DE102010017703A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Fahrzeugsteuerung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fahrzeugsteuerung. wobei Aktuatoren in einem Fahrzeug unter Verwendung einer das Zielverhalten des Fahrzeuges definierenden Funktion (VTG) angesteuert werden. Ein Verfahren weist folgende Schritte auf: (a) Ermitteln einer Vorderachsencharakteristik Fyf(αf), welche den Anforderungswert der auf die Vorderachse wirkenden Kraft (Fyf) in Abhängigkeit vom Schräglaufwinkel (αf) beschreibt, sowie einer Hinterachsencharakteristik Fyr(αr), welche den Anforderungswert der auf die Hinterachse wirkenden Kraft (Fyr) in Abhängigkeit vom Schräglaufwinkel (αr) beschreibt, jeweils unter Zugrundelegung eines Einspurmodells, (b) Festlegen einer modifizierten Hinterachsencharakteristik Fyr(αr, Target), welche gegenüber der im Schritt (a) ermittelten Hinterachsencharakteristik Fyr(αr) zumindest bereichsweise zu höheren Kräften hin verschoben ist, (c) Festlegen der das Zielverhalten des Fahrzeuges definierenden Funktion unter anderem auf Basis der modifizierten Hinterachsencharakteristik Fyr(αr, Target), und (d) Ansteuerung wenigstens eines Aktuators in dem Fahrzeug unter Verwendung dieser das Zielverhalten des Fahrzeuges definierenden Funktion.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fahrzeugsteuerung.
  • Moderne Fahrzeuge sind mit aktiven Systemen ausgestattet, welche die Reaktion des Fahrzeuges auf Fahrereingaben in Abhängigkeit von der Fahrsituation und basierend auf einem Vergleich der tatsächlich gemessenen Reaktion des Fahrzeuges mit der Sollreaktion ändern.
  • Gegenwärtig auf dem Markt verfügbare aktive Fahrwerkssysteme wie z. B. ESC (= elektronische Stabilitätsregelung auf Basis einer Betätigung der Bremsen), AFS (= aktive Vorderachsenlenkung), ARS (= aktive Hinterachsenlenkung) oder eDIFF (= elektronisch geregeltes Differential) besitzen eine spezielle Logik zur Festlegung der jeweiligen Betätigungen bzw. Stellbefehle, wobei diese Logik eine Funktion zur Erzeugung einer Zieldefinition bzw. eines Zielverhaltens (”target definition”) umfaßt, üblicherweise für einen Gierratensollwert. In Abhängigkeit von den Werten dieses Zielverhaltens führt die durch das aktive System durchgeführte Echtzeitkorrektur zu einer gesteigerten Gierreaktion (falls das Fahrzeug im Vergleich zum Sollwert untersteuert) oder zu einer reduzierten Gierreaktion (falls das Fahrzeug im Vergleich zum Sollwert übersteuert). Da die Definition des Zielverhaltens unmittelbar die Betätigung durch das aktive System bzw. bzw. die Stellbefehle beeinflußt und bestimmt, ist eine sorgfältige Definition des Zielverhaltens von wesentlicher Bedeutung.
  • Die Definition des Sollverhaltens des Fahrzeuges ist ferner auch deshalb gegenwärtig von großer Wichtigkeit, weil aktive Systeme in immer stärkerem Maße verbreitet sind und mit guter Synchronisation auf das gleiche Zielverhalten hinwirken bzw. zusammenarbeiten müssen. Die Zieldefinition stellt das wesentliche ausschlaggebende Element für die Synchronisation von mehreren Betätigungen bzw. Stellbefehlen dar, falls sämtliche Aktuatoren auf das gleiche Zielverhalten ausgerichtet sind.
  • Bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Definition des Zielverhaltens basieren typischerweise auf der Gleichgewichtsrelation zwischen dem Lenkwinkel und der Gierrate oder auf der charakteristischen Geschwindigkeit, wobei abschließend eine Tiefpaß- und/oder Hochpaßfilterung durchgeführt wird.
  • Aus der DE 10 2008 21 532 A1 ist ein Verfahren zur Fahrzeugsteuerung bekannt, bei welchem ein das vom Fahrer angeforderte Drehmoment repräsentierender Eingangs-Drehmomentanforderungswert in einen Untersteuerungs-Drehmomentanforderungswert in Abhängigkeit von einem für einen Untersteuerungsgrad des Fahrzeugs charakteristischen Untersteuerungsindex und in einen Übersteuerungs-Drehmomentanforderungswert in Abhängigkeit von einem für einen Übersteuerungsgrad des Fahrzeugs charakteristischen Übersteuerungsindex transformiert wird, und wobei ein Ausgangs-Drehmomentanforderungswert in Abhängigkeit von dem Untersteuerungs-Drehmomentanforderungswert und dem Übersteuerungs-Drehmomentanforderungswert erzeugt wird, wobei die Aktuatoren unter Verwendung des Ausgangs-Drehmomentanforderungswertes angesteuert werden.
  • Aus der DE 10 2007 053 815 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer aktiven Lenkung einer Frontachse eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei mittels dieser aktiven Lenkung fahrtsituationsabhängig ein Lenkungsübersetzungsverhältnis des Kraftfahrzeuges mittels Überlagerung eines durch einen Fahrzeugregler berechneten Korrekturwinkels variierbar ist.
  • Aus der DE 10 2008 021 530 A1 ist eine Vorrichtung zur Fahrzeugsteuerung bekannt, bei welcher eine Transformation eines Giermomentanforderungswertes in eine Mehrzahl individueller Anforderungswerte durchgeführt wird, 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.
  • Aus der DE 10 2008 021 531 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Stabilitätssteuerung eines Kraftfahrzeugs mit einer Mehrzahl von Aktuatoren zur Beeinflussung der Fahrzeugdynamik bekannt, wobei wenigstens eine Gierraten-Steuereinheit zur Steuerung der Gierrate des Kraftfahrzeugs, eine Quergeschwindigkeits-Steuereinheit zur Steuerung der Quergeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und eine Verteilungseinheit zur parallelen Ansteuerung der Aktuatoren gemäß Anforderung durch die wenigstens eine Gierraten-Steuereinheit und durch die Quergeschwindigkeits-Steuereinheit vorgesehen sind.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fahrzeugsteuerung bereitzustellen, welche eine zuverlässigere Reaktion des Fahrzeuges ermöglichen und mittels derer kurzfristige Abstimmungen zur Korrektur einer Übersteuerungs- und/oder Untersteuerungscharakteristik leichter erzielt werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
  • Ein Verfahren zur Fahrzeugsteuerung, wobei Aktuatoren in einem Fahrzeug unter Verwendung einer das Zielverhalten des Fahrzeuges definierenden Funktion (VTG) angesteuert werden, weist folgende Schritte auf:
    • (a) Ermitteln einer Vorderachsencharakteristik Fyf(αf), welche den Anforderungswert der auf die Vorderachse wirkenden Kraft (Fyf) in Abhängigkeit vom Schräglaufwinkel (αf) beschreibt, sowie einer Hinterachsencharakteristik Fyr(αr), welche den Anforderungswert der auf die Hinterachse wirkenden Kraft (Fyr) in Abhängigkeit vom Schräglaufwinkel (αr) beschreibt, jeweils unter Zugrundelegung eines Einspurmodells,
    • (b) Festlegen einer modifizierten Hinterachsencharakteristik Fyr(αr, Target), welche gegenüber der im Schritt (a) ermittelten Hinterachsencharakteristik Fyr(αr) zumindest bereichsweise zu höheren Kräften hin verschoben ist,
    • (c) Festlegen der das Zielverhalten des Fahrzeuges definierenden Funktion unter anderem auf Basis der modifizierten Hinterachsencharakteristik Fyr(αr, Target), und
    • (d) Ansteuerung wenigstens eines Aktuators in dem Fahrzeug unter Verwendung dieser das Zielverhalten des Fahrzeuges definierenden Funktion.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zur Fahrzeugsteuerung bereitgestellt, bei dem eine Auslegung der das Zielverhalten des Fahrzeuges definierenden Funktion (VTG) derart vorgenommen wird, dass im Vergleich zu einem Fahrzeug unter nominellen Bedingungen eine unveränderte Untersteuerungs-Charakteristik sowie eine verbesserte Stabilität erzielt wird, da das Verhalten der Hinterachse zu höheren Kräften hin modifiziert wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann, wenn die gleiche, erfindungsgemäße Modifikation hin zu höheren Kräften auch für die Vorderachsencharakteristik durchgeführt wird, die Reaktion des Fahrzeugs im Gleichgewichtszustand modifiziert werden. Wenn auch für die Vorderachse eine entsprechende Verbesserung der Charakteristik durchgeführt wird, bewirkt das Zielverhalten eine verbesserte Reaktion, wenn die Vorderachse in Sättigung übergeht. Eine solche Auswahl der VTG-Funktion ist insbesondere für Systeme zur Steigerung der Mobilität bzw. Agilität geeignet, einschließlich ”Torque Vectoring” (d. h. aktive Beeinflussung des Gierwinkels), aktive Bremssysteme oder aktive Hinterachsenlenkung.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Fahrzeugsteuerung, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Zu Vorteilen und bevorzugten Ausgestaltungen der Vorrichtung wird auf die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren verwiesen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Diagramm zur Erläuterung einer möglichen Vorderachsencharakteristik sowie einer möglichen Hinterachsencharakteristik für eine beispielhafte VTG-Funktion gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Krafterhöhung auch für die Vorderachsencharakteristik durchgeführt wird.
  • Im Folgenden wird der Aufbau einer der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Funktion erläutert, welche im Folgenden als VTG-Funktion (VTG = ”Vehicle Target Generation” = Fahrzeug-Zielverhalten-Erzeugung) bezeichnet wird und die gewünschte bzw. angestrebte Fahrzeugreaktion definiert.
  • Die an die VTG-Funktion zu stellenden Anforderungen hinsichtlich Handling und Stabilität beinhalten, dass das ”passive” Fahrzeug insofern korrekt ausgelegt ist, als das Fahrzeug unter nominellen Bedingungen (hinsichtlich der Fahrtbedingungen, der Alterung, der Temperatur etc.) die gewünschte Reaktion zeigt. Diese Anforderungen lauten:
    ”Anforderung 1”: Die VTG-Funktion sollte idealerweise zur gleichen Reaktion führen, welche das ”passive” Fahrzeug unter nominellen Bedingungen zeigt; und
    ”Anforderung 2”: Die VTG-Funktion sollte immer eine stabile Reaktion zeigen, d. h. eine Reaktion, die zu keiner Zeit ein Ausgangssignal erzeugt, welches bei nicht-divergierendem Eingangssignal zum Divergieren neigt.
  • Die primären Fahrzeugzustände zur Beschreibung des Handling- und Stabilitätsverhaltens eines Fahrzeuges sind die Gierrate und die Querbeschleunigung. Die einfachste Darstellung der Fahrzeugdynamik unter Einbeziehung dieser beiden Größen ist das sog. Einspurmodell (= ”Vehicle Single Track Model”), welches durch folgendes Gleichungssystem (1) beschrieben wird:
    Figure 00060001
    wobei gilt
    Figure 00060002
    und wobei die Größen in den Gleichungssystemen (1) und (2) wie folgt definiert sind:
    • δf
    = Vorderachsenlenkwinkel,
    δr
    = Hinterachsenlenkwinkel,
    μ
    = Reibungskoeffizient zwischen Reifen und Fahrbahn,
    vx
    = Fahrzeuggeschwindigkeit,
    vy
    = Quergeschwindigkeit,
    vΨ
    = Giergeschwindigkeit,
    m
    = Masse,
    J
    = Trägheitsmoment,
    If
    = Abstand der Vorderachse vom Schwerpunkt,
    Ir
    = Abstand der Hinterachse vom Schwerpunkt,
    Fyf(αf)
    = Vorderachsencharakteristik,
    Fyr(αr)
    = Hinterachsencharakteristik.
  • Hierbei sind δf, δr, μ und vx Eingangsgrößen für das Modell, vy und vΨ sind Ausgangsgrößen des Modells, m, J, If und Ir sind Parameter und Fyf(αf) und Fyr(αr) sind vorgegebene Funktionen.
  • Wenn die Modellparameter so bestimmt werden, dass sie die bestmögliche Übereinstimmung mit dem tatsächlichen Fahrzeugverhalten ergeben, zeigt es sich, dass die Übereinstimmung für typische Manöver von niedriger Dynamik wie z. B. das SP-Manöver (d. h. ein Manöver auf einer sogenannten Rutschplatte, SP = ”Steering Pad”) sehr gut sein bzw. einen Fehler von weniger als 2% aufweisen kann. Dieses SP-Manöver ist insofern von großer Bedeutung, als es üblicherweise dazu verwendet wird, die Reaktion des Fahrzeuges bei niedriger Dynamik zu charakterisieren. Das SP-Manöver beinhaltet eine Fahrt auf einer Kreisbahn von konstantem Radius (typischerweise 30 m, 60 m oder 100 m) mit wachsender Geschwindigkeit, bis die maximale Querbeschleunigung erreicht ist. Da Fahrzeuge typischerweise so ausgelegt sind, dass sie unter nominellen Bedingungen bei Manövern geringer Dynamik untersteuern, nimmt der Lenkradwinkel zu, wenn die Geschwindigkeit steigt.
  • Darüber hinaus gelangt aufgrund der Tatsache, dass ein korrekt ausgelegtes Fahrzeug unter nominellen Bedingungen beim SP-Manöver niemals übersteuert, die Hinterachse während des SP-Manövers nicht in die Sättigung, wohingegen die Vorderachse schließlich die Sättigung erreicht, wenn die maximale Querbeschleunigung erreicht wird. Im Ergebnis ermöglicht das Manöver auf der Rutschplatte eine vollständige indirekte Messung der Vorderachsencharakteristik Fyf(), wohingegen nur der lineare Anteil der Hinterachsencharakteristik Fyr() nachweisbar ist.
  • Um die vollständige Hinterachsencharakteristik zu rekonstruieren, ist ein zweites Manöver erforderlich, welches mit hoher Dynamik erfolgen muss, um das Übersteuerungsverhalten auszulösen. Im Falle hoher Dynamik ist die Anpassung der Reaktion weniger gut als im Gleichgewichtszustand, da ein nicht-modellgemäßes Dynamikverhalten wie Rollen bzw. eine Kreuz- bzw. Querkopplung durch die Aufhängungsgeometrie relevanter wird, wobei jedoch ein Modellfehler unterhalb eines Wertes von 10% erwartet werden kann.
  • Ein typisches in diesem Falle gewähltes Manöver hoher Dynamik ist das sogenannte DSS-Manöver (DSS = ”Double Step Steer”, Doppellenkmanöver), welches mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit (typischerweise 60 Km/h, 80 Km/h, 100 Km/h, 120 Km/h, ...) durchgeführt wird, bis das Fahrzeug ins Schleudern gerät. Mittels dieser zweiten Gruppe von DSS-Manövern wird die Hinterachsencharakteristik einschließlich des nichtlinearen Anteils bis zur Sättigung vervollständigt.
  • Da das durch das obige Gleichungssystem (1) beschriebene Modell am Besten an den Gleichgewichtszustand und die dynamischen Messungen angepaßt ist, ist es für die vorgegebene Modellkomplexität hinsichtlich der Erfüllung der ”Anforderung 1” optimal. Die ”Anforderung ”2” wird hingegen nicht erfüllt, da das durch das Gleichungssystem (1) definierte Modell oberhalb einer bestimmten Längsgeschwindigkeit im Falle eines DSS-Manövers eine instabile Reaktion liefert.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird nun dieses Problem dadurch gelöst, dass die Hinterachsencharakteristik Fyr() im Gleichungssystem (1) modifiziert wird, wobei es der Hinterachse ermöglicht wird, eine größere Kraft als physikalisch möglich zu entwickeln bzw. aufzubauen, wodurch verhindert wird, dass das Fahrzeug ins Schleudern gerät bzw. eine divergierende Reaktion zeigt. Somit wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Auslegung einer VTG-Funktion vorgeschlagen, welche im Vergleich zu einem Fahrzeug unter nominellen Bedingungen eine unveränderte Untersteuerungs-Charakteristik sowie eine verbesserte Stabilität zeigt, da das Verhalten der Hinterachse zu höheren Kräften hin modifiziert wird.
  • 1 zeigt in einer beispielhaften Ausführungsform eine mögliche Vorderachsencharakteristik sowie eine mögliche Hinterachsencharakteristik für eine beispielhafte VTG-Funktion gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß 1 bleibt die Vorderachsencharakteristik unverändert, wohingegen die Hinterachsencharakteristik modifiziert wird, wodurch erreicht wird, dass sich das Gleichungssystem (1) zu jeder Zeit stabil verhält.
  • 2 zeigt, wie die Hinterachsencharakteristik modifiziert werden kann. Dabei kann grundsätzlich jede Kurve innerhalb des schraffierten Bereichs ausgewählt werden, wobei jeweils ein verbessertes Stabilitätsverhalten im Vergleich zu dem ebenfalls dargestellten Standardverhalten des Fahrzeuges erzielt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann, wenn die gleiche Krafterhöhung auch für die Vorderachsencharakteristik durchgeführt wird, die Reaktion des Fahrzeugs im Gleichgewichtszustand modifiziert werden. Ein Beispiel ist in 2 dargestellt. Wenn auch für die Vorderachse eine Verbesserung der Charakteristik gemäß 2 durchgeführt wird, bewirkt das Zielverhalten eine verbesserte Reaktion, wenn die Vorderachse in Sättigung übergeht. Eine solche Auswahl der VTG-Funktion ist insbesondere geeignet für Systeme zur Steigerung der Mobilität bzw. Agilität, einschließlich ”Torque Vectoring” (d. h. aktive Beeinflussung des Gierwinkels), aktive Bremssysteme oder aktive Hinterachsenlenkung.
  • 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 10200821532 A1 [0006]
    • DE 102007053815 A1 [0007]
    • DE 102008021530 A1 [0008]
    • DE 102008021531 A1 [0009]

Claims (5)

  1. Verfahren zur Fahrzeugsteuerung, wobei Aktuatoren in einem Fahrzeug unter Verwendung einer das Zielverhalten des Fahrzeuges definierenden Funktion (VTG) angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Ermitteln einer Vorderachsencharakteristik Fyf(αf), welche den Anforderungswert der auf die Vorderachse wirkenden Kraft (Fyf) in Abhängigkeit vom Schräglaufwinkel (αf) beschreibt, sowie einer Hinterachsencharakteristik Fyr(αr), welche den Anforderungswert der auf die Hinterachse wirkenden Kraft (Fyr) in Abhängigkeit vom Schräglaufwinkel (αr) beschreibt, jeweils unter Zugrundelegung eines Einspurmodells; b) Festlegen einer modifizierten Hinterachsencharakteristik Fyr(αr, Target), welche gegenüber der im Schritt a) ermittelten Hinterachsencharakteristik Fyr(αr) zumindest bereichsweise zu höheren Kräften hin verschoben ist; c) Festlegen der das Zielverhalten des Fahrzeuges definierenden Funktion unter anderem auf Basis der modifizierten Hinterachsencharakteristik Fyr(αr, Target); und d) Ansteuerung wenigstens eines Aktuators in dem Fahrzeug unter Verwendung dieser das Zielverhalten des Fahrzeuges definierenden Funktion.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Hinterachsencharakteristik Fyr(αr) derart festgelegt wird, dass sich das folgende Gleichungssystem zu jeder Zeit stabil verhält:
    Figure 00110001
    wobei gilt
    Figure 00110002
    und wobei δf den Vorderachsenlenkwinkel, δr den Hinterachsenlenkwinkel, μ den Reibungskoeffizient zwischen Reifen und Fahrbahn, vx die Fahrzeuggeschwindigkeit, vy die Quergeschwindigkeit, vΨ die Giergeschwindigkeit, m die Masse, J das Trägheitsmoment, If den Abstand der Vorderachse vom Schwerpunkt und Ir den Abstand der Hinterachse vom Schwerpunkt bezeichnen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt aufweist: Festlegen einer modifizierten Vorderachsencharakteristik Fyf(αf, Target), welche gegenüber der im Schritt a) ermittelten Vorderachsencharakteristik Fyf(αf) zumindest bereichsweise zu höheren Kräften hin verschoben ist; wobei die das Zielverhalten des Fahrzeuges definierende Funktion im Schritt d) unter anderem auf Basis dieser modifizierten Vorderachsencharakteristik Fyf(αf, Target) festgelegt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein System zur aktiven Beeinflussung des Gierwinkels, ein aktives Bremssysteme und/oder eine aktive Hinterachsenlenkung aufweist.
  5. Vorrichtung zur Fahrzeugsteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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