DE102007045572B4

DE102007045572B4 - Verfahren zur Reduzierung der Kippgefahr bei Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102007045572B4
Application number: DE102007045572.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Ziegler; Frank Niewels; Manfred Gerdes; Sylvia Futterer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2007-09-24
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: DE102007045572A1; FR2921325A1; KR20090031652A; US8315765B2; KR101044865B1; US20090082923A1

Abstract

Verfahren zur Reduzierung der Kippgefahr bei Fahrzeugen, bei dem mindestens eine die Querdynamik des Fahrzeugs charakterisierende Zustandsgröße ermittelt und einem das Fahrzeug stabilisierenden Eingriff in das Lenksystem und das Bremssystem zugrunde gelegt wird, wobei zur Stabilisierung des Fahrzeugs eine Mehrgrößenregelung durchgeführt wird, bei der zwei Regelkreise überlagert werden, von denen dem ersten Regelkreis eine Regelung der Gierrate (ψ̇) oder einer korrespondierenden Zustandsgröße und dem zweiten Regelkreis eine Regelung der Querbeschleunigung (ay) oder einer korrespondierenden Zustandsgröße zugrunde liegt, und wobei über den ersten und den zweiten Regelkreis sowohl das Lenksystem als auch das Bremssystem einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass den beiden Regelkreisen eine gemeinsame Sollwert-Führungsgröße zugrunde gelegt wird und dass ein Querbeschleunigungs-Grenzwert als Sollwert für den Querbeschleunigungs-Regelkreis vorgegeben wird und aus dem Querbeschleunigungs-Sollwert ein Gierraten-Sollwert für den Gierraten-Regelkreis ermittelt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung der Kippgefahr bei Fahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
In der DE 199 18 597 A1 wird ein derartiges Verfahren beschrieben, bei dem fortlaufend ein die Kippgefahr repräsentierender Kippkoeffizient berechnet wird, der auf dem Verhältnis von Schwerpunkthöhe zu Spurweite des Fahrzeuges basiert. In die Berechnung des Kippkoeffizienten fließen die Querbeschleunigung sowie der Wankwinkel ein. Überschreitet der aktuelle Kippkoeffizient einen Grenzwert, wird automatisch ein Lenkeingriff zur Stabilisierung des Fahrzeuges durchgeführt. Zusätzlich kann bei Überschreiten eines kritischen Wertes eine Bremsdruckregelung aktiviert werden, so dass über die Aktivierung der Bremse auch aktiv in die Längsdynamik des Kraftfahrzeugs eingegriffen wird. Allerdings enthält die DE 199 18 597 A1 keine Angaben, wie der Bremsvorgang bei gleichzeitigem Lenkeingriff durchgeführt wird.
Die EP 1 695 894 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung der Gierrate eines Fahrzeugs, die als Mehrgrößenregelung in Abhängigkeit der Gierrate und einer Zustandsgröße ausgeführt ist, welche von der Querkraft abhängt.
DE 197 49 005 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung von die Fahrzeugbewegung repräsentierenden Bewegungsgrößen, bei dem in die Lenkung und in die Bremsen des Fahrzeugs eingegriffen wird, um das Fahrzeug zu stabilisieren.
Die DE 103 41 412 A1 offenbart ein integriertes Fahrdynamikregelsystem für Fahrzeuge, bei dem auf der Basis der Gierrate und des Schwimmwinkels das Lenksystem und das Bremssystem des Fahrzeugs geregelt werden.
DE 101 15 809 A1 offenbart eine kombinierte Lenk- und Bremsregelung, bei der als Eingangsgröße die Gierrate und die Querbeschleunigung berücksichtigt werden. Zur Reduzierung störender Bremseingriffe bei aktivem Lenkregelsystem erfolgt das Abbremsen in Abhängigkeit einen Lenkvorgabegröße.
Aus der DE 100 61 075 A1 ist ein Verfahren zur Stabilitätsbeeinflussung von Kraftfahrzeugen bekannt, bei dem in bestimmten Fahrzuständen Regeleingriffe in das Bremssystem und das Antriebssysteme durchgeführt werden. Die Eingriffe erfolgen in Abhängigkeit verschiedener Zustandsgrößen wie Lenkwinkel, Querbeschleunigung und Gierrate.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit einfachen Maßnahmen durchzuführendes Verfahren zur Reduzierung der Kippgefahr bei Fahrzeugen anzugeben, mit dem eine verbesserte Fahrzeugstabilisierung erreicht werden kann. Vorteilhafterweise sollen ohne Gefahr für die Fahrzeugstabilität höhere Querbeschleunigungswerte erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reduzierung der Kippgefahr bei Fahrzeugen wird mindestens eine die Querdynamik des Fahrzeugs charakterisierende Zustandsgröße ermittelt und einem das Fahrzeug stabilisierenden Eingriff in das Lenksystem sowie in das Bremssystem zugrunde gelegt. Der Eingriff zur Stabilisierung des Fahrzeugs wird über eine Mehrgrößenregelung durchgeführt, bei der zwei Regelkreise überlagert werden. Dem ersten Regelkreis liegt eine Regelung der Gierrate oder einer mit der Gierrate korrespondierenden Zustandsgröße zugrunde, dem zweiten Regelkreis eine Regelung der Querbeschleunigung bzw. einer hiermit korrespondierenden Zustandsgröße. Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass grundsätzlich sowohl über den ersten als auch den zweiten Regelkreis sowohl das Lenksystem als auch das Bremssystem einstellbar ist.
Die mit diesem Verfahren durchgeführten Eingriffe führen zu einer bestmöglichen Fahrsicherheit bei optimiertem Fahrkomfort und minimaler Beeinträchtigung des Fahrverhaltens. Da erfindungsgemäß in den beiden überlagerten Regelkreisen sowohl die Gierrate als auch die Querbeschleunigung zugrunde gelegt wird, wird ein zur Instabilität neigendes Schwingen der Regelkreise vermieden. Über die Mehrgrößenregelung mit den gleichberechtigten Größen Gierrate und Querbeschleunigung wird das Querbeschleunigungs-Regelverhalten in jedem Fahrzustand stabilisiert. Da das Fahrzeug mit der vorgestellten Regelung extreme Schräglaufwinkel meidet, bei denen sich die Seitenkräfte der Reifen stark reduzieren, können ohne Gefahr für die Fahrzeugstabilität höhere Querbeschleunigungswerte erreicht werden.
Es können insbesondere vom Fahrer versehentlich überzogene Lenkungswinkel mit den Eingriffen in das Lenksystem und das Bremssystem neutralisiert oder zumindest abgeschwächt werden, wobei als Zielfunktion sowohl eine optimale Fahrsicherheit als auch ein optimaler Fahrkomfort, der mit minimalen Eingriffen in das Fahrzeugverhalten einhergeht, realisiert werden kann. Sofern ein aktives Lenksystem mit der Möglichkeit, einen Überlagerungslenkwinkel vorgeben zu können, vorhanden ist, können über die Mehrgrößenregelung Lenkeingriffe in das aktive Lenksystem vorgenommen werden, die ggf. durch zusätzliche stabilisierende Bremseingriffe unterstützt werden. Das aktive Lenksystem kann als Vorderachs-Lenksystem und/oder als Hinterachs-Lenksystem ausgeführt sein.
Da die Bremseingriffe einen größeren Einfluss auf den Fahrkomfort haben, kann es vorteilhaft sein, primär eine Fahrstabilitätsverbesserung über die Lenkeingriffe durchzuführen und die Bremseingriffe nur unterstützend für den Fall vorzunehmen, dass allein über die Lenkung keine ausreichende Stabilisierung erreicht werden kann. Auf diese Weise wird eine Hierarchie in der Beaufschlagung von Lenk- und Bremssystem erzeugt, derart, dass während der Durchführung des Verfahrens das Lenksystem permanent und das Bremssystem nur bedarfsweise beaufschlagt wird, wobei die Beaufschlagung des Bremssystems insbesondere anhand eines die Stabilität des Fahrzeugs kennzeichnenden Kriteriums, beispielsweise des Schräglaufwinkels entschieden wird. Sofern aus Stabilitätsgründen erforderlich, wird das Bremssystem beaufschlagt, andernfalls bleibt das Bremssystem unbeeinflusst.
Die Aufteilung der Regelung in einen ersten, die Gierrate betreffenden und einen zweiten, die Querbeschleunigung betreffenden Regelkreis hat den weiteren Vorteil, dass über den Gierraten-Regelkreis ein zusätzlicher, erheblicher Stabilitätsgewinn aufgrund des schnelleren Eingriffes erzielt werden kann. Außerdem bestehen zusätzliche Freiheitsgrade, über die bei einer entsprechenden Parametrisierung der Regler neben der verbesserten Fahrstabilität auch die Agilität des Fahrzeugs erhöht werden kann. Das Fahrverhalten kann auf unterschiedliche Anforderungen bezüglich Fahrsicherheit, Fahrkomfort und Fahragilität angepasst werden.
Grundsätzlich ist das Verfahren auf Fahrzeuge mit jeder Art Lenkungssystem anwendbar. Ein aktiv einstellbares Lenksystem mit der Möglichkeit der Vorgabe eines Überlagerungslenkwinkels erlaubt Lenkeingriffe, die sich besonders stark auf die Stabilität des Fahrzeugs auswirken. Prinzipiell ist es aber auch denkbar, beispielsweise ein als Electric Power Steering (EPS) ausgebildetes Lenksystem, welches keinen Überlagerungslenkwinkel vorsieht, für das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzen.
Hierbei wird das Maß der Momentenunterstützung beeinflusst, mit dem das Lenksystem das Lenkmoment des Fahrers verstärkt oder abschwächt.
Da der verfahrensgemäße Eingriff zur Verhinderung des Umkippens des Fahrzeugs höchste Priorität genießt, werden während der Beaufschlagung des Lenksystems und ggf. auch des Bremssystems sonstige Eingriffe anderer Regelsysteme, die im Fahrzeug realisiert sind und ebenfalls das Lenksystem, das Bremssystem und/oder andere aktive Stelleinrichtungen im Fahrzeug beaufschlagen, unterdrückt, um eine negative Beeinflussung des Stabilisierungsprozesses zu vermeiden. Im Falle eines aktiven Lenksystems wird vorteilhafterweise die Parametrisierung der variablen Lenkübersetzung während des Stabilisierungseingriffes festgefroren. Mit dem Beginn des erfindungsgemäßen Stabilisierungsverfahrens werden bei aktiven Lenksystemen die Überlagerungslenkwinkel, welche aktuell von sonstigen Lenksystemen vorgegeben werden, wieder auf neutrale Werte zurückgesetzt und es werden lediglich die Überlagerungslenkwinkel zugelassen, die sich aufgrund Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben.
Nach Beendigung des Verfahrens können die Eingriffe sonstiger Regelsysteme wieder zugelassen werden.
Den beiden Regelkreisen der Mehrgrößenregelung wird eine gemeinsame Sollwert-Führungsgröße zugrunde gelegt. Hierbei handelt es sich um einen Querbeschleunigungs-Grenzwert, der als Sollwert für den die Querbeschleunigung betreffenden Regelkreis vorgegeben wird und aus dem über einen kinematischen Zusammenhang ein entsprechender Gierraten-Sollwert ermittelt wird. Dieser ergibt sich z.B. durch Division des Gierbeschleunigungs-Grenzwertes mit der Fahrzeuggeschwindigkeit. Der Querbeschleunigungs-Grenzwert wird beispielsweise für eine stabile und stationäre Kreisfahrt angenommen. Diese Vorgehensweise vermeidet ein Aufschwingen jedes Regelkreises und verbessert somit die Stabilität.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden die sensorisch ermittelten Zustandsgrößen eines im Fahrzeug realisierten elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) verwendet. Hierbei kommen insbesondere die Ist-Gierrate und die Ist-Querbeschleunigung in Betracht. Die im ESP zur Verfügung stehenden Daten können der Initialbedingung zugrunde gelegt werden, bei der abgefragt wird, ob die Gefahr eines Umkippens des Fahrzeugs besteht, was Voraussetzung für den Start des erfindungsgemäßen Verfahrens ist. Auf diese Weise vermeidet man, zusätzliche Hardwarekomponenten vorsehen zu müssen; reicht es vielmehr aus, auf bestehende, im Fahrzeug verbaute Hardwarekomponenten zurückzugreifen.
Sofern im Fahrzeug ein aktives Fahrwerk mit einstellbarem Aktuator vorhanden ist, kann auch dieses für die Durchführung des Verfahrens eingesetzt werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

1 ein die Reglerarchitektur darstellendes Blockschaltbild zur Durchführung des Verfahrens,
2 ein Blockschaltbild, welches den Regelalgorithmus abbildet,
3 ein weiteres Blockschaltbild mit einer Darstellung der Bedingung zur Durchführung und zum Abbruch des Verfahrens zur Reduzierung der Kippgefahr.

In 1 ist die Reglerarchitektur zur Durchführung des Verfahrens der Mehrkreisregelung mit einem ersten, die Gierrate und einem zweiten, die Querbeschleunigung beeinflussenden Regelkreis dargestellt. Block 1 symbolisiert den Fahrer, der einen Lenkwinkel δ_F und einen Bremsdruck p_F vorgibt. Den Vorgaben des Fahrers werden jeweils Überlagerungswerte Δδ für den Lenkwinkel und Δp für den Bremsdruck zu einem Gesamtlenkwinkel δ und einem Gesamtbremsdruck p überlagert, die in dem im Block 2 symbolisierten Fahrzeug wirksam sind. Voraussetzung ist ein aktiv einstellbares Lenksystem, das die Erzeugung eines Überlagerungslenkwinkels erlaubt. Sofern dieses nicht im Fahrzeug vorgesehen ist, kann anstelle eines Überlagerungslenkwinkels auch das Lenkmoment über die Regelung beeinflusst werden.
Nach der Ansteuerung der Aktoren im Lenksystem und im Bremssystem sowie ggf. auch eines einem aktiven Fahrwerk zuzuordnenden Aktors stehen die aktuellen Werte der Gierrate ψ̇ und der Querbeschleunigung a_y für weitere Regelkreise zur Verfügung. Diese Istwerte werden außerdem in der vorliegenden Mehrgrößenregelung zur Reduzierung der Kippgefahr des Fahrzeuges in einem geschlossenen Kreislauf wieder zurückgeführt. Hierzu werden von den aktuellen Werten der Gierrate ψ̇ und der Querbeschleunigung a_y , die am Ausgang des Blockes 2 zur Verfügung stehen, Sollwerte subtrahiert, die in einem Block 3 ermittelt werden, welcher Bestandteil des Regel- bzw. Steuergerätes ist, in welchem das Verfahren abläuft. Als Resultat erhält man die Regelabweichung Δψ̇ für die Gierrate und Δa_y für die Querbeschleunigung, die einem Controller 4 zugeführt werden, welcher ebenfalls Bestandteil des Regel- bzw. Steuergeräts ist. Über den Controller 4 und einem dem Controller nachgeschalteten Block 5, der als Koordinierungseinheit dient, werden Stellsignale erzeugt, die den Aktoren 6 und 7 des Lenksystems und des Bremssystems sowie ggf. auch des aktiven Fahrwerks zugeführt werden. In diesen Aktoren werden Überlagerungswerte Δδ und Δp erzeugt, die, wie bereits oben dargestellt, den entsprechenden, vom Fahrer vorgegebenen Werten δ_F und δp überlagert werden.
In 2 ist der Regelalgorithmus zur Durchführung der Mehrgrößenregelung schematisch dargestellt. In einem Block 8 wird eine Koeffizientenberechnung in Abhängigkeit von zugeführten Istwerten für die Fahrzeuggeschwindigkeit v_x , die Querbeschleunigung a_y , die Gierrate ψ̇ sowie ggf. weiterer Fahrzeugzustandsgrößen durchgeführt. Diese Koeffizienten werden anschließend den Regelalgorithmen für die Querbeschleunigungsregelung (Block 10) und die Gierratenregelung. (Block 11) übermittelt, in denen unter Berücksichtigung der Regelabweichungen Δa_y und Δψ̇ die Einstellgrößen ermittelt werden,die dem nachfolgenden Koordinierungsblock 12 zur Verteilung der Regeleingriffe auf das Lenksystem und auf das Bremssystem zugeführt werden. Diesem Koordinierungsblock 12 werden zusätzlich die aktuellen Vorgaben vom Fahrer über den Block 9 zugeleitet.
Ausgangsseitig werden die Signale des Koordinierungsblockes 12 in einem nachfolgenden Block 13 zunächst konvertiert und anschließend als Überlagerungswert Δδ und Δp dem Lenksystem bzw. dem Bremssystem zugeführt. Beispielhaft liegt am Ausgang des Blockes 13 auch ein weiterer Überlagerungswert Δx an, der z.B. einem aktiven Fahrwerk zuzuführen ist.
In 3 ist ein einfaches Blockschaltbild mit einem Block 14 dargestellt, der die Bedingung für die Durchführung und den Abbruch des Verfahrens symbolisiert. In Abhängigkeit des Schräglaufwinkels α_f an den Rädern der Vorderachse und α_r an den Rädern der Hinterachse wird entschieden, ob sich das Fahrzeug im stabilen oder im instabilen bzw. einem dem instabilen sich annähernden Zustand befindet. Je nach Größe der Schräglaufwinkel α_f , α_r wird das Verfahren zur stabilisierenden Mehrgrößenregelung entweder aufgenommen oder abgebrochen. Die Bedingungen können auch so formuliert werden, dass in hierarchisch gegliederter Weise verschiedene Systeme im Fahrzeug aktiviert bzw. unbeeinflusst bleiben, beispielsweise wird bei erhöhter Kippgefahr zunächst nur das Lenksystem beaufschlagt und erst bei einem weiteren Anstieg der Kippgefahr zusätzlich auch das Bremssystem.

Claims

Verfahren zur Reduzierung der Kippgefahr bei Fahrzeugen, bei dem mindestens eine die Querdynamik des Fahrzeugs charakterisierende Zustandsgröße ermittelt und einem das Fahrzeug stabilisierenden Eingriff in das Lenksystem und das Bremssystem zugrunde gelegt wird, wobei zur Stabilisierung des Fahrzeugs eine Mehrgrößenregelung durchgeführt wird, bei der zwei Regelkreise überlagert werden, von denen dem ersten Regelkreis eine Regelung der Gierrate (ψ̇) oder einer korrespondierenden Zustandsgröße und dem zweiten Regelkreis eine Regelung der Querbeschleunigung (a_y) oder einer korrespondierenden Zustandsgröße zugrunde liegt, und wobei über den ersten und den zweiten Regelkreis sowohl das Lenksystem als auch das Bremssystem einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass den beiden Regelkreisen eine gemeinsame Sollwert-Führungsgröße zugrunde gelegt wird und dass ein Querbeschleunigungs-Grenzwert als Sollwert für den Querbeschleunigungs-Regelkreis vorgegeben wird und aus dem Querbeschleunigungs-Sollwert ein Gierraten-Sollwert für den Gierraten-Regelkreis ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sensorisch ermittelten Zustandsgrößen eines im Fahrzeug realisierten elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) verwendet werden, insbesondere die Gierrate (ψ̇) und die Querbeschleunigung (a_y).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit den im elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) zur Verfügung stehenden Daten die Abfrage durchgeführt wird, ob die Gefahr eines Umkippens des Fahrzeugs besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung des Verfahrens das Lenksystem permanent und das Bremssystem bedarfsweise beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines die Stabilität des Fahrzeugs kennzeichnenden Kriteriums, insbesondere des Schräglaufwinkels (α_f, α_r), entschieden wird, ob das Bremssystem beaufschlagt wird bzw. unbeeinflusst bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bedarfsweise ein Fahrwerksaktuator beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktiv einstellbares Lenksystem (AFS) beaufschlagt wird, mit dem ein Zusatzlenkwinkel (Δδ) einstellbar ist, der dem vom Fahrer vorgegeben Lenkwinkel (δF) überlagert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der Beaufschlagung des Lenksystems zusätzliche Eingriffe sonstiger Regelsysteme in das Lenksystem unterdrückt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch betätigbares Lenksystem (EPS) beaufschlagt wird, mit dem ein unterstützendes Lenkmoment erzeugbar ist.
Regel- bzw. Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Fahrzeug mit einem Regel- bzw. Steuergerät nach Anspruch 10, einem Lenksystem und einem Bremssystem.
Fahrzeug nach Anspruch 11, mit einem aktiv einstellbaren Fahrwerkssystem.