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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeuglenkgerät mit elektronischer Steuerung,
z.B. ein Steer-by-Wire-Lenkgerät,
das den Dreh- oder Lenkwinkel von gelenkten Rädern nach Maßgabe einer
Lenkeingabe aus einer Betätigungsvorrichtung,
z.B. einem Lenkrad, frei steuert.
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In
einem herkömmlichen
Lenksteuergerät,
wie es in JP-A-10-269838 offenbart ist, wird die Lenkgröße in ein
elektronisches Signal umgewandelt, wenn der Fahrer eine Lenkoperation
vornimmt, indem er das Lenkrad dreht. Dieses elektronische Signal
wird von einer elektronischen Steuereinheit in ein Steuersignal
umgewandelt. Dieses Steuersignal wird einem Antriebsgerät für ein gelenktes
Rad zugeführt,
das den Lenkwinkel des gelenkten Rads (oft auch als "Drehwinkel" oder "Vorderrad-Drehwinkel" bezeichnet) steuert
oder justiert. Mit einem Lenkwinkel, der mit Hilfe des Lenkrads
appliziert wird, als Soll-Lenkwinkel und dem von einem Lenkwinkelsensor
detektierten Lenkwinkel der gelenkten Räder als Ist-Wert führt die
elektronische Steuereinheit eine Rückkopplungssteuerung durch,
um zu veranlassen, daß der
Ist-Lenkwinkel sich dem Soll-Lenkwinkel annähert. Ein charakteristisches
Merkmal des Lenksteuergeräts
besteht darin, daß der
rückkopplungsgesteuerte Gewinn
entsprechend dem Fahrzustand des Fahrzeugs eingestellt wird, um
eine optimale Lenksteuerung herbeizuführen. Das heißt, es wird
darauf hingewirkt, daß der
Lenk-Gewinn mit der Fahrzeuggeschwindigkeit V, dem Lenkwinkel θ und der
Straßenoberfläche μ variiert,
um eine optimale Drehsteuerung auszuführen.
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In
einem Lenksystem, das den Raddrehwinkel der Änderung des Lenkwinkels entsprechend
variiert, wächst
der Lenkgewinn im allgemeinen proportional zur Größe des Lenkwinkels,
und der Lenkgewinn verkleinert sich, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit
von einer niedrigen auf eine hohe Geschwindigkeit anwächst.
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Um
mit diesem Lenksystem bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit eine Aktion
zur Unfallvermeidung durchzuführen,
ist der erforderliche Lenkradwinkel (Lenkwinkel) zu groß, so daß der Fahrer
keine Manöver
zur Unfallvermeidung zustande bringen kann.
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Man
kann zwar eine Unfallvermeidung möglich machen, indem man die
Lenkgeschwindigkeit hoch und den Lenkgewinn groß macht, selbst wenn der erforderliche
Lenkradwinkel (Lenkwinkel) des Lenksystems klein ist, allerdings
wird dann der Lenkgewinn bei normaler Fahrt (stationärer Gewinn)
zu groß und
erhöht
die Anspannung des Fahrers und führt
zu einer Verschlechterung des Lenkempfindens.
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Diese
Phänomen
ist darauf zurückzuführen, daß der Lenkgewinn
im allgemeinen unter den stationären
Gewinn fällt,
wenn das Lenksystem in einem Bereich hoher Frequenz bei einer Frequenz
liegt, die der Lenkgeschwindigkeit zur Unfallvermeidung entspricht
(es gilt die Beziehung, daß die
Frequenz hoch ist, wenn die Lenkgeschwindigkeit hoch ist).
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Das
in JP-A-10-264838 offenbarte Lenksteuergerät variiert das Drehwinkelverhältnis und
justiert den Lenkgewinn entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Da es sich jedoch um eine Änderung
des Gewinns handelt, die der Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht,
eignet sie sich nicht für
Anwendungen, in denen sie mit der Änderung der Lenkgeschwindigkeit
(Frequenz) korrespondieren muß,
wie dies in Situationen zur Unfallvermeidung der Fall ist.
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Gemäß vorliegender
Erfindung ist ein Fahrzeuglenkgerät vorgesehen, das aufweist:
eine
vom Fahrer beim Lenken betätigte
Betätigungsvorrichtung,
ein
Betätigungszustandsniveau-Detektoreinrichtung
zum Detektieren des Betätigungszustandsniveaus
der Betätigungsvorrichtung,
ein
Drehstellglied zur Richtungsänderung
von gelenkten Rädern,
eine
Steuereinrichtung für
die Ansteuerung des Drehstellglieds nach Maßgabe eines Lenksignals, das
das von der Betätigungszustandsniveau-Detektoreinrichtung
ausgegebene Betätigungszustandsniveau
repräsentiert,
eine
Phasenkomponenten-Einstelleinrichtung für die Applikation einer Phasenvorlaufkomponente
auf das von der Betätigungszustandsniveau-Detektoreinrichtung
ausgegebene Lenksignal,
eine Verhaltensgrößen-Detektoreinrichtung zum
Detektieren einer Fahrzeugsverhaltensgröße und
eine Signalapplikationseinrichtung
für die
Applikation eines von der Verhaltensgrößen-Detektoreinrichtung ausgegebenen
Verhaltensgrößensignals auf
das Ausgangssignal der Phasenkomponenten-Einstelleinrichtung als
Rückkopplungssignal.
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Bei
diesem Fahrzeuglenkgerät
wird der Steuereinrichtung für
die Ansteuerung eines Drehstellglieds ein Signal zugeführt, das
erzeugt wird, indem zu einem Lenksignal, das ein von einer Betätigungszustandsniveau-Detektoreinrichtung
ausgegebenen Betätigungszustandsniveau
repräsentiert,
eine Phasenvorlaufkomponente hinzuaddiert und darauf als Rückkopplungssignal
ein Signal angewendet wird das eine Verhaltensgröße repräsentiert. Auf diese Weise wird
der Lenkwinkel der gelenkten Räder
unter Berücksichtigung
eines Phasenvorlauffaktors des Lenksignals und des Fahrzeugverhaltenszustands
festgelegt.
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Die
Fahrzeugverhaltensgröße ist vorzugsweise
die Giergeschwindigkeit oder die Querbeschleunigung.
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Um
ein Steuersignal zu erzeugen, wird zu einem dem Lenkwinkel entsprechenden
Lenksignal eine Phasenvorlaufkomponente hinzuaddiert, und außerdem wird
die Fahrzeugverhaltensgröße Giergeschwindigkeit
oder Querbeschleunigung rückgekoppelt,
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Dadurch
wird bei normaler Fahrt ein Ansprechen der Lenkung beibehalten,
das von dem Fahrer leicht zu handhaben ist, während das Ansprechen in einer
Situation zur Unfallvermeidung erhöht wird, so daß ein leichtes
und präzises
Lenkung für
die Unfallvermeidung möglich
ist, ohne daß ein
exzessiv großer
Lenkwinkel wie beim normalen Lenken erforderlich ist.
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Im
folgenden wird unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht eines Fahrzeuglenkgeräts gemäß der Erfindung,
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2 zeigt
ein Blockdiagramm eines Steuersystems des Fahrzeuglenkgeräts.
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Im
folgenden wird auf der Basis der anliegenden Zeichnungen ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der
Erfindung beschrieben.
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In
diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden eine Betätigungsvorrichtung,
eine Betätigungszustandsniveau-Detektoreinrichtung,
ein Drehstellglied, eine Steuereinrichtung, eine Phasenkomponenten-Justiereinrichtung,
eine Verhaltensgrößen-Detektoreinrichtung
und eine Signalapplikationseinrichtung von einem Lenkrad, einem
Lenkwinkelsensor, einem Drehantriebsmechanismus, einer ECU (elektronischen
Steuereinheit), einem Teil für
einen Phasenvorlauf, einem Fahrzeugverhaltens-Sensor bzw. einer
Subtrahierstufe gebildet.
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1 zeigt
schematisch den Geräteaufbau
eines Fahrzeuglenkgeräts
nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Ein
Fahrzeuglenkgerät 10 ist
ein Fahrzeuglenkgerät
mit elektronischer Steuerung, das den Lenkwinkel (bedeutet das Gleiche
wie Drehwinkel) von Vorderrädern 12,
die die gesteuerten Räder
bilden, nach Maßgabe der
Lenkeingabe einer (im folgenden als "Lenkrad 11" bezeichneten) Lenkvorrichtung 11 frei
steuern kann.
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Wenn
der Fahrer das Lenkrad 11 dreht, wird der aus der Betätigung durch
den Fahrer resultierende Drehwinkel (Lenkwinkel) des Lenkrads 11 auf
der Basis der Steuerungsfunktion eines elektronischen Steuerungssystems über einen
Drehantriebsmechanismus 13 in einen entsprechenden Lenkwinkel
an den Vorderrädern 12 umgewandelt.
Dadurch, daß der
Fahrer das Lenkrad 11 betätigt, wird eine Information,
die die von dem Fahrer gewünschte
Fahrzeugbewegung (oder Vorwärtsorientierung
des Fahrzeugs) repräsentiert,
in das elektronische Steuerungssystem eingegeben. Der Drehwinkel
(Lenkwinkel) des Lenkrads 11 wird von einem Lenkradwinkelsensor 14 detektiert.
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Der
Lenkradwinkelsensor 14, ein Lenkreaktionsmotor 16 und
ein Lenkmomentsensor 17 sind an der Lenksäule 15 des
Lenkrads 11 montiert.
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Der
Lenkreaktionsmotor 16 führt
dem Fahrer über
die Lenksäule 15 und
das Lenkrad 11 eine Lenkreaktion zu. Da das Lenkrad 11,
wie oben beschrieben, nicht über
eine mechanische Konstruktion mit den Vorderrädern 12 verbunden
ist, muß dem
Fahrer eine Lenkreaktion als Lenkgefühl vermittelt werden, wenn
er das Lenkrad betätigt.
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Der
Lenkmomentsensor 17 detektiert ein Lenkmoment, das auftritt,
wenn der Fahrer das Lenkrad 11 gegen die von dem Lenkreaktionsmotor 16 erzeugte
Lenkreaktionskraft betätigt.
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Die
beiden Vorderräder 12 sind
auf beiden Seiten des Drehantriebsmechanismus 13 angeordnet.
Der Drehantriebsmechanismus 13 umfaßt einen Lenkmotor 18,
der in seinem Zentrum Spurstangen 19 bewegt, die aus seinen
Enden hervorstehen, sowie Gelenkarme 20, die mit den Enden
der Spurstangen 19 verbunden sind. Die Vorderräder 12 sind
mit den Gelenkarmen 20 verbunden. An dem Drehantriebsmechanismus 13 ist ein
Lenkwinkelsensor 21 zur Detektierung des Lenkwinkels montiert,
der aus der Drehung des Lenkmotors 18 resultiert.
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Als
weitere Detektorstufen sind ein Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 22 und
ein Fahrzeugverhaltens-Sensor 23 zum Detektieren der Giergeschwindigkeit
oder der Querbeschleunigung vorgesehen.
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Eine
ECU (elektronische Steuereinheit) 24 bildet das Steuersystem
des Fahrzeuglenkgeräts.
Eingabefaktoren für
die ECU 24 sind der Lenkradwinkelsensor 14, der
Lenkmomentsensor 17, der Lenkwinkelsensor 21,
der Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 22 und der Fahrzeugverhaltens-Sensor 23.
Ausgabefaktoren der ECU 24 sind der Lenkreaktionsmotor 16 und
der Lenkmotor 18.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm der Konstruktion des Steuersystems des Fahrzeuglenkgeräts.
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In
der Anordnung von 2 bildet die (mit gestrichelten
Linien umrahmte) ECU 24 ein Steuersystem und umfaßt eine
Stufe 31 zur Erzeugung eines Phasenvorlaufs, eine Subtrahierstufe 32,
eine Stufe 33 zur Einstellung eines Soll-Lenkwinkels, eine
Rückkopplungsstufe 34,
eine Subtrahierstufe 35, eine Stufe 36 zur Einstellung
einer Soll-Lenkreaktion, eine Subtrahierstufe 37, eine
Stufe 38 zur Lenkmotorsteuerung und eine Stufe 39 zur
Steuerung des Lenkreaktionsmotors.
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Ein
von dem Lenkradwinkelsensor 14 ausgegebenes Lenksignal
wird über
die Phasenvorlaufstufe 31 und die Subtrahierstufe 32 der
Stufe 33 zur Einstellung des Soll-Lenkwinkels zugeführt. Das
Lenksignal ist ein Signal, das den Lenkwinkel des Lenkrads 11 repräsentiert
und hat eine Frequenz komponente (f), die sich der Lenkgeschwindigkeit
(Lenkwinkelgeschwindigkeit ú =
2πf) entsprechend ändert.
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Die
Phasenvorlauffaktorstufe 31 enthält einen Ausdruck K1(1 + aT1s)/(1 +
T1s), der eine Transferfunktion in einer
s-(Laplace-Transformations)-Region einer Phasenvorlaufschaltung
(z.B. eines Phasenvorlaufkompensators) darstellt. In diesem Ausdruck
ist K1 ein Gewinnkoeffizient, T1 eine
Zeitkonstante, s ein Laplace-Operator und a eine Proportionalitätskonstante,
die so gesetzt ist, daß a < 1.
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Die
Transferfunktion {K1(1 + aT1s)/(1
+ T1s)} liefert bei einem Lenksignal mit
niedriger Lenkgeschwindigkeit (niedriger Frequenz f) ein Lenksignal
mit niedrigem Gewinn und bei einem Lenksignal mit hoher Lenkgeschwindigkeit
(hoher Frequenz f) ein Lenksignal mit hohem Gewinn.
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Das
von dem Fahrzeugverhaltens-Sensor 23 ausgegebene Verhaltenssignal
wird über
die Rückkopplungsfaktorstufe 34 zugeführt. Das
Verhaltenssignal ist ein Signal, das die Giergeschwindigkeit repräsentiert, oder
ein Signal, das die Querbeschleunigung repräsentiert.
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Die
Rückkopplungsfaktorstufe 34 enthält den Ausdruck
K2(1 + bT2s)/(1
+ T2s), der eine Transferfunktion in einer
s-(Laplace-Transformations)-Region einer Integrierschaltung darstellt.
In diesem Ausdruck ist K2 eine Gewinnkonstante,
T2 eine Zeitkonstante, s ein Laplace-Operator
und b eine Proportionalitätskonstante, die
so gesetzt ist, daß b < 1.
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Als
Rückkopplungsfaktorstufe 34 werden
aus der Information über
die Beschleunigung und Geschwindigkeit im allgemeinen die Beschleunigung,
die Geschwindigkeit und die Position rückgekoppelt, und der Rückkopplungsfaktor
ist als Konstante oder Integrationsfaktor gesetzt. Der oben angegebene
Ausdruck entspricht der allgemeinen Form Realisierung dieses Rückkopplungsfaktors.
Er kann in Abhängigkeit
von der Wahl der obigen Werte b und T so gewählt werden, daß er in
einer Kennlinie von einer Konstanten zu einem Integrationsfaktor
variiert.
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Ein
Rückkopplungspfad
wird von einem Signal gebildet, das das von dem Fahrzeugverhaltens-Sensor 23 detektierte
Verhalten (Giergeschwindigkeit oder Querbeschleunigung) des Fahrzeugs
repräsentiert
und über
die Rückkopplungsfaktorstufe 34 der
Subtrahierstufe 32 zugeführt wird.
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Die
Subtrahierstufe 32 subtrahiert das Verhaltenssignal, das
die Rückkopplungsfaktorstufe 39 durchlaufen
hat, von dem Lenksignal, das den Phasenvorlauffaktorstufe 31 durchlaufen
hat, und liefert ein Abweichungssignal SG1 an den Teil 33 zur
Einstellung des Soll-Lenkwinkels.
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Das
Abweichungssignal SG1 und ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal aus
dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 22 werden der Stufe 33 zur
Einstellung des Soll-Lenkwinkels zugeführt. Entsprechend dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal,
das ihm von dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 22 zugeführt wird,
mit dem Abweichungssignal SG1 als Sollwertsignal setzt die Stufe 33 zur
Einstellung des Soll-Lenkwinkels einen Soll-Lenkwinkel, der dem
Lenkwinkel des Lenkrads 11 entspricht, und liefert das
Soll-Lenkwinkelsignal an die Subtrahierstufe 35.
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Die
Subtrahierstufe 35 subtrahiert von dem Soll-Lenkwinkelsignal
ein Signal, das von dem Lenkwinkelsensor 21 ausgegeben
wird und den Ist-Lenkwinkel
repräsentiert,
und liefert an den Lenkmotor-Steuerstufe 38 ein Abweichungssignal
SG2.
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Die
Stufe 36 zur Einstellung der Soll-Lenkreaktion setzt einen
Sollwert der Lenkreaktion für
die Ansteuerung des Lenkreaktionsmotors 16 und beaufschlagt
das Lenkrad 11 mit einer Lenkreaktion.
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Das
Fahrzeuggeschwindigkeitssignal aus dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 22,
das Signal aus dem Lenkwinkelsensor 21 das den Ist-Lenkwinkel
repräsentiert,
das Signal aus dem Fahrzeugverhaltens-Sensor 23, das das
Fahrzeugverhalten (Querbeschleunigung, Giergeschwindigkeit) repräsentiert,
und das von der Subtrahierstufe 35 ausgegebene Abweichungssignal
SG2 werden der Stufe 36 zur Einstellung der Soll-Lenkreaktion
zugeführt.
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Auf
der Basis des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals, des den Ist-Lenkwinkel
repräsentierenden
Signals, des das Fahrzeugverhalten repräsentierenden Signals und des
Abweichungssignals SG2 setzt die Stufe 36 zur Einstellung
der Soll-Lenkreaktion einen Sollwert der Lenkreaktion. Die einer
Reaktion entsprechende Rückkopplung
von Signalen an den Fahrer, die die Fahrt des Fahrzeugs repräsentieren,
unterstützen
den Fahrer beim optimalen Lenken. Ein Signal zu einer Soll-Lenkreaktion,
das von der Stufe 36 zur Einstel lung der Soll-Lenkreaktion
ausgegeben wird, wird der Subtrahierstufe 37 zugeführt.
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Die
Subtrahierstufe 37 subtrahiert von dem die Soll-Steuerreaktion
repräsentierenden
Signal ein das Ist-Lenkmoment repräsentierendes Signal, das von
dem Lenkmomentsensor 17 ausgegeben wird, und liefert ein
Abweichungssignal SG3 an die Stufe 39 zur Steuerung des
Lenkreaktionsmotors.
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Die
Lenkmotor-Steuerstufe 38 steuert auf der Basis des Abweichungssignals
SG2, das ihm von dem Subtrahierteil 35 zugeführt wird,
den Lenkmotor 38 des Lenkantriebsmechanismus 13 in
der Weise, daß der Lenkwinkel
der Vorderräder 12 sich
dem Soll-Lenkwinkel annähert.
Diese Steuerung wird so durchgeführt,
daß das
Abweichungssignal SG2 zu Null wird.
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Die
Lenkreaktionsmotor-Steuerstufe 39 steuert auf der Basis
des Abweichungssignals SG3, das ihm von dem Subtrahierteil 37 zugeführt wird,
den Lenkreaktionsmotor 16 in der Weise, daß sich das
Lenkmoment dem Soll-Lenkmoment
annähert.
Diese Steuerung wird so durchgeführt,
daß das
Abweichungssignal SG3 zu Null wird.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist das Lenksteuersystem eines Fahrzeuglenkgeräts nach
diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
so konstruiert, daß es
einen Phasenvorlauffaktor aus einem Phasenvorlauffaktorteil 31 zu
einem den Lenkwinkel des Lenkrads 11 betreffenden Signal
hinzuaddiert, das dem Teil 33 zur Einstellung des Ziel-Lenkwinkels
zugeführt
wird, und das Fahrzeugverhalten mittels des Rückkopplungsfaktorteils 34 und
des Subtraktionsteils 32 rückkoppelt.
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In
einer Region hoher Frequenz, die der Betätigung des Lenkrads 11 mit
hoher Lenkgeschwindigkeit entspricht, z.B. bei einer Lenkradbetätigung mit
schneller Bewegung bei einem Unfallausweichmanöver oder dgl., während das
Fahrzeug fährt,
kann deshalb der Gewinn des Lenksteuersystems erheblich vergrößert werden,
ohne daß die
Stabilität
des Systems verlorengeht, und es läßt sich eine hohe Ansprechempfindlichkeit realisieren.
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Dies
liegt daran, daß bei
der Einstellung des Phasenvorlaufs für den von dem Lenkrad 11 gelieferten Lenkwinkel
das Fahrzeugverhalten, wie die Giergeschwindigkeit oder die Querbeschleunigung
berücksichtigt wird, indem
es rückgekoppelt
und appliziert wird. Dadurch läßt sich
ein sehr schnelles Ansprechen mit einem stabilen Ansprechen realisieren.
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Bei
einem Fahrbahnwechsel, der z.B. vorgenommen wird, um einen Unfall
zu vermeiden und ein Hindernis zu umgehen, ist das Ansprechen der
Querbeschleunigung wichtig, und bezüglich der Betätigung des Lenkrads
ist es um so besser, je größer die
Geschwindigkeit der Lenkeingabe (Lenkgeschwindigkeit) ist.
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Bei
der Lenkradbetätigung
unter allgemeinen Testbedingungen ist bei einem normalen Fahrer
eine Lenkgeschwindigkeit von 500°/Sekunde
die maximale eingebbare Lenkgeschwindigkeit, und bei einem spezialisierten
Testfahrers ist eine Lenkgeschwindigkeit von 1000°/Sekunde
ist die maximale eingebbare Lenkgeschwindigkeit.
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Um
bei dem Steuersystem eines Fahrzeuglenkgeräts die Fähigkeit zur Unfallvermeidung
zu bewerten, sollte man deshalb den Fokus auf einen Querbeschleunigungsgewinn
bei Lenkeingabegeschwindigkeiten von 500°/Sekunde bis 1000°/Sekunde
richten.
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Wenn
in diesem Zusammenhang z.B. für
ein kleines Personenkraftfahrzeug optimale Werte der oben erwähnten Konstanten
K1, T1, a der Transferfunktion
K1(1 + aTls)/(1
+ Tls) des Phasenvorlauffaktorteils und
die Konstanten K2, T2,
b der Rückkopplungsfaktor-Transferfunktion
K2(1 + bT2s)/(1
+ T2s) des Lenksystems gewonnen wurden,
bei denen ein Ausweichmanöver
in einem minimalen Abstand bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von
72 km/h möglich
ist, und eine Änderung
des Querbeschleunigungs-Ansprechgewinns, die stationären Lenkgeschwindigkeiten
(Lenkwinkelgeschwindigkeit = 2πf)
von 500°/Sekunde
und 1000°/Sekunde
entspricht, berechnet wurde, wurden die in der Tabelle 1 dargestellten
Ergebnisse gewonnen.
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Wie
aus Tabelle 1 klar hervorgeht, ist es mit einem Fahrzeuglenkgerät gemäß der Erfindung
im Vergleich zu einem Lenksystem nach dem Stand der Technik möglich, das
Abfallen des Gewinns bei Lenkeingabegeschwindigkeiten im Zusammenhang
mit einer Unfallverhütung
zu verbessern und einen Anstieg des Gewinns zu erreichen, und es
läßt sich
bei normaler Fahrt ein Ansprechen realisieren, das der Fahrer leicht
handhaben kann, während
sich einer Unfallverhütungssituation
ein sehr schnelles Ansprechen realisieren läßt.