. Im Folgenden werden die Fahrzeuggeschwindigkeiten in Lateral-, Quer- und Vertikalrichtung mit VX, VY und VZ bezeichnet.
Eine Transformation zwischen beiden Systemen, also zwischen dem umgebungsfesten und fahrzeugfesten Koordinatensystem kann vorgenommen werden, falls die Orientierung des Fahrzeugs im umgebungsfesten System bekannt ist. Werden entlang der Fz-Längsachse zwei GPS-Antennen aufgebracht, kann die Lage der entsprechenden Verbindungslinie in der Ebene ermittelt werden. Der Vektor wird in umgebungsfesten Koordinaten bestimmt. Diese Linie ist starr mit dem Fahrzeug verbunden und wird daher für die Koordinatentransformation als Referenzlinie benutzt. Dies erfolgt, indem man die Projektion des 3D- Geschwindigkeitsvektors auf den Verbindungsvektor bildet, wodurch man die Geschwindigkeit Vx entlang der Fz- Längsachse erhält:
Die Geschwindigkeit
steht auf jeden Fall senkrecht zur Fahrzeuglängsachse. Falls mit zwei GPS-Antennen gearbeitet wird, fehlt beispielsweise die Information der Lage des Fahrzeuges um die Fahrzeuglängsachse, also der Wankwinkel. Diese fehlende Information kann bei drei vorhandenen GPS-Antennen bereitgestellt werden. In diesem Falle könnte nun auch die Geschwindigkeit in Vy und Vz berechnet werden. Bei nur zwei Antennen entlang der Fz-Längsachse muss eine Annahme getroffen werden, um Vy berechnen zu können. Diese besteht darin, dass die Fahrbahn nicht zu einem Rand hin abfällt, also keine Neigung aufweist. Somit ist Vy senkrecht zum Lot. Folglich erhält man Vy indem von Vquer die z-Komponente mit Null gleichsetzt.
Für die Fahrdynamik ist der Schwimmwinkel α eine sehr wichtige, aber auch leider nur sehr schwer zu messende Größe. Er ist über die Gleichung tan(α) = Vy/Vx definiert. Da in dieser Gleichung nun beide Geschwindigkeiten bekannt sind, lässt sich der Schwimmwinkel bestimmen. Entsprechend der angehängten Abbildung, welche die Vorgehensweise bei der Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit beschreibt, wird neben dem Geschwindigkeitswert auch der von der Intelligenten Sensorplattform berechnete Schwimmwinkel sowohl mittels der ESP-Sensorik als auch mittels GPS- Sensorik bestimmt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung einer vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit, wobei ein erster Wert der vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit mittels Inertialsensoren (26) bestimmt wird, wobei ein zweiter Wert der vektoriellen Geschwindigkeit mittels einer satellitenbasierten Ortungsvorrichtung (20 bis 25) bestimmt wird und wobei in Abhängigkeit von einem Vergleich des ersten und zweiten Werts ein dritter Wert für die vektorielle Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird, wobei der zweite Wert mit dem Dopplereffekt aus den Signalen der Ortungsvorrichtung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wert einer Leuchtweitenregelung (28) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wert einer Fahrdynamikregelung (30) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wert durch eine jeweilige Gewichtung des ersten und zweiten Werts und durch eine Mittelwertbildung erzeugt wird.
4. Verwendung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Inertialsensoren (26), die Ortungsvorrichtung (20 bis 25) und einen Prozessor (17) aufweist, wobei die Vorrichtung mit der Fahrdynamikregelung (30) und/oder der Leuchtweitenregelung (28) verbindbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertialsensoren (26) und die Ortungsvorrichtung (20 bis 25) auf einer gemeinsamen Sensorplattform (16) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortungsvorrichtung (20 bis 25) zwei oder drei Antennen (20, 22, 23) zum Empfang von ortungsrelevanten Signalen aufweist.
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