DE102005015665A1

DE102005015665A1 - Verfahren zur Überprüfung der Steuerungsfähigkeit eines Fahrzeugs

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Publication number: DE102005015665A1
Application number: DE200510015665
Authority: DE
Inventors: Ottmar Dr. Gehring; Frédéric Dipl.-Ing. Holzmann; Sascha Dr. Ing. Paasche; Andreas Dr. Ing. Schwarzhaupt; Gernot Prof. Dr. Ing. Spiegelberg; Armin Dr. Ing. Sulzmann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2006-10-12
Also published as: WO2006105961A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Steuerungsfähigkeit eines Kraftfahrzeugs (1), bei dem anhand eines das statische und dynamische Verhalten der für die Steuerungsfähigkeit relevanten Steuerungsgeräte (21-24) und Fahrzeugaggregate (10-13) und deren Eingangsgrößen und Grenzwerte sowie die Fahrbahn berücksichtigenden mathematischen Modells eine Aussage über eine maximale und dynamische Leistungsfähigkeit des Steuerungsvorgangs getroffen wird, wobei das Modell als eine allgemeine Übertragungsfunktion aus dem Produkt der einzelnen Übertragungsfunktionen der in Wirkverbindung stehenden Steuergeräte (21-24) und Fahrzeugaggregate (10-13) berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Steuerungsfähigkeit eines Kraftfahrzeugs, bei dem anhand eines das statische und dynamische Verhalten der für die Steuerungsfähigkeit relevanten Steuerungsgeräte und Fahrzeugaggregate und deren Eingangsgrößen und Grenzwerte sowie die Fahrbahn berücksichtigenden mathematischen Modells eine Aussage über eine maximale und dynamische Leistungsfähigkeit des Steuerungsvorgangs getroffen wird.

Kraftfahrzeuge weisen häufig Sicherheitssysteme auf, beispielsweise Antiblockiersysteme (ABS) oder Antischlupfregelsysteme (ASR), die die Stabilität des Fahrzeugs auf der Straße verbessern sollen. Bei einem Kraftfahrzeug ohne solche Sicherheitssysteme ist es allein Aufgabe des Fahrers seine Fahrweise anzupassen, um das Fahrzeug auf der Straße stabil zu halten. Bei starkem Abbremsen besteht die Gefahr eines Blockierens der Räder, während zu starkes Beschleunigen unter schlechten Witterungsverhältnissen zum Durchdrehen der Räder führen kann.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überprüfung der Steuerungsfähigkeit eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs anzugeben, mit dem die Übertragbarkeit der Befehle des Fahrers an die Fahrzeugaggregate und von diesen an die Räder in Echtzeit untersucht werden kann, und dessen Er gebnisse in verschiedenen in das Fahrzeug integrierten Fahrsystemen verarbeitet werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Überprüfung der Steuerungsfähigkeit eines Kraftfahrzeugs angibt, wird anhand eines mathematischen Modells, das das statische und dynamische Verhalten der für die Steuerungsfähigkeit relevanten Steuerungsgeräte und Fahrzeugaggregate und deren Eingangsgrößen und Grenzwerte sowie die Fahrbahn berücksichtigt, eine Aussage über eine maximale und dynamische Leistungsfähigkeit des Steuerungsvorgangs getroffen. Das Modell wird dabei als eine allgemeine Übertragungsfunktion aus dem Produkt der einzelnen Übertragungsfunktionen der in Wirkverbindung stehenden Steuergeräte und Fahrzeugaggregate berechnet. Dadurch, das eine Aussage über eine maximale und dynamische Leistungsfähigkeit des Steuerungsvorgangs getroffen wird, lässt sich unter Verwendung derselben Übertragungsfunktionen in im Fahrzeug integrierten Fahrsystemen, wie z.B. in einer Fahrzeugsteuer/Regeleinheit die Fahrzeugdynamik analysieren und damit die Fähigkeit des Fahrzeugs zu einer Geschwindigkeits- oder Richtungsänderung, wie sie vom Fahrer befohlen wird, analysieren.

Diese Technologie erlaubt es, verschiedene Systeme zu integrieren und ihre Auswirkungen in Echtzeit zu untersuchen. Vorgeschaltete Systeme, die bei der Fahrzeugsteuerung zum Einsatz kommen, können dann die Mängel der Einheit „Fahrzeug plus Fahrbahn" kompensieren. Die zahlreichen Bedienungsarten im Fahrzeug werden im Nachfolgenden nicht weiter differenziert, stattdessen ist einfach von den „Befehlen" die Rede.

Besonders vorteilhaft ist es, dass durch die allgemeine Übertragungsfunktion zwischen den Befehlen eines Fahrers und den ausführenden Rädern drei unterschiedliche Befehlsebenen berücksichtigt werden, nämlich eine unterste Ebene, der die Fahrerbefehle und die ausführenden Steuergeräte an Bord zugeordnet sind, eine mittlere Ebene, der die Fahrzeugaggregate zugeordnet sind und eine oberste Ebene, der die Fahrbahn zugeordnet ist.

Dabei übertragen die verschiedenen Steuergeräte die Informationen, d. h. die Befehle, unverändert und verursachen damit eine Verzögerung im Gesamtsystem. Es handelt sich hauptsächlich um diskrete Übertragungsfunktionen vom Typ 1/z. Die Fahrzeugaggregate sind physikalische Systeme und benötigen somit eine Anpassungszeit. Ihre Übertragungsfunktion ist in der Regel kontinuierlich und zweiter Ordnung:

– Der Motor erlaubt das Fahrzeug zu beschleunigen aber auch sanft abzubremsen, indem die Motorbremse benutzt wird. Daher hat er eine doppelte Übertragungsfunktion.
– Die Bremse ermöglicht ein Abbremsen des Fahrzeugs. Außerdem kann die Fahrspur mittels des ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm) korrigiert werden, bei dem ein Rad vermehrt abgebremst wird, um einen Momentanpol zu erzeugen.
– Die Lenkung erlaubt eine Änderung der Bewegungsrichtung. In manchen Fällen kann sie auch durch maximales Einschlagen der Räder ein Abbremsen ermöglichen.
– Die Fahrbahn kann je nach ihrem Zustand, wie „nass" „verschneit", „beschädigt" in massiver Weise die Zu verlässigkeit der aus dem Modell herleitbaren Informationen verringern. In einem ersten Schritt kann der Zustand der Fahrbahn durch einen einfachen Anpassungskoeffizienten modelliert werden. Wenn jedoch das vorliegende System mit einem System verbunden ist, das eine bessere Analyse des Fahrbahnzustandes erlaubt, bekommt man eine ausgereiftere Übertragungsfunktion.

Ausgehend von der erwähnten Aufteilung in drei unterschiedliche Ebenen wird die allgemeine Übertragungsfunktion schrittweise so berechnet, dass jede Ebene die allgemeine Übertragungsfunktion von der nächst unteren Ebene erhält, diese mit der eigenen Übertragungsfunktion multipliziert und an die nächst höhere Ebene übergibt. Die Form der Übertragungsfunktionen für die Aggregate ist grundlegend, um Befehle bestmöglich und unter schwierigen oder sogar extremen Bedingungen ausführen zu können. In den üblichen Fällen können die Übertragungsfunktionen für die Aggregate in vereinfachter Form verwendet werden, da der Motor für sich zum Beschleunigen und als Motorbremse, die Bremse zum Abbremsen und die Lenkung zum Drehen benutzt werden.

Dementsprechend wird vorteilhafterweise jedes Fahrzeugaggregat durch eine Übertragungsfunktion wenigstens zweiter Ordnung des Typs

modelliert.

Darin geben K (Kapazität) einen momentan maximal ausführbaren Befehl, d.h. die maximal erreichbare Befehlsantwort, T eine Latenzzeit als Zeitdauer, die benötigt wird, um den Befehl zu 95% auszuführen, ζ einen Dämpfungsfaktor und p entweder eine Beschleunigung oder einen Radeinschlagwinkel als Parameter des auszuführenden Befehls an.

Die Übertragungsfunktion wird immer im Verhältnis zum theoretisch realisierbaren Maximum der Befehlsantwort definiert.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn man manche Phänomene bei extremen Fällen durch eine Änderung der Form der Übertragungsfunktion berücksichtigt, um Motor, Bremsen und Radeinschlag einzubeziehen, welche zusammenwirken, um den Radeinschlag und die Geschwindigkeit zu verändern. Die Übertragungsfunktion hängt dann von den Parametern „positive/negative Beschleunigung" (γ) und „Radeinschlag" (θ) ab. Eine derartige, das Zusammenwirken von Motor, Bremse und Lenkeinschlag berücksichtigende Übertragungsfunktion ist wenigstens eine Übertragungsfunktion zweiter Ordnung vom Typ

Darin geben K (Kapazität) einen momentan maximal ausführbaren Befehl, d.h. die momentane maximale Befehlsantwort, γ eine positive/negative Beschleunigung, T_γ eine Latenzzeit als Zeitdauer, die benötigt wird, um einen positiven/negativen Beschleunigungsbefehl zu 95% auszuführen, ζ_γ einen Dämpfungsfaktor für die Ausführung eines Beschleunigungsbefehls, θ einen Radeinschlagswinkel, T_θ eine Latenzzeit für die Ausführung der Anfrage zu 95% eines Radeinschlags und ζ_θ einen Dämpfungsfaktor für die Ausführung eines Lenkbefehls an.

Obwohl die beiden Parameter, nämlich die positive/negative Beschleunigung γ und der Radeinschlagwinkel θ anfangs als unabhängig definiert werden, ist es durchaus realistisch, dass ihr Zusammenwirken in seinem Ausmaß an den Seiten nicht vernachlässigbar ist, so dass sie beide in der obigen Gleichung (2) berücksichtigt werden.

Aus dem Zähler der, wie zuvor erwähnt, schrittweise unter Berücksichtigung der drei verschiedenen Ebenen berechneten allgemeinen Übertragungsfunktion, die sich als Produkt der einzelnen Übertragungsfunktionen ergibt, lässt sich vorteilhafterweise eine maximal zulässige Beschleunigung/Verzögerung und ein maximaler Radeinschlagwinkel berechnen. Auf diese Weise gibt der Zähler der allgemeinen Übertragungsfunktion die praktischen Grenzen der maximalen Befehlsantwort an. Mit der so berechneten maximal zulässigen Beschleunigung/Verzögerung können ein Antiblockiersystem (ABS) und ein Antischlupfregelsystem (ASR) vorteilhafterweise als Softwarefunktion in einer Fahrzeugsteuer-Regeleinheit integriert werden. Allerdings ist es aufgrund der Unvollkommenheit des Systems unmöglich, die an der Bremsanlage direkt angreifenden Sicherheitssysteme ABS und ASR zu unterdrücken oder wegzulassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin vorteilhafterweise dazu verwendet werden, eine aus der allgemeinen Übertragungsfunktion sich ergebene Latenzzeit des jeweiligen Aggregats und eine durch das jeweilige Steuergerät verursachte Übertragungsverzögerung als dynamische Verzögerung in einer Fahrzeugsteuer-/Regeleinheit zu integrieren und vorab zu kompensieren.

Außerdem können vorteilhafterweise die sich aus der Berechnung der allgemeinen Übertragungsfunktion jeweils ergebenden dynamischen Einflussgrößen in einem in einer Fahrzeugsteuer- Regeleinheit integrierten Sicherheitssystem zur Bewertung verarbeitet werden, ob eine Differenz zwischen der Grenze eines sicheren Bereichs und einem Steuerbefehl eines Fahrers geringer ist als eine Maximaldifferenz oder nicht.

Solange die Anweisung des Fahrers in dem sicheren Bereich liegt oder er sich trotz der dynamischen Verzögerung dort hinbewegen kann, d.h. wenn die Differenz zwischen der Grenze des sicheren Bereichs und dem von der Fahrerentscheidung resultierenden Befehl geringer ist als eine maximale Differenz braucht das Sicherheitssystem des Fahrzeugs nicht einzugreifen. Sobald hingegen der Fahrer nicht mehr in diesem sicheren Bereich bleiben, bzw. sich dort wieder hin bewegen kann, muss das Sicherheitssystem in Aktion treten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der schematischen Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit verschiedenen beispielhaften Steuergeräten und Aggregaten, um das Objekt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu definieren;
2 grafisch beispielhafte Übertragungsfunktionen für zwei unterschiedliche beispielhafte Systembedingungen;
3 grafisch systembedingte Abstufungen der Steuerungsfähigkeit eines Fahrzeugs, und
4 grafisch Sicherheitsbereiche und -grenzen im Zusammenwirken zwischen dem Fahrerbefehl und der systembedingten Steuerungsfähigkeit.
Ein in 1 in einer schematischen Draufsicht dargestelltes Kraftfahrzeug, welches als Beispiel eines Objekts für das in Ausführungsbeispielen nachstehend beschriebene Verfahren zur Überprüfung der Steuerungsfähigkeit des Kraftfahrzeugs 1 dient, weist an einem nicht näher bezeichneten Fahrzeugchassis als Aggregate einen Motor 10, ein Achsantriebsgetriebe 11, das an der Vorderachse des Fahrzeugs 1 vorgesehen ist, ein Bremssystem 12, 12v, 12h und ein ebenfalls an der Vorderachse angreifendes Lenkgetriebe 13 auf. Als Steuergeräte des Fahrzeugs 1, die die Fahrerbefehle empfangen, sind beispielhaft ein Lenkrad 21, ein Gaspedal 22, ein Bremspedal 23 und ein Kupplungspedal 24 gezeigt. An der Vorderachse sind zwei Vorderräder 15v und an der Hinterachse zwei Hinterräder 15a angeordnet. Das Bremssystem 12 enthält unter anderem einen Bremskraftverteiler, der die vom Bremspedal 23 befohlene Bremsaktion auf die an den vier Rädern 15v und 15h angeordneten Bremsen 12v und 12h verteilt. Motor 10, Achsantriebsgetriebe 11, Bremssystem 12 und Lenkgetriebe 13 sowie verschiedene nicht gezeigte Sensoren und Aktoren stehen operativ mit einer Fahrzeugsteuer-/Regeleinheit 14 in Verbindung, die ihrerseits ein mit der Bezugsziffer 16 bezeichnetes als Softwarepaket realisiertes Antischlupf- und Antiblockierregelsystem 16 enthalten kann.
Die Vorder- und Hinterseite des Fahrzeugs 1 sind jeweils mit V und H bezeichnet. Ferner sind ein Radeinschlagswinkel θ und eine positive oder negative Beschleunigung +/- γ eingezeichnet.
Das vorliegende Verfahren stützt sich auf Übertragungsfunktionen, um die Übertragbarkeit der Befehle des Fahrers an die Fahrzeugaggregate 10–13 zu untersuchen. Mit denselben Übertragungsfunktionen ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Analyse der Fahrzeugdynamik und damit die Fähigkeit des Fahrzeugs in unterschiedlichen Fahr- und Umgebungssituationen zu einer Geschwindigkeits- oder Richtungsänderung.
Um zu einer allgemeinen Übertragungsfunktion von den an Bord befindlichen Steuergeräten, die die Fahrerbefehle ermitteln bis zum Angriff der Reifen an der Fahrbahn zu gelangen, werden erfindungsgemäß drei verschiedene Befehlsebenen zwischen den Fahrerbefehlen und den ausführenden Rädern definiert:

– Die unterste Ebene umfasst die die Fahrerbefehle vermittelnden Steuergeräte 21–24. Diese übertragen die Fahrerbefehle als eingehende Informationen unverändert und verursachen damit eine Verzögerung im Gesamtsystem. Dabei handelt es sich hauptsächlich um diskrete Übertragungsfunktionen vom Typ 1/z.
– Die mittlere Ebene umfasst die Fahrzeugaggregate 10–13. Die Fahrzeugaggregate 10–13 sind physikalische Systeme und benötigen somit eine Anpassungszeit. Ihre Übertragungsfunktion ist in der Regel kontinuierlich und von zweiter Ordnung. Der Motor 10 als Fahrzeugaggregat erlaubt es, das Fahrzeug zu beschleunigen aber auch sanft abzubremsen, indem die Motorbremse benutzt wird. Der Motor 10 hat daher eine doppelte Übertragungsfunktion. Die Bremse 12, 12v, 12h als Fahrzeugaggregat ermöglicht eine Abbremsung des Fahrzeugs. Außerdem kann die Fahrspur anhand eines ESP korrigiert werden, wo bei eines der Räder 15v, 15h vermehrt abgebremst wird, um einen Momentanpol zu erzeugen. Die Lenkung 13 als Fahrzeugaggregat erlaubt eine Änderung der Bewegungsrichtung. In manchen Fällen kann sie auch durch maximales Einschlagen der Räder 15v, 15h ein Abbremsen ermöglichen.
– Die oberste Ebene umfasst die in der Figur nicht gezeigte Fahrbahn. Diese verringert je nach ihrem Zustand (nass, verschneit, beschädigt) die Zuverlässigkeit der aus der Übertragungsfunktion herleitbaren Informationen in erheblicher Weise. In einem ersten Schritt kann der Zustand der Fahrbahn durch einen einfachen Anpassungskoeffizienten modelliert werden. Wenn für das vorliegende Verfahren jedoch ein System zur Verfügung steht, welches eine bessere Analyse des Fahrbahnzustandes erlaubt, kann dieser in der Übertragungsfunktion besser angenähert werden.

Die Form der Übertragungsfunktionen für die Aggregate ist grundlegend, um Befehle bestmöglich und unter schwierigen bzw. extremen Bedingungen ausführen zu können.
In den üblichen Fällen können die Übertragungsfunktionen in vereinfachter Form verwendet werden, da der Motor 10 zum Beschleunigen und als Motorbremse dient, die Bremsen 12, 12v, 12h zum Abbremsen und die Lenkung, d.h. das Lenkgetriebe 13 zum Drehen. Jedes Aggregat 10-13 lässt sich durch eine Übertragungsfunktion wenigstens zweiter Ordnung modellieren:
Darin gibt p entweder eine Beschleunigung γ oder einen Radeinschlagswinkel θ an.
Die Übertragungsfunktion wird immer im Verhältnis zum theoretisch realisierbaren Maximum der Befehlsantwort definiert. Beim Beschleunigen und Abbremsen liegt das absolute Maximum bei 10 m/s². Beim Radeinschlagswinkel θ liegt das absolute Maximum bei 50°. Es wird vorausgesetzt, dass man für den Radeinschlag über eine absolute Symmetrie verfügt. Daher ist es unmöglich, die absoluten Fehler zu modellieren, nicht jedoch die lokalen Fehler, die zu einer lokalen Variation der Dämpfung führen. Somit liegt der Vergrößerungsfaktor maximal bei 1.
2 zeigt grafisch zwei verschiedene Beispiele der Ausprägung einer Übertragungsfunktion gemäß der obigen Gleichung (1). Im ersten Beispiel (gestrichelte Kurve) ist das System in der Lage, den maximalen Befehl mit einem Dämpfungskoeffizienten ζ > 1 auszuführen. Im zweiten Beispiel (ausgezogene Kurve) kann das System den maximalen Befehl nicht ausführen, hat jedoch einen Dämpfungskoeffizienten ζ < 1.
In allen Fällen müssen die für die Fahrzeugaggregate geltenden Übertragungsfunktionen einen entsprechenden Nenner haben, der das System als stabil bzw. als schwingend definiert. Für die vorliegenden Zwecke wird die Übertragungsfunktion nicht direkt mit ihren Parametern verwendet, sondern mit den folgenden extrahierten Parametern:

– Die Totzeit τ: diese erlaubt es, den Latenzzustand des Systems bei einer Änderungsanfrage (Befehlsänderung) zu bestimmen. Die Totzeit τ ist als Zeitdauer definiert, innerhalb derer die Befehlsänderung zu 5% ausgeführt wird.
– Die Kapazität K: diese bezeichnet die momentan erreichbare maximale Befehlswirkung, d.h. momentan maximal erzielbare Antwort auf einen Befehl.
– Die Zeitkonstante T: diese steht für die Zeitdauer, innerhalb derer der Befehl zu 95% ausgeführt wird. Wenn der Befehl nicht ausführbar ist, wird diese Zeit nicht definiert und ist daher standardmäßig unendlich. Es gilt immer τ < T.

Für den Fall, dass manche Phänomene bei extremen Fällen zusätzlich zu berücksichtigen sind, muss die Form der Übertragungsfunktion geändert werden, um Motor, Bremsen und Radeinschlag einzubeziehen, welche im Zusammenwirken den Radeinschlag und die Geschwindigkeit verändern. Dann hängt die Übertragungsfunktion von den Parametern Beschleunigung γ und Radeinschlagswinkel θ ab. Diese beiden Parameter werden anfangs als unabhängig definiert aber es kann sein, dass ihr Zusammenwirken in ihrem Ausmaß an den Seiten nicht vernachlässigbar ist. Die Übertragungsfunktion hat dann die Form:
Darin geben K (Kapazität) eine momentan maximal erzielbare Befehlsantwort, γ die (positive/negative) Beschleunigung, T_γ eine Zeitdauer für die Ausführung eines (positiven/negativen) Beschleunigungsbefehls zu 95%, ζ_γ einen Dämpfungsfaktor für die Ausführung eines Beschleunigungsbefehls, θ den Radeinschlagswinkel, T_θ eine Zeitdauer für die Ausführung der Anfrage eines Radeinschlags zu 95% und ζ_θ einen Dämpfungsfaktor für die Ausführung eines Lenkbefehls an.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine allgemeine Übertragungsfunktion aus dem Produkt der einzelnen Übertragungsfunktionen der in Wirkverbindung stehenden Steuergeräte und Fahrzeugaggregate berechnet.
Die schrittweise Berechnung berücksichtigt die zuvor definierten drei verschiedenen Befehlsebenen. Für jede der Ebenen wird eine allgemeine Übertragungsfunktion auf der Grundlage der allgemeinen Übertragungsfunktion der nächst unteren Ebene aufgestellt, indem die eigene Übertragungsfunktion der jeweiligen Ebene mit der allgemeinen Übertragungsfunktion der nächst unteren Ebene multipliziert wird und das Ergebnis der Multiplikation als allgemeine Übertragungsfunktion der jeweiligen Ebene für die nächst höhere Ebene bereitgestellt wird.
Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet die (wie zuvor beschrieben) ermittelte allgemeine Übertragungsfunktion zur Ermittlung der maximalen Leistungsfähigkeit. Dabei gibt der Zähler der allgemeinen Übertragungsfunktion die praktischen Grenzen des maximalen Befehls an.
Damit ist es möglich, die maximal zulässige Beschleunigung, die maximal zulässige Verzögerung und den maximal zulässigen Radeinschlag zu berechnen. Mit den zwei ersten Ergebnissen lässt sich eine Software-Realisation eines Antiblockiersystems (ABS) und einer Antischlupfregelung (ASR) z.B. in der befindlichen Fahrzeugsteuer-/Regeleinheit (Ziff. 14 in 1) integrieren.
Allerdings lassen sich die Sicherheitssysteme an der Bremsanlage aufgrund der Unvollkommenheit des Systems nicht unterdrücken.
Mit dem in 3 gezeigten Schema lassen sich die systembedingten Abstufungen der Leistungsfähigkeit darstellen. In einem Koordinatensystem mit dem Radeinschlagwinkel θ als X-Achse und der Beschleunigung γ als Y-Achse sind (beispielhaft rechteckförmig) von Außen nach Innen theoretische physikalische Grenzen des Fahrzeugs, praktische physikalische Grenzen des Fahrzeugs und fahrbahnbedingte physikalische Grenzen des Fahrzeugs eingezeichnet. Während die theoretischen physikalischen Grenzen des Fahrzeugs (äußerstes Rechteck) bei gegebenem Fahrzeugtyp und einer gegebenen Ausrüstung und einem bestimmten Zustand desselben unveränderlich sind, hängen die praktischen physikalischen Grenzen und die fahrbahnbedingten Grenzen des Fahrzeugs von System-, Fahr- und Umgebungsbedingungen ab.
Die Latenzzeit und die Verzögerungen durch die verschiedenen zwischengeschalteten Steuereinheiten haben keinerlei Auswirkungen auf die möglichen physikalischen Grenzwerte, sondern nur auf ihr Routing von den Sensoren zu den Systemen höherer Ebene.
Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Abschätzung der dynamischen Leistungsfähigkeit. Die Übertragungs- und Bearbeitungszeit der verschiedenen Steuergeräte im Fahrzeug zuzüglich der Latenz des Aggregats hat eine Verzögerung bei der Ausführung des Befehls durch das Aggregat zur Folge. Wenn diese dynamische Verzögerung bekannt ist, können die Regler sie integrieren und im Vorfeld kompensieren. Durch die im erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte allgemeine Übertragungsfunktion ist es somit möglich, die sich ergebende Latenzzeit des jeweiligen Aggregats und die durch das jeweilige Steuergerät verursachte Übertragungsverzögerung als dynamische Verzögerung in der Fahrzeugsteuer-/Regeleinheit 14 zu ermitteln und vorab zu kompensieren.
Eine derartige Fahrzeugsteuer-/Regeleinheit, die auch als Fahrsystem bezeichnet wird, kann eine optimale Strategie (Beschleunigung plus Radeinschlag) definieren, die dann die aus der allgemeinen Übertragungsfunktion sich ergebenen dynamischen und statischen Fehler berücksichtigen kann.
Ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens befasst sich mit den dynamischen Einflussgrößen, die sich aus der Berechnung der allgemeinen Übertragungsfunktion ergeben und die in einem Sicherheitssystem verwendet werden. Bevorzugt ist ein solches Sicherheitssystem, das die Differenz zwischen einem sicheren physikalischen Zustand (im Verhältnis zur Fahrzeugumgebung: Straße und andere Fahrzeuge, Fußgänger...) und den Befehlen des Fahrers prüft. Solange der Befehl des Fahrers in diesem sicheren Bereich liegt oder er sich trotz der dynamischen Verzögerung dort hin bewegen kann, d.h. wenn die Differenz zwischen der Grenze des sicheren Bereichs und der Entscheidung des Fahrers geringer ist, als eine Maximaldifferenz, muss das Sicherheitssystem nicht ein greifen. Sobald hingegen der Fahrer nicht mehr in diesem sicheren Bereich bleiben, bzw. sich dort wieder hin bewegen kann, muss das Sicherheitssystem im Kraftfahrzeug in Aktion treten. Somit schlägt die Erfindung gemäß diesem dritten Ausführungsbeispiel vor, die sich aus der Berechnung der allgemeinen Übertragungsfunktion jeweils ergebenden dynamischen Einflussgrößen in einem z.B. in der Fahrzeugsteuer/Regeleinheit 14 integrierten Sicherheitssystem zur Bewertung zu verarbeiten, ob eine Differenz zwischen der Grenze eines sicheren Bereichs und dem Steuerbefehl eines Fahrers geringer ist als eine Maximaldifferenz oder nicht.
Die 4 zeigt in ähnlicher grafischer Darstellung wie 3 innerhalb einer rechteckförmigen äußeren Grenzlinie, die die theoretische physikalische Grenze des Fahrzeugs darstellt, ebenfalls als rechteckförmige Grenze den möglichen statischen Bereich. Abhängig von einem Befehl des Fahrers (durchgezogene Linie) soll sich das Fahrzeug innerhalb der punktiert dargestellten Grenze des sicheren Bereichs im dynamisch sicheren Bereich verhalten.
Abschließend ist zu bemerken, dass die die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulichenden 2 bis 4 lediglich qualitative Darstellungen sind, die keinerlei quantitative Aussagen treffen lassen.

Claims

Verfahren zur Überprüfung der Steuerungsfähigkeit eines Kraftfahrzeugs (1), bei dem anhand eines mathematischen Modells, das das statische und dynamische Verhalten der für die Steuerungsfähigkeit relevanten Steuerungsgeräte (21–24) und Fahrzeugaggregate (10–13) und deren Eingangsgrößen und Grenzwerte sowie die Fahrbahn berücksichtigt, eine Aussage über eine maximale und dynamische Leistungsfähigkeit des Steuerungsvorgangs getroffen wird, wobei das Modell als eine allgemeine Übertragungsfunktion aus dem Produkt der einzelnen Übertragungsfunktionen der in Wirkverbindung stehenden Steuergeräte (21–24) und Fahrzeugaggregate (10–13) definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufstellung der allgemeinen Übertragungsfunktion zwischen den Befehlen eines Fahrers und den ausführenden Rädern (15v, 15h) folgende Befehlsebenen berücksichtigt werden: – eine unterste Ebene, der die Fahrerbefehle und die diese ausführenden Steuergeräte (21–24) zugeordnet sind; – eine mittlere Ebene, der die Fahrzeugaggregate (10–13) zugeordnet sind und – eine oberste Ebene, der die Fahrbahn zugeordnet ist, dass für jede der Ebenen eine Übertragungsfunktion aufgestellt wird und dass die Übertragungsfunktionen der Ebenen miteinander zu der allgemeinen Übertragungsfunktion multipliziert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrbahnzustand (nass, verschneit, beschädigt) in der allgemeinen Übertragungsfunktion durch einen entsprechenden Anpassungskoeffizienten modelliert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die relevanten Steuergeräte wenigstens das Lenkrad (21), Gaspedal (22) und Bremspedal berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Steuergerät (21–23) durch eine diskrete Übertragungsfunktion des Typs 1/z modelliert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die relevanten Fahrzeugaggregate (10–14) wenigstens der Motor (10), die Bremsen (12, 12v, 12h) und die Lenkung (13) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Fahrzeugaggregat (10–13) durch eine Übertragungsfunktion wenigstens zweiter Ordnung des Typs
modelliert wird, worin K eine momentan erreichbare maximale Befehlswirkung, T eine Zeitdauer für die Ausführung eines Befehls zu 95%, ζ einen Dämpfungsfaktor und p entweder eine Beschleunigung oder einen Radeinschlagswinkel als Parameter des auszuführenden Befehls angeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusammenwirken von Motor (10), Bremse (12, 12v, 12h) und Lenkeinschlag durch eine Übertragungsfunktion wenigstens zweiter Ordnung des Typs
modelliert wird, worin K eine momentan erreichbare maximale Befehlsantwort, γ eine positive/negative Beschleunigung als Parameter für einen auszuführenden Beschleunigungsbefehls, T_γ eine Zeitdauer für die Ausführung des positiven/negativen Beschleunigungsbefehls zu 95%, ζ_γ einen Dämpfungsfaktor für die Ausführung des Beschleunigungsbefehls, θ einen Radeinschlagswinkel als Parameter für einen auszuführenden Radeinschlagsbefehl, T_θ eine Zeitdauer für die Ausführung Radeinschlagsbefehls 95%, und ζ_θ einen Dämpfungsfaktor für die Ausführung des Radeinschlagsbefehls angeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Zähler der allgemeinen Übertragungsfunktion eine maximal zulässige Beschleunigung/Verzögerung und ein maximaler Radeinschlagswinkel berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils berechneten Werte für die maximal zulässige Verzögerung jeweils in einem in einer Fahrzeugsteuer/Regeleinheit (14) integrierten Antischlupf- und Antiblockierregelsystem (16) verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus der allgemeinen Übertragungsfunktion sich ergebende Latenzzeit des jeweiligen Aggregats und eine durch das jeweilige Steuergerät (21–24) momentan verursachte Übertragungsverzögerung als dynamische Verzögerung in einer Fahrzeugsteuer-/Regeleinheit (14) integriert und vorab kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die sich aus der Berechnung der allgemeinen Übertragungsfunktion jeweils ergebenden dynamischen Einflussgrößen in einem in einer Fahrzeugsteuer-/Regeleinheit (14) integrierten Sicherheitssystem zur Bewertung verarbeitet werden, ob eine Differenz zwischen der Grenze eines sicheren Bereichs und einem Steuerbefehl eines Fahrers geringer ist als eine Maximaldifferenz oder nicht.