DE102010050278A1

DE102010050278A1 - Verfahren zum Schätzen eines Schwimmwinkels

Info

Publication number: DE102010050278A1
Application number: DE102010050278A
Authority: DE
Inventors: Anton Obermüller
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2012-05-03

Abstract

Der sich bei der Fahrt eines Kraftfahrzeugs (Kfz) einstellende Schwimmwinkel (β) wird aus einem linearen Einspurmodell ermittelt. Die in das Modell eingehenden Parameter werden ständig aktualisiert, und zwar aufgrund anderer Größen wie z. B. der Gierrate (ψ. mod), die mit Hilfe des linearen Einspurmodells berechnet werden kann und gleichzeitig gemessen werden kann (ψ. mess). In einem Kalman-Filter (KF) erfolgt nämlich ein Abgleich derart, dass ein Parameter wie z. B. die Schräglaufsteifigkeit an Rädern des Kraftfahrzeugs (csv, csh) so eingestellt wird, dass die berechneten Werte für die weitere Größe mit den gemessenen Werten möglichst weitgehend übereinstimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen des Schwimmwinkels, der sich bei der Fahrt eines Fahrzeugs einstellt.
Idealerweise hinsichtlich der Stabilität eines Fahrzeugs bewegt sich ein Fahrzeug derart, dass die Richtung, in der sich das Fahrzeug bewegt, mit der Fahrzeuglängsachse zusammenfällt. In der Realität ist es jedoch so, dass sich das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit bewegt, die in einer Richtung verläuft, welche in einem bestimmten endlichen Winkel, nämlich dem Schwimmwinkel, zur Fahrzeuglängsachse steht.
Der Schwimmwinkel kann nur mit großem Aufwand gemessen werden, sodass in herkömmlichen Fahrzeugen keine Messeinrichtungen zur Ermittlung des Schwimmwinkels zur Verfügung stehen. Der Schwimmwinkel wird daher geschätzt. Eine Information über den Schwimmwinkel ist erforderlich, um Eingriffe einer Fahrdynamikregelung zu verbessern: Der Schwimmwinkel eines Fahrzeugs korreliert sehr gut mit der Stabilität des Fahrzeugs, sodass der Schwimmwinkel als Maß für die Instabilität eines Fahrzeugs verwendet werden kann. Ein Fahrzeug kann durch das sog. lineare Einspurmodell modelliert werden. In seiner einfachsten Form sind durch das Einspurmodell zwei Zustandsgleichungen angegeben, die einerseits die Gierrate in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Größen angeben und andererseits eben den Schwimmwinkel.
Die Gierrate lässt sich messen. Man misst bisher häufig die Gierrate, um diese mit einer Vorhersage durch das Einspurmodell zu vergleichen. Weicht die vorhergesagte Gierrate zu stark von der gemessenen Gierrate ab, so wird dies als Indiz dafür genommen, dass das Fahrzeug nicht linear reagiert und daher instabil wird, sodass ein Eingriff einer Fahrdynamikregelung erforderlich wird. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist es, dass die Gierrate das Fahrzeugverhalten nicht vollständig beschreibt. Für eine vollständige Beschreibung ist zusätzlich die Kenntnis des Schwimmwinkels erforderlich.
Die DE 10 2006 009 682 A1 betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Fahrzustands eines zweispurigen Fahrzeugs zur Schwimmwinkel-Schätzung, bei dem am Fahrzeug Reifenkräfte oder Radkräfte zumindest in Fahrzeug-Querrichtung (die sog. Reifenseitenkräfte) gemessen werden. Aufgrund dieser Messwerte wird der Schwimmwinkel anhand eines mathematischen Modells geschätzt.
Die Reifenseitenkräfte sind jedoch nur äußerst aufwändig zu messen, sodass dieses Verfahren in der Praxis nur schwer umsetzbar ist.
Die DE 10 2008 013 102 A1 beschreibt ein Verfahren zur Fahrzustandsbeobachtung, nämlich zur Schwimmwinkelschätzung zur Verwendung in einem den Fahrzustand beeinflussenden Stellsystem in einem Fahrzeug, bei dem ebenfalls das Vorhandensein von Sensorik vorausgesetzt ist, die in herkömmlichen Fahrzeugen nicht gegeben ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, insbesondere ebenfalls für ein zweispuriges Fahrzeug, eine Schwimmwinkelschätzung, insbesondere auch zur Verwendung in einem den Fahrzeugzustand beeinflussenden Stellsystem in einem Fahrzeug, bereitzustellen, das zuverlässig arbeitet und den Schwimmwinkel insbesondere auch noch dann angibt, wenn das Fahrzeugsystem nicht-linear auf Eingangsgrößen reagiert.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit folgende Schritte:

a) Bereitstellen eines mathematischen Modells, das gemessene Eingangsgrößen mittels nicht gemessener Parameter verknüpft, um als Ausgangsgrößen den Schwimmwinkel und zumindest eine weitere Größe zu erhalten,
b) Gewinnen von Messwerten für die Eingangsgrößen,
c) Berechnen einer der weiteren Größen anhand des mathematischen Modells auf Grundlage der Messwerte für die Eingangsgrößen zum Erhalt eines ersten Werts und gleichzeitig Messen der zumindest einen weiteren Größe zum Erhalt eines zweiten Werts,
d) anhand des ersten und zweiten Werts Gewinnen eines neuen Werts für zumindest einen nicht gemessenen Parameter, bei dessen Einsatz in dem mathematischen Modell ein bei denselben Messwerten für die Eingangsgrößen berechneter Wert für die weitere Größe mit dem zweiten Wert, also dem Messwert, nach einem vorbestimmten Kriterium abgeglichen ist,
e) Berechnen des Schwimmwinkels anhand des mathematischen Modells mit dem zumindest einen neuen Wert für den Parameter auf Grundlage der in Schritt b) gemessenen Messwerte oder auch von neu gewonnenen Messwerten für die Eingangsgrößen.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass sich die in das mathematische Modell eingehenden Parameter ändern können. Beispielsweise kann sich das Gewicht des Fahrzeugs zwischen unterschiedlichen Fahrten ändern, die Schräglaufsteifigkeit an zumindest einem Rad kann sich während der Fahrt ändern, Umgebungsparameter können sich während der Fahrt ändern, die Lage des Schwerpunkts kann sich zwischen Fahrten oder auch während einer Fahrt ändern etc. Da diese Parametergrößen jedoch gar nicht selbst gemessen werden können, erfolgt vorliegend eine Art Plausibilisierung des mathematischen Modells bzw. der darin verwendeten Parameter anhand von Ausgangsgrößen des mathematischen Modells. Mit anderen Worten wird das mathematische Modell so lange angepasst, bis zu gegebenen Eingangsgrößen die durch das Modell berechnete weitere Größe im Wesentlichen mit der tatsächlich gemessenen weiteren Größe übereinstimmt; denn dann ist mit hoher Wahrscheinlichkeit auch der neue Wert für den nicht gemessenen Parameter korrekt; zumindest kann aufgrund von bestimmten Verfahren gewährleistet sein, dass ein neuer Wert für diesen Parameter die Realität am besten wiedergibt.
Das vorbestimmte Kriterium beinhaltet z. B., dass ein bestimmter Algorithmus durchgeführt wird, demgemäß immer wieder ein jeweils neuer Wert für den nicht gemessenen Parameter verwendet wird, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist, nämlich bis z. B. der berechnete Wert mit einer bestimmten Genauigkeit mit dem zweiten Wert, Messwert für die weitere Größe, übereinstimmt.
Derartiges lässt sich insbesondere durch einen Beobachteransatz realisieren, der somit bevorzugt in Schritt d) eingesetzt wird bzw. verfolgt wird. Ein Beobachter ist in der Regelungstechnik ein ganz bestimmtes System, das auf einem mathematischen Modell aufbaut. Vorliegend kann ein neuer Wert für den nicht gemessenen Parameter anhand des ersten und zweiten Werts mit Hilfe eines Beobachteransatzes gewonnen werden.
Bevorzugt wird hierbei ein Kalman-Filter verwendet. Dadurch, dass die nicht gemessenen Parameter, bzw. zumindest einer derselben, angepasst werden, wird auch das nicht-lineare Regime des Verhaltens des Fahrzeugs auf die Eingangsgrößen zuverlässig abgebildet. Insbesondere aber ein Kalman-Filter erlaubt eine besonders gute Linearisierung auch im nicht-linearen Regime. Durch die Linearisierung können zumindest kurzfristig nahezu exakte Vorhersagen des Verhaltens des. Kraftfahrzeugs gemacht werden.
Bevorzugt ist als mathematisches Modell das an sich bekannte lineare Einspurmodell vorgesehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die zumindest eine weitere Größe in an sich bekannter Weise, insbesondere von dem linearen Einspurmodell in bekannter Weise, eine Gierrate des Fahrzeugs.
Als weitere Größe kann zusätzlich zur Gierrate dann auch noch eine Querbeschleunigung des Fahrzeugs vorgesehen sein. Die Querbeschleunigung ist eine sich aus dem Schwimmwinkel ergebende Größe. Umgekehrt lässt sich aus der Querbeschleunigung aber nicht eindeutig der Schwimmwinkel ableiten. Mit Hilfe der Querbeschleunigung lässt sich aber auch der neue Wert für den zumindest einen nicht gemessenen Parameter ermitteln. Hierzu wird ein dritter Wert, nämlich ein Wert für die Querbeschleunigung, anhand des mathematischen Modells berechnet. Ein vierter Wert, auch für die Querbeschleunigung, wird gemessen, und in Schritt d) wird dann (nämlich insbesondere abermals wieder unter Einsatz des Beobachteransatzes, nämlich vorzugsweise des Kalman-Filters) ein solcher neuer Wert gewonnen, bei dessen Einsatz in dem mathematischen Modell ein bei den selben Messwerten für die Eingangsgrößen berechneter Wert für die Querbeschleunigung mit dem vierten Wert nach dem vorbestimmten Kriterium (in einem Zug mit dem Abgleichen auf den zweiten Wert) abgeglichen ist, oder zumindest nach einem weiteren vorbestimmten Kriterium gesondert abgeglichen ist.
Als anzupassender Parameter, der nicht gemessen wird, eignet sich insbesondere die Schräglaufsteifigkeit, wobei diese für unterschiedliche Räder oder wenigstens Achsen gesondert angegeben werden kann.
Als Eingangsgrößen für das mathematische Modell eignen sich insbesondere der an einer Lenkhandhabe aufgebrachte Lenkwinkel und die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs. Diese Eingangsgrößen sind Messgrößen. Sie sind insbesondere auch bei dem linearen Einspurmodell vorgesehen. Anstelle des an der Lenkhandhabe aufgebrachten Lenkwinkels kann auch der sich an den Rädern einstellende Lenkwinkel, gegebenenfalls gesondert für Vorderachse und Hinterachse, verwendet werden.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, in der die einzige Figur in schematischer Darstellung veranschaulicht, welche physikalischen Größen in welcher Weise bei dieser Ausführungsform des Verfahrens eine Rolle spielen.
Ein Fahrzeugführer kann an einem Fahrzeug mit Hilfe einer Lenkhandhabe ein Lenkhandhabenwinkel einstellen, der sich in einer Auslenkung der Räder an der Vorderachse, ggf. auch an der Hinterachse auswirkt, sodass sich ein Lenkwinkel δ_v an der Vorderachse und gegebenenfalls ein Lenkwinkel δ_h an der Hinterachse ergeben. Bei Fahrt des Kraftfahrzeugs ergibt sich eine Längsgeschwindigkeit v_x. Ferner kann es weitere Parameter P1, P2, ... geben, welche die Rolle von Eingangsgrößen spielen.
Das reale Kraftfahrzeug Kfz zeigt bei diesen vom Fahrzeugführer beeinflussten Größen unter Wirkung von äußeren, nicht unbedingt quantifizierbaren Einflüssen E wie z. B. der Witterung, den Eigenschaften der Fahrbahn, der Zuladung zum Fahrzeug und den Eigenschaften der Reifen des Fahrzeugs, eine bestimmte Reaktion. Die Reaktion des Kraftfahrzeugs wird vorliegend durch zwei Größen beschrieben, nämlich die Gierrate und die Querbeschleunigung. Beide Größen sind messbar. Zur Gierrate erhält man den Messwert ψ ._mess. Für die Querbeschleunigung erhält man den Messwert a_y,mess.
Nun versucht man, das Kraftfahrzeug durch ein lineares Modell LM zu modellieren. Man verwendet hierbei insbesondere ein lineares Einspurmodell in an sich bekannter Weise, wobei die Größen δ_v, δ_h, v_x, und P1, P2 etc. Eingangsgrößen für das lineare Einspurmodell sind. Nun wird für genau diese Eingangsgrößen, die die Reaktion des Kraftfahrzeugs bewirken, durch das lineare Einspurmodell berechnet, wie gemäß dem Modell die Gierrate aussehen würde, ψ ._mod, und wie die Querbeschleunigung a_y,mod aussehen würde.
Weiterhin werden immer die Größen ψ ._mess und a_y,mess als auch die berechneten Größen ψ ._mod und a_y,mod einem Kalman-Filter KF zugeführt. Aufgabe des Kalman-Filters ist es nun, die diem linearen Einspurmodell zugrunde liegenden Parameter so anzupassen, dass sich ψ ._mod soweit als möglich ψ ._mess anpasst und a_y,mod soweit wie möglich an a_y,mess anpasst. Innerhalb des Kalman-Filters wird dies iterativ bestimmt, und zwar bezüglich der Parameter c_sv und c_sh, nämlich der so genannten Schräglaufsteifigkeit c_s, jeweils für vorne (c_sv) und für hinten (c_sh). Die Schräglaufsteifigkeit multipliziert mit dem sog. Schräglaufwinkel ergibt die auf ein Rad wirkende Seitenkraft. Die Schräglaufsteifigkeit ist somit eine Eigenschaft des Rades, und der Schräglaufwinkel ergibt sich aus dem gelenkten Winkel und steht ferner im Zusammenhang mit dem Schwimmwinkel und der Gierrate. Gewissermaßen ist der Schräglaufwinkel eine Art Schwimmwinkel am Rad. Insbesondere die Schräglaufsteifigkeit verändert sich aufgrund der Einflüsse E, sodass durch die Größen c_sv, und c_sh den Einflüssen (E) besonders gut Rechnung getragen werden kann.
Nachfolgend wird dann der Schwimmwinkel β mit Hilfe des linearen Einspurmodells bestimmt, und zwar unter Zuhilfenahme der jeweils aktuellen Werte für c_sv, c_sh.
Der Schwimmwinkel β wird fortwährend d. h. immer wieder neu, abgeschätzt. Hier kommt zum Tragen, dass sich die Einflüsse E kurzfristig verändern können. Dadurch, dass ein Kalman-Filter KF verwendet wird, werden die nicht-linearen Eigenschaften des realen Kraftfahrzeugs Kfz durch das lineare Einspurmodell mit den jeweils aktuellen Parametern c_sv, c_sh linearisiert. Wichtig ist hierbei, dass die Abgleichung durch den Kalman-Filter genauso fortwährend erfolgt wie die Bestimmung des Schwimmwinkels β. Die iterative Bestimmung durch den Kalman-Filter KF selbst erfolgt in zeitlichen Abständen, die deutlich kleiner als die Berechnungsintervalle für c_sv, c_sh sind.
Das lineare Einspurmodell wird somit durch die Erfindung ständig neu definiert, weil die zugrunde liegenden Parameter ständig neu definiert werden. Im Beispielsfall betrifft dies die Schräglaufsteifigkeiten c_sv, c_sh, genauso gut ist aber auch denkbar, dass andere, in das lineare Einspurmodell eingehende Parameter neu bestimmt werden könnten. Über den Umweg des Kalman-Filters gehen in die Parameter für das lineare Einspurmodell unmittelbar die Messwerte für diejenigen Größen bis auf den Schwimmwinkel ein, die durch das lineare Einspurmodell ermittelbar sind. Das lineare Einspurmodell wird daher anhand von Größen abgeglichen, die es selber ausgibt, um eine andere Größe besonders präzise zu ermitteln, die es ebenfalls ausgibt, die aber nicht messbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006009682 A1 [0005]
DE 102008013102 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Schätzen eines Schwimmwinkels, der sich bei der Fahrt eines Fahrzeugs einstellt, mit: a) Bereitstellen eines mathematischen Modells, das gemessene Eingangsgrößen (δ_v, δ_h, v_x, P1, P2, ...) mittels nicht gemessener Parameter (c_sv, c_sh) verknüpft, um als Ausgangsgröße den Schwimmwinkel (β) und zumindest eine weitere Größe (ψ ., a_y) zu erhalten, b) Gewinnen von Messwerten für die Eingangsgrößen (δv, δh, v_x, P1, P2, ...), c) Berechnen einer der weiteren Größen anhand des mathematischen Modells auf Grundlage der Messwerte für die Eingangsgrößen (δv, δh, v_x, P1, P2, ...) zum Erhalt eines ersten Werts (ψ ._mod) und gleichzeitig Messen der weiteren Größe zum Erhalt eines zweiten Werts (ψ ._mess), d) anhand des ersten Wertes (ψ ._mod) und des zweiten Werts (ψ ._mess) Gewinnen eines neuen Wertes für zumindest einen der nicht gemessenen Parameter (c_sv, c_sh), bei dessen Einsatz in dem mathematischen Modell ein bei den selben Messwerten für die Eingangsgrößen berechneter Wert für die weitere Größe mit dem zweiten Wert nach einem vorbestimmten Kriterium abgeglichen ist, e) Berechnen des Schwimmwinkels (β) anhand des mathematischen Modells mit dem zumindest einen neuen Wert (c_sv, c_sh) auf Grundlage der in Schritt b) gemessenen Messwerte oder aufgrund von neu gewonnenen Messwerten für die Eingangsgrößen (δv, δh, v_x, P1, P2, ...),
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt d) ein Beobachteransatz eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt d) ein Kalman-Filter (KF) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das mathematische Modell als lineares Einspurmodell ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zumindest eine weitere Größe eine Gierrate (ψ .) des Fahrzeugs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die zumindest eine weitere Größe eine Querbeschleunigung (a_y) des Fahrzeugs umfasst und zu dieser ein dritter Wert (a_y,mod) anhand des mathematischen Modells berechnet wird und ein vierter Wert (a_y,mess) gemessen wird und ein solcher neuer Wert für den zumindest einen nicht gemessenen Parameter (c_sv, c_sh) gewonnen wird, bei dessen Einsatz in dem mathematischen Modell ein bei den selben Messwerten für die Eingangsgrößen (δv, δh, v_x, P1, P2, ...) berechneter Wert für die Querbeschleunigung mit dem vierten Wert nach dem vorbestimmten Kriterium oder einem weiteren vorbestimmten Kriterium abgeglichen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Parameter, für den ein neuer Wert ermittelt wird, eine Schräglaufsteifigkeit (c_sv, c_sh) an zumindest einem Rad angibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Eingangsgrößen einen an einer Lenkhandhabe eingestellten Lenkwinkel und/oder einen an Rädern des Kraftfahrzeugs eingestellten Lenkwinkel (δv, δh) und/oder die Geschwindigkeit (v_x) des Kraftfahrzeugs umfassen.