DE102004004491A1

DE102004004491A1 - Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE102004004491A1
Application number: DE200410004491
Authority: DE
Inventors: Thomas Lich; Robert Lahmann; Michael Schmid; Mario Kroeninger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-18
Also published as: WO2005073735A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit mittels zweier Beschleunigungssensoren (13, 14) vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung direkt aus den Messwerten der Beschleunigungssensoren (13, 14) die Drehgeschwindigkeit bestimmt, wobei die beiden Beschleunigungssensoren (13, 14) an einem fahrzeugfesten Koordinatensystem (10) lediglich einen Versatz (15) in der Sensierrichtung aufweisen.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.

Aus DE 199 62 687 A1 ist bereits eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit mittels zweier Beschleunigungssensoren, die die gleiche Sensierrichtung aufweisen, bekannt. Dabei wird zunächst eine Drehbeschleunigung bestimmt und dann durch Integration die Drehgeschwindigkeit.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit mittels zweier Beschleunigungssensoren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass nunmehr direkt aus den Messwerten der beiden Beschleunigungssensoren die Drehgeschwindigkeit bestimmt wird. D.h., die Integration wird vermieden. Damit werden numerische Probleme, die die Integration mit sich bringt, insbesondere eine zweifache Integration, wenn auch der Winkel bestimmt werden soll, vermieden. Diese numerischen Probleme können nämlich sehr starke Abweichungen hervorrufen. Damit ist eine größere Robustheit gegenüber langen Integrationen, die sich bei Schleudervorgängen durchaus um mehrere Sekunden handeln können, erreicht worden. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einsparung von spezieller Sensorik zur Erfassung der Drehgeschwindigkeiten, wie beispielsweise ein Gierratensensor, erreicht werden. Ein weiterer Vorteil ist der Mehrnutzen von anderen Sensoren, die hier Verwendung finden. Auf Grund der Realisierung der Vorrichtung lassen sich lineare Beschleunigungssensoren einsetzen, die heute fast in jedem Fahrzeug Standard sind. Daraus ergibt sich der Mehrnutzen dahingehend, dass die Information, neben zum Beispiel der Seitencrashsensierung, für die Bestimmung der Gierrate verwendet werden kann.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass die Beschleunigungssensoren entweder in der Fahrzeugseite oder im Bereich des Fahrzeugtunnels angeordnet sind. In der Fahrzeugseite kann dies beispielsweise die A-, B- oder C-Säule oder die Seitenteile des Fahrzeugs ein. Im Bereich des Fahrzeugtunnels wird üblicher Weise der Beschleunigungssensor im Airbagsteuergerät oder auch im Steuergerät für die Fahrdynamikregelung angeordnet sein. Verschiedene Kombinationen sind hier möglich, da Beschleunigungssensoren möglich sind, die in die gleiche Raumrichtung sensieren.

Es ist vorteilhaft, dass zusätzlich zu den Messwerten der Beschleunigungssensoren als Korrekturterm auch die Wankrate berücksichtigt wird. Dies verbessert das Ergebnis für die Drehgeschwindigkeit. Dazu kann üblicher Weise ein Wankratensensor verwendet werden, der beispielsweise im Airbagsteuergerät zur Überrollsensierung bereits vorhanden ist. Als Drehgeschwindigkeit wird vorteilhafter Weise die Gierrate bestimmt. Die Gierrate, die also das Schleudern des Fahrzeugs angibt, ist insbesondere für die Abschätzung wichtig, ob ein Schleudern auf dem Grünstreifen neben der Fahrbahn erfolgt, was die Erhöhung der Überrollwahrscheinlichkeit durch einen Soiltrip bedingt. Es ist also besonders wichtig, diesen Parameter genau und einfach zu bestimmen.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Konfiguration der Sensoren im Fahrzeug,
2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
3 ein Flussdiagramm.
Beschreibung
Statistiken aus den USA belegen die Bedeutung der passiven Sicherheit bei Fahrzeugüberschlägen: im Jahre 1998 war die Hälfte aller tödlichen Einzelfahrzeugunfälle auf einen Überschlag zurückzuführen. Im gesamten Unfallgeschehen nimmt der Fahrzeugüberschlag einen Anteil von rund 20% ein.
Daher wurden Konzepte zur Überrollsensierung entwickelt, die Fahrzeugüberschläge bereits zu einem frühen Zeitpunkt erkennen. Dadurch ist es gewährleistet, dass Sicherheitsvorrichtungen oder Personenschutzmittel, wie Gurtstraffer, Kopfairbag und Überrollbügel rechtzeitig aktiviert werden und sich somit das Verletzungsrisiko verringert. Insbesondere kann dabei die Bestimmung von fahrdynamischen Größen, wie der Gierrate, von Vorteil sein. Dazu könnte beispielsweise ein Gierratensensor verwendet werden. Erfindungsgemäß wird jedoch vorgeschlagen, die Gierrate direkt aus Beschleunigungssignalen zweier Beschleunigungssenoren zu bestimmen, die die gleiche Sensierrichtung aufweisen. Als zusätzliche Bedingung ist zu nennen, dass die beiden Beschleunigungssensoren lediglich einen Versatz in ihrer Sensierrichtung aufweisen, aber keinen Versatz in den anderen Raumkoordinaten. Durch die Bestimmung der Drehgeschwindigkeit mit dieser einfachen Sensorik ist es möglich, auf die Integration der Drehbeschleunigung zu verzichten und somit Fehlerquellen zu eliminieren. Insgesamt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch schneller, da die Integration auch ein zeitintensives Verfahren ist.
Um die Bewegung eines Fahrzeugs zu erfassen, sind die Bewegungsgrößen im fahrzeugfesten Koordinatensystem zu bestimmen. Allgemein gilt für die Beschleunigung in einem beliebigen Punkt S folgender Zusammenhang:
Dabei ergeben sich folgende Bedeutungen:
ω ist die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs, ω . die Ableitung der Winkelgeschwindigkeit nach der Zeit, das ist die Winkelbeschleunigung, und r_Qs der Lagevektor des Sensors S im fahrzeugfesten Koordinatensystem Q. 1 verdeutlicht das fahrzeugfeste Koordinatensystem Q, das mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist, während das raumfeste Koordinatensystem O mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet ist.
Es werden nun folgende Annahmen getroffen:

1. Der Sensor S ist im Fahrzeug fest montiert und bewegt sich somit relativ
zum Fahrzeugkoordinatensystem nicht.
2. Das Fahrzeug lässt sich in erster Näherung als ein starrer Körper behandeln.

Damit ergibt sich zum Punkt 1, dass die Relativbeschleunigung des Sensors S zum Fahrzeug Null ist. Zum Punkt 2 ergibt sich, dass die Coriolisbeschleunigung ebenfalls null wird. Damit reduziert sich die obige Gleichung
Mit a_Qs als Beschleunigung des Sensors S relativ zum fahrzeugfesten Koordinatensystem 10 und a_OQ als Beschleunigung des Fahrzeugs relativ zum Koordinatensystem 12. Dieses dreidimensionale nichtlineare Gleichungssystem ergibt bei entsprechender Ausmultiplikation folgenden Zusammenhang
Am Beispiel der Gierrate wird das folgende Verfahren bzw. die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben:
Die Gierrate ω_Z ist in obiger Gleichung beispielsweise in der zweiten Dimension, also der y-Richtung, enthalten. Um die Gierrate zu ermitteln wird folgende Systemauslegung betrachtet. Es werden zwei Sensoren ausgewählt, die die gleiche Sensierrichtung aufweisen. Beispielhaft soll hier die y-Komponente bzw. y-Beschleunigung betrachtet werden, da die Gierrate als Geschwindigkeit vertreten ist und nicht die Beschleunigung. Die Beschleunigung des Fahrzeugs relativ zum Ursprung O ist bei beiden Sensoren identisch. Ebenfalls die Drehung, die beide Sensoren erfahren. Der Unterschied ist die räumliche Lage der Sensoren zueinander. In 1 zeigt das Fahrzeug 11 einen Beschleunigungssensor 14 und einen Beschleunigungssensor 13, die zueinander den Abstand dry aufweisen. Der Beschleunigungssensor 14 ist hier beispielsweise in der B-Säule verbaut, während der Beschleunigungssensor 13 in der gegenüberliegenden B-Säule eingebaut ist. Am Fahrzeugtunnel ist ein Steuergerät 12 mit Beschleunigungssensorik in x- und y-Richtung sowie einem Wankratensensor vorgesehen. Dieses Steuergerät 12 dient zur Ansteuerung der Personenschutzmittel.
Ausgehend von dieser Konfiguration ergibt sich nun die folgende Möglichkeit für die Bestimmung der Giergeschwindigkeit ω_Z. Die beiden y-Beschleunigungssensoren 13 und 14 sind in gleicher Höhe, als auch in gleicher Lage bezüglich der x-Achse eingebaut. dadurch ergibt sich, dass der Abstand der beiden Sensoren 13 und 14 sich zu einem eindimensionalen Abstand 15 reduziert, d.h. der Abstand von Sensor 13 zu Sensor 14 in z-Richtung, als auch in x-Richtung ist Null. Lediglich der Abstand bezogen auf die y-Achse ist ungleich Null und wird mit dry bezeichnet. Damit reduziert sich die a_y-Komponente aus obiger Gleichung zu
Die Erfassung der Winkelgeschwindigkeit ω_Z kann somit über zwei lineare Beschleunigungssensoren bestimmt werden. Durch die Auslegung des obigen Systems derart, dass man einen zusätzlichen Beschleunigungssensor im Tunnel bzw. im Steuergerät verwendet, kann gegebenenfalls ein Sensor in der Türe entfallen, so dass insgesamt zwei y-Sensoren und ein Wankratensensor zur Bestimmung ausreichen, wobei der Wankratensensor hier nur zur Verfeinerung des Ergebnisses notwendig ist. In obiger Gleichung ist die Wankrate ω_X als Störgröße anzusehen, die sich auf Grund dessen, dass sich ein Fahrzeug in der Regel in der Ebene bewegt, zu Null gesetzt wird. Sollte die Vorrichtung jedoch über einen derartigen Sensor verfügen, wie es in der Regel bei Überrollsystemen der Fall ist, kann daraus auch eine Korrektur erfolgen.
Die erhaltene Gierrate ω_Z kann entsprechend weiterverarbeitet werden, um im Falle von erweiterten Funktionen, wie zur Bestimmung des Schwimmwinkels und damit der lateralen Geschwindigkeit, eingesetzt werden. Durch eine Integration lässt sich auf den Gierwinkel schließen. Die gesamte Auslegung kann derart gestaltet werden, dass die entsprechenden Algorithmen und Datenerfassungen und Auswertungen im zentralen Airbagsteuergerät durchgeführt werden. Da die Überrollsensierung ebenfalls mitintegriert ist, ist somit eine einfache Verknüpfung und Korrektur dieses Verfahrens möglich.
2 erläutert in einem Blockschaltbild die erfindungsgemäße Vorrichtung. An ein Steuergerät sind zwei Sensoren 20 und 21 angeschlossen, die jeweils in den Seiten des Fahrzeug eingebaut sind. Im Airbagsteuergerät 22 sind diese beiden Sensoren an einen Datenerfassungsbaustein 25 angeschlossen. An diesen Datenerfassungsbaustein ist weiterhin ein Wankratensensor 24 und auch ein zentraler Airbagsensor 23 angeschlossen. Der zentrale Airbagsensor 23 kann Beschleunigungen in eine oder in mehrere Raumrichtungen erfassen. Der Datenerfassungsbaustein 25 ist an einen Prozessor 26 angeschlossen, der aus den Daten mittels der vorgesehenen Algorithmen die Auslöseentscheidungen für Personenschutzmittel bildet. Darüber hinaus ist der Prozessor 26 mit einem CAN-Baustein 27 verbunden, um die fahrdynamischen Daten, die er berechnet hat, wie beispielsweise die Gierrate, auch anderen Systemen zur Verfügung zu stellen. Solche Systeme sind beispielsweise die Fahrdynamikregelung ESP. Der Prozessor 26 ist über hier nicht dargestellte Bausteine, wie eine Zündkreisansteuerung, mit Personenschutzmitteln 28 verbunden, die die Person 29 schützen sollen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermittelt, wie oben dargestellt, aus den Signalen bzw. Messwerten der Sensoren 20 und 21 die Gierrate und kann dabei die Wankrate des Wankratensensors 24 zur Korrektur verwenden. Dies wird im Prozessor 26 durchgeführt.
Die Gierrate ω_Z kann dann über den CAN-Bus 27 anderen Systemen zur Verfügung gestellt werden. Anstatt der externen Sensoren 20 und 21 können auch nur interne Sensoren 23 verwendet werden. Diese müssen dann zueinander beabstandet sein, um den Abstand dry zu realisieren. Je nach Auslegung und Robustheit kann die entsprechende Konfiguration dann gewählt werden.
3 erläutert noch einmal in einem Flussdiagramm die erfindungsgemäße Vorrichtung. In Verfahrensschritt 300 erfassen die Sensoren 13 und 14 die Beschleunigungen a_y1 und a_y2. In Verfahrensschritt 301 wird dann gemäß der letzten Gleichung a_y1 von a_y2 subtrahiert und durch den Abstand dry, der im Speicher des Airbagsteuergeräts abgelegt ist, dividiert. In Verfahrensschritt 302 wird mit dem Wankratensensor 24 die Wankrate ω_X erfasst. In Verfahrensschritt 303 wird dann eine Differenz aus den Ergebnissen der Verfahrensschritte 301 und 302 gebildet, wobei die Wankrate quadriert wird. Aus diesem Ergebnis wird dann die Quadratwurzel in Verfahrensschritt 304 gezogen. Somit liegt dann in Verfahrensschritt 305 die Gierrate ω_Z vor, die weiterverarbeitet wird.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit (ω_Z) mittels zweier Beschleunigungssenoren (13, 14, 20, 21), die die gleiche Sensierrichtung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass die Vorrichtung direkt aus Messwerten der Beschleunigungssensoren (13, 14, 20, 21) die Drehgeschwindigkeit (ω_Z) bestimmt, wobei die beiden Beschleunigungssensoren (13, 14, 20, 21) in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem (10) lediglich einen Versatz (dry) in der Sensierrichtung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster der Beschleunigungssensoren (13) in einer ersten Fahrzeugseite oder im Bereich des Falrzeugtunnels und ein zweiter der Beschleunigungssensoren (14) in einer zweiten Fahrzeugseite oder im Bereich des Fahrzeugtunnels angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass die Vorrichtung zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit zusätzlich eine Wankrate (ω_X) berücksichtigt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit die Gierrate (ω_Z) ist.