DE102004036565B4

DE102004036565B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Stabilisieren eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102004036565B4
Application number: DE102004036565A
Authority: DE
Inventors: Ansgar Traechtler; Thomas Ehret; Manfred Gerdes; Volker Mehl; K. Hsiencheng Novi Wu; Daniel Novi Patient
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: US20060025896A1; JP2006036203A; JP5154004B2; DE102004036565A1

Abstract

Vorrichtung zur Stabilisierung eines Fahrzeugs (10) in kritischen Fahrsituationen, umfassend
– ein Fahrdynamikregelungssystem (ESP) mit einem Steuergerät (2), in dem ein Fahrdynamikregler (29) hinterlegt ist, mit wenigstens einem Stellglied (18, 19) und einer Sensorik (11) zur Messung verschiedener Fahrzustandsgrößen, sowie
– ein Hinterachslenksystem (RWS) mit einer Steuerelektronik (1) und einem Stellglied (20),
wobei der Fahrdynamikregler (29) einen Gierratenregler (30) und einen Schwimmwinkelregler (31) umfasst, die jeweils eine Ausgangsgröße (ΔM_ZGi, ΔM_Zal) erzeugen, aus denen eine Stellgröße (ΔLwHa) für das Stellglied (20) des Hinterachslenksystems (RWS) abgeleitet wird, wobei das Regelverhalten des Gierratenreglers (30) in Abhängigkeit vom Anteil des Schwimmwinkelreglers (31) und das Regelverhalten des Schwimmwinkelreglers (31) in Abhängigkeit vom Anteil des Gierratenreglers (30) an der Stellgröße (ΔLwHa) für das Hinterachslenksystem (RWS) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, sowie ein Verfahren zur Stabilisierung eines Fahrzeugs in kritischen Fahrsituationen.
Fahrdynamikregelungssysteme, wie z. B. ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm) dienen dazu, die Kontrollierbarkeit von Kraftfahrzeugen in kritischen Fahrsituationen, z. B. beim Übersteuern in Kurvenfahrten, zu verbessern und das Fahrzeug zu stabilisieren. Bekannte Fahrdynamikregelungssysteme umfassen ein Steuergerät, in dem ein Regelalgorithmus zur Durchführung einer Schwimmwinkel- und/oder Giergeschwindigkeitsregelung hinterlegt ist, sowie eine Reihe von Sensoren, die Messwerte über den aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs liefern. Aus der Fahrervorgabe, insbesondere der Lenkradstellung, der Fahrpedalstellung und der Bremsbetätigung werden verschiedene Sollgrößen berechnet. Bei einer zu hohen Abweichung des Ist-Verhaltens vom Soll-Verhalten des Fahrzeugs greift die Fahrdynamikregelung in den Fahrbetrieb ein und erzeugt ein Ausgleichs-Giermoment, das der Gierbewegung des Fahrzeugs entgegenwirkt. Hierzu bedient sich das Fahrdynamikregelungssystem üblicherweise der Fahrzeugbremsen und/oder der Motorsteuerung als Stellglieder, vgl. Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. Wiesbaden: Vieweg, 23. Aufl., 1999. ISBN: 3-528-03876-4.
Moderne Fahrzeuge umfassen in zunehmendem Maße auch aktive Hinterachslenksysteme, die ebenfalls zum Zwecke der Fahrzeugstabilisierung in den Fahrbetrieb eingreifen können. Derartige Systeme umfassen üblicherweise ein eigenes Steuergerät und einen Lenksteller, mit dem der Lenkwinkel der Hinterräder verstellt werden kann. Der Regelalgorithmus des Hinterachslenksystems ermittelt üblicherweise ebenfalls verschiedene Sollwerte von Fahrzustandsgrößen, wie z. B. eine Soll-Gierrate oder einen Soll-Schwimmwinkel, und berechnet aus der Regelabweichung einen erforderlichen Stabilisierungseingriff (den sogenannten Überlagerungslenkwinkel). Die berechneten Lenkwinkeländerungen werden mittels eines Lenkstellers an der Hinterachse umgesetzt und beeinflussen das Fahrverhalten des Fahrzeugs.
Da sowohl die Fahrdynamikregelung ESP als auch das aktive Hinterachslenksystem (RWS) Stabilisierungseingriffe durchführen, kann dies dazu führen, dass sich die beiden Systeme gegenseitig beeinträchtigen und schlimmstenfalls die Fahrsicherheit gefährdet wird.
Aus der US 63 24 446 B1 ist eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Fahrzeugs in kritischen Fahrsituationen bekannt, die ein Fahrdynamikregelungssystem mit zugehörigem Stellglied (Bremsanlage), sowie ein Vorderachslenksystem umfasst. Diese Vorrichtung ist in der Lage, sowohl eine Stellgröße (Bremsdruck) für das Stellglied der Bremsanlage als auch eine Stellgröße (Lenkwinkel) für das Stellglied des Lenksystems zu erzeugen. In einem solchen Fahrdynamikregelungssystem hat ein Regeleingriff des Schwimmwinkelreglers die gleiche Wirkung wie ein Regeleingriff des Gierratenreglers. Die Eingriffe der beiden Regler wirken also genau gleichsinnig.
Aus der DE 102 12 582 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Fahrdynamikregler aus der Regelabweichung der Gierrate Stellgrößen für ein Lenksystem und ein Bremssystem ableitet. Hierbei werden jedoch die besonderen Verhältnisse im Falle einer Hinterachslenkung nicht behandelt.
Aus der DE 101 30 659 A1 , der DE 100 09 921 A1 und der DE 42 26 746 C1 sind ebenfalls verschiedene Fahrdynamikregelungssysteme bekannt, die eine Gierraten- und/oder Schräglaufwinkelregelung durchführen und hierzu mittels eines Lenkstellers der Vorderachslenkung in den Fahrbetrieb eingreifen. Die vorstehend genannte Problematik bei Lenkeingriffen an der Hinterachslenkung wird dabei nicht behandelt.
Die nächstkommende Druckschrift DE 197 49 005 A1 lehrt eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Fahrzeugs in kritischen Fahrsituationen, umfassend ein Fahrdynamikregelungssystem mit einem ersten Steuergerät, in dem ein erster Fahrdynamikregler hinterlegt ist, und ersten Stellgliedern, sowie ein Hinterachslenksystem mit einem zweiten Steuergerät, in dem ein zweiter Fahrdynamikregler hinterlegt ist, einer Steuerelektronik und einem zweiten Stellglied, wobei beide Fahrdynamikregler auf eine Sensorik zur Messung verschiedener Fahrzustandgrößen zugreifen, und wobei die Fahrdynamikregler jeweils einen Gierratenregler und einen Schwimmwinkelregler umfassen und jeweils eine Ausgangsgröße erzeugen, aus der Stellgrößen für die jeweiligen Stellglieder abgeleitet werden, wobei das Regelverhalten der Gierratenregler und Schwimmwinkelregler in Abhängigkeit von der Fahrsituation von einem übergeordneten Systemkoordinator eingestellt wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Stabilisierungseingriffe eines Gierratenreglers und eines Schwimmwinkelreglers bei einem Fahrzeug mit einem erweiterten Fahrdynamikregelungssystem zu koordinieren.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 15 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, ein erweitertes Fahrdynamikregelungssystem (VDM) zu schaffen, das neben dem Bremssystem und der Motorsteuerung auch einen Lenksteller des Hinterachslenksystems ansprechen kann, und dieses System VDM mit nur einem einzigen Regelalgorithmus zu versehen, der eine Reglerausgangsgröße (z. B. ein Giermoment) erzeugt, aus der sowohl eine Stellanforderung für ein erstes Stellglied (d. h. das Bremssystem oder die Motorsteuerung) als auch für den Lenksteller des Hinterachslenksystems gebildet wird. Eine solche zentrale Regelung ist besonders einfach realisierbar und besonders sicher und zuverlässig.
Der entsprechende Regelalgorithmus kann z. B. im Steuergerät des Fahrdynamikregelungssystems implementiert sein. Der bisher vorhandene Fahrdynamikregelungsalgorithmus (ESP) muss zu diesem Zweck nur geringfügig ergänzt und angepasst werden. Im Steuergerät des Hinterachslenksystems wird vorzugsweise keine eigene Fahrdynamikregelung durchgeführt.
Der erweiterte Fahrdynamikregler (VDM) umfasst vorzugsweise eine Verteilereinheit, die aus der Reglerausgangsgröße sowohl eine Stellanforderung für das Bremssystem oder die Motorsteuerung als auch eine Stellanforderung für den Lenksteller des Hinterachslenksystems erzeugt.
Das Steuergerät des erweiterten Fahrdynamikregelungssystems (VDM) und das Steuergerät des Hinterachslenksystems (RWS) sind vorzugsweise an einem gemeinsamen Datenbus (z. B. einem sogenannten Chassis-CAN) angeschlossen, über den verschiedene Lenkwinkelinformationen übertragen werden. Darüber hinaus ist das VDM-Steuergerät vorzugsweise an einem weiteren Bus (z. B. einem sogenannten PT-CAN) angeschlossen, über den insbesondere verschiedene Sensorinformationen der VDM-Sensorik übertragen werden. Durch die getrennte Übertragung von Lenkwinkel- und anderen Sensorinformationen kann die Datenübertragungsgeschwindigkeit erhöht und die Systemsicherheit verbessert werden.
Bei einer erweiterten Fahrdynamikregelung (VDM), wie sie vorstehend beschrieben wurde, treten einige regelungstechnische Besonderheiten auf, die im Folgenden näher erläutert werden:
1. Anpassung des Regelverhaltens des Gierraten- und Schwimmwinkelreglers
Bekannte Fahrdynamikregler umfassen üblicherweise einen Gierratenregler und einen Schwimmwinkelregler, die in Abhängigkeit von ihrer zugehörigen Regelabweichung eine Reglerausgangsgröße erzeugen, aus der die Stellgröße für das Bremssystem (Hydroaggregat) und/oder die Motorsteuerung (Motronic) berechnet wird. Das erfindungsgemäße erweiterte Fahrdynamikregelungssystem (VDM) berechnet auch eine Stellgröße für das Hinterachslenksystem in Abhängigkeit von der Regelabweichung. Dadurch ergibt sich folgende Problematik in Bezug auf die Gierraten- und Schwimmwinkelregelung:
Grundsätzlich hat ein Stelleingriff des Gierratenreglers an der Hinterachslenkung gleichzeitig auch einen Einfluss auf den Schwimmwinkel des Fahrzeugs. Im Gegensatz zu einem Bremseneingriff bewirkt der Eingriff an der Hinterachslenkung eine Erhöhung des Schwimmwinkels bei einer Verringerung der Gierrate. Ein Regeleingriff des Schwimmwinkelreglers auf die Hinterachslenkung bewirkt dagegen eine Erhöhung der Gierrate bei einer Verringerung des Schwimmwinkels. Die Eingriffe der beiden Regler wirken also genau gegensinnig.
In beiden Fällen verschiebt sich der Arbeitspunkt des einen Reglers in Abhängigkeit vom Stelleingriff des anderen Reglers. Dadurch können sich die beiden Regler gegenseitig aufschaukeln und die Stabilität des Fahrzeugs beeinträchtigen. Es wird daher vorgeschlagen, vorzugsweise das Regelverhalten des Gierratenreglers in Abhängigkeit vom Anteil des Schräglaufwinkelreglers und das Regelverhalten des Schräglaufwinkelreglers in Abhängigkeit vom Anteil des Gierratenreglers an der Stellgröße für das Hinterachslenksystem anzupassen. Zu diesem Zweck kann z. B. die Empfindlichkeit der Regler entsprechend variiert werden.
Zur Beeinflussung der Regler-Empfindlichkeit kann entweder die Anregelschwelle der Regler angepasst oder die Regelabweichung selbst korrigiert werden. So kann z. B. die Regelabweichung des Gierratenreglers in Abhängigkeit vom Anteil des Schwimmwinkelreglers und die Regelabweichung des Schwimmwinkelreglers in Abhängigkeit vom Anteil des Gierratenreglers an der Stellgröße für das Hinterachslenksystem eingestellt werden.
Zur Anpassung der Regelabweichung ist vorzugsweise eine Korrektureinheit vorgesehen, die aus den Regelabweichungen der Regler jeweils eine korrigierte Regelabweichung erzeugt, die dann die Grundlage für die Gierraten- bzw. Schwimmwinkelregelung bilden. Die Korrektureinheit definiert vorzugsweise eine tote Zone, d. h. einen Bereich der Regelabweichung, in der die Regelabweichung zu Null gesetzt wird, und einen Bereich, in dem die ursprüngliche Regelabweichung um eine vorgegebenen Betrag reduziert wird. Dadurch werden die Arbeitspunktverschiebungen des einen Reglers aufgrund des Regeleingriffs des jeweils anderen Reglers kompensiert.
2. Bereichsweise Aktivierung/Deaktivierung des Gierratenreglers in Abhängigkeit vom Schräglaufwinkel
Bei hohen Schräglaufwinkeln der Räder der Hinterachse kann durch eine Änderung des Hinterachslenkwinkels nur eine sehr schwache oder gar keine Wirkung auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs ausgeübt werden, da sich die Reifenquerkräfte bei großen Schräglaufwinkeln nur noch geringfügig ändern. Im Bereich großer Schräglaufwinkel (z. B. zwischen 3° und 5°), insbesondere bei niedrigem Reibwert (z. B. Schnee), kann durch einen noch weiteren Einschlag des Lenkrads kaum noch Lenkwirkung erzielt werden. Um das Fahrzeug dennoch stabilisieren zu können, wird daher vorgeschlagen, in einem Bereich großer Schräglaufwinkel (der sich je nach Fahrbahnuntergrund unterscheiden kann), den Fahrdynamikregler stärker über das Bremssystem und/oder die Motorsteuerung in den Fahrbetrieb eingreifen zu lassen als in einem Bereich kleiner Schräglaufwinkel.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es daher vorgesehen, den Gierratenregler oder Schwimmwinkelregler in einem vorgegebenen Schräglaufwinkelbereich (insbesondere bei großen Schräglaufwinkeln) zu aktivieren und in einem anderen Bereich (insbesondere bei kleinen Schräglaufwinkeln) zu deaktivieren oder dessen Wirkung wenigstens zu reduzieren. Gemäß der Erfindung ist es insbesondere nicht vorgesehen, Stabilisierungseingriffe an der Hinterachslenkung zu unterbinden, da sich in diesem Fall das Lenkverhalten des Fahrzeugs verändern würde. Dies wäre für den Fahrer nicht mehr beherrschbar oder würde den Fahrer zumindest stark fordern. Die Stabilitätseingriffe an der Hinterachslenkung werden im Bereich hoher Schräglaufwinkel daher vorzugsweise nicht unterbrochen.
Zum Zwecke der Aktivierung/Deaktivierung von Bremseingriffen kann z. B. ein Freischaltsignal (CRS) erzeugt werden, mit dem Stabilitätseingriffe am Bremssystem zugelassen bzw. unterdrückt werden. Das Freischaltsignal ist vorzugsweise eine Funktion des Schräglaufwinkels mit maximalem Kraftschluss bei einem vorgegebenen Fahrbahn-Reibwert. (Der Fahrbahn-Reibwert wird üblicherweise vom Regelalgorithmus geschätzt). Die Schräglaufwinkel mit maximalem Kraftschluss bei unterschiedlichen Reibwerten werden vorzugsweise mittels einer Kennlinie mathematisch approximiert.
3. Berechnung des Überlagerungslenkwinkels aus der Reglerausgangsgröße
Das erweiterte Fahrdynamikregelungssystem (VDM) umfasst vorzugsweise eine Recheneinheit, mit der aus dem Anteil des Schwerpunktmoments, das von der Hinterachslenkung umgesetzt werden soll, die entsprechende Stellgröße (Überlagerungslenkwinkel) berechnet wird. Um zu gewährleisten, dass diese Stellgröße keinesfalls zu hohe oder falsche Werte annimmt und damit die Fahrsicherheit gefährdet, können einer oder mehrere der nachfolgenden Verarbeitungsschritte durchgeführt werden:
Der aus der Umrechnung von Moment in Überlagerungslenkwinkel erhaltene Rohwert des Überlagerungslenkwinkels wird vorzugsweise in Abhängigkeit vom geschätzten Reibwert skaliert und begrenzt. Hierzu ist vorzugsweise eine Einrichtung vorgesehen, die eine tote Zone definiert, d. h. den Überlagerungslenkwinkel für kleine Lenkwinkeländerungen zu Null setzt und den Überlagerungslenkwinkel im übrigen Bereich um einen vorgegebenen Wert reduziert.
Die Größe der toten Zone ist vorzugsweise ebenfalls eine Funktion des (geschätzten) Fahrbahn-Reibwerts.
Durch die genannten Maßnahmen kann insbesondere die Robustheit der Fahrdynamikregelung und die Lenkbarkeit des Fahrzeugs verbessert werden.
4. Spezielle Ausführung des Gierratenreglers
Der Gierratenregler des erweiterten VDM-Systems ist vorzugsweise als PID-Regler realisiert. Gegenüber einem herkömmlichen P-Regler kann dadurch das Stabilisierungsverhalten wesentlich verbessert werden.
Das Regelverhalten des I- und D-Anteils des Gierratenreglers bringt jedoch auch eine gewisse Problematik mit sich, die insbesondere darauf beruht, dass das Ausgangssignal des I-Anteils nach einer Regelung möglichst schnell wieder zu Null gesetzt werden muss und der D-Anteil relativ rauschempfindlich ist. Um einen zu starken Stabilisierungseingriff durch den I- und D-Anteil des PID-Reglers zu verhindern, wird der Einfluss des I- und D-Reglers vorzugsweise in Abhängigkeit vom Reibwert reduziert. Dadurch können insbesondere bei Fahrbahnen mit geringem Reibwert unverhältnismäßig starke Regeleingriffe vermieden werden.
Darüber hinaus ist vorzugsweise eine Einrichtung vorgesehen, die zu Beginn einer Stabilitätsregelung relativ hohe Stellgrößen des I- und D-Reglers zulässt und die die Anteile des I- und D-Reglers nach einem ersten Lenkeingriff reibwertabhängig reduziert. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass insbesondere bei stationärer Geradeausfahrt, bei der der Reibwert der Fahrbahn relativ schlecht vom Regler geschätzt werden kann, zu Beginn der Stabilitätsregelung zunächst eine relativ hohe Reglerverstärkung des I- und D-Anteils zugelassen wird und die Reglerverstärkung im Laufe der Stabilitätsregelung reibwertabhängig auf niedrigere Reglerverstärkungen einschwingt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Regelverhalten des PID-Reglers daher reibwertabhängig ausgelegt. Neben der Reglerverstärkung könnten auch andere Reglerparameter reibwertabhängig sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Blockdarstellung eines erweiterten Fahrdynamikregelungssystems VDM mit einem aktiven Hinterachslenksystem RWS;
2 eine genauere Darstellung verschiedener Reglerkomponenten des erweiterten Fahrdynamikreglers;
3 den Signalfluss zwischen dem Steuergerät des erweiterten Fahrdynamikregelungssystems VDM und dem Steuergerät des Hinterachslenksystems RWS;
4 einen Gierratenregler und einen Schwimmwinkelregler des Fahrdynamikreglers;
5 ein Blockschaltbild zur Berechnung von toten Zonen für die Gierraten- und Schwimmwinkelregelung;
6 die Korrektur der Regelabweichungen in Abhängigkeit von den toten Zonen;
7a, 7b die Reifenkennungen eines Reifens in Längs- und Querrichtung des Reifens für unterschiedliche Fahrbahnen;
8 ein Kennfeld des Schräglaufwinkels bei maximalem Kraftschluss für unterschiedliche Fahrbahn-Reibwerte;
9 die Erzeugung eines Freischaltsignals für Bremseingriffe;
10 die Berechnung des Überlagerungslenkwinkels für die Hinterachslenkung;
11 die Grobstruktur des Fahrdynamikreglers;
12 eine genauere Darstellung des Fahrdynamikreglers von 11;
13 die Struktur eines I- und D-Reglers des Gierratenreglers; und
14 die Berechnung eines Reduktionsfaktors für die Verstärkung des I- und D-Anteils des Gierratenreglers in Abhängigkeit vom Reibwert.
1 zeigt die Reglerstruktur eines erweiterten Fahrdynamikregelungssystems VDM, das in der Lage ist, neben dem Bremssystem und der Motorsteuerung (zusammengefasst in Block 8b) auch einen Lenksteller eines aktiven Hinterachslenksystems 8a (RWS) zu Stabilitätszwecken anzusteuern. Das VDM-System umfasst einen Regelalgorithmus, der schematisch durch die Blöcke 3–6 dargestellt ist. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 3 einen sogenannten "Beobachter", das Bezugszeichen 4 eine Einheit zur Sollwertberechnung, in der insbesondere eine Soll-Gierrate ermittelt wird, und das Bezugszeichen 5 einen Zustandsregler, dessen Reglerausgangsgröße ΔM_z ein Giermoment oder eine proportionale Größe ist.
Der Regelalgorithmus umfasst ferner eine Verteilereinheit 6, die die Reglerausgangsgröße ΔM_z in die Anteile ΔLwHa, p_RadSoll für die einzelnen Subsysteme 8a (Hinterachslenksystem) und 8b (Hydroaggregat und Motronic) umwandelt, wobei ΔLwHa ein Überlagerungslenkwinkel (in Form einer Lenkwinkeländerung) für die Hinterachslenkung und p_RadSoll ein Bremsdruck für das Hydrauliksystem 15, 18 ist.
Die einzelnen Stellanforderungen ΔLwHa, p_RadSoll werden über Schnittstellen 7a, 7b an das Steuergerät 1 des Hinterachslenksystems 8a und die Elektronik 15 (2) des aktiven Bremssystems 8b übertragen. Die Schaltungen 1, 15 steuern dann die Stellglieder 18, 20 (2) entsprechend an, wobei mit 18 eine Radbremse und mit 20 der Lenksteller bezeichnet ist. Der neue, veränderte Ist-Zustands des Fahrzeugs 10 wird mittels der Sensorik 11 aufgenommen und dem Regelalgorithmus 3–6 zugeführt.
2 zeigt eine detailliertere Ansicht des erweiterten Fahrdynamikregelungssystems VDM von 1. Das Gesamtsystem umfasst das Fahrzeug 10 als Regelstrecke, die Sensoren 11 zur Bestimmung der Reglereingangsgrößen, die Stellglieder 18–20 zur Beeinflussung des Fahrverhaltens, sowie einen hierarchisch strukturierten Regler 29 (mit den Komponenten 3–6, 9, 13), umfassend einen überlagerten Fahrdynamikregler 5 (Zustandsregler) und einen unterlagerten Brems- und Antriebsschlupfregler 13. Die Reglerfunktionen sind im Steuergerät 2 des Fahrdynamikregelungssystems VDM implementiert.
Aufbau und Funktion eines solchen Fahrdynamikreglers sind aus dem Stand der Technik (z. B. Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage) hinreichend bekannt, so dass im Folgenden nur auf die wesentlichen Funktionen und insbesondere die Unterschiede zu bekannten Reglern eingegangen wird: Die Istwerte der geregelten Zustandsgrößen (Giergeschwindigkeit, Schwimmwinkel) werden im sogenannten "Beobachter" 3 ermittelt. Die Sollwerte der Zustandsgrößen werden in der Einheit 4 zur Sollwertberechnung berechnet.
Der überlagerte Zustandsregler 5 führt in bekannter Weise eine Giergeschwindigkeits- und Schwimmwinkelregelung durch und erzeugt eine Reglerausgangsgröße ΔM_z in Form eines Giermoments oder einer dazu proportionalen Größe. Ein Teil der Reglerausgangsgröße ΔM_z wird in einen Sollschlupf lamda_So umgerechnet, der dem unterlagerten Brems- und Antriebsschlupfregler 13 zugeführt wird. Der für die einzelnen Räder berechnete Sollschlupf lambda_So wird in entsprechende Stellgrößen p_RadSoll, M_SoMot für das Bremssystem 15, 18 und die Motorsteuerung 16, 19 umgerechnet, die die erforderlichen Brems- bzw. Antriebskräfte an den einzelnen Rädern einstellen.
Die Verteilereinheit 6 erzeugt ferner ein Teil-Schwerpunktsmoment das von der Hinterachslenkung 17, 20 umgesetzt werden soll. Dieses Schwerpunktsmoment ΔM_zx wird danach von einer Recheneinheit 14 in einen Überlagerungslenkwinkel ΔLwHA umgerechnet. Der Überlagerungslenkwinkel ΔLwHA wird schließlich am Lenksteller 20 zum aktuellen Hinterachs-Lenkwinkel addiert.
Die Gewichtung der einzelnen, aus der Reglerausgangsgröße ΔM_z des Zustandsreglers 5 berechneten Stellanteile p_RadSoll, M_SoMot, ΔM_zx kann im Grunde beliebig gewählt sein, je nachdem, wie stark der Eingriff der einzelnen Subsysteme 8a, 8b gewünscht ist. Vorzugsweise ist die Aufteilung jedoch reibwertabhängig oder abhängig vom Schräglaufwinkel der Hinterräder.
3 zeigt den Signalfluss zwischen dem Steuergerät 2 des Fahrdynamikregelungssystems VDM und dem Steuergerät 1 des Hinterachslenksystems RWS. Zur Berechnung eines Soll-Giermoments benötigt der Fahrdynamikregler 29 den vom Fahrer gewünschten Hinterachslenkwinkel Lw_dr, der von einer Lenkfunktion 27 erzeugt wird. Darüber hinaus benötigt der Fahrdynamikregler 29 den tatsächlichen Hinterachslenkwinkel LwHA, um den Schräglaufwinkel der Hinterräder berechnen zu können. Der tatsächliche Hinterachslenkwinkel LwHA wird üblicherweise gemessen.
Für die Sicherheitssoftware des Fahrdynamikreglers 29 und eine Freischaltsoftware, mit der der Fahrdynamikregler 29 aktiviert bzw. deaktiviert werden kann, können gegebenenfalls auch weitere Signale (nicht gezeigt), wie z. B. ein Signal "Betriebszustand" oder ein Signal "Status" zwischen den Steuergeräten 1 und 2 übertragen werden.
Das RWS-Steuergerät 1 umfasst eine Steuerfunktion 27, die in Abhängigkeit vom eingestellten Lenkradwinkel LwS und der Radgeschwindigkeit v_Rad den vom Fahrer gewünschten Hinterachslenkwinkel Lw_dr berechnet. Solange sich das Fahrzeug 10 in einem stabilen Zustand befindet, wird dieser Lenkwinkel Lw_dr von einem Lenkwinkelregler 28 an der Hinterachse eingestellt. Befindet sich dagegen das Fahrzeug 10 in einer instabilen Situation, erzeugt der Fahrdynamikregler 29 einen Überlagerungslenkwinkel ΔLwHA in Form einer Lenkwinkeländerung, der an das RWS-Steuergerät 1 übertragen wird, wo er mit dem vom Fahrer gewünschten Hinterachs-Lenkwinkel Lw_dr verknüpft wird. Der sich daraus ergebende Hinterachslenkwinkel Lw_So bildet dann den neuen Sollwert für den Lenkwinkelregler 28.
Die genannten Lenkwinkelinformationen Lw_dr, LwHA, ΔLwHA werden über einen Datenbus übertragen, der auch als Chassis-CAN bezeichnet wird. Das VDM-Steuergerät 2 ist darüber hinaus an einem zweiten Datenbus PT-CAN angeschlossen, über den insbesondere verschiedene Sensorsignale der ESP-Sensorik 11 eingelesen werden. Die separate Busverbindung zwischen den beiden Steuergeräten 1, 2 ermöglicht eine besonders schnelle und sichere Übertragung.
4 zeigt eine genauere Darstellung des Fahrdynamikreglers 29. Dieser umfasst einen Gierratenregler 30 und einen Schwimmwinkelregler 31. Der Schwimmwinkelregler 31 ist aus technischen Gründen als ein Regler gestaltet, der den Schräglaufwinkel alpha der Räder an der Hinterachse begrenzt. Die Begrenzung des Schräglaufwinkels an der Hinterachse hat fahrdynamisch die selbe Wirkung wie die Regelung des Fahrzeugschwimmwinkels (beta) oder die Regelung der Fahrzeugquergeschwindigkeit, so dass hier die Bezeichnung "Schwimmwinkelregler" verwendet wird.
Die beiden Regler 30 und 31 erhalten jeweils die zugehörige Regelabweichung evGi (Giergeschwindigkeit) und eBeta (Schräglaufwinkel) und erzeugen jeweils ein entsprechendes Schwerpunktmoment ΔMz_Gi bzw. ΔMz_Beta. Im Block 32 werden die Reglerausgangsgrößen ΔMz_Gi und ΔMz_Beta verarbeitet und daraus ein Schwerpunktsmoment ΔMz erzeugt, das üblicherweise ein Soll-Giermoment ΔM_GiSo ist.
Die Verteilereinheit 6 verteilt das Schwerpunktsmoment ΔMz schließlich auf die einzelnen Subsysteme, nämlich das Bremssystem und die Motorsteuerung (zusammengefasst im Block 8b) und das Hinterachslenksystem 8a, wobei Stellanforderungen in Form eines Schwerpunktmoments ΔMz₁ und eines Sollschlupfes lambda_So ausgegeben werden. Die Umrechnung der Größen ΔMz₁, lambda_So in entsprechende Stellgrößen ΔlwHA, p_RadSoll, M_SoMot erfolgt dann in den Blöcken 13 und 14.
Bei einer erweiterten Fahrdynamikregelung (VDM), wie sie vorstehend beschrieben wurde, treten einige regelungstechnische Besonderheiten auf, die im Folgenden näher erläutert werden:
1. Anpassung des Regelverhaltens des Gierraten- und Schwimmwinkelreglers
Grundsätzlich hat ein Stelleingriff des Gierratenreglers 30 an der Hinterachslenkung gleichzeitig auch einen Einfluss auf den Schwimmwinkel bzw. Schräglaufwinkel alHA des Fahrzeugs 10. Im Gegensatz zu Bremseneingriffen bewirkt der Eingriff an der Hinterachslenkung eine Erhöhung des Schwimmwinkels beta bzw. Schräglaufwinkels alHA bei einer Verringerung der Gierrate vGi. Ein Regeleingriff des Schwimmwinkelreglers 31 auf die Hinterachslenkung bewirkt dagegen eine Erhöhung der Gierrate vGi bei einer Verringerung des Schwimmwinkels. Die Eingriffe der beiden Regler 30, 31 wirken also genau gegensinnig. Dies wird durch folgendes Beispiel deutlicher:
Bei einer zu hohen Gierrate vGi des Fahrzeugs 10 werden die Hinterräder gleichsinnig wie die Vorderräder eingeschlagen, um die Gierrate vGi zu reduzieren. Dadurch erhöht sich jedoch der Schwimmwinkel und der Schräglauf an der Hinterachse alHA. D. h. es kommt zu Arbeitspunktabweichungen am Schwimmwinkelregler 31. Dies kann wiederum dazu führen, dass der Schwimmwinkelregler 31 in den Fahrbetrieb eingreift und eine Auslenkung der Hinterräder in die Gegenrichtung bewirkt, um den Schräglaufwinkel alHA zu reduzieren. Die Regler 30, 31 können sich somit gegenseitig aufschaukeln und die Fahrsicherheit gefährden.
Zur Koordination der beiden Regler 30, 31 wird vorgeschlagen, das Regelverhalten des Gierratenreglers 30 in Abhängigkeit vom Anteil des Schräglaufwinkelreglers 31 und das Regelverhalten des Schräglaufwinkelreglers 31 in Abhängigkeit vom Anteil des Gierratenreglers 30 an der Stellanforderung ΔLwHA für die Hinterachslenkung einzustellen. Eine Möglichkeit zur Koordination der beiden Regler 30, 31 ist in den 5 und 6 dargestellt.
5 und 6 zeigen ein Verfahren, bei dem die Regelabweichungen evGi bzw. eBeta des Gierratenreglers 30 bzw. des Schwimmwinkelreglers 31 in Abhängigkeit von der Höhe des Regelungseingriffs des jeweils anderen Reglers 31 bzw. 30 modifiziert werden. Dadurch wird die Empfindlichkeit der Regler 30, 31 beeinflusst. (Die Regler-Empfindlichkeit könnte wahlweise auch durch eine Veränderung der Anregelschwellen an die Arbeitspunktverschiebungen angepasst werden.)
5 zeigt die Berechnung von sogenannten toten Zonen ToZoGi bzw. ToZoBeta, die zur Korrektur der Arbeitspunktabweichungen der Gierratenregelung 30 bzw. der Schräglaufwinkelregelung 31 verwendet werden. Die eigentlichen Korrekturfunktionen sind in 6 dargestellt.
Zur Korrektur der Regelabweichungen evGi bzw. eBeta sind zwei Korrektureinheiten 26a bzw. 26b vorgesehen, die aus den tatsächlichen Regelabweichungen evGi₀, eBeta₀ jeweils eine korrigierte Regelabweichung evGi, eBeta erzeugt, die dann den Reglern 30, 31 zugeführt werden. Die Korrektureinheiten 26a, 26b definieren eine tote Zone ToZo, d. h. einen Bereich der Regelabweichung, in der die Regelabweichung evGi, eBeta zu Null gesetzt wird, und einen Bereich, in dem die tatsächliche Regelabweichung um eine vorgegebenen Betrag reduziert wird. Befindet sich die tatsächliche Regelabweichung evGi₀ bzw. eBeta₀ innerhalb der toten Zone, deren Grenzen durch die Werte +/–ToZoGi bzw. +/–ToZoBeta vorgegeben sind, so wird die den Reglern 30, 31 zugeführte korrigierte Regelabweichung evGi bzw. eBeta zu Null gesetzt. Ausserhalb der toten Zone wird die tatsächliche Regelabweichung evGi₀ bzw. eBeta₀ um den Wert ToZoGi bzw. ToZoBeta verringert. Dadurch können Arbeitspunktabweichungen des Gierratenregler 30 und des Schwimmwinkelreglers 31 kompensiert werden.
Die Berechnung der toten Zonen ToZovGi bzw. ToZoBeta ist in 5 schematisch dargestellt. Die Berechnung umfasst einen Block 21, in dem die Anteile ΔLwHABeta, ΔLwHAvGi der beiden Regler 30, 31 am Überlagerungslenkwinkel ΔLwHA berechnet werden. Dabei ist ΔLwHABeta der Anteil des Schwimmwinkelreglers 31 und ΔLwHAvGi der Anteil des Gierratenreglers 30 am gesamten Überlagerungslenkwinkel ΔLwHA.
In den Blöcken 22 und 23 wird die Änderung der Gierrate ΔvGi und die Änderung des Schwimmwinkels bzw. Schräglaufwinkels ΔalHA berechnet. Die Gierratenabweichung ΔvGi aufgrund eines Eingiffs des Schwimmwinkelreglers 31 ergibt sich dabei zu: ΔvGi = –LwHABeta·vGiSo/(Lw – LwHA) (1)und die Schräglaufwinkelabweichung ΔalHA aufgrund eines Eingriffs des Gierratenreglers 30 zu: ΔalHA = –ΔLwHAvGi (2)
Dabei ist Lw der Vorderradlenkwinkel, LwHA der Hinterachslenkwinkel und vGi_So die Gierrate ohne den Eingriff des Schwimmwinkelreglers 31.
Die Aktuatoren 20 der aktiven Hinterachslenkung arbeiten üblicherweise sehr schnell, trotzdem stellen sich die Arbeitspunktabweichungen nicht sofort ein. Die Trägheit der Aktuatorik und des Gesamtfahrzeugs kann durch eine geeignet abgestimmte Tiefpassfilterung 24, 25 nachgebildet werden. Die Arbeitspunktabweichungen ΔvGi und ΔalHA werden daher jeweils einem Tiefpassfilter 25a, 25b zugeführt, an deren Ausgang die Werte ToZovGi und ToZoBeta für die vorstehend genannten toten Zonen ausgegeben werden. Die Filter-Zeitkonstante tau wird hier mittels der Einheit 24a und 24b in Abhängigkeit vom Verlauf der Arbeitspunktabweichungen ΔvGi, ΔalHA variabel eingestellt. Dabei werden insbesondere für größer und kleiner werdende Signale ΔvGi und ΔalHA unterschiedliche Zeitkonstanten tau gewählt.
Die Arbeitspunktabweichungen aus den Gleichungen (1) und (2) können z. B. direkt zu den entsprechenden Sollwerten addiert werden. Vorzugsweise wird jedoch jeweils der Betrag der Arbeitspunktabweichungen ΔvGi und ΔalHA ermittelt und daraus der Wert für eine tote Zone ToZovGi bzw. ToZoBeta gebildet. Dabei gilt: ΔvGi = |ΔLwHABeta·vGiSo/(Lw – LwHA)| = ToZovGi (3)und ΔalHA = |ΔLwHAvGi| = ToZoBeta (4)
Dabei ist vGi_So die Soll-Giergeschwindigkeit, Lw der Vorderachslenkwinkel und LwHA der Hinterachslenkwinkel.
Die Gleichungen (1)–(4) lassen sich aus dem bekannten linearen Einspurmodell herleiten. Danach gilt für die Soll-Gierrate vGi_So:
mit v Fahrzeuggeschwindigkeit, l Radstand und v_ch charakteristische Geschwindigkeit.
Durch Differenzierung ergibt sich aus Gleichung (5):
mit
ΔvGi Gierratenänderung und ΔLwHA Änderung des Hinterachslenkwinkels.
Nach Umformen und Gleichsetzen der Gleichung (5) und (6) ergibt sich die Änderung der Gierrate ΔvGi_So in Abhängigkeit von einer Lenkwinkeländerung an der Hinterachse: ΔvGiSo = –ΔlwHA·vGiSo/(Lw – LwHA) (7)
Die Gleichungen des linearen Einspurmodells liefern ebenfalls eine Aussage über den Schräglaufwinkel an der Hinterachse, wobei gilt: alHA = –LwHA + Beta – vGiIst·lHA/v (8)mit

Beta: Schwimmwinkel des Fahrzeugschwerpunkts
vGi_Ist: gemessene Gierrate und
lHA: Schwerpunktabstand zur Hinterachse.

Nach einer Differenziation ergibt sich für die Schräglaufwinkel- bzw. Schwimmwinkeländerung ΔalHA aufgrund einer Lenkwinkeländerung ΔLwHA an der Hinterachse: ΔalHA = –ΔLwHA (9)
2. Bereichsweise Aktivierung/Deaktivierung des Gierratenreglers in Abhängigkeit vom Schräglaufwinkel
Die 7–9 zeigen die Erzeugung eines Freischaltsignals CRS, mit dem ein Regeleingriff der Bremshydraulik 15, 18 zugelassen oder unterdrückt werden kann. Das Freischaltsignal CRS wird derart erzeugt, dass im Bereich hoher Schräglaufwinkel alHA Stabilisierungseingriffe sowohl mittels der aktiven Hinterachslenkung als auch mittels Motorsteuerung 16, 19 oder Bremsanlage 15, 18 zugelassen werden. Im Bereich kleiner Schräglaufwinkel alHA werden dagegen Stabilisierungseingriffe durch das Bremssystem 15, 18 und/oder die Motorsteuerung 16, 19 unterdrückt und nur das Hinterachslenksystem 17, 20 zur Fahrzeugstabilisierung eingesetzt. Wahlweise könnten die ESP-Stabilisierungseingriffe in diesem Bereich auch nur stark reduziert werden.
7a zeigt die Reifenkennung (μ/Schlupf-Kennlinien) in Reifenlängsrichtung eines Reifens für unterschiedliche Fahrbahnuntergründe. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 61 den Reibwertverlauf für eine trockene Fahrbahn, das Bezugszeichen 62 für eine feuchte Fahrbahn, das Bezugszeichen 63 für Schnee und das Bezugszeichen 64 für Eis.
7b zeigt die Reifenkennung (μ/Schräglaufwinkel-Kennlinie) in Reifenquerrichtung für unterschiedliche Fahrbahnen. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 65 eine trockene Fahrbahn, 66 Schnee und 67 Eis.
Die Kennlinien 65–67 verlaufen ausgehend vom Ursprung stetig mit einem positiven Gradienten, bis ein maximaler Reibwert erreicht ist, und verlaufen danach im wesentlichen flach oder mit negativem Gradienten weiter. Derjenige Schräglaufwinkel alpha, bei dem der Reifen in Querrichtung einen maximalen Kraftschluss aufweist, wird dabei als alHAmax bezeichnet.
Für eine Stabilitätsregelung mittels Hinterachslenkung bedeutet dieser Kennlinienverlauf, dass bei kleinen Schräglaufwinkeln (alpha < alHAmax) die Seitenkräfte sinnvoll moduliert werden können, während bei großen Schräglaufwinkeln (alpha > alHAmax) durch eine Lenkwinkeländerung ΔLwHA kaum oder gar keine Änderung der Reifenquerkräfte erreicht werden kann, da der Gradient der Kennlinien 65–67 in diesem Bereich nahezu Null ist. In Bereich großer Schräglaufwinkel ist es daher erforderlich, ESP-Stabilisierungseingriffe am Bremssystem 15, 18 und an der Motorsteuerung 16, 19 stärker zuzulassen. Der Lenkeingriff an der Hinterachslenkung 17, 20 wird dabei ausdrücklich nicht unterbunden, da eine Unterbrechung der aktiven Hinterachslenkung zu einem veränderten Fahrverhalten des Fahrzeugs führen und den Fahrer irritieren würde.
Die einzelnen Schritte der Berechnung des Freischaltsignals CRS sind in den 8 und 9 dargestellt. Dabei zeigt 8 eine Kennlinie 68, die den Verlauf der Schräglaufwinkel alHAmax mit maximalem Kraftschluss bei unterschiedlichen Fahrbahn-Reibwerten μ approximiert.
9 zeigt die eigentliche Funktionen zur Erzeugung des Freischaltsignals CRS. Der Block 33 ermittelt dabei den Schräglaufwinkel alHAmax mit maximalem Kraftschluss bei einem vorgegebenen Reibwert μ gemäß der Kennlinie von 8. Der Reibwert μ ist üblicherweise eine Schätzgröße des Fahrdynamikreglers 29, die aus den Schwerpunktsbeschleunigungen des Fahrzeugs in Längs- und Querrichtung ermittelt wird.
Bei einer betriebsbereiten Hinterachslenkung, deren Statussignal Stat am Knoten 34 berücksichtigt wird, erzeugt der Funktionsblock 35 das Freischaltsignal CRS durch einfachen Schwellenwertvergleich. Sofern der aktuelle Schräglaufwinkel alHA größer ist als der Schwellenwert alHAmax wird das Signal CRS auf "true" gesetzt und somit ESP-Eingriffe zugelassen. Im anderen Fall wird das Signal CRS auf "false" gesetzt und somit ESP-Eingriffe unterdrückt. Das Signal CRS ist ein Boolsches Signal.
3. Berechnung des Überlagerungslenkwinkels aus der Reglerausgangsgröße
10 zeigt die Berechnung des Überlagerungslenkwinkels ΔLwHA aus der Reglerausgangsgröße ΔMz des Zustandsreglers 5. Der dargestellte Algorithmus ist regelungstechnisch besonders robust. Außerdem werden Ansteuersignale ΔLwHA für das Hinterachslenksystem erzeugt, die vom Fahrer als plausibel verstanden werden.
Der Algorithmus umfasst einen Tiefpassfilter 36, der hier als Pt1-Filter realisiert ist und ein gefiltertes Momentensignal ΔM_ZF erzeugt. Die Tiefpassfilterung der Schwerpunktsmomentenänderung ΔMz ist mit konstanter Filter-Zeitkonstante dargestellt, könnte optional aber auch reibwertabhängig realisiert sein. Das Signal ΔM_ZF wird mittels der Funktion 37 in einen Rohwert ΔLwHA₀ für die Lenkwinkeländerung ΔLwHA umgerechnet. Der Rohwert ΔLwHA₀ des Überlagerungslenkwinkels wird dann mittels einer Funktion 38 reibwertabhängig skaliert, wobei am Knoten 42 grundsätzlich bei größeren Reibwerten μ kleinere Werte ΔLwHA_Sc erzeugt werden. Die Skalierung 38 ermöglicht insbesondere kunden- und fahrzeugspezifische Abstimmungen.
Der skalierte Überlagerungslenkwinkel ΔLwHA_Sc wird schließlich noch mittels einer Funktion 40 reduziert, die wiederum eine tote Zone ToZo definiert, in der der Überlagerungslenkwinkel ΔLwHA zu Null gesetzt wird. Die Größe der toten Zone ToZo ist reibwertabhängig, wobei sie bei großen Reibwerten grundsätzlich kleiner ist als bei kleinen Reibwerten. Der funktionelle Zusammenhang zwischen der Größe der toten Zone ToZo und dem Reibwert μ ist durch eine Funktion 39 vorgegeben. Die tote Zone ToZo bewirkt insbesondere eine Robustheit der Regelung gegen Signalrauschen und Parameterschwankungen.
4. Spezielle Ausführung des Gierratenreglers
Die 11 bis 14 zeigen eine Ausführungsform des Fahrdynamikreglers 29, bei dem der Gierratenregler 30 als PID-Regler realisiert ist. Dadurch kann die Qualität der Stabilisierung im Vergleich zu einem einfachen P-Regler verbessert werden.
11 zeigt die Grobstruktur des Zustandsreglers 5, wobei der Gierratenregler 30 einen P-Anteil 43, einen I-Anteil 44 und einen D-Anteil 45 aufweist. Die Regleranteile 43–45 erzeugen aus der Regelabweichung evGi zwischen Ist- und Soll- Giergeschwindigkeit dPsi/dt jeweils eine eigene Ausgangsgröße in Form eines Schwerpunktsmoments ΔM_zP, ΔM_zI, ΔM_zD.
Der Schwimmwinkelregler 31 ist als P-Regler 47 realisiert und erzeugt aus der Regelabweichung eBeta zwischen dem Ist- und dem Soll-Schräglaufwinkel alHA eine Momentenänderung ΔM_zBeta. Die Regleranteile der Regler 30 und 31 werden im Block 46 verarbeitet und ein resultierendes Schwerpunktsmoment ΔM_z gebildet. Dieses Moment ΔM_z wird dann wiederum auf die einzelnen Subsysteme verteilt.
12 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Gierratenreglers 30, bei dem die Regelabweichungen evGi und eBeta zunächst mit den Verstärkungsfaktoren evGi 55 bzw. pBeta 48 der rein proportionalen Regleranteile 43, 47 multipliziert werden (Knoten 50, 53). Die verstärkte Regelabweichung wird dann zu Gunsten der Regleranteile des I- und D-Reglers 44, 45 mit den Reduktionsfaktoren RedBeta 49 bzw. RedvGi 56 multipliziert. Anstelle der Multiplikation mit den Faktoren pBeta, pvGi und der nachfolgenden Reduktion mit den Reduktionsfaktoren 49, 46 könnte auch eine Multiplikation mit einem einzigen Verstärkungsfaktor durchgeführt werden. Die dargestellte Realisierung ermöglicht jedoch eine Standard-Auslegung des PID-Reglers 30 und eine applikationsspezifische Reduktion anhand der Reduktionsfaktoren 49 und 56.
Die P-Anteile ΔM_zP, ΔM_zBeta, der D-Anteil ΔM_zD und der I-Anteil ΔM_zI werden am Knoten 57 addiert. Ebensogut könnte z. B. auch eine fahrsituationsabhängige Verknüpfung der Anteile ΔM_zP, ΔM_zD und ΔM_zI oder eine fahrsituationsabhängige Berechnung der Verstärkungsfaktoren 48, 49, 55, 56 vorgesehen sein. Dabei könnten die genannten Größen z. B. in Abhängigkeit vom Reibwert, der Fahrzeuggeschwindigkeit oder anderer Zustandsgrößen verknüpft werden.
Die Addition am Knoten 57 ergibt einen Rohwert ΔM_z0, der am Knoten 58 in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit vFz begrenzt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass insbesondere bei kleinen Fahrzeuggeschwindigkeiten die Stellgröße ΔM_z reduziert wird und somit geringere Stelleingriffe stattfinden. Eine entsprechende Reduzierungsfunktion ist in Block 52 dargestellt. Das resultierende Signal wird aus Sicherheitsgründen noch mit einer Begrenzungsfunktion 59 begrenzt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass unzulässig große Stellanforderungen unterdrückt werden. Die gesamte Regelung kann am Knoten 60 noch mittels eines Signals F deaktiviert bzw. freigeschaltet werden. Die Größe ΔM_z wird schließlich dem weiteren Rechenablauf innerhalb des Fahrdynamikreglers 29 zur Verfügung gestellt und dabei, wie vorstehend beschrieben, die Stellgrößen ΔLwHA, p_RadSoll und M_SoMot für die verschiedenen Subsysteme abgeleitet.
13 und 14 zeigen die Erzeugung der I- und D-Komponenten ΔM_zI, ΔM_zD der Reglerausgangsgröße ΔM_z. Die I- und D-Komponenten ΔM_zI, ΔM_zD sind dabei insbesondere Reibwert-abhängig. Die Zeitkonstante T_HP des I-Reglers 44 ist ebenfalls eine Funktion des Reibwerts μ.
13 zeigt links oben einen Algorithmus 70, der in Abhängigkeit vom Freischaltsignal F, der Querbeschleunigung ay und unter Berücksichtigung eines Parameters P_ayI ein resultierendes Freischaltsignal RIC erzeugt. Dieses Signal RIC bestimmt, ob überhaupt ein Regleranteil ΔM_zI des I-Reglers 44 und ein Regleranteil ΔM_zD des D-Reglers 45 erzeugt wird oder nicht. Das Signal RIC wird dann einem Algorithmus 71 und einem Algorithmus 74 zugeführt.
Der Algorithmus 71 dient zur Reduzierung der Regelabweichung evGi und kann beispielsweise eine Funktion mit einer toten Zone ToZo umfassen. Die Größe der toten Zone wird wiederum durch einen Parameter P_ToZo 75 vorgegeben. Der resultierende Wert der Regelabweichung evGi wird dann am Knoten 76 mit einem Reduktionsfaktor Red_ID verknüpft und ein Signal evGi' erzeugt. Das Signal RIC hat ebenfalls einen Einfluss auf die Größe der toten Zone ToZo im Algorithmus 71. Darüber hinaus kann die Größe der toten Zone ToZo auch abhängig vom Fahrzustand oder anderen Einflussgrößen bestimmt werden.
Aus dem Signal evGi' werden nachfolgend mittels der Filter 77 und 79 unerwünschte Signalbestandteile herausgefiltert. Die resultierenden Signale werden danach durch die Funktionen 78 und 80 auf Maximalwerte begrenzt. Dies erfolgt wiederum unter sicherheitstechnischen Aspekten.
Die eigentlichen Reglerfunktionen des I- 44 und D-Reglers 45 sind in den Blöcken 81 und 82 dargestellt. Der D-Regelalgorithmus ist hier als ein Tiefpass zweiter Ordnung realisiert. Die Reglerparametereigenfrequenz omega₀ und Dämpfung d werden von den Blöcken 83 und 84 zugeführt.
Der I-Regler 81 ist hier als Hochpass erster Ordnung realisiert. Die Zeitkonstante T_HP ist variabel und wird von Block 74 in Abhängigkeit vom Signal evGi' vorgegeben, das wiederum reibwertabhängig ist. Die Zeitkonstante T_HP wird im wesentlichen wie folgt ermittelt: Aus dem Signal evGi' wird per Absolutwertbildung 73 und Differenziation 72 ein Basissignal für die Auswahl der Hochpass-Zeitkonstanten T_HP erzeugt. Der Auswahl-Algorithmus ist als Block 74 dargestellt. Darin wird zunächst abgefragt, ob der Status des RIC-Signals aktiv ist. Falls nein, wird ein hoher Wert T_HP2 für die Zeitkonstante T_HP des Hochpasses 81 gewählt. Sofern das Freischaltsignal RIC low bzw. inaktiv ist, wird überprüft, ob das Signal evGi' einen positiven oder negativen Gradienten hat. Im Falle eines positiven Gradienten wird ein sehr kleiner Wert T_HP0 für die Zeitkonstante T_HP, und im Falle eines negativen Gradienten ein größerer Wert T_HP1 für die Zeitkonstante T_HP gewählt, wobei gilt T_HP2 > T_HP1 > T_HP0.
Die Filterfunktionen 77, 79 vor den I- und D-Reglern können z. B. konstante Parameter aufweisen. Wahlweise ist es auch möglich, einen oder mehrere der Filterparameter in Abhängigkeit von der Fahrsituation, insbesondere der Fahrzeuggeschwindigkeit vFz, der Querbeschleunigung ay oder einer anderen Fahrzustandsgröße einzustellen. Die resultierenden Signalanteile ΔM_zI und ΔM_zD werden dann der weiteren Verarbeitung im Fahrdynamikregler 29 zugeführt.
14 zeigt die Bestimmung des Reduktionsfaktors Red_ID, mit dem die Regelabweichung evGi multipliziert wird. Die Aufgabe des Reduktionsfaktors Red_ID ist es insbesondere, zu hohe integrale Regleranteile ΔM_zI zu verhindern. Der Algorithmus zur Berechnung des Reduktionsfaktors Red_ID hat im wesentlichen zwei Zweige. Der obere Zweig umfasst einen Block 87 mit einer Funktion, mittels der ein Reduktionsfaktor Red_ID1 in Abhängigkeit vom geschätzten Reibwert μ berechnet wird. Der Reibwert μ kann vom Fahrdynamikregler 29 z. B. aus der Quer- und Längsbeschleunigung des Fahrzeugs 10 geschätzt werden.
Da der Reibwert aus der Fahrzeugbeschleunigung ermittelt wird, ist der Signalwert bei stationärer Geradeausfahrt ungefähr Null. Erst bei starker Längs- oder Querbeschleunigung nimmt der Reibwert μ den tatsächlichen Wert nahe 1 an. Dieses Verhalten ist für die Bestimmung einer passenden Reglerverstärkung eher ungünstig.
Der zweite Zweig umfasst eine Funktion 85, mit der eine Soll-Giergeschwindigkeit vGi_So gemäß dem linearen Einspurmodell berechnet wird. In dieses Modell fließen die Fahrzeuggeschwindigkeit vFz und der Vorderachs-Lenkwinkel lw als Eingangsgrößen. Das Signal der Soll-Giergeschwindigkeit wird danach im Block 86 reibwertabhängig über komplexe Filteralgorithmen begrenzt und ein Ausgangssignal LimvGi erzeugt. Das Eingangs- und Ausgangssignal des Filteralgorithmus 86 werden in Block 89 einer erweiterten Quotientenbildung unterzogen, die Nulldivisionen und Wertebereichsüberschreitungen verhindert. Im Falle einer Fahrt auf einer Fahrbahn mit hohem Reibwert ergibt der Quotient aus Block 89 Werte nahe eins. In Block 90 werden diese Werte applizierbar gewichtet und der Reduktionsfaktor Red_ID2 erzeugt. In Block 88 wird schließlich der Maximalwert aus den beiden Reduktionsfaktoren Red_ID1 und Red_ID2 gewählt und als ein Wert Red_ID ausgegeben.
Dieses Verfahren hat insbesondere den Vorteil, dass zu Beginn einer Stabilitätsregelung, insbesondere ausgehend von einer stationären Geradeausfahrt, der Wert Red_ID nicht auf zu niedrigen Werten steht und im Laufe der Stabilitätsregelung auf eine exakte Reibwertabhängigkeit einschwingt. Das Ausmaß der Verstärkungsreduktion ist dabei während der Applikation der Regelalgorithmen einstellbar.

1: RWS-Steuergerät
2: ESP-Steuergerät
3: Beobachter
4: Einheit zur Sollwertberechnung
5: Zustandsregler
6: Verteilereinheit
7: Schnittstellen
8: RWS-Algorithmus
9: Einheit zur Sollschlupfberechnung
10: Fahrzeug
11: Sensorik
13: Brems- und Antriebsschlupfregler
14: Einheit zur Überlagerungslenkwinkelberechnung
15: Elektronik des Bremssystems
16: Motronic
17: RWS-Elektronik
18: Radbremse
19: Stellglieder der Motorsteuerung
20: Lenksteller
21: Bestimmung der Lenkwinkelanteile
22: Berechnung der Arbeitspunktverschiebung für die Gierrate
23: Berechnung der Arbeitspunktverschiebung für den Schräglaufwinkel
24: Bestimmung der Filter-Zeitkonstante
25: Tiefpass
26a: Korrektur der Regelabweichung der Gierrate
26b: Korrektur der Regelabweichung des Schwimmwinkels
27: Hinterachs-Lenkfunktion
28: Hinterachs-Lenkwinkelregler
29: Fahrdynamikregler
30: Gierratenregler
31: Schwimmwinkelregler
32: Koordination der Regleranteile
33: Bestimmung des Schräglaufwinkels mit maximalem Kraftschluss
34: Multiplikationsknoten
35: Erzeugung des Freischaltsignals CRS
36: Pt1-Filter
37: Umrechnungsfunktion für den Überlagerungslenkwinkel
38: Skalierfunktion
39: Kennlinie für die tote Zone
40: Begrenzungsfunktion
41: Multiplikationsknoten
42: Multiplikationsknoten
43: P-Regler
44: I-Regler
45: D-Regler
46: Koordination der Regleranteile
47: P-Regler
48: Verstärkungsfaktor des Schwimmwinkelreglers
49: Reduktionsfaktor des Schwimmwinkelreglers
50: Multiplikationsknoten
51: Multiplikationsknoten
52: Fahrgeschwindigkeits-abhängige Begrenzung
53: Multiplikationsknoten
54: Multiplikationsknoten
55: Verstärkungsfaktor des P-Reglers 43
56: Reduktionsfaktor des P-Reglers
57: Additionsknoten
58: Multiplikationsknoten
59: Begrenzungsfunktion
60: Multiplikationsknoten
61–64: Reifenkennungen in Längsrichtung
65–67: Reifenkennungen in Querrichtung
68: Verlauf der Schräglaufwinkel mit maximalem Kraftschluss
69: Parameter
70: Erzeugung des Freischaltsignals RIC
71: Begrenzungsfunktion
72: Differenziation
73: Absolutwertbildung
74: Algorithmus zur Auswahl der Zeitkonstanten T_HP
75: Tote Zone
76: Multiplikationsknoten
77: Integrator
78: Begrenzung des I-Anteils
79: Filter
80: Begrenzung des D-Anteils
81: I-Reglerfunktion
82: D-Reglerfunktion
83: Eigenfrequenz
84: Dämpfung
85: Lineares Einspurmodell
86: Filterung
87: Bestimmung eines Reduktionsfaktors
88: Auswahl des Maximalwerts
89: Quotientenbildung
90: Bestimmung des Reduktionsfaktors Red_ID2
ay: Querbeschleunigung
evGi: Regelabweichung der Giergeschwindigkeit
Red_ID: Reduktionsfaktor
evGi: Signalwert der Regelabweichung der Giergeschwindigkeit
ΔM_zI: I-Anteil
ΔM_zD: D-Anteil
ΔM_zP: P-Anteil
ΔM_z: Reglerausgangsgröße
Red_ID1: Reduktionsfaktor
Red_ID2: Reduktionsfaktor Reibwert
Lw: Vorderachs-Lenkwinkel
eBeta: Regelabweichung des Schwimmwinkels
CRS: Freischaltsignal
F: Freischaltsignal
ToZo: tote Zone
ΔLwHA: Überlagerungslenkwinkel
ΔLwHA₀: Rohwert des Überlagerungslenkwinkels
ΔLwRA_sc: skalierter Überlagerungslenkwinkel
alHA: Schräglaufwinkel Hinterachse
alHA_max: Schräglaufwinkel mit maximalem Kraftschluss
P: Parameter
Stat: Statussignal
ToZoGi: tote Zone des Gierratenreglers
ToZoBeta: tote Zone des Schwimmwinkelreglers
ΔvGi: Arbeitspunktabweichung des Gierratenreglers
ΔalHA: Arbeitspunktabweichung des Schwimmwinkelreglers
tau: Zeitkonstante
evGi₀: Rohwert der Regelabweichung
eBeta₀: Rohwert der Regelabweichung
p_RadSoll: Stellgröße
M_SoMot: Stellgröße
Lw_dr: gewünschter Hinterachs-Lenkwinkel
LwHA: gemessener Hinterachs-Lenkwinkel

Claims

Vorrichtung zur Stabilisierung eines Fahrzeugs (10) in kritischen Fahrsituationen, umfassend – ein Fahrdynamikregelungssystem (ESP) mit einem Steuergerät (2), in dem ein Fahrdynamikregler (29) hinterlegt ist, mit wenigstens einem Stellglied (18, 19) und einer Sensorik (11) zur Messung verschiedener Fahrzustandsgrößen, sowie – ein Hinterachslenksystem (RWS) mit einer Steuerelektronik (1) und einem Stellglied (20), wobei der Fahrdynamikregler (29) einen Gierratenregler (30) und einen Schwimmwinkelregler (31) umfasst, die jeweils eine Ausgangsgröße (ΔM_ZGi, ΔM_Zal) erzeugen, aus denen eine Stellgröße (ΔLwHa) für das Stellglied (20) des Hinterachslenksystems (RWS) abgeleitet wird, wobei das Regelverhalten des Gierratenreglers (30) in Abhängigkeit vom Anteil des Schwimmwinkelreglers (31) und das Regelverhalten des Schwimmwinkelreglers (31) in Abhängigkeit vom Anteil des Gierratenreglers (30) an der Stellgröße (ΔLwHa) für das Hinterachslenksystem (RWS) eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrdynamikregler (29) eine Verteilereinheit (6) umfasst, die aus einer Reglerausgangsgröße (ΔM_Z) sowohl eine Stellgröße (P_RadSoll, M_SoMot) für das Stellglied (18, 19) des Fahrdynamikregelungssystems (ESP) als auch eine Stellgröße (ΔLwHa) für das Stellglied (20) des Hinterachslenksystems (RWS) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelabweichung (evGi) des Gierratenreglers (30) in Abhängigkeit vom Anteil (ΔM_Zal) des Schwimmwinkelreglers (31), und die Regelabweichung (eBeta) des Schwimmwinkelreglers (31) in Abhängigkeit vom Anteil (ΔM_ZGi) des Gierratenreglers (30) an der Stellgröße (ΔLwHa) für das Hinterachslenksystem (RWS) eingestellt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregelschwelle des Gierratenreglers (30) in Abhängigkeit vom Anteil (ΔM_Zal) des Schwimmwinkelreglers (31), und die Regelabweichung des Schwimmwinkelreglers (31) in Abhängigkeit vom Anteil (ΔM_ZGi) des Gierratenreglers (30) an der Stellgröße (ΔLwHa) für das Hinterachslenksystem (RWS) eingestellt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (26a) zur Korrektur der Regelabweichung (evGi₀) des Gierratenreglers (30) und eine Einheit (26b) zur Korrektur der Regelabweichung (eBeta₀) des Schwimmwinkelreglers (31) in Abhängigkeit vom Anteil des Gierratenreglers (30) bzw. des Schwimmwinkelreglers (31) an der Stellgröße (ΔLwHa) für das Hinterachslenksystem (RWS) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheiten (26a, 26b) eine tote Zone (Toto) definieren, in der die jeweilige Regelabweichung (evGi, eBeta) auf Null gesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrdynamikregler (29) eine Einheit (35) umfasst, die in Abhängigkeit von einem Schräglaufwinkel (alHA) ein Freischaltsignal (CRS) erzeugt, das den Gierratenregler (30) aktiviert oder deaktiviert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrdynamikregler (29) eine Einrichtung (33) zum Bestimmen eines Schräglaufwinkels (alHA_max) mit maximalem Kraftschluss bei einem vorgegebenen Fahrbahnuntergrund (μ) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (36–42) zum Umrechnen der Reglerausgangsgröße (ΔM_Z) in einen Überlagerungslenkwinkel (ΔLwHa) für das Hinterachslenksystem (RWS) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungslenkwinkel (ΔLwHa) in Abhängigkeit vom Reibwert (μ) des Fahrbahnuntergrunds skaliert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (40) vorgesehen ist, die eine tote Zone (Toto) definiert, in der der Überlagerungslenkwinkel (ΔLwHa) auf Null gesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gierratenregler (30) als PID-Regler (43–45) realisiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelverhalten des Gierratenreglers (30) in Abhängigkeit vom Reibwert (μ) der Fahrbahn eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelabweichung (evGi) des Gierratenreglers (30) in Abhängigkeit vom Reibwert (μ) der Fahrbahn variiert wird.
Verfahren zum Stabilisieren eines Fahrzeugs (10) in kritischen Fahrsituationen, wobei das Fahrzeug (10) neben einem Fahrdynamikregelungssystem (ESP) mit einem Steuergerät (2), in dem ein Fahrdynamikregler (29) hinterlegt ist, einem ersten Stellglied (18, 19) und einer Sensorik (11) ein zusätzliches Hinterachslenksystem (RWS) mit einem zweiten Stellglied (20) umfasst, wobei der Fahrdynamikregler (29) einen Gierratenregler (30) und einen Schwimmwinkelregler (31) umfasst, die jeweils eine Ausgangsgröße (ΔM_ZGi, ΔM_Zal) erzeugen, aus der eine Stellgröße (ΔLwHa) für das Stellglied (20) des Hinterachslenksystems (RWS) abgeleitet wird, wobei das Regelverhalten des Gierratenreglers (30) in Abhängigkeit vom Anteil des Schwimmwinkelreglers (31) und das Regelverhalten des Schwimmwinkelreglers (31) in Abhängigkeit vom Anteil des Gierratenreglers (30) an der Stellgröße (ΔLwHa) für das Hinterachslenksystem (RWS) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Reglerausgangsgröße (ΔM_Z) sowohl eine Stellgröße (ΔP_RadSoll, M_SoMot) für das Stellglied (18, 19) des Fahrdynamikregelungssystems (ESP) als auch eine Stellgröße (ΔLwHa) für das Stellglied (20) des Hinterachslenksystems (RWS) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelabweichung (evGi) des Gierratenreglers (30) in Abhängigkeit vom Anteil des Schwimmwinkelreglers (31), und die Regelabweichung (eBeta) des Schwimmwinkelreglers (31) in Abhängigkeit vom Anteil des Gierratenreglers (30) an der Stellgröße (ΔLwHa) für das Hinterachslenksystem (RWS) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freischaltsignal (CRS) erzeugt wird, das den Gierratenregler (30) in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schräglaufwinkel (alHA_max) aktiviert oder deaktiviert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelverhalten des Gierratenreglers (30) in Abhängigkeit von einem geschätzten Reibwert (μ) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelabweichung (evGi) des Gierratenreglers (30) in Abhängigkeit vom Reibwert (μ) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (ΔM_zI) eines Integral-Anteils (44) und/oder die Stellgröße (ΔM_zD) eines D-Anteils (45) des Gierratenreglers (30) eine Funktion des geschätzten Reibwerts (μ) ist.