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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Seitenwindkompensation in Fahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2004 017 638 A1 ist ein Verfahren zur rechnerischen Ermittlung der Seitenwindkraft, welche auf ein Fahrzeug wirkt, bekannt, das auf einem linearen Einspurmodell beruht und die Messung der Gierrate, der Querbeschleunigung, der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und des Lenkwinkels mithilfe einer im Fahrzeugmitgeführten Sensorik voraussetzt. Die Seitenwindkraft wird hierbei auf der Grundlage eines aus der Regelungstechnik bekannten Beobachters geschätzt. Auf der Grundlage der Seitenwindkraft werden zur Stabilisierung Eingriffe in das Fahrzeug durchgeführt, beispielsweise in das Lenksystem des Fahrzeugs.
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Bei der Seitenwindkraftberechnung ist auf Effizienz und Genauigkeit zu achten, da der ermittelte Windkraftwert der Ansteuerung eines die Fahrdynamik des Fahrzeugs beeinflussenden Aktuators zu Grunde gelegt wird und falsche Werte der Windkraft unerwünschte, ggf. sogar destabilisierende Effekte haben können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein einfach durchzuführendes, zuverlässiges Verfahren zur Plausibilitätsprüfung rechnerisch ermittelter Seitenwindkräfte anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Kompensation von Seitenwind in Fahrzeugen und geht von einer rechnerischen Ermittlung des Seitenwindes aus. Hierfür werden sensorisch ermittelte Fahrzeugzustandsgrößen zu Grunde gelegt, wobei die Sensorik keine unmittelbar mit der Seitenwindkraft zusammenhängende Größen misst, sondern vorteilhafterweise Fahrzeugzustandsgrößen der Längs- und Querdynamik. Gemäß bevorzugter Ausführung wird die Sensorik eines elektronischen Stabilitätsprogrammes (ESP) zu Grunde gelegt, mit der die Fahrzeuggeschwindigkeit in Längsrichtung, der Lenkwinkel, die Gierrate und die Querbeschleunigung gemessen werden können; diese Größen werden zweckmäßigerweise der Seitenwindberechnung zugrunde gelegt.
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Um sicherzustellen, dass es sich bei dem berechneten Seitenwindwert um eine plausible Größe handelt, welche der Durchführung von Kompensationsmaßnahmen zu Grunde gelegt wird, und nicht lediglich um eine auf das Fahrzeug wirkende Störgröße, werden der Seitenwind sowie die Seitenwindänderung berechnet und ein Vorzeichenvergleich durchgeführt. Stimmt das Vorzeichen des Seitenwinds mit dem Vorzeichen der Seitenwindänderung überein, werden die Seitenwind kompensierenden Maßnahmen durchgeführt. Stimmen die Vorzeichen nicht überein, werden die Seitenwind kompensierenden Maßnahmen nicht zwingend durchgeführt. Auf diese Weise können bestimmte, Seitenwind anfällige Fahrsituationen sicher erkannt werden, bei denen plötzlich Seitenwind auftritt, beispielsweise die Ausfahrt aus einem Tunnel, die Fahrt über eine Brücke, das Überholen eines Lastkraftwagens etc. Die Zunahme des Seitenwinds kann über den Vorzeichenvergleich festgestellt werden. Die Vorzeichenüberprüfung stellt sicher, dass die Seitenwindkompensationsmaßnahmen und damit die Reaktion des Fahrzeugs auf Seitenwind gerechtfertigt sind.
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Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, zusätzlich das Vorzeichen von Schwimmwinkel und Schwimmwinkeländerung auf Übereinstimmung abzufragen. Die Zunahme des Schwimmwinkels stellt ebenfalls ein Kriterium für das Vorliegen einer oben beschriebenen Fahrsituation mit Seitenwind dar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die Querbeschleunigung ermittelt und werden die Seitenwind kompensierenden Maßnahmen nur durchgeführt, wenn die Vorzeichen der Seitenwindkraft und der Querbeschleunigung übereinstimmen, was bei Fahrsituationen mit plötzlich auftretendem Seitenwind der Fall ist.
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Es kann außerdem zweckmäßig sein, den aktuellen Schwimmwinkel im Fahrzeug zu ermitteln und zu überprüfen, ob das Vorzeichen von Schwimmwinkel und Seitenwind übereinstimmt. Ist dies der Fall, erfolgen die Seitenwind-Kompensationsmaßnahmen.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung sind die Seitenwind kompensierenden Maßnahmen an verschiedene Bedingungen geknüpft. Zum einen kann untersucht werden, ob das Fahrzeug stabil fährt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn kein Fahrerassistenzsystem bzw. Fahrzeugregelsystem im Fahrzeug aktiv eingreift, beispielsweise ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP), eine Antriebsschlupfregelung (ASR), ein Antiblockiersystem (ABS) oder dergleichen.
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Des Weiteren kann das Ergreifen von Kompensationsmaßnahmen daran geknüpft werden, ob das Fahrzeug vorwärts fährt und sich nicht in einer Steilkurve befindet. Sämtliche Maßnahmen werden entweder einzeln oder kumulativ in verschiedener Kombination abgeprüft. Die Abfrage der Bedingungen kann noch vor der Berechnung der Seitenwindkraft erfolgen, spätestens jedoch vor dem Ergreifen von Kompensationsmaßnahmen.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird in einem weiteren Schritt, welcher ggf. auch vor der Seitenwindkraftberechnung durchgeführt wird, abgefragt, ob das Fahrzeug geradeaus fährt oder zumindest sich nur in einer leichten Kurve mit großen Radius bewegt, welcher einen zugeordneten Grenzwert übersteigt. Diese Einschränkung hat den Vorteil, dass der Schwimmwinkel des Fahrzeugs mit hinreichender Genauigkeit aus dem Fahrzeuglängswinkel und der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit berechnet werden kann. Bei Kurvenfahrten ändert sich die Windrichtung laufend, was aber aufgrund des Lenkeingriffs durch den Fahrer ausgeglichen werden kann.
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Als weitere Bedingung kann überprüft werden, ob die berechnete Seitenwindkraft einen zugeordneten Schwellenwert übersteigt. Damit ist sichergestellt, dass ein Reglereingriff, welcher zu einer Änderung der Fahrzeugdynamik führt, nur im Falle eines signifikanten Seitenwindes stattfindet. Der Schwellwert kann abhängig von der Geschwindigkeit und/oder anderen die Fahrzeugbewegung repräsentierenden Größen festgelegt werden.
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Falls sämtliche Bedingungen erfüllt sind und die Vorzeichenprüfung bezüglich des Seitenwindes und der Seitenwindänderung positiv verlaufen ist, werden Seitenwindkompensationsmaßnahmen durchgeführt. Hierzu wird mindestens ein Aktuator im Fahrzeug zur Beeinflussung des fahrdynamischen Zustandes angesteuert, beispielsweise das Bremssystem, das Lenksystem, aktive Differenziale oder Federungssysteme, aber auch Eingriffe in den Antriebsmotor sind möglich. Als Seitenwind kompensierende Maßnahme über einen Eingriff in das Lenksystem kommt beispielsweise im Fall eines aktiven Lenksystems die Vorgabe eines Zusatzlenkwinkels und im Falle konventioneller Lenksysteme die Vorgabe eines Lenkmomentes in Betracht, dem der Fahrer folgen muss. Der Eingriff erfolgt über Stellgrößen eines Regel- bzw. Steuergeräts, bei dem es sich beispielsweise um das Steuergerät eines Fahrzeugregelsystems bzw. Fahrerassistenzsystems wie das elektronische Stabilitätsprogramm oder um das Motorsteuergerät handelt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung wird zur Durchführung der Seitenwind kompensierenden Maßnahmen eine Sollgierrate und/oder eine Sollquerbeschleunigung vorgegeben. Die tatsächliche Gierrate und die Querbeschleunigung können üblicherweise mit der im Fahrzeug enthaltenen Sensorik gemessen werden. Die Vorgabe der zugeordneten Sollwerte kann in an sich bekannter Weise erfolgen, wobei es ggf. bei einer Fahrt auf gerader Strecke oder einer Kurve mit großem Radius auch zweckmäßig sein kann, die Sollgierrate und/oder die Sollquerbeschleunigung auf null zu setzen.
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Der Gierraten- bzw. der Querbeschleunigungsregler können als PID-Regler realisiert sein, wobei grundsätzlich auch andere, aus der Regelungstechnik bekannte Reglerstrukturen in Betracht kommen. Des Weiteren kann das Regelkonzept um die Regelung weiterer fahrdynamischer Größen erweitert werden, beispielsweise um den Schwimmwinkel und/oder um die Quergeschwindigkeit.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 ein Flussdiagramm zum Erkennen von Seitenwind,
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2 ein Blockdiagramm zur Realisierung eines Regelkreises zur Seitenwindkompensation.
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Wie dem Flussdiagramm zum Erkennen von Seitenwind gemäß 1 zu entnehmen, werden nach dem Start des Verfahrens im Schritt 1 in den Verfahrensschritten 2 und 3 jeweils Abfragen durchgeführt, die die Voraussetzung für die Seitenwinderkennung sind. Gemäß Verfahrensschritt 2 erfolgt die Abfrage, ob sich das Fahrzeug in einer stabilen Fahrt befindet, was dadurch überprüft wird, ob kein Eingriff eines Fahrzeugregelsystems wie elektronisches Stabilitätsprogramm, eine Antriebsschlupfregelung, ein Antiblockiersystem oder dergleichen vorliegt. Des Weiteren gehört zur Abfrage der stabilen Fahrt die Überprüfung, ob das Fahrzeug vorwärts fährt und ob das Fahrzeug sich nicht in einer Steilkurve befindet. Sofern eine der Bedingungen nicht erfüllt ist, wird der Nein-Verzweigung („N”) folgend wieder zum Beginn des Verfahrens zurückgekehrt und in zyklischen Abständen eine erneute Überprüfung durchgeführt. Anderenfalls wird der Ja-Verzweigung („Y”) folgend zum nächsten Verfahrensschritt 3 fortgefahren.
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Im Schritt 3 wird eine weitere Bedingung für das Durchführen des Verfahrens zur Seitenwinderkennung abgefragt. Hierbei handelt es sich um die Abfrage, ob sich das Fahrzeug in einer engen Kurve befindet, also in einer Kurve mit einem verhältnismäßig kleinen Radius, der einen Grenzwert unterschreitet. Sofern dies der Fall ist, wird der Ja-Verzweigung folgend wieder zum Beginn des Verfahrens zurückgekehrt; das Verfahren zur Seitenwinderkennung wird nicht fortgesetzt. Ergibt dagegen die Abfrage in Verfahrensschritt 3, dass das Fahrzeug geradeaus fährt oder sich in einer Kurve mit einem großen Radius befindet, welcher den Grenzwert überschreitet, wird der Nein-Verzweigung folgend zum nächsten Verfahrensschritt 4 fortgefahren.
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In Verfahrensschritt 4 erfolgt auf der Grundlage von im Fahrzeug gemessenen Fahrzeugzustandsgrößen wie Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, Lenkwinkel, Gier rate und Gierbeschleunigung die Berechnung des Schwimmwinkels β sowie der Seitenwindkraft FLuft,Y. Das Berechnen der Seitenwindkraft basiert auf einem Fahrzeugmodell und erfordert die Messung von Gierrate, Querbeschleunigung, Geschwindigkeit und Lenkwinkel. Für die Fahrzeugbewegung „Geradeausfahrt bei Seitenwind” mit den kleinen Amplituden der fahrdynamischen Signale gilt das an sich bekannte lineare Einspurmodell.
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Wichtig für die Seitenwindwindkompensation sind insbesondere die Gleichungen für die Querkraft und das Drehmoment um die Hochachse mit
mνX(β . + Ψ .) + mν .Xβ = FVA,Y + FHA,Y + FLuft,Y mit
und
JZΨ . = FVA,YIVA – FHA,YIHA + FLuft,YeSP. -
Hierin bedeuten m die Fahrzeugmasse, β der Fahrzeugschwimmwinkel, Ψ der Fahrzeuggierwinkel, vX die Fahrgeschwindigkeit in Längsrichtung, FVA,Y die Seitenkraft an der Vorderachse, FHA,Y die Seitenkraft an der Hinterachse, FLuft,Y die Seitenwindkraft, JZ das Fahrzeugträgheitsmoment um die Hochachse, IVA der Abstand der Vorderachse zum Fahrzeugschwerpunkt, IHA der Abstand der Vorderachse zum Fahrzeugschwerpunkt und eSP der Abstand des Windangriffspunkts zum Fahrzeugschwerpunkt.
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Ohne Windmesseinrichtung muss auf im Fahrzeug messbare und schätzbare Größen zurückgegriffen werden. Aus den vorbeschriebenen Beziehungen ergibt sich: FLuft,Y = mvx(β . + Ψ .) + mv .xβ – FY,VA – FY,HA mit FY,VA = cα,VAαVA und FY,HA = cα,HAαHA.
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Es bedeuten cα,VA, cα,HA die Seitensteifigkeiten an Vorderachse bzw. Hinterachse und αVA, αHA der Schräglaufwinkel an Vorderachse bzw. Hinterachse.
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Für kleine Winkel kann der Fahrzeugschwimmwinkel mit
bzw. näherungsweise
und die Schräglaufwinkel mit
bzw.
berechnet werden, wobei die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v
X im Fahrzeug aus den Raddrehzahlen ermittelt, die Fahrzeugquergeschwindigkeit v
Y im Fahrzeug geschätzt und der Lenkwinkel δ
V an der Vorderachse im Fahrzeug gemessen wird.
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Die Längsgeschwindigkeit kann während des Seitenwindmanövers als konstant betrachtet werden: ν .X ≈ 0
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Der Fahrzeugschwimmwinkel ändert sich nur langsam und geringfügig mit
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Damit wird die Seitenwindquerkraft zu
mit der im Fahrzeug gemessenen Fahrzeugquerbeschleunigung a
Y und der im Fahrzeug gemessen Fahrzeuggierrate
Ψ .. -
Bei Fahrt mit geringer Ausnutzung des Reifenseitenkraftpotentials, wie dies bei nahezu Geradeausfahrt der Fall ist, kann der Schwimmwinkel β wie folgt berechnet werden:
worin ν
ch die charakteristische Geschwindigkeit und l den Radstand mit l = l
VA + l
HA bezeichnet.
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Sind die Fahrzeuggeschwindigkeit νx, der Lenkwinkel δV, die Gierrate ψ . und die Querbeschleunigung αy bekannt – diese können zum Beispiel durch die Sensorik eines Fahrstabilitätsregelungssystems wie ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm) zur Verfügung gestellt werden – können somit der Schwimmwinkel und die Seitenwindkraft berechnet werden.
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Im Verfahrensschritt 5 wird abgefragt, ob das Vorzeichen das Vorzeichen des Seitenwinds FLuft,Y mit dem Vorzeichen der Querbeschleunigung (ay) übereinstimmt. Ist dies nicht der Fall, liegen die Voraussetzungen für die Seitenwinderkennung nicht vor und es wird der Nein-Verzweigung folgend wieder zum Beginn des Verfahrens zurückgekehrt. Stimmen die Vorzeichen überein, ist die Voraussetzung für die Fortsetzung gegeben und es wird der Ja-Verzweigung folgend zum nächsten Verfahrensschritt 6 fortgefahren.
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Im nächsten Verfahrensschritt 6 erfolgt die Abfrage, ob das Vorzeichen des Schwimmwinkels mit dem Vorzeichen der Schwimmwinkeländerung übereinstimmt. Sofern dies nicht der Fall ist, liegen die Voraussetzungen für die Seiten-Winderkennung nicht vor und es wird der Nein-Verzweigung folgend wieder zum Beginn des Verfahrens zurückgekehrt. Stimmen die Vorzeichen überein, ist die Voraussetzung für die Fortsetzung gegeben und es wird der Ja-Verzweigung folgend zum nächsten Verfahrensschritt 7 fortgefahren.
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Im Verfahrensschritt 7 erfolgt die Abfrage, ob das Vorzeichen des Seitenwinds FLuft,Y mit dem Vorzeichen der Seitenwindänderung übereinstimmt. Ist dies nicht der Fall, wird der Nein-Verzweigung folgend wieder zum Beginn des Verfahrens zurückgekehrt. Anderenfalls stimmen die Vorzeichen überein und es wird der Ja-Verzweigung folgend zum nächsten Verfahrensschritt 8 fortgefahren.
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Im Verfahrensschritt 8 wird abgefragt, ob der Betrag der berechneten Seiten-Windkraft FLuft,Y einen zugeordneten Schwellenwert übersteigt, der gegebenenfalls geschwindigkeitsabhängig festgelegt wird. Damit wird sichergestellt, dass Seitenwindkompensationsmaßnahmen nur durchgeführt werden, wenn der Seitenwind eine signifikante Größe erreicht. Ist dies nicht der Fall, wird der Nein-Verzweigung folgend wieder zurückgekehrt, anderenfalls der Ja-Verzweigung folgend zum nächsten Verfahrensschritt 9 fortgefahren, der symbolisch für die sich an die Seitenwinderkennung anschließenden Kompensationsmaßnahmen im Fahrzeug steht.
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Wie dem Blockschaltbild gemäß
2 zu entnehmen, basiert die Seitenwindkompensation auf einem ersten, die Gierrate
ψ . betreffenden Regelkreis und einem zweiten, die Querbeschleunigung a
y betreffenden Regelkreis. In einem ersten Block
10 wird eine Sollgierrate
ψ .soll vorgegeben, die beispielsweise gemäß der Funktion
in Abhängigkeit von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v
x, dem Lenkwinkel δ
v, des Radstandes l und der charakteristischen Geschwindigkeit v
ch berechnet wird. Die Sollgierrate
ψ .soll kann, in einer vereinfachten Ausführung, auch auf den Wert null gesetzt werden. Die Differenz der Sollgierrate
ψ .soll von der tatsächlichen Gierrate
ψ . wird anschließend einem Block
11, der einen Gierratenregler symbolisiert, beispielsweise einen PID-Regler, als Eingangsgröße zugeführt.
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Parallel zur Sollgierrate und dem Gierratenregler erfolgt im Block
12 die Vorgabe einer Sollquerbeschleunigung a
y,soll, die beispielsweise gemäß der Beziehung
als Funktion der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v
x, des Lenkwinkels δ
v, der charakteristischen Geschwindigkeit v
ch und des Radstandes l berechnet wird. in einer vereinfachten Ausführung kann die Sollquerbeschleunigung a
y,soll auch auf den Wert null gesetzt werden.
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Die Differenz von Sollquerbeschleunigung ay,soll und tatsächlicher Querbeschleunigung ay wird als Eingangsgröße dem Block 13 zugeführt, der einen Querbeschleunigungsregler, beispielsweise eine PID-Regler symbolisiert.
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Die Ausgänge des Gierratenreglers 11 und des Gierbeschleunigungsreglers 13 werden zusammengeführt und einem oder mehreren Aktoren 14 im Fahrzeug als Eingangsgröße zugeführt. Die Aktoren werden über die Stellsignale entsprechend eingestellt, wodurch sich die Dynamik des im Block 15 symbolisierten Fahrzeugs ändert. Über die Sensorik im Fahrzeug werden im Block 15 die Gierrate ψ . und die Querbeschleunigung ay gemessen und in einer geschlossenen Schleife zu den Reglern 11 und 13 zurückgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004017638 A1 [0002]
und die Schräglaufwinkel mit
bzw.
berechnet werden, wobei die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vX im Fahrzeug aus den Raddrehzahlen ermittelt, die Fahrzeugquergeschwindigkeit vY im Fahrzeug geschätzt und der Lenkwinkel δV an der Vorderachse im Fahrzeug gemessen wird.
