-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehbewegung
um eine Fahrzeugachse eines Fahrzeugs.
-
Stand der Technik
-
Aus
der
DE 100 65 724
A1 ist es bekannt, die Gierrate eines Nutzfahrzeugs unter
Verwendung sensorisch ermittelter Querbeschleunigungen von zwei
im Fahrzeug angeordneten Beschleunigungssensoren zu berechnen. Die
Gierrate wird hierbei als Integral der Differenz der Querbeschleunigungswerte
unter Berücksichtigung der Position im Fahrzeug berechnet.
-
Darüber
hinaus können mit dem in der
DE 100 65 724 A1 offenbarten
Verfahren unter Nutzung der Beschleunigungswerte der beiden Beschleunigungssensoren
keine weiteren Drehwinkel bzw. Drehraten im Fahrzeug ermittelt werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, auf der Basis sensorisch
ermittelter Beschleunigungswerte einen oder mehrere Drehwinkel bzw.
Drehraten im Fahrzeug mit hinreichender Genauigkeit zu ermitteln.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Anwendung
in Fahrzeugen, welche zumindest zwei zueinander beabstandete Beschleunigungssensoren
aufweisen, die vorzugsweise jeweils die Fahrzeugbeschleunigung in
x-, y- und z-Richtung ermitteln. Beispielsweise kann es sich bei
den Beschleunigungssensoren um Crash-Sensoren handeln, die im linken
und rechten Fahrzeugseitenbereich angeordnet sind. Grundsätzlich
möglich ist aber auch die Verwendung einer ESP-Sensorik.
Vorausgesetzt wird lediglich, dass die Sensordaten von zwei zueinander
beabstandeten Beschleunigungssensoren im Fahrzeug zur Verfügung
stehen.
-
Das
Verfahren eignet sich allgemein zur Bestimmung einer Drehbewegung
des Fahrzeugs um eine Fahrzeugachse, wobei in einem ersten Schritt
die Drehbewegung zunächst als Winkeländerung und
optional in einem darauf folgenden, zweiten Schritt die Drehrate,
also die Winkeländerung ermittelt wird. Möglich
ist grundsätzlich die Ermittlung der Drehwinkel um die
x-, y- und/oder z-Achse, also des Wank- bzw. Rollwinkels, des Nickwinkels
und/oder des Gierwinkels und daraus abgeleitet die jeweiligen Drehraten.
Grundsätzlich möglich ist die Ermittlung nur eines
dieser Drehwinkel oder aber von zwei verschiedenen Drehwinkeln in
verschiedener Kombination bzw. die Ermittlung von allen drei Drehwinkeln.
Gemäß vorteilhafter Ausführung ist vorgesehen,
dass zumindest der Wank- bzw. Rollwinkel sowie der Gierwinkel ermittelt
werden, wobei ggf. auf die Ermittlung des Nickwinkels verzichtet
werden kann.
-
Grundsätzlich
reicht es aus, lediglich zweiachsige Beschleunigungssensoren zu
verwenden, mit denen nur die Beschleunigungen in zwei Achsrichtungen
ermittelt werden können, vorzugsweise in x- und y-Richtung,
also in Fahrzeuglängs- und -querrichtung. Die z-Komponente,
die als Verschiebegröße die vertikale Verschiebung
während der Bewegung des Fahrzeugs angibt, kann in diesem
Fall zwar nicht im Wege der Integration ermittelt, jedoch über
geometrische Zusammenhänge berechnet werden. Somit ist
es auch bei lediglich zweiachsigen Beschleunigungssensoren möglich,
die Drehwinkel bzw. -raten um die x-, y- und/oder z-Richtung zu
ermitteln.
-
Im
Falle von dreiachsigen Beschleunigungssensoren, welche in der Lage
sind, die Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen zu messen,
können die jeweiligen Beschleunigungswerte in x-, y- und
z-Richtung unmittelbar durch zwei malige Integration in Lagekoordinaten
umgerechnet werden, die der weiteren Ermittlung der Drehwinkel bzw.
Drehraten zu Grunde gelegt werden.
-
Über
die zweimalige Integration der Beschleunigungswerte stehen die aktuellen
Positionen der Beschleunigungssensoren im Raum und damit die Fahrzeugkoordinaten
an den Stellen der Beschleunigungssensoren zur Verfügung.
Aus einem kinematischen Zusammenhang kann unter Zugrundelegung der
aktuellen Positionen der beiden Beschleunigungssensoren, insbesondere über
die Differenz der aktuellen Positionen der mindestens eine Drehwinkel
bestimmt werden, um den sich das Fahrzeug verdreht. Durch Differenziation des
Drehwinkels wird optional die Drehrate bestimmt.
-
Aus
Gründen einer vereinfachten Berechnung wird zweckmäßigerweise
fahrzeugseitig ein Koordinatensystem in die Position eines der Beschleunigungssensoren
gelegt, wobei üblicherweise die Beschleunigungssensoren
aus Symmetriegründen im linken und rechten Fahrzeugseitenbereich
in Fahrzeuglängsrichtung und zweckmäßigerweise
auch in Vertikalrichtung die gleiche Koordinate aufweisen, so dass
der zweite Beschleunigungssensor, bezogen auf das Koordinatensystem
des ersten Beschleunigungssensors, lediglich eine unterscheidende
y-Komponente in Fahrzeugquerrichtung besitzt. Die Verschiebung des
zweiten Beschleunigungssensors bei einer Bewegung des Fahrzeugs
bezogen auf die Ausgangslage wird unter Zugrundelegung der Differenz
der aktuellen Positionen beider Beschleunigungssensoren ermittelt.
Hierbei werden die allgemeinen, an sich bekannten kinematischen
Zusammenhänge bei der Lageänderung eines Körpers
bei Verdrehung um die x-, y- oder z-Richtung zu Grunde gelegt, was
zu einem Gleichungssystem führt, das nach den gewünschten
Winkeln aufgelöst werden kann.
-
Mittels
der vorbeschriebenen Drehwinkel- und Drehratenerkennung kann grundsätzlich
auf den Einsatz von Drehratensensoren verzichtet werden. Die gewünschten
Drehwinkel und Drehraten können allein auf der Basis von
gemessenen Beschleunigungswerten berechnet werden.
-
Grundsätzlich
möglich ist im Fall des Einsatzes sowohl von Beschleunigungssensoren
als auch von Drehratensensoren die Plausibilisierung von Messwertplausibilisierung,
indem nach dem vorbeschriebenen Verfahren Drehwinkel bzw. Drehraten
berechnet werden, die einem Vergleich mit den sensorisch ermittelten Drehraten
zu Grunde gelegt werden. Auf diese Weise können Divergenzen
und Fehlfunktionen in den Sensoren erkannt werden.
-
Es
können die Messwerte verschiedener Beschleunigungssensoren
verarbeitet und zusammengefasst werden, so z. B. auch die Messdaten
einachsiger Beschleunigungssensoren, beispielweise von Fußgängerschutzsensoren,
wobei eine Kombination mit weiteren im Fahrzeug befindlichen Beschleunigungssensoren zweckmäßig
ist. Zur Drehratenermittlung sollten aber zumindest für
zwei verschiedene Positionen im Fahrzeug jeweils Beschleunigungswerte
in zwei verschiedene Fahrzeugrichtungen vorliegen. Sofern einzelne
Beschleunigungswerte für verschiedene Positionen vorhanden
sind, können diese aus geometrischen bzw. kinematischen
Zusammenhängen für die gewünschten Positionen
im Fahrzeug umgerechnet werden.
-
Das
Verfahren wird hardwareseitig vorzugsweise in einem Regel- bzw.
Steuergerät durchgeführt, welches im Fahrzeug
angeordnet ist und insbesondere Bestandteil eines Fahrzeugassistenzsystems
ist, beispielsweise eines ESP-Systems (elektronisches Stabilitätsprogramm).
-
Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer beispielhaften
Anordnung von Beschleunigungssensoren im linken und rechten Fahrzeugseitenbereich,
-
2 ein
Ablaufdiagramm mit den einzelnen Verfahrensschritten zur Durchführung
des Verfahrens.
-
In 1 ist
in schematischer Weise ein Kraftfahrzeug 1 dargestellt,
das im linken und rechten Seitenbereich jeweils einen Beschleunigungssensor 2 bzw. 3 aufweist.
Bei den Beschleunigungssensoren 2, 3 handelt es
sich beispielhaft um Crashsensoren, wobei grundsätzlich
im Rahmen der Erfindung verschiedenartige Sensortypen und Sensoranwendungen
in Betracht kommen, beispielsweise Beschleunigungssensoren in einem
ESP-System, Fußgängerschutzsensoren oder Airbagsensoren.
Die Beschleunigungssensoren 2 und 3 sind vorzugsweise
zumindest als zweiachsige Sensoren ausgeführt, die in der
Lage sind, die Längsbeschleunigung ax in
Fahrzeuglängsrichtung x und die Fahrzeugquerbeschleunigung
ay in Fahrzeugquerrichtung y zu messen.
Gegebenenfalls sind die Beschleunigungssensoren als dreiachsige
Sensoren ausgeführt, die zusätzlich zur Längs-
und Querbeschleunigung auch noch die Vertikalbeschleunigung in z-Richtung
messen können.
-
Die
beiden Beschleunigungssensoren 2 und 3 befinden
sich in Achslängsrichtung und in Vertikalrichtung an gleicher
Position im Fahrzeug und unterscheiden sich nur durch ihren Querabstand
l zueinander. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf ein
fahrzeugeigenes Koordinatensystem im ersten Beschleunigungssensor 2.
-
In
den Beschleunigungssensoren 2 und 3 werden die
Beschleunigungen ax1, ay1 und
az1 (erster Sensor) bzw. ax2,
ay2 und az2 (zweiter
Sensor) gemessen. Durch zweimaliges Integrieren erhält
man aus den Beschleunigungswerten die Positionen x1,
y1, z1 für
den ersten Sensor bzw. x2, y2,
z2 für den zweiten Sensor zum Zeitpunkt
t. Durch Bilden der Differenz zwischen den jeweiligen Positionskoordinaten
der beiden Sensoren zum Zeitpunkt t gemäß Δx(t) = x2(t) – x1(t) Δy(t)
= y2(t) – y1(t) Δz(t) = z2(t) – z1(t)erhält man die Positionsverschiebung Δx, Δy, Δz
des zweiten Sensors zum Zeitpunkt t bezogen auf die Ausgangsposition
zum Zeitpunkt null.
-
Für
den Fall, dass lediglich zweiachsige Beschleunigungssensoren eingesetzt
werden, über die die Längsbeschleunigung a
x und die Querbeschleunigung a
y gemessen
werden kann, wird die Lageverschiebung Δz in z-Richtung
aus dem folgenden kinematischen bzw. geometrischen Zusammenhang
bestimmt:
-
Die
Lageverschiebungen Δx, Δy und Δz werden
zur Bestimmung des Wank- bzw. Rollwinkels ϕ und des Gierwinkels ψ herangezogen.
-
Gemäß an
sich bekannter kinematischer Zusammenhänge lautet die Rollmatrix
und die Giermatrix
-
Durch
Multiplikation von Roll- und Giermatrix erhält man die
Transformationsmatrix A:
-
Die
Koordinaten r des zweiten Beschleunigungssensors
3 zum
Zeitpunkt t im Koordinatensystem des ersten Beschleunigungssensors
2 lauten:
wobei mit l die konstante
y-Verschiebung des Sensors
3 gegenüber dem Sensor
2 bezeichnet
ist.
-
Die
Verschiebung Δr des Sensors
3 zum Zeitpunk t wird
durch Subtraktion der Relativlage des Sensors
3 bezogen
auf den Sensor
2 von den Koordinaten r ermittelt:
bzw. in skalarer Schreibweise:
Δx = lsinψ Δy
= lcosψcosφ – l Δz
= –lcosψsinφ. -
Aufgelöst
nach dem Gierwinkel ψ und dem Rollwinkel ϕ ergibt
dies:
-
Durch
Differenziation des Gierwinkels ψ und des Rollwinkels ϕ erhält
man die Gierrate ψ .(t) sowie die Rollrate φ .(t).
-
Es
kann ggf. zweckmäßig sein, auch den Nickwinkel
zu bestimmen, wofür die Nickmatrix in der Transformationsmatrix
A berücksichtigt werden muss. Durch Differenziation des
Nickwinkels kann die Nickrate bestimmt werden.
-
In 2 sind
die verschiedenen Verfahrensschritte zum Ablauf des Verfahrens nochmals
in vereinfachter Weise zusammengefasst. Gemäß des
ersten Verfahrensschrittes V1 werden zunächst mittels der
beiden Beschleunigungssensoren die Beschleunigungen ax1,
ay1, az1 (Sensor
1) bzw. ax2, ay2,
az2 (Sensor 2) in den drei Achsrichtungen
gemessen. Im nächsten Verfahrensschritt V2 werden durch
zweimalige Integration der Beschleunigungswerte die Lagekoordinaten
x1, y1, z1 bzw. x2, y2, z2 der beiden
Beschleunigungssensoren zum Zeitpunkt t bestimmt. Im nächsten
Schritt wird die Verschiebung Δx, Δy, Δz
durch Subtraktion der Lagekoordinaten des ersten Beschleunigungssensors
von den Lagekoordinaten des zweiten Beschleunigungssensors bestimmt.
Daraufhin kann im folgenden Verfahrensschritt V4 der Rollwinkel ϕ sowie
der Gierwinkel ψ jeweils aus einer Funktion in Abhängigkeit
der Lageverschiebungen bestimmt werden. Durch numerische Differenziation
können im nächsten Verfahrensschritt V5 die Rollrate φ . sowie
die Gierrate ψ . bestimmt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10065724
A1 [0002, 0003]
