-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Fahrzeugsteuerung.
-
Die
Hauptfunktion von Fahrzeugstabilitätssteuerungssystemen besteht
darin, sicherzustellen, dass sich das Fahrzeug in sämtlichen
Fahrzuständen
entsprechend der Absicht des Fahrers verhält. Hierzu wird in manchen
Situationen (typischerweise in Betriebsphasen mit Untersteuerung)
die Beweglichkeit des Fahrzeuges unterstützt, wohingegen in anderen
Situationen (typischerweise in Betriebsphasen mit Übersteuerung)
die Stabilität
unterstützt
wird. Bei den meistverbreiteten Implementierungen von Fahrzeugstabilitätssteuerungssystemen
handelt es sich um die sogenannte dynamische Stabilitätssteuerung
(DSC), das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) sowie weitere
Systeme, welche jeweils auf einer Rückführungsregelung der Gierrate und
einer regelbasierten Verteilung des Giermoments beruhen. Dies beinhaltet
im Wesentlichen eine Vorderradbremsung in Übersteuerungssituationen und
eine Hinterradbremsung in Untersteuerungssituationen.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zur Fahrzeugsteuerung bereitzustellen, welche eine
Ansteuerung der Bremsaktuatoren unter Verbesserung der Lenkbarkeit
und des Stabilitätsverhaltens
ermöglichen.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
1 sowie das Verfahren gemäß den Merkmalen
des unabhängigen
Anspruchs 8 gelöst.
-
Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Fahrzeugsteuerung weist auf:
- – eine Controllereinheit,
welche dazu ausgelegt ist, einen Giermomentanforderungswert zu berechnen;
und
- – eine
Verteilungseinheit, welche dazu ausgelegt ist, eine Transformation
dieses Giermomentanforderungswertes in eine Mehrzahl individueller
Anforderungswerte durchzuführen,
wobei jeder dieser Anforderungswerte einer Bremswirkung an jeweils
einem der Räder
des Fahrzeugs entspricht und wobei diese Transformation basierend
auf einem Vergleich der durch Kombination dieser individuellen Anforderungswerte
am Fahrzeugschwerpunkt bewirkten Giermomentvariation mit dem Giermomentanforderungswert
erfolgt.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, eine Fahrzeugregelung
bereitzustellen, bei welcher die Fahrzeugstabilität durch
Verwendung intelligenter Bremsaktuatoren gewährleistet wird. Durch die Transformation
eines Giermomentanforderungswertes in eine Mehrzahl individueller,
voneinander unabhängiger
Anforderungswerte basierend auf einem Vergleich der durch Kombination
dieser individuellen Anforderungswerte am Fahrzeugschwerpunkt bewirkten
Giermomentvariation mit dem Giermomentanforderungswert, und die
hierdurch ermöglichte
optimierungsbasierte Strategie, kann eine effizientere Verteilung
des Giermoments erreicht werden, wodurch Lenkbarkeit und Stabilitätsverhalten
des Fahrzeugs verbessert werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Transformation basierend auf der Minimierung einer Optimierungsfunktion
(Ji), welche beschreibbar ist durch die
Gleichung Ji = YawTqtrgt,i – (FXi·lFxi + FYi·lFyi),wobei YawTqtrgt,i einen
Sollwert des Giermomentes an der Vorderachse (i = f) oder an der
Hinterachse (i = r) bezeichnet, (FXi·lFxi + FYi·lFyi) das über
die Bremswirkung an einem Vorderrad (i = f) bzw. an einem Hinterrad verfügbare Giermoment,
lFxi und lFyi die
Hebelarme in Längs-
bzw. Querrichtung an einem Vorderrad (i = f) bzw. an einem Hinterrad
(i = r) und Fxi und Fyi die
Längs-
bzw. Quer-Reifenkräfte
an der Vorderachse (i = f) oder an der Hinterachse (i = r) bezeichnen.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
wird als Regelgröße die Gierrate,
die Quergeschwindigkeit (bei Neutrallenkung) oder eine Kombination
von Gierrate und Quergeschwindigkeit verwendet. Dies hat den Vorteil,
dass die Regelung unmittelbar auf größere Abweichungen dieser Größe(n) reagiert.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
weist die Verteilungseinheit für
die Vorderachse und die Hinterachse des Fahrzeugs voneinander unabhängige Berechnungseinheiten
auf, welche jeweils eine Transformation des Giermomentanforderungswertes
in eine Mehrzahl individueller Anforderungswerte durchführen.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
weist die Verteilungseinheit ferner eine Entscheidungseinheit zur
Auswahl zwischen den von den unabhängigen Berechnungseinheiten
bereitgestellten individuellen Anforderungswerten auf.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist die Controllereinheit dazu ausgelegt, die Berechnung des Giermomentanforderungswertes
in Abhängigkeit
von einem aktuatorabhängigen
Kompensationsterm durchzuführen,
was zu einer schnelleren Reaktionsfähigkeit der Regelung führt.
-
Die
individuellen Anforderungswerte können Radlängskraftanforderungswerte und/oder
Längsschlupfanforderungswerte
umfassen.
-
Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Fahrzeugsteuerung. Zu
bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen
im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Bezug genommen.
-
Weitere
Ausgestaltungen sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu
entnehmen.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Abbildungen näher
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
Blockdiagramm zur Erläuterung
des grundsätzlichen
Aufbaus einer erfindungsgemäßen Fahrzeugsteuerung;
-
2 einen
bevorzugten Aufbau einer gemäß der Erfindung
verwendeten Logikschaltung;
-
3 typische
Verläufe
der Längskraft
Fx und der Querkraft Fy als
Funktion des Rad-Längsschlupfverhältnisses κi;
-
4a–e
für ein
Beispiel einer Implementierung bei Fahrbahnbedingungen mit geringem
Reibungskoeffizienten μ (μ ~ 0.4) die
Zeitabhängigkeit
von Lenkwinkel und Längsgeschwindigkeit
(4a), von Querbeschleunigung und Schwimmwinkel
(4b), von Sollwert und Messwert der
Gierrate (4c), von Giermomentanforderung
und von Anforderungswerten für
optimales vorderes und hinteres Giermoment (4d)
und für
die Bremsdrücke
(4e); und
-
5a–c
für das
gleiche Fahrmanöver
wie für 4 die
Berechnungsergebnisse einer Optimierung im Zeitpunkt t = 17.9 s
für die
Kräfte
Fx und Fy für den Vorderreifen
(5a), den Hinterreifen (5b), sowie für die Vorderrad- bzw. Hinterrad-Optimierungsfunktion
als Funktion des Längsschlupfes.
-
Gegenstand
der Erfindung ist ein neuartiges Verfahren zur Ansteuerung der Bremsaktuatoren,
bei welchem der Fahrer während
eines Fahrmanövers
im Grenzbereich der Reifenkräfte
unterstützt
wird.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein Rückführungsregler
für die
Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs, die Gierrate des Fahrzeugs oder
eine Kombination der Quergeschwindigkeit und der Gierrate verwendet,
um einen Anforderungs wert für
ein Giermoment zu berechnen, welches mittels unabhängiger Bremsung
der Räder
ausgeübt
wird. Diese Giermomentanforderung wird in eine einfache oder zweifache
Längskraft-Anforderung
für die
Radbremsen transformiert, welche an die Bremsaktuatoreinheiten übermittelt
wird. Die Transformation der Giermomentanforderung in die Radkraftanforderungen
wird mittels eines neuartigen Algorithmus durchgeführt, welcher
die Abbremsung der ausgewählten
Räder optimiert.
-
1 zeigt
ein Blockdiagramm zur Erläuterung
des grundsätzlichen
Aufbaus einer erfindungsgemäßen Fahrzeugsteuerung
100.
Gemäß
1 wird
in einem Funktionsblock
110 der Fahrzeugsteuerung
100 zunächst in
für sich
bekannter Weise das Soll- bzw. Zielverhalten des Kraftfahrzeuges
auf Basis von Eingangsgrößen ermittelt,
wobei diese Eingangsgrößen gemäß
1 den
Lenkradwinkel (SWA), die Längsgeschwindigkeit
v
x und die Beschleunigung (”accel.”) umfassen.
Die Ausgangsgröße des Funktionsblockes
110 wird
einem Controller
120 zugeführt, welcher als Gierraten-Controller,
als Quergeschwindigkeits-Controller oder als Controller für eine Kombination
der beiden Größen ausgebildet
sein kann. Eine beispielhafte Implementierung des Controllers
120 kann
gemäß Gleichung
(1) erfolgen:
-
Bei
der Regelgröße handelt
es sich hier um die Quergeschwindigkeit bei Neutrallenkung, welche
gegeben ist durch
Die Faktoren k
PNS und
k
ff stellen Proportionalitäts-Verstärkungsfaktoren
dar, wobei k
PNS auf ein Ansteigen der Quergeschwindigkeit
bei Neutrallenkung v
yNS reagiert, und wobei
der Faktor k
ff einen Überschuss an Zentrifugalkraft
im Vergleich zu dem aufgrund der Haftreibung erlaubten Wert kompensiert.
-
Seitens
der Erfinder wurde herausgefunden, dass vorzugsweise eine Verzögerungszeit
der Bremsaktuatoren (im Bereich von etwa 200–300 ms) zu berücksich tigen
ist. Die folgende Zustandstransformation hat sich für die Kompensation
der Aktuatoren als geeignet erwiesen: vyT = vy + v .yΔT
= vy + (ay – vxvψ)ΔT (2)
-
Gemäß Gleichung
(2) wird zwar nur einer von zwei Zuständen antizipiert, es findet
jedoch keine Einführung
von hochfrequentem Rauschen in die Regelungsschleife statt. Der
resultierende, neuartige Ausdruck für das Stabilitäts-Giermoment
ist in Gleichung (3) angegeben:
-
Gemäß 1 wird
der Wert ΔTqyaw an eine Verteilungseinheit 130 übermittelt.
Vorzugsweise wird vor der Übermittlung
des Wertes ΔTqyaw an die Verteilungseinheit 130 der
für eine
Stabilität
zu fordernde Giermomentanforderungswert einem Regelunempfindlichkeitsbereichs-Management
unterzogen, um Stabilitäts-Bremseingriffe durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
nur dann zu ermöglichen,
wenn eine Beeinträchtigung
der Stabilität
droht.
-
Die
Verteilungseinheit 130 implementiert eine reifenmodellbasierte
Transformation des Giermomentanforderungswertes ΔTqyaw in
vier individuelle Radlängskraftanforderungswerte ΔFxi (mit i = fl für das linke Vorderrad, i =
fr für
das rechte Vorderrad, i = rl für
das linke Hinterrad und i = rr für
das rechte Hinterrad). Alternativ kann der Verteilungsblock 130 auch
eine reifenmodellbasierte Transformation des Giermomentanforderungswertes ΔTqyaw in vier unabhängige Längsschlupfanforderungswerte κi (mit
i = fl, fr, rl, rr) implementieren.
-
Die
individuellen Radlängskraftanforderungswerte ΔFxi werden gemäß 1 den Bremsaktuatoren des
Fahrzeugs 140 zugeführt.
Die durch Messung erhaltenen Messgrößen bzw. Zustandsvariablen
des Fahrzeugs 140 werden einem Estimator 150 zugeführt, wobei
von dem Estimator ermittelte Schätzgrößen 155 der Controllereinheit 120 und
der Verteilungseinheit 130 zugeführt werden.
-
Im
Weiteren wird die Arbeitsweise der Verteilungseinheit 130 näher erläutert.
-
Für die Verteilung
der Giermomentanforderung und die entsprechende Ausübung von
Bremskräften auf
die Räder
ergibt sich in den meisten Fällen
mehr als eine Lösung,
da auf unterschiedliche Weise jedes der vier Räder zur Erzeugung von Längskräften so
ausgewählt
werden kann, dass diese Längskräfte in Kombination
das gewünschte
Giermoment ergeben. Dieses Problem wird dadurch vereinfacht, dass
die auf die Reifen wirkenden Längskräfte nur
aktiv (mittels Bremsen) reduziert werden können, so dass diejenige Seite,
auf welcher die Bremswirkung erfolgen sollte, durch das Vorzeichen
der Giermomentanforderung wie folgt bestimmt wird:
-
- – Seite,
auf welcher die Bremswirkung erfolgen soll = ”links”, wenn ΔTqyaw > 0
- – Seite,
auf welcher die Bremswirkung erfolgen soll = ”rechts”, wenn ΔTqyaw < 0
-
Im
nächsten
Schritt ist zu entscheiden, welches Rad (d. h. das Vorderrad, das
Hinterrad oder sowohl das Vorderrad als auch das Hinterrad) auf
der betreffenden Seite abgebremst werden soll. Die hierbei verwendete
Methodik besteht in der Suche nach einem Optimalwert basierend auf
dem Gleichgewicht der am Fahrzeugschwerpunkt (CoG) mit den jeweiligen
Bremskräften
und der Giermomentanforderung ΔTqyaw erzeugten Giermomentvariationen. Der
Optimalwert wird sowohl für
das Vorderrad als auch für
das Hinterrad gesucht, woraufhin die beiden Lösungen miteinander verglichen
werden und eine Entscheidung über
einen einzigen auszuwählenden
Wert getroffen wird.
-
Ein
bevorzugter Aufbau der für
die Suche nach dem Optimalwert verwendeten Logikschaltung ist in 2 dargestellt.
Gemäß 2 weist
die Logikschaltung im Wesentlichen vier Funktionsblöcke auf,
und zwar einen Funktionsblock 210 zur Berechnung des Referenzgiermoments,
eine erste Berechnungseinheit 220 zur Durchführung einer
Optimalwertsuche für
den Vorderreifen, eine zweite Berechnungseinheit 230 zur
Durchführung
einer Optimalwertsuche an dem Hinterreifen und eine Entscheidungseinheit 240 für die Entscheidung bzw.
Arbitrierung.
-
Die
Berechnung des Referenzgiermoments in dem Funktionsblock 210 dient
zur Definition des Arbeitspunktes der Optimierungsroutine. Dabei
bezeichnet der von dem Funktionsblock 210 ausgegebene Wert YawTq0 dasjenige Giermoment, welches durch die
Querkraft infolge eines stattfindenden Kurvenfahrtmanövers erzeugt
wird, wobei diese Größe YawTq0 gegeben ist durch: YawTq0i = lFyi·Fy0i(Fzi, μ, αi) (4)wobei i =
f (für
das Vorderrad) oder i = r (für
das Hinterrad) gilt, und wobei Fy0i(Fzi, μ, αi)
die an dem Rad mittels des Reifenmodells für bekannte Eingabewerte für die Größen Fzi, μ, αi berechnete
Querkraft bezeichnet. Hierbei wird der Einfachheit halber angenommen,
dass die Reifen frei rollen (κI = 0). lFyi bezeichnet
den (mit entsprechendem Vorzeichen versehenen) Hebelarm vom Fahrzeugschwerpunkt
bis zum Angreifpunkt der Reifenquerkraft sowie senkrecht hierzu.
-
Bei
bekanntem Ausgangs- bzw. Referenzgiermoment YawTq0 kann
der Soll- bzw. Zielwert des Giermoments YawTqtrgt,i wie
folgt berechnet werden: YawTqtrgt,i = YawTq0i + ΔYawTq (5)
-
Hierbei
bezeichnet YawTq0i die jeweilige Komponente
des Anfangsgiermomentes an der Vorderachse bzw. an der Hinterachse,
und ΔYawTq
bezeichnet die Giermomentanforderung.
-
Im
Weiteren wird die Optimalwertsuche für den Vorderreifen und für den Hinterreifen
in den Berechnungseinheiten 220 und 230 näher erläutert. Mittels
Bildung eines Gleichgewichts für
das aus den Hinterradkräften
bzw. das aus den Vorderradkräften
abgeleitete Giermoment kann eine Optimierungsfunktion wie folgt definiert
werden: Ji =
YawTqtrgt,i – (FXi·lFxi + FYi·lFyi) (6)wobei
i = f (für
das Vorderrad) oder i = r (für
das Hinterrad) gilt, und wobei (FXi·lFxi + FYi·lFyi) das über
die Bremswirkung an dem i-ten Rad verfügbare Giermoment bezeichnet,
wobei lFxi und lFyi die
(mit entsprechendem Vorzeichen versehenen) Hebelarme an dem Hinterrad
bezeichnen und wobei Fxi und Fyi die
Längs-
bzw. Quer-Reifenkräfte
an der i-ten Achse bezeichnen, welche im Allgemeinen eine Funktion
von Fzi, αi, μ und κ sind.
-
Das
Optimierungsproblem kann wie folgt definiert werden: minκJi (7)
-
Das
Problem besteht somit darin, ein optimales Rad-Längsschlupfverhältnis κopt,i zu
finden, welches für
den Vorderreifen und den Hinterreifen zu einem Minimalwert der Optimierungsfunktion
führt.
Sofern eine Lösung
gefunden wird, für
welche die Optimierungsfunktion Jopt,i kleiner
wird als ein definierter Toleranzwert Tq_Zero, existiert hierfür eine exakte
Lösung.
-
Sobald
ein Wert für
das optimale Rad-Längsschlupfverhältnis κopt,i gefunden
wurde, können
auch die entsprechenden optimalen Reifenkräfte Fx_opt,i =
f(Fzi, μ, αι, κopt,i),
Fy_opt,i = f(Fzi, μ, αi, κopt,i)
definiert werden, welche gemeinsam das bereitgestellte Giermoment
(Gleichung (8)) und das Rest-Giermoment (Gleichung (9)) ergeben,
welche jeweils im Intervall [0, ΔYawTq]
liegen: DelivYawTqi =
YawTq0i – (Fx_opt,i·lFxi + Fy_opt,i·lFyi) (8) ResidYawTqi = YawTq0i + ΔYawTq – (FX_opt,i·lFxi + FY_opt,i·lFyi) (9)
-
In
der Optimierungsfunktion wird das lieferbare Giermoment infolge
der Bremswirkung (FXi·lFxi +
FYi·lFyi) als Funktion des Rad-Längsschlupfverhältnisses κi mit
bekannten Parametern (Fzi, αi, μ, κi)
betrachtet.
-
In 3 sind
einige typische Verläufe
der Größen Fx und Fy als Funktion
von κi dargestellt.
-
Die
Optimalwertsuche für
den Vorderreifen verläuft
entsprechend wie die Optimalwertsuche für den Hinterreifen, jedoch
mit folgenden Unterschieden:
- a) Die in die
Berechnungseinheit 230 einzugebenden Reifen-Eingangssignale
sind diejenigen für
den Vorderreifen; und
- b) Zunächst
wird die optimale Lösung
für den
Vorderreifen gemäß den vorherigen
Berechnungen gesucht. Zur Unterstützung für den Fall, dass die durchgeführte Suche
für den
Hinterreifen die Anforderung nicht erfüllen kann (d. h. keine exakte
Lösung
für den
Hinterreifen existiert), wird die Optimalwertsuche für den Vorderreifen
erneut durchgeführt,
wobei der Anforderungswert gleich dem Restgiermoment für den Hinterreifen
entspricht (entsprechend einer Hinterreifenunterstützungsfunktionalität). Dies
kann analytisch durch Gleichung (10) beschrieben werden: YawTqtrgt,f = YawTq0f + ResidYawTqr (10)
-
Sobald
zwei optimale Lösungen
für den
Vorderreifen und den Hinterreifen gefunden worden sind, werden diese
miteinander verglichen und es wird eine Entschei dung durchgeführt, um
die endgültigen
Kräfte
und Längsschlupfanforderungen
zu ermitteln.
-
Im
Falle eines Fahrmanövers
mit Übersteuerung
ergibt die Optimierung häufig
eine Lösung
mit Vorderradbremsung, wohingegen bei einem Manöver mit Untersteuerung die
Lösung
in der Regel in einer Hinterradbremsung besteht. Die obige Optimalwertsuche
beinhaltet somit implizit auch eine Erkennung von Übersteuerungs-
bzw. Untersteuerungszuständen
des Fahrzeugs.
-
Wenn
die für
den Hinterreifen erhaltene Lösung
ausgewählt
wird, kann zusätzlich
auch die Lösung
für den
Vorderreifen verwendet werden, um das Restgiermoment der Reifen
gemäß Gleichung
(10) bereitzustellen, so dass sich in diesem Falle gleichzeitig
eine Vorderradbremsung und eine Hinterradbremsung ergibt.
-
4 zeigt
ein Beispiel für
eine Implementierung bei Fahrbahnbedingungen mit geringem Reibungskoeffizienten μ (μ ~ 0,4),
wobei als Regelgröße die Gierrate
des Fahrzeugs gewählt
wurde. Dabei ist in 4 die Zeitabhängigkeit
von Lenkwinkel und Längsgeschwindigkeit
(4a), Querbeschleunigung und Schwimmwinkel
der Karosserie (4b), Sollwert und
Messwert der Gierrate (4c), Giermomentanforderung
und mögliche
Anforderungen für
optimales vorderes und hinteres Giermoment (4d)
und Bremsdrücke
(4e) aufgetragen.
-
Das
Beispiel von 4 zeigt, dass die erfindungsgemäße Regelung
ordnungsgemäß arbeitet
und das Fahrzeug im stabilen Zustand hält. Dabei ist das Manöver gemäß 4 typisch
für eine
Situation mit Übersteuerung,
so dass die Korrektur über
eine Vorderradbremsung geeigneter ist und sich folglich bei der
Optimierung der Vorderrad-Wert als geeigneter erweist. Dies ist
aus dem Teildiagramm 4d) ersichtlich,
in welchem die Vorderradbremsung, nicht jedoch die Hinterradbremsung
in der Lage ist, dass gewünschte
Giermoment bereitzustellen.
-
5 zeigt
für das
gleiche Manöver
wie in 4 die internen Berechnungen für die Optimierung im Zeitpunkt
t = 17.9 s. Dabei zeigen die beiden Teildiagramme in 5a) und 5b)
für den
Vorderreifen bzw. den Hinterreifen die Kräfte Fx und
Fy zu diesem Zeitpunkt als Funktion des
Längsschlupfes.
-
Das
Teildiagramm in 5c) zeigt die Vorderrad-
bzw. Hinterrad-Optimierungsfunktion
in Abhängigkeit
vom Längsschlupf.
Dabei zeigt sich, dass die Vorderrad-Optimierungsfunktion bei k
= 0.036 den Wert Null besitzt. Dies bedeutet, dass die einzige Bremswirkung,
welche dazu in der Lage ist, das geforderte Giermoment bereitzustellen,
eine Vorderradbremsung auf einen Schlupf von 0.036 ist, was im ersten
Teildiagramm von 5a) einer Kraft Fx von 2970 N entspricht.
-
Variablenreferenzliste
-
-
- SWA
- Lenkradwinkel
- vx
- Längsgeschwindigkeit
- ay
- Längsbeschleunigung
- vψ
- Gierrate
- β
- Fahrzeugdriftwinkel
- dβ/dt
- Fahrzeugdriftgeschwindigkeit
- α
- Raddriftwinkel
- κ
- Rad-Längsschlupfverhältnis
- μ
- Reibungskoeffizient
Rad zu Straße
- FZ
- Radquerkraft
- m
- Fahrzeugmasse
- lf
- Abstand Vorderachse
zu Fahrzeugschwerpunkt
- lr
- Abstand Hinterachse
zu Fahrzeugschwerpunkt
- l
- Radstand
- J
- Fahrzeugträgheitsmoment
in Z-Achse
- Fyr
- Hinterachslängskraft
