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Die
Erfindung betrifft eine Zugmaschine mit einer Anhängerkupplung
und ein Regelungsverfahren für
die Rückwärtsfahrt
einer solchen Zugmaschine mit einem Anhänger, der über eine Deichsel mit der Anhängerkupplung
der Zugmaschine gekoppelt ist.
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Die
Rückwärtsfahrt
einer Zugmaschine mit einem Anhänger
ist immer instabil. Der Fahrer muss die Zugmaschine mit einem vorgegebenen
Anhängerwinkel
(Winkel zwischen Anhänger
und Deichsel) rückwärts bewegen,
um stabil zu bleiben. Hierzu kann er sich lediglich des Lenkrads
bedienen, so dass die Steuerung der Rückwärtsfahrt einer Zugmaschine
mit Anhänger äußerst schwierig
ist. Ein Regelungssystem muss das Gleiche leisten können wie der
Fahrer. Es erhält
als Vorgabewert den Anhängerwinkel
und ändert
völlig
eigenständig
den Lenkwinkel (Winkel zwischen Vorderrädern und Längsachse) der Zugmaschine.
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Aus
der
DE 198 06 655
A1 ist eine elektronische Rangierhilfe für eine Zugmaschine
mit Anhänger
bekannt geworden, bei welcher ein Anhängerwinkel, ein Deichselwinkel
(Winkel zwischen Deichsel und Zugmaschine) und ein Lenkwinkel gemessen werden
und aus diesen Winkeln ein Soll-Lenkwinkel ermittelt wird, der zur
Einhaltung des Anhängerwinkels
erforderlich ist.
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Die
WO 00/44605 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückwärtsbewegung
eines Fahrzeugs oder einer Kombination von Fahrzeugen. Die Vorrichtung
umfasst eine Steuereinheit zur Festlegung der gewünschten
Bahnkurve bei der Rückwärtsbewegung.
Die gewünschte
Bahnkurve wird mittels der Steuereinheit vom Fahrer vorgegeben und
ein zur Einhaltung dieser Kurve notwendiger Lenkwinkel ermittelt.
Die Rückwärtsfahrt
wird mit einem kontinuierlichen, geschlossenen Regelkreis so geregelt,
dass der Ist-Lenkwinkel an den zur Einhaltung der Bahnkurve notwendigen
Soll-Lenkwinkel angepasst wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zugmaschine mit einer Anhängerkupplung
und ein Regelungsverfahren bereitzustellen, mit deren Hilfe die
Rückwärtsfahrt
der Zugmaschine stabilisiert wird.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Zugmaschine der eingangs genannten Art,
bei der die Anhängerkupplung
relativ zur Zugmaschine in Längsrichtung
der Zugmaschine verschiebbar ist. Durch die Möglichkeit, die Anhängerkupplung
zu verschieben, wird ein zusätzlicher
Freiheitsgrad geschaffen, welcher die Stabilisierung der Rückwärtsfahrt
erleichtert. Mit der Verschiebung der Anhängerkupplung ist insbesondere
eine schnelle Beeinflussung des Anhängerwinkels möglich.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Führungsvorrichtung
zur Führung
der Anhängerkupplung
vorgesehen. Die Führungsvorrichtung
dient zur mechanischen Stabilisierung der Anhängerkupplung. Die Führungsvorrichtung
kann beispielsweise als Translationsbank ausgestaltet sein, auf
der die Anhängerkupplung
verschoben wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Messeinheit
zur Bestimmung der Position und/oder der Verschiebe-Geschwindigkeit
der Anhängerkupplung
vorgesehen. Die Messeinheit kann beispielsweise einer Mehrzahl von
Magnetfeldsensoren umfassen. Die Position der Anhängerkupplung
kann auch optisch vermessen werden, indem jeweils ein Laser oder
eine Laserdiode an den zwei Endpunkten des Verschiebewegs der Anhängerkupplung
angebracht werden. Die Entfernung der Anhängerkupplung von den Endpunkten
wird durch eine Korrelationsmessung von zwei Signalen bestimmt,
die von den Lasern ausgesandt und von der Anhängerkupplung reflektiert werden.
Die Position der Anhängerkupplung
kann auch durch ein Kamerasystem gemessen werden, welches ein Bild
der Anhängerkupplung
aufnimmt und über
einen Vergleich mit gespeicherten Bildern der Kupplung deren Position
ermittelt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Antrieb
zur Verschiebung der Anhängerkupplung
vorgesehen. Mittels des Antriebs ist ein nicht-manuelles Verschieben
der Anhängerkupplung möglich, z.B.
indem einem elektronischen Steuergerät eine Soll-Position der Anhängerkupplung
vorgegeben wird, welches den Antrieb zum Erreichen dieser Position
geeignet ansteuert.
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Vorteilhaft
ist es, wenn der Antrieb als pneumatische Druckeinheit, z.B. als
teleskopartige Ausziehvorrichtung, oder als Riemenantrieb ausgebildet ist.
Der Riemen des Riemenantriebs wird über einen Motor angetrieben,
der an einem Ende des Riemens angreift, während am anderen Ende des Riemens
die Anhängerkupplung
positioniert ist.
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Die
Aufgabe wird außerdem
gelöst
durch ein Regelungsverfahren der eingangs genannten Art, bei dem
der Ist-Anhängerwinkel
zwischen Anhänger
und Deichsel gemessen und an einen für eine gewünschte Rückwärtsfahrtbahnkurve vorgegebenen
Soll-Anhängerwinkel
angeglichen wird, indem die Anhängerkupplung
mittels des Antriebs verschoben wird, bis der Ist-Anhängerwinkel
mit dem Soll-Anhängerwinkel übereinstimmt. Mittels eines solchen Regelungsverfahrens
wird eine stabile Rückwärtsfahrt
auf einer vom Fahrer über
den Soll-Anhängerwinkel
vorgegebenen Bahnkurve ermöglicht.
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Bei
einer bevorzugten Verfahrensvariante wird der Ist-Anhängerwinkel
an den Soll-Anhängerwinkel
angeglichen, indem zusätzlich
zum Verschieben der Anhängerkupplung
der Lenkwinkel der Vorderräder
der Zugmaschine verändert
wird. Eine kombinierte Steuerung sowohl des Lenkwinkels als auch der
Position der Anhängerkupplung
erlaubt eine besonders einfache und stabile Regelung der Rückwärtsfahrt
der Zugmaschine.
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Bei
einer vorteilhaften Verfahrensvariante ist die Gewichtung zwischen
einem ersten Regelungsbeitrag durch das Verschieben der Anhängerkupplung
und einem zweiten Regelungsbeitrag durch das Verändern des Lenkwinkels eine
Funktion der Änderungsgeschwindigkeit
(Θ) des
Soll-Anhängerwinkels und
der Geschwindigkeit (vz) der Zugmaschine. Durch
die unterschiedliche Gewichtung in Abhängigkeit von (Θ, vz)-Werten kann die Regelung der Rückwärtsfahrt
optimiert werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich,
wenn die Regelung in mindestens zwei aufeinander folgenden Zeitabschnitten
durchgeführt
wird, denen jeweils ein (vz,Θ)-Wertebereich
zugeordnet ist, und die Zeitabschnitte sich durch die Gewichtung
des ersten und zweiten Regelungsbeitrages voneinander unterscheiden.
Die Einteilung des Regelungsverfahrens in mehrere Zeitabschnitte
erlaubt es, die Gewichtung der Regelungsbeiträge in verschiedenen Phasen
der Regelung zu optimieren.
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Bei
einer bevorzugten Verfahrensvariante wird in mindestens einem Zeitabschnitt
die Regelung sowohl durch das Verschieben der Anhängerkupplung
als auch durch das Verändern
des Lenkwinkels erreicht. Diese Steuerungsart ist insbesondere zu Beginn
der Regelung von Vorteil, wenn der Ist-Anhängerwinkel weit vom Soll-Anhängerwinkel
entfernt ist und die Geschwindigkeit, mit der eine Anpassung erfolgen
muss, demzufolge hoch ist.
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Bei
einer vorteilhaften Verfahrensvariante erfolgt in mindestens einem
Zeitabschnitt die Regelung durch das Verändern des Lenkwinkels, während die Anhängerkupplung
in eine Mittelposition verfahren wird. Diese Steuerungsart ist in
einem Zeitabschnitt der Regelung besonders bevorzugt, bei dem die
Geschwindigkeit Θ der Änderung
des Soll-Anhängerwinkels
gering ist. Das Verschieben der Anhängerkupplung in eine Mittelposition
ist für
einen nachfolgenden Zeitabschnitt der Regelung besonders günstig, bei
dem die Regelung im Wesentlichen über die Anhängerkupplung stattfindet.
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Bei
einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante stimmt in mindestens
einem Zeitabschnitt der Ist-Anhängerwinkel
im Wesentlichen mit dem Soll-Anhängerwinkel überein und
durch das Verschieben der Anhängerkupplung
werden Fluktuationen des Ist-Anhängerwinkels
um den Soll-Anhängerwinkel
kompensiert. Bei dieser Steuerungsart ist es günstig, wenn die Anhängerkupplung
in der Nähe der
Mittelposition verbleibt, da beim Erreichen der maximal möglichen
Auslenkung der Anhängerkupplung
das System blockiert ist. Hierzu kann die Position der Anhängerkupplung über eine
Steuerung des Lenkradwinkels in die Nähe der Mittelposition verschoben
werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche
Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale
können
je einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante
der Erfindung realisiert sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel
ist in der schematischen Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung erläutert.
Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Anhängerkupplung einer erfindungsgemäßen Zugmaschine;
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2 eine über eine
Deichsel mit einem Anhänger
gekoppelte Zugmaschine in einer Draufsicht;
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3 ein
Blockschaltbild eines Regelkreises zur Durchführung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens
für die
Rückwärtsfahrt
der Zugmaschine;
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4 ein
(Θ,vz)-Diagramm mit drei (Θ,vz)-Wertebereichen.
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In
der 1 ist eine Anhängerkupplung 1 dargestellt,
die auf einer als Führungsvorrichtung
dienenden Translationsbank 2 in Längsrichtung kontinuierlich
von einer Mittelposition 5 aus zwischen einem ersten Endpunkt 6 und
einem zweiten Endpunkt 7 der Translationsbank 2 verschiebbar
ist. Ein Riemenantrieb mit einem Motor 3, der einen mit
der Anhängerkupplung 1 verbundenen
Riemen 8 antreibt, ist zum kontinuierlichen Verschieben
der Anhängerkupplung 1 vorgesehen.
Der Motor 3 kann über
eine nicht bildlich dargestellte elektronische Steuereinheit angesteuert
werden, um eine Positionsveränderung
der Anhängerkupplung 1 auf
der Translationsbank 2 vorzunehmen. Eine in Längsrichtung
angeordnete Mehrzahl von Magnetfeldsensoren ist als Messeinheit 4 zur
Positionsbestimmung der Anhängerkupplung 1 unterhalb
der Translationsbank 2 angebracht. Die Anhängerkupplung 1 weist
ein Magnetisierungssystem auf, welches bei Bewegung der Anhängerkupplung
bestimmte Magnetfeldsensoren der Messeinheit 4 anregt.
Hierdurch ist es möglich,
die Position und die Geschwindigkeit der Anhängerkupplung 1 auf
der Translationsbank 2 zu messen.
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung ist sowohl zur lokalen
als auch zur globalen Steuerung der Position der Anhängerkupplung 1 auf
der Translationsbank 2 ausgelegt. Bei der lokalen Steuerung
gibt ein Steuerbefehl (Δ,
siehe 3) eine Länge
vor, um die die Anhängerkupplung
in Längsrichtung
verschoben werden soll. Bei der globalen Steuerung gibt ein Steuerbefehl
(Δ, siehe 3)
einen Punkt auf der Translationsbank 2 vor, an dem die
Anhängerkupplung 1 positioniert
werden soll. Für
die globale Steuerung ist im Allgemeinen eine Positionsregelung
mit Positionsmessung über
die Messeinheit 4 nötig.
Die Steuerung der Position der Anhängerkupplung kann sowohl zur
elektronischen Stabilitätsregelung
bei der Vorwärtsfahrt
(ESP) als auch bei der Rückwärtsfahrt verwendet
werden.
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In
der 2 ist eine Zugmaschine 10 dargestellt,
welche über
eine Deichsel 12 mit einem Anhänger 11 gekoppelt
ist. Die Anhängerkupplung 1 ist
mittig am hinteren Ende der Zugmaschine 1 angebracht, wobei
die Translationsbank 2 in Richtung der Längsachse
der Zugmaschine 1 verläuft.
Ein Lenkwinkel ϕL der Zugmaschine
liegt zwischen den Vorderrädern 13 und
der Längsachse
der Zugmaschine 1, ein Deichselwinkel ϕHIst zwischen der Längsachse der Zugmaschine 1 und
der Deichsel 12 sowie ein Anhängerwinkel ϕHHIst zwischen der Deichsel 12 und
der Längsachse
des Anhängers 11.
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Bei
der Rückwärtsfahrt
der Zugmaschine 1 wird ein Soll-Anhängerwinkel ϕHHSoll für
eine gewünschte
Rückwärtsfahrtbahnkurve
vom Fahrer vorgegeben. Eine Anpassung des Ist-Anhängerwinkels ϕHHIst an den Soll-Anhängerwinkel ϕHHSoll ist über eine Steuerung von zwei
Stellgrößen möglich, und
zwar einerseits über
den Lenkwinkel ϕL und andererseits über die
Position der Anhängerkupplung 1.
Der für eine
stabile Regelung der Rückwärtsfahrt
geeignete Lenkwinkel ϕL bzw. die
günstigste
Position der Anhängerkupplung 1 bei
gegebenem Soll-Anhängerwinkel ϕHHSoll müssen
berechnet werden. Hierzu wird der momentane Anhängerwinkel ϕHHIst sowie der momentane Deichselwinkel ϕHIst mittels geeigneter, nicht bildlich dargestellter
Sensoren gemessen. Zusätzlich wird
die Geschwindigkeit vz der Zugmaschine in Längsrichtung
bestimmt.
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In
der 3 ist ein Blockschaltbild eines Regelkreises zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gezeigt. Eingangsgrößen für einen ersten
Regler R1 des Regelkreises sind der Soll-Anhängerwinkel ϕHHSoll der Ist-Anhängerwinkel ϕHHIst und die Geschwindigkeit vz der
Zugmaschine in Längsrichtung.
In Abhängigkeit
von diesen Größen legt
der erste Regler R1 eine Gewichtung zwischen einem ersten Regelungsbeitrag
durch das Verschieben der Anhängerkupplung 1 und
einem zweiten Regelungsbeitrag durch Steuern des Lenkwinkels ϕL auf einen Sollwert ϕLSoll hin
fest. Die Kriterien, nach denen der Regler R1 diese Gewichtung vornimmt,
sind unten in der Beschreibung zu 4 näher beschrieben.
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Den
ersten Regelungsbeitrag liefert der erste Regler R1 direkt, indem
er einen Steuerbefehl Δ an eine
Steuereinheit zum Verschieben der Anhängerkupplung 1 gibt.
Der zweite Regelungsbeitrag wird über einen zweiten und dritten
Regler R2, R3 bereitgestellt (Kaskadenregelung). Der erste Regler
R1 liefert als Ausgangsgröße eine
Veränderung
des Deichselwinkels ϕHVar, welche
zur Fehlerreduzierung notwendig ist, an den Regler R2. Der Regler
R2 vergleicht diesen Winkel mit dem gemessenen Ist-Deichselwinkel ϕHIst und liefert einen Soll-Deichselwinkel ϕHSoll als Eingangsgröße für den dritten Regler R3. Dieser
setzt den Soll-Deichselwinkel ϕHSoll in
einen Soll-Lenkwinkel ϕLSoll um, der an ein nicht bildlich dargestelltes
Steuergerät
zur Einstellung des Lenkwinkels ϕL übertragen
wird.
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Parallel
dazu gibt ein Modell M in Abhängigkeit
vom Soll-Anhängerwinkel ϕHHSoll dem zweiten Regler R2 einen Modell-Deichselwinkel ϕHModell und dem dritten Regler R3 einen Modell-Lenkwinkel ϕLModell vor. Diese Werte werden aus Modellannahmen
abgeleitet, die auf der Dimensionierung der Zugmaschine 10,
des Anhängers 11 und
der Deichsel 12 basieren, und die durch jeden der Winkel
bestimmt sein müssen.
Auch ohne Verwendung des Modells M lässt sich der Regelkreis zur
Regelung der Rückwärtsfahrt einsetzen,
indem Deichselwinkel und Lenkwinkel Schritt für Schritt bestimmt werden.
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Die
Gewichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Regelungsbeitrag
wird im ersten Regler R1 durchgeführt. Hierzu wird die Norm Θ der Geschwindigkeitsänderung
des Soll-Anhängerwinkels in
einer Zeit von 0,1 s
sowie die Geschwindikeit
v
z der Zugmaschine
1 in Längsrichtung
bzw. deren Betrag |v
z| bestimmt. In Abhängigkeit
von diesen beiden Größen wird
die Gewichtung vorgenommen.
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Die 4 zeigt
ein typisches (Θ,
vz)-Diagramm mit drei (Θ, vz)-Wertebereichen S1,
S2, S3, die sich durch die Gewichtung des ersten und zweiten Regelungsbeitrags
voneinander unterscheiden. Die Form der (Θ, vz)-Wertebereiche
kann von Fahrzeugtyp zu Fahrzeugtyp variieren. Jedem der drei Wertebereiche
S1, S2, S3 ist ein Zeitabschnitt bei der Anpassung des Ist-Anhängerwinkels ϕHHIst an den Soll-Anhängerwinkel ϕHHSoll zugeordnet.
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In
Wertebereich S1 wird auf eine sehr schnelle Änderung des Vorgabewinkels ϕHHSoll reagiert . Die Regelung erfolgt im
Wesentlichen über
das Verschieben der Anhängerkupplung 1,
wobei der Lenkwinkel ϕL variiert
wird, um die Drehung der Deichsel 12 zu beschleunigen.
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In
Wertebereich S2 wird auf langsame Änderungen des Vorgabewinkels ϕHHSoll reagiert. Die Regelung erfolgt im
Wesentlichen über
das Einstellen des Lenkwinkels ϕL,
wobei die Kaskadenregelung über
die drei Regler R1, R2, R3 zum Einsatz kommt. Die Anhängerkupplung 1 wird
langsam auf die Mittelposition 5 zubewegt, um eine stabile
Positionierung der Zugmaschine 10 zu erreichen.
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In
Wertebereich S3 ist die Zugmaschine 10 mit Anhänger 11 fast
stabil und der Vorgabewinkel ϕHHSoll fast
erreicht. Es bestehen allerdings noch kleine Schwankungen, welche
z.B. durch Rauschen hervorgerufen werden. Die Kompensation dieser Schwankungen
erfolgt ausschließlich
mit der Anhängerkupplung 1.
Wenn sich der stabile Zustand der Anhängerkupplung 1 zu
weit von der Mittelposition 5 der Translationsbank 2 entfernt,
wird zusätzlich
der Lenkwinkel ϕL gesteuert, um
die Anhängerkupplung 1 wieder
in die Nähe
der Mittelposition 5 zu bringen. Dadurch lässt sich
vermeiden, dass die Anhängerkupplung
bis zu den Endpunkten 6,7 der Bewegung auf der
Translationsbank 2 ausgelenkt wird, so dass das Blockieren
des Systems an einem der Endpunkte 6,7 sich wirksam
verhindern lässt.
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Für gewöhnlich werden
die Zeitabschnitte, welche den Wertebereichen S1, S2, S3 zugeordnet sind,
zeitlich aufeinander folgen, so dass zunächst der Wertebereich S1, dann
der Wertebereich S2 und zuletzt der Wertebereich S3 durchlaufen
wird.
