DE102007034142B4

DE102007034142B4 - Verfahren zur Plausibilisierung einer die Gierrate oder die Querbeschleunigung oder den Lenkwinkel eines Fahrzeugs repräsentierenden Zustandsgröße

Info

Publication number: DE102007034142B4
Application number: DE102007034142.5A
Authority: DE
Inventors: Bernd Sternecker
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-07-21
Filing date: 2007-07-21
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2027-07-22
Also published as: DE102007034142A1

Abstract

Verfahren zur Plausibilisierung einer die Gierrate oder die Querbeschleunigung (aY) oder den Lenkwinkel (LW) eines nicht spurgebundenen zweispurigen Fahrzeugs mit einem Lenksystem repräsentierenden Zustandsgröße, welche in einem Fahrdynamik-Regelsystem eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, wobei ein Vergleich zwischen zumindest zwei derartigen, einander entsprechenden, jedoch auf unterschiedliche Weise gewonnenen Zustandsgrößen durchgeführt und bei einer signifikanter Abweichung zwischen diesen hierauf geeignet reagiert wird, wobei eine messtechnisch ermittelte Lenk-Größe und die Fahrgeschwindigkeit (Vx) des Fahrzeugs für die Generierung der Zustandsgröße verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das am Lenksystem anliegende und messbare Handmoment (HM) des Fahrers zur Generierung der Zustandsgröße herangezogen wird, indem aus zumindest einem dreidimensionalen Kennfeld (Lookup Table (2-D)) über den in diesem in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit (Vx) abgelegten Zusammenhang zwischen dem Handmoment (HM) und der Gierrate oder zwischen dem Handmoment (HM) und der Querbeschleunigung (aY) oder zwischen dem Handmoment (HM) und dem Lenkwinkel (LW) zumindest eine dieser drei Zustandsgrößen, nämlich Gierrate oder Querbeschleunigung (aY) oder Lenkwinkel (LW) abgerufen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plausibilisierung einer die Gierrate oder die Querbeschleunigung oder den Lenkwinkel eines nicht spurgebundenen zweispurigen Fahrzeugs repräsentierenden Zustandsgröße nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zum Stand der Technik wird neben der DE 197 08 508 A1 auf die US 5,842,143 A verwiesen.
Die DE 197 08 508 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung einer die Fahrzeugbewegung repräsentierenden Bewegungsgröße mit Mitteln zur Erfassung der Fahrzeug-Querbeschleunigung sowie einer von der Fahrbahn-Querneigung abhängigen Querbeschleunigungskomponente. Die US 5,842,143 A befasst sich mit der Stabilisierung einer Fahrzeug-Bewegung und wertet hierfür die Signale unter anderem eines Gierratensensors aus. Eine rechnerisch ermittelte Referenzgierrate wird mit der Gierrate des Gierraten-Sensor verglichen und es wird die Plausibilität des Gierratensensorsignal unter Berücksichtigung des Bewegungszustands des Fahrzeugs überprüft.
Unter den vorliegend verwendeten Begriff eines „Fahrdynamik-Regelsystems” eines Kraftfahrzeugs können sowohl längsdynamische als auch querdynamische als auch vertikaldynamische Regelsysteme fallen. Die (aktuelle) Gierrate eines Kraftfahrzeugs (bei Kurvenfahrt) fließt im allgemeinen neben einem längsdynamischen Bremsregelsystem (sog. „ESP” oder „DSC”) in ein querdynamisches Regelsystem ein, bei welchem es sich üblicherweise um ein regelbares Lenksystem handelt, bspw. für die lenkbaren Räder der Vorderachse eines zweispurigen Fahrzeugs, falls dieses bspw. mit einem steer-by-wire-System oder mit einem Lenksystem mit gezielt veränderbarer Lenkübersetzung (bspw. die sog. Aktivlenkung der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung) ausgerüstet ist, und/oder für ggf. lenkbare Hinterräder eines vorzugsweise zweispurigen Fahrzeugs, so dieses mit einer sog. Hinterrad-Lenkung ausgerüstet ist. Die (aktuelle) Querbeschleunigung des Fahrzeugs (bei Kurvenfahrt) fließt im allgemeinen in ein vertikaldynamisches Regelsystem ein, bei welchem es sich bspw. um ein Tragfedersystem mit sog. Federfußpunktverstellung handeln kann oder um ein System zur Veränderung der Federsteifigkeit eines Querstabilisators, welches bspw. bei der Anmelderin unter der Bezeichnung „Dynamic Drive” in Serie ist.
Bekanntlich ist sowohl die Gierrate als auch die Querbeschleunigung eines Kraftfahrzeugs mittels geeignet im Fahrzeug verbauter Sensoren messbar, jedoch kann es sich bei den genannten fahrdynamischen Regelsystemen um hoch sicherheitskritische Systeme handeln, deren Regeleingriff nie aufgrund der Signale eines einzelnen Sensors, erfolgen sollte. Gleiches kann im übrigen für den vom Fahrer an/mit seiner Lenkhandhabe (= Lenkrad) eingestellten Lenkwinkel gelten. Daher werden in Fahrdynamik-Regelsystemen die hier sog. Zustandsgrößen Gierrate, Querbeschleunigung, Lenkwinkel sowie Differenz-Radgeschwindigkeiten gegeneinander plausibilisiert, um bei unplausiblem Verhalten die Reglerfunktion zu degradieren, d. h. derart anzupassen, dass die Fahrsicherheit des Fahrzeugs sufgrund einer fehlerhaft erkannten Zustandsgröße nicht beeinträchtigt wird. Hierfür kann aus geeigneten Eingangsgrößen mit Hilfe bekannter Zusammenhänge, so bspw. der dem Fachmann bekannten Ackermannformel, eine sog. Modellgierrate berechnet sowie ein Status betreffend die Gültigkeit des dieser Berechnung zugrunde liegenden Modells ermittelt werden. Wenn bei Gültigkeit des Modells oder der Modelle eine zu große Abweichung zwischen den auf unterschiedliche Weise, nämlich über Modell-Berechnung und Messung ermittelten Gierraten (oder anderen der genannten Zustandsgrößen) festgestellt wird, so erfolgt üblicherweise nach einer gewissen Fehlerlatenzzeit eine sog. Degradation des Reglers, d. h. eine Abschaltung von Teilfunktionen bis hin zu einer Komplettabschaltung dieses Fahrdynamik-Reglers.
Eine Gültigkeit der bekannten bislang verwendeten Modelle, so insbesondere des sog. Einspurmodells, ist dabei nur im sog. Linearbereich gegeben, nicht mehr hingegen im Grenzbereich der Reifen und der Fahrdynamik, so dass in vielen Fahrsituationen (Grenzbereich, Über- und Untersteuern) keine gültigen Modellgrößen vorliegen können. Für sicherheitskritische Funktionen werden daher der Lenkwinkel, die Gierrate und die Querbeschleunigung des Fahrzeugs in oder für mehrere Fahrdynamik-Regelsystemen) redundant gemessen, da eine Plausibilisierung dieser Zustandsgrößen nur mit den bisher bekannten Modellen nicht in allen Fahrsituation möglich ist und sich Fehler sicherheitskritisch auswirken könnten. Eine redundante Sensor-Anordnung (für eine redundante Messung) stellt jedoch einen wünschenswerterweise zu vermeidenden Aufwand dar.
Im Hinblick hierauf eine Verbesserung aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Es wurde erkannt, dass ein hinreichend genau reproduzierbarer, nichtlinearer Zusammenhang jeweils zwischen dem sog. Handmoment und der Gierrate des Fahrzeugs sowie zwischen dem sog. Handmoment und der Querbeschleunigung des Fahrzeugs und schließlich auch zwischen dem sog. Handmoment und dem aktuell vom Fahrer gestellten Lenkwinkel besteht, und zwar jeweils in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Diese genannten drei Zusammenhänge lassen sich somit (über der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs) in dreidimensionalen Kennfeldern darstellen, nachdem diese Zusammenhänge für einen bestimmten Fahrzeugtyp vorzugsweise experimentell bestimmt wurden. Bei bekanntem Handmoment und bekannter Fahrgeschwindigkeit ist somit ein quasi Stationär-Wert für jede dieser drei genannten Zustandsgrößen (Gierrate, Querbeschleunigung, Lenkwinkel) aus dem jeweiligen dreidimensionalen Kennfeld einfach abrufbar. Anschließend kann ein solchermaßen ermittelter Wert mit einem entsprechenden vorrangig mit einem Sensor, generell jedoch andersartig ermittelten Wert (für Gierrate oder Querbeschleunigung oder Lenkwinkel) verglichen werden, um eine Aussage über die Verlässlichkeit des mittels des Sensors (oder andersartig) ermittelten Wertes für diese Zustandsgröße (im Sinne einer Redundanz) zu erhalten.
Dabei ist von besonderem Vorteil, dass jedenfalls in neueren hilfskraftunterstützten Lenksystemen von Kraftfahrzeugen, nämlich bei der sog. Elektrolenkung (mit elektromotorischer Lenkunterstützung) das genannte Handmoment bereits als Messgröße vorliegt, da dieses für eine geeignete Ansteuerung des Elektromotors benötigt wird. Vorteilhafterweise kann nun diese bereits vorhandene Messgröße (des vom Fahrer an das Lenksystem, insbesondere Lenkrad, angelegten Handmoments) verwendet werden, um hieraus unter Zuhilfenahme zumindest eines der drei genannten Kennfelder zumindest eine der drei genannten Zustandsgrößen, nämlich eine Gierrate oder eine Querbeschleunigung oder einen Lenkwinkel modellhaft zu bestimmen, welche dann zur Plausibilisierung eines entsprechenden, auf andere Weise gewonnenen Wertes für die Zustandsgröße herangezogen wird.
Vorzugsweise wird vor dieser Durchführung eines Vergleichs einer gemessenen (oder andersartig ermittelten) Zustandsgröße mit der aus dem Handmoment modellhaft abgeleiteten Zustandsgröße ein Abgleich hinsichtlich der Anwendbarkeit oder Gültigkeit dieses Zusammenhangs oder Modells unter den aktuellen Randbedingungen durchgeführt, d. h. es erfolgt anhand der aktuellen relevanten Randbedingungen eine Abfrage, ob der genannte erkannte Zusammenhang zwischen dem sog. Handmoment und der Gierrate des Fahrzeugs sowie zwischen dem sog. Handmoment und der Querbeschleunigung des Fahrzeugs und schließlich auch zwischen dem sog. Handmoment und dem aktuell gestellten Lenkwinkel aktuell überhaupt besteht, wobei die hierfür erforderlichen Daten ebenso wie die genannten dreidimensionalen Kennfelder in einer elektronischen Steuereinheit geeignet abgelegt sein können. Grundsätzlich jedoch ist die Verfügbarkeit eines hier vorgeschlagenen Modells (mit den genannten dreidimensionalen Kennfeldern) unter Zugrundelegung des Handmoments besser als diejenige des bekannten (und bereits genannten) Einspurmodells, da die angegebenen in dreidimensionalen Kennfeldern enthaltenen Zusammenhänge (zwischen dem Handmoment und der Gierrate oder zwischen dem Handmoment und der Querbeschleunigung oder zwischen dem Handmoment und dem Lenkwinkel) jeweils bis in den fahrdynamischen Grenzbereich hinein gültig sind.
Somit können also in einem weiten Fahrzustands-Bereich des Fahrzeugs die wie beschrieben aus dem Handmoment modellhaft abgeleiteten (und ggf. geeignet überarbeiteten) Zustandsgrößen (ggf. zusätzlich zu den bekannten Modellgrößen wie Ackermanngierrate etc.) verwendet werden, um die entsprechenden gemessenen Zustandsgrößen (Gierrate, Querbeschleunigung, Lenkwinkel) zu plausibilisieren und dadurch entsprechende Statusinformationen zu generieren. Das Fahrdynamik-Regelsystem kann dann diese Statusinformationen benutzen, um entsprechend angepasst zu degradieren.
So kann bei einer Abweichung zwischen zwei redundanten Sensorwerten durch eine erfindungsgemäß aus dem Handmoment ermittelte Zustandsgröße bestimmt werden, welcher der beiden Sensorwerte gültig ist und damit für die Fahrdynamik-Regelung verwendet werden darf. Üblicherweise wird der Mittelwert der beiden Sensordaten verwendet, wenn kein Fehler durch den Vergleich zwischen dem modellhaft ermittelten Wert und einem der beiden Sensorwerten festgestellt wird. Bei einem Fehler auf einem der beiden redundanten Signale wird auf das jeweils andere geschaltet, d. h. dass die Zustandsgröße neben der Ableitung aus dem Handmoment aus den Signalen zweier redundanter Sensoren ermittelt wird und deren Mittelwert mit dem aus dem Handmoment abgeleiteten Wert verglichen wird, wobei im Falle einer signifikanten Abweichung dasjenige Sensorsignal, das mit dem sog. Handmoment-Wert hinreichend übereinstimmt, im Fahrdynamik-Regelsystem verwendet wird. Erst wenn beide Sensorsignale gegenüber dem aus dem Handmoment ermittelten sog. Modellwert unplausibel sind, kann ein Ersatzwert verwendet oder das Regelsystem abgeschaltet werden.
Eine entsprechende mögliche Implementierung ist (für die Querbeschleunigung als Zustandsgröße) in dem in der beigefügten 1 dargestellten Blockschaltbild skizziert. Liegt hingegen lediglich ein nichtredundanter Sensor vor, so kann der sog. Modellwert verwendet werden, um den Messwert abzusichern, so dass eine sicherheitskritische Auswirkung bei einem Sensorfehler ausgeschlossen wird. Dabei kann also die jeweilige Zustandsgröße neben der Ableitung aus dem Handmoment aus den Signalen eines Sensors und weiterhin aus einem anderen herkömmlichen Modell, insbesondere dem sog. Einspurmodell, ermittelt werden. Eine entsprechende mögliche Implementierung ist in dem in der beigefügten 2 dargestellten Blockschaltbild skizziert.
Im Folgenden sind die in den 1, 2 enthaltenen, ggf. erläuterungsbedürftigen Bezeichnungen kurz erläutert:

AY_Sensor: ist die mittels eines Sensors (bzw. bei Zusatz einer Ziffer vom jeweiligen Sensor) ermittelte Querbeschleunigung des Fahrzeugs
HM_Sensor: ist das mittels eines Sensors ermittelte, vom Fahrer des Fahrzeugs an dessen Lenksystem angelegte Handmoment;
Vx: ist die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs;
Gierrate: ist die vorzugsweise mittels eines Gierratensensors ermittelte Gierrate des Fahrzeugs;
HM: ist (abermals) das Handmoment, jedoch muss dieses nicht zwangsweise von einem Sensor gemessen sein;
aY: ist (abermals) die Querbeschleunigung, jedoch muss diese nicht zwangsweise von einem Sensor gemessen sein;
Radschlupf: ist der (vorzugsweise geschätzte) Schlupf zwischen den Fzg.-Rädern und der Fahrbahn;
Schwimmwinkelgeschwindigkeit: ist die (vorzugsweise geschätzte) Schwimmwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs;
Lookup Table (2-D): ist das genannte dreidimensionale Kennfeld, welches fahrgeschwindigkeitsabhängig (deshalb hier als 2-D bezeichnet) den Zusammenhang zwischen Handmoment und einer der drei Größen „Gierrate”, „Querbeschleunigung”, Lenkwinkel” enthält;
Modellgültigkeit: in diesem Block wird bzw. werden aus den angegebenen Eingangsgrößen Model-Gültigkeitsfaktoren gebildet, nämlich:
Modellgültigkeit_HM: als Faktor für die über das Handmoment aus dem „Lookup Table (2-D)” bestimmte Größe,
Modellgültigkeit_ESM: als Faktor für die über das Einspurmodell bestimmte Größe;
Einspurmodell: in diesem Block wird aus den angegebenen Größen, nämlich der Fahrgeschwindigkeit Vx und dem vom Fahrer eingestellten Lenkwinkel ein Modellwert für die Querbeschleunigung (= aY_ESM) in bekannter Weise bestimmt;
LW_Sensor: stellt das Sensorsignal für den Lenkwinkel (LW) dar;

Die weiteren in den beigefügten Blockschaltbildern enthaltenen Angaben und Symbole sind selbsterklärend bzw. dem Fachmann bekannt.
Schließlich kann, wie weiterhin beispielhaft in 3 als Blockschaltbild dargestellt ist, ein sog. Modell-Lenkwinkel als Zustandsgröße bestimmt werden, indem über das genannte Kennfeld ein stationärer Lenkwinkel und aus dem Handmoment durch zweimalige Integration und Korrektur über ein weiteres Beobachtermodell, insbesondere ein Luenberger-Beobachter-Modell, ein dynamischer Lenkwinkel bestimmt werden, die über eine gewichtete Mittelwertbildung zusammengeführt werden, woraufhin ein gemessener Lenkwinkel (als entsprechende Zustandsgröße) gegen diesen Modell-Lenkwinkel plausibilisiert wird. Neben den bereits erläuterten oder dem Fachmann geläufigen Bezeichnungen gibt es hier zwei Integrator-Glieder und weiterhin ein Luenberger-Beobachter-Modell. Als Gewichtungsfaktoren werden ein statischer Faktor (Faktor_stat) für die statische Lenkwinkel-Bestimmung und ein dynamischer Faktor (Faktor_dyn) für die dynamische Lenkwinkel-Bestimmung verwendet. Wie ersichtlich wird das Handmoment zweimal aufintegriert, um einen dynamischen Modelllenkwinkel zu erhalten. Aus dem genannten dreidimensionalen Kennfeld („Lookup Table (2-D)”) ergibt sich ein stationärer Zusammenhang zwischen dem Handmoment und dem Lenkwinkel. Wie in 3 dargestellt, wird der dynamische Lenkwinkel über ein Luenberger-Beobachter-Modell korrigiert. Anschließend werden der stationäre und der dynamische Lenkwinkel über eine gewichtete Mittelwertbildung zusammengeführt, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Plausibilisierung einer die Gierrate oder die Querbeschleunigung (aY) oder den Lenkwinkel (LW) eines nicht spurgebundenen zweispurigen Fahrzeugs mit einem Lenksystem repräsentierenden Zustandsgröße, welche in einem Fahrdynamik-Regelsystem eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, wobei ein Vergleich zwischen zumindest zwei derartigen, einander entsprechenden, jedoch auf unterschiedliche Weise gewonnenen Zustandsgrößen durchgeführt und bei einer signifikanter Abweichung zwischen diesen hierauf geeignet reagiert wird, wobei eine messtechnisch ermittelte Lenk-Größe und die Fahrgeschwindigkeit (Vx) des Fahrzeugs für die Generierung der Zustandsgröße verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das am Lenksystem anliegende und messbare Handmoment (HM) des Fahrers zur Generierung der Zustandsgröße herangezogen wird, indem aus zumindest einem dreidimensionalen Kennfeld (Lookup Table (2-D)) über den in diesem in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit (Vx) abgelegten Zusammenhang zwischen dem Handmoment (HM) und der Gierrate oder zwischen dem Handmoment (HM) und der Querbeschleunigung (aY) oder zwischen dem Handmoment (HM) und dem Lenkwinkel (LW) zumindest eine dieser drei Zustandsgrößen, nämlich Gierrate oder Querbeschleunigung (aY) oder Lenkwinkel (LW) abgerufen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor Durchführung des Vergleichs mit der aus dem Handmoment (HM) abgeleiteten Zustandsgröße ein Abgleich hinsichtlich der Anwendbarkeit oder Gültigkeit dieses Zusammenhangs oder Modells unter den aktuellen Randbedingungen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße neben der Ableitung aus dem Handmoment (HM) aus den Signalen zweier redundanter Sensoren ermittelt wird und deren Mittelwert mit dem aus dem Handmoment (HM) abgeleiteten Wert verglichen wird, wobei im Falle einer signifikanten Abweichung dasjenige Sensorsignal, das mit dem sog. Handmoment-Wert hinreichend übereinstimmt, im Fahrdynamik-Regelsystem verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße neben der Ableitung aus dem Handmoment (HM) aus den Signalen eines Sensors (HM_Sensor) ermittelt wird und weiterhin aus einem anderen herkömmlichen Einspurmodell.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modell-Lenkwinkel als Zustandsgröße bestimmt wird, indem über das genannte Kennfeld (Lookup Table (2-D)) ein stationärer Lenkwinkel und aus dem Handmoment (HM) durch zweimalige Integration und Korrektur über ein weiteres Beobachtermodell ein dynamischer Lenkwinkel bestimmt werden, die über eine gewichtete Mittelwertbildung zusammengeführt werden, woraufhin ein gemessener Lenkwinkel als entsprechende Zustandsgröße gegen diesen Modell-Lenkwinkel plausibilisiert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei signifikanter Abweichung zwischen zwei miteinander zu vergleichenden Zustandsgrößen das diese grundsätzlich verarbeitende Fahrdynamik-Regelsystem degradiert wird.