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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16.
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Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der
DE 41 27 725 A1 beschrieben. Die bekannte Vorrichtung benötigt Drucksensoren, um den Seitenwind-Einfluss zu erfassen. Drucksensoren an der Außenseite eines Fahrzeugs anzubringen, ist jedoch ästhetisch oft nicht vorteilhaft. Zusätzlich ist der konstruktive und kostenmäßige Aufwand für derartige Sensoren nicht unbeträchtlich. Andererseits sind Seitenwind-Werte zur Qualifizierung eines Seitenwind-Einflusses hilfreich, beispielsweise um ein Lenkassistenzsystem zu realisieren, das Seitenwind-Einflüsse kompensiert. Der Fahrer des Fahrzeugs muss dann die Seitenwind-Einflüsse auf das Fahrzeug nicht durch manuelle Lenkeingriffe aktiv beseitigen, sondern wird diesbezüglich durch das Lenkassistenzsystem unterstützt.
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Aus der gattungsbildenden
DE 41 33 060 A1 ist eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die für jedes Antriebsrad einen Elektromotor aufweist, über die das Eigenlenkverhalten des Fahrzeugs in Abhängigkeit des Seitenwindes steuerbar ist, wobei zur Ermittlung eines Seitenwindeinflusses ein Windgiermoment ermittelt wird und wobei das Windgiermoment anhand eines Gierratenwerts und eines Querbeschleunigungswerts ermittelt wird.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern, um Seitenwind-Einflüsse auch ohne Drucksensoren zu erfassen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorteilhafterweise wird der Querbeschleunigungswert als Querbeschleunigungs-Sensorwert mit Hilfe eines Querbeschleunigungssensors erfasst. Vorteilhafterweise wird ergänzend oder alternativ der Gierratenwert als Gierraten-Sensorwert mit Hilfe eines Gierratensensors erfasst. Die Erfassung dieser beiden Werte bzw. Größen mit Hilfe entsprechend ausgestalteter Sensormittel soll keine Einschränkung darstellen. Es ist ebenso denkbar, diese beiden Werte bzw. Größen mit Hilfe geeigneter Modelle oder Schätzmittel, beispielsweise aus der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Lenkradwinkel zu ermitteln.
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Bei dem vorstehend erwähnten Fahrzeugmodell handelt es sich vorteilhafterweise um ein linearisiertes Querdynamik-Einspurmodell des Fahrzeuges.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass die beiden Begriffe Gierrate und Giergeschwindigkeit dieselbe physikalische Größe beschreiben und somit gleichbedeutend sind.
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Ein Grundgedanke der Erfindung ist, anhand von durch Fahrzeug-Sensoren erfassten Sensorwerten und eines linearisierten Einspurmodells der Querdynamik des Fahrzeugs, beispielsweise mit den Formeln (1) und (2)
v .y = a se n sor / y – ψ .vx – gΦ (1) einen oder mehrere Seitenwind-Werte, insbesondere einen Seitenwind-Kraftwert S
w, zu ermitteln. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung erreicht. Der mindestens eine Seitenwind-Wert kann beispielsweise durch ein Lenkassistenzsystem und/oder ein Steer-by-wire-System zur Unterstützung des Fahrzeug-Fahrers ausgewertet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise als Lenkassistenzsystem ausgestaltet bzw. in einem solchen enthalten. Die Vorrichtung eignet sich für eine Vielzahl von Fahrzeug-Typen, z. B. Personen-Fahrzeuge und Nutzfahrzeuge, aber z. B. auch für Motorräder.
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Bei den Formeln (1) und (2) bedeuten:
- vy Quergeschwindigkeit, bzw. v .v Querbeschleunigung des Fahrzeugs,
- a sens / y wankbereinigte Querbeschleunigung des Fahrzeugs,
- ψ . Giergeschwindigkeit und ψ .. Gierbeschleunigung des Fahrzeugs,
- vx Längsgeschwindigkeit oder Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs,
- g Erdbeschleunigung,
- Φ Straßenquerneigung,
- Sv Seitenkraft an der Vorderachse des Fahrzeugs,
- lv Abstand der Vorderachse des Fahrzeugs von dessen Schwerpunkt SP,
- Sh Seitenkraft an der Hinterachse des Fahrzeugs,
- ln Abstand der Hinterachse des Fahrzeugs von dessen Schwerpunkt SP,
- Sw durch Seitenwind-Einfluss verursachte Seitenwind-Kraft,
- e Abstand (”Seitenwind-Hebelarm”) zwischen Fahrzeugschwerpunkt SP und aerodynamischen Angriffspunkt AP,
- Jzz Trägheitsmoment um die Hochachse des Fahrzeugs.
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Die obengenannten Größen sind größtenteils auch in 1 der Zeichnung eingezeichnet.
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Für bekannte Steuerungsaufgaben des Fahrzeugs, insbesondere für ein Fahrstabilitätssystem, z. B. ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP), oder dergleichen, stehen bereits Messwerte bzw. Sensorwerte zur Verfügung. Für Druck-Sensorwerte zur Erfassung von Seitenwind hingegen würde man zusätzliche Sensoren benötigen, was einen zusätzlichen Aufwand verursacht. Druck-Sensoren an der Außenseite des Fahrzeugs sind zudem nicht ästhetisch. Solche zusätzlichen Sensoren sind erfindungsgemäß nicht erforderlich. Vielmehr werden von ohnehin vorhandenen Sensoren ermittelte Messwerte bzw. Sensorwerte erfindungsgemäß ausgewertet, z. B. Drehzahl-Messwerte, Gierraten-Messwerte, Querbeschleunigungs-Messwerte und Lenkwinkelwerte.
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Erfindungsgemäß werden ein z. B. von einem Gierratensensor erfasster Giergeschwindigkeitswert ψ . und/oder Gierbeschleunigungswert ψ .. und ein wankbereinigter, d. h. um ein Wanken des Fahrzeugs in Querrichtung bereinigter Querbeschleunigungs-Sensorwert a sens / y ausgewertet.
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Ferner wird vorzugsweise die Längsgeschwindigkeit oder Fahrgeschwindigkeit vx des Fahrzeugs ausgewertet, die anhand von Drehzahlmesswerten der Räder des Fahrzeugs ermittelbar ist.
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Auch ein Lenkwinkelwert δ, der beispielsweise von einem Lenksensor stammt, kann ausgewertet werden.
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Gemäß Formel (1) wird die Querbeschleunigung v .y, des Fahrzeugs um die Komponenten Coriolis-Beschleunigung und Straßenquerneigungsbeschleunigung sozusagen ”bereinigt”. Eine erfindungsgemäße Grundidee ist, dass eine durch Seitenwind-Einfluss verursachte Längskraft, die Seitenwind-Kraft und das hervorgerufene Giermoment in einem bestimmten, durch die Aerodynamik des Fahrzeuges vorgegebenen, spezifischen Verhältnis zueinander stehen. Folglich zeigen auch die mit den typischerweise beim Fahrzeug bereits vorhandenen Sensoren gemessenen Größen bei einer Seitenwindstörung ein spezifisches Muster, das bei anderen Störungen, wie z. B. Fahrbahnquerneigung, nicht auftritt.
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Bei Kenntnis der aerodynamischen Beiwerte, die z. B. für ein Fahrzeug ohne Anbauten als konstant vorausgesetzt werden können, lassen sich auf der Grundlage einer erfindungsgemäßen Fusion bekannter Sensorwerte z. B. Anströmwinkel und Anströmgeschwindigkeit des Seitenwindes berechnen.
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Für den Querbeschleunigungs-Sensorwert
a sensor / y gilt die folgende Formel
bei der m die Fahrzeugmasse des Fahrzeugs ist. Setzt man die Formel (3) in die Formel (1) ein ergibt sich:
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In der Formel (2) ist die folgende Beziehung Mw = e(τw)·Sw (5) berücksichtigt, bei der τw der resultierende Anströmwinkel des Seitenwindes ist, nämlich der Winkel zwischen der Längsgeschwindigkeit vx des Fahrzeugs und einer resultierenden, auf die Fahrzeug-Mitte MP des Fahrzeugs wirkenden Anströmgeschwindigkeit vres. Die Längsgeschwindigkeit vx des Fahrzeugs und die Seitenwindgeschwindigkeit vW addieren sich geometrisch zu der Anströmgeschwindigkeit vres. Mw ist ein zusätzliches, durch Seitenwind verursachtes Giermoment, das auf den Schwerpunkt SP des Fahrzeugs wirkt.
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Für die Seitenkräfte S
v und S
h an der Vorderachse und der Hinterachse des Fahrzeugs gelten z. B. linearisierte Seitenkraftbeziehungen
bei denen die C
v und C
h Schräglaufsteifigkeiten der Vorderräder und der Hinterräder des Fahrzeugs sind.
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Es wird angenommen, dass sich die Straßenquerneigung Φ und die Seitenwind-Kraft Sw nur sprungförmig ändern: Φ . = 0 (8) S .W = 0 (9)
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Aufgrund der Formeln (3), (6) und (7) gilt:
bzw. in vereinfachter Darstellung:
a sensor / y = c11vY + c13Sw + uay(ψ ., δ, vx) (11) wobei S
w und v
v gesucht sind. Ferner gilt die folgende Messgleichung:
bzw. in vereinfachter Darstellung:
y = C·x + D·u (13) -
Sowie die Zustandsgleichung:
bzw. in vereinfachter Darstellung:
ẋ = A·x + B·u (15) mit
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Zur Ermittlung bzw. Schätzung von Schätzwerten S ^w, v ^y und Φ ^ für die Seitenwind-Kraft, die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs sowie die Straßenquerneigung hat sich ein Beobachter oder Kalmanfilter als zweckmäßig erwiesen. Die Zustände von Sw, vy, und Φ werden sozusagen beobachtet.
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Beispielsweise werden bei dem Beobachter eine Integration der Gleichung (15) und eine Differenzbildung durchgeführt, d. h. ein Vergleich, zwischen gemessenen und geschätzten Werten für die Gierbeschleunigung (ψ ..,
) und die Querbeschleunigung
(a sensor / y, a ^y) durchgeführt, wobei die Differenzwerte mit einem Korrekturfaktor K korrigiert werden. Dies kann durch die Formel
ausgedrückt werden.
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Anhand der geschätzten Seitenwind-Kraft Sw ermittelt dann die erfindungsgemäße Vorrichtung zweckmäßigerweise weitere von Seitenwind abhängige Seitenwind-Werte, wobei diese z. B. durch die nachfolgenden aerodynamischen Beziehungen realisiert sind: Fw = ρ / 2AS·cw(τw)·v 2 / res (20) Sw = ρ / 2AS·cs(τw)·v 2 / res (21) Mw = ρ / 2AS·L·cn(τw)·v 2 / res (22) bei denen Fw eine durch eine Seitenwindstörung entstehende Längskraft, ρ die Luftdichte, AS die Seiten-Bezugsfläche des Fahrzeugs, L die Bezugslänge des Fahrzeugs und cw, cs und cn die in Frontalrichtung, Seitenrichtung und Normalrichtung des Fahrzeugs wirksamen aerodynamischen Beiwerte sind.
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Die Verläufe der aerodynamischen Beiwerte cs, cn und cw sind vom resultierenden Anströmwinkel τw des Seitenwindes abhängig und für ein Beispiel-Fahrzeug gemäß 1 beispielhaft in den 2, 3 und 5 dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann z. B. anhand der Formel (21) und einem bekannten, z. B. in einer Tabelle gespeicherten, und z. B. in 2 gezeigten Verlauf des aerodynamischen Beiwertes cs den resultierenden Anströmwinkel τw des Seitenwindes ermitteln. Anhand von Formel (5) kann die erfindungsgemäße Vorrichtung z. B. den Abstand bzw. die Hebellänge e ermitteln.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein Fahrzeug mit eingezeichneten, teilweise von Seitenwind abhängigen Werten,
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2 einen Verlauf eines von einem resultierenden Anströmwinkel τw des Seitenwindes abhängigen aerodynamischen Beiwerts cs für das Fahrzeug gemäß 1,
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3 einen Verlauf eines von einem resultierenden Anströmwinkel τw des Seitenwindes abhängigen aerodynamischen Beiwerts cn für das Fahrzeug gemäß 1,
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4 von einem resultierenden Anströmwinkel τw des Seitenwindes abhängige ”Seitenwind-Hebelarm”-Verläufe für das Fahrzeug gemäß 1 sowie ein zweites, nicht dargestelltes Fahrzeug,
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5 einen Verlauf eines von einem resultierenden Anströmwinkel τw des Seitenwindes abhängigen aerodynamischen Beiwerts cw für das Fahrzeug gemäß 1, und
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6 eine schematische Darstellung des Fahrzeugs gemäß 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In den 1 und 6 ist ein Fahrzeug 10, z. B. ein Personenkraftwagen, mit einer Vorderachse 11 und einer Hinterachse 12 dargestellt. Räder 13, 14 der Vorderachse 11 sind lenkbar, hintere Räder 15, 16 der Hinterachse 12 nicht. Mittels Bremsen 17 bis 20 sind die Räder 13 bis 16 abbremsbar. Drehzahlsensoren 21 bis 24 erfassen die jeweilige Drehzahl der Räder 13 bis 16 und senden Drehzahlsignale 30 bis 34 an eine Fahrdynamikvorrichtung 25. Anhand der Drehzahl kann beispielsweise eine Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vx ermittelt werden.
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Das Fahrverhalten des Fahrzeugs 10, insbesondere dessen Lenkung, wird durch die erfindungsgemäße Fahrdynamik-Vorrichtung 25 beeinflusst. Beispielsweise steuert die Fahrdynamikvorrichtung 25 mittels Bremseingriffsignalen 26 bis 29 die Bremsen 17 bis 20 an und bildet z. B. ein sogenanntes Brake-by-Wire-System, ein Fahrstabilitätssystem oder dergleichen. Mittels eines Motorsteuersignals 35 kann die Fahrdynamikvorrichtung 25 z. B. einen Motor 36 oder eine nicht dargestellte Motorsteuerung des Motors 36 ansteuern.
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Die Fahrdynamikvorrichtung 25 beeinflusst beim Ausführungsbeispiel die Lenkung des Fahrzeugs 10 und bildet z. B. ein Steer-by-Wire-System und/oder ein Lenkassistenzsystem. Ein Fahrer 37 des Fahrzeugs 10 gibt an einem Lenkrad 38 oder einer sonstigen Lenkhandhabe des Fahrzeugs 10 einen Lenkwinkel δH vor. Der Vorgabe-Lenkwinkel δH wird durch einen Lenkwinkelsensor 39 erfasst und als Vorgabe-Lenkwinkelsignal 40 einer Lenkaktoranordnung 41 übermittelt, die die Räder 13, 14 lenkt gemäß dem Vorgabe-Lenkwinkelsignal 40.
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Die Fahrdynamikvorrichtung 25 generiert in einer nachfolgend noch näher erläuterten Weise ferner ein Lenkassistenzsignal 42 und ein Lenkeingriffssignal 43 und steuert mit diesen die Lenkaktoranordnung 40 an. Die Lenkaktoranordnung 40 meldet den eingestellten Lenkwinkel δ anhand eines Lenkwinkelsignals 44 an die Fahrdynamikvorrichtung 25.
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Die Fahrdynamikvorrichtung 25 ist vorliegend in Hardware und Software realisiert, wobei ein Prozessor 45 Programmcode von nicht dargestellten Programmmodulen ausführt, der in einem Speicher 46 gespeichert ist. Der Programmcode repräsentiert nachfolgend näher erläuterte Mittel, beispielsweise Schätzmittel 50 und Fahrstabilitätsmittel 48. Die Fahrdynamikvorrichtung 25 kommuniziert über Schnittstellenmittel 49 mit externen Aktoren und Sensoren des Fahrzeugs 10, z. B. den Bremsen 17–20 und den Drehzahlsensoren 21–24.
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Die Fahrdynamikvorrichtung 25 erhält ferner von einem Gierraten-Sensor 51 ein Gierratensensorsignal (Gierratenwert) 52, das beispielsweise die Giergeschwindigkeit ψ . und/oder die Gierbeschleunigung ψ .. des Fahrzeugs 10 enthält.
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Ein Querbeschleunigungssensor 53 übermittelt ein Querbeschleunigungssignal (Querbeschleunigungswert) 54 an die Fahrdynamikvorrichtung 25, in dem beispielsweise die wankbereinigte Querbeschleunigung a sensor / y des Fahrzeugs 10 enthalten ist. Die Schnittstellenmittel 49 ermitteln aus den Drehzahlsignalen 30 bis 34 ein Längsgeschwindigkeitssignal 55, das beispielsweise die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vx des Fahrzeugs 10 enthält.
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Die Schätzmittel 50 generieren anhand der Signale 52, 54, 55, 44 Seitenwindwerte 56, die beispielsweise eine Seitenwind-Kraft Sw, einen Anströmwinkel Tw sowie den Hebelarm e enthalten. Zur Ermittlung der Seitenwindwerte 56 wenden die Schätzmittel 50 ein lineares Einspurmodell der Querdynamik des Fahrzeugs, beispielsweise auf der Grundlage der Formeln (1) und (2) an, wobei die weiteren erläuterten Formeln und Beziehungen (3) bis (22) bei den Schätzmitteln 50 zumindest teilweise realisiert sind, beispielsweise in Form von entsprechendem Programmcode.
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Bei den Schätzmittel 50 sind feste oder teilweise variable Parameter des Fahrzeugs 10, beispielsweise dessen Trägheitsmoment um die Hochachse Jzz, dessen Masse m, die Abstand lv, lh, die Schräglaufsteigigkeiten Cv und Ch als Parameter hinterlegt. Ferner sind die in den 2 bis 5 dargestellten Verläufe der Beiwerte cs, cn und cw zumindest abschnittsweise in Form von beispielsweise digitalen Parametern, z. B. in Tabellenform, gespeichert. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Wert cw durch die Schätzmittel 50 auch als konstant angenommen werden kann, beispielsweise auf 0,38 oder dergleichen. Die programmtechnische Realisierung der vorgenannten Formeln (1) bis (22) sowie die Parametrisierung und Speicherung von Werteverläufen sind dem Fachmann bekannt und sollen an dieser Stelle nicht näher erläutert werden.
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Die Schätzmittel 50 enthalten einen Beobachter 57, der im wesentlichen auf einer progammtechnischen Realisierung der Formeln (8) bis (19) basiert.
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Ein Integrator 58 führt eine Integration auf der Grundlage der Formel (15) und der Formel (13) durch und geniert dabei Schätzwerte 59, die beispielsweise vy, ψ . und sw enthalten. Ferner berechnet der Inegrator 58 beispielsweise anhand der Formel (13), einer Messgleichung, Rechenwerte 60, die z. B. einen Querbeschleunigungswert ay sowie einen Gierbeschleunigungswert ψ .. enthalten. Die Rechenwerte 60 werden mit den tatsächlich gemessenen Werten 54 und 52 durch einen Vergleicher 61, der beispielsweise Differenzwerte bildet, verglichen, der beispielsweise Differenzwerte 62 bildet. Ein Verstärker 63 verstärkt die Differenzwerte 62 mit einem Faktor K und bildet Korrekturwerte 64, die er dem Integrator 58 zuführt. Der Vergleicher 61 sowie der Verstärker 63 realisieren beispielsweise die Formel (19).
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Ein Generator 65 generiert anhand der Schätzwerte 59, die unter anderem einen geschätzten Wert für die Seitenwind-Kraft Sw enthalten, weitere Seitenwind-Werte, beispielsweise für den Anströmwinkel τw und den Hebelarm e. Der Generator 65 realisiert hierzu beispielsweise die Formeln (21) und (5). Ferner stützt sich der Generator 65 auf beispielsweise den Verlauf des Beiwert cs gemäß 2 zur Ermittlung des Anströmwinkels τw und/oder auf einen Verlauf des Hebelarms e gemäß 4, um den Hebelarm e zu ermitteln.
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Aus 5 geht hervor, dass bei der Realisierung der Schätzmittel 50 cw = constant von z. B. 0,35 angenommen werden kann, wobei aber auch ein dynamischer, vom Anströmwinkel τw abhängiger Verlauf des Werts cw erfindungsgemäß berücksichtigt sein kann.
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Anhand der Seitenwindwerte 56 können beispielsweise die Fahrstabilitätsmittel 48 das Lenkeingriffssignal 43 erzeugen, um das Fahrzeug 10 zu stabilisieren.
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Ferner wertet ein Lenkassistenzmittel 66 den Seitenwindwert 58 aus, um das Lenkassistenzsignal 42 zu generieren. Entsprechend dem Lenkassistenzsignal 42 erzeugt die Lenkaktoranordnung 41 zusätzliche Lenkkräfte zur Kompensation von Seitenwindeinflüssen, die auf das Fahrzeug 10 wirken.
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Es versteht sich, dass verschiedene Abwandlungen und Erweiterungen der Erfindung ohne weiteres möglich sind.
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Beispielsweise ist eine Realisierung ganz oder teilweise in Hardware möglich.
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Ferner ist es möglich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren einen winkelabhängigen Hebelarm e bei entsprechend linearisierten Modell-Gleichungen realisieren. Ferner ist es möglich, auch das Giermoment Mw mit zu schätzen. Zur Herstellung einer Beobachtbarkeit kann dann auch ein Markov-Prozess für die Windseitenkraft Sw benutzt werden.
