DE102008040713B4

DE102008040713B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Betätigung eines aktiven und/oder passiven Sicherheitssystems in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008040713B4
Application number: DE102008040713.5A
Authority: DE
Inventors: Stephan Stabrey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2028-07-26
Also published as: DE102008040713A1; US8260503B2; US20100023224A1; SE534602C2; SE0950506L

Abstract

Verfahren zur Betätigung eines aktiven und/oder passiven Fahrzeugsicherheitssystems (1 , 4, 6, 7) in einer Fahrsituation, in der das Fahrzeug eine Rotationsbewegung um die Hochachse des Fahrzeugs durchführt, wobei eine die Rotationsbewegung beschreibende Größe (dpsi/dt) gemessen und diese Größe von einem mathematischen Modell (5) verarbeitet wird, das daraus eine Information (psi(t), betamax, tmax) über die zukünftige Rotationsbewegung des Fahrzeugs ermittelt, und wobei wenigstens ein Fahrzeugsicherheitssystem (1, 4, 6, 7) in Abhängigkeit von der ermittelten Information betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell (5) Annahmen über die Verzögerung der Rotationsbewegung durch Reibung als auch durch den Eingriff wenigstens eines Stabilisierungssystems (ESP) enthält.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung eines aktiven und/oder passiven Fahrzeugsicherheitssystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Steuergerät zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Kraftfahrzeuge verfügen heute über eine Vielzahl von aktiven und passiven Sicherheitssystemen zur Unfallvermeidung bzw. -folgenminderung. Zu diesen Systemen zählen insbesondere Fahrdynamikregelungen, wie z. B. ESP, verschiedenste Fahrerassistenzsysteme, wie z. B. ACC oder Lane Keeping Support LKS sowie Airbag- und andere Rückhaltesysteme.
Die aus dem Stand der Technik bekannten aktiven Sicherheitssysteme greifen üblicherweise in den Fährbetrieb ein, wenn bestimmte Auslösekriterien erfüllt sind, z. B. wenn das Fahrzeug über- oder untersteuert. Die ausgeführten Stelleingriffe sollen den Fahrer darin unterstützen, das Fahrzeug stabil zu führen bzw. in kritischen Situationen die Kontrolle schnell wieder zu erlangen.
Heutige Fahrdynamikregelungssysteme ermitteln Art und Stärke der Regelungseingriffe auf Basis des momentanen Bewegungszustands des Fahrzeugs. Dabei wird die Abweichung von messbaren Bewegungsgrößen wie z. B. der Gierrate von einem Sollwert, der den Richtungswunsch des Fahrers repräsentiert, betrachtet. Überschreitet die Abweichung bestimmte Grenzwerte, wird im Falle des ESP durch radindividuelle Bremseingriffe versucht, diese Abweichung abzubauen.
Ist das Fahrzeug jedoch im Rahmen der fahrphysikalischen Grenzen gar nicht mehr stabilisierbar, können solche Eingriffe aber auch dazu führen, dass das Fahrzeug unnötig lange in einem für die Insassen kritischen Bewegungszustand, insbesondere in Querrichtung, bleibt. So kann es zu einer Situation kommen, in der die Rotationsbewegung des Fahrzeugs durch den Fahrdynamikregler zwar gestoppt wird, das Fahrzeug aber in Querrichtung weiter rutscht. Ohne den Eingriff des Fahrdynamikreglers hätte sich das Fahrzeug weiter um die Hochachse gedreht und wäre anschließend z. B. weiter rückwärts gerollt. Diese Situation wäre für die Insassen wesentlich weniger riskant als das Querrutschen des Fahrzeugs mit der Gefahr eines Seitenaufpralls. Die Kenntnis des zukünftigen Rotationsverhaltens (ggf. unter der Annahme eines bestimmten Stabilisierungseingriffs) ist daher essentiell für eine weitere Verbesserung des Insassenschutzes.
Aus der DE 10 2005 023 183 A1 ist ein Verfahren zur Überschlagserkennung eines Fahrzeugs bekannt, bei dem eine fahrdynamische Größe ermittelt und hierauf basierend der aktuelle Fahrzeugzustand bestimmt wird. Auf der Grundlage eines Bewegungsmodells wird eine zeitlich Extrapolation des aktuellen Fahrzustands hinsichtlich einer Gier- oder Wankbewegung durchgeführt und mit einem Schwellenwert verglichen, um einen überschlagskritischen Zustand zu erkennen. Liegt dieser vor, können Insassenschutzmittel wie zum Beispiel Gurtstraffer, Airbags oder Überrollbügel aktiviert werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mittels dessen bzw. derer die zukünftige Rotationsbewegung des Fahrzeugs in einer unkontrollierten Fahrsituation vorhergesagt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 sowie im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine die Gier- bzw. Rotationsbewegung des Fahrzeugs beschreibende Größe zu messen und diese Größe in ein mathematisches Modell einzuspeisen, das daraus - unter der Annahme bestimmter physikalischer Verhältnisse und optional auch eines bestimmten Eingriffs eines Fahrzeugreglers - eine Information über die zukünftige Rotationsbewegung des Fahrzeugs ermittelt. Diese Information wird schließlich dazu genutzt, wenigstens ein Fahrzeugsicherheitssystem situationsabhängig zu betreiben. Wenn die modellbasierte Schätzung der zukünftigen Rotationsbewegung beispielsweise ergibt, dass das Fahrzeug auch bei vollem Eingriff des Fahrdynamikreglers längere Zeit quer rutschen würde, kann der Stelleingriff des Fahrdynamikreglers beispielsweise so weit reduziert werden, dass das Fahrzeug weiter als 90° rotiert und die Rotation z. B. bei 180° Drehung zum Stehen kommt. Für die Insassen ergibt sich daraus ein wesentlich geringeres Risiko eines kritischen Seitenaufpralls. Unabhängig von einer Modifizierung der Eingriffsstrategie des Fahrdynamikreglers können auch andere Fahrzeugsicherheitssysteme, insbesondere passiver Art, wie z.B. Insassen-Rückhaltesysteme, Airbagsysteme oder ein aktiver Seitenaufprallschutz, frühzeitig aktiviert oder auf einen kurz bevorstehenden Einsatz vorbereitet werden.
Das erfindungsgemäße mathematische Modell ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass es den zukünftigen Verlauf eines Schwimm- oder Gierwinkels, einen maximalen Winkel, eine Zeitdauer bis zum Erreichen eines maximalen Winkels, eine Drehbeschleunigung und/oder eine andere charakteristische Größe vorhersagen kann, die die zukünftige Rotationsbewegung des Fahrzeugs beschreibt. Insbesondere der zukünftige Verlauf des Schwimm- bzw. Gierwinkels oder dessen maximaler Wert ergeben Aufschluss darüber, ob das Fahrzeug zukünftig in einen Fahrzustand kommen wird, in dem es quer zur Schwerpunktstrajektorie rutscht.
Als Eingangsgröße für das mathematische Modell können beispielsweise Messwerte der aktuellen bzw. bisherigen Gierrate, des Schwimmwinkels oder andere, die Rotationsbewegung des Fahrzeugs beschreibende Größen herangezogen werden. Diese Größe(n) werden vorzugsweise mittels entsprechender Sensoren gemessen oder durch geeignete Algorithmen geschätzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die bisherige Gierrate des Fahrzeugs gemessen und vom mathematischen Modell verarbeitet. Die Gierrate wird vorzugsweise mittels eines Gierratensensors gemessen, der in den meisten Fahrzeugen ohnehin bereits verbaut ist. Die Verwendung der Gierrate als Eingangsgröße hat somit den Vorteil, dass diese einfach und kostengünstig im Fahrzeug verfügbar ist.
Das mathematische Modell berücksichtigt vorzugsweise die Reibungsverhältnisse zwischen Rädern und Fahrbahn als auch den Eingriff wenigstens eines Stabilisierungssystems, wie z. B. ESP. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ermittelt das mathematische Modell die Information über die zukünftige Rotationsbewegung des Fahrzeugs unter der Annahme eines maximalen Eingriffs eines Stabilisierungssystems, z.B. eines maximalen Bremseneingriffs des ESP.
Zur Berechnung der gewünschten Information enthält das mathematische Modell vorzugsweise eine Funktion, die das Abklingen einer einmal eingetretenen Rotationsbewegung abbildet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist diese Funktion als Parabelfunktion realisiert. Andere mathematische Beschreibungen, die das Rotationsverhalten möglichst genau approximieren, sind ebenfalls denkbar.
Der vorstehend beschriebene Algorithmus kann grundsätzlich in jedem beliebigen Steuergerät des Fahrzeugs hinterlegt sein. Vorzugsweise ist das mathematische Modell aber in dem Steuergerät des Fahrdynamikreglers integriert.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Betätigung von aktiven oder passiven Fahrzeugsicherheitssystemen unter Berücksichtigung der abgeschätzten zukünftigen Rotationsbewegung des Fahrzeugs; und
2 den Verlauf der Gierbeschleunigung (2a), der Gierrate (2b) und des Gierwinkels (2c) während einer Fahrsituation, in der das Fahrzeug um die Hochachse rotiert.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild verschiedener Fahrzeugsicherheitssysteme, die unter Berücksichtigung einer geschätzten zukünftigen Rotationsbewegung des Fahrzeugs betrieben werden. Die Anordnung umfasst einen Fahrdynamikregler 1, der mittels eines oder mehrerer Aktuatoren, wie z.B. der Fahrzeugbremsen, in den Fahrbetrieb eingreifen kann, um das Fahrzeug zu stabilisieren. Die zugehörigen Aktuatoren des Fahrdynamikreglers 1 sind hier in einem Block 4 zusammengefasst. Die aktuelle Fahrsituation wird mittels der Sensoren 2 und 3 überwacht. Dies sind in der Regel insbesondere ein Gierratensensor 2 und weitere Sensoren wie z. B. Rad-Drehzahlsensoren, Lenkwinkelsensor und Querbeschleunigungssensor, die in der Abbildung unter der Ziffer 3 zusammengefasst sind. Weitere Sensoren können je noch Ausführung des Systems zusätzlich vorgesehen sein.
Der Regler 1 schätzt in bekannter Weise den Schwimmwinkel β des Fahrzeugs und gibt diesen Wert sowie auch den Wert der aktuellen Gierrate dpsi/dt an eine Einheit 5 weiter, die ein mathematisches Modell umfasst, das daraus eine Information über die zukünftige Rotationsbewegung des Fahrzeugs abschätzt. Die Schwimmwinkelprognose basiert hier auf einer Gierwinkeländerung, die auf Basis der gemessenen Gierrate prognostiziert wird. Die von der Einheit 5 geschätzte Information ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein maximaler Schwimmwinkel β_max , kann aber auch jede beliebige andere Information, wie z.B. der Verlauf der zukünftigen Rotationsbewegung sein.
Das in der Einheit 5 enthaltene Modell ermittelt die zukünftige Rotationsbewegung unter Berücksichtigung bestimmter physikalischer Verhältnisse, insbesondere der Reibungsverhältnisse zwischen Reifen und Straße und vorzugsweise auch unter der Annahme eines bestimmten Eingriffs des Fahrzeugreglers 1. Für das Abklingen einer Rotationsbewegung (unter Berücksichtung der genannten Größen) kann z. B. eine Parabelfunktion angesetzt werden, die den Verlauf der Gierrate relativ gut approximiert. In diesem Fall gilt für die Gierrate dpsi/dt: $dpsi / dt = a_{1} \cdot t^{2} + a_{2} \cdot t^{2} + a_{3}$
dabei sind a₁,a₂ und a₃ Parameter und t die Zeit. Als Anfangswert a₃ wird vorzugsweise der aktuelle Messwert der Gierrate dpsi/dt eingesetzt. Somit gilt: $dpsi / dt (t = 0) = a_{3} = {dpsi}_{0} / dt$
Der Gierwinkel psi ergibt sich durch zeitliche Integration der Gierrate (1) zu: $psi (t) = int (dpsi/dt) {dt+psi}_{0} = 1 / 3 \cdot a_{1} \cdot t^{3} + 1 / 2 a_{2} \cdot t^{2} + a_{3} \cdot t + {psi}_{0}$
Für das Verfahren wird angenommen, dass für den Schwimmwinkel β ≈ -psi gilt, der Schwimmwinkel also betragsmäßig näherungsweise dem Gierwinkel entspricht. Für den Anfangswert psi₀ des Gierwinkels wird daher vorzugsweise der aktuelle negative Mess- bzw. Schätzwert des Schwimmwinkels -β₀ verwendet. Es gilt somit: ${psi}_{0} = - β_{0}$
Für die Gierbeschleunigung d²psi/dt² gilt: $d^{2} {psi/dt}^{2} = 2 \cdot a_{1} \cdot t + a_{2} .$
Die Gierbeschleunigung kann beispielsweise aus den Reifenkräften und über das Momentengleichgewicht d²psi/dt² = Mz/J abgeschätzt werden, wobei Mz das in Abhängigkeit des Schwimmwinkels höchste, durch Brems- und Lenkeingriffe erzielbare Giermoment Mz_max(β₀), und J das Massenträgheitsmoment ist. Für den Koeffizienten a₂ in Gleichung (1) gilt somit: $d^{2} psi / {dt}^{2} (t = 0) = a_{2} = {Mz}_{max} (β_{0} .)$
Im Verlauf des Fahrmanövers kann die Schätzung des maximalen Schwimmwinkels verbessert werden, indem die aktuelle Gierbeschleunigung anhand der Gierratenmesswerte ermittelt wird.
Somit ist in Gleichung (1) nur noch der Parameter a₁ unbestimmt. Eine Möglichkeit zur Festlegung des Parameters a₁ besteht darin, diesen als ein Vielfaches von a₂ zu bestimmen. So kann z.B. $a_{1} = - a_{2} \cdot 0,85$
angesetzt werden. Anstelle des exemplarischen Wertes 0,85 kann auch ein anderer Wert angesetzt werden. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass das vom Fahrdynamikregler 1 erzeugbare Giermoment zu Beginn einer kritischen Fahrsituation, in der der Schwimmwinkel klein ist, größer ist als bei größeren Schwimmwinkeln, bei denen Brems- und auch Lenkeingriffe nur noch sehr kleine Auswirkungen auf die Gierbewegung haben.
Damit sind alle Koeffizienten von Gleichung (1) bestimmt. Der maximale Schwimmwinkel ist erreicht, wenn die Gierrate zu Null geworden ist, also wenn gilt: $dpsi/dt = 0$
Aus Gleichung (1) ergeben sich für den Zeitpunkt des Auftretens des maximalen Schwimmwinkels zwei Lösungen: $t_{end 1} = {1/2/a}_{1} \cdot (- a_{2} - {(a^{2} - 4 \cdot a_{1} \cdot a_{3})}^{1 / 2})$
$t_{end2} = {1/2/a}_{1} \cdot (- a_{2} + {(a^{2} - 4 \cdot a_{1} \cdot a_{3})}^{1 / 2})$
Der maximale Gierwinkel psi_end ergibt sich schließlich aus Gleichung 2 für t = t_end. ${psi}_{end} = \frac{1}{3} \cdot a_{1} \cdot t_{end}^{3} + 1/2 \cdot a_{2} \cdot t_{end}^{2} + a_{3} \cdot t_{end} - β_{0}$
und daraus der gesuchte maximale Schwimmwinkel β_max zu: $β_{max} = - {psi}_{end}$
Der so berechnete maximale Schwimmwinkel β_max kann nun beispielsweise dem Fahrdynamikregler zugeführt werden, um diesen situationsabhängig zu steuern. Wenn die modellbasierte Schätzung der zukünftigen Rotationsbewegung beispielsweise ergibt, dass das Fahrzeug auch bei vollem Eingriff des Fahrdynamikreglers längere Zeit quer rutschen würde, kann der Stelleingriff des Fahrdynamikreglers beispielsweise so weit reduziert werden, dass das Fahrzeug weiter als 90° rotiert und die Rotation z. B. bei 180° Drehung zum Stehen kommt. Für die Insassen ergibt sich daraus ein wesentlich geringeres Risiko eines kritischen Seitenaufpralls.
Die Kenntnis des maximalen Schwimmwinkels β_max kann auch dazu genutzt werden, ein Rückhaltesystem 6 auf eine mögliche Kollision vorzubereiten. Alternativ kann auch ein Fahrerassistenzsystem 7 eine Notbremsung einleiten.
2a zeigt den Verlauf der Gierbeschleunigung eines Fahrzeugs, das eine Seitenkollision am Heck erfahren hat und dadurch eine Rotationsbewegung um die Hochachse des Fahrzeugs durchführt. Wie zu erkennen ist, nimmt die Gierbeschleunigung durch die Seitenkollision zunächst einen großen positiven Wert an, so dass die Gierrate in 2b schnell steigt. Ist die Kollision beendet, wird die Gierbeschleunigung aufgrund von Reibung und des Eingriffs des Fahrdynamikreglers 1 negativ und die Gierrate nimmt wieder ab.
2b zeigt den Verlauf der zugehörigen Gierrate des Fahrzeugs. Wie zu erkennen ist, nimmt diese so lange zu, bis bei etwa nach 1,45 s ein Maximum erreicht ist. Danach nimmt die Gierrate dpsi/dt kontinuierlich ab, d. h. die Rotationsbewegung verlangsamt sich.
2c zeigt den Verlauf des Gierwinkels 10 und das Simulationsergebnis 11 der Gierwinkelprädiktion. Wie zu erkennen ist, kann bereits ab dem Zeitpunkt, in dem die maximale Giergeschwindigkeit dpsi/dt erreicht ist, der zu erwartende maximale Gierwinkel Ψ_max sehr gut vorhergesagt werden. Dieser entspricht näherungsweise dem negativen maximalen Schwimmwinkel β_max , wie vorstehend erläutert wurde. Somit ist es bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt möglich, Fahrzeugregelungssysteme und/oder Rückhaltesystem situationsgerecht anzupassen.

Claims

Verfahren zur Betätigung eines aktiven und/oder passiven Fahrzeugsicherheitssystems (1 , 4, 6, 7) in einer Fahrsituation, in der das Fahrzeug eine Rotationsbewegung um die Hochachse des Fahrzeugs durchführt, wobei eine die Rotationsbewegung beschreibende Größe (dpsi/dt) gemessen und diese Größe von einem mathematischen Modell (5) verarbeitet wird, das daraus eine Information (psi(t), betamax, tmax) über die zukünftige Rotationsbewegung des Fahrzeugs ermittelt, und wobei wenigstens ein Fahrzeugsicherheitssystem (1, 4, 6, 7) in Abhängigkeit von der ermittelten Information betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell (5) Annahmen über die Verzögerung der Rotationsbewegung durch Reibung als auch durch den Eingriff wenigstens eines Stabilisierungssystems (ESP) enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell (5) den zukünftigen Verlauf eines Schwimm- oder Gierwinkels (β, psi), einen maximalen Schwimm- oder Gierwinkel des Fahrzeugs, eine Zeitdauer bis zum Erreichen eines maximalen Winkels, eine Drehbeschleunigung oder eine andere charakteristische Größe bestimmt, die die zukünftige Rotationsbewegung des Fahrzeugs beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu wenigstens einem Zeitpunkt die aktuelle Gierrate (dpsi/dt), der Schwimmwinkel (β) oder ein anderer, die Rotationsbewegung des Fahrzeugs beschreibender Wert gemessen und von dem mathematischen Modell (5) verarbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell (5) einen maximalen Eingriff wenigstens eines Stabilisierungssystems (1, 4) annimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell (5) eine Parabelfunktion umfasst, die das zukünftige Rotationsverhalten des Fahrzeugs beschreibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom mathematischen Modell (5) bestimmte Größe (psi(t), betamax, tmax) dazu genutzt wird, ein aktives oder passives Fahrzeug-Sicherheitssystem in Abhängigkeit von dieser Größe zu steuern oder zu regeln.
Steuergerät, umfassend Mittel zum Durchführen eines der vorstehend beanspruchten Verfahren.
Steuergerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät mit einem Gierraten- oder einem anderen Sensor verbunden ist, der eine die Rotationsbewegung des Fahrzeugs beschreibende Größe misst.
Steuergerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät Bestandteil eines Fahrzeug-Sicherheitssystems, insbesondere eines Rückhalte-, Airbag-, Stabilisierungs- oder Bremssystems ist.