-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stabilisierung eines
Fahrzeugs unter Berücksichtigung
der Fahrzeugquerdynamik nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
-
In „ATZ Automobiltechnische
Zeitschrift 96",
1994, Seiten 674 bis 689 wird ein Fahrdynamik-Regelungsverfahren
für Kraftfahrzeuge
beschrieben, welches sowohl die Fahrzeuglängsdynamik als auch die Querdynamik
berücksichtigt,
um die Fahrstabilität
auch in Grenzbereichen gewährleisten
zu können.
Zur Beeinflussung der Querdynamik wird eine Giergeschwindigkeitsregelung
durchgeführt,
bei der ausgehend vom Fahrerwunsch, insbesondere dem Lenkwinkel,
eine Sollgiergeschwindigkeit ermittelt wird, die mit der gemessenen Gierrate
verglichen und der Regelung zugrunde gelegt wird. Der Gierratenregler
stellt hierbei das für
die Fahrzeugquerführung
erforderliche Giermoment bereit, das mithilfe der Aktuatoren im
Fahrzeug, insbesondere durch gezielte Bremseingriffe an einzelnen
Rädern
im Fahrzeug, umgesetzt wird.
-
Auch
der aktuelle Fahrzustand fließt
in die Berechnung der Sollwerte ein. Diese Verquickung von Fahrzustand
und Sollwertbildung hat allerdings zur Folge, dass das mögliche Potenzial
für die
Regelung des Fahrzeuges nicht voll ausgenutzt wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug unter Berücksichtigung
der Fahrzeugquerdynamik in effektiver Weise und sicher zu stabilisieren.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird aus dem Fahrerwunsch eine die Querdynamik des Fahrzeugs beschreibende
Sollgröße ermittelt,
die mit einer korrespondierenden, gemessenen und/oder geschätzten Zustandsgröße verglichen
wird, woraufhin eine Stellgröße ermittelt
wird, die mindestens einem Aktuator im Fahrzeug zur Änderung
der aktuellen Einstellung zugeführt
wird. Als zu regelnde, die Querdynamik des Fahrzeugs beschreibende
Zustandsgröße wird
die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs oder deren zeitliche Ableitung
herangezogen. Anstelle des Fahrerwunsches kann die Sollgröße auch
aus einer anderen Vorgabe ermittelt werden, beispielsweise aus einer
autonomen Streckenführung.
-
Im
Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen,
die sich auf eine Gierratenregelung bzw. eine Schwimmwinkelbegrenzung
stützen,
liegt dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Regelung der Quergeschwindigkeit bzw. deren zeitliche Ableitung
zugrunde, wodurch die Sollwertvorgabe aufgrund der strikten Trennung
der Sollwertbildung von der Regelung vereinfacht ist. Ein weiterer
Vorteil liegt in dem verringerten Applikationsaufwand bei modellbasierten Regelungsverfahren.
Schließlich
kann auch die Fahrzeugagilität
und die Gesamtsystemdynamik mittels einer Vorsteuerung verbessert
werden. Grundlage hierfür
ist der Aufbau einer Regelungsstruktur als Trajektorienfolgeregelung,
die auf einer Sollwertvorgabe und einer Rückführung basiert. Die Vorsteuerung,
die optional durchgeführt
werden kann, verbessert die Regelung, insbesondere das Störverhalten.
-
Gemäß einer
zweckmäßigen Ausführung wird
die Quergeschwindigkeit und deren Ableitungen in einem inversen
Fahrzeugmodell verarbeitet, in welchem ein Grund- bzw. Vorsteuerungswert
der Stellgröße berechnet
wird. Auf diesen Vorsteuerungswert wird der Reglerausgang aufaddiert,
wobei der erhaltene Wert als Stellgröße dem mindestens einen Aktuator
im Fahrzeug zugeführt
wird. Das inverse System- bzw. Fahrzeugmodell beinhaltet die Information über die
Dynamik des Fahrzeugs, wobei verschiedene Modellausführungen für das inverse
Fahrzeugmodell möglich
sind. Zweckmäßig wird
das inverse Fahrzeugmodell als Funktion der Quergeschwindigkeit
sowie der ersten und zweiten Ableitung der Quergeschwindigkeit und
darüber
hinaus auch des Lenkwinkels oder eines damit korrespondierenden
Winkels und der Lenkwinkelgeschwindigkeit berechnet. Möglich sind
aber auch weitere Abhängigkeiten,
beispielsweise von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit.
-
Die
Berücksichtigung
eines inversen Fahrzeugmodells verbessert die Güte der Gesamtregelung, sie ist
aber nicht zwingende Voraussetzung für das Funktionieren. Grundsätzlich reicht
eine explizite Sollwertvorgabe bzw. Trajektorienbildung auf der
Grundlage der Quergeschwindigkeit bzw. deren Ableitung aus.
-
Als
Stellgröße, die
wenigstens einem Aktuator im Fahrzeug zur Änderung der aktuellen Einstellung
zugeführt
wird, wird vorteilhaft ein Giermoment um die Fahrzeughochachse ermittelt.
-
Zur
Umsetzung dieses Giermoments werden Aktuatoren im Fahrzeug angesteuert,
die insbesondere die Radbremse und/oder das Antriebssystem im Fahrzeug
beeinflussen, beispielsweise motorische Größen wie Luft- und/oder Kraftstoffzufuhr
oder auch den Kraftfluss im Antriebsstrang wie zum Beispiel Kupplungen oder
Differenziale.
-
Für den Fall,
dass ein inverses Fahrzeugmodell berücksichtigt wird, ist die Solltrajektorie,
die vorgegeben wird, zweckmäßig zweimal
stetig differenzierbar, um sowohl die erste als auch die zweite
Ableitung sprungfrei bilden zu können.
Es handelt sich bei der Solltrajektorie insbesondere um die Quergeschwindigkeit, aus
der die erste und die zweite Ableitung gebildet wird. Sofern auf
ein inverses Fahrzeugmodell verzichtet wird, reicht es aber grundsätzlich aus,
lediglich eine einmal stetige differenzierbare Solltrajektorie auf
der Basis der Quergeschwindigkeit vorzugeben, deren zeitliche Ableitung
dem Regler als Sollgröße zugeführt wird.
-
Es
kann darüber
hinaus zweckmäßig sein,
Parameter zu schätzen,
insbesondere Reifenparameter und/oder Fahrzeugparameter und in die
Ermittlung der Stellgröße einfließen zu lassen,
insbesondere in die Ermittlung des Vorsteuerwertes der Stellgröße. Diese
Schätzwerte
fließen
zweckmäßig in die
inverse Modellbeschreibung ein.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
-
1 ein
Blockdiagramm mit der Darstellung einer modellbasierten Fahrzeugquerregelung,
-
2 Funktionsverläufe für den Lenkeinschlag
der vorderen Räder
des Fahrzeuges und der Längsgeschwindigkeit
im Falle eines Testmanövers
mit einem Spurwechsel,
-
3 Funktionsverläufe mit
den Soll- und Istwerten für
den Schwimmwinkel und die Querbeschleunigung als Reaktion auf das
Testmanöver,
-
4 Funktionsverläufe mit
den Soll- und Istwerten für
die Gierrate und die Stellgröße, ebenfalls
als Reaktion auf das Testmanöver.
-
Ausführungsform(en)
der Erfindung
-
Folgende
Symbole werden in der nachfolgenden Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet:
Lenkwinkel δH,
Einschlag
der vorderen Räder δF,
Fahrzeugmasse
m,
Fahrzeugträgheitsmoment
um die Hochachse J,
Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vx, Fahrzeugquergeschwindigkeit vy,
Schwimmwinkel β,
Fahrzeugquerbeschleunigung
ay,
Fahrzeuggiergeschwindigkeit ψ .,
Querkraft
an der Vorderachse FF,
Querkraft an
der Hinterachse FR,
Schräglaufwinkel
der vorderen Räder αF,
Schräglaufwinkel
der hinteren Räder αR,
Steifigkeit
der Vorderachse cF,
Steifigkeit der
Hinterachse cR,
Abstand zwischen der
Vorderachse und dem Fahrzeugschwerpunkt lF,
Abstand
zwischen der Hinterachse und dem Fahrzeugschwerpunkt lR,
Moment
um die Hochachse Mz.
-
Der
Exponent „d" kennzeichnet einen
Sollwert.
-
Der
Block 1 in 1 stellt die Trajektorienplanung
dar, in dem die Sollwertbildung auf der Grundlage des Fahrerwunsches
durchgeführt
wird. Eingang findet in den Block 1 als Fahrerwunsch der
Einschlag der vorderen Räder δdF , der
aus dem Lenkwinkel des Fahrers bestimmt wird, sowie die erste und
zweite zeitliche Ableitung hiervon, und die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
vx (denkbar ist auch die Berücksichtigung
der Längs- bzw.
Querbeschleunigung). Im Block 1 werden aus diesen Informationen
Trajektorien, also zeitliche Verläufe für die Sollwerte gebildet, und
zwar für
die Fahrzeugquergeschwindigkeit vdy sowie deren erste und zweite
zeitliche Ableitung v .dy , v ..dy . Bei der Sollwertbildung für die Fahrzeugquergeschwindigkeit vdy und
deren Zeitableitungen v .dy und v ..dy wird das dynamische Verhalten
der Regelstrecke berücksichtigt,
indem ausreichend oft stetig differenzierbare und damit realisierbare
Sollverläufe
aus dem Fahrerwunsch und dessen Zeitableitung sowie aus der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
gebildet werden. Hierfür
wird ein quasi-stationäres
Fahrzeugmodell verwendet, dem ein hoher Fahrbahnreibwert und ein
lineares Reifenverhalten zugrunde liegt. Diese Vorgabe entspricht
der Fahrererwartung, das heißt
einem schnellen Ansprechen des Fahrzeugs auf Lenkeingriffe und linearem Systemverhalten.
Denkbar sind aber auch alternative Ansätze, die beispielsweise auf
der Sollwertbildung auf der Basis eines dynamischen Modells beruhen.
Außerdem
kann die Sollwertbildung auch das dynamische Aktuatorverhalten berücksichtigen.
-
Bei
der Sollwertbildung im Block 1 können prinzipiell auch Sollverläufe für andere
kinematische Größen als
die Fahrzeugquergeschwindigkeit vorgegeben werden, um diese für eine Rückführung zu
nutzen. Grundsätzlich
können
zur Ermittlung der benötigten
Zeitableitungen im Block 1 Beobachter oder geeignete Filter
eingesetzt werden.
-
Die
in der Trajektorienplanung im Block 1 ermittelten Sollwerte
für die
Fahrzeugquergeschwindigkeit vdy sowie deren erste und zweite
zeitliche Ableitungen v .dy und v ..dy werden dem Block 2 als
Eingangsgrößen zugeführt, in
welchem ein inverses Fahrzeugmodell realisiert wird. Weitere Eingangsgrößen in den
Block 2 sind der Einschlag der vorderen Räder δdF sowie
deren zeitliche Ableitung δ .dF und die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vx. Mithilfe des inversen Systems im Block 2 wird
aus der Sollvorgabe sowie unter Berücksichtigung von geschätzten Fahrzug-
und Reifenparametern, die in einem Block 7 ermittelt werden,
ein Sollgiermoment MdZ berechnet, das als Vorsteuerwert genutzt
wird, wodurch die Güte
der Regelung und das Störverhalten
verbessert werden kann.
-
Das
inverse Fahrzeugmodell im Block 2 stellt eine differenzialalgebraische
Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Fahrzeug und Reifen
dar. Die Systembeschreibung erfolgt auf der Grundlage der mathematischen
Regelstreckendefinition mithilfe physikalischer Parameter. Schätzalgorithmen
für die
benötigte Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
sind beispielsweise aus ESP-Systemen
bekannt.
-
Bei
dem inversen Fahrzeugmodell im Block 2 ist für eine genaue
Berechnung des Sollgiermomentes MdZ Kenntnis des aktuellen
Reibungskoeffizienten zwischen Reifen und Straße erforderlich, wobei fehlerhafte Reibungskoeffizienten
durch die Rückführung kompensiert
werden, so dass eine Anpassung, beispielsweise mittels Schätzung der
Reibkoeffizienten nicht zwingend durchgeführt werden muss.
-
Sollverläufe für Zustandsgrößen, beispielsweise
für die
Gierrate, oder von Zustandsgrößen abhängige Größen, wie
zum Beispiel der Schwimmwinkel oder die Querbeschleunigung, können optional
berechnet und mithilfe einer Rückführung zur
Stabilisierung der Trajektorienfolge genutzt werden.
-
Die
in der Trajektorienplanung im Block 1 ermittelte zeitliche
Ableitung v .dy der Fahrzeugquergeschwindigkeit vdy wird
als Sollgröße einem
Additionspunkt zugeführt,
in welchem ein Vergleich mit der zugeordneten Ist- bzw. Zustandsgröße v .y durchgeführt wird. Die hieraus gewonnene
Regelabweichung wird einem Regler 6 zugeführt, der
beispielsweise als P-Regler ausgeführt ist und als Regelsignal
einen Giermomentwert liefert, der in einem weiteren Additionspunkt
zum Vorsteuerwert MdZ des Giermomentes aufaddiert wird, welcher
vom inversen Fahrzeugmodell des Blockes 2 geliefert wird.
Die hieraus gewonnene Stellgröße Mz für
das Giermoment wird anschließend
gemäß Block 3 einem
oder mehreren Aktuatoren zugeführt,
in denen die Stellgröße Mz in einem auf das jeweilige Aggregat, das
von den Aktuatoren beeinflusst wird, bezogene Stellgröße MactZ umgesetzt
wird. Hierbei kommen insbesondere Eingriffe zur Beeinflussung der
Raddrehzahlen in Betracht, also Bremseingriffe an den Rädern, sowie
Eingriffe in den Antrieb.
-
Diese
Eingriffe beeinflussen den Zustand des Fahrzeuges, das symbolisch
im Block 4 abgebildet ist. Dieser Block 4 umfasst
die Fahrzeugsensorik sowie die Schätzung beispielsweise für die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
vx, die am Ausgang des Blockes 4 zusätzlich zur
Gierrate ψ . und der Querbeschleunigung ay anliegt.
Der Einschlag der vorderen Räder δdF , der
am Eingang der Trajektorienplanung gemäß Block 1 anliegt, wird
zusätzlich
auch dem Block 4 als Eingang zugeführt und dort weiter verarbeitet.
-
Die
Blöcke 3 und 4 mit
den Aktuatoren und dem Fahrzeug bilden gemeinsam die Regelstrecke.
Die übrigen
Blöcke
aus 1 sind in einem Regel- und Steuergerät im Fahrzeug
zur Durchführung
des Verfahrens realisiert.
-
Der
Systemausgang des Blockes 4 wird in einem weiteren Block 5 zur
zeitlichen Ableitung v .y der Quergeschwindigkeit
gemäß der Beziehung v .y = ay – ψ .vx berechnet. Die zeitliche Ableitung v .y der Quergeschwindigkeit vy stellt
die Istgröße dar,
die mit dem korrespondierenden Sollwert v .dy verglichen wird,
welcher aus der Trajektorienplanung gemäß Block 1 stammt.
-
Im
Block 7, der dem inversen Fahrzeugmodell gemäß Block 2 vorgelagert
ist, wird eine Parameterschätzung
durchgeführt
zur Verbesserung des Robustheitsverhaltens und der Genauigkeit der
Regelung. Dem Block 7 werden die Werte, welche aus den
Sensoren und Schätzalgorithmen
stammen, zugeführt.
Hierbei werden die wichtigsten Fahrzeug- und Reifenparameter wie
zum Beispiel die Masse, die Reifensteifigkeit und der Reibwert geschätzt. Diese
Parameter gehen anschließend
in das inverse Fahrzeugmodell gemäß Block 2 ein.
-
Im
Folgenden wird beispielhaft der Entwurf einer Trajektorienfolgeregelung
für die
Quergeschwindigkeit erläutert.
Dabei ist zu beachten, dass bei der Sollwertvorgabe und der Systeminversion
detailliertere Modelle als hier gezeigt eingesetzt werden können. Solche
Modelle berücksichtigen
z.B. das dynamische Verhalten von Aktor und Reifen bzw. das Wank- und Nickverhalten.
Im Folgenden wird vorausgesetzt, dass die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
vx als Messung oder Schätzung vorliegt.
-
Die
Sollwertvorgabe beruht auf dem quasi-stationären Fahrzeugmodell mit linearem
Reifenverhalten: FR(αR)
= cRαR, FF(αF)
= cFαF.
-
In
diesem Fall stellt das Einspurmodell ein lineares System 2. Ordnung
dar:
-
-
Durch
das Auflösen
des Differentialgleichungssystems (1) nach den Ruhelagen erhält man
-
Die
Gleichung (2) entspricht der an sich bekannten Ackermann-Gleichung. Eine Berücksichtigung
von Gleichung (3) ist in Lösungen,
die im Stand der Technik eingesetzt werden, dagegen nicht bekannt.
-
Die
Gleichung (3) sowie deren Zeitableitungen wird hier beispielhaft
für die
Sollwertvorgabe angewendet. Es sind aber auch andere Vorgabeverfahren
denkbar, die unter anderem das Abbremsen bzw. die Beschleunigung
des Fahrzeugs einbeziehen.
-
Zur
Durchführung
des Verfahrens wird das so genannte inverse System aufgestellt,
dass nachfolgend an Hand eines stark vereinfachten Ausführungsbeispiels
erläutert
wird. Diesem liegt ein Einspurfahrzeugmodell mit nichtlinearen statischen
Achskennlinien FF(αF),
FR(αR) zu Grunde:
-
-
Die
nichtlinearen Funktionen FF(αF),
FR(αR) in (4) und (5) hängen von dem Fahrbahnreibwert
ab. Deshalb ist es sinnvoll, bei der Systeminversion einen Schätzwert für den Fahrbahnreibwert
einzusetzen.
-
Durch
das Einsetzen von der Gleichungen (6) und (7) in die Gleichungen
(4) und (5) erhält
man folgende Beziehungen für
die Zustandsgrößen:
-
Hierbei
wurde in der Gleichung (9) der Systemeingang u eingeführt, der
ein zusätzliches
normiertes Giermoment M
z beschreibt:
welches die Stellgröße darstellt
und durch die Aktoren aufzubringen ist.
-
Mit δF wird
hier der Einschlag der Vorderräder,
gegebenenfalls der transformierte Lenkwinkel bezeichnet, der als
bekannte Funktion der Zeit δF(t) darstellbar ist. Da Lenkwinkelsensoren
zur Standardausrüstung moderner
ESP-Systeme gehören,
steht die Lenkwinkelinformation zur Verfügung. Darüber hinaus wird vorausgesetzt,
dass die Reifenkennlinien FF(αF),
FR(αR) lokal eindeutig invertierbar sind, was
aber auf Grund der physikalischen Reifeneigenschaften immer der
Fall ist. Die Gleichung (8) kann dann nach der Gierrate ψ . aufgelöst werden
und man erhält ψ . = γ2(vy, v .y, δF)
= γ2(y, y ., δF), (11)wobei
y = vy der Systemausgang ist.
-
Die
Differenzierung der Gleichung (11) nach der Zeit führt zu ψ .. = ρ(vy, v .y, v ..yδF, δ .F) = ρ(y, y ., y .., δF, δ .F) (12)
-
Setzt
man die Gleichungen (11) und (12) in die Gleichung (9) ein, so kann
das Giermoment bestimmt werden, das die Stellgröße darstellt: Mz = u = Jθ(vy, v .y, v ..yδF, δ .F) = Jθ(y, y ., y .., δF, δ .F) (13)
-
Die
Gleichung (13) beschreibt das inverse System für ein Einspurfahrzeugmodell.
Mit Hilfe der Gleichung (13) erhält
man durch das Einsetzen des Vorderradeinschlags (gegebenenfalls
des umgerechneten Lenkradwinkels) und dessen Zeitableitungen sowie
der Sollwerte für
die Fahrzeugquergeschwindigkeit und deren Zeitableitungen die Vorsteuerung
für das
Giermoment Mz. Die Systeminversion bzw.
Teile davon können auch
offline durchgeführt
werden, wodurch der Rechenaufwand im Steuergerät reduziert wird.
-
Die
Sollgierrate erhält
man algebraisch aus Gleichung (11) durch das Einsetzen von der gewünschten Quergeschwindigkeit y
= vdy und den dazugehörigen
Zeitableitungen. Für
beide Berechnungen wird die aktuelle Fahrzeuglängsgeschwindigkeit als Schätzung oder
Messung zurückgeführt.
-
Die
Simulationsergebnisse für
einen einfachen Spurwechsel sind in den 2 bis 4 dargestellt. Das
Fahrmanöver
wird bei einer nahezu konstanten Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vx von 70 km/h durchgeführt. Dabei beträgt der maximale
Vorderradeinschlag δF ca. 5°.
Für die
stabilisierende Rückführung wird
die Ableitung der Fahrzeugquergeschwindigkeit v .y eingesetzt.
Zur Veranschaulichung ist in 3 der Schwimmwinkel β statt der
Fahrzeugquergeschwindigkeit vy dargestellt,
da bei einer konstanten Längsgeschwindigkeit die
beiden Größen näherungsweise
linear zusammenhängen.
-
3 zeigt,
dass die Soll- und Istwerte für
den Schwimmwinkel β sehr
gut übereinstimmen.
In der Querbeschleunigung ay (3)
und der Gierrate ψ . (4) sieht man kleine Abweichungen,
die die Modellungenauigkeiten widerspiegeln. Dies spielt jedoch
keine Rolle, da der Schwimmwinkel entscheidend die Fahrzeugstabilität beeinflusst.
-
Die
in den 2 bis 4 dargestellten Simulationsergebnisse
verdeutlichen, dass durch den Phasenunterschied zwischen der vorauseilenden
Gierrate ψ . und dem Vorderradeinschlag δF die
gewünschte
Phasengleichheit zwischen Vorderradeinschlag δF, Quergeschwindigkeit
vy und Querbeschleunigung ay erreicht wird. 4 zeigt
den zugehörigen
Verlauf der Stellgröße Mz.
-
Das
beschriebene, modellbasierte Verfahren eignet sich für die Realisierung
beliebiger Querregelungen für
Kraftfahrzeuge, beispielsweise ESP, Active Front Steering, Active
Rear Steering, Active Suspension. Den Schwerpunkt bildet jedoch
eine ESP-Regelung, die mit Hilfe konventioneller hydraulischer Bremsanlagen oder
x-by-wire Systemen (EHB, EMB) realisiert wird.
