DE102011085103A1

DE102011085103A1 - Verfahren zum Regeln der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs und Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102011085103A1
Application number: DE102011085103A
Authority: DE
Inventors: Johannes Köppern
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: DE102011085103B4

Abstract

Verfahren zum Regeln der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs (208) aufweisend wenigstens ein antreibbares, bremsbares und/oder lenkbares Rad mit einem Reifen, der mit einer Fahrbahnoberfläche in Kontakt steht, demzufolge ausgehend von einer momentanen Fahrzeugbeschleunigung und unter Berücksichtigung einer angeforderten Fahrzeugbeschleunigung ein Stellvektor (206) bestimmt wird, wobei eine Fahrzeugbeschleunigung eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeuglängsrichtung, eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeugquerrichtung und eine rotatorische Beschleunigung um eine Fahrzeughochachse umfasst und der Stellvektor (206) Werte zum Stellen wenigstens eines Radantriebsmoments, wenigstens eines Radbremsmoments und/oder wenigstens eines Radlenkwinkels umfasst, bei dem der Stellvektor (206) mithilfe eines inversen Modells (202) bestimmt und regelungstechnisch adaptiert wird, um das Verfahren funktional zu verbessern sowie Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs aufweisend wenigstens ein antreibbares, bremsbares und/oder lenkbares Rad mit einem Reifen, der mit einer Fahrbahnoberfläche in Kontakt steht, demzufolge ausgehend von einer momentanen Fahrzeugbeschleunigung und unter Berücksichtigung einer angeforderten Fahrzeugbeschleunigung ein Stellvektor bestimmt wird, wobei eine Fahrzeugbeschleunigung eine translatorische Beschleunigung in Fahrzeuglängsrichtung, eine translatorische Beschleunigung in Fahrzeugquerrichtung und eine rotatorische Beschleunigung um die Fahrzeughochachse umfasst und der Stellvektor Werte zum Stellen wenigstens eines Radantriebsmoments, wenigstens eines Radbremsmoments und/oder wenigstens eines Radlenkwinkels umfasst.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs aufweisend wenigstens ein antreibbares, bremsbares und/oder lenkbares Rad, demzufolge ausgehend von einer momentanen Fahrzeugbeschleunigung und unter Berücksichtigung einer angeforderten Fahrzeugbeschleunigung ein Stellvektor bestimmt wird, wobei eine Fahrzeugbeschleunigung eine translatorische Beschleunigung in Fahrzeuglängsrichtung, eine translatorische Beschleunigung in Fahrzeugquerrichtung und eine rotatorische Beschleunigung um die Fahrzeughochachse umfasst und der Stellvektor Werte zum Stellen wenigstens eines Radantriebsmoments, wenigstens eines Radbremsmoments und/oder wenigstens eines Radlenkwinkels umfasst.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs aufweisend mehrere antreibbare, bremsbare und/oder lenkbare Räder, die jeweils mit einer Radaufstandskraft mit einer Fahrbahnoberfläche in Kontakt stehen, demzufolge ausgehend von einer momentanen Fahrzeugbeschleunigung und unter Berücksichtigung einer angeforderten Fahrzeugbeschleunigung ein Stellvektor bestimmt wird, wobei eine Fahrzeugbeschleunigung eine translatorische Beschleunigung in Fahrzeuglängsrichtung, eine translatorische Beschleunigung in Fahrzeugquerrichtung und eine rotatorische Beschleunigung um die Fahrzeughochachse umfasst, der Stellvektor Werte zum Stellen wenigstens eines Radantriebsmoments, wenigstens eines Radbremsmoments und/oder wenigstens eines Radlenkwinkels umfasst und der Stellvektor mithilfe vertikaler Zustandsgrößen bestimmt wird.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Aus der Veröffentlichung Ralf Orend, Integrierte Fahrdynamikregelung mit Einzelradaktorik, Shaker Verlag Aachen 2007, ist ein Konzept einer Fahrdynamikregelung bekannt, das Stelleingriffe und Radkräfte unter der Maßgabe festlegt, die Kraftschlusspotentiale zwischen vier Reifen und einer Fahrbahn optimal auszunutzen und eine Beanspruchung aller vier Reifen in jeder Fahrsituation zu minimieren. Damit soll das Fahrzeug an die fahrdynamische Grenze geführt und so ein fahrdynamisches Optimum dargestellt werden. Ein Entwurf der integrierten Fahrdynamikregelung erfolgt auf Basis einer nichtlinearen Fahrzeugmodellierung, die das Bewegungsverhalten des Fahrzeugs bis in einen Grenzbereich, in dem die Reifen die Kraftschlussgrenze erreichen, nachbildet. Die Stelleingriffe werden zur Minimierung der Reifenbeanspruchung durch das numerische Lösen einer Optimierungsaufgabe bestimmt. Auf diesem Wege findet sich ein Maß, das für jede Fahrsituation den Abstand zur fahrdynamischen Grenze quantifiziert und zu deren exakten Identifikation dient.
Zur genaueren Information über die Merkmale der vorliegenden Erfindung wird ausdrücklich auf die Veröffentlichung Ralf Orend, Integrierte Fahrdynamikregelung mit Einzelradaktorik, Shaker Verlag Aachen 2007, verwiesen. Die Lehre dieser Veröffentlichung ist als Bestandteil des vorliegenden Dokuments anzusehen. Merkmale dieser Veröffentlichung sind Merkmale des vorliegenden Dokuments.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten Verfahren funktional zu verbessern und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereit zu stellen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zum Regeln der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs aufweisend wenigstens ein antreibbares, bremsbares und/oder lenkbares Rad mit einem Reifen, der mit einer Fahrbahnoberfläche in Kontakt steht, demzufolge ausgehend von einer momentanen Fahrzeugbeschleunigung und unter Berücksichtigung einer angeforderten Fahrzeugbeschleunigung ein Stellvektor bestimmt wird, wobei eine Fahrzeugbeschleunigung eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeuglängsrichtung, eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeugquerrichtung und eine rotatorische Beschleunigung um eine Fahrzeughochachse umfasst und der Stellvektor Werte zum Stellen wenigstens eines Radantriebsmoments, wenigstens eines Radbremsmoments und/oder wenigstens eines Radlenkwinkels umfasst, bei dem der Stellvektor mithilfe eines inversen Modells bestimmt und regelungstechnisch adaptiert wird.
Das Kraftfahrzeug kann eine Längsachse, eine Querachse und eine Hochachse aufweisen. Die Fahrdynamik kann eine Längsdynamik umfassen. Eine Längsdynamik kann im Wesentlichen in Richtung der Längsachse wirken. Zur Regelung der Längsdynamik kann ein Antriebsmoment gezielt auf antreibbare Räder verteilt werden. Die Fahrdynamik kann eine Querdynamik umfassen. Eine Querdynamik kann im Wesentlichen in Richtung der Querachse wirken. Zur Regelung der Querdynamik kann ein Lenkwinkel wenigstens eines lenkbaren Rads gezielt eingestellt werden. Es kann eine von einer Bedienperson vorgegebene Lenkwinkelanforderung mit einem Überlagerungswinkel angepasst werden. Das Kraftfahrzeug kann eine Karosserie aufweisen. Das wenigstens eine Rad kann mit der Karosserie zumindest im Wesentlichen in Richtung der Hochachse verlagerbar verbunden sein. Zwischen dem wenigstens einen Rad und der Karosserie kann eine Feder angeordnet sein. Zwischen dem wenigstens einen Rad und der Karosserie kann ein Dämpfer angeordnet sein. Die Feder und der Dämpfer können parallel geschaltet sein. Zwischen dem wenigstens einen Rad und der Karosserie kann eine Aufbaukraft vorhanden sein. Die Aufbaukraft kann aktiv beeinflussbar sein. Die Fahrdynamik kann eine Vertikaldynamik umfassen. Eine Vertikaldynamik kann im Wesentlichen in Richtung der Hochachse wirken. Zur Regelung der Vertikaldynamik können die Feder und/oder der Dämpfer gezielt eingestellt werden.
Die Fahrdynamik kann eine Horizontaldynamik umfassen. Die Horizontaldynamik kann eine Dynamik in einer zur Fahrbahnoberfläche parallelen Ebene sein. Die Horizontaldynamik kann eine Translation des Kraftfahrzeugs in Richtung der Längsachse umfassen. Die Horizontaldynamik kann eine Translation des Kraftfahrzeugs in Richtung der Querachse umfassen. Die Horizontaldynamik kann eine Rotation des Kraftfahrzeugs um die Hochachse umfassen. Die Horizontaldynamik kann der Fahrzeugbeschleunigung entsprechen. Die Fahrdynamik kann eine Vertikaldynamik umfassen. Die Vertikaldynamik kann eine Wankbewegung umfassen. Eine Wankbewegung kann eine Rotation um die Längsachse sein. Die Vertikaldynamik kann eine Nickbewegung umfassen. Eine Nickbewegung kann eine Rotation um die Querachse sein. Die Vertikaldynamik kann eine Hubbewegung umfassen. Eine Hubbewegung kann eine Translation in Richtung der Hochachse sein.
Die Regelung kann mithilfe eines Steuergeräts erfolgen. In dem Verfahren kann ein innerer Regler genutzt werden. Die Regelung kann eine integrierte Regelung sein. Eine integrierte Regelung kann eine Regelung sein, bei der die Längs-, die Quer- und die Vertikaldynamik gesamthaft geregelt werden. Eine integrierte Regelung kann eine Regelung sein, bei der die Horizontaldynamik und die Vertikaldynamik gesamthaft geregelt werden. Es kann wenigstens ein Rad lenkbar sein. Zusätzlich kann wenigstens ein weiteres Rad antreibbar und bremsbar sein. Das Kraftfahrzeug kann vier Räder aufweisen. Der Reifen des wenigstens einen Rads kann mit der Fahrbahnoberfläche in einem reibschlüssigen Kontakt stehen. Ein inverses Modell kann ein Modell sein, bei dem ausgehend von einer Wirkung die der Wirkung zugrundeliegende Ursache ermittelt wird. Das inverse Modell kann ein regelungstechnisches Modell sein. Das inverse Modell kann ein regelungstechnisches Modell des Kraftfahrzeugs umfassen. Der Stellvektor kann eine Ausgangsgröße des inversen Modells sein.
Mithilfe des Stellvektors kann eine Änderung der Fahrzeugbeschleunigung bewirkt werden. Eine Änderung der Fahrzeugbeschleunigung kann eine entsprechende Änderung einer physikalischen Größe des Kraftfahrzeugs bewirken. Die physikalische Größe kann eine Reifenkraft sein. Eine Reifenkraft kann eine durch einen Reifenschlupf verursachte Kraft sein. Ein Reifenschlupf kann eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Reifen, insbesondere einem Reifengürtel, und der Fahrbahnoberfläche sein. Ein Reifenschlupf kann aufgrund einer elastischen Verformung des Reifens, insbesondere eines Reifengürtels, gegenüber der Fahrbahnoberfläche auftreten.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine verbesserte Abbildung der realen Verhältnisse. Eine Sicherheitsreserve wird gesteigert. Ein Fahrkomfort wird gesteigert. Eine Energieoptimalität ist gegeben. Eine Bestimmung des Stellvektors ist vereinfacht. Eine Regelung erfolgt schneller. Eine Regelung erfordert eine verringerte Rechenleistung. Eine analytische Inversion erlaubt einen Verzicht auf einen aufwändigen Schätzer.
Der Stellvektor kann ausgehend von einer momentanen Reifenkraftänderung und unter Berücksichtigung einer geforderten Reifenkraftänderung adaptiert werden. Die momentane Reifenkraftänderung durch eine Änderung der Fahrzeugbeschleunigung bedingt sein. Die geforderte Reifenkraftänderung kann eine Ausgangsgröße des inversen Modells sein. Die momentane Reifenkraftänderung kann gemessen oder geschätzt werden. Mithilfe des inversen Modells kann ein Drehmoment ermittelt werden. Unter Berücksichtigung geschätzter Zustandsgrößen des Kraftfahrzeugs und nach dem Modell des Kraftfahrzeugs in dem inversen Modell kann das Drehmoment zu vier geforderten Reifenkraftänderungen führen. Bei einer Schätzung der momentanen Reifenkraftänderung werden Sensoren eingespart. Der Schätzansatz ist transparent. Die Schätzung erfolgt ressourcenschonend. An ein Steuergerät sind nur geringe Anforderungen gestellt.
Zur Bestimmung der momentanen Reifenkraftänderung kann ausgehend von der Annahme eines isotropen Reifenverhaltens eine Modifikation erfolgen, die einen quantitativ unterschiedlichen Längs- und Querschlupf an dem Reifen berücksichtigt. Ein isotropes Reifenverhalten kann ein Reifenverhalten sein, bei dem eine durch einen Reifenschlupf verursachte Reifenkraft stets in Richtung des Reifenschlupfs weist und nur von dessen Betrag abhängt. Ein isotropes Reifenverhalten kann ein Reifenverhalten sein, bei dem eine Kraftschlussgrenze ohne Vorzugsrichtung ist. Ein modifiziertes Reifenverhalten kann einen gegenüber einem Querschlupf größeren Längsschlupf aufweisen.
Es kann ein Abweichungswert zwischen der momentanen Reifenkraftänderung und der geforderten Reifenkraftänderung gebildet werden. Der Abweichungswert kann zu einem zusätzlichen Drehmoment und/oder einer zusätzlichen Lenkwinkelrate führen. Zur Adaption des Stellvektors kann der Abweichungswert zwischen der geforderten Reifenkraftänderung und der momentanen Reifenkraftänderung einen lokalen Regler durchlaufen. Nachfolgend kann der Abweichungswert dem inversen Modell zugeführt werden.
Der Stellvektor kann Werte zum Stellen mehrerer Radantriebsmomente, mehrerer Radbremsmomente und/oder mehrerer Radlenkwinkel umfassen, wobei die mehreren Radantriebsmomente, die mehreren Radbremsmomente und/oder die mehreren Radlenkwinkel in Abhängigkeit voneinander gestellt werden können. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines nicht vollaktuierten Kraftfahrzeugs angewendet werden. Ein vollaktuiertes Kraftfahrzeug kann ein Kraftfahrzeug sein, bei dem unabhängig und separat für jedes Rad ein Radlenkwinkel, ein Radmoment und eine aktive Aufbaukraft zwischen Rad und Karosserie eingestellt werden kann.
Außerdem wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Regeln der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs aufweisend wenigstens ein antreibbares, bremsbares und/oder lenkbares Rad, demzufolge ausgehend von einer momentanen Fahrzeugbeschleunigung und unter Berücksichtigung einer angeforderten Fahrzeugbeschleunigung ein Stellvektor bestimmt wird, wobei eine Fahrzeugbeschleunigung eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeuglängsrichtung, eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeugquerrichtung und eine rotatorische Beschleunigung um eine Fahrzeughochachse umfasst und der Stellvektor Werte zum Stellen wenigstens eines Radantriebsmoments, wenigstens eines Radbremsmoments und/oder wenigstens eines Radlenkwinkels umfasst, bei dem zur Bestimmung des Stellvektors ausgehend von der angeforderten Fahrzeugbeschleunigung eine Fahrzeugbeschleunigungsänderung bestimmt wird.
Es kann ein Gradient der angeforderten Fahrzeugbeschleunigung bestimmt werden. Damit liegt eine Einheit vor, die mithilfe der Stellgrößen Drehmoment und Lenkwinkelrate direkt gestellt werden kann.
Die angeforderte Fahrzeugbeschleunigung kann zunächst einen Tiefpassfilter durchlaufen. Damit wird eine zeitliche Differenzierung der angeforderten Fahrzeugbeschleunigung möglich. Es wird eine physikalisch umsetzbare Form erhalten.
Die Fahrzeugbeschleunigungsänderung kann mithilfe eines regelungstechnischen Vorwärtspfads bestimmt werden. In dem Vorwärtspfad kann die tiefpassgefilterte angeforderte Fahrzeugbeschleunigung nach der Zeit abgeleitet werden. Zur Bestimmung der Fahrzeugbeschleunigungsänderung kann eine auf einen Regelfehler begrenzte Regelung erfolgen.
Außerdem wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Regeln der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs aufweisend mehrere antreibbare, bremsbare und/oder lenkbare Räder, die jeweils mit einer Radaufstandskraft mit einer Fahrbahnoberfläche in Kontakt stehen, demzufolge ausgehend von einer momentanen Fahrzeugbeschleunigung und unter Berücksichtigung einer angeforderten Fahrzeugbeschleunigung ein Stellvektor bestimmt wird, wobei eine Fahrzeugbeschleunigung eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeuglängsrichtung, eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeugquerrichtung und eine rotatorische Beschleunigung um eine Fahrzeughochachse umfasst, der Stellvektor Werte zum Stellen wenigstens eines Radantriebsmoments, wenigstens eines Radbremsmoments und/oder wenigstens eines Radlenkwinkels umfasst und der Stellvektor mithilfe vertikaler Zustandsgrößen bestimmt wird, bei dem die vertikalen Zustandsgrößen auf Basis der Radaufstandskräfte mehrerer Räder bestimmt werden.
Eine Radaufstandskraft kann eine Kraft in Richtung der Hochachse sein. Eine Radaufstandskraft kann eine zur Fahrbahnoberfläche senkrechte Kraft sein. Die vertikalen Zustandsgrößen können eine Translation in Richtung der Hochachse, eine Translationsgeschwindigkeit in Richtung der Hochachse, eine Rotation um die Längsachse, eine Rotationsgeschwindigkeit um die Längsachse, eine Rotation um die Querachse und eine Rotationsgeschwindigkeit um die Querachse sein. Nach dem inversen Modell können die vertikalen Zustandsgrößen die Radaufstandskräfte ergeben.
Die vertikalen Zustandsgrößen können mithilfe eines regelungstechnischen Beobachters, insbesondere eines Luenberger-Beobachters, bestimmt werden. Damit können aus bekannten Eingangsgrößen und Messgrößen eines beobachteten Referenzsystems, unter Verwendung eines Modells des Referenzsystems, nicht messbare Größen oder Zustände rekonstruiert werden. Der Beobachter kann das System in einem Modell nachbilden und einen Regler beinhalten, der die messbaren Ausgangsgrößen nachführt.
Außerdem wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens aufweisend wenigstens ein Rad, eine Einrichtung zum Antreiben des wenigstens einen Rads, eine Einrichtung zum Bremsen des wenigstens einen Rads und/oder eine Einrichtung zum Lenken des wenigstens einen Rads und eine Kontrolleinrichtung zum Kontrollieren der Einrichtung zum Antreiben des wenigstens einen Rads, der Einrichtung zum Bremsen des wenigstens einen Rads und/oder der Einrichtung zum Lenken des wenigstens einen Rads.
Das wenigstens eine Rad kann eine Felge und einen Reifen aufweisen. Die Vorrichtung kann eine Antriebsmaschine aufweisen. Die Antriebsmaschine kann mit dem wenigstens einen Rad antriebsverbunden sein. Die Antriebsmaschine kann eine Brennkraftmaschine sein. Die Antriebsmaschine kann ein Elektromotor sein. Die Vorrichtung kann ein Getriebe aufweisen. Die Vorrichtung kann eine Kupplung, wie Reibungskupplung, aufweisen. Zwischen der Antriebsmaschine und dem wenigstens einen Rad kann ein Antriebsstrang gebildet sein. Das Getriebe und/oder die Kupplung kann in dem Antriebsstrang angeordnet sein. Mithilfe der Antriebsmaschine kann das wenigstens eine Rad mit einem Antriebsmoment beaufschlagt werden. Mithilfe des Antriebsstrangs kann das wenigstens eine Rad mit einem Bremsmoment beaufschlagt werden. Das Antriebsmoment und/oder das Bremsmoment kann durch einen Eingriff in den Antriebsstrang eingestellt werden. Ein Antriebsmoment kann von einer Bedienperson vorgegeben werden. Die Vorrichtung kann Mittel aufweisen, die eine Modifikation einer Antriebsmomentvorgabe ermöglichen.
Die Bremseinrichtung kann eine dem wenigstens einen Rad zugeordnete Bremse aufweisen. Die Bremseinrichtung kann von einer Bedienperson betätigt werden. Die Vorrichtung kann Mittel aufweisen, die eine Modifikation einer Bremsbetätigung ermöglichen. Das wenigstens eine Rad kann lenkbar an der Karosserie angeordnet sein. Mithilfe der Lenkeinrichtung kann ein Lenkwinkel eingestellt werden. Die Lenkeinrichtung kann von einer Bedienperson betätigt werden. Die Vorrichtung kann Mittel aufweisen, die eine Modifikation einer Lenkbetätigung ermöglichen.
Die Vorrichtung kann eine Einrichtung zur Ermittlung einer Drehzahl des wenigstens einen Rads, eine Einrichtung zur Ermittlung eines Lenkwinkels des wenigstens einen Rads und/oder eine Einrichtung zur Ermittlung einer Radaufstandskraft des wenigstens einen Rads aufweisen. An dem wenigstens einen Rad kann ein Drehzahlsensor angeordnet sein. An der Lenkeinrichtung kann ein Lenkwinkelsensor oder ein Wegsensor angeordnet sein. Zur Ermittlung einer Radaufstandskraft kann die Vorrichtung einen Kraftsensor oder einen Wegsensor aufweisen.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine integrierte Fahrwerkregelung für ein Fahrzeug mit bis zu vier stellbaren Drehmomenten und einem oder zwei achsweise oder einzeln stellbaren Lenkwinkeln.
Es kann ein inverses Modell in die Regelung eingeführt werden. Die Lenkwinkel δ_i und die Drehmomente δ_i können gemeinsam mit den Hilfsgrößen v wie folgt in das Modell eingehen: τ_left,front = sin(v_left)²·τ_left τ_left,rear = cos(v_left)²·τ_left τ_right,front = sin(v_right)²·τ_right τ_right,rear = cos(v_right)²·τ_right δ_left,front = δ_right,front = δ_front δ_left,rear = 0 δ_right,rear = 0
Die Gleichung δ₁ = δ₂ kann eine Ackermann-Lenkung lediglich approximieren. Die Ackermann-Lenkungen kann in Hard- oder Software realisiert sein. Sie kann auch im inversen Modell präziser nachgebildet werden. Damit kann eine Bewegungsanforderung a = a_ref auf Ebene ihrer ersten zeitlichen Ableitung umgesetzt werden. Die Hilfsgrößen v_left und v_right können gemäß einem genäherten verfügbaren Kraftschlusspotential gewählt werden:
Dabei kann μ_i der Reibbeiwert und f_z,i die Radaufstandskraft des jeweils i-ten Rades sein. Alternativ können die Hilfsgrößen so gewählt werden, dass die Antriebsbzw. Bremsmomente proportional zum verfügbaren Kraftschlusspotential auf die antreibbaren Räder verteilt werden.
Für das inverse Modell sollen äquivalente Zustandsgrößen bestimmt werden. Im Schätzer können diese drei Gruppen zugeordnet werden:

1. Horizontale Zustandsgrößen: Die horizontalen Zustandsgrößen können direkt gemessen oder geschätzt.
2. Vertikale Zustandsgrößen: Die vier Radaufstandskräfte können aus gemessenen Schwerpunktbeschleunigungen und/oder aus gemessenen Federwegen einer Radaufhängung errechnet werden. Ein Luenberger-Beobachter kann daraus weiter sechs vertikale Zustandsgrößen bestimmen.
3. Zustandsgrößen der Räder: Es können acht horizontalen Reifenkräfte rekonstruiert werden. Ein Reifenkraftgesetz kann im inversen Modell analytisch invertiert werden
und so können Reifenschlupfe errechnet werden. Diese können in Raddrehzahlen und äquivalente Lenkwinkel der vier Reifen bzw. einen zusätzlichen Querschlupf für eine aktuelle Fahrsituation umgerechnet werden. Für die analytische Inversion eines Reifenkennfelds soll aus Schätzung bekannt sein, ob ein jeweiliger Reifen in einem stabilen oder in einem instabilen Bereich betrieben wird.

Zur Rekonstruktion der horizontalen Reifenkräfte: Die horizontalen Reifenkräfte f_xy ∈ R⁸ können über a = G*·f_xy auf drei horizontale Beschleunigungen abgebildet werden. Diese Beschleunigungen können als Messwerte zur Verfügung stehen. Weiter kann in Reifenlängsrichtung angenommen werden, dass sich diese Reifenkräfte gemäß des gestellten Antriebs- bzw. Bremsmoments auf die Reifen verteilen,
Die Querkräfte im jeweiligen Reifenkoordinatensystem können achsweise proportional zur insgesamt in Reifenlängsrichtung übertragbaren Kraft verteilt angenommen werden.
Zum Reifenmodell: Das Reifenmodell kann modifiziert werden um ein anisotropes Reifenverhalten abzubilden und einen Lenkwinkel und einen Querschlupf zu entkoppeln. Die isotrope Reifenkraft aus einem ursprünglichen Reifenmodell kann mit konstanten Faktoren in Reifenlängs- und -querrichtung skaliert werden. Weiter kann sich ein Reifenquerschlupf aus Zustandsgrößen des Fahrzeugs und einem zusätzlichen Querschlupf Δs_y ergeben.
Referenzgierrate: Der Freiheitsgrad der Gierbewegung kann genutzt werden, um das Fahrzeug einem Schwimmwinkelverlauf über eine Querbeschleunigung folgen zu lassen.
Unterlagerte Regelung: Das inverse Modell kann eine Referenzreifenkraftänderung zusätzlich zu den Stellgrößen ausgeben. Auf dieser Ebene kann ein unterlagerter Regelkreis geschlossen werden.
Äußerer Regelkreis: Eine Bewegungsanforderung kann tiefpassgefiltert werden und damit einfach nach der Zeit differenzierbar sein. Ihre Ableitung kann dem Regelkreis über einen Vorwärtspfad zugeführt werden.
Reduktion der Reifenlängskraft: Eine Reifelängskraft kann nach einem Fahrzeugmodell zu einem Drehmoment führen, das kompensiert werden soll, um eine bestimmte Reifenschlupfänderung zu erreichen. Dieses Drehmoment kann mit einen Faktor y < 1 kompensiert werden. Die Regelung kann für geeignete y stabil sein. Ein daraus resultierender Fehler kann in der Reifenkraftänderung durch die unterlagerte Regelung kompensiert werden.
Charakteristische Merkmale können ein Ersatz einer Optimierung durch analytische Bestimmung von Hilfsgrößen, eine unterlagerte Regelung auf Ebene einer Reifenkraftänderung, ein Vorwärtspfad für Beschleunigungsänderung, eine Abbildung einer Fahrzeugkonfiguration in einem inversen Modell, ein modifiziertes Reifenmodell, ein analytisch invertiertes Reifenmodell, eine Schätzung vertikaler Zustände aus Radaufstandskräften, eine Reduktion eines geschätzten Drehmoments aus einer Reifenlängskraft und/oder eine Bestimmung einer Referenzgierrate aus einer Querbeschleunigung sein.
Das Verfahren kann an einem nicht-vollaktuierte Fahrzeug angewendet werden. Es kann ein angepasstes Reifenmodell verwendet werden. Es kann eine lokale Regelung verwendet werden. Ein Reifenmodell kann analytisch invertiert werden. Eine aktuell wirkende Reifenkraft kann durch einen einfach auswertbaren Ansatz geschätzt werden. Eine Bewegungsanforderung kann tiefpassgefiltert werden. Ein Vorwärtspfad mit deren Ableitung kann eingeführt werden. Vertikale Zustandsgrößen können durch einen Luenberger-Beobachter aus Radaufstandskräften ermittelt werden. Damit kann durch eine Modifikation eines Reifenkennfelds die Realität besser abgebildet werden. Eine lokale Regelung kann den Ansatz realisierbar machen. Durch analytische Inversion des Reifenkennfelds kann garantiert und in endlicher Zeit eine Lösung gefunden werden. Durch Schätzung der Reifenkräfte werden teure Sensoren eingespart. Der Schätzansatz ist transparent und auf leistungsschwachen Steuergeräten zu realisieren. Durch Filterung der Bewegungsanforderungen kann die Verstärkung im nachgeschalteten Regelkreis größer gewählt werden, die Möglichkeiten der Aktuatoren werden berücksichtigt und ein Vorwärtspfad kann eingeführt werden. Die vertikalen Zustandsgrößen können aus vorhandenen Mess- bzw. Schätzgrößen in Serienfahrzeugen ermittelt werden. Die Größen auf diese Weise zu ermitteln, verbessert die Stellgrößen aus dem inversen Modell. Die analytische Inversion spart mit genannten Vorteilen einen aufwendigen Schätzer ein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:
1 ein Blockschaltbild zu einem Kraftfahrzeug, auf das Stellgrößen wirken und das eine Bewegung ausführt,
2 ein Blockschaltbild einer geregelten Strecke mit einem inneren Regler,
3 Diagramme zu einem modifizierten Reifenkraftgesetz und
4 ein Blockschaltbild zu einer Tiefpassfilterung.
1 zeigt ein Blockschaltbild 100 zu einem Kraftfahrzeug 102, auf das Stellgrößen 104 wirken und das eine Bewegung 106 ausführt. Das Kraftfahrzeug 102 weist eine Karosserie und ein Fahrwerk auf. Das Fahrwerk weist vier Räder auf. Die Räder weisen Reifen auf. Die Reifen stehen mit einer Fahrbahnoberfläche in Kontakt. Ein Rad ist ein vorderes linkes Rad. Ein Rad ist ein vorderes rechtes Rad. Ein Rad ist ein hinteres rechtes Rad. Ein Rad ist ein hinteres linkes Rad. Die Räder sind an der Karosserie insbesondere in Richtung einer Hochachse des Kraftfahrzeugs 102 verlagerbar angeordnet. Zwischen den Rädern und der Karosserie ist eine Feder-/Dämpfereinrichtung wirksam. Die vorderen Räder und die hinteren Räder können angetrieben werden. Bei einer anderen Ausführung können nur die vorderen Räder angetrieben werden. Bei einer anderen Ausführung können nur die hinteren Räder angetrieben werden. Alle vier Räder können gebremst werden. Die vorderen Räder können gelenkt werden. Bei einer anderen Ausführung können die vorderen und die hinteren Räder gelenkt werden. Die Räder können dann achsweise gelenkt werden. Bei einer anderen Ausführung kann eine Einzelradlenkung vorhanden sein.
Das Kraftfahrzeug 102 weist Stellglieder auf. Die Stellgrößen 104 wirken auf die Stellglieder. Damit kann die Bewegung 106 des Kraftfahrzeugs 102 kontrolliert werden. Das Kraftfahrzeug 102 weist als Stellglieder einen Antrieb 108, eine Bremse 110, eine Lenkung 112 und eine Energieversorgung 114 auf.
Der Antrieb 108 weist eine Brennkraftmaschine auf. Bei einer anderen Ausführung weist der Antrieb 108 einen Elektromotor auf. Bei einer anderen Ausführung weist der Antrieb 108 eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor auf. Mithilfe des Antriebs 108 kann auf die Räder des Kraftfahrzeugs 102 ein Antriebsmoment aufgebracht werden. Das Antriebsmoment kann auf die Räder gezielt verteilt werden. Mithilfe des Antriebs 108 kann auf die Räder des Kraftfahrzeugs 102 ein Bremsmoment aufgebracht werden. Das Bremsmoment kann auf die Räder gezielt verteil werden. Mithilfe der Bremse 110 können die Räder des Kraftfahrzeugs 102 gebremst werden. Die einzelnen Räder können jeweils gesondert gebremst werden. Eine Bremskraft kann auf die Räder gezielt verteil werden. Mithilfe der Lenkung 112 kann das Kraftfahrzeug 102 gelenkt werden. Ein Lenkwinkel kann auf die lenkbaren Räder gezielt verteil werden.
Das Kraftfahrzeug 102 weist ein Steuergerät zum Kontrollieren des Antriebs 108 auf. Das Kraftfahrzeug 102 weist ein Steuergerät zum Kontrollieren der Bremse 110 auf. Das Kraftfahrzeug 102 weist ein Steuergerät zum Kontrollieren der Lenkung 112 auf. Das Kraftfahrzeug 102 weist ein Steuergerät zum Kontrollieren der Energieversorgung 114 auf. Die Steuergeräte können baulich und/oder funktional gesondert oder teilweise oder vollständig zusammengefasst sein. Gesonderte Steuergeräte können miteinander signalleitend verbunden sein, beispielsweise über einen CAN-Bus 116.
Das Kraftfahrzeug 102 weist Drehzahlsensoren zur Ermittlung von Raddrehzahlen auf. Das Kraftfahrzeug 102 weist einen Sensor zur Ermittlung eines Lenkwinkels auf. Die Signale dieser Sensoren stehen den Steuergeräten zur Verfügung.
2 zeigt ein Blockschaltbild 200 zu einer geregelten Strecke mit einem inneren Regler. Der Regler weist ein inverses Modell 202 auf. Das inverse Modell 202 bildet das Kraftfahrzeug regelungstechnisch ab. Das inverse Modell 202 errechnet ausgehend von Eingangsgrößen 204 Stellgrößen 206, beispielsweise ein Drehmoment, das nach den geschätzten Zustandsgrößen des Fahrzeugs und nach dem Fahrzeugmodell im inversen Modell 202 zu insgesamt vier Reifenkraftänderungen führen soll, oder eine Lenkwinkelrate. Die Stellgrößen 206 werden dem Kraftfahrzeug 208 zugeführt und dort mithilfe adäquater Stellglieder umgesetzt.
Eine sich einstellende Reifenkraftänderung 210 wird geschätzt und mit einer von dem inversen Modell 202 vorgegebenen Reifenkraftänderung 212 verglichen. Ein Fehler 214 führt zu einem Korrekturwert 216, beispielsweise zu einem zusätzlichen Drehmoment bzw. einer zusätzlichen Lenkwinkelrate. Der Korrekturwert 216 wird über einem lokalen Regler 218 dem inversen Modell 202 zugeführt. Mithilfe des Korrekturwerts 216 erfolgt eine Adaption der Stellgrößen 206.
3 zeigt Diagramme 300, 302 zu einem modifizierten Reifenkraftgesetz. In den Diagrammen 300, 302 ist eine Reifenkraft 304, 306 aufgetragen. Dabei entspricht eine x-Richtung einer Laufrichtung eines Reifens. Eine y-Richtung entspricht einer Richtung senkrecht zur Laufrichtung eines Reifens. Das Diagramm 300 zeigt ein isotropes Reifenverhalten, bei dem die durch einen Reifenschlupf verursachte Reifenkraft 304 stets in Richtung des Reifenschlupfs weist und nur von dessen Betrag abhängt und eine Kraftschlussgrenze, d. h. die maximal vom Reifen übertragbare Kraft, die grafisch durch den so genannten Kamm'schen Kreis veranschaulicht ist, keine Vorzugsrichtung besitzt. Das Diagramm 302 zeigt ein davon ausgehend modifiziertes Reifenverhalten, bei dem richtungsabhängige Unterschiede der Reifenkraft 306 berücksichtigt sein. In x-Richtung ist eine höhere Kraftschlussgrenze vorhanden, als in y-Richtung. Vorliegend wird das modifizierte Reifenverhalten zugrundegelegt.
4 zeigt ein Blockschaltbild 400 zu einer Tiefpassfilterung. Um ein direktes Stellen zu ermöglichen wird eine von einem Fahrer vorgegebene Referenzbeschleunigung 402 in eine Beschleunigungsänderung 404 umgesetzt. Dafür durchläuft die Beschleunigung 402 zunächst einen Tiefpassfilter 406. Es wird eine gefilterte Referenzbeschleunigung 408 erhalten. Die gefilterte Referenzbeschleunigung 408 wird mithilfe einer gemessenen Fahrzeugbeschleunigung 410 angepasst und durchläuft nachfolgend einen Differenzierer 412, in dem eine zeitliche Differenzierung erfolgt. In einem parallelen Signalzweig durchläuft die angepasste gefilterte Referenzbeschleunigung 408 einen Regler 414, in dem eine Regelung auf Beschleunigungsfehler erfolgt. Der Regler 414 ist in der Rückführung angeordnet. Die Ausgänge des Differenzierers 412 und des Reglers 414 werden zusammengeführt und als Beschleunigungsänderung 404 ausgegeben.
Bezugszeichenliste

100: Blockschaltbild
102: Kraftfahrzeug
104: Stellgrößen
106: Bewegung
108: Antrieb
110: Bremse
112: Lenkung
114: Energieversorgung
116: CAN-Bus
200: Blockschaltbild
202: Modell
204: Eingangsgrößen
206: Stellgrößen
208: Kraftfahrzeug
210: Reifenkraftänderung
212: Reifenkraftänderung
214: Fehler
216: Korrekturwert
218: Regler
300: Diagramm
302: Diagramm
304: Reifenkraft
306: Reifenkraft
400: Blockschaltbild
402: Referenzbeschleunigung
404: Beschleunigungsänderung
406: Tiefpassfilter
408: Referenzbeschleunigung
410: Fahrzeugbeschleunigung
412: Differenzierer
414: Regler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ralf Orend, Integrierte Fahrdynamikregelung mit Einzelradaktorik, Shaker Verlag Aachen 2007 [0005]
Ralf Orend, Integrierte Fahrdynamikregelung mit Einzelradaktorik, Shaker Verlag Aachen 2007 [0006]

Claims

Verfahren zum Regeln der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs (102, 208) aufweisend wenigstens ein antreibbares, bremsbares und/oder lenkbares Rad mit einem Reifen, der mit einer Fahrbahnoberfläche in Kontakt steht, demzufolge ausgehend von einer momentanen Fahrzeugbeschleunigung und unter Berücksichtigung einer angeforderten Fahrzeugbeschleunigung ein Stellvektor (206) bestimmt wird, wobei eine Fahrzeugbeschleunigung eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeuglängsrichtung, eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeugquerrichtung und eine rotatorische Beschleunigung um eine Fahrzeughochachse umfasst und der Stellvektor (206) Werte zum Stellen wenigstens eines Radantriebsmoments, wenigstens eines Radbremsmoments und/oder wenigstens eines Radlenkwinkels umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellvektor (206) mithilfe eines inversen Modells (202) bestimmt und regelungstechnisch adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellvektor (206) ausgehend von einer momentanen Reifenkraftänderung (210) und unter Berücksichtigung einer geforderten Reifenkraftänderung (212) adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die momentane Reifenkraftänderung (210) gemessen oder geschätzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der momentanen Reifenkraftänderung (210) ausgehend von der Annahme eines isotropen Reifenverhaltens (300, 304) eine Modifikation (302, 306) erfolgt, die einen quantitativ unterschiedlichen Längs- und Querschlupf an dem Reifen berücksichtigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Adaption des Stellvektors (206) ein Abweichungswert (216) zwischen der geforderten Reifenkraftänderung (212) und der momentanen Reifenkraftänderung (210) einen lokalen Regler (218) durchläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellvektor (206) Werte zum Stellen mehrerer Radantriebsmomente, mehrerer Radbremsmomente und/oder mehrerer Radlenkwinkel umfasst, wobei die mehreren Radantriebsmomente, die mehreren Radbremsmomente und/oder die mehreren Radlenkwinkel in Abhängigkeit voneinander gestellt werden.
Verfahren zum Regeln der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs (102, 208) aufweisend wenigstens ein antreibbares, bremsbares und/oder lenkbares Rad, demzufolge ausgehend von einer momentanen Fahrzeugbeschleunigung und unter Berücksichtigung einer angeforderten Fahrzeugbeschleunigung (402) ein Stellvektor (206) bestimmt wird, wobei eine Fahrzeugbeschleunigung eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeuglängsrichtung, eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeugquerrichtung und eine rotatorische Beschleunigung um eine Fahrzeughochachse umfasst und der Stellvektor (206) Werte zum Stellen wenigstens eines Radantriebsmoments, wenigstens eines Radbremsmoments und/oder wenigstens eines Radlenkwinkels umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Stellvektors (206) ausgehend von der angeforderten Fahrzeugbeschleunigung (402) eine Fahrzeugbeschleunigungsänderung (404) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die angeforderte Fahrzeugbeschleunigung (402) zunächst einen Tiefpassfilter (406) durchläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbeschleunigungsänderung (404) mithilfe eines regelungstechnischen Vorwärtspfads bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vorwärtspfad die tiefpassgefilterte angeforderte Fahrzeugbeschleunigung (408) nach der Zeit abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Fahrzeugbeschleunigungsänderung (404) eine auf einen Regelfehler begrenzte Regelung erfolgt.
Verfahren zum Regeln der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs (102, 208) aufweisend mehrere antreibbare, bremsbare und/oder lenkbare Räder, die jeweils mit einer Radaufstandskraft mit einer Fahrbahnoberfläche in Kontakt stehen, demzufolge ausgehend von einer momentanen Fahrzeugbeschleunigung und unter Berücksichtigung einer angeforderten Fahrzeugbeschleunigung ein Stellvektor (206) bestimmt wird, wobei eine Fahrzeugbeschleunigung eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeuglängsrichtung, eine translatorische Beschleunigung in einer Fahrzeugquerrichtung und eine rotatorische Beschleunigung um eine Fahrzeughochachse umfasst, der Stellvektor (206) Werte zum Stellen wenigstens eines Radantriebsmoments, wenigstens eines Radbremsmoments und/oder wenigstens eines Radlenkwinkels umfasst und der Stellvektor (206) mithilfe vertikaler Zustandsgrößen bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Zustandsgrößen auf Basis der Radaufstandskräfte mehrerer Räder bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Zustandsgrößen mithilfe eines regelungstechnischen Beobachters, insbesondere eines Luenberger-Beobachters, bestimmt werden.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–13 aufweisend wenigstens ein Rad, eine Einrichtung (108) zum Antreiben des wenigstens einen Rads, eine Einrichtung (110) zum Bremsen des wenigstens einen Rads und/oder eine Einrichtung (112) zum Lenken des wenigstens einen Rads und eine Kontrolleinrichtung zum Kontrollieren der Einrichtung (108) zum Antreiben des wenigstens einen Rads, der Einrichtung (110) zum Bremsen des wenigstens einen Rads und/oder der Einrichtung (112) zum Lenken des wenigstens einen Rads.
Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Ermittlung einer Drehzahl des wenigstens einen Rads, eine Einrichtung zur Ermittlung eines Lenkwinkels des wenigstens einen Rads und/oder eine Einrichtung zur Ermittlung einer Radaufstandskraft des wenigstens einen Rads.