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Die Erfindung ein Verfahren zur Überschlagserkennung eines Fahrzeugs gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein gattungsbildendes Verfahren ist aus der
DE 10 2005 023 183 A1 bekannt. Nach diesem bekannten Verfahren wird mindestens eine fahrdynamische Größe, wie Wankrate, Gierrate, Lateralbeschleunigung, Längsbeschleunigung, Vertikalbeschleunigung, Längsgeschwindigkeit oder Schwimmwinkel ermittelt und ausgewertet, indem basierend auf der mindestens einen ermittelten fahrdynamischen Größe ein aktueller Fahrzeugzustand bestimmt und basierend auf einem vereinfachten physikalischen Bewegungsmodell eine zeitliche Extrapolation des aktuellen Fahrzeugzustands hinsichtlich einer Gierbewegung und/oder einer Wankbewegung durchgeführt wird, wobei ein überschlagkritischer Zustand erkannt wird, wenn die zeitlich extrapolierte Gierbewegung und/oder Wankbewegung mit einer vorgebbaren Wahrscheinlichkeit vorgebbare kritische Schwellwerte überschreiten.
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Zusätzlich können gemäß dieser
DE 10 2005 023 183 A1 für die zeitliche Extrapolation der zukünftigen Gierbewegung und/oder Wankbewegung an einem Extrapolationszeitpunkt ausgehend vom aktuellen Zeitpunkt Modellfunktionen für die Beschleunigung in Richtung der Fahrzeuglängsachse und/oder für die Beschleunigung in lateraler Fahrzeugrichtung und/oder für die Beschleunigung in vertikaler Fahrzeugrichtung berechnet werden. Die Modellfunktionen sollen auf aus der Literatur hinreichend bekannten physikalischen Boden-Rad-Modellen beruhen.
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Bei diesem Verfahren wird zur Prädiktion der Fahrzeugbewegung für eine vorgegebene Zeitdauer von 0,2 s bis 2 s eine zeitkontinuierliche Extrapolation der Beschleunigungswerte durchgeführt, wozu ein hoher Rechenaufwand erforderlich ist und dadurch dem eigentlichen Ziel, einer rechtzeitigen Erkennung eines Überschlages und damit einer rechtzeitigen Auslösung von Insassenschutzvorrichtungen entgegensteht.
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Ferner bedeutet auch die Verwendung von Boden-Rad-Modellen zur Prädiktion der Beschleunigung des Fahrzeugs, dass hierzu 3D-Modelle des Fahrzeugs erforderlich sind, so dass auch hierdurch der Rechenaufwand und damit die Rechenzeit nachteilig verlängert wird.
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Weiterhin ist aus der
DE 103 03 149 A1 ein Verfahren zur Überschlagerkennung eines Fahrzeuges bekannt, das besonders bei einem Soil-Trip-Überschlag zu einem frühen Auslösen einer Insassenschutzvorrichtung führen soll. Unter dieser Art eines Überschlages, wird ein Szenarium verstanden, bei dem das Fahrzeug nach einem Schleudervorgang seitlich rutscht und dann auf einen Untergrund mit einem hohen Reibungskoeffizienten gerät, zum Beispiel ein unbefestigter Untergrund neben einer Fahrbahn. Dabei graben sich die Räder in diesen Untergrund, bspw. Sand oder Kies ein und erfahren eine starke Verzögerung, die zum Aufbau eines Drehmomentes an dem Fahrzeug führt, so dass ein Überrollvorgang initiiert wird.
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Bei diesem bekannten Verfahren nach der
DE 103 03 149 A1 werden zumindest die Fahrzeugquerbeschleunigung und die Wankrate zur Erzeugung einer Auslöseentscheidung verknüpft, indem die Fahrzeugquerbeschleunigung und/oder die Wankrate einer Schwellwertentscheidung unterzogen wird bzw. werden, wobei der Schwellwert bzw. der jeweilige Schwellwert in Abhängigkeit der Fahrzeugquergeschwindigkeit eingestellt wird. Für eine Plausibilitätsentscheidung wird die Fahrzeugquerbeschleunigung mit der Wankrate verknüpft.
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Schließlich beschreibt auch die
DE 103 44 613 A1 ein ähnliches Verfahren zur Überschlagerkennung wie die oben erwähnte
DE 103 03 149 A1 , wobei anstelle der Fahrzeugquergeschwindigkeit zur Einstellung der Auslöseschwelle für die Querbeschleunigung das Integral der Fahrzeugquerbeschleunigung und das Integral der Wankrate verwendet wird. Zusätzlich wird auch die Wankrate für eine Auslöseentscheidung herangezogen, indem die Wankrate mit einem Schwellwert verglichen wird, der ebenso von dem Integral der Fahrzeugquergeschwindigkeit und dem Integral der Wankrate eingestellt wird.
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Mit diesem bekannten Verfahren gemäß der
DE 103 44 613 A1 soll noch eine bessere Anpassung an das Unfallverhalten, insbesondere an einen Soil-Trip-Überschlag erzielt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass frühzeitig eine Auslöseentscheidung, insbesondere bei Soil-Trip-Überschlägen erzeugt wird und welches ohne hohen Rechenaufwand und damit kostengünstig realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein solches Verfahren zur Überschlagerkennung eines Fahrzeugs, welches einen Fahrzustand auf der Basis wenigstens einer sensorisch erfassten fahrdynamischen Größe ermittelt, eine laterale und/oder vertikale Beschleunigung sensorisch erfasst und prädiziert, einen Wankwinkel aus dem ermittelten Fahrzustand und der prädizierten Beschleunigung prädiziert und den prädizierten Wankwinkel zur Erkennung eines Überschlages bewertet, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- – aus der prädizierten lateralen Beschleunigung und einer ermittelten Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs eine für den im Wesentlichen vollständigen Quergeschwindigkeitsabbau der prädizierten Beschleunigung maßgebliche Quergeschwindigkeitsabbauzeit ermittelt wird,
- – für den durch die Quergeschwindigkeitsabbauzeit definierten Prädiktionszeitpunkt eine prädizierte Wankrate und ein prädizierter Wankwinkel aus der Quergeschwindigkeitsabbauzeit und der prädizierten lateralen Beschleunigung berechnet werden, und
- – die Werte der prädizierten Wankrate und des prädizierten Wankwinkels zur Erkennung eines Überschlages bewertet werden.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass eine wesentliche Verbesserung des aus der
DE 10 2005 023 183 A1 bekannten Verfahrens hinsichtlich einer frühzeitigen Erkennung eines Überschlages als auch hinsichtlich höchster Robustheit gegenüber falschen Auslöseentscheidungen dadurch erreicht wird, dass nicht für eine vorgegebene Zeitdauer die laterale Beschleunigung prädiziert wird, sondern zunächst aus dem bisherigen Verlauf der Beschleunigung deren weiterer Verlauf prädiziert wird, um durch Verknüpfung dieser prädizierten Beschleunigung mit der aktuellen Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs eine Geschwindigkeitsabbauzeit zu berechnen. Für den durch diese Geschwindigkeitsabbauzeit definierten Prädiktionszeitpunkt werden eine Wankrate und ein Wankwinkel prädiziert. Somit geht in die Prädiktion der Wankrate und des Wankwinkels in vorteilhafter Weise die Quergeschwindigkeit ein, da es sich herausgestellt hat, dass diese fahrdynamische Größe einen großen Einfluss auf den von einem Fahrzeug erreichten Wankwinkel und somit auf das Überschlagsverhalten des Fahrzeugs hat.
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Ferner können aufgrund der Beschränkung auf fahrdynamische Größen ausschließlich in lateraler Richtung des Fahrzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 2D-Modelle des Fahrzeugs eingesetzt werden, wodurch sich eine erhebliche Einsparung an Rechenzeit ergibt.
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Eine weitere verbesserte Unterscheidung zwischen einem No-Fire-Szenarium und einem Fire-Szenarium wird erreicht, wenn weiterbildungsgemäß zur Berechnung der prädizierten Wankrate und des prädizierten Wankwinkels die aktuelle Wankrate des Fahrzeugs verwendet wird, die vorzugsweise sensorisch ermittelt wird.
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Auch führt die Verwendung des aktuellen Wankwinkels zur Berechnung der prädizierten Wankrate und des prädizierten Wankwinkels gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dazu, dass sehr frühzeitig ein Überschlag erkennbar wird.
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Des Weiteren lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weiter verbessern, wenn zur Ermittlung der Quergeschwindigkeitsabbauzeit zusätzlich zur prädizierten lateralen Beschleunigung auch die prädizierte vertikale Beschleunigung verwendet wird. Vorzugsweise wird dann diese prädizierte Beschleunigung auch zusätzlich zur Berechnung der prädizierten Wankrate und des prädizierten Wankwinkels verwendet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die im Prädiktionszeitpunkt berechneten Werte für Wankrate und Wankwinkel mittels einer Überschlag-Kennlinie in einem Wankrate-Wankwinkel-Zustandsraum hinsichtlich eines Überschlages bewertet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die laterale und/oder vertikale Beschleunigung mit einem konstanten Verlauf prädiziert wird, wodurch eine kurze Rechenzeit für die nachfolgende Bestimmung der prädizierten Wankrate und des prädizierten Wankwinkel ergibt.
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Auch ist es gemäß einer anderen Ausgestaltung möglich, die laterale und/oder vertikale Beschleunigung mit einer linearen Extrapolation zu prädizieren, wodurch sich die Erkennungssicherheit hinsichtlich eines Überschlages trotz eines geringfügig höher werdenden Rechenaufwandes weiter verbessert.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird zur Berechnung der Wankrate im Prädiktionszeitpunkt ein auf dem Drehimpulserhaltungssatz beruhendes Fahrzeugmodell verwendet. Für das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich dadurch einen Algorithmus erstellen, der gegenüber bekannten Überschlag-Algorithmen, die bspw. auf dem Energieerhaltungssatz beruhen, wesentlich verbessern. Insbesondere dadurch, dass die von der Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs abhängige Beschleunigungsabbauzeit mit in den Drehimpulserhaltungssatz einfließt, wird eine frühzeitige Auslöseentscheidung mit einer äußerst geringen Fehlerrate sichergestellt.
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Ferner sind für diesen auf dem Drehimpulserhaltungssatz beruhende Algorithmus nur vier physikalische Größen des Fahrzeugs erforderlich, nämlich die Fahrzeugmasse, das Trägheitsmoment, die Spurbreite und die Schwerpunktshöhe.
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Im Weiteren lässt sich weiterbildungsgemäß die Berechnung des Wankwinkels im Prädiktionszeitpunkt durch Integration der Wankrate in wenigen Schritten berechnen, ohne dass dadurch die Rechenzeit wesentlich erhöht wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeug-Modells in der y-z-Ebene in einer Kipplage mit den zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens relevanten fahrdynamischen Größen,
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2 ein Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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3 ein α(t)-ω(t)-Diagramm mit einer Überschlag-Kennlinie.
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Das Ausführungsbeispiel beschreibt einen Algorithmus, der unter Nutzung eines ebenen Fahrzeug-Modells in der y-z-Ebene eines Fahrzeugs (vgl. 1) auf der Basis des Drehimpulserhaltungssatzes ausgehend von einem aktuellen Zeitpunkt t0 für einen zukünftigen Zeitpunkt, den Prädiktionszeitpunkt t1 t0 + τ eine Prädiktion für die Wankrate ω(t1) und den Wankwinkel α(t1) des Fahrzeugs erzeugt.
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Dieser Überschlag-Algorithmus wird gemäß 2 in einer Steuereinheit 10, bspw. einem Steuergerät des Fahrzeugs implementiert, wobei der Überschlag-Algorithmus anhand einzelner Software-Funktionseinheiten erläutert wird.
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Das Fahrzeug nach 1 ist in einer Kipplage mit einem Wankwinkel α dargestellt, wobei die Kippbewegung um einen Drehpunkt P erfolgt. Die für den Algorithmus relevanten fahrdynamischen Größen des Fahrzeugs sind bzgl. des fahrzeugfesten Koordinatensystems mit dem vorangestellten Indizes „B” und bzgl. der Fahrbahn mit dem vorangestellten Indizes „I” gekennzeichnet und beziehen sich auf den Schwerpunkt S des Fahrzeugs, der von dem Drehpunkt P einen Abstand r aufweist.
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Für das Fahrzeug gemäß
1 stellt sich der Drehimpulserhaltungssatz für den Prädiktionszeitpunkt t
1 folgendermaßen dar:
wobei T(t) das Drehmoment und L(t
0) der Drehimpuls zum aktuellen Zeitpunkt t
0 mit t
0 < t
1 darstellt.
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Mit dem Drehimpuls L = Jxωx und dem auf das Fahrzeug wirkenden Drehmoment T ergibt sich aus 1: T(t) = Bay(t)h – Baz(t) s / 2, (2) wobei die laterale und vertikale Beschleunigungen Bay und Baz gemäß 2 sensorisch mittels Beschleunigungssensoren 1 und 2 im Schwerpunkt S des Fahrzeugs detektiert und dem Steuergerät 10 bzw. dessen Funktionseinheiten 11 und 12 zugeführt werden.
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Mit diesen Funktionseinheiten 11 und 12 wird aus dem bisherigen Verlauf dieser lateralen und vertikalen Beschleunigungen Bay und Baz der weitere Verlauf dieser Beschleunigungen prädiziert.
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Mit der Annahme eines konstanten Verlaufs dieser Beschleunigungen Bay und Baz über die Zeitdauer τ kann die Gleichung (1) geschlossen gelöst werden. Diese Annahme wird in 2 durch ay(t0, t1) = const. und az(t0, t1) = const. angezeigt.
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Mit
Ba
y(t
1) =
Ba
y(t
o) und
Ba
z(t
1) =
Ba
z(t
0) über die Zeitdauer τ erhält man mit der Gleichung (2):
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Die Zeitdauer τ kann als Geschwindigkeitsabbauzeit der Verzögerung der horizontalen lateralen Bewegung des Fahrzeugs durch folgende Berechnung abgeschätzt werden:
wobei die Umrechnung von
Iv
y(t
0) und
Ia
y(t
0) aus dem fahrbahnfesten Koordinatensystem in das fahrzeugfeste Koordinatensystem anhand der Darstellung der
1 erfolgt. Gemäß
2 wird die Berechnung dieser Geschwindigkeitsabbauzeit τ von einer Funktionseinheit
13 durchgeführt, wobei hierfür die Quergeschwindigkeit v
y bspw. aus vorhandenen fahrdynamischen Größen eines Fahrdynamikregelsystems des Fahrzeugs berechnet oder geschätzt werden kann. Diese Quergeschwindigkeit v
y wird über einen Eingang
13a der Funktionseinheit
13 zugeführt.
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Wird die Gleichung (4) in die Gleichung (3) eingesetzt und nach ω(t
0 + τ) aufgelöst, ergibt sich für die prädizierte Wankrate ω
prd(t
0) im Prädiktionszeitpunkt t
1 mit ω
prd(t
0) = ω(t
0 + τ):
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Nach 2 wird hierzu zur Berechnung dieser prädizierten Wankrate ωprd(t0) neben der Geschwindigkeitsabbauzeit τ auch die von einem Sensor 3 gemessene aktuelle Wankrate ω(t0) einer Funktionseinheit 14 zugeführt, aus der durch Integration der aktuelle Wankwinkel α(t0) bestimmt wird.
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Weiterhin wird von dieser Funktionseinheit
14 der Wankwinkel im Prädiktionszeitpunkt t
1 durch Integration der prädizierten Wankrate ω
prd(t
0) berechnet:
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Damit gelten bei der Berechnung des Integrals mittels der Gleichung (5) auch die bei der Berechnung der prädizierten Wankrate ωprd(t0) gemachten Annahmen, also ein konstanter Verlauf der prädizierten Beschleunigungen Bay, und Baz über die Zeitdauer τ.
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Damit ergibt sich mit α
prd(t
0) = α(t
0 + τ) der prädizierte Wankwinkel α
prd(t
0) im Prädiktionszeitpunkt t
1:
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Zur Berechnung des prädizierten Wankwinkels αprd(t0) wird aus der aktuellen Wankrate ω(t0) durch Integration der aktuelle Wankwinkel α(t0) bestimmt.
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Diese prädizierten Werte für die Wankrate ωprd(t0) und den Wankwinkel αprd(t0) werden mittels einer Funktionseinheit 15 mit einer Überschlag-Kennlinie ωcrit gemäß 3 verglichen.
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Diese Überschlags-Kennlinie ωcrit teilt den ersten Quadranten des α-ω-Diagramms in zwei Gebiete ein, die Fahrzeugzustände mit α-ω-Kombinationen betreffen, die zur Auslösung einer Sicherheitseinrichtung führen sollen, also Fire-Szenarien (oberhalb der Kennlinie ωcrit) und No-Fire-Szenarien (unterhalb der Kennlinie ωcrit), deren α-ω-Kombinationen nicht zu einer Auslösung einer Sicherheitseinrichtung führen sollen.
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Die (0, ωgrenz)-Kombination bzw. die (κ, 0)-Kombination stellt einen Grenzzustand eines Fahrzeugs mit einer Winkelrate ωgrenz in x-Richtung und einem Wankwinkel von 0° bzw. mit einer Winkelrate 0 und einem Wankwinkel (statischer Kippwinkel) κ dar, der zu einem Überschlag führt. Diese Parameter ωgrenz und κ sind fahrzeugspezifisch und müssen für jeden Fahrzeugtyp gesondert bestimmt werden.
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Ein Graph G in diesem α-ω-Diagramm zeigt den Verlauf einer Wankbewegung eines Fahrzeugs, die zu einem Überschlag führt.
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Der beschriebene Überschlag-Algorithmus beginnt bei einer Mindestwankrate, indem gemäß der Taktrate des Steuergerätes 10 in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t1, t2 usw. mit einem Wankwinkel α(t1) bzw. α(t2) und einer Wankrate ω(t1) bzw. ω(t2) jeweils für den Prädiktionszeitpunkt t1 + τ bzw. t2 + τ ein Wankwinkel αprd(t1) bzw. αprd(t2) und eine Wankrate ωprd(t1) bzw. ωprd(t2) prädiziert wird.
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Für den Punkt P1 mit der α(t1) – ω(t1)-Kombination auf dem Graphen G wird ein Punkt P2 mit dem Wankwinkel αprd(t1) und der Wankrate ωprd(t1) prädiziert; für den Punkt P3 der α(t2) – ω(t2) – Kombination auf dem Graphen G ein Punkt P4 mit dem Wankwinkel αprd(t2) und der Wankrate ωprd(t2). Dieser Punkt P4 befindet sich in dem Fire-Gebiet, so dass gemäß 2 die Funktionseinheit 15 ein Auslösesignal für eine Sicherheitseinrichtung 20, wie bspw. einem Fensterairbag erzeugen würde.
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Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Überschlag-Algorithmus liegt darin, dass lediglich mit den physikalischen Größen Fahrzeugmasse, Trägheitsmoment, Schwerpunktshöhe und Spurbreite eine modellbasierte Überschlag-Kennlinie ωcrit gemäß 3 erzeugt werden kann, die ggf. noch empirisch auf der Basis von Fahrzeugversuchen angepasst werden kann.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die laterale und vertikale Beschleunigung mit konstanten Werten über die Zeitdauer τ prädiziert. Darüber hinaus ist auch ein anderer Trend dieser lateralen und vertikalen Beschleunigung dem Algorithmus zugrunde gelegt werden, so z. Bsp. eine lineare Extrapolation auf der Basis des bisher gemessenen Verlaufs.
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Der Überschlag-Algorithmus führt auch dann zu einer guten Erkennungsrate, wenn zum aktuellen Zeitpunkt t0 weder die Wankrate ω(t0) oder der Wankwinkel α(t0) verfügbar ist, also das Fahrzeug sich bspw. nur lateral bewegt, als auch die vertikale Geschwindigkeit vz(t0) den Wert Null hat.
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Mit diesen Voraussetzungen ergibt sich aus Gleichung (5) mit a
z(t
0) = g:
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Für einen solchen Überschlag-Algorithmus muss die Überschlag-Kennlinie ωcrit gemäß 3 fahrzeugspezifisch angepasst werden, indem diese Kennlinie weiter nach unten verschoben wird, also das No-Fire-Gebiet kleiner wird.
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Der Vorteil eines solchen Überschlag-Algorithmus liegt in der frühzeitigen Erkennung eines Überschlages, da sich dieser Algorithmus ebenso darin auszeichnet, dass die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs über die Bestimmung der Geschwindigkeitsabbauzeit τ in der Anwendung des Drehimpulserhaltungssatzes berücksichtigt wird, da die damit verbundene kinetische Energie zum Aufbau eines Kippmoments und damit ggf. auch zu einem Überschlag führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005023183 A1 [0002, 0003, 0013]
- DE 10303149 A1 [0006, 0007, 0008]
- DE 10344613 A1 [0008, 0009]
