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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steigungsermittlung in einem
Kraftfahrzeug umfassend einen Längsbeschleunigungssensor
zum Erzeugen eines Längsbeschleunigungssignals, eine Steuereinheit
zum Auswerten des Längsbeschleunigungssignals und Erzeugen
eines Steigungssignals, das eine Steigung eines Untergrunds an der
Stelle repräsentiert, an der sich das Kraftfahrzeug befindet sowie
ein entsprechendes Verfahren zum Ermitteln einer Steigung des Untergrunds,
auf dem sich das Kraftfahrzeug befindet.
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Eine
Kenntnis einer Steigung eines Untergrunds, auf dem sich ein Kraftfahrzeug
bewegt, ist in unterschiedlichen Situationen notwendig. Bei einer genauen
Kenntnis der Steigung des Untergrunds, kann beispielsweise ein Längsbeschleunigungssignal
des Kraftfahrzeugs hinsichtlich Beschleunigungsanteilen aufgrund
der Erdanziehung korrigiert werden. Ein solches korrigiertes Längsbeschleunigungssignal
kann dann wiederum beispielsweise verwendet werden, um eine Fahrtrichtungserkennung
auszuführen. Hierbei wird das Längsbeschleunigungssignal
integriert, um ein mit einem Vorzeichen behaftetes Geschwindigkeitssignal
zu erhalten.
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Aus
der
DE 37 44 159 A1 ist
ein Gerät zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Fahrzeugen bekannt,
das einen Beschleunigungsmesser zur Erzeugung eines die Längsbeschleunigung
des Fahrzeugs wiedergebenden Längsbeschleunigungssignals,
einen Lagesensor, der ein die Längsneigung des Fahrzeugs
wiedergebendes Längsneigungssignal liefert, und Kompensationsmittel
enthält, auf welche das Längsbeschleunigungssignal
und das Längsneigungssignal aufgeschaltet sind zur Erzeugung
eines hinsichtlich des Schwerebeschleunigungsanteils korrigierten
Längsbeschleunigungssignals. Integrationsmittel integrieren
das Längsbeschleunigungssignal über ein Schätzintervall
und erzeugen ein inertiales Geschwindigkeitssignal, das die Änderung
der Geschwindigkeit in dem Schätzintervall wiedergibt.
Ein Geschwindigkeitsmesser erzeugt ein die Geschwindigkeit des Fahrzeugs
gegenüber Grund wiedergebendes Signal.
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Ein
nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate arbeitender Parameterschätzer
dritter Ordnung erhält das inertiale Geschwindigkeitssignal
und das Signal von dem Geschwindigkeitsmesser. Er liefert als Ausgangsgröße
einen Schlupffaktor. Das Signal von dem Geschwindigkeitsmesser wird
mit diesem Schlupffaktor korrigiert. Die Parameter werden während
jedes Schätzintervalls als konstant angesehen. Die Schätzung
wird laufend wiederholt, um Änderungen der Parameter zu
berücksichtigen. Der Rechneraufwand wird dabei gering gehalten.
Als Lagesensor wird ein Wendekreisel eingesetzt. Da diese in der
Herstellung teuer sind, ist die bekannte Vorrichtung für
einen Einsatz in Kraftfahrzeugen nicht geeignet.
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Aus
der noch unveröffentlichten Anmeldung
DE 10 2006 038 829 sind eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Fahrrichtungserkennung bekannt. Hierbei
wird ein Istsignal von mindestens jeweils zwei Raddrehzahlsensoren
des Kraftfahrzeugs erfasst, eine zeitliche Abfolge der erfassten
Istsignale gebildet, die Istsignalabfolge mit einer Sollsignalabfolge für
mindestens eine Fahrtrichtung verglichen und die Fahrtrichtung anhand
des Vergleichs ermittelt.
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Eine
Kenntnis der Steigung des Untergrunds ist jedoch auch in anderen
Situationen hilfreich, beispielsweise um ein Schaltverhalten eines
Automatikgetriebes zu beeinflussen.
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Der
Erfindung liegt somit die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Steigung eines Untergrunds
zu ermitteln, auf dem sich das Fahrzeug befindet.
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Die
technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hiefür
ist bei einer Vorrichtung eingangsgenannter Art vorgesehen, dass
die Steuereinheit ausgebildet ist, ein Fahrzeugbewegungssignal zu
empfangen und gemeinsam mit dem Längsbeschleunigungssignal
auszuwerten, um das Steigungssignal zu erzeugen. Das Fahrzeugbewegungssignal
liefert die notwendigen Informationen um eine dynamische Beschleunigung
abzuleiten, die für eine Korrektur des Längsbeschleunigungssignals
notwendig sind, um den Erdbeschleunigungsanteil zu ermitteln. Dieser
Erdbeschleunigungsanteil in dem Längsbeschleunigungssignal
ist ein Maß, für die Steigung des Untergrunds,
auf dem sich das Kraftfahrzeug befindet. Somit ist aus dem Fahrzeugbewegungssignal eine
dynamische Fahrzeugbeschleunigung ableitbar, die von der gemessenen
Längsbeschleunigung subtrahierbar ist, um einen aufgrund
einer Steigung des Untergrunds verursachten Erdbeschleunigungsanteil der
gemessenen Längsbeschleunigung zu ermitteln, aus dem wiederum
die Steigung des Untergrunds errechenbar ist. Der Arcus-Sinus des
auf die Erdbeschleunigung normierten Erdbeschleunigungsanteils ist
ein Maß für die Steigung. Somit kann auf einfache Weise
zuverlässig die Steigung des Untergrunds bestimmt werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Fahrzeugbewegungssignal Radimpulssignale umfasst, die bei
einer Drehung mindestens eines Rads des Kraftfahrzeugs erzeugt werden.
Das Fahrzeugbewegungssignal repräsentiert somit, die auf
dem Untergrund zurückgelegte Strecke. Hierdurch wird erreicht,
dass bis hin zu sehr niedrigen Geschwindigkeiten eine zuverlässige Steigungsermittlung
möglich ist. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Steigung
des Untergrunds in der realen Welt über kurze Strecken
als konstant angenommen werden kann. Dieses ermöglicht
eine Bestimmung der dynamischen Fahrzeugbeschleunigung auch bei
sehr geringen Geschwindigkeiten, bei denen das Fahrzeug nur eine
sehr kurze Strecke in einem relativ langen Zeitraum zurücklegt.
Die Radimpulse zu verwenden bietet den Vorteil, dass diese Sensoren
in den meisten Fahrzeugen bereits serienmäßig
eingesetzt sind und somit deren Signal bereits zur Verfügung
steht. Eine Steigungsbestimmung kann somit anhand vorhandener Signale
ermittelt werden.
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Um
die dynamische Längsbeschleunigung zu ermitteln, ist bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen,
dass die Steuereinheit ausgebildet ist, aus einer durch das Fahrzeugbewegungssignal
repräsentierten zurückgelegten Strecke mittels
zweifacher Differenziation nach der Zeit eine dynamische Längsbeschleunigung
zu berechnen, die bei der Auswertung von der durch das Längsbeschleunigungssignal
repräsentierten Beschleunigung subtrahiert wird.
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Insbesondere
bei geringen Geschwindigkeiten kann eine Verbesserung der Ermittlung
der dynamischen Längsbeschleunigung mit einer Vorrichtung erreicht
werden, bei der das Fahrzeugbewegungssignal Radimpulssignale von
mindestens zwei der Räder des Kraftfahrzeugs umfasst und
eine Mustererkennungseinheit zum Vergleichen einer Sollabfolge mit
einer Istabfolge der Radimpulssignale der unterschiedlichen Räder
vorgesehen ist; wobei aus dem Vergleich gewonnene Informationen
zur Ermittlung des dynamischen Längsbeschleunigungssignals
verwendbar sind. Die Sensoren zum Erfassen und/oder Erzeugen der
Radimpulssignale erzeugen bei einer Radumdrehung beispielsweise
92 Impulse. Die von unterschiedlichen Rädern erzeugen Radimpulssignale
werden jedoch nicht zeitgleich erzeugt. Somit gibt es eine erwartete,
als Sollabfolge bezeichnete Abfolge der einzelnen Radimpulssignale
der einzelnen Räder.
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Weicht
eine ermittelte Istabfolge hiervon ab, so kann eine Bewegungsumkehr
oder ein erhöhter Schlupf eines der Räder festgestellt
werden. Hierdurch kann eine Ermittlung der dynamischen Längsbeschleunigung
robuster gemacht werden.
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Weiterhin
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Zeitbestimmungseinheit
vorzusehen. Anhand der Zeitbestimmungseinheit kann beispielsweise
jeweils eine Zeitspanne seit dem Erfassen eines zuletzt erfassten
Radimpulses ermittelt werden und hieraus eine Obergrenze/Untergrenze
der dynamischen Längsbeschleunigung abgeschätzt
werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
das Längsbeschleunigungssignal des Längsbeschleunigungssensors
mittels einer Tiefpassfilterung hinsichtlich einer Einbaulagenabweichung
korrigiert wird. Geht man davon aus, dass sich ein Fahrzeug im zeitlichen
Mittel oder im Streckenmittel auf einem waagerechten Untergrund
bewegt, so kann durch eine Tiefpassfilterung des Längsbeschleunigungssignals
ein aufgrund einer Abweichung von einer Solleinbaulage verursachter
Erdbeschleunigungsanteil im Längsbeschleunigungssignal
korrigiert werden. Hierbei werden vorzugsweise Filterzeitkonstanten
im Bereich von Wochen oder Monaten verwendet.
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Da
bei einer Kurvenfahrt die Räder des Fahrzeugs unterschiedliche
Wegstrecken zurücklegen, unterscheiden sich die an den
Rädern auftretenden Beschleunigungen. Ferner sind die Wegstrecken
zumindest an den gelenkten Rädern nicht mehr parallel zu
einer Längsachse des Kraftfahrzeugs. Da die Radimpulssignale
zur Bestimmung des dynamischen Längsbeschleunigungssignals
herangezogen werden, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform
daher vorgesehen, dass ein Lenkwinkelsignal bei der Auswertung des
Fahrzeugbewegungssignals mitberücksichtigt wird, um das
dynamische Längsbeschleunigungssignal zu ermitteln.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1 schematisch
ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zur Steigungsermittlung;
und
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2 ein
Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur
Steigungsermittlung.
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In 1 ist
schematisch ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Vorrichtung 2 zur
Steigungsermittlung eines Untergrundes des Kraftfahrzeugs 1 dargestellt.
Die Vorrichtung 2 zur Steigungsermittlung umfasst einen Längsbeschleunigungssensor 3.
Der Längsbeschleunigungssensor 3 liefert ein Längsbeschleunigungssignal,
das eine Längsbeschleunigung des Kraftfahrzeugs 1 entlang
einer Längsachse 4 repräsentiert. Befindet
sich das Kraftfahrzeug 1 nicht auf einem waagerechten Untergrund,
so misst der der Längsbeschleunigungssensor 3 auch
ein von Null verschiedenes Beschleunigungssignal, wenn sich das
Kraftfahrzeug mit konstanter gleichförmiger Geschwindigkeit
bewegt, sich beispielsweise sich in Ruhe befindet. Der Arkus-Sinus
dieser bei konstanter gleichförmiger Bewegung des Kraftfahrzeugs
gemessenen Längsbeschleunigung aSen ist
ein Maß für die Steigung des Untergrunds. Bewegt
sich das Kraftfahrzeug nicht mit gleichförmig konstanter
Geschwindigkeit, so ist das Längsbeschleunigungssignal
aSen hinsichtlich dieser hier als dynamische Längsbeschleunigung
aRad bezeichneten Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 1 entlang
der Längsachse 4 zu korrigieren, bevor der Arcus-Sinus
der korrigierten Längsbeschleunigung akor =
aSen – aRad als
Maß für die Steigung des Untergrunds ermittelt
werden kann.
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Um
die dynamische Längsbeschleunigung ermitteln zu können,
wird ein Fahrzeugbewegungssignal ausgewertet, das eine Fahrzeugbewegung
beschreibt. Hierfür umfasst das Kraftfahrzeug 1 in
der beschriebenen Ausführungsform an Rädern 5 Radimpulssensoren 6,
die bei einem Drehen des entsprechenden Rads 5 jeweils
nach einem vorgegebenen Drehwinkelintervall ein Radimpulssignal
erzeugen. Da ein Radumfang eines jeden der Räder 5 jeweils
als konstant angesehen werden kann, ist ein Radimpuls (unter Vernachlässigung
eines Schlupfes) ein Maß für eine beim Abrollen
des Rads 5 auf dem Untergrund zurückgelegte Wegstrecke.
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Durch
eine zweifache Differenziation einer mit den in einer zeitlichen
Abfolge erzeugten Wegimpulssignale eines der Räder 5 verknüpften
zurückgelegten Strecke nach der Zeit kann eine hier als
dynamische Beschleunigung aRac bezeichnete
Beschleunigung. des Kraftfahrzeugs ermittelt werden. Die Vorrichtung 2 zur
Steigungsermittlung umfasst hierfür eine Steuereinrichtung 7 mit
einer Differenziereinheit 8.
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Diese
kann beispielsweise folgende Verfahrensschritte ausführen,
um die dynamische Beschleunigung aRad zu
ermitteln. Zunächst wird jeweils mit Hilfe der bekannten
Wegstrecke, die eines der Räder bei einer Drehung um das
vorgegebene Drehwinkelintervall abrollt, und der Zeitspanne Δti,i+1, die zwischen dem Erzeugen der aufeinander
folgenden Radimpulse i und i + 1 vergangen ist, eine Fahrzeuggeschwindigkeit
vi+1 ermittelt. So kann für jeden
Radimpuls i eine momentane Geschwindigkeit vi ermittelt
werden. Bildet man eine Differenz Δvi,i+1 =
vi+1 – vi der
momentanen Geschwindigkeiten vi, vi+1, die den aufeinander folgenden Radimpulsen
i und i + 1 zugeordnet sind, und dividiert diese Differenz Δvi,i+1 durch die Zeitspanne Δti,i+1, die zwischen dem Erzeugen der aufeinander
folgenden Radimpulse i und i + 1 vergangen ist, so erhält
man die dynamische Beschleunigung aRad i+1. Zur Ermittlung der dynamischen Längsbeschleunigung
können auch andere Berechnungsverfahren angewendet werden.
Insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten können
mehrere Radimpulse (bzw. die hierdurch repräsentierte zurückgelegte
Strecke) in die Berechnung mit einbezogen werden, um die Berechnung
insgesamt robuster gegenüber Messungenauigkeiten auszugestalten.
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Um
auch bei geringen Geschwindigkeiten eine zuverlässige Bestimmung
der dynamischen Längsbeschleunigung aRad zu
ermöglichen, können die Radimpulssignale unterschiedlicher
Räder 5 ausgewertet werden. Die Radimpulse der
Räder 5 werden in der Regel nicht zeitgleich erzeugt.
Bei Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs 1 werden die Radimpulssignale
in zeitlicher Reihenfolge beispielsweise von den einzelnen Rädern 5 wie
folgt: von dem linken Vorderrad, dem rechten Hinterrad, dem linken
Hinterrad und dem rechten Vorderrad in dieser Reihenfolge erzeugt.
Es kann somit ein Muster der Radimpulse der unterschiedlichen Räder 5 vorausgesagt
werden. Hierüber ist es möglich, auch Radimpulse
unterschiedlicher Räder 5 miteinander zu fusionieren. Eine
Mustererkennungseinheit 9, die die hierfür erforderliche
Analyse vornimmt, kann auch erkennen, ob beispielsweise eines der
Räder 5 durchdreht. Insgesamt wird durch eine
Mustererkennungseinheit 9 somit die Robustheit und Zuverlässigkeit
der Steigungsbestimmung stark verbessert.
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Um
auch bei Kurvenfahrt eine zuverlässige Bestimmung zu ermöglichen,
ist ein Lenkwinkelsensor 10 vorgesehen. Eine Berücksichtigung
des Lenkwinkels ermöglicht es, die notwendigen Korrekturen vorzunehmen,
um anhand der Radimpulse korrekt die dynamische Längsbeschleunigung
aRad wie bei der Geradeausfahrt ermitteln
zu können. Hierbei können unterstützend
oder alternativ auch die Ergebnisse der Mustererkennung einbezogen
werden. Aus den zeitlichen Mustern der Radimpulse kann die Kurvenfahrt
nämlich ebenfalls ermittelt werden.
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Die
Differenziertheit, die Mustererkennungseinheit können in
der Steuereinheit mittels einer Recheneinheit im Zusammenwirken
mit Software realisiert sein.
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Die
ermittelte Steigung wird über einen Fahrzeugbus 11 anderen
Steuergeräten 12 bereitgestellt.
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In 2 ist
ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Steigungsbestimmung eines
Untergrunds eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Zunächst
wird ein von einem Längsbeschleunigungssensor gemessenes
Längsbeschleunigungssignal erfasst 21. Anschließend
wird ein eine Fahrzeugbewegung repräsentierendes Fahrzeugbewegungssignal
erfasst 22. Das Fahrzeugbewegungssignal umfasst Radimpulssignale,
die bei einer Drehung mindestens eines Rads des Kraftfahrzeugs erzeugt
werden. Aus dem Fahrzeugbewegungssignal wird eine dynamische Längsbeschleunigung
des Kraftfahrzeugs abgeleitet 23. Hierfür wird
eine durch das Fahrzeugbewegungssignal repräsentierte zurückgelegte
Strecke zweifach nach der Zeit differenziert 24. Die dynamische
Fahrzeugbeschleunigung wird von der gemessenen Längsbeschleunigung
subtrahiert 25, um einen aufgrund einer Steigung des Untergrunds
verursachten Erdbeschleunigungsanteil der gemessenen Längsbeschleunigung
zu ermitteln.
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Um
das Längsbeschleunigungssignal des Längsbeschleunigungssensors
hinsichtlich einer Einbaulagenabweichung zu korrigieren 26,
wird das Längsbeschleunigungssignal mittels eines Tiefpasses
gefiltert 27. Hierdurch erhält man einen Einbaulagenoffset,
der von dem gemessenen Längsbeschleunigungssignal subtrahiert
wird 28. Alternativ oder zusätzlich kann der Längsbeschleunigungssensor
bei seinem Einbau hinsichtlich eines durch die Einbaulage verursachten
Beschleunigungsoffsets kalibriert werden bzw. sein.
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Von
dem korrigierten Längsbeschleunigungssignal wird der Arcus-Sinus
bestimmt 29, der ein Maß für die Steigung
des Untergrunds ist. Die so ermittelte Steigung wird ausgegeben
und/oder bereitgestellt 30. Sie kann beispielsweise über
einen Fahrzeugbus anderen Steuergeräten übermittelt
werden. Bei diesen kann es sich beispielsweise um eine Steuerung
eines Automatikgetriebes oder ein Fahrsicherheitssteuergerät
handeln, welches beispielsweise Ausweichtrajektorien für
Gefahr- und/oder Unfallsituationen errechnet. Beide Fahrzeugsysteme
benötigen eine Kenntnis der Untergrundsteigung, um optimale
Ergebnisse zu liefern.
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Die
Steigung kann gemeinsam mit dem eingekuppelten Gang verwendet werden,
um in vielen Fällen eine Fahrtrichtung zuverlässig
vorauszusagen. Ist die Straße in Vorwärtsfahrtrichtung
abschüssig und ist bei einem in Ruhe befindlichen Fahrzeug der
Vorwärtsgang eingelegt, so kann sich das Fahrzeug nur vorwärts
bewegen. Ist bei einem ansteigenden Untergrund hingegen der Rückwärtsgang
eingelegt, ist eine Vorwärtsbewegung ausgeschlossen.
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Die
beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren liefern
geschwindigkeitsunabhängig ein robustes Steigungssignal.
Dieses kann beispielsweise von einem Parklenkassistenzsystem zur
Berechnung einer Einparktrajektorie und zum Ausführen von
Fahrteingriffen genutzt werden.
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Vorrichtung
zur Steigungsermittlung
- 3
- Längsbeschleunigungssensor
- 4
- Längsachse
- 5
- Räder
- 6
- Radimpulssensoren
- 7
- Steuereinheit
- 8
- Differenziereinheit
- 9
- Mustererkennungseinheit
- 10
- Lenkwinkelsensor
- 11
- Fahrzeugbus
- 12
- Steuergeräte
- 21
- Erfassen
eins Längsbeschleunigungssignals
- 22
- Erfassen
Fahrzeugbewegungssignal
- 23
- Ableiten
eines dynamischen Längsbeschleunigungssignals
- 24
- zweifaches
Differenzieren einer durch das Fahrzeugbewegungssignal repräsentierten Strecke
- 25
- Subtrahieren
der dynamischen Längsbeschleunigung von der gemessenen
Längsbeschleunigung
- 26
- Korrigieren
des Längsbeschleunigungssignals hinsichtlich eines Einbaulagenoffsets
- 27
- Tiefpassfilterung
des Längsbeschleunigungssignals
- 28
- Subtrahieren
eines durch die Eibaulage verursachten Beschleunigungsoffsets
- 29
- Berechnen
des Arcus-Sinus des korrigierten Längsbeschleunigungssignals
zum Bestimmen der Steigung
- 30
- Ausgeben/Bereitstellen
der Steigung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3744159
A1 [0003]
- - DE 102006038829 [0005]