DE102006060759A1

DE102006060759A1 - Adaption der Bremscharakeristik

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Publication number: DE102006060759A1
Application number: DE102006060759A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gombert; Leopold Krausen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Zuspannens einer elektrisch ansteuerbaren Bremse, bei der zumindest zwei Sensoren (2, 3, 4, S1, S2, S3, S4, S5, S6), von denen jeder zur Umwandlung einer bestimmten physikalischen Messgröße in ein elektrisches Signal ausgebildet ist, mit einer zur Signalverarbeitung auf der Grundlage eines Verfahrens der Computational Intelligence ausgebildeten Signalverarbeitungseinrichtung (1) verbunden sind, die zum Erzeugen eines oder mehrer Ausgangssignale auf der Grundlage der von den Sensoren (2, 3, 4, S1, S2, S3, S4, S5, S6) erhaltenen elektrischen Signale ausgebildet ist, und wobei die Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinrichtung (1) als Steuersignale zur Steuerung des Zuspannens (20) der elektrisch ansteuerbaren Bremse (5) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft die Steuerung einer Bremse deren Zuspannung mittels elektrischer Signale geregelt werden kann, wobei sich die Erfindung insbesondere auf eine selbstständige Optimierung der Bremscharakteristik infolge von Veränderungen multisensorisch erfasster Zustandsdaten der Bremse bezieht.
Die Verzögerung eines Fahrzeugs wird üblicherweise mittels Bremsen realisiert, bei denen ein oder mehrere Reibbeläge mit einer bestimmten Normalkraft auf eine Bremsscheibe gedrückt werden. Meist liegen sich jeweils zwei Reibbeläge so gegenüber, dass die Bremsscheibe zwischen ihnen gefasst werden kann. Die Reibbeläge sind im Allgemeinen in einer Halterung, beispielsweise einem Bremssattel aufgenommen, worin sie gegenüber der Bremsscheibe mittels eines hydraulischen, pneumatischen, elektrohydraulischen, -pneumatischen oder elektromechanischen Systems verstellt werden können. Das Andrücken der Reibbeläge (Bremsbeläge) an die Bremsscheibe wird als Zuspannen bezeichnet, die beim Andrücken erzielte Normalkraft als Zuspannkraft.
Die erzielte Bremskraft ergibt sich aus der Normalkraft, mit der die Reibbeläge auf die Bremsscheibe drücken, sowie der Reibungszahl für das von der Bremsscheibe und den Reibbelägen gebildete Stoffpaar. Durch die Reibung wird kinetische Energie in Wärme umgewandelt, so dass sich Bremsscheibe und Reibbeläge während des Bremsvorgangs aufheizen. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Reibungszahl ändert sich daher bei konstant gehaltener Zuspannkraft die für die Verzögerung des Fahrzeugs wirksame Bremskraft. Anders betrachtet, hängt die mit einer bestimmten Zuspannkraft erzielte Bremskraft von der jeweils aktuellen Temperatur von Bremsscheibe und Reibbelägen ab.
Die mit einer bestimmten Zuspannung, d. h. einem bestimmten zeitlichen Verlauf der Zuspannkraft erzielbare Bremswirkung hängt jedoch noch von vielen weiteren Parametern ab. Hier sind in erster Linie das Verschleißen von Bremsscheibe und Reibbelägen zu nennen, das sich einerseits in einer Veränderung des Lüftspiels (Verschiebeweg des Reibbelags von der Lösestellung bis zum Kontakt mit der Bremsscheibe), andererseits aber auch in einer Veränderung der Härte der Reibbeläge, z. B. hervorgerufen durch fortschreitende Verglasung, oder auch anderen Veränderungen, wie zum Beispiel einer Veränderung in der Oberflächenrauhigkeit der Bremsscheibe, ausdrücken kann.
Neben diesen internen Parametern, die sich aus der Konstruktion und Alterung einer Bremse selbst ergeben, wird die Bremswirkung, d. h. die erzielte Verzögerung des Fahrzeugs, darüber hinaus auch von äußeren Faktoren bzw. Parametern beeinflusst, wie z. B. von Feuchtigkeit oder Regenwasser an den Bremsscheiben oder dem, vom Zustand der Fahrbahn und der Reifen bestimmten Reibwert zwischen Reifen und Fahrbahnoberfläche.
In der Bremsvorrichtung können ferner während des Bremsvorgangs Schwingungen auftreten, die zu einer unangenehmen, den Komfort des Fahrzeugs beeinträchtigenden Geräuschbildung führen. Ursache der Schwingungen können unter Anderem eine sich lokal verändernde Oberflächenbeschaffenheit der Bremsscheiben, eingedrungene Fremdkörper oder Resonanzen der Bremsvorrichtung selbst sein. Aber auch eingedrungene Fremdkörper oder Resonanzen der Bremsvorrichtung selbst können Schwingungen im akustischen oder fühlbaren Bereich verursachen.
Die, die Bremswirkung beeinflussenden externen wie internen Parameter, sowie die Geräuschentwicklung einer Bremse können in der Regel über geeignete Sensoren erfasst werden. Auf der Grundlage der mittels der Sensoren erhaltenen Daten könnte dann die Zuspannung so angepasst werden, dass z. B. Einflüsse wie Nässe an der Bremsscheibe oder Verschleiß von Reibbelägen kompensiert, ein Überhitzen der Bremse vermieden, oder die Geräuschentwicklung der Bremse minimiert wird.
Hierzu muss ein multisensorisches Eingangssignal in ein oder mehrere Ausgangssignale transformiert werden, wobei, wie in folgendem Beispiel veranschaulicht wird, oftmals kein feststehender analytischer Zusammenhang zwischen den Eingangssignalen und den Ausgangssignalen besteht. Beispielsweise kann das Quietschen einer Bremse von lokalen Änderungen der Bremsscheibendicke oder deren Oberflächenrauhigkeit herrühren. Das Quietschgeräusch kann in diesem Fall durch eine an die lokalen Veränderungen angepasste Modulation der Zuspannkraft verringert werden. Rührt das Quietschen jedoch von einem, in den Raum zwischen Reibbelag und Bremsscheibe eingedrungenen Fremdkörper her, so wird diese Modulation zu keinem Erfolg führen. Vielmehr muss der Fremdkörper entfernt werden, wozu eine Vielzahl unterschiedlicher Zuspannstrategien verfolgt werden können, deren Erfolgsaussichten unter Anderem von der Konsistenz des Fremdkörpers, seiner Klemmkraft und der Tiefe seines Eindringens abhängen. Besteht keine Aussicht, den Fremdkörper mittels einer Zuspannstrategie zu entfernen, wäre dem Fahrzeugführer die Notwendigkeit eines Werkstattbesuchs anzuzeigen. Obwohl sich in beiden der beschriebenen Fälle die Sensordaten ähneln, können aufgrund der unterschiedlichen Ursachen dennoch höchst unterschiedliche Signale zur Ansteuerung der Bremse gefordert sein.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass in dieser Schrift nicht wie im deutschen Sprachgebrauch üblich zwischen den Begriffen Steuern und Regeln sowie Steuerung und Regelung und deren jeweiligen grammatikalischen Abwandlungen unterschieden wird. Stattdessen werden diese Begriffe, sofern im Einzelfall nicht explizit anders angegeben, synonym verwendet, da bei den in der Praxis vorhandenen komplexen Ansteuerungen Regelung und Steuerung im klassischen Sinne meist kombiniert, und damit begrifflich nicht mehr trennbar, eingesetzt werden.
Aufgrund der Vielzahl der Einflüsse, die das Verhalten einer Bremse beeinflussen sowie der enormen Schwierigkeit der Identifizierung dieser Einflüsse allein auf Grundlage der Sensordaten bzw. Sensorsignale, ist eine Regelung mit einem feststehenden Prozess zur Umsetzung der Sensorsignale bzw. -daten in Ansteuersignale einerseits sehr aufwändig, andererseits dennoch oft nicht in der Lage, auf bestimmte Einflüsse erfolgreich zu reagieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für eine Bremse, deren Zuspannung mittels elektrischer Signale geregelt werden kann, eine Ansteuerung anzugeben, deren Regel- bzw. Steuerverhalten sich selbstständig an eine veränderte Betriebsbedingung der Bremse anpassen kann.
Die Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen der Erfindung gelöst.
Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Steuerung des Zuspannens einer elektrisch ansteuerbaren Bremse mit zumindest zwei Sensoren, von denen jeder zur Umwandlung einer bestimmten physikalischen Messgröße in ein elektrisches Signal ausgebildet ist, und einer Signalverarbeitungseinrichtung, die zum Erhalt der elektrischen Signale von den zumindest zwei Sensoren und zum Erzeugen eines oder mehrerer Ausgangssignale auf der Grundlage der von den Sensoren erhaltenen elektrischen Signale ausgebildet ist, wobei die Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinrichtung als Steuersignale zur Steuerung des Zuspannens der elektrisch ansteuerbaren Bremse ausgebildet sind. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist dabei zur Signalverarbeitung auf der Grundlage eines Verfahrens der Computational Intelligence ausgebildet.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe "mit", "umfassen", "aufweisen" und "beinhalten", sowie deren grammatikalische Abwandlungen, generell das Vorhandensein von Merkmalen, wie z. B. Verfah rensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen mehr angeben, jedoch in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.
Die Erfindung umfasst ferner eine Bremsanlage, die wenigstens eine elektrisch ansteuerbare Bremse mit einer der oben angegeben Vorrichtung zur Steuerung des Zuspannens der elektrisch ansteuerbaren Bremse aufweist.
Die Erfindung gestattet auf vorteilhafte Weise das Einstellen einer Bremsensteuerung im Rahmen eines Trainings unter Zuhilfenahme von Lernregeln sowie die automatische Optimierung des Bremsverhaltens in Anpassung an Umgebungsbedingungen. Damit kann Schwingungen oder Geräuschbildungen an der Bremse vorgebeugt und eine Überdimensionierung der Bremse vermieden werden.
Die Erfindung wird in ihren abhängigen Ansprüchen weitergebildet.
Um das Steuerungsverhalten im Rahmen eines Lernprozesses ausbilden zu können, ist die Signalverarbeitungseinrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform als künstliches neuronales Netzwerk ausgebildet.
Zum Messen der den Betrieb einer Bremse beeinflussenden Parameter ist wenigstens einer der zumindest zwei Sensoren zur Wandlung einer Temperatur in ein, die Temperatur repräsentierendes elektrisches Signal und/oder zur Wandlung von Schall in ein, den Schalldruck repräsentierendes elektrisches Signal und/oder zur Wandlung einer Drehzahl in ein, die Drehzahl repräsentierendes elektrisches Signal und/oder zum Erfassen eines Drucks und zum Erzeugen eines, den Druck repräsentierenden elektrischen Signals ausgebildet. Hiermit lassen sich insbesondere Bremstemperatur, Geräuschentwicklung, Reifendrehung und -fülldruck erfassen.
Zweckmäßigerweise kann wenigstens einer der zumindest zwei Sensoren zum Erfassen einer Position und zum Erzeugen eines, die Position repräsentierenden elektrischen Signals und/oder einer Distanz und zum Erzeugen eines, die Distanz repräsentierenden elektrischen Signals ausgebildet sein, sodass insbesondere verkehrsrelevante Daten und/oder Betriebsstellung von Eingabeeinrichtungen für einen Fahrzeugführer erfasst werden können.
Da viele Eingangsgrößen nur in Form elektrischer Signale vorliegen, ist wenigstens einer der zumindest zwei Sensoren zweckmäßig zur Messung eines Stroms und zum Erzeugen eines, den Strom repräsentierenden elektrischen Signals und/oder zur Messung einer elektrischen Spannung und zum Erzeugen eines, die elektrische Spannung repräsentierenden elektrischen Signals ausgebildet.
Um auch fahrdynamische Parameter in die Bremssteuerung mit einbeziehen zu können, ist in einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung wenigstens einer der zumindest zwei Sensoren zur Wandlung einer Kraft in ein die Kraft repräsentierendes elektrisches Signal und/oder zur Messung einer Beschleunigung und zum Erzeugen eines, die Beschleunigung repräsentierenden elektrischen Signals und/oder zur Messung einer Geschwindigkeit in ein die Geschwindigkeit repräsentierendes elektrisches Signal ausgebildet.
Da der Bremswunsch eines Fahrzeugführers einen wesentlichen Einfluss auf die erforderliche Zuspannkraft der Bremse hat, ist wenigstens einer der zumindest zwei Sensoren zur Messung einer Veränderung an einer Eingabeeinrichtung für eine Bremsvorgabe und zum Erzeugen eines, die Veränderung repräsentierenden elektrischen Signals ausgebildet.
Für eine Anpassung der Zuspannkraft an die aktuellen Betriebsparameter der Bremse ist die Signalverarbeitungseinrichtung bevorzugt zum Erkennen des Kontaktpunkts von Reibbelag und Bremsscheibe und einer entsprechenden Anpassung des Zustellwegs des Reibbelags und/oder zur Steuerung des zeitlichen Verlaufs des Zuspannens, wobei die Steuerung des zeitlichen Verlaufs des Zuspannens vorzugsweise die Steuerung des Gradienten der Zuspannkraft umfasst, ausgebildet. Ferner ist die Signalverarbeitungseinrichtung zur Steuerung der maximalen Zuspannkraft ausgebildet, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung weiterhin vorteilhaft zur Steuerung der Regelabweichung der maximalen Zuspannkraft ausgebildet ist. Die Signalverarbeitungseinrichtung kann ferner auch zur Regelung eines Bremsdrucks, einer Einstellung eines Bremsaktors, einer Keilposition bei einer elektromechanischen Keilbremse oder dergleichen mehr ausgebildet sein. In einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist die Signalverarbeitungseinrichtung zur Steuerung der Frequenz einer Variation der Zuspannkraft ausgebildet, womit z. B. eventuell auftretende Resonanzen umgangen werden können.
Die Signalverarbeitungseinrichtung ist ferner vorteilhaft dazu ausgebildet, das Erzeugen des einen oder der mehreren Ausgangssignale auf der Grundlage der von den Sensoren erhaltenen elektrischen Signale im Rahmen eines Kalibrierungsvorgangs unter Verwendung von Lernregeln auszubilden, so dass auch ohne explizite Kenntnis systematischer Zusammenhänge eine funktionssichere Bremsensteuerung erzielt werden kann. Zur Anpassung an veränderte Verhältnisse kann das Erzeugen des einen oder der mehreren Ausgangssignale vorteilhaft auf der Grundlage eines Kalibrierungsvorgangs während einer Fahrt eines die Bremse aufweisenden Kraftfahrzeugs erfolgen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. Die einzelnen Merkmale können bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung je für sich oder zu mehreren verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
1 eine multisensorische Steuerung einer elektrisch steuerbaren Bremse in einem schematisierten Schaltbild veranschaulicht,
2 den Aufbau eines neuronalen Netzwerks zur Verarbeitung eines multisensorischen Eingangs in mehrere Ausgangssignale darstellt, und
3 den zeitlichen Verlauf der Zuspannkraft einer elektrisch steuerbaren Bremse zeigt.
1 zeigt ein Beispiel einer multisensorischen Steuerung 10 einer elektrisch steuerbaren Bremse 5. Die multisensorische Steuerung 10 umfasst mehrere Sensoren 2, 3 und 4, deren Signalausgänge mit den Eingängen einer, als künstliches neuronales Netzwerk mit einer Feed-Forward-Struktur ausgebildeten Signalverarbeitungseinrichtung 1 verbunden sind. Der Ausgang der Signalverarbeitungseinrichtung 1 ist mit einem Steuereingang der elektrisch steuerbaren Bremse 5 verbunden. Die Signalverarbeitungseinrichtung 1 dient zur Steuerung der Zuspannkraft der Bremse 5. Sie kann als selbständige Einrichtung oder als Teil einer, weitere Funktionen der Bremse 5 steuernden Bremsensteuervorrichtung ausgebildet sein.
Das neuronale Netzwerk der Signalverarbeitungseinrichtung 1 ist durch n Eingabeneuronen (im Beispiel der 1 die Neuronen E1, E2, E3 und E4) und m Ausgabeneuronen (im Beispiel der 1 das Neuron Ex) definiert. Dazwischen kann mindestens eine Schicht von verdeckten Neuronen angeordnet sein. Der Eingang des künstlichen neuronalen Netzwerks wird von mehreren Sensoren gespeist, deren Ausgangssignale so den Eingabevektor des neuronalen Netzwerks bilden.
Um den durch eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter bestimmten Betriebszustand einer Bremse zu erfassen zu können, müssen die Sensoren zum Erfassen unterschiedlicher physikalischer Messgrößen ausgebildet sein. Wichtige, mit Sensoren erfassbare Betriebsparameter stellen z. B. die Temperatur der Bremse, der von der Bremse erzeugten Schall bzw. Schalldruck, das bei einer bestimmten Zuspannkraft Bremsmoment erzielte Bremsmoment, die Zuspannkraft selbst, die Drehzahl des abgebremsten bzw. abzubremsenden Rades, die Zustellposition bzw. das Lüftspiel der Bremse, der Aktivierungsstrom bei elektromechanischen Bremsen, oder der zeitliche Verlauf einer Zustellbewegung dar.
Weitere mit Sensoren erfassbare Parameter, die unter anderem den Betriebszustand bzw. die Betriebsweise einer Bremse beeinflussen können, sind zum Beispiel die Charakteristik einer Bremsanweisung wie beispielsweise die Art der Betätigung eines Bremspedals, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug, oder auch der Reibwert zwischen Reifen und Fahrbahn, sowie der Reifenfülldruck.
Die einzelnen Sensoren können dabei jeweils nur für das Erfassen einer einzelnen bestimmten physikalischen Messgröße aber auch für das Erfassen multipler physikalischer Messgrößen ausgebildet sein. Insbesondere Beschleunigungssensoren gestatten das Erfassen einer Beschleunigung in drei Raumrichtungen, sodass ein entsprechender Sensor drei voneinander unabhängige Ausgangssignale liefert. Ein entsprechender, in der 1 von den Sensoren 2 und 4 symbolisierter Sensor wird im Folgenden als multipler Sensor bezeichnet.
Um eine übersichtliche Darstellung zu gewährleisten, sind in der 1 beispielhaft drei Sensoren zum Erfassen von Betriebsparametern der Bremse 5 dargestellt. In der Praxis richtet sich die Anzahl der erforderlichen Sensoren nach der Anzahl der Parameter, die einen wesentlichen Einfluss auf das Betriebsverhalten der Bremse besitzen. Die für eine multisensorische Steuerung 10 einer elektrisch steuerbaren Bremse erforderliche Anzahl von Sensoren ist daher nicht auf die drei des Beispiels von 1 beschränkt.
Insbesondere bei mehreren Sensoren zeigen sich die Vorteile einer auf einem künstlichen neuronalen Netzwerk aufgebauten Bremsensteuerung, da hier im Allgemeinen kein expliziter, analytischer Zusammenhang zwischen den diversen Sensorsignalkombinationen und den erforderlichen Reaktionen der Bremsensteuerung vorliegt. Die Verarbeitung des Eingabevektors, d. h. der Gesamtheit der am Eingang des künstlichen neuronalen Netwerks anliegenden Sensorausgangssignale, in als Steuersignale für die Bremse dienende Ausgangssignale, kann bei einem künstlichen neuronalen Netzwerk durch Trainieren erlernt werden. Unter Trainieren wird hierbei ein Verfahren verstanden, bei dem die Gewichtungen der Signaleingänge an den einzelnen künstlichen Neuronen und deren Schwellwerte solange verändert werden, bis das künstliche Netwerk für einen vorgegebenen Satz von Eingabevektoren den erwünschten Satz von Ausgabevektoren erzeugt. Das Training des künstlichen neuronalen Netzwerks erfolgt dabei nach bestimmten Lernregeln, bei denen der für einen jeweiligen Eingabevektor erzeugte Ausgangsvektor mit dem erwünschten Ausgangsvektor verglichen und die Neuronengewichte und -schwellwerte so verändert werden, dass sich die Unterschiede zwischen den erzeugten und den erwünschten Ausgangsvektoren minimieren.
Dies ist in dem in der 2 schematisch veranschaulichten Beispiel illustriert, bei dem die Ausgänge von sechs Sensoren S1, S2, S3, S4, S5 und S6 an die Eingänge von fünf Eingangsneuronen A, B, C, D und E geleitet werden. Die Verknüpfung der Sensoren mit den Eingangsneuronen ist, wie auch die Verknüpfung zwischen den Eingangsneuronen mit den Neuronen der verdeckten Zwischenschicht und die Verknüpfung der Neuronen der verdeckten Zwischenschicht mit den Ausgangsneuronen, in der 2 symbolisch vereinfacht für eine Verknüpfung eines Sensors bzw. Neurons einer unteren Schicht mit jedem Neuron einer darüber liegenden Schicht dargestellt.
Zur Signalverarbeitung werden die Messdaten bzw. Messsignale der Sensoren S1 bis S6 in jedem der einzelnen künstlichen Neuronen A bis E der Eingangsschicht gewichtet und die Summe der gewichteten Eingänge mit der Schwellwertfunktion behandelt. Der so erzeugte Ausgangswert des jeweiligen künstlichen Neurons wird dann an jedes der Neuronen der verdeckten Zwischenschicht A', B', C' und D' geleitet. Jedes Neuron dieser Schicht erhält damit von jedem Neuron der darunter liegenden Eingangsschicht ein Signal. Die am jeweiligen Neuron eingehenden Signale werden wiederum gewichtet, addiert und die Summe mit einer Schwellwertfunktion verglichen. Das resultierende Ausgangssignal wird schließlich wieder an jedes der darüber liegenden Ausgangsneuronen A'', B'' und C'' geleitet, von denen jedes wiederum eine Gewichtung der eingehenden Signale, gefolgt von einer Addition und einem Schwellwertvergleich vornimmt. Bei der in der 2 dargestellten Anordnung ist die Anzahl der Eingangsneuronen geringer als die der Sensoren und die Anzahl der künstlichen Neuronen nimmt bei jeder höheren Schicht ab. Dadurch wird eine Zuspitzung der Messwertverarbeitung erreicht, die aus einer Vielzahl von Messwerten eine geringere Zahl an Steuersignalen erzeugt. Es sei darauf hingewiesen, das ein für die Signalverarbeitungseinrichtung 1 verwendetes neuronales Netzwerk mehrere als verdeckte Schichten ausgebildete Verarbeitungsschichten aufweisen kann.
Während des auch als Kalibrierung bezeichneten Trainings werden bestimmte Sensorwerte erzeugt. Hierzu ist das Vorhandensein der Sensoren S1 bis S6 nicht erforderlich. Stattdessen dann der Eingang des neuronalen Netzwerks, d. h. die Gesamtheit der Eingänge der Eingangsneuronen mit entsprechenden Signalen aus einem Prüfgerät versorgt werden. Für jeden 6-dimensionalen Eingangsvektor (6 bestimmte Eingangswerte) erzeugt das künstliche neuronale Netzwerk von 2 einen 3-dimensionalen Ausgangsvektor. Jeder der drei Werte des Ausgangsvektors bedeutet eine bestimmte Steuer- bzw. Regelgröße zur Steuerung der Zuspannkraft der Bremse. Aus der Abweichung des Ausgangsvektors von dem Zielvektor, d. h. den Steuersignalen, die bei den angelegten Eingangssignalen hätten erreicht werden sollen, wird nun über bestimmte Lernregeln eine Anpassung der Gewichtungen und der Schwellwertfunktionen in den einzelnen Neuronen vorgenommen.
Dieses Lern- bzw. Kalibrierverfahren kann beispielsweise in Form eines überwachten Lernens erfolgen, bei dem das Bremsverhalten z. B. mit einer Reihe von Testpersonen geprüft und an ein Sollverhalten angepasst wird. Hierbei wird die multisensorisch gesteuerte Bremse 10 in unterschiedlichen Fahrzeugumgebungen auf unterschiedliche Weise betätigt, um entsprechende Musterdaten zu erlernen. Das System 10 kann dabei auf Teststrecken oder auf einem Rollenprüfstand kalibriert werden. Auch der Einsatz von Fahrsimulatoren, in denen abgespeicherte Fahr- bzw. Bremsbetätigungsprofile durchlaufen werden, ist möglich.
Statt einem neuronalen Netzwerk können auch andere auf einem Verfahren der Computational Intelligence beruhende Steuerungssysteme verwendet werden. Unter dem Begriff der Computational Intelligence werden drei biologisch motivierte Techniken der Informationsverarbeitung zusammengefasst: die bereits behandelten künstlichen neuronalen Netwerke, evolutionäre Algorithmen, wie z. B. genetische Algorithmen, und Fuzzy-Systeme.
Bei Fuzzy-Systemen werden die Sensordaten mittels Zugehörigkeitsfunktionen in eine Situationseinschätzung überführt, aus der mittels einer Regelbasis Schlussfolgerungen ermittelt werden. Letztere werden wieder in konkrete Handlungsanweisungen, d. h. Steuersignale überführt. Fuzzy-Systeme eignen sich hierdurch für die Lösung nichtlinearer Problemstellungen.
Unter dem Begriff der evolutionären Algorithmen werden Optimierungsverfahren verstanden, bei denen Optimierungsregeln verwendet werden, die sich an Prinzipien der Evolution orientieren. Da sie kein Problemwissen erfordern, eigenen sie sich für die Ermittlung von meist mehreren parallelen Lösungen für nichtlineare und sogar für diskontinuierliche Probleme.
Aufgrund ihrer Lernfähigkeit ermöglichen Steuerungssysteme mit einer auf Techniken der Computational Intelligence beru henden Signalverarbeitung eine komplexe Steuerung der Zuspannung einer Bremse bei geringem technischen Aufwand. Insbesondere ist im Gegensatz zu "klassischen" Steuerungen eine flexible Steuerung der Bremse auch dann gegeben, wenn kein analytischer Zusammenhang zwischen den Eingangssignalen der Steuerung und den daraus abgeleiteten Steuersignalen feststellbar ist.
Während des Lern- bzw. Kalibriervorgangs einer auf Computational Intelligence beruhenden Steuerung (CI-Steuerung) werden verschiedene Bremsvorgänge mit unterschiedlichen Bremszuständen durchlaufen, und bezüglich bestimmter Anforderungen klassifiziert. Beispielsweise können Bremssituationen, d. h. Bremsvorgänge bei bestimmten Bremszuständen, bezüglich ihrer Geräusch- oder Schwingungsentwicklung in Gut- und Schlechtsituationen eingeteilt werden. Die CI-Steuerung wird nun so trainiert, dass sie bei bestimmten Bremszuständen, bei denen eine aktuelle Bremsanforderung bzw. -anweisung zu einer Schlechtsituation führen könnte, die Bremsanweisung so modifiziert, dass eine Gutsituation erzielt wird.
Störungen, wie z. B. ein Auftreten von fühlbaren oder akustisch hörbaren Schwingungen, werden dabei im Allgemeinen als eine, eine Schlechtsituation begründende Beeinträchtigung behandelt. Das Auftreten von Störungen kann zumindest während des Lernvorgangs der CI-Steuerung automatisch während des Fahrbetriebs festgestellt werden. Die Feststellung kann sich hierbei auf die Auswertung von Messungen mit Verfahren wie z. B. der Fourieranalyse stützen. Die Beurteilung von Zuständen der Bremse als Störung kann aber auch werkseitig durch Entwickler oder Testfahrer erfolgen.
Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand eine komplexe Steuerung der Zuspannkraft erreicht werden, die mit "klassischen", analytische Zusammenhänge widerspiegelnden, Steuer- und Regelungstechniken nicht, oder nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand erzielt werden könnte. Darüber hinaus ist bei einer Steuerung, die ein Verfahren der Computational Intelli gence umsetzt, im Gegensatz zu "klassischen" Steuerungen trotz der Kalibrierung im Zuge des Trainierens kein feststehender Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsvektoren gegeben. Vielmehr ist die mit einem Verfahren der Computational Intelligence realisierte Steuerung in der Lage auf neue oder veränderte Eingangsdaten, beispielsweise aufgrund der Abnutzung der Bremsbeläge, sinnvoll zu reagieren und eine Anpassung der Kalibrierung in kürzester Zeit selbsttätig vornehmen. Vorteilhaft ist auch die enorme Fehlertoleranz einer CI-Steuerung gegenüber Hardwareausfällen, wie beispielsweise dem Ausfall eines Sensors oder der Fehlfunktion eines Neurons, wodurch die Betriebssicherheit einer Bremse gegenüber einer konventionell gesteuerten Bremse enorm verbessert wird.
In der 3 ist der zeitliche Verlauf 20 der Zuspannkraft einer elektrisch steuerbaren Bremse dargestellt. Das Zuspannen der Bremse beginnt zum Zeitpunkt 0. bedingt durch das Lüftspiel der Bremse, d. h. dem Abstand zwischen Reibbelag und Bremsscheibe bei gelöster Bremse, wird auf die die Bremsscheibe erst ab Überwindung dieses Abstands zum Zeitpunkt t₀ eine Normalkraft F_Z ausgeübt. Diese als Zuspannkraft bezeichnete Normalkraft wird bei weiterem Zuspannen bis zu einem Maximalwert F_Zmax erhöht, der oberhalb des bei t₁ überschrittenen Sollwerts der Zuspannkraft F_Zsoll liegt. Danach nimmt die Zuspannkraft bis zum minimalen Druckpunkt mit F_Zmin ab um dann wieder bis zu einem weiteren, aber geringerem lokalen Maximum anzusteigen und so fort. Das Einschwingen der Zuspannkraft auf den Sollwert F_Zsoll erfolgt in etwa mit der Regelfrequenz f = (1/(t₃-t₂)). Auch andere zeitliche Verläufe der Zuspannkraft sind möglich, beispielsweise solche, bei denen kein Überschwingen auftritt, sodass die Kurve 40 den Sollwert F_Zsoll nie überschreitet.
Mittels der oben erläuterten CI-Steuerung 1 können folgende Charakteristika eines Zuspannvorgangs gesteuert werden: Kontaktpunkt, Steilheit des Druckgradienten, maximaler und minimaler Druckpunkt und die Regelfrequenz f. Die diesen Charakteristika entsprechenden Kenwerte werden durch die Ausgangs signale des, die Signalverarbeitungseinrichtung 1 bildenden, neuronalen Netzwerks gesteuert.
Der Kontaktpunkt kann über die zeitliche Verzögerung (t₀) des Zuspannens bestimmt werden. Aus der Position des Kontaktpunkts verglichen mit dem Zustellweg kann z. B. der Belagverschleiß ermittelt und über die von einem künstlichen neuronalen Netzwerk gebildete Signalverarbeitungseinrichtung 1 ein geeignetes automatisches Nachstellen der Reibbeläge entsprechend der augenblicklichen Abnutzung der Reibbeläge erfolgen.
Durch Variation der Steilheit des Druckgradienten zu Beginn des Zuspannens lässt sich die Zeitspanne des erstmaligen Erreichens des Sollwerts der Zuspannkraft F_Zsoll beeinflussen. Je steiler der Druckgradient gewählt wird, desto früher kann die Zuspannkraft F_Z den Soll-Wert F_Zsoll erreichen bzw. bei einem wie gezeigten Überschwingen überschreiten.
Der maximale Druckpunkt mit einem Wert von F_Zmax > F_Zsoll tritt insbesondere bei einem Überschwingen der Bremskraftregelung im Zuge des Einschwingens auf die Sollbremskraft und kann über das Trainieren des neuronalen Netzwerks optimiert werden. Analog zum maximalen Druckpunkt kann auch die Regelabweichung hinsichtlich des minimalen Druckpunkts optimiert werden.
Die Steuerung der Zuspannkraft stellt nur eines der möglichen Einsatzgebiete der Signalverarbeitungseinrichtung 1 dar. Statt direkt auf die Zuspannkraft einzuwirken, kann die Signalverarbeitungseinrichtung 1 auch auf die Regelung des Bremsdrucks z. B. bei einer hydraulischen Bremse einwirken, oder auf die Keilposition bzw. die Einstellung eines Bremsaktors einer elektromechanischen Keilbremse.
Des Weiteren kann auch die Frequenz f über die beispielsweise als neuronales Netzwerk ausgebildete CI-Steuerung optimiert werden, vor allem im Hinblick auf Resonanzfrequenzen. Dies ist insbesondere dann wesentlich, wenn die Regelfrequenz f in den Resonanzbereich von Teilen der Bremse oder auch des Fahr zeugs selbst fällt. Bei einer elektromechanischen Bremse kann die Frequenz beispielsweise über die Ansteuerung des Aktuators beeinflusst werden. Insbesondere können die Steuerung der Zuspannkraftvariation zur Minimierung von Bremsgeräuschen genutzt werden, indem zur Kompensation der Schallwellen der Aktuator zur Erregung gegenphasiger Schwingungen angeregt wird. Mithilfe der trainierten Kalibrierung des neuronalen Netzwerks kann so eine Verbesserung des NVH-Verhaltens (von: Noise, Vibration, Harshness) erreicht werden.
Die beschriebene Vorrichtung zur Steuerung des Zuspannens einer elektrisch ansteuerbaren Bremse kann vorzugsweise in einer Bremsanlage für Kraftfahrzeuge verwendet werden.

1: Signalverarbeitungseinrichtung
2: Sensor
3: Sensor
4: Sensor
5: Bremse
10: multisensorischen Steuerung
20: zeitlicher Verlauf der Zuspannkraft
E1: Eingangsneuron
E2: Eingangsneuron
E3: Eingangsneuron
E4: Eingangsneuron
Ex: Ausgangsneuron
S1 bis S6: Sensoren
A, B, C, D, E: Eingangsneuronen
A', B', C', D': Neuronen der verborgenen Verarbeitungsschicht
A'', B'', C'': Ausgangsneuronen
^FZmax: maximale Zuspannkraft
^FZsoll: Sollwert der Zuspannkraft
^FZmin: minimale Zuspannkraft

Claims

Vorrichtung zur Steuerung des Zuspannens einer elektrisch ansteuerbaren Bremse mit: – zumindest zwei Sensoren (2, 3, 4, S1, S2, S3, S4, S5, S6), von denen jeder zur Umwandlung einer bestimmten physikalischen Messgröße in ein elektrisches Signal ausgebildet ist, und – einer Signalverarbeitungseinrichtung (1), die zum Erhalt der elektrischen Signale von den zumindest zwei Sensoren (2, 3, 4, S1, S2, S3, S4, S5, S6) und zum Erzeugen eines oder mehrerer Ausgangssignale auf der Grundlage der von den Sensoren (2, 3, 4, S1, S2, S3, S4, S5, S6) erhaltenen elektrischen Signale ausgebildet ist, wobei die Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinrichtung (1) als Steuersignale zur Steuerung des Zuspannens (20) der elektrisch ansteuerbaren Bremse (5) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (1) zur Signalverarbeitung auf der Grundlage eines Verfahrens der Computational Intelligence ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (1) als künstliches neuronales Netzwerk ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der zumindest zwei Sensoren (2, 3, 4, S1, S2, S3, S4, S5, S6) zur Wandlung einer Temperatur in ein, die Temperatur repräsentierendes elektrisches Signal und/oder zur Wandlung von Schall in ein, den Schalldruck repräsentierendes elektrisches Signal und/oder zur Wandlung einer Drehzahl in ein, die Drehzahl repräsentierendes elektrisches Signal und/oder zum Erfassen eines Drucks und zum Erzeugen eines, den Druck repräsentierenden elektrischen Signals ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der zumindest zwei Sensoren (2, 3, 4, S1, S2, S3, S4, S5, S6) zum Erfassen einer Position und zum Erzeugen eines, die Position repräsentierenden elektrischen Signals und/oder einer Distanz und zum Erzeugen eines, die Distanz repräsentierenden elektrischen Signals ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der zumindest zwei Sensoren (2, 3, 4, S1, S2, S3, S4, S5, S6) zur Messung eines Stroms und zum Erzeugen eines, den Strom repräsentierenden elektrischen Signals und/oder zur Messung einer elektrischen Spannung und zum Erzeugen eines, die elektrische Spannung repräsentierenden elektrischen Signals ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der zumindest zwei Sensoren (2, 3, 4, S1, S2, S3, S4, S5, S6) zur Wandlung einer Kraft in ein die Kraft repräsentierendes elektrisches Signal und/oder zur Messung einer Beschleunigung und zum Erzeugen eines, die Beschleunigung repräsentierenden elektrischen Signals und/oder zur Messung einer Geschwindigkeit in ein die Geschwindigkeit repräsentierendes elektrisches Signal ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der zumindest zwei Sensoren (2, 3, 4, S1, S2, S3, S4, S5, S6) zur Messung einer Veränderung an einer Eingabeeinrichtung für eine Bremsvorgabe und zum Erzeugen eines, die Veränderung repräsentierenden elektrischen Signals ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (1) zum Erkennen des Kontaktpunkts von Reibbelag und Bremsscheibe und einer entsprechenden Anpassung des Zustellwegs des Reibbelags ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (1) zur Steuerung des zeitlichen Verlaufs des Zuspannens (20) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des zeitlichen Verlaufs des Zuspannens (20) die Steuerung des Gradienten der Zuspannkraft umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (1) zur Steuerung der maximalen Zuspannkraft (F_Zmax) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (1) zur Steuerung der Regelabweichung der maximalen Zuspannkraft (F_Zmax) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (1) zur Steuerung der Frequenz einer Variation der Zuspannkraft ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (1) ausgebildet ist, das Erzeugen des einen oder der mehreren Ausgangssignale auf der Grundlage der von den Sensoren (2, 3, 4, S1, S2, S3, S4, S5, S6) erhaltenen elektrischen Signale im Rahmen eines Ka librierungsvorgangs unter Verwendung von Lernregeln auszubilden.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Erzeugen des einen oder der mehreren Ausgangssignale auf der Grundlage eines Kalibrierungsvorgangs während einer Fahrt eines die Bremse aufweisenden Kraftfahrzeugs erfolgt.
Bremsanlage für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsanlage (10) wenigstens eine elektrisch ansteuerbare Bremse mit einer Vorrichtung zur Steuerung des Zuspannens der elektrisch ansteuerbaren Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweist.