DE102005047021B3

DE102005047021B3 - Anordnung zur Bestimmung eines absoluten Neigungswinkels gegenüber der Horizontalen

Info

Publication number: DE102005047021B3
Application number: DE102005047021A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Paggel; Michael Feser; Christian Lauerer; Thomas Dr. Brandmeier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2025-10-01
Also published as: WO2007036556A1; EP1929241A1; JP2009510424A; US20090025998A1

Abstract

Es wird eine Anordnung zur Bestimmung eines absoluten Neigungswinkels (alpha) gegenüber der Horizontalen, insbesondere für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug (1), vorgeschlagen. Diese weist zumindest ein Sensorelement auf mit einer Hauptempfindlichkeitsachse (H1, H2), wobei das zumindest eine Sensorelement derart angeordnet ist, dass dessen Hauptempfindlichkeitsachse (H1, H2), in der durch die zu detektierenden Neigungswinkel definierten Ebene (Neigungsebene) liegt und das zumindest eine Sensorelement in Abhängigkeit des Neigungswinkels (alpha) gegenüber der Horizontalen (2) ein Sensorsignal erzeugt. Das von dem Sensorelement gelieferte Sensorsignal ist eine gemessene Beschleunigung (A¶1,m,¶ A¶2,m¶) der Anordnung. Ferner sind eine Einrichtung (14) zum Ermitteln einer Beschleunigungskomponente (a¶y, dyn¶) der gemessenen Beschleunigung (A¶1,m¶, A¶2,m¶) und eine Verarbeitungseinheit (16) vorgesehen, welcher die gemessene Beschleunigung (A¶1,m¶, A¶2,m¶) und die Beschleunigungskomponente (a¶y,dyn¶) zuführbar sind, um eine von der Beschleunigungskomponente bereinigte Beschleunigung (A¶1¶, A¶2¶) zu ermitteln, aus der der absolute Neigungswinkel (alpha) der Anordnung gegenüber der Horizontalen bestimmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung eines absoluten Neigungswinkels gegenüber der Horizontalen mit zumindest einem Sensorelement, das eine Hauptempfindlichkeitsachse aufweist, wobei das zumindest eine Sensorelement derart angeordnet ist, dass dessen Hauptempfindlichkeitsachse in der durch die zu detektierenden Neigungswinkel definierten Ebene (Neigungsebene) liegt und das zumindest eine Sensorelement in Abhängigkeit des Neigungswinkels gegenüber der Horizontalen ein Sensorsignal erzeugt.

Die Erkennung des absoluten Neigungswinkels ist beispielsweise für die zuverlässige Erkennung eines Überschlags eines Kraftfahrzeugs von großer Bedeutung. Grundsätzliches Problem bei der Erkennung eines Fahrzeugüberschlags – neben der langen Zeitskala, auf der das Ereignis abläuft – ist der Winkel des Fahrzeugs relativ zur Horizontalen.

Dieser auch als Fahrzeug- oder Rollwinkel bezeichnete Winkel wird bislang über die Integration über eine gemessene Winkelgeschwindigkeit (sog. Rollrate oder Drehrate) über die Fahrzeuglängsachse (sog. Rollachse) bestimmt. Die Präzision des Ergebnisses für diese Integration ist von zwei Unbekannten bestimmt: dem Startwert des Integrals und dem Sensor-Nullpunkt eines zur Ermittlung der Drehrate verwendeten Drehratensensors. Erschwerend kommt in der Praxis hinzu, dass alle realen Drehratensensoren eine Nullpunktsdrift aufweisen.

Die Nullpunktsdrift des Sensors wird in der Regel durch einen sehr langsamen Tiefpassfilter ermittelt. Hierbei liegt die Annahme zugrunde, dass sich das Kraftfahrzeug im normalen Gebrauch nicht permanent in einer Richtung um die Rollachse dreht. Dieses Vorgehen liefert so lange korrekte Ergebnisse wie sich das Kraftfahrzeug in einer „zweidimensionalen Welt" bewegt. Bewegt sich das Kraftfahrzeug jedoch aufgrund von Berg- und Talfahrt bei gleichzeitiger Lenkbewegung im Raum, so erzeugt man bei Verwendung eines einzelnen Drehratensensors prinzipbedingt einen Fehler in der Messung des Rollwinkels. Dieser Messfehler lässt sich nur durch Verwendung von drei Drehratensensoren eliminieren, wodurch die Kosten für die Sensoranordnung sehr hoch werden. Auch wenn der Nullpunkt des Drehratensensors gut bekannt ist, verbleibt der Startwert des Integrals als Unbekannte.

Bekannte Lösungen des Problems vertrauen darauf, dass das Fahrzeug im normalen Betrieb in der Regel horizontal liegt, weswegen der Fahrzeugwinkel im Mittel über einen längeren Zeitraum, z.B. mehrere Sekunden, gleich null sein sollte. Überschlagsereignisse finden aber nicht nur im normalen Straßenverkehr statt, sondern auch im Gelände. Bei Geländefahrt kann nicht davon ausgegangen werden, dass das Fahrzeug im Mittel über den längeren Zeitraum in der Waagrechten liegt. Ein langsamer Tiefpass als Integralrückführung kann deshalb zu Fehleinschätzungen der Situation führen, so dass die Aktivierung eines Insassenschutzmittels unter Umständen nicht oder zu einem falschen Zeitpunkt erfolgt. Als Beispiel sei eine längere Fahrt mit Querneigung genannt. Bei dieser ist nicht auszuschließen, dass nach hinreichend langer Zeit ein entsprechend großer Querneigungswinkel 'vergessen' wird.

1 zeigt die zum Überschlag eines Kraftfahrzeugs notwendige Rollrate als Funktion der Querneigung und somit des Fahrzeugwinkels relativ zur Horizontalen. Mit zunehmendem Fahrzeugwinkel nimmt die für den Überschlag notwendige Rollrate ab. Ist der Fahrzeugwinkel des Fahrzeugs relativ zur Horizontalen unbekannt, kann keine sichere Entscheidung für die Auslösung eines Insassenschutzsystems oder eines Systems zur Stabilisierung des Kraftfahrzeugs getroffen werden.

Aus der DE 44 36 379 A1 ist eine Sensoranordnung zur Detektion eines bestimmten Neigungswinkels bekannt. Die Sensoranordnung besteht aus wenigstens zwei Sensorelementen, wobei diese derart angeordnet sind, dass ihre Hauptempfindlichkeitsachsen in der durch die zu detektierenden Neigungswinkel definierten Ebene (Neigungsebenen) liegen und jeweils einen Winkel zu einer Bezugsebene der Anordnung bilden, die den zu detektierenden Neigungswinkeln entsprechen. Die Sensorelemente erzeugen jeweils in Abhängigkeit des Neigungswinkels der Bezugsebene gegenüber der Horizontalrichtung ein Sensorsignal. Die Sensorelemente sind mit ihrer Hauptempfindlichkeitsachse in einem solchen Winkel zur Horizontalen angeordnet, der dem Kippwinkel der, z.B. in einem Fahrzeug integrierten, Anordnung entspricht. Dies bedeutet, dass die Hauptempfindlichkeitsachse eines Sensorelements genau dann waagerecht liegt, wenn sich das Fahrzeug in der rechten bzw. linken Kipplage befindet. Prinzipbedingt durch den Aufbau der Sensorelemente wird genau dann ein Sensorsignal abgegeben, wenn das Fahrzeug diese Kipplage erreicht hat.

Die in der DE 44 36 379 A1 beschriebene Sensoranordnung ist damit zwar in der Lage einen Absolutwinkel der Fahrzeugs gegenüber der Horizontalen zu erkennen, allerdings ist die Erkennung auf einen einzigen Winkel beschränkt, der durch die Anordnung der Hauptempfindlichkeitsachsen der Sensorelemente festgelegt ist.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 61 281 A1 ist eine Vorrichtung zur Erkennung eines drohenden Fahrzeugüberschlags bekannt, die mit Hilfe von Beschleunigungssensoren einen absoluten Fahrzeugneigungswinkel sowohl im Wank- als auch in Nickrichtung erfassen kann, also einen Fahrzeugneigungswinkel relativ zur Richtung der Schwerebeschleunigung.

Aus der deutschen Patentschrift DE 198 21 617 C1 ist eine Vorrichtung zur Messung des Neigungswinkels eines Fahrzeugs bekannt, bei der aus den Signalen von Drehratensensoren, Querbeschleunigungssensoren und Fahrzeuggeschwindigkeitssensoren der Neigungswinkel einer Kurve berechnet wird, auf der sich das Fahrzeug bewegt. Folglich wird dadurch auch der Neigungswinkel des Fahrzeugs relativ zur Schwerebeschleunigung festgestellt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Bestimmung eines absoluten Neigungswinkels gegenüber der Horizontalen anzugeben, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Bestimmung eines absoluten Neigungswinkels mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung eines absoluten Neigungswinkels, der nachfolgend auch als Absolutwinkel bezeichnet wird, weist zumindest ein Sensorelement auf, das eine Hauptempfindlichkeitsachse aufweist. Das zumindest eine Sensorelement ist derart angeordnet, dass dessen Hauptempfindlichkeitsachse in der durch die zu detektierenden Neigungswinkel definierten Ebene (Neigungsebene) liegt und das zumindest eine Sensorelement in Abhängigkeit des Neigungswinkels gegenüber der Horizontalen ein Sensorsignal erzeugt. Das von dem Sensorelement gelieferte Sensorsignal ist eine gemessene Beschleunigung der Anordnung. Es sind weiter eine Einrichtung zum Ermitteln einer Beschleunigungskomponente der gemessenen Beschleunigung und eine Verarbeitungseinheit vorgesehen, welcher die gemessene Beschleunigung und die Beschleunigungskomponente zuführbar sind, um eine von der Beschleunigungskomponente bereinigte Beschleunigung zu ermitteln, aus der der absolute Neigungswinkel der Anordnung gegenüber der Horizontalen bestimmbar ist.

Die Erfindung findet unter anderem Verwendung in einem Verkehrsmittel, insbesondere in einem Kraftfahrzeug in Verbindung mit einem Insassenschutzsystem, wobei der absolute Neigungswinkel für die Entscheidung herangezogen wird, ob eine Schutzeinrichtung des Insassenschutzsystems ausgelöst wird und/oder das Kraftfahrzeug stabilisierende Maßnahmen getroffen werden.

Die durch das zumindest eine Sensorelement aufgespannte bzw. definierte Neigungsebene steht senkrecht zu einer Fahrzeuglängsachse des Fahrzeugs. Demnach verläuft die zu überwachende Kippachse des Fahrzeugs parallel zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine Bestimmung des tatsächlichen Neigungswinkels gegenüber der Horizontalen ermöglicht, d.h. unabhängig von der Kritikalität des Neigungswinkels hinsichtlich einer instabilen Fahrsituation oder ei nes drohenden Überschlags. Es kann somit nicht nur ein einziger Winkel, wie z.B. der Kippwinkel in der DE 44 36 379 A1 , erkannt werden, sondern es ist zu jedem Zeitpunkt der Bewegung, aber auch während des Stillstands der Anordnung, die Angabe des Winkels gegenüber der Horizontalen möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Beschleunigungskomponente in einer Richtung ermittelt, die von einer Bewegungsrichtung der Anordnung abweicht. Die Bewegungsrichtung entspricht z.B. der Fahrtrichtung des Fahrzeugs.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Beschleunigungskomponente eine Querbeschleunigung der, in der Bewegungsrichtung bewegten, Anordnung. Die Querbeschleunigung entspricht der während einer dynamischen Fahrsituation des Fahrzeugs auftretenden Zentrifugalbeschleunigung, um welchen Anteil die durch die zumindest eine Sensorvorrichtung gemessene Beschleunigung bereinigt wird. Die gemessene Beschleunigung wird auf den Anteil der vertikalen Dynamik und die Schwerebeschleunigung zurückgeführt, aus denen sich mit hoher Genauigkeit der Absolutwinkel der Anordnung bzw. des Fahrzeugs bestimmen lässt.

Die Beschleunigungskomponente kann auf unterschiedliche Weise ermittelt, z.B. gemessen oder errechnet, werden. Dabei können insbesondere in einem Fahrzeug an anderer Stelle bereits sensorisch ermittelte Messwerte verwendet werden, wodurch die Realisierung der Erfindung ohne weitere Komponenten auf kostengünstige Weise möglich ist. Dazu ist die Einrichtung zum Ermitteln der Beschleunigungskomponente gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dazu ausgebildet, diese aus zumindest einem der folgenden Parameter zu ermitteln:

– der Geschwindigkeit der Anordnung;
– einem Kurvenradius, auf dem sich die Anordnung befindet;
– einer Gierrate;
– einem Lenkwinkel.

Diese Informationen werden beispielsweise von einer ABS (Antiblockiersystem)- und/oder einer ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm)-Sensorik bereitgestellt. Von der ABS-Sensorik können Raddrehzahlinformationen und gegebenenfalls Geschwindigkeitsinformationen zur Berechnung der Querbeschleunigung herangezogen werden. Von der ESP-Sensorik können Gierwinkeländerung und Längsgeschwindigkeit und zusätzlich eventuell der Lenkwinkel abgefragt und zur Berechnung der Querbeschleunigung herangezogen werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Sensorelement mit seiner Hauptempfindlichkeitsachse in einem Winkel in der Neigungsebene zu der Horizontalen angeordnet, wodurch eine verbesserte Messgenauigkeit der gemessenen Beschleunigung und damit des daraus ermittelten Absolutwinkels erzielbar ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind ein erstes Sensorelement mit einer ersten Hauptempfindlichkeitsachse und ein zweites Sensorelement mit einer zweiten Hauptempfindlichkeitsachse vorgesehen. Mit zwei Sensorelementen erhält man eine intrinsische Korrektur der Sensordrift, wenn diese das gleiche Vorzeichen für beide Sensoren besitzt. Im ungünstigsten Fall einer entgegen gesetzten Sensordrift ist der Fehler so groß wie der des mit einem Einzelsensor ermittelten Messwertes.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der absolute Neigungswinkel α der Anordnung gegenüber der Horizontalen nach der Formel

berechnet, wobei

und

A_1,m: die von dem ersten Sensorelement gemessene Beschleunigung;
A_2,m: die von dem zweiten Sensorelement gemessene Beschleunigung;
a_y,dyn: die Beschleunigungskomponente;
A₁: die bereinigte Beschleunigung des ersten Sensorelements;
A₂: die bereinigte Beschleunigung des zweiten Sensorelements;
α: der absolute Neigungswinkel ist.

Der Fahrzeugwinkel a zur Horizontalen lässt sich durch die gemessenen Schwerebeschleunigungen A1 und A2 der zwei Sensorelemente gemäß (1) ermitteln, wobei (1) in dieser allgemeinen Form in Ruhe und in Geradeausfahrt der Anordnung bzw. des Fahrzeugs gilt. In dynamischen Fahrsituationen muss die Zentrifugalbeschleunigung des Fahrzeugs berücksichtigt werden. Die Zentrifugalbeschleunigung lässt sich aus den weiter oben beschriebenen Messsignalen, z.B. der ABS- oder ESP-Sensorik, ermitteln. Ist die fahrdynamisch hervorgerufene Beschleunigungskomponente a_y,dyn bekannt, kann die gemessene Querbeschleunigung (A_1,m des ersten Sensorelements und A_2,m des zweiten Sensorelements) in einer dynamischen Fahrsituation (z.B. schnelle Kurvenfahrt) um die „dynamische" Komponente reduziert werden und die verbleibende statische Beschleunigung (A₁ bzw. A₂) zur Winkelberechnung verwendet werden. Hierdurch ist der Absolutwinkel des Fahrzeugs bestimmbar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die erste Hauptempfindlichkeitsachse des ersten Sensorelements und die zweite Hauptempfindlichkeitsachse des zweiten Sensorelements in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Wei ter bevorzugt nehmen die erste Hauptempfindlichkeitsachse des ersten Sensorelements und die zweite Hauptempfindlichkeitsachse des zweiten Sensorelements jeweils einen Winkel von 45° zur Senkrechten der Anordnung ein, wenn der absolute Neigungswinkel zur Horizontalen 0° ist. Die beiden Sensorelemente ermitteln – wenn sich das Fahrzeug in Ruhe und in der waagerechten befindet – den gleichen Messwert. Die Änderung des Messwertes ist linear in der Winkelvariation des Fahrzeugs relativ zu Horizontalen. Damit erreicht man zwei Vorteile:
Zum einen ist das Sensorsignal linear in der Messgröße und zum anderen werden zwei Signale verglichen, um einen Parameter zu ermitteln. Diese Redundanz erhöht die Genauigkeit in der Messung der Beschleunigung des Fahrzeugs. Ein im Winkel linearer Messwert ist allerdings auch schon mit einem Sensorelement verfügbar.

In fahrdynamischen Grenzsituationen müssen diese als solche erkannt werden, in welcher die erfindungsgemäße Vorgehensweise an ihre Grenzen stößt. Die Absolutwinkelberechnung muss gegebenenfalls verworfen werden und eine konventionelle Winkelberechnung über die Drehrate durchgeführt werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist diese deshalb ferner eine weitere Einrichtung zur Neigungswinkelberechnung auf, welche dazu ausgebildet ist, eine Integration über eine von einem Drehratensensor ermittelte Drehrate vorzunehmen. Da fahrdynamische Grenzsituationen in der Regel nur von kurzer Dauer sind und das Verfahren der Winkelberechnung für kurze Zeitintervalle recht präzise ist, stellt die fehleranfällige Integration keinen Nachteil dar.

Als Startwert für die Integration der Drehrate wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der letzte ermittelte Absolutwinkel herangezogen, der wie oben beschrieben ermittelt wird. Hierdurch ist eine gegenüber herkömmlichen Verfahren höhere Genauigkeit in der Winkelbestimmung sicher gestellt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Umschalteinrichtung vorgesehen, welche nach vorbestimmten Kriterien festlegt, ob der Neigungswinkel der Anordnung gegenüber der Horizontalen durch die weitere Einrichtung unter Verwendung von Drehratensignalen oder nicht ermittelt werden soll, und die zweite Einrichtung entsprechend aktiviert oder nicht.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand der in den Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 die zum Überschlag eines Fahrzeugs notwendige Rollrate als Funktion des Fahrzeugwinkels relativ zur Horizontalen;
2 ein Fahrzeug in schematischer Darstellung von hinten mit einem Sensorelementpaar in einer gegenüber der Horizontalen geneigten Lage;
3 den Verlauf von ermittelten Querneigungen des Fahrzeugs über die Zeit, das eine unkompensierte Neigungswinkelbestimmung einem Referenzverfahren gegenüber stellt;
4a eine Darstellung eines ersten Fahrzeugmodells, nach dem eine fahrdynamisch hervorgerufene Beschleunigungskomponente a_y,dyn ermittelbar ist;
4b eine Darstellung weiterer Fahrzeugmodelle, nach denen eine fahrdynamisch hervorgerufene Beschleunigungskomponente a_y,dyn ermittelbar ist;
5 den Vergleich von zeitlichen Verläufen der mit verschiedenen Fahrzeugmodellen ermittelten fahrdynamisch hervorgerufenen Beschleunigungskomponente a_y,dyn
6 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung, welche um eine weitere Einrichtung zur Neigungswinkelberechnung erweitert ist, welche dazu ausgebildet ist, eine Integration über eine von einem Drehratensensor ermittelte Drehrate vorzunehmen;
7 den Vergleich von zeitlichen Verläufen der ermittelten Querneigung;
8 den Vergleich von zeitlichen Verläufen der ermittelten Rollrate, die ein Referenzverfahren mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen gegenüberstellt.
Anhand der 2, in der ein Fahrzeug 1 in schematischer Darstellung von hinten mit einem (in der Figur nicht näher dargestellten) Sensorelementpaar in einer gegenüber der Horizontalen um den Winkel α geneigten Lage dargestellt ist, wird die erfindungsgemäße Ermittlung des tatsächlichen Neigungswinkels α am besten deutlich.
Die als Beschleunigungssensoren ausgebildeten Sensorelemente weisen eine Hauptempfindlichkeitsachse H1 bzw. H2 auf. Die durch die Sensorelemente bzw. durch deren Hauptempfindlichkeitsachsen aufgespannte Neigungsebene steht senkrecht zu einer Fahrzeuglängsachse (senkrecht zur Blattebene) des Fahrzeugs 1. Demnach verläuft die zu überwachende Kippachse des Fahrzeugs parallel zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs.
In den Hauptempfindlichkeitsachsen H1 bzw. H2 wird jeweils eine Beschleunigung A_1,m bzw. A_2,m gemessen, die sich jeweils aus einer Komponente a_y,dyn in y-Richtung (quer zur Fahrtrichtung und parallel zu einer Bezugsebene 3) und einer Komponente a_z,dyn in z-Richtung (senkrecht zur Bezugsebene 3) zusammensetzen. Die Bezugsebene 3 ist gegenüber einer Horizontalebene 2 um den zu ermittelnden Neigungswinkel α geneigt.
Die in Fahrtrichtung (x-Richtung) wirkende Komponente, die durch Berg- und Talfahrt beeinflusst wird, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vernachlässigt werden, da deren Einfluss gering ist.
Die Hauptempfindlichkeitsachsen H1, H2 der zwei Beschleunigungssensoren bilden einen Winkel von 90° zu einander. Beide Beschleunigungssensoren nehmen vorzugsweise einen Winkel σ₁, σ₂ von 45° zur Fahrzeugsenkrechten bzw. zur Bezugsebene 3 ein. Damit messen beide Beschleunigungssensoren die Schwerkraft und eine Trägheitsbeschleunigung in dynamischen Fahrsituationen.
Abweichend von der hier dargestellten und beschriebenen Anordnung der Beschleunigungssensoren, können auch andere Winkel gewählt werden. Darüber hinaus ist die Bestimmung des Neigungswinkels α auch mit nur einem Sensorelement möglich.
Der Messbereich der Beschleunigungssensoren ist so zu wählen, dass, unter Berücksichtigung der Digitalisierungsfehler bzw. der möglichen Signalauflösung (bestimmt durch ein Signalgrundrauschen), der Anteil der Schwerkraft ein ausreichend großes Signal bei der Messung der Beschleunigung A_1,m bzw. A_2,m liefert.
Um den Winkel α ermitteln zu können, ist die Ermittlung der auf das Fahrzeug wirkenden Zentrifugalbeschleunigung erforderlich, die durch eine fahrdynamische Situation hervorgerufen ist. Die Zentrifugalbeschleunigung lässt sich z.B. von einer ABS- oder einer ESP-Sensorik zur Verfügung gestellten Messsignalen ermitteln. Daneben können auch andere Verfahren verwendet werden.
Die fahrdynamisch hervorgerufene Beschleunigungskomponente a_y,dyn kann, wie dies aus 4a ersichtlich ist, aus den Geschwindigkeiten v_VL, v_VR, v_HL, und v_HR der vier Räder bzw. deren Raddrehzahlen des Fahrzeugs ermittelt werden, aus denen die Geschwindigkeit v des Fahrzeugs und ein von diesem gefahrener Kurvenradius ermittelbar sind. Die Anordnung ist für eine ABS-Sensorik typisch. Unter Anwendung eines in der Figur als Fahrzeugmodell 1 bezeichneten und dem Fachmann geläufigen Algorithmus kann dann a_y,dyn ermittelt werden.
Die fahrdynamisch hervorgerufene Beschleunigungskomponente a_y,dyn kann auch, wie dies aus 4b ersichtlich ist, aus der Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Gierate ψ (in der Figur oben) bzw. der Fahrzeuggeschwindigkeit v, der Gierate ψ und dem Lenkwinkel δ_L (in der Figur unten) ermittelt werden. Diese Anordnung ist für eine ESP-Sensorik typisch. Unter Anwendung eines in der Figur als Fahrzeugmodell 2 bzw. 3 bezeichneten und dem Fachmann geläufigen Algorithmus kann dann ebenfalls a_y,dyn ermittelt werden.
Ist die fahrdynamisch hervorgerufene Beschleunigungskomponente a_y,dyn bekannt, kann die gemessene Querbeschleunigung (A_1,m des ersten Sensorelements und A_2,m des zweiten Sensorelements) in einer dynamischen Fahrsituation (z.B. schnelle Kurvenfahrt) um die „dynamische" Komponente reduziert werden (vgl. Gleichungen (2) und (3)) und die verbleibende statische Beschleunigung (A₁ bzw. A₂) zur Winkelberechnung (vgl. Gleichung (1)) verwendet werden. Hierdurch ist der Absolutwinkel α des Fahrzeugs bestimmbar.
Die gemessene Beschleunigung wird somit auf die vertikale Dynamik und die Schwerebeschleunigung zurückgeführt. Mit dieser verbleibenden Beschleunigung wird mit hoher Genauigkeit der Absolutwinkel α des Fahrzeugs bestimmt.
Durch Differentiation kann aus dem Absolutwinkel die Roll- oder Drehrate des Fahrzeugs bestimmt werden, wodurch prinzipiell ein Ersatz herkömmlicher Drehratensensoren geschaffen werden kann. Die dynamische Vertikalbeschleunigung kann mittels der Tatsache, dass die Schwerebeschleunigung konstant ist, bestimmt werden.
Fährt das Fahrzeug an einer Steigung (in x-Richtung) kommt es zu Fehlern in der Größenordnung (1-cosΦ), wobei Φ den Neigungswinkel der Steigung darstellt. In den meisten Alltagssituationen ist der Fehler vernachlässigbar.
Welchen Einfluss die Bereinigung der gemessenen Beschleunigung um die Querbeschleunigung hat, ist anhand der 3 erkennbar, in der der zeitliche Verlauf der Querneigung einer Referenzmessung, welche mit einem Sensor vorgenommen wurde, und einer Ermittlung nach Erfindung (als V2g-Verfahren bezeichnet) gegenübergestellt sind, wobei eine Kompensation um a_y,dyn nicht erfolgte.
In 5 sind verschiedene zeitliche Verläufe von Zentrifugalbeschleunigungen dargestellt, die mit unterschiedlichen Fahrzeugmodellen und damit mit unterschiedlichen Eingangswerten, wie in Verbindung mit 4a und 4b exemplarische beschreiben, ermittelt wurden.
In fahrdynamischen Grenzsituationen müssen diese als solche erkannt werden, in welcher die erfindungsgemäße Vorgehensweise an ihre Grenzen stößt. Die Absolutwinkelberechnung über die gemessene Beschleunigung 10, die Ermittlung der Fahrdynamik Informationen 12 und die Anwendung eines Fahrzeugmodells zur Berechnung von a_y,dyn zur Neigungsberechnung 16 wird in einer solchen Grenzsituation verworfen und es wird eine konventionelle Winkelberechnung über eine sensorisch ermittelte Drehrate 20 und eine Integration 22 durchgeführt (6). Die Steuerung, wann das eine oder das andere Verfahren angewandt wird, erfolgt über eine Umschaltlogik 18. Kriterien für eine Umschaltung könnten eines oder mehrere der folgenden Kriterien sein: Raddrehzahlen der Räder, Driftwinkel des Fahrzeugs, Querbeschleunigung (Zentrifugalbeschleunigung) Lenkwinkel usw. Startwert für die Integration des Winkels ist der letzte Absolutwinkel, der durch 16 errechnet wurde. Da fahrdynamische Grenzsituationen in der Regel nur von kurzer Dauer sind und das Verfahren der Winkelberechnung für kurze Zeitintervalle recht präzise ist, stellt die fehleranfällige Integration keinen Nachteil dar.
7 zeigt anhand des zeitlichen Verlaufs der Querneigung das Ergebnis der beiden unterschiedlichen Berechnungsmethoden, wobei zum Zeitpunkt 9 sec eine Umschaltung erfolgt. Wie gut zu erkennen ist, führt die Absolutwinkelerkennung in Grenzsituationen durch 16 zu unbrauchbaren Ergebnissen.
Die hohe Präzision der Absolutwinkelerkennung ermöglicht es, den ermittelten Absolutwinkel zur Bestimmung der Rollrate heranzuziehen. 8 zeigt das Resultat der Differentiation des Absolutwinkels im Vergleich zu einem Referenzsensor.
Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt eine einfache und kostengünstige Variante zur Absolutwinkelerkennung. Es werden nicht mehr Sensorelemente benötigt als in herkömmlichen Anordnungen notwendig sind.
Es besteht die Möglichkeit, den Rollratensensor durch die Kombination aus zwei Beschleunigungssensoren zu ersetzen, wodurch sich auch deutliche Kosteneinsparungen realisieren lassen.

Claims

Anordnung zur Bestimmung eines absoluten Neigungswinkels (a) gegenüber der Horizontalen, insbesondere für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug (1), mit zumindest einem Sensorelement, das eine Hauptempfindlichkeitsachse (H1, H2) aufweist, wobei das zumindest eine Sensorelement derart angeordnet ist, dass dessen Hauptempfindlichkeitsachse (H1, H2) in der durch die zu detektierenden Neigungswinkel definierten Ebene liegt und das zumindest eine Sensorelement in Abhängigkeit des Neigungswinkels (α) gegenüber der Horizontalen (2) ein Sensorsignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass – das von dem Sensorelement gelieferte Sensorsignal eine gemessene Beschleunigung (A_1,m, A_2,m) der Anordnung ist; – eine Einrichtung (14) zum Ermitteln einer Beschleunigungskomponente (a_y,dyn) der gemessenen Beschleunigung (A_1,m, A_2,m) vorgesehen ist; – eine Verarbeitungseinheit (16) vorgesehen ist, welcher die gemessene Beschleunigung (A_1,m, A_2,m) und die Beschleunigungskomponente (a_y,dyn) zuführbar sind, um eine von der Beschleunigungskomponente bereinigte Beschleunigung (A₁, A₂) zu ermitteln, aus der der absolute Neigungswinkel (α) der Anordnung gegenüber der Horizontalen bestimmbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungskomponente (a_y,dyn) in einer Richtung ermittelt wird, die von einer Bewegungsrichtung des Fahrzeugs abweicht.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungskomponente (a_y,dyn) eine Querbeschleunigung bzw. die Zentrifugalbeschleunigung der, in der Bewegungsrichtung bewegten, Anordnung ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (14) zum Ermitteln der Beschleunigungskomponente dazu ausgebildet ist, diese aus zumindest einem der folgenden Parameter zu ermitteln: – der Geschwindigkeit der Anordnung; – einem Kurvenradius, auf dem sich die Anordnung befindet; – einer Gierrate; – einem Lenkwinkel.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement mit seiner Hauptempfindlichkeitsachse (H1, H2) in einem Winkel in der Neigungsebene zu der Horizontalen (2) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Sensorelement mit einer ersten Hauptempfindlichkeitsachse (H1) und ein zweites Sensorelement mit einer zweiten Hauptempfindlichkeitsachse (H2) vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Neigungswinkel α der Anordnung gegenüber der Horizontalen (2) nach der Formel
berechnet wird, und
ist, wobei A_1,m die von dem ersten Sensorelement gemessene Beschleunigung; A_2,m die von dem zweiten Sensorelement gemessene Beschleunigung; a_y,dyn die Beschleunigungskomponente; A₁ die bereinigte Beschleunigung des ersten Sensorelements; A₂ die bereinigte Beschleunigung des zweiten Sensorelements; α der absolute Neigungswinkel ist.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hauptempfindlichkeitsachse (H1) des ersten Sensorelements und die zweite Hauptempfindlichkeitsachse (H2) des zweiten Sensorelements in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hauptemfindlichkeitsachse (H1) des ersten Sensorelements und die zweite Hauptempfindlichkeitsachse (H2) des zweiten Sensorelements jeweils einen Winkel von 45° zur Senkrechten der Anordnung einnehmen, wenn der absolute Neigungswinkel zur Horizontalen 0° ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner eine weitere Einrichtung (20, 22) zur Neigungswinkelberechnung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, eine Integration über eine von einem Drehratensensor ermittelte Drehrate vorzunehmen.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Startwert für die Integration der Drehrate der letzte ermittelte Absolutwinkel herangezogen wird.
Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschalteinrichtung (18) vorgesehen ist, welche nach vorbestimmten Kriterien festlegt, ob der Neigungswinkel der Anordnung gegenüber der Horizontalen durch die weitere Einrichtung unter Verwendung von Drehratensignalen oder nicht ermittelt werden soll, und die zweite Einrichtung entsprechend aktiviert oder nicht.
Verwendung der Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche in einem Verkehrsmittel, insbesondere in einem Kraftfahrzeug in Verbindung mit einem Insassenschutzsystem, wobei der absolute Neigungswinkel für die Entscheidung herangezogen wird, ob eine Schutzeinrichtung des Insassenschutzsystems ausgelöst wird und/oder das Kraftfahrzeug stabilisierende Maßnahmen getroffen werden.