DE102006058302A1

DE102006058302A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überschlagserkennung eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102006058302A1
Application number: DE102006058302A
Authority: DE
Inventors: Mark-Andre Golombeck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2026-12-12
Also published as: DE102006058302B4

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überschlagserkennung eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei der Überschlag in Abhängigkeit von einem Verhältnis einer Verlustenergie des Fahrzeugs zu einer initialen kinetischen Energie erkannt wird. Die Verlustenergie wird in Abhängigkeit von einer aktuellen kinetischen Energie, einer Rotationsenergie und einer potentiellen Energie bestimmt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Überschlagserkennung eines Fahrzeugs nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
Zahlen aus den USA belegen die Bedeutung der passiven Sicherheit bei Fahrzeugüberschlägen: Im Jahr 1998 war die Hälfte aller tödlichen Einzelfahrzeugunfälle auf einen Überschlag zurückzuführen. Im gesamten Unfallgeschehen nimmt der Fahrzeugüberschlag einen Anteil von rund 20% ein.
Vor diesem Hintergrund wird durch die Anmelderin ein neues Konzept für die Überrollsensierung entwickelt, das Fahrzeugüberschläge bereits zu einem frühen Zeitpunkt erkennt. Dadurch ist es gewährleistet, dass Sicherheitsvorrichtungen, wie Gurtstraffer, Kopfairbag und Überrollbügel rechtzeitig aktiviert werden und sich somit das Verletzungsrisiko verringert. Bisherige Systeme zur Überschlagserkennung betrachten die Wankbewegung und die Beschleunigung in x-, y- und z-Richtung des Fahrzeugs. Dabei bedeutet x die Fahrzeuglängs-, y die Fahrzeugquer- und z die Fahrzeugvertikalrichtung. Auf dieser Basis ist eine sichere Erkennung eines Fahrzeugüberschlags möglich. Die Entscheidung kann jedoch erst zu einem späteren Zeitpunkt des Überschlags sicher getroffen werden, der typischerweise bei einem Wankwinkel von 20 bis 40° liegt. Bei bestimmten Fällen von Fahrzeugüberschlägen, beispielsweise den so genannten Soil-Trips, ist dies aber zu spät, um den Insassen hinreichend zu schützen, da durch eine hohe laterale Beschleunigung bereits eine Seitwärtsverlagerung erfahren hat, die den Nutzen von z. B. Window-Airbags einschränkt. Eine zweite Generation der Überrollsensierung soll weitere Überrollszenarien unter Berücksichtigung fahrdynamischer Größen umfassen.
Aus EP 1 258 399 B1 ist es bekannt, einen Überschlag in Abhängigkeit von Signalen eines Drehratensensors und zwei Beschleunigungssensoren, die im zentralen Airbagsteuergerät integriert sind, zu erkennen. Der Drehratensensor ermittelt nach dem Kreiselprinzip die Rotationsgeschwindigkeit um die Fahrzeuglängsachse. Die Beschleunigungssensoren messen zusätzlich die Fahrzeugbeschleunigung in Quer- und Hochrichtung. Im Hauptalgorithmus wird die Drehrate ausgewertet. Mit den Messwerten der Beschleunigungssensoren lässt sich zum einen die Art des Überschlags erkennen, zum anderen dienen diese Werte der Plausibilitätsprüfung. Erkennt der Drehratenalgorithmus einen Überschlag, werden die Sicherheitsvorrichtungen nur bei gleichzeitiger Freigabe durch die Plausibilitätskontrolle aktiviert.
Aus EP 1 436 172 B1 ist ein Verfahren bekannt, das eine rechtzeitige Auslöseentscheidung bei Überschlägen mit hoher lateraler Beschleunigung ermöglicht, indem es den Schwimmwinkel und die laterale Geschwindigkeit des Fahrzeugs mit einbezieht. Aus DE 103 03 149 A1 ist ein Verfahren bekannt, das zur erweiterten Überrollerkennung dient. Aus den Größen der Gierrate und der Fahrzeuggeschwindigkeit in longitudinaler Richtung unter Berücksichtigung der lateralen Beschleunigung, wird eine Schätzung für die laterale Geschwindigkeit durchgeführt, die beim seitlichen Abdriften in den Grünstreifen ein Maß für die Überrollwahrscheinlichkeit des Fahrzeugs darstellt.
Obwohl mit Hilfe der Quergeschwindigkeit und dem Schwimmwinkel eine verbesserte Auslösung bei Soil-Trips erreicht werden kann, sind doch durch die in den oben genannten Schutzrechten bekannten Verfahren Grenzen bei der unteren Winkelschwelle von ca. 10° Wankwinkel für eine sichere Auslösung gesetzt. Es ist jedoch ein Ziel auch unterhalb von 10° Wankwinkel eine sichere Auslösung zu garantieren und Fehlauslösungen stabil zu unterdrücken.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überschlagserkennung eines Fahrzeugs mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass die Überschlagserkennung und Misuseunterdrückung in einem Wankwinkelbereich unter 15° durch eine Betrachtung von Energietermen und dabei einem Verhältnis einer Verlustenergie des Fahrzeugs zu einer initialen kinetischen Energie verbessert werden. Dadurch wird der Energieverlust durch eine plastische Verformung am Boden und am Fahrzeug und Reibung mit in die Auslöseentscheidung einbezogen.
Die Energieerhaltung ist ein fundamentales Prinzip der Physik. Dies kann bei der Plausibilisierung eines Fahrzeugüberschlags ausgenutzt werden. Sobald eine kritische Fahrsituation erkannt wird, dies ist beispielsweise aus dem zitierten Stand der Technik bekannt, wird aufgrund des aktuellen Bewegungszustands des Fahrzeugs bezüglich Translation und Rotation eine initiale kinetische Energie bestimmt. Im weiteren Verlauf werden dann kontinuierlich folgende Energieterme überwacht:

– kinetische Energie durch Geschwindigkeit in x- und y-Richtung
– Rotationsenergie durch Wanken und Gieren
– Potentielle Energie durch einen bereits aufgebauten Wankwinkel
– Verlustenergie durch Reibung und plastische Verformung des Fahrzeugs oder Bodens

Es ergibt sich damit folgendes Energiegleichgewicht mit E_kin,0 als initialer kinetischer Energie, welches zu jedem Zeitpunkt des Überschlagsvorgangs gültig ist: Ekin,0 = Ekin(νx(t), νy(t)) + Erot(ωx(t),ωz(t)) + Epot(φ(t)) + Ediss(t) = const.
Da die initiale kinetische Energie E_kin,0 bekannt ist, da sie zu einem vorbestimmten Zeitpunkt ermittelt wird, kann durch ein einfaches Umstellen der Gleichung eine Abschätzung der Verlustenergie E_diss erhalten werden, da sich die anderen Energieterme ständig aus aktuell anliegenden Sensormesswerten berechnen lassen: Ediss(t) = Ekin,0-(Ekin(νx(t),νy(t)) + Erot(ωx(t), ωz(t)) + Epot(φ(t)))
Daraus lassen sich verschiedene Kriterien ableiten, die eine Überschlagsvorgang frühzeitig bewerten können. Beispielsweise zeigt sich, dass die Terme für die potentielle Energie und die Rotationsenergie schon ca. 200 ms vor dem Auslösezeitpunkt signifikante Größe erreichen und damit ein Merkmal für die Früherkennung eines Fahrzeugüberschlags darstellen. Bei einem Misuse, also einem Fehlauslösefall, kann es vorkommen, dass ein Fahrzeug seitlich von der Straße abdriftet und über den Boden rutscht, wobei ein deutlicher Energieabbau, also ein Anstieg der Verlustenergie zu erkennen ist, der aber nicht in Rollenergie und potentielle Energie umgesetzt wird. Dies ist damit zu erklären, dass sich das Fahrzeug nicht in den Boden eingräbt und somit keine Hebelwirkung entsteht, die den Überschlag einleitet, obwohl eine starke laterale Verzögerung auf das Fahrzeug wirkt. Damit ist eine Energiedissipation gegeben. Das Fahrzeug wird in diesem Fall also gebremst, ohne zu überschlagen und darf daher bei diesem Misuse nicht zu einer Auslösung von Personenschutzmitteln führen. Im Gegensatz zum Überschlagsfall bleiben die Terme für die potentielle und die Rotationsenergie sehr gering und der Term für die Dissipationsenergie wird signifikant groß, wodurch sich ein Use- von einem Misusefall sicher trennen lässt.
Im aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Überschlagserkennung wird beispielsweise eine Lateralbeschleunigungs-/Quergeschwindigkeitskennlinie, die als weiteren Faktor noch den aktuellen Schwimmwinkel einbezieht, verwendet. Überschreitet bei einer gegebenen Quergeschwindigkeit die gemessene Lateralbeschleunigung des Fahrzeug den durch die Kennlinie gegebenen Wert, so wird ein Überschlag angenommen und die Rückhaltemittel ausgelöst. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es bei Misuses, wie oben dargestellt, Schwierigkeiten auftreten können. Solche Misuses, wie sie oben beschrieben wurden, treten insbesondere bei Fahrzeugen mit niedrigen Schwerpunkten auf, also bei den häufig anzutreffenden Limousinen, die in der nächsten Zeit vermehrt mit Überrollsystemen der zweiten Generation ausgestattet werden.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, das Verhältnis zwischen Verlustenergie und initialer kinetischer Energie unter Berücksichtigung der verbleibenden kinetischen Energie für die Überschlagserkennung zu verwenden. Das Verhältnis der dissipierten Energie, also der Verlustenergie zur initialen kinetischen Energie ergibt sich zu:
Nimmt dieses Verhältnis zu und gleichzeitig die kinetische Energie ab, so ist ein Fahrzeugüberschlag unwahrscheinlicher. Des Weiteren ist bei Unterschreiten einer kinetischen Mindestenergie ein Überschlag nicht mehr möglich.
Aufgrund des Verhältnisses zwischen Verlustenergie und initialer kinetischer Energie wird aus einer Kennlinie ein Beschleunigungswert a_y,addon gewonnen, der noch aufgrund der verbleibenden kinetischen Energie mit einem Faktor c(E_kin(t)) multipliziert wird. Dieser Wert wird als Aufschlag auf die bisherige Auslöseentscheidung genommen. Die Schwelle wird also dadurch erhöht, so dass die gemessene laterale Verzögerung dann diesen kombinierten Wert überschreiten muss, um eine Auslösung zu ermöglichen:
Die Schnittstelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist üblicherweise hardwaremäßig, beispielsweise als integrierter Schaltkreis vorgesehen. Es kann jedoch sein, dass diese Schnittstellen aus einer Kombination aus Hardware und Software oder nur aus Software bestehen. Die Auswerteschaltung ist üblicherweise ein Mikrocontroller, wobei auch andere Prozessoren oder integrierte Schaltkreise oder auch diskret aufgebaute Auswerteschaltungen verwendet werden können.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Verfahrens zur Überschlagserkennung eines Fahrzeugs möglich, bzw. der in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Vorrichtung zur Überschlagserkennung eines Fahrzeugs möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass in Abhängigkeit vom Verhältnis der Verlustenergie zur initialen kinetischen Energie eine Empfindlichkeit des Verfahrens eingestellt wird, was üblicherweise, wie oben angedeutet, durch die Veränderung eines Schwellwertes erfolgen kann. Äquivalent dazu ist ein Auf- oder Abschlag auf das Messsignal. Es können je nach Algorithmus auch verschiedene Kennlinien verändert werden, insbesondere, wenn es sich um mehrdimensionale, zumindest zweidimensionale, Räume handelt.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass in Abhängigkeit von dem Verhältnis eine Plausibilitätsbetrachtung eines weiteren Verfahrens zur Überschlagserkennung erfolgt. Dabei kann also beispielsweise ein Verfahren, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, durch das erfindungsgemäße Verfahren plausibilisiert werden. Plausibilisiert heißt, dass eine Auslöseentscheidung nur freigegeben wird, wenn sowohl die Hauptentscheidung, also auch die Plausibilitätsentscheidung einen solchen Auslösefall anzeigen.
Es ist darüber hinaus von Vorteil, dass die Verlustenergie in Abhängigkeit von einer Fahrzeuggeschwindigkeit der Wankrate, der Gierrate und des Wankwinkels bestimmt wird. Dies sind Größen, die üblicherweise bei einer Überschlagserkennung durch die Sensorik bereitgestellt werden und somit bedeutet das erfindungsgemäße Verfahren keinen erhöhten Hardwareaufwand.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Aus 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Steuergerät SG zu ersehen. Das Steuergerät SG ist vorliegend ein Steuergerät zur Ansteuerung von Personenschutzmitteln, wie es üblicherweise ein Airbagsteuergerät ist. Dabei weist das Steuergerät SG als zentrales Element einen Mikrocontroller μC als die Auswerteschaltung auf, der die Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit von diesen Sensorsignalen ein Ansteuersignal für eine Ansteuerschaltung FLIC erzeugt, wobei die Ansteuerschaltung FLIC dann in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal Personenschutzmittel PS ansteuert.
Die Sensorsignale erhält der Mikrocontroller μC von im Steuergerät SG befindlichen Sensoriken BS und DS. Dabei handelt es sich bei BS um eine Beschleunigungssensorik und DS eine Drehratensensorik. Diese steuergerätinternen Sensoriken werden über Softwareschnittstellen im Mikrocontroller μC angebunden. Es ist jedoch möglich, dass zusätzlich, bzw. anstatt Sensorsignale von außerhalb des Steuergeräts befindlichen Sensoriken bereitgestellt werden. Dazu zählt beispielsweise ein Sensorcluster SC, der translatorische und rotatorische Größen liefern kann. Der Sensorcluster SC ist über eine Schnittstelle IF2 an das Steuergerät SG angebunden, wobei die Schnittstelle IF2 über einen internen Bus, vorlegend einen SPI-Bus die Sensorsignale an den Mikrocontroller μC überträgt.
Über eine weitere Schnittstelle IF1 sind Signale von einer Fahrdynamikregelung ESP für den Mikrocontroller μC bereitgestellt worden. Dazu zählen beispielsweise die Geschwindigkeiten des Fahrzeugs in verschiedenen Richtungen und eine Gesamtgeschwindigkeit. Die Schnittstelle IF1 ist dafür vorliegend ein CAN-Controller, den auch das Steuergerät für Fahrdynamikregelung ESP aufweist. Andere Verbindungen, wie Punkt-zu-Punkt-Verbindungen oder andere Busverbindungen sind jeweils möglich.
Mittels eines Speicher S wertet der Mikrocontroller μC die Sensorsignale aus. Dazu lädt der Mikrocontroller μC aus dem Speicher S die entsprechenden Algorithmen.
2 erläutert in einem Flussdiagramm den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, den demnach die erfindungsgemäße Vorrichtung durchführt. In Verfahrensschritt 200 werden die Signale von der Sensorik, das ist die steuergeräteinterne, bzw. externe Sensorik, wie oben angegeben, bereitgestellt. In Verfahrensschritt 201 wird anhand dieser Signale bestimmt, ob eine kritische Fahrsituation vorliegt. Diese kritische Fahrsituation kann anhand verschiedener Sensorsignale auch in Kombination ermittelt werden. Beispielsweise kann die Fahrdynamikregelung eine solche kritische Situation anhand von Fahrmanövern und den dann notwendigen Eingriffen anzeigen. Auch die Sensorsignale der Fahrdynamikregelung wie Schlupf, kinematische Größen wie Beschleunigung oder rotatorische Größen wie eine Drehrate können durch Signalverarbeitung mit Schwellwertabfragen solche kritischen Fahrsituationen anzeigen. Diese Abfrage ist vorliegend eine Option und kann beim erfindungsgemäßen Verfahren weggelassen werden. Wurde vorliegend jedoch keine kritische Situation festgestellt, dann werden die Signale weiter untersucht. Kommt es jedoch zu einer Feststellung einer kritischen Fahrsituation, dann wird in den Blöcken 202 und 204 die Schwelle bzw. das Kriterium bestimmt. Dazu wird in Verfahrensschritt 202 erfindungsgemäß durch das Verhältnis der Verlustenergie zur initialen kinetischen Energie bestimmt. In Verfahrensschritt 204 wird ein Schwellwert anhand eines Basiskriteriums, also beispielsweise aus dem Stand der Technik oder aus einem Speicher bekannt, festgelegt und in Verfahrensschritt 203 werden dann diese beiden Komponenten zusammengezählt, um die Schwelle zu bilden.
In Verfahrensschritt 205 erfolgt dann der Vergleich der Sensorsignale mit dieser so zusammengesetzten Schwelle. Kommt es zu einem Überschreiten der Schwelle, dann wird in Verfahrensschritt 206 eine Auslöseflagge gesetzt, so dass eine Auslösung der Personenschutzmittel erfolgen kann. Wurde die Schwelle in Verfahrensschritt 205 jedoch nicht überschritten, dann endet das Verfahren in Verfahrensschritt 207.
Die Verlustenergie wird wie oben erläutert bestimmt. Dabei ist zu beachten, dass die kinetische Energie sowohl in Fahrzeuglängs- und querrichtung nach der bekannten Formel ½·mν² bestimmt wird. Die Rotationsenergie wird bestimmt aus der Drehrate um die Fahrzeuglängsachse, also der Wankrate und der Drehrate um die Fahrzeughochachse, also der Gierrate. Die potentielle Energie wird aus dem Drehwinkel bestimmt, der in einfacher Art und Weise, zum Beispiel über Integration aus der Drehrate, bestimmbar ist. Die initiale kinetische Energie wird zu einem festgelegten Zeitpunkt vor dem kritischen Fahrmanöver festgelegt. Beispielsweise kann dieser Zeitpunkt dann eintreten, wenn das erste kritische Fahrmanöver auftritt. Dies kann auch durch Applikationsparameter festgelegt werden.

Claims

Verfahren zur Überschlagserkennung eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschlag in Abhängigkeit von einem Verhältnis einer Verlustenergie des Fahrzeugs zu einer initialen kinetischen Energie erkannt wird, wobei die Verlustenergie in Abhängigkeit von wenigstens einer aktuellen kinetischen Energie, wenigstens einer Rotationsenergie und wenigstens einer potentiellen Energie bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Verhältnis eine Empfindlichkeit des Verfahrens eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Verhältnisses eine Plausibilität eines weiteren Verfahrens zur Überschlagserkennung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergie in Abhängigkeit wenigstens einer Fahrzeuggeschwindigkeit, der Wankrate, der Gierrate und des Wankwinkels bestimmt wird.
Vorrichtung zur Überschlagserkennung eines Fahrzeugs mit: – wenigstens einer Schnittstelle (IF1, IF2), die ein Signal einer Sensorik zur Erfassung von translatorischen und rotatorischen Bewegungen des Fahrzeugs bereitstellt – einer Auswerteschaltung (μC), die in Abhängigkeit von dem Signal ein Verhältnis einer Verlustenergie des Fahrzeugs und einer initialen kinetischen Energie bestimmt und den Überschlag in Abhängigkeit von dem Verhältnis erkennt, wobei die Auswerteschaltung (μC) die Verlustenergie in Abhängigkeit von wenigstens einer aktuellen kinetischen Energie, wenigstens einer Rotationsenergie und wenigstens einer potentiellen Energie bestimmt.