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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens mit einer elektromechanischen Hilfskraftlenkung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren ist aus der
DE 10 2006 017 440 A1 bekannt. Zur Unterstützung von Lenkeingaben eines Fahrers eines Kraftwagens wird hierbei eine elektrische Lenkkraftunterstützung verwendet, die zusätzlich zu einem vom Fahrer auf eine Lenkhandhabe ausgeübten Lenkmoment ein Unterstützungsmoment auf die Lenkung ausübt.
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Die gattungsbildende
DE 101 42 366 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens mit einer elektromechanischen Hilfskraftlenkung, bei welchem ein mittels einer Lenkhandhabe vorgegebener Lenkwinkel als Maß für einen gewünschten Radlenkwinkel ermittelt wird und in Abhängigkeit von einem fahrdynamischen Zustand des Kraftwagens ein Zusatzlenkwinkel bestimmt und mittels eines Überlagerungsgetriebes dem Lenkwinkel überlagert wird, und bei welchem mittels einer elektrischen Lenkkraftunterstützung ein Unterstützungsmoment und ein Kompensationsmoment auf die Lenkung ausgeübt wird
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Um den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit weiter zu unterstützen, ist ferner eine sog. Überlagerungslenkung vorgesehen. Hierbei wird in Abhängigkeit von einem fahrdynamischen Zustand des Kraftwagens zusätzlich zu vom Fahrer an einer Lenkhandhabe des Kraftwagens vorgegebenen Lenkwinkel ein Zusatzlenkwinkel bestimmt und mittels eines Überlagerungsgetriebes zum Lenkwinkel überlagert. Hierdurch kann der Zusammenhang zwischen Lenkwinkel an der Lenkhandhabe und daraus resultierendem Radlenkwinkel in Abhängigkeit von einem fahrdynamischen Zustand des Kraftwagens verändert werden. Bei langsamer Fahrt können so beispielsweise kleine Lenkbewegungen des Fahrers in große Radlenkwinkel übersetzt werden, um die Lenkarbeit zu erleichtern. Bei hohen Fahrgeschwindigkeiten werden dagegen die Lenkbewegungen des Fahrers in deutlich kleinere Radlenkwinkel übersetzt, um ein Übersteuern des Wagens zu vermeiden.
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Die Überlagerungslenkung kann ferner für Eingriffe von Fahrerassistenzsystemen in die Lenkung benutzt werden. Dies kann beispielsweise für die Spurkontrolle des Kraftwagens Anwendung finden. Detektiert ein Fahrerassistenzsystem beispielsweise, dass eine Lenkbewegung des Fahrers zum Verlassen einer vorgegebenen Fahrspur führen wird, so kann durch eine Änderung des Zusatzlenkwinkels eine Korrektur dieser Lenkbewegung durchgeführt werden.
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Solche Überlagerungslenkungen sind mit dem Problem behaftet, dass bei einer Änderung des zu überlagernden Zusatzlenkwinkels ein Störmoment in der Lenkung entsteht, das ohne weitere Maßnahmen an der Lenkhandhabe spürbar wäre. Damit beispielsweise bei gleichbleibender Stellung der Lenkhandhabe eine Änderung des Zusatzlenkwinkels die gewünschte Wirkung zeigt, müsste der Fahrer diesem Störmoment dann entgegenwirken und die Lenkhandhabe in ihrer Position festhalten. Dies könnte zu einem unnatürlichen Lenkgefühl führen und die Fahrsicherheit verringern.
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Es ist bekannt, solche Störmomente durch Regelkreise zu kompensieren. Die Regelung erfolgt dabei jedoch auf ein vorgegebenes Sollmoment hin, welches nicht immer dem natürlichen Lenkmoment an einer Lenkhandhabe eines Kraftwagens entspricht. Insbesondere werden durch solche Regelungen auch Lenkmomente, die von den Rädern in die Lenkung eingebracht werden, kompensiert, sodass auch hier ein unnatürliches Lenkgefühl entstehen könnte und die haptische Rückmeldung an den Fahrer nicht optimal wäre. Durch die haptische Rückmeldung über das Lenkmoment werden jedoch wichtige Informationen über den Fahrzustand, beispielsweise Informationen betreffend den Straßenzustand und die Stabilität des Fahrzeugs, an den Fahrer übermittelt. Einschränkungen bei dieser Rückmeldung sind daher nicht erwünscht.
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Es ist ferner bekannt, jedem durch die Überlagerungslenkung vorgegebenen Zusatzlenkwinkel direkt ein Kompensationsmoment zuzuordnen. Da zwischen den beiden Größen nicht immer ein analytisch bestimmbarer Zusammenhang besteht, sind auch solche Verfahren nicht vollständig geeignet, um dem Fahrer ein natürliches Lenkgefühl zu vermitteln.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches eine Kompensation von Störmomenten in einer elektromechanischen Hilfskraftlenkung mit Überlagerungslenkung erlaubt, ohne das Lenkgefühl für einen Fahrer zu beeinträchtigen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf Grundlage eines Modells ein erstes Lenkmoment aus einem Lenkwinkel und ein zweites Lenkmoment aus der Summe des Lenkwinkels und eines Zusatzlenkwinkels bestimmt. Aus der Differenz zwischen den beiden bestimmten Lenkmomenten wird ein Kompensationsmoment ermittelt und mittels einer elektrischen Lenkkraftunterstützung auf die Lenkung ausgeübt.
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Bei einem Eingriff in die Lenkung durch ein Fahrerassistenzsystem, insbesondere bei einer Verstellung des Zusatzlenkwinkels entspricht also das zweite Lenkmoment dem tatsächlich wirkenden Lenkmoment und das erste Lenkmoment demjenigen Lenkmoment, welches wirken würde, wenn der Eingriff nicht stattgefunden hätte. Die Differenz der Lenkmomente bildet also das Störmoment ab, welches durch den Eingriff des Assistenzsystems in der Lenkung hervorgerufen wird.
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Durch das Ausüben des Kompensationsmomentes mittels der elektrischen Lenkkraftunterstützung auf die Lenkung wird dieses Störmoment somit für den Fahrer nicht mehr spürbar. Der Fahrer muss keine aktiven Maßnahmen ergreifen, um den Eingriff des Fahrerassistenzsystems mittels der Überlagerungslenkung selbst abzustützen oder zu kompensieren. Dies verbessert den Lenkkomfort und ermöglicht ein besonders präzises Lenken des Kraftwagens auch bei Eingriffen der Überlagerungslenkung. Durch die modellbasierte Bestimmung der Lenkmomente wird zudem sichergestellt, dass das für den Fahrer erfahrbare Lenkmoment auf realistische Weise den fahrdynamischen Zustand des Fahrzeuges widerspiegelt. Im Gegensatz zu einfachen Regelverfahren, die das Lenkmoment auf einen vorgegebenen Sollwert festhalten, kommt es hier somit nicht zu deutlichen Unterschieden zwischen dem gefühlten und dem tatsächlichen fahrdynamischen Zustand des Fahrzeugs.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Kompensationsmoment unabhängig von einem Unterstützungsmoment der Lenkkraftunterstützung auf die Lenkung ausgeübt. Die normale Lenkkraftunterstützung im Rahmen der elektromechanischen Hilfskraftlenkung wird durch die Kompensation des Störmomentes bei Lenkungseingriffen in der Überlagerungslenkung somit nicht beeinträchtigt.
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Vorzugsweise wird das verwendete Modell durch ein Kennfeld bereitgestellt. In einem solchen Kennfeld können unterschiedliche fahrdynamische Parameter, welche Einfluss auf die Lenkung haben, zusammengefasst werden. Beispielsweise ist es möglich, die Abhängigkeiten der Lenkmomente von Fahrgeschwindigkeit, Lenkwinkel, Querbeschleunigung, Gierrate oder dergleichen in einem Kennfeld abzubilden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das verwendete Modell zum Bestimmten der Lenkmomente ein kinematisches Modell. In einem solchen Modell werden der Lenkungsstrang sowie das Fahrwerk des Kraftwagens physikalisch modelliert, um so ein besonders realistisches Abbild der Lenkmomente zu erhalten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das verwendete Modell zum Bestimmen der Lenkmomente durch ein neuronales Netz bereitgestellt. Im Gegensatz zu kinematischen Modellen können neuronale Netze auch ohne Berücksichtigung detaillierter Vorkenntnisse über das zu steuernde System komplexe Steuerungs- und Regelungsaufgaben übernehmen. Ein neuronales Netz erwirbt dabei die notwendigen Kenntnisse über zu steuernde System im Rahmen einer Trainingsphase. Die Plastizität und das Lernvermögen von neuronalen Netzen ermöglichen daher auch bei mangelnder Kenntnis oder schwieriger Modellierbarkeit des zu steuernden Systems hervorragende Steuer- bzw. Regelergebnisse.
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Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Lenkung eines Kraftwagens und
- 2 ein schematisches Blockdiagramm der Steuerungsvorgänge bei der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete elektromechanische Hilfskraftlenkung für einen Kraftwagen. Lenkeingaben des Fahrers erfolgen über ein Lenkrad 12 und werden vom Lenkrad 12 über eine Lenksäule 14 übertragen. Mittels eines Zahnstangengetriebes 16 werden die Lenkeingaben auf eine Zahnstange 18 und über ein nicht näher dargestelltes Lenkgestänge auf die Räder 20 übertragen. In Abhängigkeit von der Übersetzung des Zahnstangengetriebes 16 besteht ein fester Zusammenhang zwischen dem Lenkwinkel α, den ein Fahrer am Lenkrad 12 ausübt und dem Radlenkwinkel β, den die Räder 20 in Reaktion auf die Lenkradbetätigung einnehmen. Ein elektromechanischer Aktuator 22 erzeugt hierbei ein zusätzliches Lenkmoment, das das vom Fahrer am Lenkrad 12 aufgebrachte Lenkmoment unterstützt, um das Lenken zu erleichtern.
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Die Lenkung 10 umfasst ferner ein Überlagerungsgetriebe 24. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Planetengetriebe handeln. Das Überlagerungsgetriebe 24 überlagert dem Lenkwinkel α, der am Lenkrad 12 aufgebracht wurde, einen Zusatzlenkwinkel, der von einem weiteren Aktuator 26 auf das Überlagerungsgetriebe 24 ausgeübt wird. Durch die Einstellung des Zusatzlenkwinkels kann der Zusammenhang zwischen Lenkwinkel α und Radlenkwinkel β modifiziert werden. Beispielsweise ist es möglich, bei Langsamfahrt, wie beispielsweise beim Einparken, kleinen Lenkwinkeln α große Radlenkwinkel β zuzuordnen, um so das Einparken zu erleichtern. Bei schneller Fahrt des Kraftwagens werden dagegen kleinen Lenkwinkeln α kleine Radlenkwinkel β zugeordnet, um Überreaktionen beim Lenken zu vermeiden.
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Die Einstellung des Zusatzlenkwinkels kann auch als Eingriffspunkt für Fahrerassistenzsysteme genutzt werden. Beispielsweise kann durch eine Änderung des Zusatzlenkwinkels in fahrdynamischen Grenzzuständen das Fahrzeug stabilisiert werden. Hierbei entsteht das Problem, dass bei Änderungen des Zusatzlenkwinkels ein Zusatzmoment in der Lenkung entsteht, welches abgestützt werden muss. Der Fahrer würde somit ohne weitere Maßnahmen ein am Lenkrad 12 spürbares Störmoment erfahren. Stützt der Fahrer dieses Störmoment nicht in der gewünschten Weise ab, so hat der Lenkungseingriff durch die Änderung des Überlagerungswinkels nicht den gewünschten Erfolg. Es ist daher zweckmäßig, das Störmoment zu kompensieren.
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Die Kompensation des Störmomentes erfolgt über dem Aktuator 22 der elektromechanischen Hilfskraftlenkung. Mittels eines Steuergeräts 28 werden die beiden Aktuatoren 26 und 22 angesteuert. Gibt das Steuergerät 28 eine Steueranweisung an den Aktuator 26, um so den Zusatzlenkwinkel zu ändern, so wird gleichzeitig eine Steueranweisung an den Aktuator 22 gegeben, der ein Kompensationsmoment ausübt, um das Störmoment zu kompensieren.
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Da zwischen der Größe der Änderung des Zusatzlenkwinkels und dem entstehenden Störmoment in der Regel kein analytisch bestimmbarer Zusammenhang besteht, wird das notwendige Kompensationsmoment, wie in 2 schematisch gezeigt, auf Grundlage eines Modells bestimmt. Hierzu werden zwei separate programmtechnische, also durch Software bereitgestellte Berechnungsmodule 30, 32 verwendet, die in der Steuereinrichtung 28 implementiert sein können. Beide Berechnungsmodule 30, 32 empfangen Daten von einem gemeinsamen programmtechnischen Modellierungsmodul 34. Dieses dient der Modellierung des Lenkverhaltens des Fahrzeugs, wobei die üblichen fahrdynamischen Parameter wie Fahrgeschwindigkeit, Lenkwinkel, Gierrate, Querbeschleunigung und dergleichen in die Berechnung eingehen. Beide Berechnungsmodule 30, 32 empfangen als Eingangsgröße ferner den vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel α.
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Das Berechnungsmodul 30 umfasst ein Lenkstrangmodellierungsglied 36, also ebenfalls eine Softwareeinheit, welche den Zusatzlenkwinkel nicht erfasst. Im Gegensatz berücksichtigt das zweite Berechnungsmodul 32 den Zusatzlenkwinkel, der vom Aktuator 26 eingestellt wird, durch Verwendung eines erweiterten Lenkstrangmodellierungsglieds 38. Das Berechnungsmodul 30 gibt als Ausgabewert ein Lenkmoment aus, wie es vorliegen würde, wenn kein Zusatzlenkwinkel eingestellt würde. Das Berechnungsmodul 32 gibt dagegen dasjenige Lenkmoment aus, welches bei Überlagerung des Lenkwinkels α mit dem Zusatzlenkwinkel resultiert.
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Aus den Ausgabewerten der beiden Berechnungsmodule 30, 32 wird eine Differenz gebildet und an die Steuereinrichtung 28 übermittelt. Diese Differenz entspricht dem durch die Überlagerung des Zusatzlenkwinkels entstehenden Störmoment. Von der Steuereinrichtung 28 wird nun der Aktuator 22 angesteuert, um dieses Störmoment durch entgegengerichtetes, vom Betrag her gleich großes Kompensationsmoment auszugleichen. Hierdurch wird der gewünschte Zusatzlenkwinkel eingestellt, ohne dass der Fahrer ein störendes, auf das Lenkrad 12 wirkendes Moment wahrnimmt. Das natürliche Fahrgefühl bleibt erhalten, die Änderung des Überlagerungswinkels führt daher nicht zum Risiko von Fehlbedienungen durch den Fahrer.
