DE102004001318A1

DE102004001318A1 - System und Verfahren einer Steer-by-wire-Regelung für Fahrzeuge unter Verwendung einer robusten Regelung

Info

Publication number: DE102004001318A1
Application number: DE102004001318A
Authority: DE
Inventors: Yixin Ann Arbor Yao; Gregory J. Ann Arbor Stout
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-13
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2024-01-08
Also published as: US6799104B2; US20040138796A1; DE102004001318B4

Abstract

Das Verfahren einer Regelung einer drahtgebundenen Lenkung (steer-by-wire) eines Fahrzeugs mit zwei unabhängigen Vorderrädern (18, 20) verwendet ein Regel-Subsystem (16) des Lenkrades (44) und ein Regel-Subsystem (15) der Vorderräder (18, 20), einschließlich einer Regelstrecke der Vorderräder (18, 20) und eines Mehrfach-Reglers (120) der Vorderräder (18, 20). Der Winkel und die Winkel-Verhältnisse der Vorderräder (18, 20) werden als Rückkopplungs-Signale verwendet, um ein Servo-Regelungssystem mit der Regelstrecke und dem Mehrfach-Regler (120) der Vorderräder (18, 20) so zu konstruieren, dass der Gleichlauf des Winkels des linken und rechten Vorderrades (18, 20) mit dem Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades (18, 20) implementiert wird. Es wird eine robuste Regelung in den Regler (13) der Vorderräder (18, 20) des Regel-Subsystems (15) der Vorderräder (18, 20) implementiert, um Auswirkungen durch Unsicherheiten und Störungen im Steer-By-Wire-System, die von dem Fahrzeug und von der äußeren Umgebung kommen, zu verringern.

Description

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren einer Steer-By-Wire-Regelung für Fahrzeuge.
Steer-By-Wire-Systeme ersetzen die mechanischen Verbindungen ziwischen dem Lenkrad und den Vorderrädern eines Fahrzeugs durch elektrische Leitungen und elektronische Komponenten. Weiterhin werden durch Steer-By-Wire Systeme die mechanischen Verbindungen zwischen den beiden Vorderrädern ersetzt. Stattdessen werden zwei unabhängige Stellglieder installiert, wobei jedes der Stellglieder unabhängig eines der Vorderräder bewegt. Dies erlaubt den Vorderrädern, voneinander unabhängig zu drehen. Folglich kann ein Steer-By-Wire-System aus zwei Komponenten bestehen: einem Subsystem des Lenkrades und einem Subsystem der Vorderräder. Die elektrischen Signale werden über elektrische Leitungen übertragen, um das Subsystem des Lenkrades mit dem Subsystem der Vorderräder, mit den beiden unabhängigen Vorderrädern, zu verbinden.
Es besteht ein Bedarf für eine flexiblere Anwendungs-Umgebung innerhalb des Steer-By-Wire-Systems mit den beiden unabhängigen Vorderrädern, um verschiedene Winkelanforderungen des linken und rechten Vorderrads in der Weise zu realisieren, dass die Sicherheit und die Dynamik des Fahrzeugs verbessert werden kann. Lenkfunktionen, einschließlich unterschiedlicher Winkelanforderungen des linken und rechten Vorderrads, müssen durch Ausnutzen der Gestaltung des Kontrollsystems realisiert werden.
Entwickler solcher Steer-By-Wire-Systeme sind mit mehreren Herausforderungen konfrontiert. Zuerst wird eine Verbindung zwischen den Winkeln des linken und rechten Vorderrads erfasst und ein veränderliches Maß der Verbindung, bei Änderung der Straßenbedingungen und der Dynamik des Fahrzeugs, erzeugt. Eine Änderung einer Variablen der Eingangsregelung am Stellglied eines Vorderrades wird sich mehr als wahrscheinlich in einer proportionalen Änderung der Richtungswinkel von beiden Vorderrädern, dem linken und dem rechten, auswirken. Unterschiedliche Referenzwinkel des linken und des rechten Vorderrads können deshalb bei Verwendung unabhängiger Regler, ohne Berücksichtigung der Kopplung der Winkel der Vorderräder, nicht erreicht werden. Es ist eine Herausforderung für die Entwickler des Steer-By-Wire-Systems, den Winkel jedes Vorderrades des Fahrzeugs getrennt und unabhängig, unter dem Einfluss der Kopplung der Winkel der Vorderräder, zu regeln.
Andere Herausforderungen für die Entwickler des Regelsystems umfassen die Beachtung von unsicheren Abweichungen und schwerwiegenden nichtlinearen Charakteristiken der Fahrzeugdynamik und des, auf einem Stellglied basierenden, Systems. Die Fahrzeugdynamik ändert sich typisch mit den Straßenbedingungen, der Beladung des Fahrzeugs und externen Umständen. Es besteht, wegen des Einflusses der Fahrzeugdynamik, ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen dem Regeleingang des Stellgliedes des Vorderrades und den Variablen des Ausgangs-Winkel des Vorderrades. Die Dynamik des Fahrzeugs, mit unsicheren Abweichungen und schwerwiegenden nicht-linearen Charakteristiken, kann auf die Stabilität und Leistungsfähigkeit eines Steer-By-Wire-Systems des Fahrzeugs einen bedeutenden Einfluss ausüben. Weiterhin kann die Sorgfalt der Gestaltung des geregelten Steer-By-Wire-Systems nicht ausreichend sein, um die spezifizierte Leistungsfähigkeit der Regelung, wegen dieser Unsicherheiten und nicht-linearen Charakteristiken, zu erreichen.
Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren eines Steer-By-Wire-Regelsystems eines Fahrzeugs mit zwei, voneinander unabhängigen, Vorderrädern. Das Steer-By-Wire-System, gemäß der gegenwärtigen Erfindung, kann zwei Teile aufweisend betrachtet werden: ein Subsystems des Lenkrades und ein Subsystem der Vorderräder, mit zwei voneinander unabhängigen Vorderrädern. Elektrische Signale werden über elektrische Leitungen übertragen, um das Subsystem des Lenkrades mit dem Subsystem der Vorderräder zu verbinden.
Die Hauptaufgaben des Subsystems des Lenkrades sind, einen Referenzwinkel der Lenkrichtung zur Verfügung zu stellen und für den Fahrer des Fahrzeugs ein entsprechendes Lenkgefühl zu erzeugen. Die Hauptaufgaben des Subsystems der Vorderräder sind, den Gleichlauf zwischen den Winkeln der Vorderräder und einem Eingangs-Referenzwinkel des Lenkrades, der vom Subsystem des Lenkrades zur Verfügung gestellt wird, herzustellen. Diese beiden Subsysteme sind im Steer-By-Wire-System integriert, um die Ausrichtung zwischen dem Lenkrad und den Vorderrädern des Fahrzeugs sicherzustellen und um Lenkfunktionen des Fahrzeugs zu implementieren.
In der Gestaltung des Steer-By-Wire-Regelsystems wird, gemäß der gegenwärtigen Erfindung, eine Rückkopplungs-Servoregelung vorgestellt und in das Steer-By-Wire-System implementiert. Dies erlaubt den Gleichlauf jedes Winkels der Vorderräder mit einem entsprechenden Eingangs- Referenzwinkel jedes Vorderrades, mit einem Minimum an Gleichlauf-Fehler. Die Steifheit der Stelleinrichtung der Vorderräder lässt das Fahrzeug Störungen, wie Windböen, abweisen.
Um ein geregeltes System der Vorderräder mit der Wechselwirkung der Winkel der beiden Vorderräder zu gestalten, wird die Modellbeschreibung eines Vielfach-Eingang/Vielfach-Ausgangs bzw. Multiple-Input/Multiple-Output MIMO angewendet, um eine inhärente Kopplungs-Charakteristik zwischen den Eingangs-Kontrollvariablen der Stellglieder und Ausgangsvariablen der Winkels der Vorderräder darzustellen.
Die Mehrfach-Regelung durch einen Mehrfach-Regler wird in der Gestaltung des Servoregelungs-Systems der Vorderräder vorgestellt und in dem Subsystem der Vorderräder des Steer-By-Wire-Systems implementiert. Der Mehrfach-Regler mit Entkopplungs-Charakteristik verringert die Auswirkungen der Wechselwirkungen der Winkel-Regelschleifen an den Vorderrädern. Mit anderen Worten 'entkoppelt' die gegenwärtige Erfindung die abhängigen Winkelvariablen der Vorderräder und erlaubt die, voneinander unabhängige, Kontrolle jedes Vorderrades durch Verwenden eines Mehrfach-Reglers. Das Steer-By-Wire-System erlaubt, dass eine Eingangs-Variable eines Winkels für ein entsprechendes Vorderrad nur Auswirkung auf die Ausgangs-Variable des Winkels des entsprechenden Vorderrads hat, anstatt Auswirkungen auf die Winkel der beiden Vorderräder, des linken und des rechten, zu haben.
Durch Verwenden einer robusten Regelstrategie bei der Mehrfach-Regelung der Vorderräder kann der Effekt der Unsicherheit und der Störung verringert und die Stabilität sowie die Leistung können verbessert werden. Durch Verwenden einer Regelstrategie der zeitabhängigen bzw. gesteuerten Verstärkung (gain scheduling) bei der Mehrfach-Regelung der Vorderräder ändert sich die Verstärkung des Reglers automatisch mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, um die Änderung der Verstärkung des Regelsystems der Vorderräder auszugleichen. Dadurch kann der Effekt der Nicht-Linearität verringert und der Gleichlauf verbessert werden.
In einer Realisierung der gegenwärtigen Erfindung ist eine Mehrfach-Regelung H_∞, als ein Beispiel eines Mehrfach-Regelsystems der Vorderräder, implementiert. Die Gestaltung der Mehrfach-Regelung H_∞ berücksichtigt die unsicheren Abweichungen und äußeren Störungen, die im Subsystem der Vorderräder vorhanden sind. Dies stellt eine robuste Mehrfach-Regelung zur Kontrolle des Subsystems der Vorderräder zur Verfügung. Die Gestaltung der Mehrfach-Regelung H_∞ kann die Kopplung der Regelstrecke berücksichtigen und die Auswirkungen der Interaktionen der Winkel der Vorderräder durch geeignetes Entkoppeln vermindern.
Um die unterschiedlichen linken und rechten Referenzwinkel der Vorderräder zu erhalten, ist der Referenzbefehl-Generator in das Subsystem der Antriebsräder des Steer-By-Wire-Systems implementiert. Der Referenzbefehl-Generator empfängt einen Winkel des Lenkrades und einige Fahrzeug-Variablen und erzeugt getrennte, linke und rechte, Referenzwinkel der Vorderräder. Die variablen Lenkverhältnisse werden durch Verwenden der Geschwindigkeit des Fahrzeugs als ein zeitabhängiges Signal implementiert, um die unterschiedlichen, linken und rechten, Referenzwinkel der Vorderräder zu erhalten. Eine Kalibrierung der linken und rechten Winkel der Vorderräder wird entsprechend der Fahrzeuggeometrie und den Erfordernissen der Lenkleistung, durch Verwenden der Fahrzeug-Variablen, durchgeführt.
Das oben erwähnte Steer-By-Wire-System mit zwei unabhängigen Vorderrädern stellt eine flexiblere Anwendungs-Umgebung zur Verfügung, um unterschiedliche Winkelanforderungen an das linke und rechte Vorderrad zu realisieren und um die Fahrzeug-Dynamik zu verbessern. Die Regel-Algorithmen werden in einem Softwareprogramm eines Steer-By-Wire-Regelmoduls auf Mikroprozessor-Basis implementiert.
Weitere Aspekte, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch die Betrachtung der folgenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen offensichtlich, wenn sie in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung gebracht werden.
In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Steer-By-Wire-Systemanordnung eines Fahrzeugs, in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung;
2 ein Blockdiagramm des Steer-By-Wire-Regelsystems mit dem Regel-Subsystem der Vorderräder und dem Regel-Subsystem des Lenkrades;
3 ein Blockdiagramm des Subsystems der Vorderräder für das Steer-By-Wire-System, dargestellt in 2;
4 ein Blockdiagramm einer Mehrfach-Rückkopplungs-Regelung der Vorderräder, einschließlich des Mehrfach-Reglers und der Regelstrecke der Vorderräder, dargestellt in 3;
5 ein Blockdiagramm einer allgemeinen Mehrfach-Rückkopplungs-Regelung, die entsprechend der gegenwärtigen Erfindung verwendet werden kann;
6 ein Blockdiagramm für ein Beispiel eines Referenzbefehl-Generators des Subsystems der Vorderräder des Steer-By-Wire-Systems in 1;
7 ein Flussdiagramm eines allgemeinen Verfahrens der unabhängigen Regelung des linken und rechten Vorderrades des Fahrzeugs, gemäß der gegenwärtigen Erfindung; und
8 ein vereinfachtes Blockdiagramm des Steer-By-Wire-Regelsystems in 2.
1 veranschaulicht ein Steer-By-Wire-System 10 eines Fahrzeugs, gemäß der gegenwärtigen Erfindung. Wie dargestellt, hat das Steer-By-Wire-System 10 abhängige Vorderräder, ein linkes 18 und ein rechtes 20. Wie in 1 dargestellt, setzt sich das Steer-By-Wire-System 10 aus einem Subsystem 15 der Vorderräder und einem Subsystem 16 des Lenkrades zusammen. Das Steer-By-Wire-System 10 umfasst das Steer-By-Wire-Regelmodul 12 mit dem Regler 13 der Vorderräder des Subsystems 15 der Vorderräder und einem Regler 14 des Lenkrades des Subsystems des Lenkrades 16. Das Steer-By-Wire-Regelmodul 12 verbindet das Subsystem 15 der Vorderräder und das Subsystem 16 des Lenkrades.
Wie in 1 dargestellt, weist das Subsystem 15 der Vorderräder das linke Vorderrad 18, verbunden mit einer linken Spurstange 19, und das rechte Vorderrad 20 auf, das mit einer rechten Spurstange 21 verbunden ist. Das Subsystem 15 der Vorderräder hat weiterhin das linke und das rechte Stellglied 40, 42, in elektrischem Kontakt mit dem jeweiligen Motorverstärker 36, 38. Der linke und der rechte Motorverstärker 36, 38 empfangen Regelsignale vom Regler 13 der Vorderräder. Die Stellglieder 40, 42 erhalten Stromsignale von den jeweiligen Verstärkern 36, 38, um Drehmoment an dem jeweiligen Vorderrad 18 und 20 zu erzeugen. Der Winkelsensor 32 des linken Vorderrades ist mit dem Stellglied 40 des linken Vorderrades verbunden, um den Winkel des linken Vorderrades zu messen. Der Winkelsensor 34 des rechten Vorderrades ist mit dem Stellglied 42 des rechten Vorderrades verbunden, um den Winkel des rechten Vorderrades zu messen. Die Sensoren 32, 34 des linken und rechten Vorderrads sind im elektrischen Kontakt mit dem Regler 13 der Vorderräder, um die Signale, die den Winkel des linken und des rechten Vorderrades bezeichnen, an den Regler 13 zu senden, wo sie verarbeitet werden. Der Regler 13 der Vorderräder empfängt eine Vielzahl von Eingangs-Signalen, um Kontrollsignale, zur Kontrolle des linken und rechten Vorderrades 18, 20 durch die jeweiligen Stellglieder 40, 42, zu erzeugen.
In einem herkömmlichen Lenksystem eines Fahrzeugs, mit typisch mechanischen Verbindungen, wird ein Vorderrad direkt Eingangssignale vom Lenkrad des Fahrzeugs erhalten. Weiterhin sind die Winkel der Vorderräder in mechanischem Gleichlauf mit dem Winkel des Lenkrades. In dem Steer-By-Wire-System der gegenwärtigen Erfindung mit dem obigen Subsystem 15 der Vorderräder (ohne mechanische Verbindung) kann ein Signal des Lenkwinkels an das Subsystem der Vorderräder durch elektrische Leitungen übertragen werden. Eine Aufgabe des Subsystems 15 der Vorderräder ist deshalb, den Gleichlauf der Winkel der Vorderräder (jedes Vorderrades) mit einem Referenzwinkel des Lenkrades zu erreichen. Weiterhin sollte jeder Winkel des Vorderrades unabhängig mit dem Referenzwinkel des Lenkrades im Gleichlauf sein und die beiden Winkel der Vorderräder sich nicht gegenseitig beeinflussen. Diese Gleichlauf-Funktion kann durch Anwenden einer (speziellen) Gestaltung des Regelsystems erreicht werden, die in den Regler 13 der Vorderräder des oben erwähnten Subsystems 15 der Vorderräder implementiert wird.
Die Gestaltung des Kontrollsystems der Vorderräder sollte den Koppeleffekt der Winkel der Vorderräder, Unsicherheiten des Vorderradsystems und Nicht-Linearität berücksichtigen. Wie weiter unten genauer beschrieben, regelt der Regler 13 der Vorderräder des Subsystems 15 der Vorderräder jedes Vorderrad unabhängig und getrennt (vom anderen), um die Gleichlauf-Funktion des Winkels des Vorderrades im Gleichlauf mit dem Winkel des Lenkrades, durch Anwenden der Verfahren der Mehrfach-Regelung, zu implementieren.
Das Subsystem 16 des Lenkrades weist das Lenkrad 44, montiert auf der Lenksäule 46, auf. In dieser Realisierung ist der Sensor 48 des Lenkrades mit der Lenksäule 46 oder dem Stellglied 52 des Lenkrades verbunden, um einen Winkel des Lenkrades zu erfassen. Der Sensor 48 des Lenkrades ist in elektrischem Kontakt mit dem Regler 14 des Lenkrades, der vom Sensor 48 Signale, die den Winkel des Lenkrades bezeichnen, erhält. Das Subsystem 16 des Lenkrades hat weiterhin den Motorverstärker 50 des Lenkrades, in elektrischem Kontakt mit dem Regler 14 des Lenkrades, um Regelsignale zu empfangen und um ein Stromsignal für das Stellglied 52 des Lenkrades zur Verfügung zu stellen. Das Stellglied 52 des Lenkrades ist in elektrischem Kontakt mit dem Motorverstärker 50, um Strom vom Verstärker 50 zu erhalten und (mechanisch) an der Lenksäule 46 befestigt, um ein Reaktions-Drehmoment am Lenkrad 44 zu erzeugen. Der Regler 14 des Lenkrades empfängt ein Winkelsignal des Lenkrades, Winkelsignale der Vorderräder, Drehmoment-Signale der Vorderräder und Fahrzeugsignale (nicht dargestellt) und erzeugt ein Regelsignal des Lenkrades.
In einem herkömmlichen Lenksystem mit mechanischen Verbindungen steuert ein Fahrer des Fahrzeugs durch Drehen des Lenkrades direkt die Richtung des Fahrzeugs und erhält ein Lenkgefühl aus einem resultierenden Drehmoment in der Lenksäule. Das Lenkgefühl stellt Informationen bezüglich der Kontaktflächen der Antriebsräder des Fahrzeugs mit der Straße zur Verfügung. Das Lenkgefühl kann für den Fahrer des Fahrzeugs, zur Kontrolle der Richtung und der Fahrsicherheit des Fahrzeugs, bedeutend sein. In einem Steer-By-Wire-System ohne mechanische Verbindung des Lenkrades mit den Vorderrädern, gemäß der gegenwärtigen Erfindung, kann ein vertrautes Lenkgefühl durch das Subsystem des Lenkrades, mit einer Struktur der selbsttätigen Regelung, erzeugt werden. Die Hauptaufgaben des Subsystems 16 des Lenkrads sind deshalb, ein realistisches Lenkgefühl für den Fahrer des Fahrzeugs sowie ein Referenz-Signal des Winkels des Lenkrades für das Subsystem 15 der Vorderräder zur Verfügung zu stellen.
Das Subsystem 16 des Lenkrades sollte weiterhin eine Funktion des aktiven Zurückstellens des Lenkrades in unterschiedlicher Stärke zur Verfügung stellen, wenn der Fahrer, während sich das Fahrzeug in Bewegung befindet, das Lenkrad loslässt. Das Lenkrad ist deshalb nicht darauf beschränkt, den Vorderrädern zu folgen, wie es in einem herkömmlichen Lenksystem angewendet wird. In einem speziellen Fall der Forderung des aktiven Zurückstellens des Lenkrades sollte das Lenkrad in einem bestimmten Winkel stehen bleiben, wenn der Fahrer das Lenkrad, (zum Beispiel) wenn das Fahrzeug parkt, loslässt. Diese Funktionen können durch Anwenden von Designverfahren des Regelsystems, implementiert in den Regler 14 des Lenkrades des oben erwähnten Subsystems 16 des Lenkrades, realisiert werden.
Das Subsystem 16 des Lenkrades stellt, durch die Gestaltung des Regelsystems, ein Lenkgefühl, ein aktives Zurückstellen des Lenkrades in unterschiedlicher Stärke und eine Haltefunktion des Lenkrades zur Verfügung. In dieser Realisierung sollte die Gestaltung des Regelsystems berücksichtigen, wie alle Funktionen in einem Framework des Regelsystems, mit den Anforderungen von Stabilität und Leistung an das Subsystem 16 des Lenkrades, erfüllt werden können. Es muss beachtet werden, dass die gegenwärtige Erfindung auf ein variables Lenkgefühl durch Verwenden eines Regelkreises des Lenkrades zielt. Wie unten dargestellt wird, implementiert der Regler 14 des Lenkrades des Subsystems 16 des Lenkrades die Regelung des Reaktions-Drehmoments des Lenkrades, das mit dem Lenkgefühl verbunden ist.
Wie in 1 dargestellt, ist der Regler 14 des Lenkrades in elektrischem Kontakt mit dem Regler 13 der Vorderräder. Die Regler 13 und 14 sind in einem Steer-By-Wire-Regelmodul 12 integriert, um die oben erwähnten Lenkfunktionen zu implementieren. Das Steer-By-Wire-Regelmodul 12 erhält weiterhin zusätzliche Signale des Fahrzeugs, zum Beispiel: Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Neigungs- bzw. Gierrate und laterale Beschleunigung. Diese können durch den Einbau von Sensoren für die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die Neigungsrate und die laterale Beschleunigung erhalten werden.
2 verdeutlicht ein Blockdiagramm des Steer-By-Wire-Regelsystems mit dem Subsystem 15 der Vorderräder und dem Subsystem 16 des Lenkrades, gemäß der gegenwärtigen Erfindung. Die in 2 dargestellte Struktur des Regelsystems, das auf der Anordnung des Lenksystems in 1 basiert, beschreibt Komponenten mit Blöcken und das Maß der Variablen, Kontroll-Variable, Eingangs- und Ausgangs-Variable und Referenz-Variable.
Wie in 2 dargestellt, weist das Subsystem der Vorderräder 15 einen Referenzbefehl-Generator 110 auf, der einen Winkel des Lenkrades Θ_s und Fahrzeugsignale empfängt. Solche Fahrzeugsignale können die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die Neigungsrate und die laterale Beschleunigung einschließen. Der Referenzbefehl-Generator 110 bestimmt die Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades Θ_refl und Θ_refr, wobei der Generator 110 einen Algorithmus, basierend auf dem Winkelsignal des Lenkrades und den Fahrzeugsignalen, verwendet. Der Referenzwinkel des linken Vorderrades Θ_refl ist bezeichnend für eine geforderte Winkelposition des linken Vorderrades und der Referenzwinkel des rechten Vorderrades Θ_refr ist bezeichnend für eine geforderte Winkelposition des rechten Vorderrades. Die Referenzwinkel der Vorderräder Θ_refl und Θ_refr können gleiche oder unterschiedliche Werte haben.
Die gegenwärtige Erfindung stellt eine Rückkopplungs-Servoregelung der Vorderräder vor, welche die Gleichlauf-Funktion der aktuellen Winkel der Vorderräder zu den geforderten Referenzwinkeln der Vorderräder Θ_refl und Θ_refr implementiert. Ein Grund für die Anwendung der Rückkopplungs-Servoregelung ist, genug Steifheit des Drehmoments zu erhalten, um die Vorderräder zu bewegen und um die geforderte Genauigkeit des Winkelgleichlaufs der Vorderräder, mit einem Minimum an Gleichlauf-Fehler, zu realisieren. Die Winkel der Vorderräder können im Gleichlauf mit den Referenzwinkeln der Vorderräder sein und schließen den Effekt von äußeren Sör-Drehmomenten aus, wenn die äußeren Stör-Drehmomente kleiner als die Steifheit des Drehmoments der Servoregelung ist. Die üblichen Stör-Drehmomente umfassen: die Reibung der Vorderräder auf der Straße, Störungen der Straßenoberfläche und Windböen. Die Gestaltung des Steer-By-Wire-Regelsystems wird deshalb die Gestaltung eines Servoregel-Systems. Weil das Subsystem der Vorderräder zwei Eingänge (den Referenzwinkel des linken Vorderrades Θ_refl und den Referenzwinkel des rechten Vorderrades Θ_refr) und zwei Ausgänge (der aktuell gemessene Winkel des linken Vorderrads Θ_rl und der aktuell gemessene Winke! des rechten Vorderrades Θ_rr) mit einem veränderlichen Grad an Gleichlauf der Winkel der Vorderräder hat, wird die Mehrfach-Servoregelung für das Subsystem der Vorderräder verwendet.
Wie in 2 dargestellt, weist deshalb die rückgekoppelte Mehrfach-Servoregelung des Subsystems 15 der Vorderräder weiterhin eine Rückkopplungsschleife der Winkelposition der Vorderräder und eine Rückkopplungsschleife der Rate des inneren Rades auf. Die Rückkopplungsschleife der Winkelposition der Vorderräder setzt sich zusammen aus dem (Mehrfach-) Regler der Vorderräder 120 und der Regelstrecke 124 der Vorderräder, basierend auf den Rückkopplungssignalen der Winkelposition der Vorderräder Θ_rl und Θ_rr. Die Rückkopplungsschleife des Verhältnisses der Vorderräder setzt sich zusammen aus der Regelstrecke 124 und dem Rückkopplungs-Kompensator 140 des Verhältnisses der Vorderräder, basierend auf den Rückkopplungssignalen der Winkelverhältnisse der Vorderräder ω_rl und ω_rr.
Die Regelstrecke der Vorderräder 124 sitzt im Subsystem der Vorderräder, zwischen den Eingangs-Regelsignalen u_cl und u_cr der Motorantriebe 15a, 15b (nach 2 sind dies 156 und 158) und den Ausgangs-Signalen Θ_rl und Θ_rr der Winkel der Vorderräder, dargestellt in 2. Die Anordnung des Subsystems der Vorderräder umfasst die Komponenten, dargestellt in 1, die einschließen, aber nicht beschränkt sind auf: die Vorderräder, die Motorverstärker, die Stellglieder, die Sensoren für die Winkel der Vorderräder und die Spurstangen.
Wie in 2 dargestellt, weist die Rückkopplungsschleife des Verhältnisses der Vorderräder die Regelstrecke 124, den Differenzierer 145, um von den Winkeln der Vorderräder Winkelverhältnisse der Vorderräder zu erzeugen, und den Kompensator 140 des Rückkopplungs-Verhältnisses der Vorderräder auf. Die Rückkopplungs-Schleife des Verhältnisses der Vorderräder mit dem Kompensator des Verhältnisses der Vorderräder 140 erzeugt aus den Signalen des Winkelverhältnisses der Vorderräder ω_rl und ω_rr Rückkopplungs-Signale. Die Signale des Winkelverhältnisses der Vorderräder ω_rl und ω_rr werden in einem Differenzierer 145 aus dem Winkel des linken Vorderrades Θ_rl und dem Winkel des rechten Vorderrades Θ_rr erhalten. Sie können ebenfalls durch direkte Messung, durch Verwenden von Sensoren für das Winkelverhältnis der Vorderräder, erhalten werden. Als ein Teil der Servoregelung der Vorderräder verbessert die Rückkopplungs-Schleife des Winkelverhältnisses der Vorderräder die Dämpfungs-Leistungsfähigkeit des Subsystems der Vorderräder. Dies wird speziell mit dem Rückkopplungs-Kompensator des Verhältnisses der Vorderräder erreicht. Die Rückkopplungs-Schleife des Verhältnisses der Vorderräder kann als Teil der Regelstrecke der Vorderräder 124 in 2 erhalten werden, wenn man die Gestaltung des Mehrfach-Reglers 120 der Vorderräder für die Positionsschleife betrachtet.
3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm des Subsystems der Vorderräder 15 aus 2. Wie dargestellt, umfasst das Subsystem der Vorderräder 15 einen Referenzbefehl-Generator 110 und eine rückgekoppelte Mehrfach-Servoregelung, die sich aus einem Mehrfach-Regler 120 der Vorderräder und einer Regelstrecke der Vorderräder 124, basierend auf den Rückkopplungs-Signalen der Winkelposition der Vorderräder Θ_rl und Θ_rr, zusammensetzt. Die Rückkopplungs-Schleife des Verhältnisses der Vorderräder ist in dieser schematischen Abbildung des Subsystems der Vorderräder 15 zu einem Teil der Regelstrecke der Vorderräder 124 geworden.
Wie in den 2 und 3 dargestellt, werden das Winkelsignal des linken Vorderrades Θ_rl und das Winkelsignal des rechten Vorderrades Θ_rr in die Summierer 114, 116 nach Subtrahieren mit dem jeweiligen Referenzwinkel des linken und des rechten Vorderrades Θ_refl und Θ_refr rückgespeist. Der Winkelsummierer 114 des linken Vorderrades bestimmt einen Winkelfehler des linken Vorderrades e_l zwischen dem Referenzwinkel des linken Vorderrades Θ_refl und dem Winkel des linken Vorderrades Θ_rl, wobei der Referenzwinkel des linken Vorderrades Θ_refl durch den Referenzbefehl-Generator 110 bestimmt wird. Der Winkelsummierer 116 des rechten Vorderrades bestimmt einen Winkelfehler des rechten Vorderrades e_r zwischen dem Referenzwinkel des rechten Vorderrades Θ_refr und einem aktuellen Winkel des rechten Vorderrades Θ_rr, wobei der Referenzwinkel des rechten Vorderrades Θ_refr durch den Referenzbefehl-Generator 110 bestimmt wird.
Wie in den 2 und 3 dargestellt, empfängt der Mehrfach-Regler 120 der Vorderräder vom linken und rechten Summierer 114, 116 die Fehlersignale vom linken und rechten Vorderrad e_l, e_r und erzeugt jeweilige Regelsignale für das linke und rechte Vorderrad u_l und u_r. Der Mehrfach-Regler 120 der Vorderräder ist so gestaltet, dass er ein Entkopplungs-Regelverfahren mit Multiple-Input/Multiple-Output (MIMO) verwendet, so dass jede Eingangsvariable des Subsystems der Vorderräder in 2 und 3, d.h. der Referenzwinkel des linken Vorderrades Θ_refl und der Referenzwinkel des rechten Vorderrades Θ_refr, unabhängig voneinander eine Ausgangsvariable beeinflusst, d.h. den Winkel des linken Vorderrades h_rl und den Winkel des rechten Vorderrades Θ_rr. Die Entkopplungs-Regelung wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
Der Mehrfach-Regler 120 der Vorderräder wird im Besonderen eingesetzt, um ein Regelsignal für das linke Vorderrad u_l und ein Regelsignal für das rechte Vorderrad u_r zu erzeugen. Wie weiter unten ausführlicher zur Gestaltung des Mehrfach-Reglers 120 der Vorderräder beschrieben, wird das Regelsignal u_l für das linke Vorderrad auf der Basis des Fehlersignals des linken Vorderrades e_l und des Fehlersignals des rechten Vorderrades e_r gebildet. Ebenso wird das Regelsignal für das rechte Vorderrad u_r auf der Basis des Fehlersignals des rechten Vorderrades er und des Fehlersignals des linken Vorderrades e_l gebildet.
Wie in 3 dargestellt, wird dann das Regelsignal des linken Vorderrades u_l vom Mehrfach-Regler 120 der Vorderräder an die Regelstrecke 124 gesendet, um den Winkel des linken Vorderrades Θ_rl und den Winkel des rechten Vorderrades Θ_rr in der Weise zu regeln, dass der aktuelle Winkel des linken Vorderrades Θ_rl unabhängig dem Referenzwinkel des linken Vorderrades Θ_refl folgt. Ebenso wird das Regelsignal für das rechte Vorderrad u_r vom Mehrfachregler der Vorderräder 120 an die Regelstrecke 124 gesendet, um den aktuellen Winkel des rechten Vorderrades h_rr und den Winkel des linken Vorderrades Θ_rl in der Weise zu regeln, dass der aktuelle Winkel des rechten Vorderrades Θ_rr unabhängig dem Referenzwinkel des rechten Vorderrades Θ_refr folgt.
Wie in 2 dargestellt, werden die Regelsignale für das linke und rechte Vorderrad u_l, u_r mit den rückgekoppelten Regelsignalen der Vorderräder u_lf, u_rf, erzeugt vom Kompensator der Rückkopplungs-Rate, in den jeweiligen Summierern 148, 150 summiert. Im Summierer 148 wird ein Drehmoment-Regelsignal des linken Vorderrades u_cl festgelegt, basierend auf dem Regelsignal des linken Vorderrades u_cl und dem rückgekoppelten Regelsignal des Verhältnisses u_lf. Im Summierer 150 wird ein Drehmoment-Regelsignal des rechten Vorderrades u_cr festgelegt, basierend auf dem Regelsignal des rechten Vorderrades u_r und dem rückgekoppelten Regelsignal des Verhältnisses u_rf. In dieser Realisierung, wie dargestellt, werden die rückgekoppelten Regelsignale des Verhältnisses des linken und rechten Vorderrades u_lf, u_rf in einer Rückkopplungs-Schleife des Verhältnisses in die jeweiligen Summierer 148, 15O negativ zurück gespeist.
Wie in 2 dargestellt, ist die Regelstrecke 124 der Vorderräder im Subsystem 15 der Vorderräder beschrieben und umfasst den linken und rechten Motorantrieb 156, 158. Der linke und der rechte Motorantrieb 156, 158 empfangen jeweils Drehmoment-Regelsignale für das linke und rechte Vorderrad u_cl, u_cr, um ein Ausgangs-Drehmoment des Motorantriebs für das linke Vorderrad τ_ul und ein Ausgangs-Drehmoment des Motorantriebs für das rechte Vorderrad τ_ur zu bestimmen.
In dieser Erfindung werden in 2 die äußeren Störungen an den Vorderrädern durch vergleichbare Stör-Drehmomente τ_dl und τ_dr repräsentiert. Wie dargestellt, werden die vergleichbaren Stör-Drehmomente des linken und rechten Vorderrades τ_dl und τ_dr an den Summierern 160, 162 der Regelstrecke der Vorderräder 124 angelegt. Das Stör-Drehmoment des linken Vorderrades τ_dl repräsentiert den Einfluss aller Störungen, im Subsystem der Vorderräder, auf das Ausgangs-Drehmoment des Motorantriebs des linken Vorderrades τ_ul durch Hinzufügen von τ_dl am Summierer 160. Am Ausgang des Summierers 160 wird ein Regelsignal für das effektive Drehmoment für das linke Vorderrad τ_cl erzeugt. Das Stör-Drehmoment des rechten Vorderrades τ_dr repräsentiert den Einfluss aller Störungen, im Subsystem der Vorderräder, auf das Ausgangs-Drehmoment des Motorantriebs des rechten Vorderrades τ_ur durch Hinzufügen von τ_dr am Summierer 162. Am Ausgang des Summierers 162 wird ein Regelsignal für das effektive Drehmoment für das rechte Vorderrad τ_cr erzeugt.
Wie in 2 dargestellt, wird das Regelsignal des effektiven Drehmoments für das linke Vorderrad τ_cl in den Motor für das linke Vorderrad 164 geleitet, der ein entsprechendes Drehmoment an der Last 168 erzeugt, um eine Winkeländerung am linken und rechten Vorderrad zu bewirken. Wie dargestellt, wird das Regelsignal des effektive Drehmoments für das rechte Vorderrad τ_cr in den Motor für das rechte Vorderrad 166 geleitet, der ein entsprechendes Drehmoment an der Last 168 erzeugt, um eine Winkeländerung am rechten und linken Vorderrad zu bewirken. Die Last 168 repräsentiert die Vorderräder und die Anordnung davon, Sensoren der Vorderräder, und beeinflusst die Dynamik des Fahrzeugs.
2 verdeutlicht weiterhin das Subsystem des Lenkrades 16, das den Referenzwinkel des Lenkrades Θ_s an das Subsystem der Vorderräder zur Verfügung stellt und ein geeignetes Lenkgefühl für den Fahrer des Fahrzeugs zur Verfügung stellt. Diese Lenkfunktionen des Subsystems des Lenkrades können durch Verwenden der Struktur der Rückkopplungs-Regelung in 16 erreicht werden, dargestellt in 2. Wie dargestellt, gibt es drei Rückkopplungs-Schleifen im Subsystem des Lenkrades 16, einschließlich: der Schleife des inneren Drehmoments, der Rückkopplungs-Schleife des Lenkrad-Verhältnisses und der Rückkopplungs-Schleife der Lenkrad-Position, basierend auf dem jeweils äquivalenten: Drehmoment-Signal der Vorderräder u_rt, Signal des Lenkrad-Verhältnisses ω_s und Winkelsignal des Lenkrades Θ_s.
In dieser Erfindung wird das Drehen des Lenkrades durch einen Fahrer als ein äquivalentes Stördrehmoment τ_d im Subsystem des Lenkrades 16 betrachtet. Das Subsystem des Lenkrades 16 mit Rückkopplungen für: das Drehmoment, die Rate und die Position ist mit einer Funktion des Zurückweisens des Stördrehmoments, unter der Forderung nach Systemstabilität und -Leistungsfähigkeit, ausgestattet. Wird ein äußeres Stördrehmoment τ_d, das die Lenkbewegung des Fahrers darstellt, auf solch eine selbsttätige Regelung ausgeübt, wird das Subsystem des Lenkrades 16 ein Reaktions-Drehmoment τ_c erzeugen, welches das äquivalente Stördrehmoment τ_d zurückweist. Deshalb wird ein Fahrer, der das Lenkrad des Fahrzeugs hält, beim Drehen des Lenkrads die Änderung des Reaktions-Drehmoments fühlen. Durch automatische Einstellparameter des Rückkopplungs-Reglers des Lenkrades im Subsystem des Lenkrades 16, verbunden mit Fahrzeugvariablen, zum Beispiel der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, wird sich das Reaktions-Drehmoment mit den Fahrzeugvariablen und den rückgekoppelten Lenkvariblen (der Winkelstellung des Lenkrades, der Rate des Lenkrades und dem Drehmoment der Vorderräder) ändern. Als Ergebnis kann das Subsystem des Lenkrades 16 ein variables Lenkgefühl, durch Erzeugen des erforderlichen variablen Reaktions-Drehmoments, als Rückkopplung auf die Handlung des Fahrers, erzeugen.
Das Rückkopplungs-Signal des Drehmoments in der inneren Drehmoment-Schleife des Subsystems des Lenkrades kommt vom Bewertungssignal für das Drehmoment der Vorderräder. Wie in 2 dargestellt, werden die Regelsignale des linken und rechten Vorderrades u_l, u_r im Subsystem 15 der Vorderräder verwendet, um ein äquivalentes Drehmoment-Signal der Vorderräder u_rt am Ausgang des Regelverstärkers 170 der Vorderräder zu erzeugen. Mit anderen Worten kann das Bewertungssignal des Drehmoments der Vorderräder u_rt von den Regelsignalen des rückgekoppelten Regelsystems der Vorderräder erhalten werden. Das äquivalente Drehmoment-Signal der Vorderräder u_rt ist den Regelsignalen der Vorderräder proportional. Das äquivalente Drehmoment-Signal der Vorderräder u_rt kann sich entsprechend den Betriebsbedingungen des Vorderradsystems, äußeren Störungen und den Straßenbedingungen ändern. Dieses Signal stellt ein Drehmoment-Signal der Vorderräder zu niedrigen Kosten, mit niedrigem Rauschen und in hoher Qualität zur Verfügung, ohne die Notwendigkeit für eine direkte Sensormessung des Drehmoments der Vorderräder.
Wie in 2 dargestellt, wird das äquivalente Drehmoment-Signal der Vorderräder u_rt in den Summierer 172 des Subsystems des Lenkrades gespeist, der das Regelsignal für den Motorantrieb der Lenkung u_s festlegt.
Wie dargestellt, empfängt der Motorantrieb 174 des Lenkrades das Regelsignal für den Motorantrieb der Lenkung u_s und erzeugt das Reaktions-Drehmoment τ_c durch Verwenden des Lenkradmotors 178, der mit dem Lenkrad verbunden ist. Das Reaktions-Drehmoment τ_c ist proportional dem äquivalenten Stör-Drehmoment des Fahrers τ_d. Die Beziehung ist an Summierer 176, mit der Ausgabe des effektiven Drehmoments τ_m, dargestellt. Das effektive Drehmoment τ_m stellt die Differenz zwischen dem äquivalenten Stör-Drehmoment des Fahrers τ_d und dem Reaktions-Drehmoment τ_c dar. Hat τ_m einen positiven oder negativen Wert, wird das Lenkrad gedreht und hat τ_m den Wert Null, dreht sich das Lenkrad nicht. Das effektive Drehmoment τ_m hat ebenfalls Auswirkung auf die Winkeländerung des Lenkrades, wenn sich das äquivalente Stördrehmoment τ_d durch den Fahrer ändert.
Das Rate-Signal des Lenkrades ω_s wird durch eine Differenzier-Operation des Lenkradwinkels Θ_s in Block 196 erhalten und wird vom Kompensator der Rückkopplungs-Rate 171 empfangen. Das Regelsignal am Ausgang des Kompensators der Rückkopplungs-Rate 171 wird negativ in den Summierer 190 gespeist, um die Rückkopplungs-Schleife der Rate zu bilden. Ein Regelsignal u_cf wird im Summierer 190 erhalten, der die Differenz berechnet zwischen einem Regelsignal des Drehmoments des Lenkrades u_c, vom Kompensator der Positionsschleife 184 und einem rückgekoppelten Regelsignal u_sf, vom Rückkopplungs-Kompensator der Rate 171. Ein verstärktes Regelsignal u_ct am Ausgang der Schleifenverstärkung 192 wird verwendet, um das Regelsignal für den Motorantrieb u_s am Summierer 172 zu erhalten, basierend auf dem äquivalenten Rückkopplungs-Signal des Drehmoments u_rt. Die Aufgabe der Rückkopplungs-Schleife der Rate ist, eine einstellbare Rückstellrate des Lenkrades, durch Zusammenarbeit mit der Rückkopplungs-Schleife des inneren Drehmoments und der Rückkopplungs-Schleife der Winkelposition des Lenkrades, zu erzeugen. Lässt der Fahrer das Lenkrad los, wird es sich in Mittelstellung zurückstellen, oder bei einem bestimmten Winkel, mit einer einstellbaren Rate, stehen bleiben.
2 verdeutlicht weiterhin, dass ein Referenzwinkel des Lenkrades Osr durch die Verstärkung R2S bestimmt wird, basierend auf den Winkeln des linken und rechten Vorderrades Θ_rl und Θ_rr. Die dargestellt, wird ein Fehlersignal der Lenkrad-Position es im Summierer 182 erhalten, basierend auf dem Referenzwinkel des Lenkrades h_sr und einem Winkel des Lenkrades h_s. Der Kompensator der Positions-Schleife 184 empfängt den Positionsfehler des Lenkrades es und bestimmt das Regelsignal des Lenkrades u_c. In dieser Realisierung wird der Winkel des Lenkrades Θ_s in den Summierer 182 gespeist, um die Rückkopplungs-Schleife der Position zu bilden.
Das Reaktions-Drehmoment τ_c kann durch Verändern der Parameter von: dem Kompensator der Positions-Schleife 184, der Schleifenverstärkung 192 und der Verstärkung des Regelsignals der Vorderräder 170 eingestellt werden. In einer Situation, wo sich die Parameter im Kompensator und den Verstärkungen ändern, wird der Fahrer des Fahrzeugs, wegen der Änderung des Reaktions-Drehmoments τ_c, eine Änderung im Lenkgefühl feststellen. Um die Parameter der automatischen Justierung in das Subsystem des Lenkrades in der Weise zu implementieren, dass das einstellbare Lenkgefühl auf der Basis der Änderung des Reaktions-Drehmoments τ_c erhalten werden kann, werden die Signale des Fahrzeugs, wie die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, als Zeitplan-Signale vorgestellt, um die Parameter automatisch einzustellen.
4 zeigt ein Blockdiagramm einer rückgekoppelten Mehrfach-Servoregelung der Vorderräder mit dem Mehrfach-Regler 120 der Vorderräder und der Regelstrecke 124 der Vorderräder, dargestellt in 3.
Die Regelstrecke 124 der Vorderräder ist durch die Verwendung von Blöcken und Transferfunktionen beschrieben worden, was mathematisch ein System zwischen Ausgangs-Variablen und Eingangs-Variablen auf einer komplexen Ebene beschreibt. Ein Koppeleffekt zwischen Ausgangs-Variablen und Eingangs-Variablen kann durch Verwenden von 4 klar beschrieben werden. Die Eingangs-Variablen der Regelstrecke 124 in 4 sind die beiden Regelsignale u_l, u_r. Die Ausgangs-Variablen sind die beiden aktuellen Winkelsignale der Vorderräder Θ_rl, Θ_rr.
Ein nominales Model der Regelstrecke der Vorderräder 124 zwischen Eingangs-Variablen u_l, u_r und den Ausgangs-Variablen Θ_rl, Θ_rr kann durch Verwenden der Matrixbeschreibung der Übertragungsfunktion wie folgt gegeben werden:
wobei: Θ_rl der Ausdruck für den aktuellen Winkel des linken Vorderrades ist, Θ_rr der Ausdruck für den aktuellen Winkel des rechten Vorderrades ist, u_l der Ausdruck für das Drehmoment-Regelsignal für das linke Vorderrad ist und u_r der Ausdruck für das Drehmoment-Regelsignal für das rechte Vorderrad ist. Weiterhin ist: G_ll der Ausdruck einer Übertragungsfunktion zwischen dem Ausgang des aktuellen Winkels des linken Vorderrades h_rl und dem Eingang des Drehmoment-Regelsignals des linken Vorderrades u_l, G_lr der Ausdruck einer Übertragungsfunktion zwischen dem Ausgang des aktuellen Winkels des linken Vorderrades h_rl und dem Eingang des Drehmoment-Regelsignals des linken Vorderrades u_r, G_lr der Ausdruck für eine Übertragungsfunktion zwischen dem Ausgang des aktuellen Winkels des rechten Vorderrades Θ_rr und dem Eingang des Drehmoment-Regelsignals des linken Vorderrades u_l und G_rr der Ausdruck für eine Übertragungsfunktion zwischen dem Ausgang des aktuellen Winkels des rechten Vorderrades Θ_rl und dem Eingang des Drehmoment-Regelsignals des rechten Vorderrades u_r.
Gemäß dem nominalen Modell der Regelstrecke der Vorderräder in Gleichung (1), kann jede Änderung in einer der Eingangs-Variablen, wegen eines Kopplungs-Einflusses, Änderungen in einer der Ausgangs-Variablen verursachen, wenn die Regelstrecke nicht von einem (durch einen) Mehrfach-Regler 120 der Vorderräder geregelt wird. Die Gleichung (1) kann umgeformt werden zu: Θ_rl = G_ll(s)u_l + G_rl(s)u_r und Θ_rr = G_lr (s)u_l + G_rr(s)u_r.
Es muss beachtet werden, dass sich Θ_rl und Θ_rr ändern, wenn sich u_l ändert und u_r konstant bleibt. Weiterhin werden sich Θ_rl und Θ_rr ändern, wenn sich u_r ändert und u_l konstant bleibt. Die Übertragungsfunktionen G_lr und G_rl stellen den Koppeleinfluss dar.
Unvermeidliche unsichere Abweichungen werden verursacht durch Änderungen der Straßenbedingungen, der Fahrzeugdynamik und der Anordnung des Subsystems der Vorderräder. Ein realistisches Modell der Regelstrecke wird Abweichungen, verbunden mit dem nominalen Modell aus Gleichung (1), berücksichtigen. Eine Matrix der Übertragungsfunktion für die aktuelle Regelstrecke 124 der Vorderräder kann daher beschrieben werden durch: G(s) = G₀(s)(I + DG(s)), wobei G₀(s) die nominale Übertragungsfunktion in Gleichung (1), DG(s) eine gebundene Funktion der Unsicherheiten und I eine Identitätsmatrix darstellt. Das aktuelle nichtlineare Modell der Regelstrecke 124 der Vorderräder kann in verschiedenen Arbeitspunkten in der Weise dargestellt werden, dass mehrere nominale Modelle in der Form von Gleichung (1) bestimmt werden können.
Der Mehrfach-Regler der Vorderräder 120 ist gestaltet, um die Gleichlauf-Funktion der Winkel der Vorderräder zu implementieren. Multivariable Entkopplungs-Algorithmen zum 'Entkoppeln' oder Ausschalten der Wechselwirkungen der Regelschleifen, die in mehrfach-abhängigen Ausgangs-Variablen in der Regelstrecke der Vorderräder 124 resultieren, können angewendet werden. Der Mehrfach-Regler 120 der Vorderräder kann das Mehrfach-Servoregelungssystem in eine Reihe von unabhängigen einschleifigen Subsystemen in der Weise zerlegen, dass der Winkel jedes Vorderrades Θ_rl oder Θ_rr im Gleichlauf mit dem jeweiligen Referenzwinkel jedes Vorderrades Θ_refl oder Θ_refr ist.
Wie in 4 dargestellt, sind die Eingangs-Variablen des Mehrfach-Reglers 120 der Vorderräder die Fehlersignale des linken und rechten Vorderrades e_l, e_r. Die Ausgangs-Variablen sind das linke und das rechte Regelsignal u_l, u_r. Die Beziehung zwischen den Eingängen und Ausgängen kann durch Anwenden einer Matrix der Übertragungsfunktion wie folgt beschrieben werden:
Jedes Element des Mehrfach-Reglers 120 der Vorderräder in Gleichung (2) ist gegeben durch: C_ll ist eine Übertragungsfunktion zwischen dem Ausgang des Drehmoment-Regelsignals des linken Vorderrades u_l und dem Fehlersignal des linken Vorderrades e_l, C_rl ist eine Übertragungsfunktion zwischen dem Ausgang des Drehmoment-Regelsignals des linken Vorderrades u_l und dem Fehlersignal des rechten Vorderrades e_r, C_lr ist eine Übertragungsfunktion zwischen dem Ausgang des Drehmoment-Regelsignals des rechten Vorderrades u_r und dem Fehlersignal des linken Vorderrades e_l und C_rr ist eine Übertragungsfunktion zwischen dem Ausgang des Drehmoment-Regelsignals des rechten Vorderrades u_r und dem Fehlersignal des rechten Vorderrades e_r.
Gemäß dem Mehrfach-Regler der Vorderräder in Gleichung (2), kann jede Änderung in einer der Variablen der Eingangsfehler Änderungen in einer der Ausgangs-Variablen verursachen, um das Ziel des Entkoppelns der Kopplungseinflüsse in der Regelstrecke 124 zu erreichen. Die Gleichung (2) kann weiterhin umgeformt werden nach: u_l = C_ll(s)e_l + C_rl(s)e_r und u_r = C_lr(s)e_l + C_rr(s)e_r.
Es muss beachtet werden, dass sich u_l und u_r ändern, wenn sich e_l ändert und e_r kconstant bleibt, und sich u_l und u_r ebenfalls ändern, wenn sich er ändert und e_l konstant bleibt. Die Übertragungsfunktionen C_lr und C_rl repräsentieren einen Entkopplungs-Term und verringern oder beseitigen umgekehrt den Koppeleinfluss der Kopplung, die durch G_lr und G_rl in Gleichung (1) beschrieben ist.
Die Gestaltung des Mehrfach-Regelungssystems der Vorderräder kann in einem Standard-Problem-Framework beschrieben werden. Das Blockdiagramm des Standard-Problems für die Gestaltung des Mehrfach-Regelungssystems ist in 5 gezeigt, wobei P(s) eine erweiterte Regelstrecke, einschließlich einer nominell geregelten Regelstrecke und Wichtungsfunktionen eines Regelsystems ist. K(s) ist ein Regler, der (bereits) gestaltet ist. Die Signale werden wie folgt beschrieben: u ist eine Regelvariable, y ist eine gemessene Variable, w ist ein von außen verursachtes Signal und z ist ein Regelziel. Das Standard-Problem in 5 kann wie folgt beschrieben werden:
u = Ky. (4)
Die Matrix der Übertragungsfunktion eines Regelkreises von w nach z kann gegeben sein durch: Fwz(s) = P11(s) + P12(s)K(s)(I – P22(s)K(s))–1P21(s). (5)
Als ein Beispiel des Mehrfach-Regelungssystems der Vorderräder, entsprechend der gegenwärtigen Erfindung, ist eine Mehrfach-Regelung H_∞ beschrieben. Die Regelung H_∞ nimmt einen Worst-Case-Effekt, also den schlechtestmöglichen Fall, in einem Unsicherheits-Modell in die Betrachtungen auf und kann die Gestaltung eines Mehrfach-Rückkopplungs-Systems implementieren, das gegenüber Unsicherheiten und Störungen robust ist. Es kann verwendet werden, um das Gestaltungsproblem des Mehrfach-Servoregelungs-Systems mit der variablen Entkopplung zu lösen. Dadurch, dass hier die Ziele der Gleichlauf der Referenzwinkel der Vorderräder und die Regelung der Stabilität der Robustheit unter Unsicherheiten sind, wird der Regler K(s) durch Minimieren einer Größe einer gewichteten Kombination aus Empfindlichkeit und komplementärer Übertragungsfunktion der Empfindlichkeiten künstlich erzeugt, weiter unten diskutiert.
Bei der Betrachtung des Servoregelungs-Systems, dargestellt in 4, können die Matrizen der Übertragungsfunktion der Empfindlichkeit und der Übertragungsfunktion der komplementären Empfindlichkeit wie folgt definiert werden: S(s) = (I + G(s)K(s))–1. (6) T(s) = G(s)K(s)(I + G(s)K(s))–1 = (I – S(s)) (7)
Die Einzelwerte (singular-values) -(S) der Matrix der Empfindlichkeitsfunktion S(s) bestimmen das Dämpfungsvermögen, basierend auf -(S) ≤ -(W₁ ^–1) , wobei W₁ ^–1 der geforderte Dämpfungsfaktor der Störung ist. Die Singular-Values -(T) der Matrix der Übertragungsfunktion der komplementären Empfindlichkeit T(s) ist die Messung der robusten Stabilität des Mehrfach-Rückkopplungssystems der Vorderräder , basierend auf -(S) ≤ -(W₂ ^–1) , wobei W₂ ^–1 die größte erwartete multiplikative Abweichung der Regelstrecke ist. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und die robuste Stabilität des Regelsystems, einschließlich der Entkopplung der Variablen, kann durch die Wichtungsfunktionen W₁(s) und W₂(s), innerhalb eines Standard-Problem-Framework spezifiziert werden, dargestellt in 6. Die Matrix der Übertragungsfunktion des Regelkreises von w nach z kann daher, solche Anforderungen berücksichtigend, wie folgt beschrieben werden:
Die Gleichung (8) ist eine spezieller Form der Gleichung (5). Ein Standard-Regelproblem H_∞ kann durch Finden von K(s) angegeben werden, um die Bedingung: ||Fzw(s)||∞ ≤ 1 (9) unter der Bedingung zu erfüllen, dass das Regelsystem stabil ist, wobei die Norm H_∞ der Matrix F_zw(s) bezeichnet. Durch die geeignete Wahl der Wichtungsfunktionen W₁(s) und W₂(s) kann der Regler H_∞ gestaltet werden, um das Kriterium (9) in der Art zu erfüllen, dass das Servo-Regelungssystem mit der geforderten Leistungsfähigkeit robust stabil ist.
Wie bereits oben erwähnt, ändert sich die Dynamik der Regelstrecke 124 der Vorderräder mit den Straßenbedingungen, der Fahrzeugdynamik und der Systemanordnung der Vorderräder selbst. Weiterhin ändert sich die Verstärkungs-Dynamik der Regelstrecke 124 der Vorderräder beträchtlich mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Aus diesem Grund ist die Regelstrecke der Vorderräder nicht-linear. Die Strategie des Gain Scheduling ist ein wirksamer Weg der Kontrolle von Systemen, deren Dynamik sich mit den Betriebsbedingungen ändert. Diese Strategie wird typisch verwendet, um nicht-lineare Regelstrecken, wo eine Beziehung zwischen der Dynamik der Regelstrecke und Betriebsbedingungen bekannt ist, zu regeln. In dieser Erfindung ist eine Regelstrategie des Gain Scheduling implementiert, um die Leistungsfähigkeit von Gleichlauf und Entkopplung des Servoregelungs-Systems der Vorderräder zu erfüllen.
Um die Regelung des Gain Scheduling anzuwenden, müssen mehrere nominale Modelle der Regelstrecke .124 der Vorderräder, dargestellt in 4 und Gleichung (1), an verschiedenen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs bestimmt werden. Die Änderung des Gain der Regelstrecke der Vorderräder 124 ist durch Verwenden nominaler Modelle an den verschiedenen Arbeitspunkten quantitativ beschrieben. Jeder entsprechende Mehrfachregler der Vorderräder im verschiedenen Arbeitspunkt kann, durch Verwenden des oben erwähnten Verfahrens, basierend auf jedem nominalen Modell, gestaltet werden. In dieser Realisierung ändert sich das Gain des Mehrfachreglers 120 automatisch mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, um eine Änderung des Gain der Regelstrecke der Vorderräder 124 in geeigneter Weise auszugleichen.
6 zeigt ein Blockdiagramm des Referenzbefehl-Generators, dargestellt in
2 und 3. Der Generator hat einen Eingang, den Winkel des Lenkrades Θ_s und zwei Ausgänge, die Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades Θ_refl, Θ_refr. Wie in 6 dargestellt, gibt es zwei Stufen, um den Ausgang des Referenzwinkels des linken und rechten Vorderrades Θ_refl, Θ_refr aus dem Eingang des Winkels des Lenkrades Θ_s zu erzeugen. In einer ersten Stufe erzeugt der Referenzbefehl-Generator 110 aus dem Winkelsignal des Lenkrades Θ_s die Winkel des linken und rechten Vorderrades Θ_srl, Θ_srr. Dies wird durch Verwenden der Gainblöcke 111, 112 für jeden entsprechenden Winkel des Vorderrades erreicht. Ein proportionaler Wert zwischen dem Winkel des Lenkrades und jedem Winkel des Vorderrades kann als Lenkverhältnis bezeichnet werden. Die Gains des linken und rechten Lenkverhältnisses L und R in 6 können, entsprechend den Leistungsanforderungen an die Handhabung des Fahrzeugs, in den Gainblocks 111 und 112 für den gleichen Eingangswinkel des Lenkrades Θ_s unterschiedlich gesetzt werden. In dieser Realisierung sind die Ausgänge der Winkel des linken und rechten Vorderrades, wegen der unterschiedlichen Gains der Lenkverhältnisse L und R für den selben Eingangswinkel des Lenkrades Θ_s, unterschiedlich.
Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Lenkung kann ein variables Lenkverhältnis, durch Verwenden der Geschwindigkeit des Fahrzeugs als Zeitplan-Signal implementiert werden, um die Gains des Lenkverhältnisses L und R zu ändern, dargestellt in 6. Das Lenkverhältnis ist typisch größer bei hohen Geschwindigkeiten (etwa 70 bis 150 km/h) und kleiner bei niedrigeren Geschwindigkeiten (0 bis 70 km/h). Jedes Lenkverhältnis kann jedoch bei niedrigen und hohen Geschwindigkeiten verwendet werden, ohne den Geltungsbereich oder Sinn der gegenwärtigen Erfindung zu verlassen.
In einer zweiten Stufe implementiert der Referenzbefehl-Generator 110 weiterhin in einer Kalibriereinheit 113 ein Kalibrieren des linken und rechten Winkels der Vorderräder Θ_srl, Θ_srr. Dies wird entsprechend der Fahrzeuggeometrie und der Anforderung an die Leistungsfähigkeit der Lenkung durchgeführt. Wie dargestellt, sind die Ausgangssignale der Kalibriereinheit 113 die Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades Θ_refl, Θ_refr. Als ein Beispiel kann ein Ackermann-Winkel oder kann eine Ackermann-Geometrie implementiert werden, um in der Kalibriereinheit 113 die geforderten Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades Θ_refl, Θ_refr zu erzeugen. In dieser Realisierung weist der Ackermann-Winkel auf einen Durchschnittswinkel der Vorderräder hin. Eine optimierte Ackermannn-Geometrie in den Winkeln der Vorderräder kann während des Drehens die Abnutzung der Vorderräder erheblich verringern. Weiterhin sind die richtigen Winkel der Vorderräder auch mit der Dynamik des Fahrzeugs verbunden, um die Leistungsfähigkeit der Handhabung des Fahrzeugs zu verbessern. Aus diesem Grund können die Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades Θ_refl, Θ_refr, durch Verwenden der Fahrzeugvariablen wie: der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, dem Maß der seitlichen Abweichung und der lateralen Beschleunigung, in Echtzeit aus Kalibriereinheit 113 erhalten werden. Weiterhin können diese Referenzwinkel der Vorderräder Θ_refl, Θ_refr im völligen Gleichlauf mit den aktuellen Winkeln der Vorderräder Θ_rl, Θ_rr sein, weil das Subsystem der selbsttätigen Regelung in 3 als Servoregelungs-System gestaltet ist, mit der oben diskutierten Gleichlauf-Funktion des Referenz-Eingangssignals.
In dieser Realisierung sind einige Aufgaben des Referenzbefehl-Generators 110, einen Winkel des Lenkrades und einige Fahrzeugvariable vom Subsystem 16 des Lenkrades, dargestellt in 3, zu erhalten und das Fahrzeug bzw. das System zu veranlassen, getrennte Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades zu erzeugen. Innerhalb des Referenzbefehl-Generators 110 werden aus dem Winkel des Lenkrades in Echtzeit zwei Winkel-Referenzsignale der Vorderräder erhalten, entsprechend den Gainblöcken des Lenkverhältnisses 111, 112 und der Kalibriereinheit 113. Dies wird durch Verwenden der Fahrzeugvariablen wie: der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, dem Maß der seitlichen Abweichung und der lateralen Beschleunigung, die durch, in der Technik bekannte, geeignete Mittel erfasst werden können, erreicht.
7 ist ein Flussdiagramm und verdeutlicht ein allgemeines Verfahren 210 der Regelung im Subsystem, gemäß der gegenwärtigen Erfindung. Das Verfahren 210 zeigt eine allgemeine Routine, die während des Betriebs des Subsystems 15 des Steer-By-Wire-Regelsystems in 2 ausgeführt wird. Wie dargestellt, wird das Verfahren 210 durchgeführt, um Regelvariablen u_l, u_r zur unabhängigen Regelung der Winkel des linken und rechten Vorderrades Θ_rl und Θ_rr zu erzeugen, um mit den Referenzwinkeln der Vorderräder Θ_refl und Θ_refr in Gleichlauf zu sein.
Das Verfahren weist das Erfassen eines Winkels des Lenkrades und einer Fahrzeugvariablen in Kasten 212, Bestimmen der Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades, basierend auf dem Winkel des Lenkrades und der Fahrzeugvariablen, in Kasten 214 und Bestimmen der Fehler des linken und rechten Vorderrades, zwischen den Referenzwinkeln des linken und rechten Vorderrades und den aktuellen Winkels des linken und rechten Vorderrades, in Kasten 216 auf. Das Verfahren weist weiterhin das Bestimmen der Regelsignale für das linke und rechte Vorderrad in Kasten 220 auf. Die Regelsignale für das linke und rechte Vorderrad basieren auf den Fehlern des linken und rechten Vorderrades und werden durch den Regelalgorithmus mit der Entkopplungsmerkmal in der Mehrfach-Servoregelung bestimmt. Das Verfahren umfasst weiterhin die Ausgabe des linken und rechten Regelsignals an die Regelstrecke der Vorderräder in Kasten 224.
Das Steer-By-Wire-Regelsystem 11 der gegenwärtigen Erfindung, dargestellt in 2, stellt für den Fahrer ein Lenkgefühl zur Verfügung. Wie oben erwähnt, wird dies durch Verwenden der Rückkopplungs-Regelung des Subsystems der Lenkung, mit einer Vielzahl von Regelschleifen, wie in 2 dargestellt, erreicht. Die Forderung, ein erforderliches Lenkgefühl zu erhalten, wird deshalb die Anforderung an die Gestaltung des Steer-By-Wire-Regelsystems. Um das Steer-By-Wire-Regelsystem mit dem geforderten Lenkgefühl gestalten zu können, ist die Beschreibung des Lenkgefühls, als eine Anforderung an das Regelsystem, wichtig. Die quantitative Beschreibung des Lenkgefühls, basierend auf dem Steer-By-Wire-Regelsystem, dargestellt in 2, wird deshalb in dieser Erfindung entwickelt und im Folgenden beschrieben.
Das Lenkgefühl ändert sich normalerweise mit dem Winkel der Lenkräder, dem Drehmoment der Vorderräder und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Die quantitative Beschreibung des Lenkgefühls kann deshalb durch Einführen der Beziehung zwischen dem Lenkgefühl und dem Reaktions-Drehmoment des Lenkrades, dem Drehmoment der Vorderräder und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs erhalten werden. Um eine solche Beziehung einzuführen, wird ein Blockdiagram des Steer-By-Wire-Regelsystems 11, einschließlich des Subsystems des Lenkrades 16 und des Subsystems der Vorderräder 15 in 2, in 8 erneut dargestellt. Zu beachten ist, dass die Rückkopplungsschleife der Rate des Lenkrades in 2 als ein Teil der Regelstrecke des Lenkrades zu betrachten ist, die durch Verwenden der Übertragungsfunktion G_s(s) dargestellt ist. Das Subsystem der Vorderräder mit der Servo-Rückkopplung wird als ein Kasten, mit der Beschreibung der Übertragungsfunktion H_r(s) dargestellt. Die Größe τ_d in 8 stellt ein äquivalentes Stör-Drehmoment, durch den Fahrer ausgeübt, dar und die Größe τ_c stellt ein Reaktions-Drehmoment des Subsystems des Lenkrades dar. Das Reaktions-Drehmoment τ_c wird in einer Richtung auf das Lenkrad ausgeübt, die der Richtung des äquivalenten Stör-Drehmoments τ_d entgegengesetzt ist und erzeugt ein gewohntes Lenkgefühl für den Fahrer. Weiterhin stellt ein effektives Drehmoment τ_m den Unterschied zwischen dem Reaktions-Drehmoment τ_c und dem äquivalenten Stör-Drehmoment τ_d dar.
Die kann wie folgt beschrieben werden: τm = τd – τc (10)
Wie in 8 dargestellt, wird der Kompensator der Winkelposition in 2 durch Verwenden einer konstanten Verstärkung K_c und einer Funktion f (u_i(t),v_c) 171 dargestellt, die mit seiner Eingangsvariablen u_i(t) und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs V_s in Beziehung steht. Der Bewerter des Drehmoments der Vorderräder in 2 wird durch Verwenden einer konstanten Verstärkung K_d und einer Funktion f(u_r(t), v_c) 193 dargestellt und steht mit seiner Eingangsvariablen u_d(t) und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs in Beziehung. Die Regelvariable u_s(t) ist, mit der linearen Verstärkung, dem Reaktions-Drehmoment τ_c proportional. Die Kontrollvariable u_s(t) kann deshalb als eine äquivalente Variable des Reaktions-Drehmoments betrachtet werden, die durch die Eingangs-Variable u_i(t) der Funktion 193 und die Eingangs-Variable u_r(t) der Funktion 171 beeinflusst wird. Der Winkel der Vorderräder zum Winkel des Lenkrades Θ_s, mit festem oder variablem Lenkrad-Verhältnis, wird als proportional angenommen. Wie in 8 dargestellt, ist die Eingangs-Variable u_i(t) der Funktion 193 proportional dem Winkel des Lenkrades Θ_s. Die Eingangs-Variable u_r(t) der Funktion 171 ist dem äquivalenten Drehmoment der Vorderräder τ_d proportional.
Die Tabelle 1, unten dargestellt, listet die Variablen innerhalb der Regeleinheit des Lenkrades und des Steer-By-Wire-Regelsystems. Tabelle 1 Beziehung der Variablen

Regeleinheit des Lenkrades Steer-By-Wire-Regelsystem

u_s(t) Reaktions-Drehmoment τ_c(t)

u_i(t) Winkel des Lenkrades Θ_s

u_r(t) Drehmoment der Vorderräder τ_rc
In der gegenwärtigen Erfindung ist es ein Vorschlag, eine quantitative Beschreibung des Reaktions-Drehmoments τ_c(t), basierend auf dem Winkel des Lenkrades Θ_s, dem Drehmoment der Vorderräder τ_r und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs V_s, zu erhalten. Wie in Tabelle 1 dargestellt, können von der variablen Beziehung zwischen dem Steer-By-Wire-Regelsystem und der Regeleinheit des Lenkrades die Variablen des Lenkrades u_s(t), u_i(t) und u_r(t) verwendet werden, um die Variablen des Steer-By-Wire-Regelsystems, einschließlich des Reaktions-Drehmoments τ_c(t), Winkel des Lenkrades Θ_s und Drehmoment der Vorderräder τ_r zu beschreiben.
Aus der Regeleinheit des Lenkrades, dargestellt in 8, wird eine nichtlineare Gleichung abgeleitet, um eine Beschreibung des äquivalenten Reaktions-Drehmoments u_s(t) wie folgt zur Verfügung zu stellen: us(t) = f(ui(t),vc)ui + (ur(t),vc)ur (11)
Die beiden Größen in (11): die erste Größe gibt die Beziehung zwischen u_s(t) und u_i(t) durch Verwenden der Funktion f(u_i(t),v_c) wieder, die zweite Größe gibt die Beziehung zwischen u_s(t) und u_r(t) durch Verwenden der Funktion f(u_r(t),v_c) wieder. Jede der Funktionen von f(u_i(t),v_c) und f(u_r(t),v_c) ist eine Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs v_c bzw. v_c. Beide können lineare oder nicht-lineare Funktionen der Eingangs-Variablen u_i(t), u_r(t) und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs sein. Durch Justieren der Parameter der beiden Funktionen f(u_i(t),v_c) und f(u_r(t),v_c) wird sich das ägivalente Reaktions-Drehmoment u_s(t) mit den Variablen u_i(t) und u_r(t) ändern. Die Änderung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs wird automatisch die Parameter der Funktionen f(u_i(t),v_c) und f (u_r(t),v_c) einstellen und eine Änderung der Funktionswerte in der Weise verursachen, dass das äquivalente Reaktions-Drehmoment u_s(t) die relativen Änderungen erzeugt.
Die Gleichung (11) ist eine analytische Beschreibung des äquivalenten Reaktions-Drehmoments u_s(t). Wenn f(u_i(t),v_c) und f(u_r(t),v_c) lineare Funktionen sind, wird sich das Reaktions-Drehmoment u_s(t) mit den Eingangs-Variablen u_i(t), u_r(t) und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs v_c linear ändern. Sind f(u_i(t),v_c) und f(u_r(t),v_c) nicht-lineare Funktionen, ändern sich die Eingangs-Variablen u_i(t), u_r(t) und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs v_c nicht-linear. Die Funktionen f(u_i(t),v_c) und f(u_r(t),v_c) bestimmen das äquivalente Reaktions-Drehmoment.
Als ein spezielles Beispiel können die Funktionen f(u_i(t),v_c) und f(u_r(t),v_c) geschwindigkeits-unabhängige Konstanten sein, als K_i und K_r bezeichnet. Die Gleichung (11), um das äquivalente Reaktions-Drehmoment zu beschreiben, ist dann gegeben als: u_s(t) = K_cu_i + K_ru_r. Dies ist eine lineare Funktion, die die Änderung des äquivalenten Reaktions-Drehmoments u_s(t) linear mit den Eingangs-Variablen u_i(t) und u_r(t) anzeigt.
Entsprechend der variablen Beziehungen zwischen der Regeleinheit des Lenkrades und dem Steer-By-Wire-Regelsystem, dargestellt in Tabelle 1, kann weiterhin eine darauf bezogene nicht-lineare Gleichung, um das Reaktions-Drehmoment τ_c zu beschreiben, wie folgt zur Verfügung gestellt werden: τc = k1f(ui(t),vc(t))Θs + k2f(ur(t),vc)τr (12),wobei: k₁ die porortionale Konstante zwischen u_i und dem Winkel des Lenkrades Θ_s ist und k₂ die proportionale Konstante zwischen u_r und dem Drehmoment der entsprechenden Vorderräder τ_r ist. Die Gleichung (12) gibt die quantitave Beschreibung des Reaktions-Drehmoments τ_c(t), basierend auf dem Winkel des Lenkrades Θ_s, dem Drehmoment der Vorderräder τ_r und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs v_c.
In dieser Realisierung können (die Funktionen) f(u_i(t),v_c) und f(u_r(t),v_c) in den Gleichungen (11) und (12) für das erforderliche Reaktions-Drehmoment bei der Gestaltung des Regelsystems des Lenkrades analytisch bestimmt werden. Das Lenkgefühl wird typisch an Hand von Kurven beurteilt, die für das Drehmoment des Lenkrades gegen den Winkel des Lenkrades oder für das Drehmoment des Lenkrades gegen das Drehmoment der Vorderräder aufgetragen sind. Diese erwarteten Kurven können durch Verwenden der analytischen Funktionen f(u_i(t),v_c) und f(u_r(t),v_c) in Gleichungen (11) und (12), bei der Gestaltung des Regelsystems des Lenkrades, bestimmt werden. Als Ergebnis erzeugt das Steer-By-Wire-Regelsystem das geforderte Lenkgefühl, weil das geforderte Reaktions-Drehmoment, als eine Spezifikation der Leistungsfähigkeit des Regelsystems, (bereits) im Stadium der Gestaltung des Regelsystems berücksichtigt wurde.
In dieser Realisierung kann das Lenkgefühl durch Veränderung der Parameter der Funktionen f(u_i(t),v_c) und f(u_r(t),v_c) justiert und geregelt werden. Als Ergebnis kann das Steer-By-Wire-Regelsystem einstellbares Lenkgefühl, durch Erzeugen von quantitativem Reaktions-Drehmoment τ_c, zur Verfügung stellen.
Weitere Aspekte, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch Berücksichtigung der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche, zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, deutlich.

Claims

Ein Verfahren einer Steer-By-Wire-Regelung für Fahrzeuge unter Verwendung einer robusten Regelung für den unabhängigen Gleichlauf der Vorderräder (18, 20), das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf: – Vorsehen eines Subsystems (16) des Lenkrades (44), um Referenzwinkel für die Vorderräder (18, 20) und Lenkgefühl für einen Fahrer des Fahrzeugs zu erzeugen; – Vorsehen eines Subsystems (15) der Vorderräder (18, 20), einschließlich einer Regelstrecke (124) der Vorderräder (18, 20), um Unsicherheiten und Störungen kompensieren zu können, sowie eines Reglers (14, 120) der Vorderräder (18, 20) zur Regelung des robusten Gleichlaufs der aktuellen Winkel der Vorderräder (18, 20) mit Referenzwinkeln der Vorderräder (18, 20), innerhalb eines Servo-Regelsystems mit Rückkopplungs-Schleifen für die Winkelposition und das Winkelverhältnis der Vorderräder (18, 20); – Verwenden der Winkel und der Winkelverhältnisse der Vorderräder (18, 20) als Rückkopplungs-Signale, um ein Servo-Regelsystem mit der Regelstrecke (124), zur Kompensation der Auswirkungen von Unsicherheiten und Störungen, zu erhalten und Verwenden des Reglers (13) der Vorderräder (18, 20), um den robusten Gleichlauf des Winkels des linken und rechten Vorderrades (18, 20) mit dem Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades (18, 20) zu implementieren; – Empfangen des Referenzwinkels des linken und rechten Vorderrades (18, 20), basierend auf dem Winkelbefehl des Lenkrades (44) vom Regel-Subsystem des Lenkrades (44); – Empfangen des aktuellen Winkels des linken und rechten Vorderrades (18, 20) von der Regelstrecke (124) der Vorderräder (18, 20); – Berechnen des Winkelfehlers des linken und rechten Vorderrades (18, 20), basierend auf dem Winkel und dem Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades (18, 20); – Erzeugen der Drehmoment-Regelvariablen vom Regler (13) der Vorderräder (18, 20), mit der Leistungsfähigkeit der robusten Servo-Regelung, für das linke und rechte Vorderrad (18, 20), basierend auf dem Winkelfehler des linken und rechten Vorderrades (18, 20); – Verwenden der Drehmoment-Regelvariablen des Reglers (13) in der Regelstrecke der Vorderräder (18, 20), um den Gleichlauf des Winkels des linken und rechten Vorderrades (18, 20) mit dem jeweiligen Referenzwinkel zu regeln; und – Implementieren einer robusten Regelung in den Regler (13) der Vorderräder (18, 20) des Regel-Subsystems (15) der Vorderräder (18, 20), um die Auswirkungen durch Unsicherheiten und Störungen im Steer-By-Wire-System, von dem Fahrzeug und von der äußeren Umgebung, zu verringern.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelstrecke (124) der Vorderräder (18, 20), zur Kompensation von Auswirkungen durch Unsicherheiten und Störungen, eine Mehrfach-Regelstrecke (124) der Vorderräder (18, 20) ist und der Regler (13) der Vorderräder (18, 20) ein robuster Mehrfach-Regler (120) der Vorderräder (18, 20) ist, wobei das Regel-Subsystem (15) der Vorderräder (18, 20) eine Servo-Regelstruktur mit Rückkopplungs-Schleifen für die Winkelposition und das Winkelratenverhältnis der Vorderräder (18, 20) aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Drehmoment-Regelvariablen für das linke und rechte Vorderrad (18, 20) folgende Schritte aufweist: – Bestimmen der Drehmoment-Regelvariablen für das linke Vorderrad (18), basierend auf dem Winkelfehler des linken Vorderrades (18) und dem Winkelfehler des rechten Vorderrades (20), durch Verwenden des Mehrfach-Reglers der Vorderräder (18, 20) im Servo-Regelsystem der Vorderräder (18, 20); und – Bestimmen der Drehmoment-Regelvariablen für das rechte Vorderrad (20), basierend auf dem Winkelfehler des rechten Vorderrades (20) und dem Winkelfehler des linken Vorderrades (18), durch Verwenden des Mehrfach-Reglers (120) der Vorderräder (18, 20) im Servo-Regelsystem der Vorderräder (18, 20).
Das Verfahren nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin folgende Schritte aufweist: – Anlegen von Betätigungs-Drehmoment an das linke Vorderrad (18), basierend auf der Drehmoment-Regelvariablen des linken Vorderrades (18) im Servo-Regelsystem der Vorderräder (18, 20), um unabhängig den aktuellen Winkel des linken Vorderrades (18) zu regeln und um Gleichlauf mit dem Referenzwinkel des linken Vorderrades (18) zu erreichen; und – Anlegen von Betätigungs-Drehmoment an das rechte Vorderrad (20), basierend auf der Drehmoment-Regelvariablen des rechten Vorderrades (20) im Servo-Regelsystem der Vorderräder (18, 20), um unabhängig den aktuellen Winkel des rechten Vorderrades (20) zu regeln und um Gleichlauf mit dem Referenzwinkel des rechten Vorderrades (20) zu erreichen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin folgende Schritte aufweist: – Minimieren des Winkelfehlers des linken Vorderrades (18), zwischen dem aktuellen Winkel und dem Referenzwinkel des linken Vorderrades (18); – Minimieren des Winkelfehlers des rechten Vorderrades (20), zwischen dem aktuellen Winkel und dem Referenzwinkel des rechten Vorderrades (20); – Regeln des aktuellen Winkels des linken Vorderrades (18) durch Antwort in Echtzeit auf den Referenzwinkel des linken Vorderrades (18); – Regeln des aktuellen Winkels des rechten Vorderrades (20) durch Antwort in Echtzeit auf den Referenzwinkel des rechten Vorderrades (20); – Vorsehen von maximaler Servo-Steifheit, um die äußeren Stör-Drehmomente am linken Vorderrad (18) zu verringern; und – Vorsehen von maximaler Servo-Steifheit, um die äußeren Stör-Drehmomente am rechten Vorderrad (20) zu überwinden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin folgende Schi fitte aufweist: – Berechnen des Winkelverhältnisses des linken und rechten Vorderrades (18, 20) aus dem erfassten Winkel des linken und rechten Vorderrades (18, 20); – Bestimmen einer rückgekoppelten Regelvariablen des Winkelverhältnisses des linken Vorderrades (18), basierend auf dem Winkelverhältnis des linken Vorderrades (18) durch Verwenden eines Kompensators (140) in der Regelschleife der Verhältnisse; – Bestimmen einer rückgekoppelten Regelvariablen des Winkelverhältnisses des rechten Vorderrades (20), basierend auf dem Winkelverhältnis des rechten Vorderrades (20) durch Verwenden eines Kompensators (140) in der Regelschleife der Verhältnisse, wobei die rückgekoppelte Regelvariable des Winkelverhältnisses des linken Vorderrades (18) negativ zu einer Regelschleife der Winkelposition des linken Vorderrades (18), zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaft des Servosystems der Vorderräder (18, 20), gespeist wird und wobei die rückgekoppelte Regelvariable des Winkelverhältnisses des rechten Vorderrades (20) negativ zu einer Regelschleife der Winkelposition des rechten Vorderrades (20), zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaft des Servosystems der Vorderräder (18, 20), gespeist wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrfach-Entkopplungs-Regelung in das Steer-By-Wire-Regelsystem der Vorderräder (18, 20) implementiert ist, um die unabhängige Regelung des Winkels des linken und rechten Vorderrades (18, 20) zu ermöglichen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzwinkel-Generator (110) der Vorderräder (18, 20) den Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades (18, 20) aus dem Winkel des Lenkrades (44), durch Verwenden des variablen linken und rechten Lenkverhältnisses und durch Kalibrier-Verfahren für den Winkel des Lenkrades (44), bestimmt.
Ein System zur Regelung eines Steer-By-Wire-Systems unter Verwendung einer robusten Regelung für unabhängigen Gleichlauf der Winkel der Vorderräder (18, 20), das System weist auf: – ein Regel-Subsystem (14) des Lenkrades (44), um einen Winkelbefehl des Lenkrades (44) zu verwenden, um die Referenzwinkel der Vorderräder (18, 20) und Lenkgefühl für einen Fahrer des Fahrzeugs zu erzeugen; – ein Regel-Subsystem (15) der Vorderräder (18, 20), einschließlich einer Regelstrecke (124) der Vorderräder (18, 20), um Auswirkungen von Unsicherheiten und Störungen kompensieren zu können, und einem Mehrfach-Regler (120) der Vorderräder (18, 20), zur Regelung der aktuellen Winkel der Vorderräder (18, 20) im robusten Gleichlauf mit den Referenzwinkeln der Vorderräder (18, 20) innerhalb eines Servo-Regelsystems, mit Rückkopplungs-Schleifen für die Winkelposition und dem Winkelverhältnis der Vorderräder (18, 20); die nominale Regelstrecke der Vorderräder (18, 20) dargestellt als:
wobei Θ_rl den Winkel des linken Vorderrades (18) bezeichnet, Θ_rr den Winkel des rechten Vorderrades (20) bezeichnet, u_l die Drehmoment-Regelvariable des linken Vorderrades (18) bezeichnet, u_r die Drehmoment-Regelvariable des rechten Vorderrades (20) bezeichnet, G_ll(s) eine erste Übertragungsfunktion der Regelstrecke zwischen Θ_rl und u_l bezeichnet, G_lr(s) eine zweite Übertragungsfunktion der Regelstrecke zwischen Θ_rr und u_l bezeichnet, G_rl(s) eine dritte Übertragungsfunktion der Regelstrecke zwischen Θ_rl und u_r bezeichnet und G_rr(s) eine vierte Übertragungsfunktion der Regelstrecke zwischen Θ_rr und u_r bezeichnet; – wobei die Unsicherheit der Regelstrecke der Vorderräder (18, 20) gegeben ist als: G(s) = ΔG0(s)(I + ΔG(s)), worin G₀(s) ein nominales Modell der Regelstrecke ist, ΔG(s) eine gebundene Funktion der Unsicherheit darstellt und I eine Identitätsmatrix ist, und wobei die Störung als äußeres Stör-Drehmoment des linken und rechten Vorderrades (18, 20) dargestellt ist, wobei der Mehrfach-Regler der Vorderräder (18, 20) implementiert ist als:
worin u_l die Drehmoment-Regelvariable des linken Vorderrades (18) bezeichnet, u_r die Drehmoment-Regelvariable des rechten Vorderrades (20) bezeichnet, e_l den Winkelfehler des linken Vorderrades (18) bezeichnet, e_r den Winkelfehler des rechten Vorderrades (20) bezeichnet, C_ll(s) eine erste Übertragungsfunktion des Reglers zwischen u_l und e_l bezeichnet, C_lr(s) eine zweite Übertragungsfunktion des Reglers zwischen u_r und e_l bezeichnet, C_rl(s) eine dritte Übertragungsfunktion des Reglers zwischen u_l und e_r bezeichnet und C_rr(s) eine vierte Übertragungsfunktion des Reglers zwischen u_r und e_r bezeichnet; – ein Servo-Regelsystem mit der Regelstrecke der Vorderräder (18, 20), um Unsicherheiten und Störungen zu kompensieren, und dem robusten Mehrfach-Regler der Vorderräder (18, 20) sowie – eine robusten Regelung, in den Mehrfach-Regler der Vorderräder (18, 20) implementiert, um die Auswirkungen durch Unsicherheiten und Störungen, im Steer-By-Wire-System, von dem Fahrzeug und der äußeren Umgebung, zu verringern, – wobei der robuste Mehrfach-Regler der Vorderräder (18, 20) die Referenzwinkel für das linke und rechte Vorderrad empfängt, basierend auf dem Winkelbefehl des Lenkrades (44), vom Regel-Subsystem des Lenkrades (44), und dem Winkel des linken und rechten Vorderrades (18, 20), von der Regelstrecke der Vorderräder (18, 20), und die Winkelfehler, basierend auf dem Winkel sowie dem Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades (18, 20), berechnet, – wobei der robuste Mehrfach-Regler der Vorderräder (18, 20) die Drehmoment-Regelvariable für das linke und rechte Vorderrad vom Mehrfach-Regler der Vorderräder (18, 20), mit der Leistungsfähigkeit der robusten Servo-Regelung, basierend auf dem Winkelfehler des linken und rechten Vorderrades (18, 20) erzeugt, und – wobei das Servo-Regelsystem der Vorderräder (18, 20) die Winkel und Winkelverhältnisse der Vorderräder (18, 20) als Rückkopplungssignale verwendet, um den Gleichlauf des Winkels des linken und rechten Vorderrades (18, 20) mit dem jeweiligen Referenzwinkel zu implementieren und um die Drehmoment-Regelvariablen des robusten Mehrfach-Reglers der Vorderräder (18, 20) an die Regelstrecke anzulegen, um den robusten Gleichlauf des aktuellen Winkels mit dem jeweiligen Referenzwinkel des linken und rechten Vorderrades (18, 20) zu regeln.