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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten Abrollumfänge der
Räder eines Kraftfahrzeugs
gemäß Anspruch
1 sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 14.
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Viele
elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen benötigen eine Information über die
tatsächliche
Fahrzeuggeschwindigkeit. Vielfach wird eine Information über die
tatsächliche
Fahrzeuggeschwindigkeit aus den Raddrehzahlinformationen gewonnen.
Diese Raddrehzahlinformationen sind abhängig von den Abrollumfängen der
Räder.
Eine Verringerung oder Erhöhung
des Luftdrucks in den Reifen der Räder wirkt sich somit direkt auf
die Abrollumfänge
der Räder
aus.
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Eine
zuverlässige Überwachung
des Reifendrucks an allen Rädern
eines Kraftfahrzeugs oder eines Kraftrades ist für die Sicherheit des Fahrzeuges
von großer
Bedeutung. Es existieren verschiedene Ansätze, wie die Reifendrucküberwachungssysteme
realisiert werden können.
Bei den sogenannten direkt messenden Reifendrucküberwachungssystemen (z. B.
TPMS: Tire Pressure Monitoring System) wird der Reifenluftdruck direkt
in den Reifen gemessen und mittels Sende- und Empfangseinrichtungen
an eine Auswerteelektronik weitergeleitet. Ein solches direkt messendes
Reifendrucküberwachungssystem
ist beispielsweise in der
DE 199
38 431 C2 beschrieben. Üblicherweise
wird der Reifenluftdruck mittels eines batteriegespeisten Druckmoduls
erfasst und mittels einer Funkübertragung
an ein oder mehrere Empfangsmodul/e gesendet. Aus der
DE 100 58 140 A1 ist ein
sogenanntes indirekt messendes Reifendrucküberwachungssystem (z. B. DDS:
Detection Deflection System) bekannt, welches auf Basis von Raddrehzahlinformationen,
wie beispielsweise den Abrollumfängen,
einen Luftdruckverlust an den Rädern
erkennt.
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Mit
indirekt messenden Reifendrucküberwachungssystemen,
die auf der Beobachtung der Abrollumfänge basieren, können nur
relative Veränderungen
der Abrollumfänge
von bis zu drei Rädern
gegenüber
einem gelernten Zustand erkannt werden. Die absoluten Abrollumfänge der
Räder sind
unbekannt, da eine unabhängige
Information über
die Fahrzeuggeschwindigkeit nicht zur Verfügung steht. Aus diesem Grund
kann kein gleichzeitiger Druckverlust an allen vier Rädern erkannt
werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren
zur Bestimmung der absoluten Abrollumfänge der Räder bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 Signale
des Vorderrades (SV(t)) und des Hinterrades
(SH(t)) und
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2 die
Korrelationsfunktion K(τ).
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In 1 sind
Signale des Vorderrades (SV(t)) und des
Hinterrades (SH(t)) über der Zeit t aufgetragen. Das
Signal SV(t) des Vorderrades weicht zum
Zeitpunkt t1 signifikant von dem Wert „0" ab, wohingegen das Signal
SH(t) des Hinterrades erst zu einem Zeitpunkt
t2 von dem Wert „0" signifikant abweicht.
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2 stellt
eine Korrelationsfunktion K(τ) über einen
Zeitparameter τ dar.
Die Korrelationsfunktion K(τ) weist
bei dem Zeitpunkt τ = Δtv ein Maximum auf.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
werden die absoluten Abrollumfänge
der Räder
bestimmt, wodurch es möglich
ist, die Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen. Dies erfolgt unter
Verwendung der Raddrehzahlinformationen, welche beispielsweise aus
den in einem Fahrzeug mit Antiblockiersystem (ABS) vorhandenen Radsensoren
ermittelt werden können,
und des Achsabstandes LA (Abstand der Radmittelpunkte vorne/hinten)
des Fahrzeugs. Der Achsabstand LA des betrachteten
Fahrzeugs muss hierzu bekannt sein. Das erfindungsgemäße Verfahren
zur Bestimmung der absoluten Abrollumfänge der am Fahrzeug montierten
Räder beinhaltet
folgende Schritte:
- – Messen der Raddrehzahlen
der vier Räder
(allgemein), bevorzugt der Zeitdifferenzen zwischen allen (gleichgerichteten)
Flanken des Impulsgeberrades (Encoders),
- – Bestimmen
eines charakteristischen Zeitpunkts tv (z.
B. Startzeitpunkt tstart) von Vibrationen,
die über
die Fahrbahn in das Rad übertragen
werden und im Drehzahlsignal erkennbar sind,
- – Bestimmen
der Zeitdifferenz Δtv zwischen dem Auftreten korrespondierender
Vibrationen an Vorder- und Hinterrad derselben Fahrzeugseite, wie
sie z. B. durch Überfahren
einer Fahrbahnunebenheit hervorgerufen werden (Bewertungsverfahren
zur Bestimmung korrespondierender Vibrationen s. u.), und
- – Bestimmen
der absoluten Fahrzeuggeschwindigkeit vF und
der absoluten Abrollumfänge
der vier Räder UR unter Verwendung der ermittelten Zeitdifferenz Δtv und dem bekannten Achsabstand LA auf folgendem Weg: vF = LA / Δtv) (1) UR =
VF·(tn / n) (2) UR =
LA / Δtv·(tn / n), {(1) in (2) eingesetzt} (3)
wobei
tn die Zeit für n Radumdrehungen bezeichnet,
welche aus den Raddrehzahlsensoren auf bekannte Weise ermittelt
wird.
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Formel
(1) kann auf jede Fahrzeugseite angewendet werden und liefert dann
die absolute Fahrzeuggeschwindigkeit. Zur Genauigkeitssteigerung
kann auch der Mittelwert beider Fahrzeugseiten gebildet werden. Formel
(2) oder (3) wird auf jedes einzelne Rad angewendet und liefert
den absoluten Abrollumfang dieses Rades. Dabei ist (tn /
n) zum selben Zeitpunkt bzw. bei derselben Geschwindigkeit zu bestimmen
wie Δtv.
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Die
Auswertung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist nur zulässig,
wenn sich die Fahrzeuggeschwindigkeit über den Messzeitraum nicht
verändert
und ein konstanter bzw. bekannter Achsabstand LA über dem
Messzeitraum vorliegt. Ferner müssen
Vorder- und Hinterrad in derselben Fahrspur abrollen, d. h. es darf keine
Kurvenfahrt vorliegen.
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Die
Konstanz der Fahrzeuggeschwindigkeit lässt sich durch die Überwachung
der Raddrehzahlsignale (Auswertung Geschwindigkeit, Drehzahl oder
Beschleunigung) sicherstellen. Um die Randbedingung eines konstanten
Achsabstands LA zu gewährleisten, müssen während des
Messzeitraums von außen
eingebrachte „Stöße" und die resultierenden
Vibrationen klein genug sein, so dass sie keine signifikante horizontale
Bewegung der Achse hervorrufen. Dies lässt sich z. B. dadurch erreichen,
indem Obergrenzen für
zulässige
Vibrationsamplituden berücksichtigt
werden. Die Einzelsignale der resultierenden Vibrationen dürfen keine
Bestandteile von Resonanzen der Fahrwerkskomponenten aufweisen.
Dies wird erreicht, indem die Einzelsignale auf periodische Anteile
im bekannten Resonanzbereich (z. B. 10 Hz Achse) überprüft bzw.
ggf. sogar von diesen befreit werden. Ferner werden auftretende
Temperaturveränderungen
ermittelt, z. B. durch Messung oder Nutzung der Umgebungstemperatur,
wie sie heutzutage in vielen Fahrzeugen ohnehin zur Verfügung steht,
wobei der Achsabstand ggf. nach folgender Kompensationsgleichung
temperaturkompensiert wird LA(T) = LA(20°C)[1 + α(T – 20°C)), (4)wobei LA(20°C)
den bekannte Achsabstand bei 20°C,
T die Umgebungstemperatur in °C
und α den
Wärmedehnungskoeffizienten
des für
den Fahrzeugkörper
verwendeten Materials (i.d.R. Stahl) bezeichnet.
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Eine
Bewertung der Kurvenfahrt erfolgt z. B. in bekannter Weise unter
Verwendung von Obergrenzen für
zulässige
Beträge
von Gierrate und Querbeschleunigung, die in Fahrzeugen mit einem
elektronischen Stabilitätsprogramm
(ESP) direkt gemessen werden und in Fahrzeugen, die lediglich über ein
Antiblockiersystem (ABS) verfügen,
mittels bekannter Verfahren aus den Raddrehzahlinformationen errechnet
werden. Es kann auch ein Rollratensenor, welcher die Kippneigung
des Fahrzeugs um die Längsachse
sensiert, ausgewertet werden.
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Zur
Bestimmung korrelierender Vibration zwischen dem Vorder- und dem
Hinterrad wird ein Korrelationsverfahren angewandt. Da die Informationen
der Raddrehzahlsensoren der einzelnen Räder asynchron auftretende Ereignisse
sind, wird der Zeitpunkt des Auftretens dieser Ereignisse mit nur
einer Uhr für
alle Räder erfasst
und abgespeichert. Da lediglich eine einzige Uhr bei der Messung
zum Einsatz kommt, ist die Messbasis für alle Räder dieselbe. Daher kann das
folgende Korrelationsverfahren eingesetzt werden, ohne dass ein aufwändiger Zeitabgleich
mehrerer Uhren erfolgen muss. Aus den abgespeicherten Zeitpunkten
eines Ereignisses an einem Raddrehzahlsensor werden die Zeitdifferenzen
zwischen den Ereignissen fortlaufend gebildet und den abgespeicherten
Zeitpunkten zugeordnet. Bei konstanter Abrollgeschwindigkeit eines
Rades ergibt sich dann ein konstantes Zeitdifferenzsignal, dem jedoch
Störungen
durch ungleichmäßige Fahrbahnoberfläche, Störungen durch
Ungleichmäßigkeiten
bei der Herstellung des Raddrehzahlsensors (der sogenannte Pole-Pitch-Error)
und stochastisches Rauschen überlagert
sind. Das Zeitdifferenzsignal wird weiter zu einem Differenzensignal
verarbeitet, indem die Zeitdifferenz eines Ereignisses und die Zeitdifferenz
des folgenden Ereignisses voneinander subtrahiert werden. Die entstehende
Signalfolge wird wieder den absoluten Ereigniszeitpunkten zugeordnet.
Das entstehende Differenzensignal enthält somit keinerlei Information über die
Fahrzeuggeschwindigkeit. Vielmehr schwankt das Differenzensignal
um Null. Die Schwankungen repräsentieren, wie
bereits gesagt, Störungen
durch ungleichmäßige Fahrbahnoberfläche, Störungen durch
Ungleichmäßigkeiten
bei der Herstellung des Raddrehzahlsensors (Pole-Pitch-Error) und
stochastisches Rauschen.
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In
einem weiteren Verarbeitungsschritt werden die Störungen durch
Ungleichmäßigkeiten
bei der Herstellung des Raddrehzahlsensors (Pole-Pitch-Error) eliminiert.
Dies erfolgt unter Zuhilfenahme ei nes zuvor aus wiederholt durchgeführten Messungen
errechneten Störungsmodells.
Dieses Modell wird herangezogen, um das Differenzensignal von den
Störungen
des Pole-Pitch-Errors zu befreien. In der Praxis genügt die mit
der Radumdrehung synchronisierte Subtraktion des Störungsmodells
vom Zeitdifferenzensignal. Das entstehende Signal S wird wieder
den absoluten Einzelereignissen zeitlich zugeordnet.
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Im
Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren
anhand eines Beispiels erläutert.
In 1 sind die Signale S(t) für das Vorder- (SV(t))
und das Hinterrad (SH(t)) auf einer Fahrzeugseite
aufgetragen. Diese Signale SV(t), SH(t) schwanken stochastisch um den Wert Null.
Das Signal SV(t) für das Vorderrad weist ein plötzliches
Ansteigen der Schwankungen zu dem Zeitpunkt t1 auf,
was auf das Überfahren
einer Fahrbahnunebenheit zu diesem Zeitpunkt t1 zurückzuführen ist.
Das Hinterrad überfährt dieselbe
Unebenheit erst später, was
sich in plötzlich
ansteigenden Signalstörungen
des Signals SH(t) zum Zeitpunkt t2 äußert.
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In
einem weiteren Verarbeitungsschritt werden die Signale des Vorderrades
S
V(t) und des Hinterrades S
H(t)
miteinander korreliert:
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Dabei
startet die Korrelationsberechnung zu einem bestimmten Zeitpunkt
t = tstart und wird bis zu einem Zeitpunkt
t = tStop = tStart +
tLänge fortgesetzt.
Der Startzeitpunkt tstart kann ereignisgesteuert,
d. h. beispielsweise beim Erkennen einer Fahrbahnstörung, oder
zyklisch, d. h. in einem festen Zeitraster, beispielsweise alle
zwei Sekunden, festgelegt werden. Der Stopzeitpunkt tStop setzt
sich aus dem Startzeitpunkt tstart und der
Suchzeitlänge
tLänge zusammen.
Die Die Suchzeitlänge
tLänge beschreibt
einen festgelegten Entwurfparameter, welcher beispielsweise immer
eine festgelegte Zeitdauer, z. B. drei Sekunden, lang ist. Die Suchzeitlänge tLänge kann auch
fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig
festgelegt werden, wobei beispielsweise die Suchzeitlänge tLänge bei einem
langsameren Fahrzeug länger
als bei einem schnelleren Fahrzeug ist. Durch Variation des Zeitparameters τ erhält man die
Korrelationsfunktion K(τ).
Diese Funktion weist an der Stelle τ = Δtv ein
Maximum auf (siehe 2).
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Zur
Bestimmung der Zeitdifferenz Ätv wird das Maximum der Korrelationsfunktion
K(ô) in
dem zu erwarteten Bereich gesucht. Der erwartete Bereich lässt sich
aus der ungenau vorliegenden Fahrzeuggeschwindigkeit durch Umstellen
von Gleichung (3) aus den Raddrehzahlsignalen unter der plausiblen
Annahme von Minimal- und Maximalabrollumfängen Umin,
Umax eines Rades vorab bestimmen: τmin =
LA / Umax·(tn / n), (6a) τmax =
LA, / Umin·(tn / n). (6b)
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Somit
lässt sich
der Suchbereich einschränken.
Ist das Maximum gefunden, so ist die Zeitdifferenz Δtv bestimmt.
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Mit
einer Einzelmessung kann bereits eine Genauigkeit für den Abrollumfang
im Bereich von etwa 1 % erreicht werden. Um eine Genauigkeit für den Abrollumfang
von < 0,5 Promille
zu erreichen, wie sie für
Reifendrucküberwachungssysteme
notwendig ist, sind zahlreiche Wiederholmessungen erforderlich.
Es hat sich gezeigt, dass bereits kleinste Anregungen der Straße bzw.
Ungleichförmigkeiten
ausgenutzt werden können, da
sie sich signifikant in den Raddrehzahlsignalen wiederfinden. So
können
im Extremfall für
eine Radumdrehung mehrere unabhängige
Korrelationen und damit Zeitdifferenzen Δtv ermittelt
werden, so dass eine ausreichende Anzahl von Wie derholmessungen
innerhalb nur weniger Kilometer Fahrstrecke ermittelt werden kann.
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In
einem nachgeschalteten Verfahren zur Erkennung von Reifendruckverlusten
werden die nach obigem Verfahren ermittelten Abrollumfänge zunächst gelernt
und abgespeichert. Dazu ist es erforderlich, dass der Fahrer dem
Reifendrucküberwachungssystem
bzw. dem Verfahren zur Erkennung von Reifendruckverlusten das Vorliegen
eines ordnungsgemäßen Reifendrucks
z. B. per Tasterdruck (Reset) anzeigt. Nach erfolgtem einlernen
dieser ordnungsgemäßen Reifendrücke bzw.
der zugehörigen
Abrollumfänge
UR,lern erfolgt eine kontinuierliche Überwachung
durch Vergleich der aktuell ermittelten Abrollumfänge UR,akt mit den eingelernten Werten UR,lern. Überschreitet
die Differenz UR,lern – UR,akt einen
Schwellwert, so liegt ein Hinweis auf einen Druckverlust vor.
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Die
Abrollumfänge
der Räder
hängen
im wesentlichen von der Geschwindigkeit, dem Antriebsmoment, den
Seitenkräften
und der Radlast ab. Um die für
die Praxis erforderliche Genauigkeit und Robustheit für die Drucküberwachung
zu erreichen, ist es notwendig, das Einlernen und Erkennen in Geschwindigkeits- und
Antriebsmomentenbereichen (zumindest für die Antriebsräder) durchzuführen. Das
Einlernen und Erkennen eines Druckverlusts kann entweder auf die
Geradeausfahrt beschränkt
bleiben oder es wird darüber
hinaus auch in verschiedenen Querbeschleunigungsbereichen eingelernt
und erkannt. Die Differenz UR,lern – UR,akt wird in diesem Fall mit dem zu dem
aktuellen Messwert gehörigen
Lernwert für
dieselben Werte von Geschwindigkeit, Antriebsmoment und Querbeschleunigung
verglichen. Um den Einfluss der Radlast möglichst auszuschließen, sollte
der Reset nur bei Teillast ausgeführt werden. Eine spätere Radlasterhöhung führt dann
zu kleineren Abrollumfängen,
die aufgrund der stärkeren
Auslastung der Räder
eventuell schon bewarnt werden müssen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird bevorzugt in Kombination mit einem indirekt messenden Reifendrucküberwachungssystem
(DDS) eingesetzt, wobei es dabei vorrangig zur Erkennung eines gleichzeitigen Druckverlustes
an allen vier Rädern
dient. Gegenüber
dem indirekt messenden Reifendrucküberwachungssystem (DDS) allein
ergibt sich darüber
hinaus der Vorteil, dass eine insgesamt zu hohe Auslastung des Rades bewarnt
und damit vermieden werden kann, unabhängig ob sie durch Druckverlust
oder Radlasterhöhung
hervorgerufen wurde.
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Weiterhin
ist es auch möglich,
das erfindungsgemäße Verfahren
in Kombination mit einem direkt messenden Reifendruckkontrollsystem
(TPMS) zu betreiben. In diesem Fall kann das Bestätigen der
korrekten Reifendrücke
per Taster (Reset) auch entfallen und ein internes Signal vom direkt
messenden Reifendruckkontrollsystem (TPMS) weitergegeben werden.
Es kann damit eine Überwachung
der Plausibilität
der TPMS-Information erfolgen und damit liegt eine redundante Druckinformation
vor, die es z. B. erlaubt, den Reifendruck auch als Eingangsgröße für sicherheitsrelevante
Fahrzeugregelsysteme wie ABS und ESP zu verwenden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
somit allgemein die Bestimmung der absoluten Fahrzeuggeschwindigkeit.
Diese absolute Fahrzeuggeschwindigkeit kann auch anderen Systemen
im Fahrzeug, wie beispielsweise einem Antiblockiersystem (ABS) oder
einem elektronischen Stabilitätsprogramm
(ESP), welche eine qualitativ hochwertige Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit
(Geschwindigkeit des Fahrzeugs gegenüber der Fahrbahn) z. B. zur
Verbesserung von Regelalgorithmen benötigen, zur Verfügung gestellt
werden.
