DE102005015241A1 - Verfahren und Steuereinrichtung zum Steuern eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs und Steuereinrichtung, wobei aus einer angeforderten Fahrzeugbewegung 5 und der aktuellen Fahrzeugsituation 2, 3 die angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente abgeleitet werden. Die angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente werden dynamisch gewichtet und es werden daraus die zu erzeugenden Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente abgeleitet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Obwohl die Erfindung im Folgenden mit Bezug auf den Einsatz an einem Kraftfahrzeug beschrieben wird, ist die Erfindung nicht auf die Verwendung an einem Kraftfahrzeug beschränkt, sondern kann auch auf anderen technischen Gebieten, wie in der Luftfahrt oder in der Seefahrt, eingesetzt werden.
• Moderne Fahrzeuge werden mit einer Vielzahl von Fahrzeugkontroll- bzw. Fahrzeugsteuersystemen ausgerüstet. Bekannte Beispiele solcher Fahrzeugsteuersysteme sind das Antiblockiersystem ABS, die Fahrdynamikregelung ESP (englisch: Electronic Stability Program), variable Dämpfersysteme, aktive Dämpfungssysteme und aktive Steuersysteme und dergleichen mehr.
• Die verschiedenen Steuersysteme überlappen sich teilweise in ihrer Wirkungsweise, so daß verschiedene Systeme den gleichen Freiheitsgrad des Fahrzeugs beeinflussen. Deshalb ergibt sich der Bedarf einer Kontroll- bzw. Steuerstrategie, mittels derer entschieden wird, welcher Aktuator oder welche Aktuatoren benutzt werden, um eine gewünschte Fahrzeugbewegung hervorzurufen. Das Problem der Verteilung der zu erzeugenden Fahrzeugkräfte auf die vorhandenen Aktuatoren wird als dynamische Aktuatorzuordnung (englisch: Dynamic Actuator Allocation) bezeichnet.
• Im Stand der Technik ist mit der EP 1 447 262 A1 ein Verfahren zur Bewegungssteuerung eines Fahrzeugs bekannt geworden, bei dem eine gewünschte Fahrzeugbewegung durch drei Fahrzeugkräfte und durch drei Fahrzeugmomente ausgedrückt wird, die jeweils linear unabhängig voneinander sind. Die Zahl der Kräfte und der Momente entspricht dem Freiheitsgrad des Fahrzeugs, so daß jeder Freiheitsgrad unabhängig von den anderen Freiheitsgraden durch die Fahrzeugkräfte und Fahrzeugdrehmomente beeinflußbar ist.
• Unter Berücksichtigung der angeforderten Fahrzeugbewegung und der aktuellen Fahrzeugsituation werden die angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente ermittelt, die nötig sind, um das Fahrzeug in die angeforderte Bewegung zu versetzen. Anschließend wird ein Satz von Aktuatorstellgrößen berechnet, mittels derer die Differenz zwischen angeforderten Fahrzeugkräften und/oder -momenten und den mittels der Aktuatoren erzeugbaren Fahrzeugkräften und/oder -momenten minimiert wird. Bei der Berechnung der einzelnen Aktuatorstellgrößen kann gemäß der EP 1 447 262 A1 zum Beispiel der Energieverbrauch der einzelnen Aktuatoren berücksichtigt werden, so daß zur Erzeugung der angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder -momente ein Satz von Aktuatorstellgrößen ausgegeben wird, mittels dem die angeforderten Fahrzeugkräfte bei minimalem Energieverbrauch erreichbar sind.
• Nachteilig bei diesem bekannten Stand der Technik ist, daß es in bestimmten Betriebsbedingungen oder während eines Aktuatorausfalls sinnvoll oder nötig sein kann, nur bestimmte angeforderte Kräfte oder nur bestimmte Aktuatoren zu berücksichtigen, was nicht berücksichtigt wird.
• Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern eines Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen, mittels derer eine flexiblere Steuerung des Fahrzeugs ermöglicht wird.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs werden aus einer angeforderten Fahrzeugbewegung und der aktuellen Fahrzeugsituation die angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente ermittelt, mittels derer die angeforderte Fahrzeugbewegung im Wesentlichen erzielbar ist. Erfindungsgemäß werden die angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente dabei dynamisch gewichtet und aus den resultierenden Fahrzeugkräften und/oder Fahrzeugmomenten werden die zu erzeugenden Fahrzeugkräfte und/oder die zu erzeugenden Fahrzeugmomente abgeleitet.
• Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung zur Steuerung einer Fahrzeugbewegung weist wenigstens einen Eingang zur Aufnahme der Daten einer angeforderten Fahrzeugbewegung auf. Weiterhin ist wenigstens ein Eingang zur Aufnahme der Daten des aktuellen Fahrzeugzustandes vorgesehen. Mittels wenigstens einer Zerlegeeinrichtung wird die angeforderte Fahrzeugbewegung in angeforderte Fahrzeugkräfte und/oder angeforderte Fahrzeugmomente zerlegt. Erfindungsgemäß ist eine Gewichtungseinrichtung zur dynamischen Gewichtung der angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder -momente vorgesehen. Mit wenigstens einer Recheneinrichtung werden die zu erzeugenden Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente aus den dynamisch gewichteten angeforderten Fahrzeugkräften und/oder Fahrzeugmomenten abgeleitet. Die Recheneinrichtung ist dabei insbesondere dazu bestimmt und geeignet, die zu erzeugenden Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente abzuleiten.
• Die Erfindung hat erhebliche Vorteile. Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik ist eine dynamische Gewichtung der angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente möglich und nicht nur eine dynamische Verteilung der zu erzeugenden Fahrzeugkräfte auf eine Anzahl von Aktuatoren.
• In einem einfachen Fall ist es möglich, daß eine oder daß mehrere der angeforderten Fahrzeugkräfte bzw. Fahrzeugmomente unberücksichtigt bleiben, während andere angeforderte Kräfte und/oder Momente in vollem Umfang berücksichtigt werden. Bei dieser einfachen Ausführung findet eine digitale Gewichtung statt, in dem einzelne angeforderte Kräfte und/oder Momente entweder berücksichtigt werden oder nicht.
• In bevorzugten Ausführungen ist eine abgestufte Gewichtung einzelner angeforderter Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente möglich.
• Erfindungsgemäß wird durch das Gewichten der angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente eine Priorisierung ermöglicht. Bei der Gewichtung der angeforderten Kräfte und/oder Momente können die einzelnen Werte mit Faktoren berücksichtigt werden, die sowohl kleiner als 1 als auch größer als 1 sind. Gewichtungsfaktoren kleiner als 1 bedeuten, daß die angeforderte Kraft bzw. das angeforderte Moment mit einer kleineren Priorität berücksichtigt werden, während Gewichtungsfaktoren größer 1 die entsprechende angeforderte Kraft bzw. das angeforderte Moment mit einer höheren Priorität versehen. Ebenso ist es möglich, daß die einzelnen angeforderten Kräfte und/oder Momente mit einem Prozentsatz gewichtet werden.
• Ein erheblicher Vorteil einer dynamischen Gewichtung ist, daß bestimmt Kräfte und/oder Momente von Fall zu Fall berücksichtigt werden oder auch unberücksichtigt bleiben können, wobei das Maß der Berücksichtigung variabel ist.
• Vorzugsweise werden die angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder Momente gemäße einem linear unabhängigen System ermittelt. Beispielsweise können die Fahrzeugkräfte entlang eines kartesischen Koordinatensystems bestimmt werden und die Fahrzeugmomente um die drei Achsen des kartesischen Koordinatensystems. Die Fahrzeugkraft entlang der X-Richtung ist dann z.B. die Fahrzeugkraft in Vorwärtsrichtung und Kräfte entlang der Y-Achse entsprechen dann z.B. seitwärts gerichteten Kräften und die Kräfte in Richtung der Z-Achse entsprechen z.B. vertikal ausgerichteten Kräften. Weiterhin werden die um die jeweiligen kartesischen Koordinatenachsen herum ausgerichteten Drehmomente berücksichtigt, um so insgesamt durch drei Kraft- und drei Momentenvektoren die auf das Fahrzeug einwirkenden Kräfte eindeutig zu beschreiben.
• In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Gewichtung einer oder mehrerer Kräfte und/oder eines oder mehrerer Momente in Abhängigkeit von wenigstens einer Voreinstellung. Vorzugsweise sind mehrere Voreinstellungen vorgesehen, in denen unterschiedliche Gewichtungen vorgenommen werden. Beispielsweise können die Voreinstellungen "Komfortstellung", "Sportstellung" und "Sicherheitsstellung" sowie weitere Voreinstellungen vorgesehen sein. In der "Komfortstellung" wird dabei angeforderten Fahrzeugkräften, die den Fahrkomfort erhöhen, eine höhere Gewichtung zugeordnet, während in der "Sportstellung" eine größere Gewichtung auf Fahrzeugkräfte und -momente gelegt wird, die dem Fahrzeug eine sportliche Fortbewegung ermöglichen. In der Voreinstellung "Sicherheitsstellung" werden hingegen angeforderte Fahrzeugkräfte mit einer höheren Gewichtung versehen, die zur Sicherheit der aktuellen Fahrzeugbewegung beitragen.
• In einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt die Gewichtung in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrzeugsituation. Insbesondere ist es auch möglich, daß in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrzeugsituation die Voreinstellung dynamisch verändert wird. Durch solche Maßnahmen kann die Sicherheit des Fahrzeugs insgesamt erhöht werden, da in kritischen Fahrsituationen angeforderte Fahrzeugkräfte und/oder -momente dynamisch unberücksichtigt bleiben können, wenn die angeforderten Kräfte und/oder Momente nicht zur Steigerung der Fahrzeugsicherheit dienen und insbesondere diese sogar gefährden.
• In unkritischen Fahrsituationen ist es hingegen insbesondere in der Komfortstellung möglich die angeforderten Dämpfungskräfte höher zu gewichten, während in kritischeren Fahrzeugsituationen die Erzeugung von Dämpfungskräften zur Reduzierung von Vibrationen für die Insassen des Fahrzeugs geringer gewichtet werden kann oder deren Anforderung gänzlich unberücksichtigt bleiben kann.
• In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden Aktuatorsignale abgeleitet, mit denen die zugehörigen Aktuatoren die zu erzeugenden Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente im Wesentlichen, insbesondere innerhalb eines vorgegebenen Rahmens, aufbringen können. Vorzugsweise erfolgt die Zuordnung dynamisch, so daß in Abhängigkeit von den aktuellen Bedingungen eine entsprechende Auswahl an Aktuatoren Berücksichtigung findet. Bei der Auswahl der einzelnen Aktuatoren und bei der Höhe der einzelnen Aktuatorsignale wird insbesondere Wert auf den Energieverbrauch der einzelnen Aktuatoren und/oder andere Umwelteigenschaften sowie auf die Fahrzeugsicherheit gelegt. Insbesondere werden auch die zulässige Signal- und Wirkbereiche der Aktuatoren berücksichtigt.
• Werden beispielsweise mit einem ersten Satz und einem zweiten Satz von Aktuatorsignalen Aktuatorkräfte und Aktuatormomente aufgebracht, die jeweils in ausreichender Übereinstimmung mit den zu erzeugenden Fahrzeugkräften und/oder -momenten liegen, so kann derjenige Satz von Aktuatorsignalen ausgewählt werden, bei dem ein geringerer Energieverbrauch entsteht oder bei dem größere Sicherheitsreserven verbleiben, insbesondere wenn einzelne Aktuatoren mit Signalen im oder nahe am Grenzbereich beaufschlagt werden sollen.
• In allen Fällen ist es zur Bereitstellung der zu erzeugenden Fahrzeugkräfte und/oder -momente bevorzugt, die Aktuatorsignale an die jeweiligen Aktuatoren auszugeben.
• Bei der Ableitung der Aktuatorsignale ist es bevorzugt, die Aktuatoren dynamisch zu gewichten, wozu eine Aktuatorgewichtungseinheit vorgesehen sein kann.
• So ist es möglich, bei z.B. Auswahl eines Aktuators die zu erzeugenden Aktuatorkräfte auf die anderen Aktuatoren zu verteilen. Die Gewichtung der Aktuatoren erfolgt insbesondere dynamisch in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebs- und/oder Fahrzeugsituation sowie den zu erzeugenden Fahrzeugkräften bzw. -momenten.
• Als zu gewichtende Aktuatoren kommen jegliche in einem Fahrzeug vorhandenen Aktuatoren in Betracht, wie z.B. Bremssysteme, oder wie die Motorsteuerung, aktive und semiaktive Steuersysteme, Federungs- und Dämpfungssysteme, Lenkhilfesysteme und Lenksysteme, aktive Chassis-Systeme, Antiblockiersysteme, wie ABS, Systeme gemäß dem elektronischen Stabilitätsprogramm, wie ESP, und sonstige Aktuatoren, mit denen die Fahrzeugbewegung beeinflußbar ist. Insbesondere können auch neue Aktuatoren in das erfindungsgemäße Verfahren integriert werden und in einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung berücksichtigt werden.
• Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung.
• Es zeigt
• 1 eine schematische Ansicht eines Systemmodells, bei dem einige Eingangs- und Ausgangsparameter eines Motors gezeigt werden.
• In 1 ist stark schematisch und beispielhaft ein Systemmodell 1 einer Steuerungseinrichtung 10 eines Kraftfahrzeugs dargestellt.
• Der Steuerungseinrichtung 10 wird über verschiedene Eingänge der aktuelle Betriebszustand des Kraftfahrzeugs mitgeteilt. Beispielsweise wird die X-Position 2 bezüglich der X-Koordinate und die Geschwindigkeit in X-Richtung 3 der Steuerungseinrichtung 10 zugeführt. Ebenso werden für die anderen Koordinaten Y, Z und für die drei Drehmomente jeweils die entsprechenden Werte der Steuerungseinrichtung 10 zugeführt (nicht dargestellt). Weiterhin ist die Eingangsgröße 4 der Steuerungseinrichtung 10 die Art und Anzahl der aktiven Aktuatoren.
• Über den Block 5 wird der Steuerungseinrichtung 10 die angeforderte Fahrzeugbewegung zugeführt, die in der Steuereinrichtung 10 in die angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente entlang der kartesischen Koordinaten X, Y und Z bzw. um sie herum zerlegt werden.
• Über die Gewichtungseinrichtung 7 wird in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrsituation, den aktiven Aktuatoren und der angeforderten Fahrzeugbewegung die vom Fahrzeug zu erzeugenden Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente abgeleitet und der zentralen Steuereinrichtung 10 zugeführt.
• Bei der Gewichtung der angeforderten Fahrzeugkräfte wird über den Block 6 insbesondere eine Voreinstellung 6 berücksichtigt, die u. A. für die Fahrzeugbewegung eine Komfortstellung und eine Sportstellung vorsieht, wobei in der Sportstellung eine sportlichere Fahrweise bevorzugt und höher gewichtet wird, während in der Komfortstellung angeforderte Kräfte zur Dämpfung von Fahrzeugschwingungen etc. beispielsweise höher gewichtet werden. In allen Fällen ist es aber möglich, daß in sicherheitskritischen Fahrsituationen angeforderte Fahrzeugkräfte mit einer höheren Gewichtung versehen werden, die die Fahrstabilität des Kraftfahrzeugs erhöhen.
• Beispielsweise kann bei drohendem Schleudern des Kraftfahrzeugs ein erheblich höheres Gewicht auf Fahrzeugkräfte gelegt werden, die die Richtungsstabilität beeinflussen, während Fahrzeugkräfte, die den Insassenkomfort steigern, wie die Vermeidung von Schwingungen der Fahrgastzelle, weniger berücksichtigt oder gar nicht berücksichtigt werden, wenn diese Maßnahmen insgesamt der Fahrsicherheit zuträglich sind.
• Die zentrale Steuereinrichtung 10 leitet unter Berücksichtigung der Gewichtungsfaktoren einen Satz von Aktuatorsignalen ab, die an die Aktuatoren 11, 12, 13 und 14 ausgegeben werden. Bei der Bestimmung der einzelnen Aktuatorsignale wird dabei auf die zulässigen Wertebereiche der Aktuatoren, die in dem Feld 15 abgelegt sind, Rücksicht genommen. Weiterhin wird berücksichtigt, ob einzelne Aktuatoren nicht verfügbar sind, indem gegebenenfalls die zu erzeugenden Kräfte auf die weiteren Aktuatoren verteilt werden.
• Im Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zur Gewichtung von angeforderten Fahrzeugkräften und/oder Momenten noch eine Gewichtung von Aktuatoren mit einer Aktuatorgewichtungseinheit 16 vorgenommen, indem in bestimmten Fahrsituationen die Erzeugung einer bestimmten Fahrzeugkraft oder eines bestimmten Fahrzeugmoments bevorzugt durch bestimmte Aktuatoren durchgeführt wird. Es kann z.B. auch grundsätzlich oder in bestimmten Fahrzeugsituationen einem Lenk- oder Lenkhilfesystem Priorität über das Bremssystem eingeräumt werden.
• Beispielsweise kann die Erzeugung einer bestimmten Fahrzeugkraft durch einen Aktuator bevorzugt werden, wenn zur Erzeugung der nötigen Fahrzeugkraft ein anderer Aktuator in oder nahe an den Grenzbereich geraten würde. Durch die Aktivierung eines Aktuators, der einen größeren Sicherheitsspielraum zu einer eventuell später nötigen Erhöhung der Aktuatorkraft aufweist, kann dann gegebenenfalls später im Bedarfsfall schneller reagiert werden, da eine evtl. vorhandene Aktivierungszeit zur Aktivierung eines weiteren Aktuators auch bei einer weiteren Erhöhung der nötigen Aktuatorkräfte nicht benötigt wird.
• Neben andere Vorteilen weist die Erfindung den Vorteil auf, daß eine dynamische Gewichtung der angeforderten Kräfte und Momente durchgeführt wird, so daß bei Bedingungen, die in die Nähe kritischer Bedingungen geraten, diese aber noch nicht erreichen oder überschreiten, eine Reduktion der zum Fahrkomfort beitragenden Fahrzeugkräfte möglich ist, ohne diese direkt abzuschalten, was erst in kritischeren Situationen möglich ist.
• So kann erst bei Erreichen einer bestimmten stabilitätskritischen Stufe die Dämpfung von komfortmindernden Schwingungen der Fahrgastzelle reduziert oder ganz eingestellt werden, während die Kontrolle über Schleuderbewegungen des Fahrzeugs dann maximal gewichtet wird.

Claims (10)

1. Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs bei dem aus einer angeforderten Fahrzeugbewegung (5) und der aktuellen Fahrzeugsituation (2, 3) die angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente dynamisch gewichtet und daraus zu erzeugende Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente abgeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtung in Abhängigkeit von einer Voreinstellung (6) vorgenommen wird, wobei insbesondere mehrere Voreinstellungen vorgesehen sind, in denen unterschiedliche Gewichtungen vorgenommen werden, wobei vorzugsweise wenigstens eine der Voreinstellungen Komfortstellung, Sportstellung und Sicherheitsstellung vorgesehen ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtung in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrzeugsituation (2, 3) erfolgt.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in sicherheitskritischen Fahrzeugsituationen die Erzeugung von sicherheitsrelevanten Fahrzeugkräften und/oder Fahrzeugmomente höher gewichtet wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Aktuatorsignale abgeleitet werden, welche vorzugsweise dynamisch gewichtet werden.
6. Steuereinrichtung (10) zur Steuerung einer Fahrzeugbewegung mit wenigstens einem Eingang (5) zur Aufnahme einer angeforderten Fahrzeugbewegung, wenigstens einem Eingang (2, 3) zur Aufnahme der Daten des aktuellen Fahrzeugzustandes, wenigstens einer Zerlegeeinrichtung zur Zerlegung der angeforderten Fahrzeugbewegung in angeforderte Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Gewichtungseinrichtung (7) zur dynamischen Gewichtung der angeforderten Fahrzeugkräfte vorgesehen ist und daß wenigstens eine Recheneinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die zu erzeugenden Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente abgeleitet werden.
7. Steuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Gewichtungseinrichtung (7) die Gewichtung entsprechend wenigstens einer Voreinstellung (4) vornehmbar ist, vorzugsweise entsprechend mehrerer Voreinstellungen, in denen unterschiedliche Gewichtungen vorgenommen werden; wobei vorzugsweise wenigstens eine der Voreinstellungen Komfortstellung, Sportstellung und Sicherheitsstellung vorgesehen sind.
8. Steuereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtung in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrzeugsituation (2, 3) erfolgt.
9. Steuereinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtungseinrichtung in einer sicherheitskritischen Fahrzeugsituation sicherheitsrelevante Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente höher gewichtet als Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente für den Fahrkomfort.
10. Steuereinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung ((16) zur Ableitung von Aktuatorsignalen vorgesehen ist, welche vorzugsweise die Aktuatorsignale dynamisch gewichtet.