DE102005060219A1 - Estimating method for rating a friction coefficient between a road and a motor vehicle's tires uses the friction coefficient to enlarge a Kalman filter by the friction coefficient - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung des Reibkoeffizienten zwischen Straße und Reifen eines Kraftfahrzeuges sowie eine Steuerungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche einen zur Ausführung des Verfahrens eingerichteten Estimator enthält.The The invention relates to a method for estimating the friction coefficient between the street and a tire of a motor vehicle and a control device for a Motor vehicle, which one set up for carrying out the method Estimator contains.
Für die Kontrolle von Kraftfahrzeugen werden in zunehmendem Maße elektronische Systeme eingesetzt, die die direkte Steuerung des Fahrers ergänzen bzw. teilweise ersetzen. Beispielhaft seien hier ESP (electronic stability program), EPAS (electric power assisted steering), E-Diff (electric differential) genannt. Zur Erfüllung ihrer Funktionen benötigen derartige Systeme den aktuellen Zustand des Kraftfahrzeuges. Da nicht alle erforderlichen Zustandsgrößen einer einfachen Messung zugänglich sind, und die Anzahl an Sensoren aus Kostengründen begrenzt ist, müssen sie zum Teil mit Hilfe von Fahrzeugmodellen abgeschätzt werden, wobei die Abschätzungen durch einen Vergleich mit Messwerten beobachtbarer Größen abgeglichen werden können.For the control of automobiles, electronic systems are increasingly being used, which complement or partially replace the driver's direct control. Examples include ESP (electronic stability program), EPAS (electric power assisted steering), E diff (electric differential) called. To fulfillment of their functions Such systems the current state of the motor vehicle. There not all required state variables of a simple measurement accessible are, and the number of sensors for cost reasons is limited, they must be estimated partly with the help of vehicle models, the estimates adjusted by comparison with measured values of observable quantities can be.
Weiterhin ist problematisch, dass manche Zustandsgrößen nicht konstant sind. Beispielsweise verbindet der Reifen das Fahrzeug mit der Straße, und sie bilden die Kräfte, die die notwendig sind, um zu bremsen, zu beschleunigen und die Richtung zu ändern. Der Kontakt zwischen Reifen und der Straße ist daher nicht über die Zeit konstant. Er hängt von verschiedenen Parametern, wie beispielsweise die Art des verwendeten Reifens, dem Reifendruck, dem Reifenprofil und der Reibung zwischen Reifen und Straße ab. Der Reibkoeffizient variiert von 0,1 auf Eis bis zu 1,0 auf trockenem Asphalt. Er ist ein Teil der Fahrzeugmodelle, die für Schätzalgorithmen verwendet werden. Eine derartige Abschätzung kann zu einer falschen Abschätzung der Lateralkräfte auf den Rädern führen. In dem schlechtesten Fall verwendet das Fahrzeugmodell einen konstanten Reibkoeffizienten, der gleich 1 ist, und das reale Fahrzeug bewegt sich auf Eis. Dies führt zu einer Überschätzung der Reifenkräfte um einen Faktor 10.Farther is problematic that some state variables are not constant. For example the tire connects the vehicle with the road, and they form the forces that which are necessary to brake, accelerate and the direction to change. The contact between tires and the road is therefore not over the Time constant. Hung of various parameters, such as the type of tire used, tire pressure, tire tread and friction between tires and street from. The coefficient of friction varies from 0.1 on ice up to 1.0 dry asphalt. He is part of the vehicle models used for estimation algorithms be used. Such an estimate can be wrong appraisal the lateral forces on the wheels to lead. In the worst case, the vehicle model uses a constant one Friction coefficient, which is equal to 1, and the real vehicle is moving on ice. this leads to to overestimate the tire forces by a factor of 10.
Jede Steuerung, die eine derartige falsche Abschätzung verwendet, wird aufgrund der Abweichung zwischen der Realität und der Abschätzung versagen.each Control using such a false estimate is due the deviation between the reality and the estimate fail.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Mittel für eine zuverlässige und gleichzeitig schnelle Abschätzung des Zustandes des Kraftfahrzeuges, insbesondere des Reibkoeffizienten zwischen Straße und Reifen eines Fahrzeuges und der Lateralgeschwindigkeit, bereitzustellen.Of the Invention is therefore based on the object means for a reliable and at the same time fast estimation the condition of the motor vehicle, in particular the friction coefficient between the street and tires of a vehicle and the lateral speed.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 10 gelöst.These The object is achieved by the method according to claim 1 and the control device solved according to claim 10.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abschätzung des Reibkoeffizienten zwischen Straße und Reifen eines Kraftfahrzeuges, bei dem der Reibkoeffizient unter Erweiterung eines Kalman-Filters um den Reibkoeffizienten unter der Annahme geschätzt wird, dass die Schräglaufsteifigkeit des Reifens proportional zu dem Reibkoeffizienten ist.According to one In the first aspect, the invention relates to a method for estimating the Friction coefficient between road and tires of a motor vehicle, wherein the friction coefficient under Extension of a Kalman filter is estimated to the coefficient of friction on the assumption that the skew stiffness of the tire is proportional to the coefficient of friction.
Die Annahme, dass die Schräglaufsteifigkeit des Reifens proportional zu dem Reibkoeffizienten ist, beruht auf der Annahme, dass die Schräglaufsteifigkeit des Reifens aufgrund Reibung zwischen Reifen und Straße derart verändert ist, dass sich die ermittelte Schräglaufsteifigkeit des Reifens, die die von dem Kontakt zwischen Straße und Reifen bewirkten Kräfte beschreibt, aus dem Produkt der tatsächlichen Schräglaufsteifigkeit des Reifens und dem Reibkoeffizienten zusammensetzt.The Assuming that the skew stiffness of the tire is proportional to the coefficient of friction is based on assuming that the skew stiffness of the tire due to friction between tires and road such changed is that the determined slip stiffness of the tire, which describes the forces caused by the contact between the road and the tire, from the product of the actual Skew stiffness of the Tire and the friction coefficient.
Die Abschätzung des Reibkoeffizienten sichert die korrekte Abschätzung der Lateralgeschwindigkeit des Fahrzeugs bei jedem beliebigen Straßenzustand, da die Lateralgeschwindigkeit in hohem Maße von dem Reibkoeffizienten abhängt. Die abgeschätzte Lateralgeschwindigkeit wird üblicherweise verwendet, um die Lateralkräfte auf jedem Reifen zu bestimmen. Eine hohe Genauigkeit der Lateralgeschwindigkeit ist daher für Anwendungen wie ESP, ARC (active roll control) oder AFS (active front steering) wichtig. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, sowohl in dem linearen Bereich als auch in dem Grenzbereich der Reifen eine korrekte Abschätzung des Reibkoeffizienten zu erzielen.The appraisal of the friction coefficient ensures the correct estimation of the lateral velocity of the Vehicle at any road condition, as the lateral speed to a great extent depends on the friction coefficient. The estimated Lateral speed is usually used to the lateral forces to determine on each tire. A high accuracy of the lateral speed is therefore for Applications such as ESP, ARC (active roll control) or AFS (active front steering). The method according to the invention makes it possible both in the linear region and in the border region of the Tire a correct estimate to achieve the coefficient of friction.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kalman-Filter ein Einspurmodell. Das Einspurmodell wird in dem Kalman-Filter als ein virtuelles Modell des realen Kraftfahrzeuges verwendet. Es stellt die Grunddynamiken des Fahrzeugs bereit und enthält alle benötigten Zustände und Parameter, um eine Abschätzung des Reibkoeffizienten zu erreichen. Bei dem Einspurmodell sind die zwei Vorder- und die zwei Hinterräder zu einem Vorder- und einem Hinterrad vereinfacht. Der Schwerpunkt wird auf Null gelegt. Es wird angenommen, dass die Längsgeschwindigkeit konstant ist.In a preferred embodiment, the Kalman filter comprises a one-track model. The one-track model is used in the Kalman filter as a virtual model of the real motor vehicle. It provides the basic dynamics of the vehicle and contains all the necessary states and parameters to obtain an estimate of the friction coefficient. In the single-track model, the two front and two rear wheels are simplified to a front and a rear wheel. The center of gravity is set to zero. It will be on assuming that the longitudinal velocity is constant.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird bzw. werden die Lateralbeschleunigung, der Lenkradwinkel, die Giergeschwindigkeit und/oder die Längsgeschwindigkeit gemessen und ist eine Eingangsgröße bzw. sind Eingangsgrößen in das Einspurmodell. Der Lenkradwinkel ist eine Eingangsgröße, die von dem Fahrer festgelegt wird.In an embodiment of the present invention will be or the lateral acceleration, the steering wheel angle, the yaw rate and / or the longitudinal speed measured and is an input variable or are input variables in the Single-track model. The steering wheel angle is an input that is determined by the driver.
Die mindestens eine Messung der mindestens einen vorstehenden gemessenen Größen kann von mindestens einem Sensor eines ESP-Systems durchgeführt werden.The at least one measurement of the at least one above measured Sizes can be performed by at least one sensor of an ESP system.
Vorzugsweise dienen die Messungen der Lateralbeschleunigung, des Lenkradwinkels, der Giergeschwindigkeit und/oder der Längsgeschwindigkeit als Referenzwerte. Die Referenzwerte können zur Simulation verschiedener Fahrsituationen verwendet werden.Preferably serve the measurements of the lateral acceleration, the steering wheel angle, the yaw rate and / or the longitudinal speed as reference values. The reference values can be used to simulate different driving situations.
Zum Schätzen des Reibkoeffizienten wird vorteilhaft ein Fahrzeugzustand, der im Rahmen der Erfindung durch den Reibkoeffizienten, die Lateralge schwindigkeit und die Giergeschwindigkeit definiert ist, zu einem bestimmten Zeitpunkt auf Basis eines Fahrzeugzustandes zu einem vorausgehenden Zeitpunkt ermittelt.To the Estimate of the friction coefficient is advantageously a vehicle state, the in the context of the invention by the friction coefficient, the Lateralge speed and the yaw rate is defined at a given time based on a vehicle condition at a previous time determined.
Bevorzugt wird der Fahrzeugzustand zum vorausgehenden Zeitpunkt auf der Basis einer Messung wenigstens der Lateralbeschleunigung und der Giergeschwindigkeit ermittelt. D. h., von einem Sensorsystem des Fahrzeugs wird lediglich die Messung zweier Variabler benötigt, um den Reibkoeffizienten zuverlässig abzuschätzen.Prefers the vehicle state is based on the previous time a measurement of at least the lateral acceleration and the yaw rate determined. That is, from a sensor system of the vehicle is only requires the measurement of two variables, Reliable by the coefficient of friction estimate.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abschätzung des Reibkoeffizienten kann insbesondere online durchgeführt werden, damit immer der aktuelle Reibkoeffizient zur Verfügung steht.The inventive method for estimation the coefficient of friction can be carried out in particular online, so that the current friction coefficient is always available.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, die einen Estimator enthält, der dahingehend ausgebildet ist, ein Verfahren der vorstehend beschriebenen Art auszuführen. D. h., der Estimator ist in der Lage, einen Reibkoeffizienten zwischen Reifen eines Kraftfahrzeuges und Straße mit Hilfe eines erweiterten Kalman-Filters abzuschätzen.The Invention further relates to a control device for a motor vehicle, that contains an estimator, which is adapted to a method of the above-described Kind of execute. That is, the estimator is capable of a coefficient of friction between Tire of a motor vehicle and road with the help of an extended Estimate Kalman filters.
Die Steuerungsvorrichtung ist für eine Vielzahl verschiedener Aufgaben im Rahmen der Kontrolle und Überwachung eines Kraftfahrzeuges verwendbar. Insbesondere kann die Steuerungsvorrichtung eingesetzt werden, um eine elektronische Fahrzeugstabilisierung durchzuführen.The Control device is for a variety of different tasks in the context of control and monitoring a motor vehicle usable. In particular, the control device be used to electronic vehicle stabilization perform.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher erläutert.in the The invention will now be described with reference to the attached figure explained in more detail.
Es zeigt:It shows:
Wie
in der
Das Einspurmodell ist in seiner kontinuierlichen Form, insbesondere durch die Matrixgleichung: definiert, wobei νy die Lateralgeschwindigkeit ist, Ψ . die Gierrate ist, cf bzw. cr die Schräglaufsteifigkeit des Reifens des Vorder- bzw. Hinterreifens ist, If bzw. Ir der Abstand der Vorder- bzw. Hinterachse und dem Massenzentrum des Fahrzeuges ist, IZ das Trägheitsmoment des Fahrzeuges ist, m die Masse des Fahrzeuges ist, νx die Längsgeschwindigkeit ist, δw der Lenkradwinkel ist, und t die Zeit darstellt.The single-track model is in its continuous form, in particular by the matrix equation: where ν y is the lateral velocity, Ψ. the yaw rate is, c f or c r is the slip stiffness of the tire of the front and rear tires, I f and I r is the distance between the front and rear axle and the center of mass of the vehicle, I Z is the moment of inertia of the vehicle , m is the mass of the vehicle, ν x is the longitudinal speed, δ w is the steering wheel angle, and t is the time.
Die
Koeffizienten cr, cf bewirken
die Kräfte,
die von dem Kontakt zwischen Reifen und Straße bereitgestellt werden und
stellen die Schräglaufsteifigkeit
des Reifens dar. Die Schräglaufsteifigkeiten
des Reifens sind Parameter in dem Einspurmodell, das die Reifenkräfte beschreibt.
Die Reifenkräfte
lassen sich durch die Formeln
Im
Rahmen der Erfindung wird angenommen, dass die Reifenkräfte aufgrund
Reibung verändert
sind, d.h., erhöht
oder vermindert. Daher ändert
sich auch die Schräglaufsteifigkeit
des Reifens durch den aktuellen Straßenzustand. Dies führt zu folgender
Annahme:
D.h.,
um den Reibkoeffizienten in den Reifengradienten mit einzubeziehen,
wird gesetzt:
Die sich mit dieser Änderung ergebende Zustandgleichung ist nichtlinear, d. h., dass die Kalman-Gains nicht über die Zeit konstant sind, und es keine Übertragungsfaktorlösung gibt, weil die Lösung von dem aktuellen Zustand des Fahrzeugs abhängt. Die Lösung wird daher vorteilhafterweise mit Hilfe einer Transferfunktion (oder Übertragunsgsfunktion), die den Zustand zu einer Zeit tk in einen Zustand tk+1 überträgt, online berechnet.The state equation resulting from this change is nonlinear, that is, the Kalman gains are not constant over time, and there is no transmission factor solution because the solution depends on the current state of the vehicle. The solution is therefore advantageously calculated online by means of a transfer function (or transfer function) which transfers the state to a state t k + 1 at a time t k .
Die Zustandsraumbeschreibung erfolgt dann unter Verwendung der Transferfunktion gemäß der Matrixgleichung: wobei νx die Längsgeschwindigkeit darstellt, νy die Lateralgeschwindigkeit darstellt, Ψ . die Gierrate darstellt, μ den Reibkoeffizienten darstellt, T eine Transferfunktion darstellt, IZ das Trägheitsmoment des Fahrzeugs darstellt, c die Schräglaufsteifigkeit des Reifens darstellt, I den Abstand zwischen Massenzentrum und der Achse des Fahrzeugs darstellt, m die Masse des Fahrzeugs darstellt, δ den Radwinkel darstellt, t die Zeit darstellt, der Index I für Vorderreifen steht, der Index r für Hinterreifen steht, und der Index k für den momentanen Zeitpunkt steht.The state space description is then performed using the transfer function according to the matrix equation: where ν x represents the longitudinal velocity, ν y represents the lateral velocity, Ψ. represents the yaw rate, μ represents the friction coefficient, T represents a transfer function, I Z represents the moment of inertia of the vehicle, c represents the slip stiffness of the tire, I represents the distance between the center of mass and the axis of the vehicle, m represents the mass of the vehicle, δ the Wheel angle, t represents the time, the index I stands for front tire, the index r stands for rear tire, and the index k stands for the current time.
Das Ermitteln des Reibkoeffizienten zur Zeit tk+1 erfolgt anhand eines Fahrzeugzustandes zur Zeit tk, welcher wiederum aus der für den Zeitpunkt tk gemessenen Lateralbeschleunigung und der für den Zeitpunkt tk gemessenen Gierrate gewonnen wird.The determination of the friction coefficient at time t k + 1 takes place on the basis of a vehicle condition at time t k , which in turn is obtained from the lateral acceleration measured for time t k and the yaw rate measured for time t k .
Gemessen werden die Lateralbeschleunigung und die Gierrate, beispielsweise mittels einer Sensoranordnung aus dem ESP-System. Als Zwischenergebnis, das für das Ermitteln des Fahrzeugzustandes zum Zeitpunkt tk herangezogen wird, wird dann erhalten: wobei aY die Lateralbeschleunigung darstellt, wobei ν die Längsgeschwindigkeit darstellt, Ψ . die Gierrate darstellt, μ den Reibkoeffizienten darstellt, c die Schräglaufsteifigkeit des Reifens darstellt, I den Abstand zwischen Massenzentrum und der Achse des Fahrzeugs darstellt, m die Masse des Fahrzeugs darstellt, δW den Radwinkel darstellt, t die Zeit darstellt, der Index I für Vorderreifen steht, der Index r für Hinterreifen steht, und der Index k für den momentanen Zeitpunkt steht.The lateral acceleration and the yaw rate are measured, for example by means of a sensor arrangement from the ESP system. As an intermediate result, which is used for determining the vehicle state at time t k , is then obtained: where a Y represents the lateral acceleration, where ν represents the longitudinal velocity, Ψ. represents the yaw rate, μ represents the friction coefficient, c represents the slip stiffness of the tire, I represents the distance between the center of mass and the axis of the vehicle, m represents the mass of the vehicle, δ W represents the wheel angle, t represents the time, the index I for Front tire stands, the index r stands for rear tire, and the index k stands for the current time.
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