DE102012219935A1

DE102012219935A1 - Verfahren und Baugruppe zur Bestimmung der Abweichung der Fahrzeuglängsachse von einer Bewegungsrichtung eines Motorrades sowie Fahrassistenzsystem und Verfahren zu seiner Betätigung

Info

Publication number: DE102012219935A1
Application number: DE201210219935
Authority: DE
Inventors: Maximilian Meißner; Benjamin Grauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: DE102012219935B4

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung des Winkels (α) der Abweichung der Fahrzeuglängsachse von einer Bewegungsrichtung bei einer Kurvenfahrt eines Motorrades weist folgende Schritte auf: – Ermittlung eine vorläufigen kinematischen Kurvenradius aus den Fahrzustandsdaten des Motorrades; – Ermittlung eines kinematischen Kurvenradius sowie der Schräglaufwinkel des Vorderrades und des Hinterrades aus einem vorläufigen kinematischen Kurvenradius; – Berechnung des Geschwindigkeitsvektoren an zumindest zwei Punkten des Motorrades in Fahrzeuglängsrichtung und Fahrzeugquerrichtung aus den ermittelten Schräglaufwinkeln und dem zugehörigen kinematischen Kurvenradius, und – Berechnung des Winkels aus den ermittelten Geschwindigkeitsvektoren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Baugruppe zur Bestimmung der Abweichung der Fahrzeuglängsachse von der Bewegungsrichtung bei einer Kurvenfahrt eines Motorrades. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrassistenzsystem eines Motorrades sowie ein Verfahren zu seiner Betätigung.
Bei Kurvenfahrten, insbesondere bei langsamen Kurvenfahrten und kleinen Kurvenradien, weicht die Fahrzeuglängsrichtung eines Motorrades von der Fahrtrichtung im Schwerpunkt beziehungsweise von einer Tangente an den Kurvenradius ab. Diese Abweichung wird allgemein als Schwimmwinkel bezeichnet. Diese Abweichung von der Bewegungsrichtung des Motorrades wird für verschiedene Fahrassistenzsysteme, wie ein Kurvenlicht, oder für Sicherheitssysteme beispielsweise zur Bestimmung der Querbeschleunigung des Motorrades für eine Traktionskontrolle benötigt.
Mit den bisher bekannten Methoden ist eine Bestimmung dieses Schwimmwinkels lediglich bei konstanten Kurvenfahrten möglich. Bei dynamischen Kurvenfahrten, beispielsweise bei Geschwindigkeitswechsel oder einer Änderung des Kurvenradius ist eine zuverlässige Ermittlung des Schwimmwinkels mit den aktuellen Methoden nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Baugruppe zur Bestimmung der Abweichung des Fahrzeuglängsachse von einer Bewegungsrichtung des Motorrades bereitzustellen, die eine genauere Bestimmung der Abweichung der Fahrzeuglängsachse von der Bewegungsrichtung ermöglichen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Fahrassistenzsystem mit einer solchen Baugruppe bereitzustellen Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren zur Bestimmung der Abweichung der Fahrzeuglängsachse von einer Bewegungsrichtung des Motorrades, insbesondere bei einer Kurvenfahrt, mit folgenden Schritten vorgesehen:

– Ermittlung eine vorläufigen kinematischen Kurvenradius aus den Fahrzustandsdaten des Motorrades;
– Ermittlung eines kinematischen Kurvenradius sowie der Schräglaufwinkel des Vorderrades und des Hinterrades aus einem vorläufigen kinematischen Kurvenradius mit folgendem Verfahrensschritten:
a) Berechnung eines Schwerpunktes aus den Fahrzustandsdaten des Motorrades;
b) Berechnung der auf das Vorderrad und das Hinterrad wirkenden Sollseitenkräfte und Sollnormalkräfte;
c) Berechnung des Schräglaufwinkels des Vorderrades und des Hinterrades;
d) Berechnung eines neuen kinematischen Kurvenradius aus den berechneten Schräglaufwinkeln;
e) Ersetzen des vorläufigen kinematischen Kurvenradius durch den neuen kinematischen Kurvenradius und Wiederholen der Schritte a) bis d), bis die Abweichung zwischen vorläufigem kinematischen Kurvenradius und neuem kinematischen Kurvenradius unterhalb eines definierten Grenzwertes liegt;
– Berechnung der Geschwindigkeitsvektoren an zumindest zwei Punkten des Motorrades in Fahrzeuglängsrichtung und Fahrzeugquerrichtung aus den ermittelten Schräglaufwinkeln und dem zugehörigen kinematischen Kurvenradius; und
– Berechnung des Winkels aus den ermittelten Geschwindigkeitsvektoren.

Der Winkel der Abweichung der Fahrzeuglängsachse von einer Bewegungsrichtung des Motorrades kann aus dem kinematischen Kurvenradius und den Schräglaufwinkeln der Räder des Motorrades geometrisch berechnet werden. Der Schräglaufwinkel und der kinematische Kurvenradius können aber aufgrund der Neigung des Motorrades zum Kurvenmittelpunkt und der Abweichung der Bewegungsrichtung von der Fahrzeuglängsachse nicht exakt gemessen werden.
Aus diesem Grund werden diese über ein Iterationsverfahren in einer motorradseitigen Auswerteeinheit angenähert. Als Eingangsgröße dient ein vorläufiger kinematischer Kurvenradius, der aus dem Lenkwinkel, dem Neigungswinkel sowie der Fahrzeuggeometrie des Motorrades ermittelt wird. Anschließend werden aus dem vorläufigen kinematischen Kurvenradius die Lage des Schwerpunktes des Motorrades und die Seiten- und Normalkräfteverteilung auf die Räder des Motorrades berechnet. Aus diesen kann der Schräglaufwinkel und über die Fahrzeuggeometrie bzw. die Position des Motorrades in einem Koordinatensystem ein neuer kinematischer Kurvenradius ermittelt werden. Weicht dieser vom vorläufigen Kurvenradius ab, wird der vorläufige Kurvenradius durch den neuen Kurvenradius ersetzt und das Verfahren wiederholt, bis die Abweichung unterhalb eines definierten Grundwertes liegt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine wesentlich genauere Bestimmung des Schwimmwinkel möglich, wobei als Eingangsgröße lediglich Fahrzustandsdaten des Motorrades erforderlich sind, die mit einfachen, aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren ermittelt werden können.
Die Fahrzustandsdaten sind vorzugsweise der Lenkwinkel und der Neigungswinkel des Motorrades. Der vorläufige kinematischen Kurvenradius des Motorrades wird aus diesen und der Fahrzeuggeometrie des Motorrades berechnet. Zur Bestimmung des Lenkwinkels sowie des Neigungswinkels sind verschiedene Verfahren bzw. Sensoren bekannt, die verwendet werden können, so dass beispielsweise keine zusätzlichen Sensoren erforderlich sind.
Der Schräglaufwinkel kann jeweils geometrisch aus dem Neigungswinkel und den berechneten, am Vorderrad bzw. am Hinterrad wirkenden Sollseitenkräften und Sollnormalkräften ermittelt wird.
Zur Ermittlung des Schräglaufwinkels können Reifenkennfelder verwendet werden, die in einer Auswerteeinheit abgelegt sind. Diese werden vorab in Versuchen ermittelt, in denen der Zusammenhang aus den Reifenkräften, dem Neigungswinkel und dem Schräglaufwinkel ermittelt wird, so dass bei bekanntem Neigungswinkel und den Reifenkräften einfach der Schräglaufwinkel ermittelt werden kann.
Die Sollseitenkräfte lassen sich beispielsweise aus dem vorläufigen kinematischen Kurvenradius und der auf das Motorrad wirkenden Querkraft berechnet wird. Dazu muss lediglich zusätzlich die Querkraft ermittelt werden.
Die Querkraft kann beispielsweise aus dem Momentengleichgewicht um den Aufstandspunkt des Motorrades oder durch zusätzliche Sensoren ermittelt werden.
Die Sollseitenkräfte und die Sollnormalkräfte werden vorzugsweise aus dem Kräftegleichgewicht quer zum Motorrad und dem Momentengleichgewicht um die Längsachse des Motorrades ermittelt. Durch diese wird die Gesamtquerkraft ermittelt, die auf das Motorrad bei einer Kurvenfahrt wirkt. In Verbindung mit der Fahrzeuggeometrie kann die Verteilung der Kräfte auf das Vorderrad und das Hinterrad berechnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einstellen des Fahrassistenzsystems eines Motorrads verwendet das obige Verfahren und verstellt auf Basis des ermittelten Winkels das Assistenzsystem, zum Beispiel durch Betätigung von Elektromotoren oder Ventilen.
Erfindungsgemäß ist des Weiteren eine Baugruppe zur Bestimmung der Abweichung der Fahrzeuglängsachse von einer Bewegungsrichtung eines Motorrades vorgesehen, mit einem Geschwindigkeitsmesser, einem Sensor zur Bestimmung des Lenkwinkels, einem Sensor zur Bestimmung des Neigungswinkels um die Fahrzeuglängsachse und einer Auswerteeinheit zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Winkels. Zusätzlich zu bereits bekannten Sensoren zur Ermittlung der Geschwindigkeit, des Neigungswinkels und des Lenkwinkels ist lediglich eine Auswerteeinheit erforderlich, die aus den ermittelten Werten über das erfindungsgemäße Iterationsverfahren den Winkel der Abweichung der Fahrzeuglängsachse von der Bewegungsrichtung berechnet.
Die Baugruppe kann beispielsweise einen Sensor zur Messung der Querbeschleunigung aufweisen.
Der Sensor zur Bestimmung des Lenkwinkels ist vorzugsweise ein berührungslos messender Sensor, der im Lenkkopf des Motorrades vorgesehen ist.
Des Weiteren ist erfindungsgemäß ein Fahrassistenzsystem mit einer erfindungsgemäßen Baugruppe vorgesehen.
Das Fahrassistenzsystem weist beispielsweise eine Traktionskontrolle oder ein Kurvenlicht auf. Durch die genaue Bestimmung der Abweichung der Fahrzeuglängsachse von der Bewegungsrichtung kann die Traktionskontrolle wesentlich effektiver eingesetzt werden. Zudem kann durch diese das Kurvenlicht besser eingestellt werden, so dass eine bessere Ausleuchtung der Fahrbahn möglich ist.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Motorrades in Draufsicht bei einer Kurvenfahrt,
2 eine Darstellung der im Schwerpunkt des Motorrades wirkenden Kräfte bei einer Kurvenfahrt in Vertikalansicht,
3 eine Darstellung der auf die Räder des Motorrades wirkenden Seitenkräfte in Draufsicht,
4 eine Darstellung zur Berechnung der Schräglaufwinkel der Räder des Motorrades,
5 der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur iterativen Berechnung des Kurvenradius eines Motorrades, und
6 ein erfindungsgemäßes Fahrassistenzsystem.
In 1 ist ein Motorrad 10 während einer Kurvenfahrt um einen Kurvenmittelpunkt 12 gezeigt. Die tatsächliche Bewegungsrichtung des Motorrades 10 ist durch den Pfeil 14 dargestellt, der Kurvenradius ist mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet.
Wie in 1 zu sehen ist, ist das Vorderrad 18 um einen Lenkwinkel δ gegenüber der Fahrzeuglängsachse 20 eingeschlagen. Der Radius 22, auf dem sich das Vorderrad 18 um den Kurvenmittelpunkt 12 bewegt, ist größer als der Kurvenradius 16 im Schwerpunkt 24 des Motorrades.
Der Kurvenradius 26 des Hinterrades 28 ist dagegen wesentlich kleiner als der Kurvenradius 16. Unter anderem daraus ergibt sich, dass die Fahrzeuglängsachse 20 von der Bewegungsrichtung 14 des Motorrades um einen Winkel α abweicht. Dieser Winkel α wird allgemein als Schwimmwinkel bezeichnet.
Zur Steuerung von verschiedenen Fahrassistenzsystemen oder Sicherheitssystemen, muss der Schwimmwinkels α möglichst genau bestimmt werden, so dass beispielsweise ein Kurvenlicht die Fahrbahn besser ausleuchten kann.
Bei einer Kurvenfahrt neigt sich das Motorrad 10 des Weiteren um einen Neigungswinkel φ zum Kurveninneren (2), bis ein Momentengleichgewicht um den Aufstandspunkt 30 des Motorrades 10 aus der radial zum Kurvenmittelpunkt 12 wirkenden Querkraft 32 und der Gewichtskraft 34, die im Schwerpunkt wirken, hergestellt ist.
In 3 sind die auf das Vorderrad 18 und das Hinterrad 28 wirkenden Sollseitenkräfte 36, 38 dargestellt, die der Querkraft 32 entgegenwirken. Abhängig von der Position des Schwerpunktes 24 wirkt auf das Vorderrad eine der Querkraft 32 entgegenwirkende Sollseitenkraft 36 und auf das Hinterrad 28 eine Sollseitenkraft 38.
Wie in 1 zu sehen ist, bewegen sich aufgrund der Kurvenfahrt das Vorderrad 18 und das Hinterrad 28 nicht in der Bewegungsrichtung 14 des Motorrades. Die Abweichung der Geschwindigkeitsvektoren des Vorderrades 18 und des Hinterrades 28 sind in 4 dargestellt. Die Winkel τ_V und τ_H bezeichnen hier die Abweichung von der Fahrzeuglängsachse 20 und werden allgemein als Schräglaufwinkel bezeichnet. Wie in 4 zu sehen ist, verlagert sich der Schwerpunkt 24 zudem aufgrund der Schräglage zum Kurvenmittelpunkt 12.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur iterativen Berechnung des Schwimmwinkels α ist in 5 dargestellt.
Als Eingangsgrößen werden vorab der Lenkwinkel δ sowie der Neigungswinkel φ bestimmt.
Der Lenkwinkel des Vorderrades 18 kann beispielsweise über einen berührungslos arbeitenden Sensor im Steuerkopf des Motorrades 10 ermittelt werden.
Zur Bestimmung des Neigungswinkels φ sind verschiedene Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt. Dies kann beispielsweise über einen Neigungswinkelsensor erfolgen, der die Veränderung des Neigungswinkels φ, als die Neigungsrate misst und über die Integration der Neigungsrate den aktuellen Neigungswinkel φ bestimmt.
Aus dem Lenkwinkel δ, dem Neigungswinkel φ sowie der Fahrzeuggeometrie (z. B. Länge des Motorrades, Abstand der Räder, Lage des Schwerpunktes, Lenkwinkel) wird zunächst ein vorläufiger kinematischer Kurvenradius berechnet.
Des Weiteren wird aus dem Neigungswinkel φ die Lage des Schwerpunktes 24 berechnet (siehe 4).
Anschließend können über ein Kräftegleichgewicht quer zur Fahrzeuglängsachse 20 sowie über ein Momentengleichgewicht um die Vertikalachse die am Vorderrad 18 und am Hinterrad 28 wirkenden Sollseitenkräfte 36, 38 berechnet werden.
Sind die Sollseitenkräfte 36, 38 ermittelt, werden aus diesen, den Normalkräften und dem Neigungswinkel φ die Schräglaufwinkel τ_V, τ_H berechnet.
Zur Berechnung der Schräglaufwinkel τ_V, τ_H können beispielsweise Reifenkennfelder verwendet werden, die vorab über Reifenprüfstandsmessungen bestimmt werden.
Mit diesen Werten der Schräglaufwinkel τ_V, τ_H wird ein neuer kinematischer Kurvenradius berechnet.
Anschließend wird der vorläufige kinematische Kurvenradius 16' durch den neuen kinematischen Kurvenradius ersetzt und eine neue, genauere Position des Schwerpunktes 24 berechnet.
Aus diesen Werten werden neue Sollseitenkräfte bzw. Sollnormalkräfte berechnet, aus welchen neue Schräglaufwinkel τ_V, τ_H sowie ein neuer kinematischer Kurvenradius 16 berechnet werden.
Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis die Abweichung zwischen vorläufigem kinematischem Kurvenradius und neuem kinematischem Kurvenradius 16 unterhalb eines definierten Grenzwertes liegt.
Über den so iterativ bestimmten kinematischen Kurvenradius und den zugehörigen Schräglaufwinkeln τ_V, τ_H können über geometrische Zusammenhänge die Geschwindigkeitsvektoren an verschiedenen Punkten, beispielsweise dem Vorderrad 18 und dem Hinterrad 28, des Motorrades 10 bestimmt werden. Über diese Geschwindigkeitsvektoren kann der Schwimmwinkel α auf einfache Weise berechnet werden.
Zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist eine in 6 gezeigte Baugruppe 40 erforderlich, die Teil eines Fahrassistenzsystems 42 ist. Das Fahrassistenzsystem weist ein Kurvenlicht 44 sowie einen Motor 46 zur Steuerung des Kurvenlichts 44 auf. Das Fahrassistenzsystem 42 kann beispielsweise auch eine Traktionskontrolle aufweisen.
Die Baugruppe 40 weist einen Sensor 48 zur Bestimmung des Lenkwinkels δ auf, einen Geschwindigkeitsmesser 50, der die Geschwindigkeit des Motorrades 10 misst, sowie einen Sensor 52 zur Bestimmung des Neigungswinkels φ des Motorrades 10. Diese Bauteile sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden bei vorhandenen Motorrädern bereits verwendet. Zusätzlich ist lediglich eine Auswerteeinheit 54 erforderlich, die aus den ermittelten Daten über das gezeigte Verfahren den Schwimmwinkel δ des Motorrades 10 berechnet. Um das Verfahren zu vereinfachen, kann beispielsweise zusätzlich ein Sensor 56 zur Messung der Querbeschleunigung vorgesehen sein.
Ist der Winkel α der Abweichung der Fahrzeuglängsachse 20 von einer Bewegungsrichtung 14 bestimmt, kann der Motor 46 das Kurvenlicht 44 so einstellen, dass eine optimale Ausleuchtung der Fahrbahn möglich ist.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Winkels (α) der Abweichung der Fahrzeuglängsachse (20) von einer Bewegungsrichtung (14) bei einer Kurvenfahrt eines Motorrades (10) mit folgenden Schritten: – Ermittlung eine vorläufigen kinematischen Kurvenradius aus den Fahrzustandsdaten des Motorrades (10); – Ermittlung eines kinematischen Kurvenradius (16) sowie der Schräglaufwinkel (τ_V, τ_H) des Vorderrades (18) und des Hinterrades (28) aus einem vorläufigen kinematischen Kurvenradius mit folgendem Verfahrensschritten: a) Berechnung eines Schwerpunktes (24) aus den Fahrzustandsdaten des Motorrades (10); b) Berechnung der auf das Vorderrad (18) und das Hinterrad (28) wirkenden Sollseitenkräfte (36, 38) und Sollnormalkräfte; c) Berechnung der Schräglaufwinkel (τ_V, τ_H ) des Vorderrades (18) und des Hinterrades (28); d) Berechnung eines neuen kinematischen Kurvenradius aus den berechneten Schräglaufwinkeln (τ_V, τ_H ); e) Ersetzen des vorläufigen kinematischen Kurvenradius durch den neuen kinematischen Kurvenradius und Wiederholen der Schritte a) bis d), bis die Abweichung zwischen vorläufigem kinematischen Kurvenradius und neuem kinematischen Kurvenradius unterhalb eines definierten Grenzwertes liegt; – Berechnung der Geschwindigkeitsvektoren an zumindest zwei Punkten des Motorrades (10) in Fahrzeuglängsrichtung und Fahrzeugquerrichtung aus den ermittelten Schräglaufwinkeln (τ_V, τ_H ) und dem zugehörigen kinematischen Kurvenradius (16); und – Berechnung des Winkels (α) aus den ermittelten Geschwindigkeitsvektoren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzustandsdaten der Lenkwinkel (δ) und der Neigungswinkel (φ) des Motorrades (10) sind und der vorläufige kinematische Kurvenradius des Motorrades (10) aus diesen und der Fahrzeuggeometrie des Motorrades (10) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Schräglaufwinkel (τ_V, τ_H ) aus dem Neigungswinkel (φ) und den berechneten, am Vorderrad (18) und am Hinterrad (28) wirkenden Sollseitenkräften (36, 38) und Sollnormalkräften ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Schräglaufwinkel (τ_V, τ_H ) Reifenkennfelder verwendet werden, die vorab in Versuchen ermittelt wurden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollseitenkräfte (36, 38) aus dem vorläufigen kinematischen Kurvenradius und der auf das Motorrad (10) wirkenden Querkraft (32) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollseitenkräfte (36, 38) und die Sollnormalkräfte aus dem Kräftegleichgewicht quer zum Motorrad (10) und dem Momentengleichgewicht um die Längsachse des Motorrades (10) ermittelt werden.
Verfahren zum Einstellen eines Fahrassistenzsystems (42) eines Motorrads (10), gekennzeichnet durch: – Bestimmung des Winkels (α) der Abweichung der Fahrzeuglängsachse (20) von einer Bewegungsrichtung (14) bei einer Kurvenfahrt nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und – Verstellen des Fahrassistenzsystems (42) auf Basis des Winkels (α).
Baugruppe (40) zur Bestimmung der Abweichung der Fahrzeuglängsachse (20) von einer Bewegungsrichtung (14) eines Motorrades (10), mit einem Geschwindigkeitsmesser (50), einem Sensor (48) zur Bestimmung des Lenkwinkels (δ), einem Sensor (52) zur Bestimmung des Neigungswinkels (φ) um die Fahrzeuglängsachse (20), und einer Auswerteeinheit (54) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (56) zur Messung der Querbeschleunigung vorgesehen ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (48) zur Bestimmung des Lenkwinkels (δ) ein berührungslos messender Sensor ist, der im Lenkkopf des Motorrades (10) vorgesehen ist.
Fahrassistenzsystem (42) mit einer Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
Fahrassistenzsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrassistenzsystem (42) eine Traktionskontrolle oder ein Kurvenlicht (44) aufweist.