DE102011111024A1

DE102011111024A1 - Optimale Eckensteuerung für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102011111024A1
Application number: DE102011111024A
Authority: DE
Inventors: Shih-Ken Chen; Youssef A. Ghoneim; Weiwen Deng; Nikolai K. Moshchuk; Bakhtiar Brian Litkouhi; Valery Pylypchuk
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2012-03-08
Also published as: US20120059547A1; US8315764B2; CN102398594B; CN102398594A

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs mit mehreren Rädern umfasst, dass eine gewünschte Fahrzeugdynamik überwacht wird, dass eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung basierend auf der gewünschten Fahrzeugdynamik und einer Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form ermittelt wird und dass das Fahrzeug basierend auf der gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung gesteuert wird. Die Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form basiert auf einer minimierten Abweichungskomponente einer Kraft am Schwerpunkt, einer minimierten Steuerungs-Energiekomponente und einer maximierten Reifenkraft-Reservekomponente.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft eine Fahrzeugsteuerung.
HINTERGRUND
Die Angaben in diesem Abschnitt liefern nur auf die vorliegende Offenbarung bezogene Hintergrundinformation und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
Eine Fahrzeugsteuerung beschreibt Methodiken, mit denen der Betrieb eines Fahrzeugs oder eines Systems in einem Fahrzeug überwacht wird, und eine computergestützte Steuerung wird angewendet, um den Betrieb des Fahrzeugs zu modifizieren. Beispielhafte Strategien zur Fahrzeugsteuerung überwachen die Fahrzeugdynamik oder die momentanen oder erwarteten Kräfte und Momente, die auf das Fahrzeug wirken, und wenden basierend auf den Kräften und Momenten Steuerverfahren an, um den gewünschten Betrieb des Fahrzeugs aufrechtzuerhalten. Wenn ein Fahrzeug beispielsweise schnell gestoppt wird, können die Kräfte und Momente bewirken, dass die Karosserie des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung rotiert und die Vorderaufhängung komprimiert. Eine Fahrzeugsteuerung kann einer solchen überwachten oder vorhergesehenen Rotation der Karosserie des Fahrzeugs entgegenwirken, indem Aktuatoren aktiviert werden, die an den vorderen Ecken des Fahrzeugs angeordnet sind, um die Fahrzeugkarosserie anzuheben und das Komprimieren der Vorderaufhängung zu stoppen. Bei einem anderen Beispiel können die Kräfte und Momente, die auf das Fahrzeug wirken, und die Bremskräfte, die auf die Räder ausgeübt werden, bei einem Bremsmanöver verwendet werden, um einen Schlupf zwischen einem Rad und der Straße zu überwachen oder vorauszusagen. Aktuatoren an den Bremsen des Fahrzeugs können verwendet werden, um die Bremskraft zwischen den Rädern neu zu verteilen, um einen Schlupf zu vermeiden. Bei einem anderen Beispiel können die Kräfte und Momente, die auf das Fahrzeug wirken, und ein Lenkwinkel bei einem Kurvenfahrmanöver verwendet werden, um einen Übersteuerungs- oder einen Untersteuerungszustand zu überwachen oder vorauszusagen, und ein Aktuator, der auf das Lenksystem wirkt, kann die Lenkung korrigieren. Bei einem anderen Beispiel können die Kräfte, die auf das Fahrzeug wirken, und ein momentanes Drehmoment, das auf den Antriebsstrang und die Räder ausgeübt wird, verwendet werden, um den Schlupf zwischen den Rädern und der Straße zu überwachen und vorauszusagen, und es kann ein Aktuator verwendet werden, um das Drehmoment, das auf die Räder übertragen wird, durch verschiedene in der Technik bekannte Verfahren zu modifizieren.
Eine Anzahl von Systemen kann durch eine Fahrzeugsteuerung überwacht und/oder beeinflusst werden. Beispiele umfassen die Steuerung des Bremsens, des Lenkens, der Leistung des Endantriebs oder der Drehmomentabgabe des Antriebsstrangs und die Steuerung der Aufhängung. Gemäß einem beispielhaften Verfahren werden Fahrerbefehle und/oder Befehle eines autonomen Fahrsystems integriert, um gewünschte Zustände für die Fahrzeugdynamik oder -kinematik zu ermitteln, ein Fahrzeugdynamikmodul erhält als Eingabe die gewünschten Zustände der Fahrzeugdynamik oder -kinematik und gibt eine gewünschte Fahrzeugkraft und/oder ein gewünschtes Fahrzeugmoment aus, und ein Steuermodul zur Aktuatorüberwachung erzeugt Befehle in einem oder mehreren Fahrzeugsystemen, um die gewünschte Fahrzeugkraft und/oder das gewünschte Fahrzeugmoment zu bewirken. Die Integration der Befehle kann eine Rückkopplung bezüglich der momentanen oder resultierenden Zustände der Fahrzeugdynamik oder -kinematik umfassen, und das Steuermodul zur Aktuatorüberwachung kann eine Rückkopplung der momentanen oder resultierenden Aktuatorzustände umfassen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs mit mehreren Rädern umfasst, dass eine gewünschte Fahrzeugdynamik überwacht wird, dass eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung basierend auf der gewünschten Fahrzeugdynamik und einer Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form ermittelt wird und dass das Fahrzeug basierend auf der gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung gesteuert wird. Die Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form basiert auf einer minimierten Abweichungskomponente einer Kraft am Schwerpunkt, einer minimierten Steuerungs-Energiekomponente und einer maximierten Reifenkraft-Reservekomponente.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes Fahrzeug schematisch darstellt, das Systeme aufweist, die durch eine Fahrzeugsteuerung beeinflusst werden;
2 gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Abstimmen einer Fahrzeugsteuerung für verschiedene Fahrzeugsysteme schematisch darstellt;
3 gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes Verfahren zum Abstimmen einer Fahrzeugsteuerung durch das Ermitteln einer gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung schematisch darstellt;
4 gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes Verfahren zum Abstimmen der Fahrzeugsteuerung durch das Ermitteln einer gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung in speziellerem Detail schematisch darstellt;
5 gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Abstimmen einer Fahrzeugsteuerung für verschiedene Fahrzeugsysteme unter Verwendung einer gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung schematisch darstellt;
6 gemäß der vorliegenden Offenbarung einen beispielhaften Betrieb eines Steuermoduls für die Eckendynamik in größerem Detail darstellt; und
7 einen beispielhaften Betrieb eines Steuermoduls zur Aktuatorüberwachung gemäß der vorliegenden Offenbarung in größerem Detail darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen das Gezeigte nur zu dem Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzustellen, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, zeigt 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch ein beispielhaftes Fahrzeug, das Systeme aufweist, die durch eine Fahrzeugsteuerung beeinflusst werden. Das Fahrzeug 5 umfasst eine Brennkraftmaschine 10, einen Elektromotor 15, ein Getriebe 20, einen Antriebsstrang 25 mit einer Hinterachse 30 sowie Räder 32, 34, 36 und 38. Die Brennkraftmaschine 10 und der Elektromotor 15 können jeweils ein Drehmoment liefern, das verwendet werden kann, um das Fahrzeug 5 über den Antriebsstrang 25 anzutreiben. Das Getriebe 20 weist Kupplungseinrichtungen auf, die in der Lage sind, jede der Drehmoment erzeugenden Einrichtungen, die Brennkraftmaschine 10 und den Elektromotor 15, selektiv mit dem Antriebsstrang 25 zu verbinden. Das Getriebe 20 wird verwendet, um das Fahrzeug über eine Anzahl von Gangzuständen selektiv umzuschalten, die einen Neutralgangzustand und einen Rückwärtsgangzustand umfassen. Zusätzlich kann das Drehmoment durch das Getriebe verwendet werden, um den Elektromotor 15 in einem Regenerationsmodus zu betreiben, bei dem eine zugeordnete Energiespeichereinrichtung aufgeladen wird, oder es kann Drehmoment zwischen den Drehmoment erzeugenden Einrichtungen übertragen werden, beispielsweise wenn der Elektromotor 15 verwendet wird, um die Brennkraftmaschine 10 zu starten. Die beispielhafte Ausbildung von 1 beschreibt einen möglichen Antriebsstrang, der für ein Fahrzeug verwendet werden kann. Eine Anzahl von beispielhaften Ausführungsformen kann gleichermaßen verwendet werden. Beispielsweise können mehrere Radnabenmotoren anstelle der dargestellten Brennkraftmaschine 10 und des dargestellten Motors 15 verwendet werden. Bei einer solchen Ausführungsform können vier Radnabenmotoren einzeln ein Drehmoment an jedes der Räder liefern. Die Offenbarung soll nicht auf die speziellen Ausführungsformen des Antriebsstrangs beschränkt sein, die hierin beschrieben sind. Ein Lenkrad 40 und ein Lenksystem 42 sind in der Lage, die Räder des Fahrzeugs mittels Verfahren zu verschwenken, die in der Technik bekannt sind. 1 zeigt Räder 32 und 34, die verschwenkt sind. Es ist einzusehen, dass eine Anzahl von beispielhaften Lenkverfahren und Radausbildungen bekannt sind, einschließlich einer Vierradlenkung, und die Offenbarung soll nicht auf die speziellen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, die hierin beschrieben sind. Die Räder 32 und 34 sind auf eine Weise verschwenkt dargestellt, die damit übereinstimmt, dass sich das Fahrzeug in Vorwärtsrichtung bewegt und nach links abbiegt. An jedem der Räder 32, 34, 36 und 38 sind Bremseinrichtungen 52, 54, 56 bzw. 58 dargestellt. Jede Bremseinrichtung ist in der Lage, ein Bremsdrehmoment auf das zugeordnete Rad auszuüben. Eine Anzahl von unterschiedlichen Bremseinrichtungen und Steuerverfahren sind in der Technik bekannt, und sie können beispielhafte hydraulische Bremsen, Antiblockierbremsen und ein regeneratives Bremsen umfassen, das eine Energiespeichereinrichtung aufladen kann. An jedem der Räder 32, 34, 36 und 38 sorgen zusätzlich Aufhängungskomponenten 62, 64, 66 bzw. 68 für eine Federung der Karosserie des Fahrzeugs auf den Rädern des Fahrzeugs. Aufhängungskomponenten und -verfahren sind in der Technik und liefern sowohl ein gedämpftes Fahren für Passagiere in dem Fahrzeug als auch gewünschte Handhabungseigenschaften für das Fahrzeug während des Betriebs.
Wie vorstehend beschrieben ist, sind Verfahren bekannt, um Aktuatoren zum Modifizieren des Betriebs verschiedener Fahrzeugsysteme zu Zwecken der Fahrzeugsteuerung zu verwenden. Für Lenksysteme können die Aktuatoren die Form einer elektrischen Servolenkung (EPS) annehmen, die einen Winkel und ein Drehmoment des Lenksystems gleichzeitig mit Eingaben von einem Fahrer oder von einem anderen semiautonomen oder autonomen System steuern kann. Bei einer anderen Ausführungsform können die Aktuatoren zum Steuern der Lenkung durch eine aktive Vorderachslenkung (AFS) verwendet werden, ein System, das ein Verhältnis der Lenkradwinkeländerung zu einer Änderung des Lenkwinkels der Vorderräder variiert. Bei einer solchen Ausführungsform kann die AFS als ein Aktuator wirken und das Verhältnis basierend auf den Eingaben von einem Fahrer oder basierend auf einem anderen semiautonomen oder autonomen System modulieren. Bei einem anderen Beispiel kann eine aktive Hinterachslenkung als ein Aktuator zum Steuern der Hinterachslenkung verwendet werden. Für Bremssysteme sind elektronische Stabilitätskontrollsysteme (ESC-Systeme) und Antiblockiersysteme solche Systeme, die eine Bremsbetätigung basierend auf Eingaben modulieren. Fahrzeugsteuereingaben können verwendet werden, um den Betrieb der ESC- oder Antiblockiersysteme zu verändern, um die Aktuatorsteuerung des Bremsens zu beeinflussen. Die ESC-Systeme, Antiblockiersysteme und andere Bremssteuersysteme können hydraulische Aktuatoren mit Pumpen und Ventilen, Druck erzeugende Systeme, Elektromotoren oder elektrische Zangen verwenden, um die Aktuatorsteuerung des Bremsens zu beeinflussen. Aktuatoren, die zum Steuern eines Aufhängungssystems verwendet werden, können ein aktives Aufhängungssystem oder ein Rollwinkel-Steuersystem verwenden und diese Steuerung basierend auf Eingaben von einem Fahrer oder von einem anderen semiautonomen oder autonomen System modifizieren. Aktuatoren, die zum Steuern einer Ausgabe des Antriebsstrangs verwendet werden, können eine Drehmomentsteuerung der Brennkraftmaschine/des Motors und Kupplungen oder ein Torque-Vectoring für die Achsen umfassen. Die Aktuatoren, welche die beschriebenen Fahrzeugsysteme oder Untersysteme steuern, oder andere nicht genannte Systeme oder Untersysteme können viele Formen annehmen und eine Steuerung über das Fahrzeugsystem oder Untersystem basierend auf einer Eingabe von einem Fahrer oder von einem anderen semiautonomen oder autonomen System ermöglichen. Die Offenbarung soll nicht auf die speziellen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, die hierin beschrieben sind.
Bestimmte Verfahren zum Implementieren einer Fahrzeugsteuerung können auf einzelne Fahrzeugsysteme fokussiert sein. Beispielsweise kann ein Lenksteuermodul ein Verfahren umfassen, um die Fahrzeugdynamik zu überwachen und die Lenksteuerung basierend auf überwachten oder vorausgesagten Kräften und Momenten zu modifizieren, die auf das Fahrzeug wirken. In demselben Fahrzeug kann ein Aufhängungssteuermodul ein Verfahren umfassen, um die Fahrzeugdynamik zu überwachen und die Aufhängungssteuerung basierend auf überwachten oder vorausgesagten Kräften und Momenten zu modifizieren, die auf das Fahrzeug wirken. Solche nicht abgestimmte Fahrzeugsteuerverfahren, die auf das Untersystem und nicht auf die Integration der Untersysteme zum Erreichen einer maximal verfügbaren Funktionalität des Fahrzeugs fokussiert sind, können jedoch ineffektiv sein, gegeneinander arbeiten oder dazu neigen, nur in einem grenznahen oder in einem nichtlinearen Reifenbetriebsbereich zu arbeiten, wobei die Stabilität des Fahrzeugs bereits eingeschränkt ist. Beispielsweise kann eine Fahrzeugsteuerung, die auf den speziellen Fahrzeugsystemen basiert, rückkopplungsbasiert sein und erfordern, dass eine Sensoreingabe angibt, dass das Fahrzeugsystem aus einem normalen Betriebsbereich herausgelaufen ist, bevor eine korrigierende Steuerung angewendet wird. Ferner ist einzusehen, dass ein Integrieren verschiedener unabhängiger Steuerverfahren in einem Fahrzeug eine intensive und zeitaufwendige Arbitrierung zwischen den verschiedenen Steuerverfahren umfassen kann.
Das US-Patent 7,472,006 , das dem gleichen Rechtsinhaber gehört wie die vorliegende Anmeldung und den Titel trägt ”Vehicle Dynamics Control Structure”, beschreibt ein Verfahren zum implementieren einer Fahrzeugsteuerung basierend auf dem Abstimmen einzelner Fahrzeugsysteme und ist hierdurch durch Bezugnahme eingeschlossen.
2 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Abstimmen von Fahrzeugsteuerverfahren für verschiedene Fahrzeug-Untersysteme schematisch dar. Die Fahrzeugdynamik oder Fahrzeugkinematik beschreibt den Betrieb eines Fahrzeugs auf einer Straße. Eine gewünschte Fahrzeugdynamik oder gewünschte Fahrzeugkinematik beschreibt einen gewünschten Betrieb des Fahrzeugs in Ansprechen auf eine Steuereingabe, beispielsweise bei einem Kurvenfahrmanöver entsprechend einem Lenkradwinkel oder bei einer Verlangsamung des Fahrzeugs in Ansprechen auf eine Bremseingabe. Das Verfahren 100 umfasst, dass ein Befehlsintegrationsmodul 110 manuelle Fahreingaben 112 und/oder sensorgeführte autonome Fahreingaben 114 überwacht, und es erzeugt eine gewünschte Fahrzeugdynamik/-kinematik 122, die einen Fahrzeugbetrieb beschreibt, der durch den Fahrer oder ein autonomes Merkmal des Fahrzeugs gewünscht ist. Ein Fahrzeugdynamikmodul 120 erhält die gewünschte Fahrzeugdynamik/-kinematik 122 als Eingabe und erzeugt eine gewünschte Fahrzeugkraft und ein gewünschtes Fahrzeugmoment 132, die beispielsweise Kräfte und ein Moment beschreiben, die auf den Schwerpunkt des Fahrzeugs wirken, und eine resultierende Fahrzeugdynamik/-kinematik 124. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 2 überwacht das Befehlsintegrationsmodul 110 zusätzlich die resultierende Fahrzeugdynamik/-kinematik 124, und es kann dieses Signal verwenden, um eine Rückkopplung für das Signal der gewünschten Fahrzeugdynamik/-kinematik 122 zu liefern. Ein Steuermodul 130 zur Aktuatorüberwachung erhält die gewünschte Fahrzeugkraft und das gewünschte Fahrzeugmoment 132 als Eingabe und erzeugt Steuerbefehle 142, 147 und 152 für entsprechende Aktuatormodule 140, 145 und 150, die Steuerbefehle an unterschiedliche Systeme in dem Fahrzeug liefern, wie vorstehend beschrieben ist. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel kann das Aktuatormodul 140 ein Modul umfassen, das Befehle an Lenksystem Bremsen liefert, das Aktuatormodul 145 kann ein Modul umfassen, das Befehle an ein Aufhängungssystem liefert, und das Modul 150 kann ein Modul umfassen, das Befehle an ein Bremssystem liefert.
Das Verfahren 100 sorgt für eine integrierte Steuerung verschiedener Fahrzeugsysteme zur Fahrzeugsteuerung. Das Steuermodul 130 zur Aktuatorüberwachung wendet die Verfahren und programmierte Antworten auf die gewünschte Fahrzeugkraft und das gewünschte Fahrzeugmoment 132 auf die verschiedenen Fahrzeugsysteme an, die durch die Module 140, 145 und 150 gesteuert werden. Diese Verfahren und programmierten Antworten sind jedoch merkmalsbasierte Antworten, beispielsweise wird ein gewünschtes Moment identifiziert und es wird eine Antwort erzeugt, die eine Modifikation eines Lenkwinkels umfasst. Eine solche Antwort ist weiterhin eine isolierte Funktion für dieses Fahrzeugsystem.
Ein Steuerverfahren für eine Eckendynamik wird auf ein Fahrzeugsteuerverfahren angewendet und ermittelt eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung für jedes Rad des Fahrzeugs. Indem eine gewünschte Fahrzeugkraft und ein gewünschtes Fahrzeugmoment als eine gewünschte Eckenkraft und ein gewünschtes Eckenmoment auf jede der Ecken des Fahrzeugs verteilt werden, kann ein Ansprechen der verschiedenen Systeme, die eine spezielle Ecke beeinflussen, selektiv basierend auf der gewünschten Kraft und dem gewünschten Moment für diese Ecke erzeugt werden. Ein solches Verfahren implementiert eine Fahrzeugsteuerung als eine Nettowirkung aller gesteuerten Fahrzeugsysteme, anstatt dass das einzelne System stückweise gesteuert wird. Indem die gewünschte Kraft und das gewünschte Moment auf die vier Ecken des Fahrzeugs verteilt werden, können Echtzeit-Eckenbeschränkungen oder Beschränkungen, die eine Fähigkeit jeder Ecke beschreiben, zur Fahrzeugsteuerung beizutragen, als ein Teil der Verteilung angewendet werden und sicherstellen, dass sich die gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung innerhalb eines gewünschten Bereichs für jede Ecke und nicht in einem Zustand in der Nähe einer Grenze befindet. Auf diese Weise kann eine Integration verschiedener Fahrzeugsysteme basierend auf dem Ansprechen des Fahrzeugs auf die Gesamtheit der Systeme, die gesteuert werden, erreicht werden. Indem die Steuerung basierend auf den gewünschten Kräften und gewünschten Momenten vereinheitlicht wird, die auf das Fahrzeug wirken, können die Steuerparameter standardisiert werden oder für die Fahrzeugausbildung und für Fahrervorlieben anpassbar sein.
3 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes Verfahren zum Abstimmen von Fahrzeugsteuerverfahren schematisch dar, indem eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung ermittelt wird. Ein Verfahren 170 umfasst, dass das Befehlsintegrationsmodul 110 Fahrzeugbefehlseingaben 172 überwacht und eine gewünschte Fahrzeugdynamik/-kinematik 122 erzeugt. Ein Eckenkraft-Verteilungsmodul 180 ist dargestellt, und es erhält als Eingabe die gewünschte Fahrzeugdynamik/-kinematik 122, es wendet die hierin beschriebenen Verfahren an und gibt eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung 232 aus. Das Modul 230 zur Aktuatorüberwachung erhält die gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung 232 als Eingabe und gibt Aktuatorbefehle 142, 147 und 152 an die verschiedenen Fahrzeugsysteme aus, um die Fahrzeugsteuerung durchzuführen.
4 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes Verfahren zum Abstimmen von Fahrzeugsteuerverfahren in speziellerem Detail schematisch dar, indem eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung ermittelt wird. Das Verfahren 200 umfasst, dass das Befehlsintegrationsmodul 110 die manuellen Fahreingaben 112 und/oder die sensorgeführten autonomen Fahreingaben 114 überwacht, und es erzeugt eine gewünschte Fahrzeugdynamik/-kinematik 122, die den Fahrzeugbetrieb, der durch den Fahrer des Fahrzeugs gewünscht wird, oder eine gewünschte Längskraft, eine gewünschte Seitenkraft und ein gewünschtes Giermoment beschreibt. Dieser Fahrzeugbetrieb, der durch den Fahrer gewünscht wird und manuelle und automatische Eingaben umfasst, die als gewünschte Fahrzeugdynamik/-kinematik synthetisiert werden, kann als ein Gesamt-Fahrzeugsteuerbefehl beschrieben werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform verwendet das Befehlsintegrationsmodul 110 ein inverses Fahrzeugdynamikmodell. Zusätzlich kann das Befehlsintegrationsmodul 110 die resultierende Fahrzeugdynamik/-kinematik 124 überwachen, wie vorstehend beschrieben ist. Eine solche resultierende Fahrzeugdynamik oder -kinematik kann durch Sensor- oder Messsysteme entwickelt werden, indem beispielsweise eine Gierrate, eine Querbeschleunigung, eine Längsbeschleunigung, Raddrehzahlen, ein geschätzter Reifenschlupf, geschätzte Kräfte und/oder eine geschätzte Reibung zwischen den Rädern und der Straßenoberfläche überwacht werden. Das Eckenkraft-Verteilungsmodul 180 ist dargestellt, das ein Fahrzeugdynamikmodul 210, ein Steuermodul 220 für die Eckendynamik und ein Modul 225 für Echtzeitbeschränkungen umfasst. Das Fahrzeugdynamikmodul 210 erhält als Eingabe die gewünschte Fahrzeugdynamik/-kinematik 122 und erzeugt die gewünschte Fahrzeugkraft und das gewünschte Fahrzeugmoment 132 sowie die resultierende Fahrzeugdynamik/-kinematik 124. Es ist ein Steuermodul 220 für die Eckendynamik dargestellt, das die gewünschte Fahrzeugkraft und das gewünschte Fahrzeugmoment 132 überwacht. Das Steuermodul 220 für die Eckendynamik überwacht ferner eckenbasierte Echtzeiteinschränkungen 227 von dem Modul 225 für die Echtzeitbeschränkungen. Gemäß dem beispielhaften Betrieb minimiert das Modul 220 eine Differenz zwischen gewünschten und tatsächlichen Fahrzeugkräften und -momenten, es minimiert einen Steueraufwand, und es minimiert ein Auftreten einer Radinstabilität, wie beispielsweise einen Schlupf durch übermäßiges Bremsen oder einen Traktionsschlupf. Die Optimierung ist durch die Echtzeitbeschränkungen begrenzt, die beispielsweise Aktuatorgrenzen, Daten bezüglich Aktuatoranomalien und Daten bezüglich Energiemanagementanforderungen liefern. Beispielhafte eckenbasierte Echtzeitbeschränkungen 227 umfassen einen Eckenzustand und eine Eckenkapazität. Die Ermittlung des Eckenzustands oder einer Eckenkapazität kann eine Fähigkeit oder eine Kapazität eines Aktuators oder von Aktuatoren umfassen, die gewünschte Kraft an einer speziellen Ecke zu erzeugen. Beispielsweise kann ein Eckenzustand bezogen auf einen Radnabenmotor eine fehlende Fähigkeit zum Erreichen einer gewünschten Eckenkraft beschreiben. Wenn der Aktuator ausfällt, ist es nicht möglich, die angeforderte Steuermaßnahme für diese Ecke anzuwenden, und eine Ermittlung des Eckenzustands kann den Aktuator als nicht funktionsfähig beschreiben. Eine Ermittlung der Eckenkapazität kann eine Fähigkeit des Aktuators bzw. der Aktuatoren beschreiben, die erforderliche Eckenkraft zu erreichen, beispielsweise basierend darauf, dass ein Aktuator eine Aufwärmungsgrenze erreicht und dies zu einer begrenzten Steuermaßnahme führt. Das Steuermodul 220 für die Eckendynamik kann ferner einen resultierenden Reifenschlupf/Schlupfwinkel 234 und eine resultierende Eckenkraft sowie ein resultierendes Eckenmoment 236 überwachen. Basierend auf den überwachten Eingaben erzeugt das Steuermodul 220 für die Eckendynamik die gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung 232. Ferner kann das Steuermodul 220 für die Eckendynamik eine resultierende Fahrzeugkraft und ein resultierendes Fahrzeugmoment 222 erzeugen, die als eine Rückkopplung durch das Fahrzeugdynamikmodul 210 verwendet werden können. Auf diese Weise können eine gewünschte Fahrzeugkraft und ein gewünschtes Fahrzeugmoment verwendet werden, um eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung zur Verwendung in einer Fahrzeugsteuerung zu entwickeln.
Die Fahrzeugsteuerung kann eine Anzahl von Ausführungsformen annehmen. Wie in Verbindung mit 2 beschrieben ist, kann die Fahrzeugsteuerung Befehle umfassen, die eine Gruppe von Aktuatoren anweisen, ein Fahrzeug-Untersystem oder eine Gruppe von Fahrzeug-Untersystemen zu steuern. Die Steuerung solcher Aktuatoren kann eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung implementieren, wie sie gemäß 3 entwickelt wurde. Eine Anzahl von Untersystem-Steuerverfahren ist in der Technik bekannt, und die Offenbarung soll nicht auf die speziellen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, die hierin beschrieben sind.
5 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Abstimmen einer Fahrzeugsteuerung für verschiedene Fahrzeugsysteme schematisch dar, welches Verfahren eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung verwendet, wie es gemäß 4 dargestellt ist. Ein Verfahren 250 umfasst, dass ein Steuermodul 230 zur Aktuatorüberwachung die gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung 232 überwacht und Steuerbefehle 142, 147 und 152 für die entsprechenden Aktuatormodule 140, 145 und 150 erzeugt, die Steuerbefehle für die verschiedenen Untersysteme in dem Fahrzeug liefern, wie vorstehend beschrieben ist. Das Steuermodul 230 zur Aktuatorüberwachung kann ferner zusätzliche Echtzeitbeschränkungen 237 von einem Modul 235 für Echtzeitbeschränkungen überwachen, indem beispielsweise Informationen über Energiekapazitäts- und Aktuatorgrenzen auf die Erzeugung von Steuerbefehlen angewendet werden. Das Steuermodul 230 zur Aktuatorüberwachung kann ferner einen resultierenden Radschlupf/Schlupfwinkel 234 und eine resultierende Eckenkraft sowie ein resultierendes Eckenmoment 236 als eine Rückkopplung für das Steuermodul 220 für die Eckendynamik erzeugen.
6 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung einen beispielhaften Betrieb eines Steuermoduls für die Eckendynamik in größerem Detail dar. Das Steuermodul 220 für die Eckendynamik ist dargestellt und umfasst ein Modul 310 zur Bewertung der Eckenkapazität, ein Modul 320 zur Integration von Systembeschränkungen und ein Modul 330 für eine Eckenkraftverteilung. Das Modul 310 zur Bewertung der Eckenkapazität überwacht bei dieser beispielhaften Ausführungsform die eckenbasierten Echtzeitbeschränkungen, die den Eckenzustand 312 und die Eckenkapazität 314 umfassen. Der Eckenzustand 312 und die Eckenkapazität 314, die als Eingaben verwendet werden, können verwendet werden, um zu beschreiben, wie viel Kraft und Moment eine spezielle Ecke unter den gegenwärtigen Bedingungen wünschenswerter Weise behandeln kann. Das Modul 320 zur Integration der Systembeschränkungen überwacht diese Bewertung der Eckenkapazität von dem Modul 310 und ermittelt, wie die einzelnen Ecken, wenn sie beschränkt und begrenzt sind, zu der Fahrzeugsteuerung betragen können. Das Modul 320 gibt die beschränkten Eckenparameter an das Modul 330 für die Eckenkraftverteilung aus. Das Modul 330 für die Eckenkraftverteilung erhält die Ausgabe des Moduls 320 und die gewünschte Fahrzeugkraft und das gewünschte Fahrzeugmoment 132 als Eingabe, und es verteilt die Kraft und das Moment als eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung 232 auf die verschiedenen Räder.
7 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung einen beispielhaften Betrieb eines Steuermoduls zur Aktuatorüberwachung in größerem Detail schematisch dar. Das Steuermodul 230 zur Aktuatorüberwachung ist dargestellt und umfasst ein Modul 350 zur Bewertung einer Energiekapazität, ein Modul 355 zur Bewertung von Aktuatoren, ein Modul 360 zur Integration von Systembeschränkungen und ein Modul 370 für eine optimierte Zuordnung der Aktuatorsteuerung. Das Modul 350 zur Bewertung der Energiekapazität überwacht bei dieser beispielhaften Ausführungsform Echtzeitbeschränkungen, die eine Energiekapazitätsinformation 352 bezogen auf eine gewünschte Leistung umfassen, die von einer Leistungszufuhr benötigt wird, beispielsweise von einer Brennkraftmaschine, einer Brennstoffzelle oder einer Batterie, wobei die gewünschten Traktionskräfte berücksichtigt werden. Indem die Energiekapazitätsinformation 352 überwacht wird, kann eine Auswahl einer Leistungsquelle und die Anwendung dieser Quelle basierend auf der Verfügbarkeit der Leistung in Echtzeit durchgeführt werden. Das Modul 355 zur Bewertung der Aktuatoren überwacht bei dieser beispielhaften Ausführungsform Echtzeitbeschränkungen, die Aktuatorgrenzen/Aktuatorzustände 357 umfassen. Die Aktuatorgrenzen oder Aktuatorzustände können beispielsweise eine Verringerung der Aktuatorkapazität aufgrund einer Schwankung der Temperatur oder aufgrund eines speziellen Fahrzeugzustands umfassen. Die Energiekapazitätsinformation 352 und die Aktuatorgrenzen/Aktuatorzustände 357 können als Eingaben verwendet werden, um zu beschreiben, wie viel Kraft und Moment eine spezielle Ecke unter den gegenwärtigen Bedingungen wünschenswerter Weise behandeln kann. Das Modul 360 zur Integration von Systembeschränkungen verwendet die Eingaben, um zu ermitteln, wie die einzelnen Aktuatoren zu der Eckensteuerung betragen können, und es gibt Parameter, welche die Grenzen für die Eckenaktuatoren beschreiben (das maximale Drehmoment, die Aktuatorbandbreite, usw.), an das Modul 370 zur optimierten Aktuatorsteuerung aus. Das Modul 370 für die optimierte Zuordnung der Aktuatorsteuerung erhält die Ausgabe des Moduls 360 und die gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung 232 als Eingabe, und es erzeugt Steuerbefehle für die relevanten Aktuatoren, bei diesem Beispiel die Befehle 142, 147 und 152.
Aktuatoranomalien können die Fähigkeit eines Fahrzeugsteuersystems verringern, auf den Fahrzeugbetrieb zu reagieren. Wenn beispielsweise ein Aktuator nicht funktioniert oder nicht auf Befehle reagiert, die durch das Fahrzeugsteuersystem erzeugt werden, können die Vorteile des Fahrzeugsteuersystems negiert werden, oder es können nachteilige Wirkungen auf die Fahrbarkeit auftreten. Basierend auf einem System, das ein Steuermodul für die Eckendynamik verwendet, wie es hierin beschrieben ist, das die Aktuatorfunktion überwacht und ermittelt, dass ein Aktuator nicht funktioniert, kann die Verteilung der Kraft und des Moments auf die verschiedenen Ecken angepasst werden, um die bekannte Aktuatoranomalie zu kompensieren.
Die vorstehenden Verfahren beschreiben Verfahren zur Fahrzeugsteuerung, die für Fahrzeugsteuersysteme verwendet werden können. Die Fahrzeugsysteme können viele Ausführungsformen annehmen. Beispielsweise ist in 1 ein Antriebsstrang dargestellt, der eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor aufweist. Es kann eine Anzahl von verschiedenen Ausführungsformen eines Antriebsstrangs verwendet werden. Beispielsweise kann ein Antriebsstrang eine einzelne Drehmoment erzeugende Einrichtung, die beispielsweise einen Motor oder eine Brennkraftmaschine umfasst, oder zwei Drehmoment erzeugende Einrichtung aufweisen, wie beispielsweise zwei Motoren oder einen Motor, die von einer Energiespeichereinrichtung oder angetrieben wird, und eine mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle angetriebene Einrichtung. Bei einem anderen Beispiel kann ein Antriebsstrang separate Motoren oder Radnabenmotoren aufweisen, die jedes Rad des Fahrzeugs antreiben. Bei einem solchen Fahrzeug können die hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden, um verschiedene Drehmomentbefehle für jedes der Räder zu liefern. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann ein Antriebsstrang einen selektiven Allradantrieb, eine Traktionssteuerung, eine Kontrolle der Horizontalstabilität oder andere Systeme aufweisen, welche die Leistung für die verschiedenen Räder des Fahrzeugs modulieren. Solche Systeme und die Modulation der Leistung für die verschiedenen Räder können durch die ermittelte gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung in die hierin beschriebenen Verfahren eingebunden werden. Das Bremsen kann auf ähnliche Weise eine Anzahl von Ausführungsformen und eine selektive Aktivierung von Systemen umfassen. Beispielsweise kann ein Fahrzeug ein regeneratives Bremsen an den Rädern umfassen, oder es kann typische Bremsen an den Rädern aufweisen und ein selektives Motorbremsen umfassen, das beispielsweise in der Lage ist, durch das Motorbremsen Energie für eine Energiespeichereinrichtung zurückzugewinnen. Das selektive Bremsen auf einer Seite eines Fahrzeugs oder ein stärkeres Bremsen auf einer Seite eines Fahrzeugs kann dabei helfen, eine gewünschte Eckenkraft- oder Eckenmomentverteilung zu erzeugen. Die selektive Aktivierung oder Modulation der Eigenschaften eines Antiblockiersystems an verschiedenen Rädern kann verwendet werden, um eine gewünschte Eckenkraft- oder Eckenmomentverteilung zu erzeugen. Fahrzeuglenksysteme können eine Anzahl von Ausführungsformen annehmen, die eine Vorderradlenkung, eine Hinterradlenkung und eine Vierradlenkung gemäß den in der Technik bekannten Verfahren umfassen. Eine Anzahl von verschiedenen Fahrzeugausbildungen und Systemkombinationen werden in Erwägung gezogen, und die Offenbarung soll nicht auf die speziellen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, die hierin beschrieben sind.
Die vorstehenden Ausführungsformen des Fahrzeugsteuerverfahrens behandeln die Fahrzeugkräfte und -momente hauptsächlich derart, dass sie in einer zweidimensionalen Ebene in der Nähe oder unmittelbar in der horizontalen Bodenebene existieren. Es ist jedoch einzusehen, dass eine dritte Dimension in den Fahrzeugsteuerverfahren verwendet werden kann. Es ist einzusehen, dass durch Hinzufügen von ähnlichen Modulen und Beschränkungen in einer dritten Dimension Fahrzeugsteuerverfahren beschrieben werden können, die drei Dimensionen der Steuerung aufweisen und beispielsweise einen Vorwärts- und Rückwärts-Rollwinkel der Fahrzeugkarosserie bezogen auf das Chassis des Fahrzeugs und eine entsprechende Eckenkraft und entsprechende Eckenmoment umfassen, um die Steuerung des Fahrzeugs aufrecht zu erhalten. Ein Rollwinkel-Steuersystem ist bekannt, um die Dynamik einer Fahrzeugkarosserie bezogen auf ein Fahrzeugchassis zu steuern. Eine solche Steuerung kann entweder auf Informationen in drei Dimensionen basieren, oder sie kann auf Informationen in zwei Dimensionen basieren und eine Auswirkung dieser zweidimensionalen Daten auf den Rollwinkel schätzen.
Die vorstehenden Verfahren beschreiben, dass eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung zum Steuern eines Fahrzeugs verwendet wird. Solche Verfahren können durch eine Anzahl von unterschiedlichen physikalischen Ausbindungen oder Vorrichtungen ausgeführt werden. Eine beispielhafte Vorrichtung zum Ausführen der vorstehenden Verfahren umfasst ein Befehlsintegrationsmodul, das einen Gesamt-Fahrzeugsteuerbefehl ermittelt. Die beispielhafte Vorrichtung umfasst ferner ein Fahrzeugdynamik-Steuermodul, das den Gesamt-Fahrzeugsteuerbefehl überwacht und eine gewünschte Fahrzeugkraft sowie ein gewünschtes Fahrzeugmoment basierend auf dem Gesamt-Fahrzeugsteuerbefehl ermittelt. Die beispielhafte Vorrichtung umfasst ferner ein Eckendynamik-Steuermodul, das die gewünschte Fahrzeugkraft und das gewünschte Fahrzeugmoment überwacht, Echtzeit-Eckenbeschränkungen überwacht und eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung basierend auf der gewünschten Fahrzeugkraft und dem gewünschten Fahrzeugmoment sowie basierend auf den Echtzeit-Eckenbeschränkungen ermittelt. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Fahrzeugsystem, das die Fahrzeugsteuerung basierend auf der gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung implementiert.
Fahrzeugsteuerverfahren, die auf einer gewünschten Kraft und einem gewünschten Moment basieren, die auf den Schwerpunkt des Fahrzeugs wirken, können Steuerketten-Tabellennachschlagewerte umfassen, die beispielsweise durch eine intensive Abstimmung für verschiedene Fahrbedingungen oder durch iterative Berechnungen, wie beispielsweise Verfahren der kleinsten Quadrate, kalibriert werden, um eine optimale Leistung zu erreichen, wobei jedes die Fahrzeugsysteme basierend auf der gewünschte Kraft und dem gewünschten Moment einzeln steuert. Diese Verfahren, die kalibrierte Antworten für die verschiedenen Fahrzeugsysteme auf die gewünschte Kraft- und Momenteingabe umfassen, reagieren jedoch basierend auf dem Verhalten dieses speziellen Systems oder dieser speziellen kalibrierten Antwort. Infolgedessen umfassen solche Antworten optimierte minimale oder maximale Werte für dieses gegebene System, die für dieses System lokal gültig sind. Aus der Sicht des Ansprechens der Fahrzeugsteuerung als ein Ganzes, die umfasst, dass alle Fahrzeugsysteme gesteuert werden, können solche lokale Minimal- oder Maximalwerte für ein spezielles System oder eine spezielle Kalibrierung jedoch von einer optimierten fahrzeugweiten Lösung verschieden sein, die Antworten basierend auf einer gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung umfasst. Ferner können iterative Berechnungen für die Fahrzeugsteuerung eine Verzögerung aufweisen, während die iterativen Berechnungen für eine Lösung aufgelöst werden. Unter dynamischen oder dringenden Fahrbedingungen kann eine solche Verzögerung für Fahrzeugsteuerverfahren unerwünscht sein. Stattdessen kann eine Regelungsberechnung für die Fahrzeugsteuerung bevorzugt sein, wobei eine bestimmende Antwort für einen gegebenen Satz von Eingaben berechnet werden kann.
Die Verfahren der vorliegenden Offenbarung umfassen Regelungsberechnungen basierend auf dem Bestimmen einer Optimallösung für die Dynamik in geschlossener Form, die hilft, eine Iteration zu vermeiden, und die die Notwendigkeit für eine intensive Abstimmung des Controllers verringert. Die Längs- und Querkräfte des Fahrzeugs und das Giermoment an dem Schwerpunkt können basierend auf den Reifenkräften ermittelt werden. Diese Reifenkräfte können als Steuerparameter oder als die Kräfte beschrieben werden, die gesteuert werden können, um die gewünschte Fahrzeugdynamik zu erreichen. Unter Vernachlässigung selbstausrichtender Reifenmomente können die Gleichungen für die Fahrzeugdynamik, welche die Längskraft F_x an dem Fahrzeug, die Querkraft F_y an dem Fahrzeug und das Moment G_z beschreiben, das in einer horizontalen Ebene auf das Fahrzeug wirkt, wie folgt ausgedrückt werden. F_x = F_x(F_x1, F_y1, F_x2, F_y2, F_x3, F_y3, F_x4, F_y4) [1] F_y = F_y(F_x1, F_y1, F_x2, F_y2, F_x3, F_y3, F_x4, F_y4) [2] G_z = G_z(F_x1, F_y1, F_x2, F_y2, F_x3, F_y3, F_x4, F_y4) [3]
Die Indizes geben die Kräfte an, die auf jeden der einzelnen Reifen wirken. Die Gleichungen 1–3, welche die Kräfte, die auf den Schwerpunkt des Fahrzeugs wirken, als eine resultierende derjenigen beschreiben, die von der Straßenoberfläche auf die vier Reifen ausgeübt werden, können in der folgenden linearen Form ausgedrückt werden.
Der Ausdruck A 3×8 / F beschreibt eine Matrix, die von der Fahrzeuggeometrie und den Straßen-Radwinkeln wie folgt abhängt:
Der Term T beschreibt eine Spurweite oder eine Weite, die durch den Abstand zwischen den Mittelachsen der Reifen auf einer linken und einer rechten Seite des Fahrzeugs auf dem Bodenniveau definiert ist. Der Term δ_i beschreibt den Lenkwinkel für jedes der Räder. Die Terme a und b repräsentieren die Abstände zwischen dem Schwerpunkt und der Vorder- bzw. der Hinterachse.
Gleichung 4 beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln einer Beziehung zwischen Kräften und Momenten, die auf das Fahrzeug wirken und die auf jede der Ecken oder jedes der Räder des Fahrzeugs wirken. Es ist jedoch einzusehen, dass dann, wenn verschiedene Annahmen bezüglich des Fahrzeugs getroffen werden, einige der Terme von Gleichung 4 herausfallen. Basierend auf der aktiven Lenkung (der aktiven Vorderachslenkung, der aktiven Hinterachslenkung oder auf beidem), die an einem Fahrzeug vorhanden ist, reduzieren sich beispielsweise für ein Fahrzeug, das nur mit einer aktiven Vorderachslenkung und Vierradtraktion oder Vierradbremsen ausgestattet ist, die verfügbaren Steuerparameter oder die Kräfte, die zum Erreichen der gewünschten Fahrzeugdynamik gesteuert werden können, auf sechs, wodurch eine Vereinfachung der Lösung für die Dynamik in geschlossener Form möglich ist, die ermittelt werden soll. Die Gleichungen 1–3 können für ein solches Fahrzeug durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden: F_x = F_x(F_x1, F_y1, F_x2, F_y2, F_x3, F_x4) [6] F_y = F_y(F_x1, F_y1, F_x2, F_y2, F_x3, F_x4) [7] G_z = G_z(F_x1, F_y1, F_x2, F_y2, F_x3, F_x4) [8]
Die allgemeinen Beziehungen der Gleichungen 6–8 liefern einen Übergang von den Reifenkräften zu den resultierenden Kräften, die auf den Schwerpunkt des Fahrzeugs ausgeübt werden. Gemäß den linearen Prinzipien der Kräftesummation können die Gleichungen 6–8 in der folgenden Matrixform dargestellt werden.
Gemäß einem anderen Beispiel für Fahrzeuge, die nur mit einer aktiven Vorderachslenkung und einer Vierradtraktion oder einem Vierradbremsen ausgestattet sind, reduzieren sich die verfügbaren Steuerparameter auf sechs, was durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden kann. F_x = F_x(F_x1, F_x2, F_x3, F_y3, F_x4, F_y4) [10] F_y = F_y(F_x1, F_x2, F_x3, F_y3, F_x4, F_y4) [11] G_z = G_z(F_x1, F_x2, F_x3, F_y3, F_x4, F_y4) [12]
Die entsprechende Matrixform der allgemeinen Gleichungen 10–12 kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden.
Während Gleichung 9 die Reifen-Querkräfte an den Vorderrädern umfasst, umfasst Gleichung 13 die Reifen-Querkräfte an den Hinterrädern.
Auf ähnliche Weise werden die Gleichungen für die Fahrzeugdynamik weiter vereinfacht, wenn einige andere Steuerparameter aus dem System entfernt werden. Für Fahrzeuge, die nur mit einer Vierradtraktion oder einem Vierradbremsen ausgestattet sind, reduzieren sich die verfügbaren Steuerparameter auf vier, wobei selbst ausrichtende Reifenmomente ignoriert werden. Für ein solches Fahrzeug können die Steuerparameter wie folgt ausgedrückt werden. F_x = F_x(F_x1, F_x2, F_x3, F_x4) [14] F_y = F_y(F_x1, F_x2, F_x3, F_x4) [15] G_z = G_z(F_x1, F_x2, F_x3, F_x4) [16]
Die Kinematikbeziehungen zwischen den Kräften, die auf den Schwerpunkt des Fahrzeugs wirken und denjenigen, die auf die vier Reifen wirken, können durch die folgende Gleichung beschrieben werden.
Die lineare Form der Gleichungen für die Fahrzeugdynamik bezogen auf die Eckenkräfte ermöglicht die Verwendung einer beispielhaften Standard-Optimierungsmethodik wie folgt.
Die Terme f und δf beschreiben Vektoren der Reifenkräfte bzw. Steueranpassungen für die Eckenkräfte. Die Terme F * / x, F * / y und G * / z beschreiben eine Ziel- oder gewünschte Längskraft, Querkraft bzw. das Rotationsmoment, die durch die Interpretiereinrichtung für den Fahrerbefehl ermittelt werden. Die Optimierung der Fahrzeugdynamik kann ausgeführt werden, indem ein Abweichungsvektor E minimiert wird. Der Abweichungsvektor wird in Gleichung 18 wie folgt eingeführt.
Auf ähnliche Weise kann eine Reifenkräfte-Schwerpunktkräfte-Übergangsmatrix A_F wie folgt beschrieben werden.
Gleichung 18 liefert daher die folgende Gleichung.
Die Terme (E – A_Fδf) können gemeinsam als eine Regelungs-Nachverfolgungsabweichung beschrieben werden. Der Terme δf ist die Schwankung der Reifenkraft, die ermittelt werden soll. Der folgende Ausdruck beschreibt eine physikalische Reibungsellipsenbeschränkung für die Reifenkraftverteilung aufgrund der Reifeneigenschaften.
F_xi,max und F_yi,max beschreiben die maximalen Kräfte, die durch die Reifen in Längs- bzw. Querrichtung ausgeübt werden können, und sie können wie folgt beschrieben werden. F_xi,max = μ_xF_zi [23] F_yi,max = μ_yF_zi [24]
Die Gleichungen 21 und 22 können zusammen verwendet werden, um die Eckenkraftverteilung zu optimieren, indem die folgende Aufwandsfunktion minimiert wird. P = 1 / 2(E – A_F·δf)^TW_E(E – A_F·δf) + 1 / 2δf^TW_dfδf + 1 / 2(f + δf)^TW_f(f + δf) [25]
Von den Komponenten der Gleichung 25 beschreibt der folgende Ausdruck eine Abweichungskomponente einer Kraft am Schwerpunkt oder einen Abweichungsausdruck, der minimiert werden soll, oder eine minimierte Abweichungskomponente der Kraft am Schwerpunkt. 1 / 2(E – A_F·δf)^TW_E(E – A_F·δf) [26]
Von den Komponenten der Gleichung 25 beschreibt der folgende Ausdruck eine Beschränkung für die Reifenkraft-Steuerschwankung oder eine Steuerungs-Energiekomponente, die minimiert werden soll, oder eine minimierte Steuerungs-Energiekomponente wie folgt. 1 / 2δf^TW_dfδf [27]
Von den Komponenten der Gleichung 25 beschreibt der folgende Ausdruck eine schnell anwachsende Reifenkraft in der Nähe der Reibungsellipse eines beliebigen Reifens oder einen Ausdruck, der eine Reifenkraft-Reservekomponente beschreibt, die maximiert werden soll, oder eine maximierte Reifenkraft-Reservekomponente. 1 / 2(f + δf)^TW_f(f + δf) [28]
Um die Anzahl von Parametern zu minimieren, können alle Gewichtungsmatrizen in der Diagonalform ausgedrückt werden wie folgt.
W_f = diag[w(ρ 2 / 01), w(ρ 2 / 01), ..., w(ρ 2 / 04), w(ρ 2 / 04)] [30] W_E = diag[W_Fx, W_Fy, W_Gz] [31] W_df = diag[W_δFx1, W_δFy1, ..., W_δFx4, W_δFy4] [32]
Es ist entscheidend, dass die Gleichung 29 im Vergleich zu Gleichung 22 keine Reifenkraft-Steuerschwankungen aufweist. Infolgedessen weist die Aufwandsfunktion von Gleichung 25 bezogen auf die Reifenkraft-Steueranpassungen eine quadratische Form auf. Unter Verwendung von Gleichung 25 und unter der Annahme, dass eine notwendige Bedingung zum Bestimmen eines Minimums dP / dδf = 0 ist, wird eine Lösung in geschlossener Form zum Ermitteln einer optimierten Reifenkraftverteilung oder eine Berechnung der Echtzeit-Dynamikoptimierung in geschlossener Form in der Form wie folgt erhalten. δf = [W_f + W_df + (A T / FW_E)A_F]^–1[A T / F(W_EE) – W_ff] det[W_f + W_df + (A T / FW_E)A_F] ≠ 0 [33]
Auf diese Weise kann ein System, welches das beispielhafte Steuermodul 220 für die Eckendynamik umfasst, das beispielhafte Signal für die gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung 232 erzeugen, die vorstehend beschrieben ist, das anschließend bei der Fahrzeugsteuerung verwendet werden kann, wie vorstehend beschrieben ist.
Die vorstehenden Verfahren beschreiben Verfahren der Fahrzeugsteuerung, die zum Steuern von Fahrzeugsystemen verwendet werden können. Die Fahrzeugsysteme können viele Ausführungsformen annehmen. Beispielsweise ist in 1 ein Antriebsstrang dargestellt, der eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor umfasst. Es kann eine Anzahl von verschiedenen Ausführungsformen eines Antriebsstrangs verwendet werden. Beispielsweise kann ein Antriebsstrang eine einzelne Drehmoment erzeugende Einrichtung, die beispielsweise einen Motor oder eine Brennkraftmaschine umfasst, oder zwei Drehmoment erzeugende Einrichtungen aufweisen, wie beispielsweise zwei Motoren oder einen Motor, der durch eine Energiespeichereinrichtung angetrieben wird, und eine durch eine Wasserstoff-Brennstoffzelle angetriebene Einrichtung. Bei einem anderen Beispiel kann ein Antriebsstrang separate oder Radnabenmotoren umfassen, die jedes Rad des Fahrzeugs antreiben. Bei einem solchen Fahrzeug können die hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden, um unterschiedliche Drehmomentbefehle für jedes der Räder zu liefern. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann ein Antriebsstrang einen selektiven Allradantrieb, eine Traktionssteuerung, eine Kontrolle der Horizontalstabilität oder andere Systeme umfassen, welche die Leistung für die verschiedenen Räder des Fahrzeugs modulieren. Solche Systeme und die Modulation der Leistung an den verschiedenen Rädern können in die hierin beschriebenen Verfahren durch die ermittelte gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung eingebunden werden. Das Bremsen kann auf ähnliche Weise eine Anzahl von Ausführungsformen und eine selektive Aktivierung von Systemen umfassen. Beispielsweise kann ein Fahrzeug ein regeneratives Bremsen an den Rädern aufweisen, oder es kann typische Bremsen an den Rädern und ein selektives Motorbremsen aufweisen, das beispielsweise in der Lage ist, durch das Motorbremsen Energie für eine Energiespeichereinrichtung zurückzugewinnen. Das selektive Bremsen auf einer Seite eines Fahrzeugs oder ein stärkeres Bremsen auf einer Seite eines Fahrzeugs kann dabei helfen, eine gewünschte Eckenkraft- oder Eckenmomentverteilung zu erzeugen. Die selektive Aktivierung oder Modulation der Eigenschaften eines Antiblockiersystems an verschiedenen Rädern kann verwendet werden, um eine gewünschte Eckenkraft- oder Eckenmomentverteilung zu erzeugen. Fahrzeuglenksysteme können eine Anzahl von Ausführungsformen annehmen, die eine Vorderradlenkung, eine Hinterradlenkung und eine Vierradlenkung gemäß den in der Technik bekannten Verfahren umfassen. Eine Anzahl von verschiedenen Fahrzeugausbildungen und Systemkombinationen werden in Erwägung gezogen, und die Offenbarung soll nicht auf die speziellen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, die hierin beschrieben sind.
Die vorstehenden Ausführungsformen des Fahrzeugsteuerverfahrens behandeln die Fahrzeugkräfte und -momente hauptsächlich derart, dass sie in einer zweidimensionalen Ebene in der Nähe oder unmittelbar in der horizontalen Bodenebene existieren. Es ist jedoch einzusehen, dass eine dritte Dimension in den Fahrzeugsteuerverfahren verwendet werden kann. Es ist einzusehen, dass durch Hinzufügen von ähnlichen Modulen und Beschränkungen in einer dritten Dimension Fahrzeugsteuerverfahren beschrieben werden können, die drei Dimensionen der Steuerung aufweisen und beispielsweise einen Vorwärts- und Rückwärts-Rollwinkel der Fahrzeugkarosserie bezogen auf das Chassis des Fahrzeugs und eine entsprechende Eckenkraft und entsprechende Eckenmoment umfassen, um die Steuerung des Fahrzeugs aufrecht zu erhalten.
Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Ausdrücke bedeuten eine beliebige geeignete oder verschiedene Kombinationen eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) oder mehrerer anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise, eines elektronischen Schaltkreises oder mehrerer elektronischer Schaltkreise, einer zentrale Verarbeitungseinheit oder mehrerer zentraler Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise ein Mikroprozessor bzw. Mikroprozessoren) und eines zugeordneten Speichers und einer zugeordneten Archivierung (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Arbeitsspeicher, Festplatte usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eines Schaltkreises der Schaltungslogik oder mehrerer Schaltkreise der Schaltungslogik, einer oder mehrerer Eingabe/Ausgabe-Schaltung(en) und -Einrichtungen, geeigneter Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen sowie anderer geeigneter Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Software-Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die in dem Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen zu schaffen. Die Algorithmen werden vorzugsweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt. Die Algorithmen werden beispielsweise von einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von Detektionseinrichtungen und anderen Steuermodulen im Netzwerk zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktuatoren zu steuern. Die Schleifenzyklen können während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Algorithmen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können Anderen während des Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die spezielle Ausführungsform bzw. die speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Weise offenbart wird bzw. werden, die für die Ausführung dieser Offenbarung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7472006 [0017]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs mit mehreren Rädern, umfassend, dass: eine gewünschte Fahrzeugdynamik überwacht wird; eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung basierend auf der gewünschten Fahrzeugdynamik und einer Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form ermittelt wird; und das Fahrzeug basierend auf der gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung gesteuert wird; wobei die Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form basiert auf: einer minimierten Abweichungskomponente einer Kraft am Schwerpunkt; einer minimierten Steuerungs-Energiekomponente; und einer maximierten Reifenkraft-Reservekomponente.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln der gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung basierend auf der Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form umfasst, dass: eine Aufwandsfunktion als die Summe der minimierten Abweichungskomponente der Kraft am Schwerpunkt, der minimierten Steuerungs-Energiekomponente und der maximierten Reifenkraft-Reservekomponente definiert wird; die Aufwandsfunktion unter der Annahme minimiert wird, dass eine Ableitung der Aufwandsfunktion bezogen auf eine Eckenkraftvariation gleich Null ist, um diese nach der Eckenkraftvariation aufzulösen; und die Eckenkraftvariation verwendet wird, um die gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form ferner auf denjenigen Rädern des Fahrzeugs basiert, die eine aktive Lenkung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form ferner auf denjenigen Rädern des Fahrzeugs basiert, die eine Bremse aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form ferner auf denjenigen Rädern des Fahrzeugs basiert, die eine Traktion aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass eckenbasierte Echtzeitbeschränkungen überwacht werden; und wobei das Ermitteln der gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung ferner auf den eckenbasierten Echtzeitbeschränkungen basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Steuern des Fahrzeugs basierend auf der gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung umfasst, dass Befehle für jedes von mehreren Fahrzeugsystemen basierend auf der gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Erzeugen der Befehle für jedes der mehreren Fahrzeugsysteme ferner auf aktuatorbasierten Beschränkungen in Echtzeit basiert.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die aktuatorbasierten Beschränkungen in Echtzeit Energiekapazitätsbeschränkungen und Aktuatorgrenzenbeschränkungen umfassen.
Vorrichtung zum Steuern eines Fahrzeugs, umfassend: ein Eckenkraft-Verteilungsmodul, das: eine gewünschte Fahrzeugdynamik überwacht; eine gewünschte Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung basierend auf der gewünschten Fahrzeugdynamik und einer Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form ermittelt; und das Fahrzeug basierend auf der gewünschten Eckenkraft- und Eckenmomentverteilung steuert; wobei die Echtzeit-Optimierungslösung für die Dynamik in geschlossener Form basiert auf: einer minimierten Abweichungskomponente einer Kraft am Schwerpunkt; einer minimierten Steuerungs-Energiekomponente; und einer minimierten Reifenkraft-Reservekomponente.