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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Fahrerassistenzsystem zur Querführung des Kraftfahrzeugs. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Querführung eines Kraftfahrzeugs.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden bereits Fahrassistenzsysteme zur Querführung des Kraftfahrzeugs genutzt. Dies sind insbesondere Systeme zur aktiven Spurführung bzw. zur aktiven Spurmittenführung. Bei diesen Systemen wird über einen Sensor, häufig eine Kamera, der Straßenverlauf aufgenommen und es erfolgt ein Fahreingriff zur Querführung des Fahrzeugs, wenn das Fahrzeug droht eine Spur bzw. die Spurmitte zu verlassen. Die Systeme sind in der Regel derart ausgelegt, dass der Fahrer weiterhin seine Hände am Lenkrad haben muss. Führt der Fahrer einen starken Lenkeingriff durch, so soll die automatische Querführung deaktiviert werden.
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Mit diesen Fahrerassistenzsystemen ist es möglich, dass ein kontrolliertes Fahren in einer Spur, insbesondere in Verbindung mit einem längsführenden Fahrerassistenzsystem, für den Fahrer besonders einfach und angenehm ist, aber dennoch weiterhin leichte Lenkeingriffe durch den Fahrer möglich sind. Der Einsatz solcher Fahrerassistenzsysteme erlaubt es zudem, Voraussagen für die zukünftige Trajektorie des Kraftfahrzeugs zu treffen, und diese in weiteren Fahrzeugsystemen zu nutzen. Insbesondere Fahrzeugsysteme zur Verringerung der Querkräfte bzw. zum querkraftfreien Fahren können von Informationen über einen zukünftigen Trajektorienverlauf profitieren.
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Querführende Fahrerassistenzsysteme, insbesondere Spurführungssysteme, nutzen in der Regel einen einzelnen Regelkreis, bei dem über einen oder mehrere Sensoren die Position und Orientierung des Kraftfahrzeugs im Bezug auf ein oder mehrere Umgebungsmerkmale registriert wird und aus diesen Informationen ein zusätzliches Lenkmoment berechnet wird, das auf die Lenkung des Kraftfahrzeugs übertragen wird. Da im normalen Fahrbetrieb der Fahrer üblicherweise dennoch die Hände am Lenkrad hat, was in einigen Ländern auch vorgeschrieben ist, wird jedoch zusätzlich zum durch das Fahrassistenzsystem ausgeübten Lenkmoment ein Lenkmoment vom Fahrer auf das Lenkrad ausgeübt. Hierbei handelt es sich häufig um kleine, nicht gewollte Lenkmomente. Diese wirken sich auf die aktuelle Fahrsituation des Fahrzeugs aus, wurden jedoch nicht in dem zuvor vom automatisierten System vorausgesagten Trajektorenverlauf berücksichtigt. Die unwillkürlichen Lenkbewegungen des Fahrers wirken also als eine nicht vorhersehbare Störgröße auf die automatisierte Querführung ein.
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Diese Störungen müssen über den relativ langsamen Regelkreis, der über Umfeldwahrnehmung, Eigenbewegungsschätzung, Trajektorienplanung und Lenkung arbeitet, ausgeglichen werden. Daher ist es notwendig, dass der Querführungsregler derart parametrisiert ist, dass die kontinuierlichen Störungen durch Lenkeingriffe des Fahrers robust kompensiert werden. Dies kann jedoch zu relativ großen Abweichungen von der geplanten Trajektorie und damit zu einer Verringerung der Qualität der Querführung führen. Zudem sind durch die stetigen Störungen der Querführung auch Voraussagen über die zukünftige Trajektorienführung, die von weiteren Fahrzeugsystemen genutzt werden können, unzuverlässiger.
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Die Druckschrift
WO 2005/063546 A1 beschreibt ein Verfahren zur Unterstützung eines Fahrzeugführers bei seiner Lenktätigkeit, bei welchem dem Lenkrad ein Lenkmoment aufprägbar ist. Ein vom Fahrzeugführer auf das Lenkrad aufgebrachtes Handmoment wird durch ein zusätzliches Kompensations-Lenkmoment kompensiert, wenn das ermittelt Handmoment einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet. Der Kompensationswert kann, ausgehend von einem Zeitpunkt des Erreichens eines oberen Schwellwerts, mit einer zeitlich gesteuerten Rampe auf den Wert Null eingeregelt werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2007 061 900 A1 ist ein Spurhalteassistenzsystem zur automatisierten Unterstützung eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs beim Einhalten einer Fahrspur bekannt. Ein von dem Fahrer für das Lenken aufgewendetes Handmoment und/oder ein aufgrund einer Fahrlenkwinkelvorgabe wirkendes Lenkmoment wird durch ein Rückführmoment zu einem Gesamtmoment ergänzt oder kompensiert. Bei Ermittlung eines beabsichtigten Verlassens der Fahrspur wird das Rückführmoment beim Beenden der eingreifenden Regelung zum Spurhalten stetig auf Null zurückgeführt.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 028 140 A1 offenbart ein Fahrerassistenzverfahren für ein Kraftfahrzeug mit einer Spurführungsassistenzfunktion. Hierbei wird eine Reaktion des Fahrers auf den selbsttätigen kurskorrigierenden Eingriff in das Lenksystem, insbesondere eine Bewegung der Lenkhandhabe, berücksichtigt. Um ein abruptes Abbrechen des kurskorrigierenden Eingriffs in das Lenksystem zu vermeiden, wird bei einer Deaktivierung der kurskorrigierende Eingriff rampenartig heruntergefahren.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde ein Kraftfahrzeug anzugeben, dessen Querführung Abweichungen von einer Solltrajektorie, die dadurch entstehen, dass der Fahrer ungewollt Lenkkräfte auf das Lenkrad ausübt, besser kompensieren kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Querführung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Erfindung liegt damit die Idee zugrunde, ergänzend zum langsamen Regelkreis, bestehend aus Sensor, Eigenbewegungsschätzung, Trajektorienplanung und Lenkung, einen weiteren schnellen Regelkreis zu nutzen, der ausschließlich die Aufgabe hat, vom Fahrer eingebrachte Störungen zu kompensieren. Hierbei ist es selbstverständlich wesentlich, zu erkennen, wann der Fahrer bewusst Lenkbewegungen durchführt. Ein starkes Lenken des Fahrers soll daher erkannt und nicht kompensiert werden. Dies ist durch die Vorgabe eines Maximaldrehmoments möglich. Solange vom Fahrer Drehmomente auf das Lenkrad ausgeübt werden, die kleiner sind als dieses vorgegebene Maximaldrehmoment, werden diese zumindest teilweise kompensiert. Hierzu wird das vom Fahrer ausgeübte Lenkmoment durch einen Lenkmomentsensor erfasst. Ein solcher Lenkmomentsensor ist in vielen modernen Kraftfahrzeuge ohnehin vorgesehen, beispielsweise als Bestandteil einer elektromechanischen Servolenkung.
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Die so gewonnenen Informationen über das vom Fahrer ausgeübte Lenkmoment werden genutzt, um einen Aktor anzusteuern, der dieses Lenkmoment zumindest teilweise kompensiert. Es ist möglich, hierfür einen eigenen Aktor im Kraftfahrzeug vorzusehen, der derart angesteuert wird, dass er das fahrerseitig ausgeübte Lenkmoment zumindest teilweise kompensiert. Im einfachsten Fall ist es beispielsweise möglich einen Aktor zu nutzen, dessen ausgeübtes Drehmoment proportional zu einem Steuersignal ist, wobei das Steuersignal so erzeugt wird, dass es proportional zum vom Fahrer ausgeübten Lenkmoment ist. Es wird also ein ähnliches Prinzip genutzt, wie bei einer elektromechanischen Servolenkung, nur dass in diesem Fall die Steuersignale so gewählt werden, dass das vom Aktor ausgeübte Kompensationsdrehmoment dem Lenkmoment entgegengesetzt ist.
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Der Aktor kann beispielsweise ein Elektromotor sein. Die Erzeugung des lenkradseitigen Drehmoments kann durch die Kopplung des Aktors an das Lenkgestänge, beispielsweise durch ein Zahnradgetriebe oder einen Riemen, eine Kopplung an eine Linearbewegung der Spurstange, beispielsweise durch Eingriff eines an dem Aktor angeordneten Zahnrads in eine Zahnstange an der Spurstange oder durch direkte Kopplung eines linearen Aktors an die Spurstange erfolgen. Zusammenfassend können zur Erzeugung des lenkradseitigen Drehmoments alle Methoden genutzt werden, die auch zur Erzeugung von Lenkkräften in querführenden Fahrsystemen oder einer elektromechanischen Servolenkung genutzt werden.
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Zumindest bei Kraftfahrzeugen, bei denen eine mechanische Kopplung zwischen Lenkrad und Lenkung vorliegt, weist ein querführendes Fahrerassistenzsystem bereits einen Aktor zur Lenkung auf, der beim Betrieb ein Drehmoment am Lenkrad erzeugt. Dieses Drehmoment wird bestimmt, indem aus durch einen Sensor aufgenommenen Umweltinformationen eine Solltrajektorie berechnet wird und das Fahrassistenzsystem Solldrehmomente bestimmt, die lenkradseitig beim Fahren der Solltrajektorie anliegen sollen. Daher ist es im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug auch möglich, dass der Aktor, der bei Durchführung eines Querführungseingriffs zur Anpassung der Ist-Trajektorie des Kraftfahrzeugs an die Solltrajektorie genutzt wird, zusätzlich zur Kompensation der durch den Fahrer ausgeübten Lenkmomente genutzt wird. Dies wird erreicht, indem das durch diesen Aktor ausgeübte Drehmoment durch entsprechende Ansteuerung um das Kompensationsdrehmoment erhöht oder verringert wird.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Kompensationsdrehmoment gleich dem Lenkmoment ist. In diesem Fall werden, solange das vom Fahrer ausgeübte Lenkmoment kleiner ist als das vorgegebene oder vorgebbare Maximaldrehmoment, alle vom Fahrer ausgeübten Lenkmomente vollständig kompensiert. Dies führt dazu, dass die Querführungseingriffe des Fahrassistenzsystems ohne jegliche Störung durch ungewollte Lenkeingriffe des Fahrers erfolgen können. Damit wird auch in dem Fall, in dem der Fahrer seine Hände am Lenkrad hat, eine gleiche Qualität der Querführung erreicht, wie in dem Fall, dass der Fahrer seine Hände nicht am Lenkrad hat oder die Steuerung des Kraftfahrzeugs vom Lenkrad entkoppelbar ist. Zugleich werden im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug jedoch auch die Vorteile einer kontinuierlichen Führung des Kraftfahrzeugs durch einen Fahrer, der seine Hände am Lenkrad hat, genutzt. So sind für den Fahrer jederzeit Fahreingriffe schlicht dadurch möglich, dass er eine Lenkbewegung durchführt, die das vorgegebene oder vorgebbare Maximaldrehmoment überschreitet. Zudem erhält der Fahrer durch das Drehen des Lenkrads, an dem seine Hände anliegen, stets ein haptisches Feedback über die Fahrbewegungen des Kraftfahrzeugs.
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Eine starke Lenkbewegung des Fahrers weist darauf hin, dass er die automatische Querführung des Kraftfahrzeugs nicht länger nutzen möchte. Daher ist das Fahrassistenzsystem zum Wechseln in einen zweiten Modus bei Überschreiten des Maximaldrehmoments durch das Lenkmoment ausgebildet, wobei im zweiten Modus das Kompensationsmoment Null ist oder ein vom Fahrer auf das Lenkrad ausgeübtes Drehmoment verstärkt. Der erste Fall entspricht einem Abschalten der zusätzlichen Kompensation, also einem Fahrverhalten, wie es bei einem üblichen Kraftfahrzeug vorliegt.
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Weist das Fahrassistenzsystem einen zweiten Modus auf, der vom Fahrer auf das Lenkrad ausgeübte Drehmomente verstärkt, so dient das Fahrassistenzsystem im zweiten Modus als eine elektromechanische Servolenkung. Ein einzelnes Fahrerassistenzsystem kann also bei einer aktivierten Querführung die Störungen der Querführung durch Lenkbewegungen des Fahrers kompensieren. Sobald ein gewisses Maximaldrehmoment überschritten wird, kann das gleiche Fahrassistenzsystem jedoch die Aufgabe einer elektromechanischen Servolenkung übernehmen. Damit kann vorteilhaft die Zahl der Fahrzeugkomponenten und damit die Komplexität des Kraftfahrzeugs verringert werden.
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Um ein komfortables und voraussagbares Fahrverhalten des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs zu erreichen, erfolgt der Wechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus kontinuierlich über ein vorgegebenes oder vorgebbares Zeitintervall. Damit werden plötzliche Änderungen der erforderlichen Lenkkräfte vermieden.
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Durch eine Anpassung der Parameter, des Maximaldrehmoments und des Zeitintervalls, zum Übergang zwischen den zwei Betriebsmodi des Fahrassistenzsystems ist damit insbesondere eine Abstimmung an das Fahrverhalten verschiedener Fahrer möglich. So kann ein besonders sportlicher Fahrer die Systeme derart einstellen, dass bereits relativ leichte Lenkbewegungen zu einem Wechsel in den zweiten Modus des Fahrerassistenzsystems führen und der Wechsel zum zweiten Betriebsmodus sehr schnell erfolgt. Alternativ ist es für ein komfortorientiertes Fahrerlebnis möglich, dass der Wechsel zwischen den Modi des Fahrerassistenzsystems erst erfolgt, wenn relativ starke Lenkmomente durch den Fahrer ausgeübt werden und der Übergang zwischen den zwei Betriebsmodi kann sich über ein längeres Zeitintervall, beispielsweise 1–2 Sekunden, erstrecken. Mit einer solchen Einstellung sind weiterhin leicht Spurwechsel bei Autobahnfahrten oder Ähnliches möglich, zugleich wird jedoch ein sehr stabiles Fahrverhalten erreicht.
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Wie eingangs erwähnt kann die Kompensation der vom Fahrer ausgeübten Lenkmomente als eine Regelung aufgefasst werden. Daher kann das Fahrassistenzsystem einen Regler umfassen, der die Summe aus Lenkmoment und dem von dem Aktor oder den Aktoren ausgeübten Drehmoment auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert, insbesondere 0, regelt. Eine Regelung auf den Wert 0 entspricht der vollständigen Kompensation des durch den Fahrer ausgeübten Lenkmoments. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn zur Kompensation ein getrennter Aktor genutzt wird. In diesem Fall kompensieren sich das durch diesen Aktor erzeugte Drehmoment und das durch den Fahrer aufgewendete Drehmoment genau. Die Durchführung eines Querführungseingriffs kann dann durch die Ansteuerung eines zweiten Aktors durch die Steuereinrichtung des Fahrassistenzsystems erfolgen.
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Es ist jedoch auch möglich, dass die Solldrehmomente bereits bei der Regelung berücksichtigt werden. So kann der vorgebbare Wert durch das Fahrassistenzsystem vorgegeben werden und dem berechneten Solldrehmoment zum Fahren der Solltrajektorie entsprechen. In diesem Fall wird das Solldrehmoment also nicht direkt zur Ansteuerung eines Aktors genutzt, sondern das Solldrehmoment wird als Sollgröße eines Regelkreises genutzt, der damit das gesamte auf die Lenkung wirkende Drehmoment so regelt, dass es dem Solldrehmoment entspricht.
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Der Regler kann ein Proportionalglied, ein Integralglied und/oder ein Differentialglied aufweisen. Eine proportionale Regelung ist besonders einfach, da hier nur eine Multiplikation der Messsignale mit einem Wert und eine Ausgabe des Werts an den Aktor erfolgt. Nachteilig bei einer Proportionalregelung ist insbesondere, dass ein vorgegebener Sollwert niemals exakt erreicht wird. Das Verhalten einer Proportionalregelung kann durch ein alternativ oder zusätzlich genutztes Integralglied verbessert werden. Sind im Messsignal keine starken hochfrequenten Rauschanteile enthalten, kann das Regelverhalten unter Umständen durch die insbesondere zusätzliche Nutzung eines Differentialgliedes weiter verbessert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug kann besonders leicht realisiert werden, wenn der Aktor und/oder der weitere Aktor Bestandteil einer elektromechanischen Servolenkung ist bzw. sind. Ein Hinzufügen weiterer Aktoren in einem Kraftfahrzeug ist aus Kosten- und Komplexitätsgründen häufig nicht gewünscht. Daher ist es besonders vorteilhaft, im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug zur Kompensation der vom Fahrer ausgeübten Lenkmomente im automatisch quergeführten Betrieb Aktoren zu nutzen, die ohnehin im Kraftfahrzeug vorhanden sind. Die Aktoren einer elektromechanischen Servolenkung eignen sich sowohl dazu, als Aktoren eines querführenden Systems zu dienen, als auch dazu, zusätzlich die von einem Fahrer ausgeübten Lenkkräfte zu kompensieren.
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Das Fahrerassistenzsystem kann beispielsweise ein Spurführungssystem, insbesondere ein Spurmittenführungssystem, zum Führen des Fahrzeugs innerhalb einer durch den Sensor erkannten Fahrspur sein. Ein Spurführungssystem erzeugt ein Lenkmoment, wenn eine zukünftige Trajektorie des Kraftfahrzeugs zu einem Überschreiten der Spurgrenze führen würde. Spurmittenführende Fahrassistenzsysteme greifen bereits früher in die Querführung eines Kraftfahrzeugs ein und regeln die Lenkung eines Kraftfahrzeugs so, dass das Kraftfahrzeug in der Mitte einer Fahrspur bleibt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Position innerhalb einer Spur, entlang der das Kraftfahrzeug geführt wird, beliebig zu wählen. Insbesondere kann eine solche Wahl über eine Benutzerschnittstelle oder fahrsituationsabhängig erfolgen.
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Die Kompensation von durch den Fahrer ausgeübten Lenkmomenten bei Fahren unter Kontrolle eines querführenden Fahrassistenzsystems ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Kraftfahrzeug ein System zum querkraftfreien Fahren aufweist, beispielsweise ein System, das die Federung eines Kraftfahrzeugs anpasst oder Querkräfte am Sitz eines Kraftfahrzeugs kompensiert. Solche Systeme können weit besser arbeiten, wenn ihnen ein zukünftiger Trajektorienverlauf zur Verfügung steht. Prinzipiell kann jedes querführende Fahrerassistenzsystem einen solchen Trajektorienverlauf voraussagen. Wie bereits erläutert, können stetige Störungen durch Lenkmomente des Fahrers die Voraussagefähigkeit eines solchen Fahrerassistenzsystems jedoch stark beeinträchtigen. Daher ist die Trajektionsvoraussage besonders genau, wenn Lenkkräfte des Fahrers beim automatisch quergeführten Betrieb des Kraftfahrzeugs kompensiert werden.
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Neben einem Kraftfahrzeug betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Querführung eines Kraftfahrzeugs umfassend ein Lenkrad, mindestens einen Sensor zum Erfassen von Umweltinformationen, mindestens einen Aktor zum Erzeugen eines lenkradseitig anliegenden Drehmoments und ein Fahrerassistenzsystem zur Querführung des Kraftfahrzeugs umfassend wenigstens eine Steuereinrichtung sowie einen Regler, wobei dem Regler als Eingangssignal das Gesamtlenkmoment aus Lenkmoment und Drehmoment, das durch den Aktor ausgeübt wird, zugeführt wird und das Ausgangssignal des Reglers den Aktor oder einen ersten der Aktoren steuert, umfassend die Schritte
- – Aufnahme von Umweltinformationen mit dem Sensor,
- – Bestimmung einer Solltrajektorie unter Berücksichtigung der Umweltinformationen durch die Steuereinrichtung,
- – Berechnen eines Solldrehmoments, das beim Fahren der Solltrajektorie lenkradseitig anliegt soll, durch die Steuereinrichtung,
- – entweder Setzen des Solldrehmoments als Sollgröße für den Regler des Fahrassistenzsystems
- – oder Null setzen der Sollgröße des Reglers und Ansteuerung eines zweiten Aktors, derart, das dieser ein lenkradseitiges Drehmoment gleich dem Solldrehmoment erzeugt,
- – Wechsel in einen anderen Betriebsmodus des Fahrassistenzsystems, falls das Lenkmoment einen vorgegebenen oder vorgebbaren Maximalwert überschreitet.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen und Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
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3 eine schematische Darstellung der Ansteuerung eines Aktors zur Kompensation eines Lenkmoments,
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4 eine schematische Darstellung der Ansteuerung eines Aktors zum Ausüben eines Solldrehmoments bei gleichzeitiger Kompensation eines Lenkmoments,
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5 eine schematische Darstellung eines Regelkreises zur Ansteuerung eines Aktors, und
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6 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Querführung eines Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1, das ein Lenkrad 2, einen Sensor 3, der eine Kamera ist, einen Aktor 4 zum Erzeugen eines lenkradseitig anliegenden Drehmoments, eine Steuereinrichtung 5 eines Fahrassistenzsystems sowie einen Lenkmomentsensor 6 umfasst. Die elektronischen Komponenten kommunizieren digital über einen CAN-Bus 7. In einem Betriebsmodus des Fahrerassistenzsystems werden die Bilder des Sensors 3 über den CAN-Bus 7 an die Steuereinrichtung 5 des Fahrassistenzsystems übertragen. Die vom Sensor 3 aufgenommenen Umweltinformationen liegen hier zunächst als Bilder vor. Diese Bilder werden in der Steuereinrichtung 5 des Fahrassistenzsystems verarbeitet und es werden auf diesen Bildern Fahrspuren erkannt, indem beispielsweise Spurmarkierungen ausgewertet werden. Durch die Erkennung von Fahrspuren im Bild der Kamera kann die Steuereinrichtung 5 die Position und Orientierung des Kraftfahrzeugs 1 bezüglich einer befahrenen Fahrspur feststellen. Aus diesen Informationen kann eine Solltrajektorie des Kraftfahrzeugs 1 berechnet werden, die das Kraftfahrzeug 1 innerhalb der Spur bzw. in der Spurmitte hält. Aus dieser Solltrajektorie können dann wiederum Solldrehmomente bestimmt werden, die zur Ansteuerung des Aktors 4 genutzt werden können. In einem üblichen Fahrzeug würde über den CAN-Bus 7 eine Information, die das Solldrehmoment darstellt, an den Aktor 4 übertragen. Der Aktor 4 umfasst eine nicht gezeigte Steuereinrichtung, die die digitalen Signale des CAN-Busses 7 in Ansteuerinformationen für den Aktor 4 umsetzt.
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Im Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs nach 1 soll ein vom Fahrer auf das Lenkrad 2 ausgeübtes Lenkmoment kompensiert werden. Zunächst wird dieses Lenkmoment vom Lenkmomentsensor 6 detektiert, in digitale Informationen umgesetzt und über den CAN-Bus 7 an die Steuereinrichtung 5 übertragen. In der Steuereinrichtung liegen also sowohl die zuvor berechneten Solldrehmomente als auch die vom Fahrer auf das Lenkrad 2 ausgeübten Lenkmomente als digitale Information vor. Die Steuereinrichtung kann nun also ein Kompensationsdrehmoment berechnen, das dem durch den Lenkmomentsensor 6 gemessenen Drehmoment entspricht. Dieses Kompensationsmoment wird zum Solldrehmoment addiert. Die Steuereinrichtung 5 kann dieses Gesamtdrehmoment, das einer Summe von Solldrehmoment und Kompensationsdrehmoment entspricht, wiederum in einer digitalen Darstellung über den CAN-Bus 7 an den Aktor 4 übertragen, wo das so übertragene Signal gewandelt und in eine analoge Ansteuerung eines Aktors, beispielsweise eines Elektromotors, umgesetzt wird. Die Übertragung des Drehmoments des Aktors auf das Lenkgestänge und damit auf das Lenkrad erfolgt durch ein Zahnradgetriebe.
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Bei einem quergeführten Fahren des Kraftfahrzeugs 1 ist eine Kompensation der von einem Fahrer auf das Lenkrad 2 ausgeübten Lenkmomente gewünscht. Gleichzeitig soll es jedoch für den Fahrer möglich sein, durch ein stärkeres Lenken die Kontrolle über das Fahrzeug zu übernehmen. Daher wird das im Lenkmomentsensor 6 gemessene und über den CAN-Bus 7 übertragene Lenkmoment in der Steuereinrichtung 5 mit einem Maximalwert verglichen. Dieser Maximalwert kann beispielsweise über ein nicht gezeigtes Bedienelement durch einen Fahrer einstellbar sein. Solange der Maximalwert nicht überschritten wird, bleibt das Fahrassistenzsystem in einem Modus, in dem das Kraftfahrzeug 1 quergeführt wird und Lenkmomente, die durch den Fahrer auf das Lenkrad 2 übertragen werden, kompensiert werden. Hier sind der Lenkmomentsensor 6 und der Aktor 4 derart eingebaut und werden derart angesteuert, dass positive Werte am Lenkmomentsensor 6 einem Ausüben eines Drehmoments durch den Fahrer auf das Lenkrad 2 im Uhrzeigersinn entsprechen, und dass eine Ansteuerung des Aktors 4 mit positiven Werten einem Ausüben eines Drehmoments im Uhrzeigersinn führt. Damit muss, um eine Kompensation des Lenkmoments zu erreichen, der vom Lenkmomentsensor 6 gemessene und von der Steuereinrichtung 5 empfangene Wert mit einem negativen Faktor gewichtet werden, bevor er zum Solldrehmoment addiert und an den Aktor 4 übertragen wird. Im einfachsten Fall erfolgt eine Gewichtung mit dem Faktor –1, wodurch das Lenkmoment vollständig kompensiert wird.
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Wird der vorgegebene Maximalwert des Lenkmoments überschritten, so kann dies durch die Steuereinrichtung 5 festgestellt werden, worauf das Fahrassistenzsystem in einen zweiten Modus geschaltet wird. Im einfachsten Fall kann in diesem zweiten Modus der Gewichtungsfaktor für das am Lenkmomentsensor 6 gemessene Lenkmoment Null sein. In diesem Fall erfolgt keine Kompensation des Lenkmoments. Im Ausführungsbeispiel wird das gemessene Lenkmoment in der Steuereinrichtung 5 im zweiten Modus des Fahrerassistenzsystems jedoch mit einem positiven, geschwindigkeitsabhängigen Faktor gewichtet. Dies bedeutet, dass das Fahrassistenzsystem im zweiten Betriebsmodus als elektromechanische Servolenkung arbeitet. Daneben wird im zweiten Modus des Fahrassistenzsystems auch kein Solldrehmoment ausgegeben. Es erfolgt also ausschließlich eine Ansteuerung des Aktors 4, die vom Lenkmoment abhängig ist und dieses verstärkt.
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Ein plötzlicher Übergang zwischen den beiden Betriebsmodi senkt durch die plötzliche Änderung des auf das Lenkrad 2 ausgeübten Drehmoments den Fahrkomfort und kann zu einem Übersteuern durch den Fahrer und damit zu Sicherheitsrisiken führen. Daher erfolgt der Wechsel zwischen den Betriebsmodi im Ausführungsbeispiel über einen Zeitraum von einer Sekunde. Beispielhaft soll sich das Fahrzeug zunächst im quergeführten Fahrmodus befinden und der Fahrer soll in diesem Modus ein Drehmoment auf das Lenkrad ausüben, das das vorgegebene Maximalwertdrehmoment überschreitet. Sobald der vorgegebene Maximalwert überschritten ist, beginnt das Fahrassistenzsystem den Wechsel des Betriebsmodus. Während dieses Wechsels des Betriebsmodus wird der Gewichtungsfaktor, mit dem das am Lenkmomentsensor 6 gemessene Lenkmoment gewichtet wird, um das Kompensationsmoment zu berechnen, vom Wert –1, den er im quergeführten Modus aufweist, um das Lenkmoment vollständig zu kompensieren, kontinuierlich und linear auf einen positiven, geschwindigkeitsabhängigen Wert geändert. Ebenso wird das Solldrehmoment mit einem Wert multipliziert, der über den Umschaltzeitraum von einer Sekunde kontinuierlich und linear von 1 auf 0 abnimmt. Damit erfolgt ein flüssiger Übergang von einem quergeführten Fahrmodus in einen Fahrmodus, in dem der Fahrer volle Kontrolle über das Kraftfahrzeug hat.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs gezeigt. Statt des Aktors 4 in 1 werden hier zwei Aktoren, der Aktor 8 und der Aktor 9, zur Ausübung eines Drehmoments auf das Lenkrad genutzt. Beide Aktoren sind hier an der Lenkachse angeordnet. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird von der Ansteuereinrichtung 5 des Fahrassistenzsystems aus den Bildern einer Kamera 3 zunächst eine Solltrajektorie und damit auch ein Solldrehmoment berechnet, das an den Aktor 9 übertragen wird. Die Kompensation des Lenkmoments erfolgt hier vollständig getrennt von der Ermittlung und Ausübung des Solldrehmoments. Das vom Fahrer auf das Lenkrad 2 ausgeübte Lenkmoment wird vom Lenkmomentsensor 6 detektiert, in einer zweiten Steuereinrichtung 10 gewichtet und anschließend zur Ansteuerung des anderen Aktors 8 genutzt. Diese getrennte Kompensation des Lenkmoments ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Kompensation des Lenkmoments analog erfolgen soll bzw. wenn der Drehmomentsensor 6, die zweite Steuereinrichtung 10 und der Aktor 8 gemeinsam eine Baugruppe bilden, die nahezu unabhängig von den restlichen Steuer- und Regelkreisen des Kraftfahrzeugs sein kann.
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3, 4 und 5 zeigen schematisch verschiedene Ansteuerungsarten für Aktoren, die genutzt werden können, um ein Lenkmoment zu kompensieren. In 3 ist eine besonders einfache Art der Ansteuerung gezeigt, in der ein vom Drehmomentsensor 6 aufgenommener Drehmomentwert in einer Multipliziereinheit 11 mit einem von der Steuereinrichtung 5 ausgegebenen Gewichtungsfaktor multipliziert wird und direkt zur Ansteuerung des Aktors 8 genutzt wird. Es ist anzumerken, dass selbstverständlich keine Drehmomente übertragen werden, sondern Spannungen oder digitale Werte, die Drehmomenten entsprechen. Im einfachsten Fall kann die Steuereinrichtung 5 einen 1-Wert ausgeben um die Kompensation des Lenkmoments zu aktivieren und einen Null-Wert um die Kompensation zu deaktivieren. Abhängig von der Art des Einbaus und des Auslesens kann es noch notwendig sein, den Ausgabewert zu invertieren, um eine Kompensation des Lenkmoments zu erreichen.
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Falls die Steuereinrichtung 5 zur Ausgabe positiver und negativer Werte ausgebildet ist, kann bereits mit dem in 3 gezeigten Schema ein Fahrassistenzsystem mit zwei Betriebsmodi realisiert werden, bei dem in einem ersten Betriebsmodus ein Lenkmoment kompensiert wird, um eine Verbesserung einer Querführung eines Kraftfahrzeugs zu erreichen, und in einem zweiten Betriebsmodus das Fahrassistenzsystem als elektromechanische Servolenkung dient.
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4 zeigt schematisch eine weitere Art der Ansteuerung eines Aktors 4 zur Kompensation eines Lenkmoments. Das durch den Drehmomentsensor 6 gemessene Drehmoment wird hier in einer Multipliziereinheit 11 mit einem Ausgabewert der Steuereinheit 5 multipliziert. Wie bereits zu 3 erläutert, kann die Steuereinheit 5 positive und negative Werte ausgeben, um eine Verstärkung eines Lenkmoments, also die Funktion einer elektromechanischen Servolenkung, zu erreichen, oder ein Invertieren eines Lenkmoments und damit die Kompensation des Lenkmoments. Wird das Kraftfahrzeug in einem quergeführten Modus betrieben, so wird in einem Addierblock 12 zu dem im Multiplizierblock 11 berechneten Kompensationsdrehmoment das Solldrehmoment addiert und die Summe an einen Aktor 4 ausgegeben.
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5 zeigt eine dritte Möglichkeit zur Ansteuerung eines Aktors zur Kompensation eines an einem Lenkmomentsensor 6 gemessenen Lenkmoments. Hier erfolgt die Ansteuerung durch einen Regler 16 mit parallel geschaltetem Proportional-, Integral- und Differentialglied. Als Eingangssignal liegt am Regler die Summe des durch den Lenkmomentsensor 6 gemessenen Lenkmoments und des durch den Aktor 4 am Lenkrad erzeugten Drehmoments an. Zur Ermittlung des vom Aktor 4 am Lenkrad erzeugten Drehmoments wird das Ansteuersignal des Aktors 4 genutzt. Dieses wird im Addierblock 12 zu dem am Lenkmomentsensor 6 gemessenen Lenkmoment addiert. Je nach Art des Messsignals des Lenkmomentsensors 6 und des Ansteuersignals des Aktors 4 kann bei der praktischen Umsetzung vor der Addition in Additionsblock 12 noch eine Skalierung von einem Signal oder beiden Signalen notwendig sein.
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Der Sollwert des Reglers wird durch die Steuereinrichtung 5 vorgegeben. Dieser entspricht bei einem quergeführten Fahren des Fahrzeugs dem Solldrehmoment. Der Ausgang des Reglers 16 wird dem Aktor 4 zugeführt. Damit erfolgt eine Regelung des Gesamtdrehmoments am Lenkrad, also der Summe des durch den Aktor 4 am Lenkrad erzeugten Drehmoments und des durch den Fahrer ausgeübten Lenkmoments auf einen Wert, der dem Solldrehmoment entspricht.
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Der Regler 16 ist ein PID-Regler. Im Regler werden zunächst der Eingangswert und der Sollwert in einem Subtraktionsblock 13 voneinander abgezogen. Nachdem bei einem Regelkreis im Idealfall der Eingangswert auf den Sollwert geregelt werden soll, entspricht der Ausgang des Subtraktionsblocks 13 einem Fehlersignal. Dieses Fehlersignal wird einem Proportionalzweig, einem Differentialzweig und einem Integralzweig zugeführt. Im Proportionalzweig wird das Signal im Multiplikationsblock 11 mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert. Damit ist der Ausgabewert des Proportionalzweigs proportional zum Fehlersignal. Vorteilhaft werden die Signale derart dem Subtraktionsblock zugeführt, dass der Ausgang des Subtraktionsblocks bereits ein dem Fehler entgegengesetztes Vorzeichen aufweist. Alternativ ist auch eine Multiplikation mit einem negativen Wert im Multiplikationsblock 11 möglich. Der Multiplikationswert für den Proportionalzweig kann fest vorgegeben sein, er kann aber auch durch die Steuerungseinrichtung einstellbar sein.
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Der Differential- und Integralzweig sind ähnlich aufgebaut, nur dass vor der Gewichtung des entsprechenden Signals das Signal im Differentialzweig durch den Differentiator 15 differenziert und im Integralzweig durch den Integrator 14 integriert wird. Die Gewichtungsfaktoren der drei Zweige des Reglers 16 beeinflussen die Geschwindigkeit der Regelung, das Überschwingverhalten des Regelkreises und die Robustheit des Regelkreises gegenüber Störsignalen.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren beginnt im Schritt S0, in dem sich das Kraftfahrzeug in einem quergeführten Fahrmodus befindet. Im Schritt S1 werden mit Hilfe mindestens eines Sensors Umweltinformationen aufgenommen. Diese werden im Schritt S2 durch die Steuereinrichtung ausgewertet und aus den Umweltinformationen wird eine Solltrajektorie bestimmt. Aus einem Vergleich der Solltrajektorie mit der momentanen Ist-Trajektorie des Fahrzeugs, das heißt der Fahrzeugposition, der Fahrzeugorientierung und weiteren Informationen, die beispielsweise aus Trägheitssensoren oder Ähnlichem bestimmt werden können, werden im Schritt S3 Solldrehmomente bestimmt, die beim Fahren der Solltrajektorie am Lenkrad erzeugt werden sollen.
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Im Schritt S4 wird das jeweils zeitlich aktuelle Solldrehmoment als Sollwert für einen Regler des Fahrassistenzsystems vorgegeben. Dieser Regler regelt die Summe des Lenkmoments und des durch den Aktor im Lenkrad erzeugten Drehmoments auf diesen eingestellten Sollwert. Im Schritt S5 wird überprüft, ob das vom Fahrer ausgeübte Lenkmoment einen Maximalwert übersteigt. Wird dieser Maximalwert nicht überschritten, so wird das Verfahren ab Schritt S1 wiederholt. Bei Überschreiten dieses Maximalwerts wird das Verfahren im Schritt S6 fortgesetzt.
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Im Schritt S6 folgt ein Wechsel des Betriebsmodus des Fahrassistenzsystems. Beispielsweise kann in diesem Fall die Querführung des Kraftfahrzeugs abgebrochen werden und die Steuerung des Aktors 4 kann dermaßen verändert werden, dass ein kontinuierlicher Übergang von einer Kompensation von Lenkmomenten zu einer Verstärkung von Lenkmomenten erfolgt, um eine Funktion einer elektromechanischen Servolenkung zu erreichen. Nach dem Wechsel in einen anderen Betriebsmodus des Fahrassistenzsystems endet das Verfahren im Schritt S7.
