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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines aktiven Fahrwerks eines eine Fahrbahn befahrenden Kraftfahrzeugs, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Aus der
DE 10 2008 007 657 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt. Dabei wird ein Fahrbahnhöhenprofil ermittelt und das aktive Fahrwerk des Kraftfahrzeugs wird in Abhängigkeit von dem Fahrbahnhöhenprofil beeinflusst. In einem Filterschritt wird aus dem Fahrbahnhöhenprofil in Fahrtrichtung und entgegen der Fahrtrichtung eine gefiltertes Höhenprofil gebildet.
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Die
DE 10 2006 039 353 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beeinflussung eines aktiven Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs, bei welchem eine das Höhenprofil einer in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs vorausliegenden Fahrtstrecke wiedergebende Vorhersagegröße ermittelt wird. Die Federkraftcharakteristik einer Radfedereinrichtung des aktiven Fahrwerks wird in Abhängigkeit der ermittelten Vorhersagegröße an den Verlauf des Höhenprofils angepasst.
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Ein Verfahren zum Steuern der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs ist in der
DE 10 2010 013 178 A1 beschrieben. Hierbei wird mittels eines Fahrbahnsensors ein Fahrbahnprofil ermittelt und die Fahrdynamik wird in Abhängigkeit des Fahrbahnprofils gesteuert. Um die Fahrdynamik zu verbessern, werden die Sensordaten für eine zweidimensionale Ausdehnung des Fahrbahnprofils ermittelt und es wird zusätzlich eine auf eine Querdynamik wirkende Störgröße ermittelt.
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Ein Verfahren zur Ermittlung des einem Fahrzeug vorausliegenden Straßenprofils ist in der
DE 10 2009 033 219 A1 beschrieben. Die erfassten Bilddaten und/oder erfasste Daten bezüglich der eigenen Bewegung des Fahrzeugs werden einer Schätzvorrichtung zugeführt, woraus das Straßenhöhenprofil ermittelt wird.
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Diese bekannten Verfahren sind jedoch nicht in der Lage, das gesamte Potenzial des aktiven Fahrwerks auszuschöpfen, da es nicht möglich ist, die für den jeweiligen Zeitpunkt optimalen Stellgrößen für den Aktuator anzuwenden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines aktiven Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, mit dem das Potenzial des aktiven Fahrwerks besser ausgeschöpft werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch die erfindungsgemäße Ermittlung der Ansteuersignale für den wenigstens einen Aktuator mittels eines inversen Berechnungsmodells aus Sollwerten bestimmter Bewegungen bzw. Rotationen der Karosserie des Kraftfahrzeugs können die Stellgrößen bzw. Ansteuersignale für den wenigstens einen Aktuator direkt berechnet werden, wenn der Verlauf der genannten Bewegungen vorgegeben wird. Der Vorteil der Verwendung eines inversen Berechnungsmodells liegt insbesondere darin, dass lediglich drei oder weniger Größen optimiert werden müssen und nicht sämtliche möglichen Stellgrößen des Aktuators, so dass das Verfahren sehr viel kürzere Rechenzeiten als bekannte Vorgehensweisen erlaubt.
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Des Weiteren ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, auf anschauliche Art und Weise gute Lösungen für eine, zwei oder sämtliche Sollwerte der Bewegungen des Kraftfahrzeugs vorzugeben, und nur noch den Verlauf der restlichen Sollwerte online zu optimieren. Dabei kann vorteilhafterweise das ermittelte Höhenprofil als Eingang für den Verlauf einer der Sollwerte bzw. Aufbaumoden verwendet werden.
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Wenn in einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, dass die Sollwerte für die Bewegung der Karosserie durch Lösen eines linear-quadratischen Optimierungsproblem berechnet werden, so können bestimmte Bewegungsgleichungen aufgestellt und auf sehr effiziente und insbesondere echtzeitfähige Art und Weise gelöst werden.
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Um eine sehr exakte Einstellung der Ansteuersignale zu erzielen, kann dabei vorgesehen sein, dass das linear-quadratische Optimierungsproblem in der Steuereinrichtung zu jedem diskreten Zeitpunkt gelöst wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt:
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1 eine sehr schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann;
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2 ein virtuelles Fahrzeugmodell, das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird;
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3 einen Ausschnitt des aktiven Fahrwerks des Kraftfahrzeugs aus 1; und
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4 eine schematische Darstellung der das linear-quadratische Optimierungsproblem beeinflussenden Faktoren.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, das unter anderem eine Karosserie 1a und ein aktives Fahrwerk 2 aufweist. Unter einem aktiven Fahrwerk wird im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung auch ein semi-aktives bzw. halbaktives Fahrwerk angesehen. Das aktive Fahrwerk 2 kann grundsätzlich in einer aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Art und Weise ausgebildet sein und umfasst im vorliegenden Fall eine Vorderachse 3 mit Vorderrädern 4, eine Hinterachse 5 mit Hinterrädern 6, jeweilige den Vorderrädern 4 bzw. den Hinterrädern 6 zugeordnete Feder-/Dämpfereinheiten 7 sowie jeweilige den Feder-/Dämpfereinheiten 7 zugeordnete und auf dieselben wirkende Aktuatoren 8. Grundsätzlich weist das aktive Fahrwerk 2 wenigstens einen Aktuator 8 auf, im vorliegenden Fall ist jedoch eine der Anzahl an Rädern entsprechende Anzahl an Aktuatoren 8 vorgesehen, nämlich vier. Selbstverständlich können jedem der Räder 4, 6 auch mehrere Aktuatoren 8 zugeordnet sein. Die Aktuatoren 8 können ebenfalls in an sich bekannter Weise ausgeführt sein und sind in der Lage, auf die Feder-/Dämpfereinheiten 7 einzuwirken und bestimmte Parameter derselben zu beeinflussen. Da diese Beeinflussung der Feder-/Dämpfereinheiten 7 durch die Aktuatoren 8 an sich bekannt ist, wird auf entsprechende Details hierzu nicht eingegangen. Bei den Aktuatoren 8 sind derartige zu bevorzugen, die vertikale Kräfte stellen können, wie beispielsweise ein verstellbarer Dämpfer oder eine aktive Federfußpunktverstellung.
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Das Kraftfahrzeug 1 befährt eine Fahrbahn 9, wie zum Beispiel eine Straße. Um ein Höhenprofil der vor dem Kraftfahrzeug 1 liegenden Fahrbahn 9 zu ermitteln, weist das Kraftfahrzeug 1 wenigstens einen, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Sensoren 10 auf, die vorzugsweise in einem außen liegenden Bereich der Karosserie 1a angeordnet sind. Da die Bauart und die Funktionsweise der Sensoren 10 an sich bekannt sein können, werden diese hierin nicht ausführlich beschrieben.
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Mit den beiden Sensoren 10 ist eine Steuereinrichtung 11 verbunden, in welcher aus dem von den Sensoren 10 in an sich bekannter Weise ermittelten Höhenprofil Ansteuersignale für die Aktuatoren 8 erzeugt werden. Hierzu ist die Steuereinrichtung 11 mit den Aktuatoren 8 verbunden.
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In 2 ist ein Teil des aktiven Fahrwerks 2 des Kraftfahrzeugs 1 schematisch dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass zwischen der Karosserie 1a des Kraftfahrzeugs 1 und einem beliebigen der Räder 4 bzw. 6 ein Federelement 12, ein Stoßdämpfer 13 und der Aktuator 8 angeordnet sind. Dabei können das Federelement 12 und der Stoßdämpfer 13 die oben beschriebene Feder-/Dämpfereinheit 7 bilden.
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3 zeigt ein virtuelles Fahrzeugmodell 14, das bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren zur Steuerung des aktiven Fahrwerks des die Fahrbahn 9 befahrenen Kraftfahrzeugs 1 verwendet wird. Das Koordinatensystem des virtuellen Fahrzeugmodells 14 wird durch die Richtungen x, y und z dargestellt. Mit den Pfeilen z_A, n und w sind die Bewegungen Huben (z_A), Nicken (n) und Wanken (w) der Karosserie 1a des Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. Zusätzlich sind in dem virtuellen Fahrzeugmodell 14 die Feder-/Dämpfereinheiten 7 und die Aktuatoren 8 angedeutet.
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Gemäß dem Verfahren zur Steuerung des aktiven Fahrwerks 2 werden in der Steuereinrichtung 11 in aufeinanderfolgenden Zeitschritten die Ansteuersignale für den wenigstens einen Aktuator 8 mittels eines inversen Berechnungsmodells aus Sollwerten der Bewegung der Karosserie 1a des Kraftfahrzeugs 1 in vertikaler Richtung z, einer Rotation der Karosserie 1a des Kraftfahrzeugs 1 um eine Längsachse x des Kraftfahrzeugs 1 und einer Rotation des Kraftfahrzeugs 1 um eine Querachse y des Kraftfahrzeugs 1 und aus Sollwerten der Bewegung der Räder 4 bzw. 6 ermittelt. Vorzugsweise werden als Sollwert dieser Bewegungen der Karosserie 1a des Kraftfahrzeugs 1 bzw. der Rotation des Kraftfahrzeugs 1 Bewegungen mit minimal möglicher Beschleunigung verwendet. Durch die Verwendung des inversen Berechnungsmodells müssen nur die drei oben genannten Optimierungsgrößen, die hierin als Huben (Bewegung der Karosserie 1a des Kraftfahrzeugs 1 in vertikaler Richtung z), Nicken (Rotation der Karosserie 1a des Kraftfahrzeugs 1 um die Querachse y) und Wanken (Rotation des Kraftfahrzeugs 1 um die Längsachse x) bezeichnet werden, optimiert werden und nicht sämtliche Stellwege der im vorliegenden Fall vier Aktuatoren 8. Wenn diese drei Größen bzw. Aufbaumoden bekannt sind, ist die Bewegung der Karosserie 1a des Kraftfahrzeugs 1 bekannt.
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Zur Ermittlung des inversen Berechnungsmodells hat sich insbesondere eine flachheitsbasierte Invertierung als geeignet erwiesen. Mittels einer solchen flachheitsbasierten Systeminvertierung des virtuellen Fahrzeugmodells 14 kann aus den vorzugebenden Aufbaumoden, im vorliegenden Fall also Huben, Nicken und Wanken des Kraftfahrzeugs 1, sowie vorzugsweise deren erster und zweiter Ableitung über dem Vorausschauhorizont, d. h. dem in unmittelbarer Zukunft zu überfahrenden Abschnitt der Fahrbahn 9, direkt die Stellgrößen der Aktuatoren 8 ermittelt werden. Bei der flachheitsbasierten Invertierung werden also zusätzlich zu den Aufbaumoden auch noch deren erste und zweite Ableitung in die Berechnung einbezogen. Die Vorgabe der Aufbaumoden Huben, Nicken und Wanken sowie deren erster und zweiter Ableitung über dem Vorausschauhorizont wird vorzugsweise so gewählt, dass der Kornfort und die Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs maximiert werden, wobei vorhandene Beschränkungen hinsichtlich der Stellgrößen der Aktuatoren 8 eingehalten werden.
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Zunächst werden aus dem virtuellen Fahrzeugmodell 14 Bewegungsgleichungen in Zustandsdifferentialgleichungen aufgestellt, wofür nachfolgend ein Beispiel angegeben wird: ẋ = f1(x, u, w), wobei
- x
- = Zustände des Systems
- u
- = Stellgrößen der Aktuatoren 8
- w
- = Informationen hinsichtlich der Fahrbahn 9
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Danach werden als Ausgang y die Aufbaumoden Huben, Nicken und Wanken gewählt, die in 2 mit z_A, n und w bezeichnet sind. Wenn in der Bewegungsgleichung die Dynamik der Räder 4, 6 eliminiert bzw. die Bewegung der Räder 4, 6 vorher geschätzt wird, kann mittels der oben erwähnten flachheitsbasierten Invertierung das System in folgender Form dargestellt werden: u = f2(y, ẏ, ÿ, w), wobei
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Dadurch können die Stellgrößen für die Aktuatoren 8 direkt berechnet werden, wenn der Verlauf der Bewegungen Huben, Nicken und Wanken sowie die erste und zweite Ableitung dieser Größen über den Vorausschauhorizont vorgegeben werden. Da die drei Aufbaumoden Huben, Nicken und Wanken vier Stellgrößen an den Rädern 4, 6 bestimmen, kann zusätzlich noch ein Freiheitsgrad gewählt werden. Beispielsweise kann in diesem Zusammenhang eine Minimierung der Verspannung der Karosserie vorgegeben werden.
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Mit dem inversen Berechnungsmodell können anschaulich gute Lösungen für sämtliche Aufbaumoden oder alternativ nur für ein oder zwei Aufbaumoden vorgegeben werden, wonach nur noch der Verlauf der restlichen Aufbaumoden online optimiert werden muss. Beispielsweise kann bei einer geraden Fahrt des Kraftfahrzeugs 1 das Huben und/oder Nicken und/oder Wanken auf Null gesetzt werden. Des Weiteren ist es möglich, dass das Höhenprofil der Fahrbahn 9 als Eingang für den Verlauf einer der Aufbaugrößen, beispielsweise Huben, verwendet wird. Wenn das Höhenprofil der Fahrbahn 9 näher an das Kraftfahrzeug 1 verschoben wird, kann ein proaktives Verhalten der Aktuatoren 8 erzeugt werden. Hierbei können die Sollwerte der Bewegung der Karosserie 1a durch Filterung des gemessenen Höhenprofils der Fahrbahn 9 durchgeführt werden.
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Zur Berechnung des inversen Berechnungsmodells werden also Bewegungsgleichungen des virtuellen Fahrzeugmodells 14 aufgestellt und so umgestellt, dass durch Vorgabe von Bewegungen der Karosserie 1a die dafür nötigen Stellgrößen des wenigstens einen Aktuators 8 berechnet werden. Mit anderen Worten wird mittels des virtuellen Fahrzeugmodells 14 eine Prädiktion des Verhaltens des Kraftfahrzeugs 1 durchgeführt und durch eine Modifikation werden die Sollwerte für die Bewegung der Karosserie 1a ermittelt. Die Ermittlung der Sollwerte und der Stellgrößen kann auf einem linearen virtuellen Fahrzeugmodell 14 basieren. Dabei können nichtlineare Anteile, die nicht modelliert sind, nach Ermittlung der Sollwerte und Stellgrößen berücksichtigt werden, indem die Sollwerte und Stellgrößen dementsprechend angepasst werden.
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Die Vorgabe der Aufbaumoden Huben, Nicken und Wanken über den Vorausschauhorizont kann mittels einer Online-Optimierung durch Lösen eines linear-quadratischen Optimierungsproblems durchgeführt werden. Hierfür kann die Ermittlung der Sollbewegungen über dem Vorausschauhorizont in folgendes linear-quadratisches Optimierungsproblem (QP – quadratic programming) umgeformt werden:
wobei u die Optimierungsvariable darstellt, die in einem Vektor ausgedrückt wird.
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Für solche linear-quadratische Optimierungsprobleme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik effiziente Löser bekannt, welche in der Lage sind, dieses linear-quadratische Optimierungsproblem echtzeitfähig zu lösen.
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Bei der Bewertung der Auswirkungen und/oder der Berechnung der Ansteuerung werden vorzugsweise bestimmte Grenzen von Stellgrößen des Aktuators 8 und Grenzen von Fahrzeugrößen berücksichtigt. Dies können beispielsweise der Verstellweg, die Verstellgeschwindigkeit und/oder die Dynamik des Aktuators 8 sein. Mit dem Verfahren werden optimale Stellgrößen für den Aktuator 8 berechnet, wobei die genannten Grenzen für das Ansteuersignal des Aktuators 8 berücksichtigt werden. Wenn es sich bei den Stoßdämpfern 3 um Verstelldämpfer handelt, können beispielsweise die optimalen Stellkräfte für diese Art der Stoßdämpfer 13 berechnet und im nachfolgenden Schritt die Stellgrößen an den Stoßdämpfern 13 so modifiziert werden, dass diese im möglichen Wirkungsbereich des verstellbaren Stoßdämpfers 13 liegen. Zusätzlich kann zur Ermittlung der bestmöglichen Ansteuerung der Aktuatoren 8 eine Simulation der Fahrt des virtuellen Fahrzeugmodells 14 über das ermittelte Höhenprofil mit dem Ansteuersignal und deren Auswirkungen durchgeführt werden.
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Bei dieser Simulation werden die unterschiedlichsten Stellgrößen der Aktuatoren 8 verstellt und es werden deren Auswirkungen auf das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs 1 ermittelt.
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Eine weitere Verbesserung des Verfahrens kann darin bestehen, dass die Berechnung der optimalen Stellgrößen bzw. Ansteuersignale für den Aktuator 8 in jedem Zeitschritt bzw. zu jedem diskreten Zeitpunkt durchgeführt wird und in einer nachfolgenden Optimierung die Ergebnisse der vorhergehenden Optimierung verwendet werden, um die Ansteuersignale anzupassen und dadurch zu verbessern. Die Länge eines Zeitschritts kann zum Beispiel 5–50 ms betragen.
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Um die Genauigkeit des Höhenprofils zu verbessern, können die zu mehreren unterschiedlichen Zeitpunkten von den Sensoren 10 gemessenen Höhenwerte identischer Bereiche der Fahrbahn 9 zusammengeführt werden. Dabei ist es des Weiteren möglich, zu prüfen, wie gut die jeweiligen Höhenprofile der in den verschiedenen Zeitschritten gemessenen identischen Abschnitte der Fahrbahn 9 zusammenpassen, um die Wahrscheinlichkeit der Genauigkeit des von den Sensoren 10 gemessenen Höhenprofils, die auch als Gütemaß bezeichnet werden kann, zu ermitteln. Die Wahrscheinlichkeit der Genauigkeit ist umgekehrt proportional zur Unsicherheit der Messgröße der Sensoren 10, welche je nach Witterung, Fahrgeschwindigkeit und anderen Einflussgrößen variieren kann. Die Sensoren 10 können also zusätzlich zu dem Höhenprofil der Fahrbahn 9 auch eine Information über die Genauigkeit dieses Höhenprofils liefern. Auf diese Weise können schließlich die Aktuatoren 8 in Abhängigkeit der Genauigkeit des ermittelten Höhenprofils verstellt werden. Hierbei wird bei einer geringeren Genauigkeit des Höhenprofils bzw. des Höhenprofilwerts eine geringere Verstellung der Aktuatoren 8 durchgeführt. Die Beschränkungen der Optimierungsvariablen in dem linear-quadratischen Optimierungsproblem können auf diese Genauigkeit abgestimmt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 11 die Stellgröße der Aktuatoren 8 im gesamten möglichen Bereich variieren kann, wenn die Sensoren 10 sehr gute Informationen liefern. Falls das Gütemaß schlechter wird, kann der Bereich, in dem die Stellgröße geregelt werden kann, eingeschränkt werden.
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In dem Gütemaß der Optimierung, vorzugsweise in den zwei unterschiedlichen Gütemaßen, kann beispielsweise auch die Minimierung der Beschleunigung der Karosserie 1a angegeben werden. Des Weiteren kann in dem Gütemaß der Optimierung beispielsweise eine Verbesserung des Fahrkomforts, z. B. niedrige Beschleunigungen der Karosserie 1a, eine Verbesserung der Fahrdynamik, z. B. niedrige dynamische Radlastschwankungen, und/oder ein geringer Energieverbrauch gefordert werden. Die Optimierung berechnet bestmögliche Stellgrößen, um diese Ziele zu erreichen.
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Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Steuereinrichtung 11 bei nicht gesicherten Informationen über das Höhenprofil der Fahrbahn 9 nur eine sehr geringe Verstellung der Aktuatoren 8 auslöst und damit das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs 1 nicht negativ beeinflussen kann.
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Bei dem in 3 dargestellten virtuellen Fahrzeugmodell 14 handelt es sich um ein virtuelles Gesamtfahrzeugmodell, d. h. um ein Modell des gesamten Kraftfahrzeugs 1. Alternativ kann als das virtuelle Fahrzeugmodell 14 auch ein virtuelles Viertelfahrzeugmodell 14 verwendet werden. Hierbei wird vorzugsweise für jedes Rad 4 bzw. 6 des aktiven Fahrwerks 2 eine separate Simulation des Viertelfahrzeugmodells und darauf aufbauend eine separate Optimierung der Ansteuersignale der einzelnen Aktuatoren 8 basierend auf dieser Simulation durchgeführt. Des Weiteren ist es möglich, dass ein derartiges virtuelles Fahrzeugmodell 14 verwendet wird, bei welchem nur die Bewegungen der Karosserie 1a beachtet werden und die Bewegungen der Räder 4 und 6 nicht beachtet werden. In dem Viertelfahrzeugmodell können Sollwerte für die Vertikalbewegung von Eckpunkten der Karosserie 1a in vertikaler Richtung für jeden Eckpunkt der Karosserie 1a separat vorgegeben werden.
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In 4 sind mittels eines Schaubilds die Faktoren dargestellt, die das linear-quadratischen Optimierungsproblem beeinflussen können. Im Einzelnen handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um das oben beschriebene Gütemaß (Gütemaß der Optimierung und Gütemaß des erkannten Straßenhöhenprofils), das mit GM bezeichnet ist, das mit HP bezeichnete Höhenprofil der Fahrbahn 9, das virtuelle Fahrzeugmodell 14, die zur Verfügung stehenden Aktuatoren 8 sowie die Startbedingungen SB für die beschriebene Optimierung, wie zum Beispiel den Zustand des Kraftfahrzeugs 1 zum Zeitpunkt t0. Mittels des mit QP (Quadratic Programming) bezeichneten linear-quadratischen Optimierungsproblems können dann die optimalen Stellgrößen bzw. Ansteuersignale für den wenigstens einen Aktuator 8 bzw. die Mehrzahl der Aktuatoren 8 über den gesamten Vorausschauhorizont berechnet werden. Diese Ansteuersignale sind durch den mit AS bezeichneten Kreis dargestellt.
