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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen von Fahrzeugzuständen sowie
eine Vorrichtung für
ein Kraftfahrzeug zur Durchführung
des Verfahrens.
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Für die Kontrolle
von Kraftfahrzeugen bzw. für
den Fahrkomfort werden in zunehmendem Maße elektronische Systeme eingesetzt,
welche die direkte Steuerung des Fahrers ergänzen bzw. teilweise ersetzen.
Derartige Systeme sind beispielsweise Antiblockiersysteme (ABS)
oder die elektronische Fahrzeugstabilisierung (ESP). Die Stabilität von Kraftfahrzeugen
hängt hierbei
stark von einer Reihe von Zuständen
ab. Um diese Zustände
abschätzen
zu können,
und so die Stabilität
des Kraftfahrzeuges günstig beeinflussen
zu können,
ist es bekannt, daß Steuergeräte zum Beispiel
Signale, beispielsweise von Sensoren oder dergleichen erhalten.
Derartige Sensoren oder Meßeinrichtungen
nehmen z. B. Fahrzeuglängsbeschleunigungen,
Fahrzeugquerbeschleunigungen, die Gierrate, Wankwinkel und Wankrate,
Nickwinkel und Nickrate oder Straßenneigungen (Querkraftstörungen)
auf. Bekannt ist, daß diese
Vielzahl von Systemen, von einer Vielzahl unterschiedlichster Systemlieferanten,
welche jeweils ihre eigenen Sensoren oder dergleichen Meßsysteme
mit jeweils individuellen Untersystemen zur Signalerfassung nutzen,
bereitgestellt werden und im Kraftfahrzeug isoliert voneinander
betrieben werden. Zugleich liefern die jeweiligen Sensoren mit den
zugeordneten Schätz-
bzw. Berechnungseinheiten jeweils die erforderlichen Zustandsignale,
denen mittels entsprechender Vorrichtungen individuell entsprochen
werden kann, um die Kontrolle von Kraftfahrzeugen bzw. den Fahrkomfort
zu erhöhen.
Hierbei kann jedoch ein Konflikt zwischen den unterschiedlichen
Einheiten zur Einstellung bzw. Regelung auf ein gewünschtes
Ziel bzw. auf eine gewünschte
Fahrzeugeinstellung auftreten, so daß beispielsweise der Fahrkomfort
leidet. Die Komplexität der
derzeit bekannten Schätzverfahren
steigt aber mit einer nichtlinearen Kopplung zwischen den Fahrzeugzuständen, einem
unscharfen Reifenmodell und dem Effekt von Umwelteinflüssen bzw.
Störungen.
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Vor
diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das
Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln
dahingehend zu verbessern, daß die
vorgenannten Nachteile vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung weist das Verfahren zum Abschätzen von
Fahrzeugzuständen
Einheiten zumindest zur Berechnung von
Fahrzeugzuständen,
Radkräften,
Vertikalbewegungen,
und
von Schräglaufwinkeln
der Räder
auf,
wobei die Einheiten zu einem Gesamtestimator zusammengefaßt sind,
und wobei eine Feedback-Einheit in dem Gesamtestimator integriert
ist, die einen Feedbackalgorithmus für die Einheit zur Berechnung
der Fahrzeugzustände
aufweist, und wobei der Gesamtestimator die Fahrzeugzustände in den
drei Raumrichtungen miteinander zu einem Gesamtvektor kombiniert.
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Vorteilhafter
Weise wird somit ein Gesamtestimator zur Verfügung gestellt, welcher die
drei Bewegungsrichtungen des Fahrzeuges miteinander kombiniert.
Das Ausgabesignal des Gesamtestimators kann allen Steuergeräten zugeführt werden,
welche Informationen bezüglich
der Fahrzeugbewegung benötigen.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die dynamische Fahrzeugkontrolle
eine genaue Kenntnis der tatsächlichen
Fahrzeugbewegung benötigt.
Der Gesamtestimator ist günstiger
Weise als ein zentrales System ausgeführt, welches alle unterschiedlichen
Steuergeräte
mit der erforderlichen Bewegungsinformation des Fahrzeuges versorgt.
Alle erhältlichen
Meßwerte
bzw. Sensorsignale werden dem Gesamtestimator zugeführt und
mit der Kenntnis des physikalischen Verhaltens des Fahrzeugs ergänzt, um
den Gesamtzustandsvektor der Fahrzeugbewegung zu rekonstruieren.
Der Gesamtestimator umfaßt
die unterschiedlichen Einheiten, die bevorzugt über Schnittstellen miteinander
vernetzt sind.
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Bevorzugter
Weise werden die folgenden Fahrzeugzustände geschätzt, ohne daß diese
beispielhaften Angaben beschränkend
sein sollen:
Fahrzeuglängsbeschleunigung
(Zustand)
Fahrzeugquerbeschleunigung (Zustand)
Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
Fahrzeugquergeschwindigkeit
Schräglaufwinkel
der Räder
(vorne/hinten)
Schlupf der Räder
Gierrate (Zustand)
Wankwinkel,
Wankrate (Rollwinkel, Rollrate) (Zustand)
Nickwinkel, Nickrate
(Zustand)
Hubversatz, Hubgeschwindigkeit (Zustand)
Dynamische
Reifenbelastung für
jedes Rad
Dynamische Längskräfte an jedem
Rad
Dynamische Querkräfte
an jedem Rad
Straßenreibkoeffizient
(Zustand)
Straßenneigung
(oder Querkraftstörungen)
(Zustand)
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Zur
Schätzung
werden vorzugsweise alle über
den CAN-Bus des Fahrzeugs erhältlichen
Standardsignale verwendet, wie zum Beispiel:
Gierrate
(Unterschiedliche)
Querbeschleunigung(-smessungen)
Lenkradwinkel oder Radwinkel
Reifengeschwindigkeit
(aller Räder)
Bremsdruck
(auf allen Rädern)
Motorgeschwindigkeit
und -moment
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Der
Gesamtestimator ist in bevorzugter Ausgestaltung in jeder elektronischen
Plattform des Fahrzeuges implementierbar, wobei der Gesamtestimator
auf dem Erweiterten Kalman Ansatz, bevorzugt mit zusätzlicher
Modifikation basiert. Einige der Komponenten des Gesamtestimators
verwenden Sliding Mode Verfahren (Gleitzustandsverfahren) oder adaptive
nichtlineare Algorithmen. Der Gesamtestimator kann verwendet werden,
um virtuelle Signale zu generieren bzw. zu schätzen, wie z. B. Schräglaufwinkel.
Zudem kann der Gesamtestimator zur Verbesserung gemessener Signale,
wie z. B. Gierrate verwendet werden, für den Fall, daß aus Kostengründen ein
weniger geeigneter Sensor verwendet wird. Der Gesamtestimator kann
aber auch als Schätzvorrichtung
für Störwerte wie
z. B. Straßenreibkoeffizient,
Straßenneigung,
oder jeglicher anderen Querkraftstörung (Seitenwind) verwendet
werden. Die Gesamtestimatorstruktur ist flexibel und kann an unterschiedliche
Fahreranforderungen oder erhältliche Eingangsignale
angepaßt
werden. Zudem kann der Gesamtestimator derart konfiguriert sein,
daß jedes zusätzliche
Sensorsignal verarbeitet werden kann. Vorteilhaft kann jede externe
Schätzeinheit
in den Gesamtestimator integriert werden, sofern die korrekten Schnittstellen
verwendet werden.
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Der
Gesamtestimator kann eine interne Funktion jedes der folgenden Systeme
sein:
Dynamische Fahrzeugstabilitätssteuerung oder dergleichen
Navigationssystem
Elektrische
Servolenkung oder dergleichen
Elektrische aktive Bremssysteme
oder dergleichen
Elektrische Abstellbremse oder dergleichen
Fahrzeugstabilitätssteuerung
für das
elektrische Differential
Vorwarnende Unfallsysteme
Aktive
Aufhängungssysteme
(elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch)
Elektrische Dämpfsysteme
Implementierung
in eine Sensorgruppe
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Zusätzlich zu
den bereits genannten, miteinander vernetzten Einheiten kann in
dem Gesamtestimator eine Einheit zur Abschätzung von Straßenneigungen, Querkraftstörungen und
des Reibkoeffizienten integriert sein, wobei in dieser Einheit die
externen Hauptstörungen
bestimmt werden, und wobei als Eingangsignal hauptsächlich der
Feedback Korrektur Beitrag verarbeitet wird, so dass als Ausgangssignale
der Straßenreibkoeffizient
und die Straßenneigung bestimmt
werden.
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Vorteilhaft
kann zudem eine Einheit zur Abschätzung der Schräglaufsteifigkeit
der Räder
in dem Gesamtestimator integriert sein. Dies ist insbesondere aus
der Sicht der Robustheit günstig.
Als Eingangsignale werden Fahrzeugzustände, Straßenreibung und erhältliche
Messungen verarbeitet, so daß als Ausgangssignal
eben die Schräglaufsteifigkeit
der Räder
erhalten wird. Natürlich
kann diese für
vier Räder
ermittelt werden, wobei die Ausgangssignale natürlich auf zwei vereinfacht
werden können.
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In
der Einheit zur Berechnung der Fahrzeugzustandsschätzung werden
die Längsgeschwindigkeit,
Quergeschwindigkeit und die Gierrate zu jeder Abtastzeit bestimmt
bzw. berechnet und upgedated (erneuert), wobei als Eingangssignal
Längs-
und Querkraft eines jeden Rades und das korrigierte Feedback der
Feedbackeinheit verarbeitet werden.
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Mit
der Einheit zur Berechnung der Radkräfte wird ein Reifenmodell implementiert.
Die Komplexität des
Reifenmodells hängt
von der gewünschten
Genauigkeit ab. Das Reifenmodell kann jede analytische Gleichung
wie zum Beispiel das „Pacejka
Reifenmodell" oder
das „Bürsten Reifenmodell" sein. Möglich ist
natürlich
auch, einfache Tabellen oder dergleichen zu verwenden. Als Ausgangssignale werden
die Längs-
und Querkräfte
der Reifen generiert. Als Eingangssignale werden der Einheit die Schräglaufwinkel
(links/recht; vorne/hinten), das Schlupfverhalten der Räder, vertikale
Radbelastungen und vorzugsweise jeder andere reifengeometrische
Parameter zugeführt.
Der Straßenreibkoeffizient
und die Straßenneigung
können
dieser Einheit natürlich
auch als Eingangssignal zugeführt
werden.
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In
der Einheit zur Berechnung der Vertikaldynamik werden Fahrzeugzustände wie
zum Beispiel der Wankwinkel und die Wankrate (Rollwinkel, Rollrate),
der Nickwinkel und die Nickrate, der Hubversatz und die Hubgeschwindigkeit
(in Vertikalrichtung) berechnet. Diese Einheit umfaßt ein komplettes,
passives Modell der Radaufhängung
des Fahrzeugs. Als Eingangssignale werden die Radkräfte (Längs- und Querkraft) und
die Fahrzeugzustände
(Längsgeschwindigkeit,
Quergeschwindigkeit und die Gierrate) verarbeitet. Zusätzliche
Eingangssignale können der
Einheit zugeführt
werden, wenn ein aktives Modell der Radaufhängung implementiert ist. Diese
zusätzliche
Schnittstelle kann eine generische Aufhängungskraft auf jedem Reifen
sein, welche die aktive Kraft, die durch das aktive Modell der Radaufhängung generiert
wird, repräsentiert.
Das Ausgangssignal dieser Einheit ist die Lastverteilung an jedem Rad.
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In
einer optional integrierten Einheit zur Berechnung der Reifendynamik
und des Schlupfverhaltens werden die vier voneinander unabhängigen Reifendynamiken
implementiert, um die Reifengeschwindigkeit zu berechnen. Als Eingangssignale werden
das Motormoment und der Bremsdruck auf jedem Rad verarbeitet, wobei
als Ausgangssignal eben die Radgeschwindigkeit und das Schlupfverhalten
jeden Rades erhalten wird.
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In
der Einheit zur Berechnung des Schräglaufwinkels basiert die Berechnung
der (vier) Schräglaufwinkel
auf dem Fahrzeugzustandsvektor und dem Lenkradwinkel.
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Die
Feedback Berechnungseinheit umfaßt den Feedbackalgorithmus.
Als Eingangssignale werden die Radkräfte, Fahrzeugzustände, Straßenreibung,
und Variationen der Kräfte
bezogen auf sich ändernde
Zustände
in Längsrichtung
verarbeitet. Die Residuen werden in der Einheit berechnet, und sowohl
der Einheit zur Berechnung des Schätzwertes der Fahrzeugstände als
auch (sofern in dem Gesamtestimator implementiert) der Einheit zur
Abschätzung
von Straßenneigungen,
Querkraftstörungen und
des Reibkoeffizienten zugeführt.
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Der
Gesamtestimator ist bevorzugt in einer modularen Struktur ausgeführt, um
eine größere Flexibilität und Variationsmöglichkeit
zu erreichen. Es ist durchaus möglich,
unterschiedliche Konfigurationen unter Beachtung der Endspezifikation
des Fahrers bzw. des Endverbrauchers zu generieren. Von daher kann
beispielsweise eine Gesamtstruktur etabliert werden, wobei z. B.
aber auch eine Struktur ohne Schräglaufsteifigkeitsschätzung und/oder
ohne Störkraftschätzung denkbar
ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und
der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
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1 eine
Gesamtestimatorstruktur mit miteinander vernetzten Einheiten,
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2 und 3 die
Struktur aus 1 ohne Einheit zur Abschätzung der
Schräglaufsteifigkeit, und
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4 und 5 die
Struktur aus 1 ohne Einheit zur Abschätzung von
Straßenneigungen, Querkraftstörungen und
des Reibkoeffizienten.
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In
den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben
Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben
werden.
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1 zeigt
eine Gesamtestimatorstruktur bzw. einen Gesamtestimator 1 mit
miteinander vernetzten Einheiten 2, 3, 4, 6, 7, 8 und 9,
zur Berechnung bzw. Schätzung
von
Fahrzeugzuständen 2
Radkräften 3,
Vertikalbewegungen 4,
Radbewegungen
und Schlupfverhalten 6,
Schräglaufwinkeln der Räder 7,
Straßenneigungen,
Querkraftstörungen
und des Reibkoeffizienten 8, und der Schräglaufsteifigkeit
der Räder 9,
wobei
eine Feedback-Einheit 11 in dem Gesamtestimator integriert
ist, die einen Feedbackalgorithmus für die Einheit 2 zur
Berechnung der Fahrzeugzustände
aufweist, und wobei der Gesamtestimator 1 die Fahrzeugzustände in den
drei Raumrichtungen miteinander zu einem Gesamtvektor kombiniert.
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In
der Einheit 2 zur Berechnung der Fahrzeugzustandsschätzung werden
die Längsgeschwindigkeit,
Quergeschwindigkeit und die Gierrate (vx,
vy, vψ) zu jeder Abtastzeit
bestimmt bzw. berechnet und upgedated, wobei als Eingangssignal
Längs-
und Querkraft (Fx, Fy)
eines jeden Rades und das korrigierte Feedback (Rx)
der Feedbackeinheit verarbeitet werden.
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Mit
der Einheit 3 zur Berechnung der Radkräfte wird ein Reifenmodell implementiert.
Die Komplexität
des Reifenmodells hängt
von der gewünschten
Genauigkeit ab. Das Reifenmodell kann jede analytische Gleichung
wie zum Beispiel das „Pacejka Reifenmodell" oder das „Bürsten Reifenmodell" sein. Möglich ist
natürlich
auch, einfache Tabellen oder dergleichen zu verwenden. Als Ausgangssignale werden
die Längs-
und Querkräfte
(Fx, Fy) der Reifen generiert.
Als Eingangssignale werden der Einheit die Schräglaufwinkel (α) (links/recht;
vorne/hinten), das Schlupfverhalten (λ) der Räder, vertikale Radbelastungen
(Fz) und vorzugsweise jeder andere reifengeometrische
Parameter zugeführt.
Der Straßenreibkoeffizient
(μ) und
die Straßenneigung
(σ) können dieser
Einheit natürlich
auch als Eingangssignal zugeführt
werden.
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In
der Einheit 4 zur Berechnung der Vertikaldynamik werden
Fahrzeugzustände
wie zum Beispiel der Wankwinkel und die Wankrate (φ, vφ)
(Rollwinkel, Rollrate), der Nickwinkel und die Nickrate (θ, vθ),
der Hubversatz und die Hubgeschwindigkeit (z, vz)
(in Vertikalrichtung) berechnet. Diese Einheit umfaßt ein komplettes,
passives Modell der Radaufhängung
des Fahrzeugs. Als Eingangssignale werden die Radkräfte (Längs- und
Querkraft) (Fx, Fy)
und die Fahrzeugzustände
(Längsgeschwindigkeit,
Quergeschwindigkeit und die Gierrate; (vx,
vy, vψ)) verarbeitet. Zusätzliche
Eingangssignale können
der Einheit zugeführt werden,
wenn ein aktives Modell der Radaufhängung implementiert ist. Diese
zusätzliche
Schnittstelle kann eine generische Aufhängungskraft (ΔFz) auf jedem Reifen sein, welche die aktive
Kraft, die durch das aktive Modell der Radaufhängung generiert wird, repräsentiert.
Als Ausgangssignal dieser Einheit wird die Lastverteilung (Fz) an jedem Rad generiert.
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In
der optional integrierten Einheit 6 zur Berechnung der
Reifendynamik (Radbewegung) und des Schlupfverhaltens werden die
vier voneinander unabhängigen
Reifendynamiken implementiert, um die Reifengeschwindigkeit zu berechnen.
Als Eingangssignale werden das Motormoment und der Bremsdruck auf
jedem Rad verarbeitet, wobei als Ausgangssignal eben die Radgeschwindigkeit
und das Schlupfverhalten jeden Rades erhalten wird.
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In
der Einheit 7 zur Berechnung des Schräglaufwinkels basiert die Berechnung
der (vier) Schräglaufwinkel
auf dem Fahrzeugzustandsvektor und dem Lenkradwinkel.
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Die
Feedback Berechnungseinheit 11 umfaßt den Feedbackalgorithmus.
Als Eingangssignale werden die Radkräfte, Fahrzeugzustände, Straßenreibung,
und Variationen der Kräfte
bezogen auf sich ändernde
Zustände
in Längsrichtung
(∂F/∂x) verarbeitet.
Die Residuen werden in der Einheit berechnet (Rx;
Rμ),
und sowohl der Einheit zur Berechnung des Schätzwertes der Fahrzeugstände (Rx) als auch der Einheit 8 zur Abschätzung von
Straßenneigungen, Querkraftstörungen und
des Reibkoeffizienten (Rμ) zugeführt.
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Die
Einheit 8 zur Abschätzung
von Straßenneigungen,
Querkraftstörungen
und des Reibkoeffizienten kann in dem Gesamtestimator 1 integriert
sein, wobei in dieser Einheit die externen Hauptstörungen bestimmt
werden, und wobei als Eingangsignal hauptsächlich der Feedback Korrektur
Beitrag (Rμ) verarbeitet
wird, so daß als
Ausgangssignale der Straßenreibkoeffizient
(μ) und
der Straßenneigungswinkel
(σ) bestimmt
werden.
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Die
Einheit 9 zur Abschätzung
der Schräglaufsteifigkeit
der Räder
verarbeitet als Eingangsignale Fahrzeugzustände (Längsgeschwindigkeit, Quergeschwindigkeit
und die Gierrate; (vx, vy,
vψ)), Straßenreibung
(μ) und
erhältliche
Messungen (ymeas), so daß als Ausgangssignal eben die
Schräglaufsteifigkeit
der Räder
erhalten wird. Natürlich
kann diese für
vier Räder
erhalten werden, wobei die Ausgangssignale natürlich auf zwei vereinfacht
werden können.
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Der
Gesamtestimator 1 ist in seiner Struktur somit beispielhaft
in einer modularen Struktur aufgebaut, die sehr flexibel und variabel
ist, um so die auf unterschiedliche Anforderungen, welche von dem Endverbraucher
vorgegeben werden, reagieren zu können. Beispielsweise sind folgende
Konfigurationen möglich:
In 2 ist
die Struktur aus 1 ohne die Einheit 9 dargestellt
(Zustandsschätzung
ohne Schräglaufsteifigkeit)
wobei in 3 zudem auf die Einheit 6 verzichtet
wurde (Zustandsschätzung
in Querrichtung ohne Schräglaufsteifigkeit).
In 4 ist die Struktur aus 1 ohne die
Einheit 8 (Zustandsschätzung ohne
Störeinfluß) dargestellt,
wobei in 5 zusätzlich auf die Einheit 6 verzichtet
wurde (Zustandsschätzung
in Querrichtung ohne Störeinfluß).
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In
dem Schätzalgorithmus
wird das gesamte Fahrzeugmodel in zwei Untersysteme, und zwar in ein
Längs-
und ein Queruntersystem separiert. Alle Zwischenvariablen zwischen
den beiden Untersystemen werden als von dem Zustandsvektor des jeweiligen
Untersystems abhängige
Parameter angesehen. Der Querzustandsvektor wird mit dem Straßenreibkoeffizient
und allen anderen Störgrößen erweitert.
Der erweiterte Kalman Filter Algorithmus wird auf beiden Untersystemen
separat angewendet. Die Kalmanverstärkungen werden definiert, indem
der Standard-Algorithmus
verwendet wird. Diese Verstärkungen
können
on-line oder off-line berechnet werden, was von der Rechenmöglichkeit
des Systems bzw. von der Rechenleistung der Hardware des Systems,
in dem der Gesamtestimator integriert ist, abhängt. Schließlich werden beide Untersysteme bzw.
beide Beobachter miteinander kombiniert und erweitern beide Untersysteme
um das zusätzliche adaptive
nichtlineare Feedback.