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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Fahrzeugzustandsgröße oder einer Fahrzeugkenngröße in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus der
US 2003/0149512 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung diverser Fahrzeugzustandsgrößen auf der Grundlage von Daten eines globalen Positionierungssystems (GPS) bekannt. Im Fahrzeug sind zwei Antennen zum Empfang von Signalen des GPS eingebaut, wobei über die GPS-Informationen sowohl die absolute Position als auch die Geschwindigkeit am Ort der Antennen im Fahrzeug ermittelt werden kann. Die Positions- und Geschwindigkeitsinformationen liegen vektoriell mit Komponenten in x-, y- und z-Richtung vor, was Grundlage für die Bestimmung der Fahrzeuglängs- und Quergeschwindigkeit sowie Längs- und Querbeschleunigung und darüber hinaus auch für die Bestimmung des Wank-, Nick- und Gierwinkels des Fahrzeugs ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, in einem Fahrzeug, welches mit einer Empfangseinheit für ein globales Positionierungssystem GPS ausgestattet ist, zusätzliche Informationen über den Fahrzeugzustand bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Voraussetzung für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Fahrzeug, das mit einer Empfangseinheit für Signale eines globalen Positionierungssystems GPS ausgestattet ist. Auf der Grundlage der Positions- und Geschwindigkeitsinformationen zumindest einer GPS-Empfangsantenne können Zustands- bzw. Kenngrößen des Fahrzeugs bestimmt werden, welche sonst nur über zusätzliche Sensoren ermittelbar sind. Auf diese Weise ist es möglich, entweder Sensoren im Fahrzeug einzusparen oder eine Validierung der Sensordaten durchzuführen.
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Sofern das Fahrzeug mit nur einer Empfangsantenne für die GPS-Signale ausgestattet ist, können zumindest der Reifenradius sowie die Reifenaufstandskräfte bestimmt werden. Der Reifenradius wird aus dem Verhältnis von Fahrzeuglängsgeschwindigkeit zur Raddrehzahl ermittelt, wobei die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit aus den Daten des globalen Positionierungssystems bestimmt wird und die Raddrehzahl aus einem Raddrehzahlsensor im Fahrzeug.
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Die Reifenaufstandskräfte können unter Nutzung der Informationen des globalen Positionierungssystems aus der zweiten Ableitung der vertikalen Fahrzeugposition bestimmt werden. Die vertikale Fahrzeugposition in einem fahrzeugfesten Punkt, insbesondere an der Position der Empfangsantenne, wird aus den GPS-Signalen gewonnen. Durch mathematische Verfahren wird aus der vertikalen Fahrzeugposition die zweite Ableitung bestimmt, die zur Erdbeschleunigung hinzuaddiert wird, wobei die Summe mit der Fahrzeugmasse zur Bestimmung der Summe aller Aufstandskräfte multipliziert wird. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Aufstandskräfte dynamisch ermittelt werden, so dass die Berechnung der Aufstandskräfte auch auf Situationen anwendbar ist, in welchen das Fahrzeug teilweise oder vollständig den Bodenkontakt verliert. Eine Änderung der Reifenaufstandskräfte kann rechtzeitig registriert und durch regelungstechnische Maßnahmen teilweise oder vollständig kompensiert werden. Fährt das Fahrzeug beispielsweise während eines Bremsvorgangs über eine Kuppe und verliert dadurch kurzzeitig zumindest teilweise den Bodenkontakt, so kann anstatt eines Bremsdruckabbaus ein Bremsdruckaufbau eingeleitet werden, um nach dem Überfahren der Kuppe eine optimale Bremsverzögerung zu gewährleisten.
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Sofern im Fahrzeug mindestens zwei Empfangsantennen zum Empfang von GPS-Signalen vorgesehen sind, können weitere Zustands- bzw. Kenngrößen ermittelt werden, insbesondere die Fahrbahnsteigung, der Fahrzeugnickwinkel und die Fahrbahnquerneigung.
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Zur Bestimmung der Fahrbahnsteigung und des Fahrzeugnickwinkels werden aus den Daten des globalen Positionierungssystems die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit sowie die Fahrzeugvertikalgeschwindigkeit in einem Fahrzeugpunkt ermittelt, wobei unter Zugrundelegung des Verhältnisses von Fahrzeugvertikalgeschwindigkeit zu Fahrzeuglängsgeschwindigkeit der relative Nickwinkel des Fahrzeugs zwischen Fahrzeuglängsachse und Fahrbahn bestimmt wird. Aus der Differenz von absolutem Nickwinkel, welcher den Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und einem Weltkoordinatensystem bezeichnet, und relativem Nickwinkel wird die Fahrbahnsteigung bestimmt. Der absolute Nickwinkel bestimmt sich insbesondere aus Positionsdaten des globalen Positionierungssystems für zwei fahrzeugfeste Punkte, bei denen es sich vorzugsweise um die Position der beiden Empfangsantennen im Fahrzeug handelt, die zueinander beabstandet im Fahrzeug angeordnet sind, insbesondere mit axialem Längsabstand. Aus der Differenz der Vertikalposition der beiden fahrzeugfesten Punkte kann gemäß einer trigonometrischen Beziehung der Antennenwinkel zwischen dem Weltkoordinatensystem und der Verbindungslinie der beiden Antennen bestimmt werden, wobei der absolute Nickwinkel aus der Differenz von Antennenwinkel und Relativwinkel zwischen der Verbindungslinie und der Fahrzeuglängsachse bestimmt wird. Auf diese Weise ist es möglich, allein aus den Informationen, welche über zwei Empfangsantennen im Fahrzeug aus einem globalen Positionierungssystem empfangen werden, sowie aus geometrischen Fahrzeuginformationen den absoluten Nickwinkel des Fahrzeugs, den relativen Nickwinkel sowie die Fahrbahnsteigung zu bestimmen.
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Auch die Fahrbahnquerneigung kann aus den Informationen gewonnen werden, die bei Vorhandensein von zwei Empfangsantennen im Fahrzeug zur Verfügung stehen. Hierbei werden aus den Daten des globalen Positionierungssystems die Längsgeschwindigkeit und die Ableitung der Quergeschwindigkeit in einem fahrzeugfesten Punkt, insbesondere im Schwerpunkt bestimmt und gemeinsam mit der gemessenen Querbeschleunigung und Gierrate in einer kinematischen Beziehung verwertet, aus der die Fahrbahnquerneigung ermittelt werden kann. Die Querbeschleunigung sowie die Gierrate werden zweckmäßigerweise über eine fahrzeugeigene Sensorik bestimmt, welche auch Raddrehzahlsensoren umfassen kann.
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Sofern mindestens drei Empfangsantennen im Fahrzeug vorhanden sind, lässt sich zusätzlich auch noch der Wankwinkel aus den Daten des globalen Positionierungssystems bestimmen.
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Der Reifenradius kann während des Fahrzeugbetriebs ermittelt werden, vorzugsweise in Fahrsituationen, in denen das Fahrzeug mit nur geringem oder ohne Antriebsmoment geradeaus rollt. Soweit für jedes Rad die Raddrehzahl zur Verfügung steht, beispielsweise bei Vorhandensein eines Raddrehzahlsensors pro Fahrzeugrad, kann auch der Reifenradius für jedes Rad separat bestimmt werden.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der in schematischer Weise ein Fahrzeug dargestellt ist, welches auf einer geneigten Fahrbahn steht.
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Das in der Figur dargestellte Fahrzeug 1 ist mit zwei Empfangsantennen A1 und A2 zum Empfang von Signalen eines globalen Positionierungssystems GPS ausgestattet. Die Empfangsantennen A1 und A2 sind fahrzeugseitig an den Punkten S1 bzw. S2 aufgehängt und innerhalb des Fahrzeugs 1 axial in Richtung der Längsachse x zueinander beabstandet. Darüber hinaus besitzen die Antennen A1 und A2 eine unterschiedliche vertikale Position z, gemessen in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem V. Der Abstand zwischen den beiden Empfangsantennen A1 und A2 ist mit d bezeichnet.
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Das Fahrzeug 1 befindet sich auf einer geneigten Fahrbahn 2, welche gegenüber einem Weltkoordinatensystem E eine Fahrbahnsteigung αstreet aufweist. Das Fahrzeug 1 nimmt einen relativen Nickwinkel αpitch zwischen der Fahrzeuglängsachse x und der Fahrbahn 2 ein. Der absolute Nickwinkel α setzt sich additiv aus dem relativen Nickwinkel αpitch sowie der Fahrbahnsteigung αstreet zusammen.
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Der relative Nickwinkel α
pitch des Fahrzeugs zwischen Fahrzeuglängsachse und Fahrbahn kann aus der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
ν V / x und der Fahrzeugvertikalgeschwindigkeit
ν V / z in einem fahrzeugfesten Punkt, dargestellt in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem, gemäß der Beziehung
bestimmt werden, wobei die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
ν V / x und die Fahrzeugvertikalgeschwindigkeit
ν V / z aus Daten des globalen Positionierungssystems GPS ermittelt werden.
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Der absolute Nickwinkel α des Fahrzeugs, der den Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und dem Weltkoordinatensystem E bezeichnet, wird aus der Differenz des Antennenwinkels α
antenna zwischen dem Weltkoordinatensystem E und der Verbindungsgeraden der beiden Antennen und einem Relativwinkel Δα
antenna zwischen der Verbindungsgeraden und der Fahrzeuglängsachse gemäß
α = αantenna – Δαantenna bestimmt. Der Antennenwinkel α
antenna wird aus der Differenz der Vertikalposition
s E / A1,z, s E / A2,z der Position S
1, S
2 der beiden fahrzeugfesten Empfangsantennen A
1, A
2 gemäß der Beziehung
bestimmt, wobei „d” den Abstand zwischen den beiden fahrzeugfesten Empfangsantennen A
1, A
2 bezeichnet. Der Antennenwinkel α
antenna und der Relativwinkel Δα
antenna zwischen den beiden Empfangsantennen A
1, A
2 werden um die jeweilige Koordinatenquerachse bestimmt.
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Bei Kenntnis des relativen Nickwinkels αpitch des Fahrzeugs zwischen Fahrzeuglängsachse und Fahrbahn und des absoluten Nickwinkels α des Fahrzeugs zwischen der Fahrzeuglängsachse und dem Weltkoordinatensystem E kann auch die Fahrbahnsteigung αstreet ermittelt werden: αstreet = α – αpitch.
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Aus den Daten, welche im Fahrzeug über die Empfangsantennen aus dem globalen Positionierungssystem GPS empfangen werden, können auch die Reifenradien der Fahrzeugreifen bestimmt werden. Hierzu wird im fahrzeugfesten Koordinatensystem V eine Fahrzeuglängsgeschwindigkeit in einem fahrzeugfesten Punkt bestimmt, insbesondere im Fahrzeugschwerpunkt oder an der Position einer der Empfangsantennen im Fahrzeug, und aus dem Verhältnis von Fahrzeeglangsgeschwindigkeit zur Raddrehzahl ω
Rad der betreffende Reifenradius r
Rad ermittelt:
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Die Raddrehzahl ωRad kann für jedes Fahrzeugrad separat bestimmt werden, dementsprechend kann auch der Reifenradius rRad jedes Fahrzeugrades ermittelt werden. Die Raddrehzahlen ωRad werden aus je einem Raddrehzahlsensor pro Fahrzeugrad ermittelt.
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Mittels der über das globale Positionierungssystem GPS empfangenen Daten können auch die Reifenaufstandskräfte FZ bestimmt werden. Die Summer aller Aufstandskräfte an den Fahrzeugrädern ergibt sich aus der zweiten Ableitung s .. E / z der vertikalen Fahrzeugposition s E / z, welche aus den Daten des globalen Positionierungssystems gewonnen wird und im Weltkoordinatensystem E dargestellt ist. Gemäß der Beziehung ΣFz = m(g + s .. E / z) wird die Summe aller Aufstandskräfte dynamisch aus dem Produkt von Fahrzeugmasse m und Summe aus Erdbeschleunigung g sowie zweiter Ableitung s .. E / z der Fahrzeugposition ermittelt. Auf Grund der dynamischen Bestimmung der Reifenaufstandskräfte kann auf aktuelle Fahrsituationen durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise über Eingriffe von Fahrerassistenzsystemen reagiert werden. Beispielsweise können regelungstechnische Maßnahmen ergriffen werden, wenn das Fahrzeug eine Kuppe überfährt und teilweise oder vollständig den Bodenkontakt verliert.
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Aus den Informationen, die vom globalen Positionierungssystem GPS geliefert werden, kann auch die Fahrbahnquerneigung γ bestimmt werden, also die Neigung der Fahrbahn in Querrichtung (schiefe Ebene).
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Aus den GPS-Daten werden die Längsgeschwindigkeit ν V / CoG,x und die Ableitung ν . V / CoG,y der Quergeschwindigkeit ν V / CoG,y in einem fahrzeugfesten Punkt im Fahrzeugkoordinatensystem V bestimmt, vorzugsweise im Fahrzeugschwerpunkt. Die Fahrbahnquerneigung γ kann mit diesen Größen sowie mit der Gierrate ψ ., der Querbeschleunigung ay und der Erdbeschleunigung g aus folgender Beziehung bestimmt werden: g·sinγ = ay – ν . V / CoG,y – ν V / CoG,x·ψ ..
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Die Gierrate ψ . und die Querbeschleunigung ay werden aus sensorischen Daten einer fahrzeugeigenen Sensorik bestimmt, ebenso wie die Raddrehzahlen ωRad.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0149512 A1 [0002]
