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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer kritischen Fahrsituation eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug zur Ausführung eines derartigen Verfahrens.
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Es ist seit langem bekannt, dass elektronische Fahrdynamikregelungssysteme wie ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) zur Fahrzeugstabilisierung in kritischen Fahrsituationen verwendet werden können. Als kritische Fahrsituationen oder Fahrzustände werden Zustände im Grenzbereich angesehen, bei denen die Haftreibung wenigstens eines Reifens in Gleitreibung übergeht. Zur Erkennung dieser Zustände wird z. B. die Fahrervorgabe bezüglich des eingeschlagenen Lenkradwinkels mit dem tatsächlichen Fahrverhalten des Fahrzeugs verglichen. Hierzu können Daten von verschiedenen Sensoren des Fahrzeugs oder auch modellierte Daten zur Analyse verwendet werden. So kann z. B. der Lenkwinkel als Eingangsgröße genommen werden und Sensoren z. B. zur Erfassung der Gierung, Querbeschleunigung, Längsachsendrehung oder Reifenhaftung liefern die Werte zur Erfassung bzw. Bestimmung des aktuellen Fahrzeugverhaltenes. Eine Software berechnet dann den Soll- und Ist-Wert und greift korrigierend durch Bremseingriffe der einzelnen Räder oder durch eine Motordrosselung in die Fahrzeugdynamik ein. Neuere Versionen von elektronischen Fahrdynamikregelungssystemen können auch aktiv die Lenkwinkel der Räder ohne Zutun des Fahrers abändern, um das Fahrzeug in kritischen Situationen zusätzlich zu stabilisieren.
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Im Stand der Technik ist bekannt, dass der Eingriffszeitpunkt und die Eingriffsstärke des elektronischen Fahrdynamikregelungssystems durch den Fahrer über ein Bedienelement, d. h. einen kleinen Drehknopf am Lenkrad, in mehreren Stufen eingestellt bzw. komplett ausgeschaltet werden kann.
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Aus der
EP 2 021 224 B1 ist bekannt, dass das Verhalten des elektronischen Fahrdynamikregelungssystems in Abhängigkeit der Fahrcharakteristik des Fahrers erfolgt, d. h. bei einem sportlicheren Fahrer ein späterer und geringerer Eingriff erfolgt als bei einem vorsichtigeren Fahrer. Die Fahrercharakteristik wird über Sensoren aus z. B. dem Lenk-, Beschleunigungs- und Abbremsverhalten des Fahrers bestimmt.
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Durch nachfolgende Weiterentwicklungen kann der Fahrer bei der Stabilisierung des Fahrzeugs noch mehr unterstützt werden. So wurde die DSR-Funktion (Driver Steering Recommendation) entwickelt. Dabei überträgt ein Servomotor Drehmomente auf das Lenkrad, die für den Fahrer haptisch spürbar sind. So kann dem Fahrer das richtige Lenkverhalten in kritischen Fahrsituationen empfohlen und erleichtert werden, indem das Drehmoment am Lenkrad die Lenkbewegung des Fahrers unterstützt oder dieser entgegenwirkt, je nachdem in welche Richtung und wie stark der aktuelle Lenkradeinschlagswinkel von dem auf Grundlage z. B. der Sensoren bestimmten Idealwert abweicht.
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In der
DE 10 2010 024 171 A1 wird eine aktive Ansteuerung des Lenkrads beschrieben, die dem Fahrer ein haptisches Feedback zur aktuellen Fahrsituation liefert, damit dieser durch Lenkung stabilisierend eingreifen kann, wenn das System eine kritische Situation des Fahrzeugs registriert.
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Die
DE 11 2004 002 252 B4 wiederrum beschreibt die zusätzliche Funktion der Korrektur des Fahrerverhaltens durch eine Drehmomentübertragung auf das Lenkrad, bei der die Intensität der kritischen Situation bewertet wird und das unterstützende Moment am Lenkrad daraufhin variieren kann.
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Auch die
EP 1 849 682 A1 betrifft ein haptisch durch den Fahrer wahrnehmbares Unterstützungsmoment der Lenkung in Abhängigkeit der Fahrzeugdynamik.
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Die
DE 10 2010 030 986 A1 betrifft die Bestimmung der Zahnstangenkraft eines aktiven Lenkunterstützungssystems, über das eine haptische Rückmeldung der Straßenbeschaffenheit an den Fahrer ermöglicht wird.
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Die
DE 10 2009 006 211 A1 beschreibt eine verbesserte Modellierung der Fahrdynamik eines zweispurigen Fahrzeugs zur Erkennung der Annäherung an den querdynamischen Grenzbereich des Fahrzeugs.
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Nachteilig ist allen zuvor beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen, dass die Fahrerunterstützung und die automatische Fahrzeugstabilisierung erst eingreifen, wenn diese elektronischen Fahrdynamikregelungssysteme wie z. B. das ESP-System erkannt haben, dass sich das Fahrzeug bereits in einer kritischen Fahrsituation befindet oder kurz davor ist. Besonders bei höheren Geschwindigkeiten gehen so durch die Getriebeübersetzungen der Servomotoren und die verminderten Feedbackqualitäten der aktuellen Fahrsituation an den Fahrer über das Lenkrad wertvolle Streckenmeter und Zeit verloren, bis eine Reaktion des Fahrers bzw. ein Eingreifen der Unterstützungssysteme erfolgt. Auch wird das Fahrverhalten des Fahrers in der Gegenreaktion auf eine kritische Fahrzeugsituation bisher nur unzureichend berücksichtigt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile auszuräumen. Insbesondere soll ein Verfahren geschaffen werden, welches eine kritische Fahrsituation schneller erkennt als bekannte Unterstützungssysteme und dies auch unter Berücksichtigung sich ändernder Rahmenbedingungen des Fahrzeugs ermöglicht.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13 gelöst. Die Unteransprüche und Figuren zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Hervorzuheben ist, dass mit der erfindungsgemäßen Lösung insbesondere das Fahrverhalten des Fahrers, schwankende Fahrzeugparameter wie z. B. die Zustände der Reifen oder die Beladung des Fahrzeugs und bzw. oder schwankende Umweltparameter wie z. B. die Straßenbeschaffenheit, die Witterungsbedingungen oder die Verkehrslage bei der Erkennung kritischer Fahrzeugzustände berücksichtigt werden können.
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Entsprechend wird ein Verfahren zur Erkennung einer kritischen Fahrsituation eines Fahrzeugs mit den Schritten vorgeschlagen:
- • Erkennen einer Abweichung von einem vordefinierten Zusammenhang zwischen der Zahnstangenkraft einer Zahnstange und dem Lenkeinschlag des Fahrzeugs, und
- • im Ansprechen auf die erkannte Abweichung vom vordefinierten Zusammenhang, Erkennen einer kritischen Fahrsituation des Fahrzeugs.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in kritischen Fahrsituationen eine Reaktion des Lenksystems auf diese Fahrsituation schneller und direkter erfolgt als die entsprechende Reaktion des Fahrzeugs an sich. So ist der Übergang von Haft- zu Gleitreibung der Reifen, der das Eintreten eines kritischen Fahrzustands markiert, durch das Lenksystem, welches direkt mit den Reifen gekoppelt ist, schneller erkennbar als die Reaktion des Fahrzeugs hierauf wie z. B. durch das Eintreten einer Gierung des Fahrzeugs als Reaktion auf den Haftkontaktabriß der Reifen. Auch spiegeln sich die aktuellen Verhältnisse, in denen sich das Fahrzeug befindet wie z. B. die Beschaffenheit des Untergrundes und bzw. oder der Reifen, die Beladung des Fahrzeugs etc. in der Reaktion des Lenksystems schneller und direkter wieder als in der Fahrzeugreaktion. Dies gilt ebenso für das Lenkverhalten des Fahrers, welches direkt im Lenksystem wirkt.
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Daher macht es sich die vorliegende Erfindung zu Nutze, dass bei stabilen, d. h. unkritischen Fahrsituationen ein vordefinierter (vorbestimmter) Zusammenhang zwischen der Zahnstangenkraft und dem Lenkeinschlag besteht. Unter dem Lenkeinschlag oder auch Lenkeinschlagswinkel des Fahrzeugs wird der Radeinschlag gegenüber der Längsachse des Fahrzeugs verstanden, d. h. gegenüber der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs bei Geradeausfahrt. Bei einer Geradeausfahrt des Fahrzeugs liegt z. B. ein Lenkeinschlag bzw. Radeinschlag von 0 Grad Winkelstellung vor. Im Unterschied hierzu wird unter dem Lenkwinkel die Winkelstellung des Lenkrades bzw. der Lenkstange verstanden, aus welcher der Lenkeinschlag ermittelt werden kann.
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Der Zusammenhang zwischen Zahnstangenkraft und Lenkeinschlag kann über eine nichtlineare Modellierung abgebildet oder linear angenähert werden. Ebenso erhöhen sich im stabilen Fahrbetrieb in Relation zum Lenkeinschlag auch die Querbeschleunigung und damit die Seitenkraft und infolgedessen auch die Zahnstangenkraft. Tritt eine Abweichung von diesem vorbestimmten Zusammenhang auf, ist dies ein Hinweis auf das Erreichen der maximal übertragbaren Seitenkräfte und damit des Grenzbereichs. Denn mit dem Abriss der Haftreibung der Reifen und dem Übergang zur Gleitreibung nehmen die Seitenkraft und damit die Zahnstangenkraft trotz steigendem Lenkeinschlag einen degressiven Verlauf an. Da der fahrdynamische Grenzbereich eines Fahrzeugs maßgeblich von der maximal übertragbaren Seitenkraft der Räder abhängt und zum Teil stark durch schwankende Umwelt- und Fahrzeugparameter variiert, ist diese Abweichung von dem vorbestimmten Zusammenhang eine schnellere und direkte Methode zur Erkennung kritischer Fahrzustände als die Bestimmung der Gierratendifferenz wie zuvor beschrieben.
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Es können auch weitere Fahrzustandsinformationen, die von anderen Steuergeräten des Fahrzeugs stammen, zur Erkennung des Grenzbereichs bzw. zur Plausibilisierung eines erkannten Grenzbereichs verwendet werden. Des Weiteren können unter anderem die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Querbeschleunigung, der Schwimmwinkel, die Zahnstangenkraft, die Lenkradwinkelgeschwindigkeit sowie die Lenkradwinkelbeschleunigung zur Erkennung oder Plausibilisierung der Fahrsituation hinzugezogen werden. Die Ermittlung der Zahnstangenkraft kann über Sensoren oder eine echtzeitfähige Beobachtung erfolgen.
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Vorzugsweise enthält der vordefinierte Zusammenhang zwischen der Zahnstangenkraft und dem Lenkeinschlag zusätzlich die Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann dabei in die Modellierung des Zusammenhangs zwischen Zahnstangenkraft und Lenkeinschlag miteinfließen und hierdurch die Genauigkeit der Modellierung und damit die Qualität der Erkennung kritischer Fahrzeugzustände verbessern. Auch weist die Fahrzeuggeschwindigkeit einen quadratischen Zusammenhang zur Zentripetalkraft als vorbestimmten physikalischen Zusammenhang auf, so dass durch eine Abweichung von diesem Zusammenhang eine kritische Fahrsituation direkt erkannt werden kann.
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Vorzugsweise weist das Verfahren ferner die Schritte auf:
- • Ermitteln einer Gierratendifferenz zwischen einer Soll-Gierrate und einer Ist-Gierrate des Fahrzeugs,
- • im Ansprechen auf die erkannte Abweichung vom vordefinierten Zusammenhang, Anpassen eines Schwellwertes der Gierratendifferenz, und
- • Erkennen einer kritischen Fahrsituation des Fahrzeugs durch Vergleich der ermittelten Gierratendifferenz mit dem angepassten Schwellwert.
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Bisher wird bei elektronischen Fahrdynamikregelungssystemen eine Bestimmung der Gierratendifferenz zwischen Ist- und Soll-Gierrate (bestimmbar z. B. mittels eines linearen Einspurmodells) durchgeführt und diese Differenz mit einem Schwellwert verglichen, um bei Überschreiten des Schwellwertes den kritischen Fahrzustand zu erkennen und geeignete Gegenmaßnahmen des Fahrzeugs selbst durchzuführen bzw. beim Fahrer zu veranlassen. Diese Lenkeingriffsstrategie kann in Abhängigkeit des Betrages und Vorzeichens der Gierratendifferenz bzw. der Schwellwertüberschreitung erfolgen. Eine entsprechende Ist-Gierrate, die zum Überschreiten des Schwellwertes führt, tritt jedoch bei herkömmlichen Schwellwerten erst dann auf, wenn eine kritische Fahrsituation bereits eingetreten ist. Um eine Reaktion auf kritische Fahrsituationen zu beschleunigen, müssten die Schwellwerte deutlich enger bemessen werden, was jedoch aufgrund Messungenauigkeiten bzw. Modellierungsungenauigkeiten dazu führen kann, dass eine unkritische Fahrsituation zu Unrecht auch als kritisch eingestuft werden würde.
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Auf das erkannte Eintreten einer Abweichung von einem vordefinierten Zusammenhang zwischen Zahnstangenkraft und Lenkeinschlag wird erfindungsgemäß dadurch reagiert, dass in diesem Fall der Schwellwert der Gierratendifferenz angepasst wird, um über die Überschreitung des angepassten Schwellwertes der Gierratendifferenz Gegenmaßnahmen gegen die erkannt kritische Fahrsituation einzuleiten. Auch kann dieser Schwellwert zukünftig verwendet werden, sofern keine weitere Anpassung erfolgt. Auf diese Weise wird im Fahrbetrieb bei schwankenden Umwelt- und Fahrzeugparametern der Schwellwert der Gierratendifferenz, d. h. die Grenzgierrate, angepasst. Hierdurch können kritische Fahrsituationen früher erkannt und Reaktionen hierauf ausgelöst werden, die dann geringer ausfallen können, weil sie frühzeitiger als bisher bekannt in die beginnende kritische Fahrsituation eingreifen. Dies kann zu geringen und bzw. oder weniger Eingriffen des elektronischen Fahrdynamikregelungssystems führen. Ferner kann diese Erkenntnis bei einem bestehenden System zur Beeinflussung der Fahrsicherheit wie einem elektronischen Fahrdynamikregelungssystem, z. B. einem ESP-System, sehr einfach umgesetzt werden, da das System an sich unverändert bleibt und lediglich sein Eingriff dadurch eher erfolgt, dass die auslösende Grenzgierrate erfindungsgemäß verändert wird.
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Vorzugsweise wird der Schwellwert der Gierratendifferenz auf die ermittelte Gierratendifferenz angepasst. Dies bedeutet, dass die zum Zeitpunkt der Abweichung von einem vordefinierten Zusammenhang auftretende Gierratendifferenz als Schwellwert der Gierratendifferenz verwendet wird, so dass in diesem Moment auch bei einer nur geringfügig weiter ansteigenden Gierratendifferenz der adaptiv über die Zahnstangenkraft angepasste Schwellwert sofort überschritten und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Auch kann dieser Schwellwert zukünftig verwendet, sofern keine weitere Anpassung erfolgt.
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Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß die bestimmte aktuelle Gierratendifferenz auf der Ergebnis der Betrachtung der Abweichung von einem vordefinierten Zusammenhang referenziert und hierdurch eine adaptive Schwellwertbestimmung der Gierratendifferenz durchgeführt. Auf diese Weise wird der bestimmten aktuellen Gierratendifferenz eine Kritikalität zugeordnet. Abweichungen durch Signal- und bzw. oder Berechnungsungenauigkeiten der Ist- und bzw. oder Soll-Gierrate bleiben somit bei der Lenkeingriffsstrategie unberücksichtigt, da die kritische Fahrsituation ausschließlich über die Abweichung von einem vordefinierten Zusammenhang der Lenkstangenkraft und dem Lenkeinschlag erkannt und lediglich über die Anpassung des Schwellwertes der Gierratendifferenz an das elektronische Fahrzeugdynamikregelungssystem wie z. B. ESP kommuniziert wird.
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Vorzugsweise weist das Verfahren ferner die folgenden Schritte auf:
- • Ermitteln einer Lenkbereitschaft des Fahrers des Fahrzeugs, und
- • im Ansprechen auf eine erkannte kritische Fahrsituation, Ermitteln eines Zusatz-Lenkmoments zur Stabilisierung des Fahrzeugs in Abhängigkeit der Lenkbereitschaft des Fahrers.
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Erfindungsgemäß wird ferner bei Erkennen einer kritischen Fahrsituation eine entsprechende Lenk(moment)eingriffsstrategie eingeleitet, deren Intensität von einer Kenngröße abhängt. Diese Kenngröße gibt prozentual den Grad des Unter- oder Übersteuerns an. Als Kenngröße wird die statistische Lenkbereitschaft des Fahrers verwendet. Dies ist der Lenkwinkel, den ein Fahrer bereit ist, am Lenkrad einzustellen. Dies sind bei einem Normalfahrer üblicherweise 90 Grad. In kritischen Situationen, die den Fahrer an die Grenzen seines fahrerischen Könnens treiben, verringert sich diese Lenkbereitschaft, z. B. auf 45 Grad als maximalen Lenk- bzw. Gegenlenkwinkel. Das z. B. maximale Übersteuern, d. h. 100% Übersteuern, entspricht demnach gerade der Gierratendifferenz, bei der der Fahrer zur Stabilisierung des Fahrzeugs seine maximale Lenk- bzw. Gegenlenkbereitschaft ausnutzen muss.
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Der Lenkwinkel der maximalen Gegenlenkbereitschaft liegt jedoch, insbesondere bei Normalfahrern, deutlich unter dem technisch möglichen Gegenlenkwinkel. Die (maximale) Lenkbereitschaft variiert dabei zwischen verschiedenen Fahrertypen, d. h. Fahrercharakteren. Um diese (Gegen)Lenkbereitschaft zu ermitteln, wird erfindungsgemäß die Fahrweise und damit auch die aufgewendeten Lenkwinkel verfolgt, d. h. erfasst und statistisch ausgewertet. Eine sportliche Fahrweise mit hohen maximalen Lenkwinkeln und Lenkwinkelgradienten beeinflusst die maximale Gegenlenkbereitschaft und damit auch den Bewertungsgrad der kritischen Fahrsituation. Somit würde das erfindungsgemäße Verfahren bei einem sportlichen und versierten Fahrer größere Driftwinkel zulassen und ein geringeres Zusatz-Lenkmoment (als Lenkempfehlung) erzeugen. Ebenso würden z. B. Eingriffe eines elektronischen Fahrdynamikregelungssystems in ihrer Anzahl und bzw. oder Stärke reduziert oder vollkommen zurückgehalten werden. Bei komfortabler Fahrweise hingegen würde das erfindungsgemäße Verfahren frühzeitiger eingreifen und den (Gegen)Lenkaufwand minimieren.
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Vorzugsweise wird die Lenkbereitschaft des Fahrers in Abhängigkeit von fahrzustandsabhängigen Größen, insbesondere der Querbeschleunigung und bzw. oder Geschwindigkeit und bzw. oder Ist-Gierrate, des Fahrzeugs ermittelt. Erfindungsgemäß wird die Kenngröße, insbesondere bei Übersteuersituationen, von weiteren Fahrzeugparametern beeinflusst. So erfordern z. B. geringe Fahrzeuggeschwindigkeiten keinen Eingriff in das Handmoment, d. h. Lenkmoment des Fahrers. Hingegen erhöhen kritische Geschwindigkeiten, die im Bereich der Eigenfrequenz des Fahrzeugs liegen, die Kenngröße. Dabei können die kritischen Geschwindigkeiten ebenfalls adaptiv bestimmt werden. Dabei kann die Gierreaktion des Fahrzeugs auf Lenkwinkelvorgaben zur Bestimmung der Fahrzeugeigenfrequenz dienen.
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Vorzugsweise wird die Lenkbereitschaft des Fahrers in Abhängigkeit der Beschaffenheit des Untergrunds, auf dem sich das Fahrzeug bewegt, ermittelt. Diese Information kann z. B. aus digitalen Straßenkarteninformationen eines Fahrzeugnavigationssystems gewonnen werden. Auch können Umfeldsensoren wie z. B. Kameras, Radar, Ultraschall etc. hierzu genutzt werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass derartige Informationen bei modernen Fahrzeugen ohnehin zur Verfügung stehen und daher durch weitere Funktionen einfach mitgenutzt werden können. Die Auswertung dieser Informationen kann die Genauigkeit der Bestimmung der Lenkbereitschaft des Fahrers weiter steigern und somit die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter verbessern.
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Vorzugsweise wird die Lenkbereitschaft des Fahrers in Abhängigkeit der Verkehrssituation, in der sich das Fahrzeug befindet, ermittelt. Diese kann z. B. durch Umfeldsensoren oder Car-to-Car-Informationen ermittelt werden. Auf diese Weise kann die aktuelle Verkehrssituation des Fahrzeugs ermittelt und hinsichtlich ihrer Kritikalität beurteilt werden, um die Eingriffsschwelle eines Gegenlenkmoments über die Kenngröße z. B. auf einen früheren Eingriff hin zu optimieren, falls sich andere Verkehrsteilnehmer in der Nähe des Fahrzeugs befinden. Auch hierdurch kann die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter verbessert werden.
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Vorzugsweise weist das Verfahren ferner die Schritte auf:
- • Erkennen einer Fahrerreaktion auf das aufgebrachte Zusatz-Lenkmoment, und
- • Ermitteln des Zusatz-Lenkmoments zur Stabilisierung des Fahrzeugs zusätzlich in Abhängigkeit der erkannten Fahrerreaktion.
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Auf diese Weise kann z. B. erkannt werden, dass, insbesondere beim Übersteuern, nach einer ersten Gegenlenkmomentvorgabe (Vorgabe des Zusatz-Lenkmoments) keine hinreichende Stabilisierung des Fahrzeugs erreicht worden ist, so dass weitere Eingriffe unterlassen werden, da davon ausgegangen werden kann, dass der Fahrer nicht in der Lage ist, das Fahrzeug durch Lenkeingriffe zu stabilisieren. Stattdessen können andere Maßnahmen zur Stabilisierung des Fahrzeugs eingeleitet werden. Dieses Vorgehen kann in Abhängigkeit des erkannten Fahrertyps variiert werden. Alternativ kann auch aufgrund des erkannten Handmoments des Fahrers dessen Lenkbereitschaft in nichtstabilen Fahrsituationen angepasst werden. Auf diese Weise kann die im stabilen Fahrbetrieb antizipierte Lenkbereitschaft für nichtstabile Fahrsituationen korrigiert und damit die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter verbessert werden.
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Vorzugsweise wird das Zusatz-Lenkmoment durch das elektromechanische Lenksystem als Impuls aufgebracht. Auf diese Weise ist es möglich, den Signalverlauf des Zusatz-Lenkmoments (Gegenlenkmoment) von dem Verlauf der Kenngröße zu entkoppeln. Dabei wird ein Impuls als Zusatz-Lenkmoment auf die Lenkung aufgeschaltet, dessen Momentenanstieg, Amplitude und Haltedauer in Abhängigkeit der Kenngröße und damit der Kritikalität der Fahrsituation festgelegt wird. Ein solcher eindeutiger Impuls kann haptisch durch den Fahrer besser interpretiert werden als eine Gegenlenkmomentenempfehlung (Zusatz-Lenkmoment), die einen unstetigen Signalverlauf aufweist.
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Vorzugsweise wird beim Erkennen einer kritischen Fahrsituation des Fahrzeugs zwischen einer Übersteuersituation und einer Untersteuersituation unterschieden und das Ermitteln des Zusatz-Lenkmoments zur Stabilisierung des Fahrzeugs erfolgt in Abhängigkeit der Lenkbereitschaft des Fahrers und der erkannten Übersteuersituation oder Untersteuersituation. Bei Übersteuersituationen wird durch ein Zusatz-Lenkmoment entgegen der eingeschlagenen Richtung des Lenkrades dem Fahrer die kompensierende Lenkbewegung zur Stabilisierung des Fahrzeugs vermittelt. Bei Untersteuersituationen sind wenigstens zwei unterschiedliche Strategien möglich. Gemäß einer ersten Strategie wird dem Fahrer durch ein Zusatz-Lenkmoment entgegen der eingeschlagenen Richtung des Lenkrades der Lenkwinkel vermittelt, bei dem die maximal übertragbare Seitenkraft erreicht wird. Die Höhe des Zusatz-Lenkmoments entspricht dabei gemäß der Kenngröße dem prozentualen Anteil des maximal für diese Funktion vorgesehenen Handmoments. Gemäß einer zweiten Strategie wird die Lenkunterstützung erhöht. Hierdurch wird analog herkömmlicher hydraulischer Lenkungen der Punkt vermittelt, an dem die Haftreibung der Vorderräder in Gleitreibung übergeht. Bei dieser Strategie wird vorausgesetzt, dass der Fahrer über ausreichend Kenntnisse verfügt, um dieses Lenkgefühl richtig zu interpretieren und entsprechend reagieren zu können. Um dem Fahrer bei Untersteuersituationen das Gefühl des Haftungsabrisses an den Vorderrädern zu vermitteln, kann das Unterstützungsmoment einer elektromechanischen Lenkung mit Anbindung an ein elektronisches Fahrdynamikregelungssystem in Abhängigkeit von der Kenngröße erhöht werden, so dass das Lenken subjektiv leichter wird.
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Die Auswirkungen der beiden Strategien lassen sich unter anderem anhand des reduzierten Lenkaufwands bei standardisierten Schleudervorgängen beobachten. Bei Untersteuersituationen erreichen auch Normalfahrer mit dem optimalen Lenkaufwand die maximal erreichbare Querbeschleunigung. Eine weitere Auswirkung der Lenkmomenteingriffsstrategien ist die Reduzierung von Bremseingriffen, die durch ein elektronisches Fahrdynamikregelungssystem ausgelöst bzw. beeinflusst werden. Durch die frühzeitigen Lenkeingriffe können Instabilitäten rechtzeitig entgegengewirkt und damit Eingriffe einer elektronischen Fahrdynamikregelung vermieden werden.
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Die Anpassung des Zusatz-Lenkmoments wird bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der festgelegten Eingriffsstrategie und der Höhe der Kenngröße durchgeführt. Es kann ein Zusatz-Lenkmoment aufgebracht werden, welches mittels der Multiplikation eines Faktors mit der Kenngröße berechnet wird.
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Vorzugsweise werden in Abhängigkeit der Lenkbereitschaft des Fahrers weitere Funktionen des Fahrzeugs zur Beeinflussung der Fahrsicherheit und bzw. oder Fahrdynamik gesteuert und bzw. oder geregelt. Auf diese Weise kann diese Information auch durch weitere Funktionen des Fahrzeugs genutzt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Fahrzeug mit einer Lenkstange, welche eingerichtet ist, über einen Lenkstangenservomotor ein Zusatz-Lenkmoment zu übertragen, einem Gierratensensor zur Erfassung der Ist-Gierrate des Fahrzeugs, einem Zahnstangenkraftsensor zur Erfassung der Zahnstangenkraft einer Zahnstange des Fahrzeugs, einem Lenkwinkelsensor zur Erfassung des Lenkwinkels, und einer Steuerungseinheit zur Durchführung eines Verfahrens wie zuvor beschrieben.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Blockschaltbild eines ersten Teils eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein Blockschaltbild eines zweiten Teils eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1 mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeug 1 weist ein Lenkrad 10 auf, welches über eine Lenkstange 11 mit einer Zahnstange 12 verbunden ist. Die Lenkstange 11 erfährt die Lenkbewegung des Fahrers am Lenkrad 10 in Form eines Handmoments S05 und überträgt die Lenkbewegung über die Zahnstange 12 auf das rechte Vorderrad 13 und das linke Vorderrad 14. Das Fahrzeug 1 weist ferner ein rechtes Hinterrad 15 und ein linkes Hinterrad 16 auf, die nicht aktiv lenkbar sind.
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An der Lenkstange 11 ist ein Lenkstangenservomotor 20 vorgesehen, um das Handmoment S05 (Lenkmoment S05), welches der Fahrer über das Lenkrad 10 auf die Lenkstange 11 ausübt, bei Bedarf um ein Zusatzmoment S19 zu einem Gesamtmoment S05, S19 zu verstärken, welches auf die Zahnstange 12 übertragen wird und dem Fahrer so die Fahrzeugführung erleichtern soll. Wird kein Zusatzmoment S19 durch den Lenkstangenservomotor 20 erzeugt, so wirkt das Handmoment S05 alleine als Gesamtmoment S05 auf die Zahnstange 12.
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An der Lenkstange 11 sind ferner ein Lenkwinkelsensor 21 zur Erfassung des Lenkwinkels S02 der Lenkstange 11 und ein Handmomentsensor 22 zur Erfassung des Handmomentes S05 vorgesehen. Über den Lenkwinkel S02 lässt sich der Lenkeinschlag (Radeinschlag) der Vorderräder 13, 14 bestimmen. An der Zahnstange 12 ist ein Zahnstangenkraftsensor 23 zur Erfassung der Kraft S12, die auf die Zahnstange 12 wirkt, vorgesehen. Das Fahrzeug 1 weist ferner einen Gierungssensor 26 zur Erfassung der Gierung S03 (Ist-Gierrate S03) des Fahrzeugs 1, einen Querbeschleunigungssensor 27 zur Erfassung der Querbeschleunigung S04 des Fahrzeugs 1 und einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 28 zur Erfassung der Geschwindigkeit S01 des Fahrzeugs 1 auf. Diese Sensoren 21, 22, 23, 26, 27, 28 und der Lenkstangenservomotor 20 sind über einen CAN-Bus 24 als Datenbus mit einer Steuerungseinheit 25 des Fahrzeugs 1 verbunden.
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Bei einem Fahrzeug 1 wie zuvor beschriebenen kann ein erfindungsgemäßes Verfahren wie folgt, vgl. auch 2 und 3, ausgeführt werden:
In einem ersten Schritt 110 wird die Soll-Gierrate S10, die auch als Referenzgierrate S10 bezeichnet werden kann, mittels eines linearen Einspurmodells in der Steuerungseinheit 25 bestimmt. Hierzu werden der Lenkwinkel S02, aus dem sich der Lenkeinschlag ergibt, und optional die Fahrzeuggeschwindigkeit S01 verwendet. Die Soll-Gierrate S10 wird in einem zweiten Schritt 120 mit der gemessenen Ist-Gierrate S03 verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs ist die Gierratendifferenz S11.
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Parallel wird in einem dritten Schritt 130 die Zahnstangenkraft S12 bestimmt. Dies erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über die Messung des Zahnstangenkraftsensors 23, kann jedoch auch über eine Modellierung des Zahnstangenkraftverlaufs erfolgen. Die Zahnstangenkraft S12, der aus dem Lenkwinkel S02 ermittelte Lenkeinschlag und ggfs. die Fahrzeuggeschwindigkeit S01 werden in einem vierten Schritt 140 verwendet, um eine Abweichung von einem vorbestimmten Zusammenhang zwischen diesen Größen zu ermittelt. Denn da in einem stabilen Fahrzeugzustand der Zusammenwirken zwischen der Zahnstangenkraft S12 und dem Lenkeinschlag durch eine vorbestimmte Funktion beschrieben werden kann, kann aus einer Abweichung von diesem vorbestimmten Zusammenhang auf das Eintreten einer kritischen Fahrzeugsituation geschlossen werden, d. h. auf einen Übergang von Haftreibung der Reifen zu Gleitreibung. Diese Situation ist aus dem zuvor genannten Zusammenhang frühzeitiger erkennbar als aus dem Vergleich der Soll-Gierrate S10 mit der Ist-Gierrate S03, d. h. aus der Gierratendifferenz S11, weil die Reaktion des Lenksystems 11, 20 schneller und direkter erfolgt als die Reaktion des Fahrzeugs 1 an sich. Daher wird erfindungsgemäß eine erkannte Abweichung von einem vordefinierten Zusammenhang S13 über eine Anpassung des Schwellwertes der Gierratendifferenz S14 in einem fünften Schritt 150 an das Lenksystem 11, 20 übertragen. Hierzu wird im Falle einer erkannten Abweichung von einem vordefinierten Zusammenhang S13 der Schwellwert der Gierratendifferenz S14 auf die aktuell vorliegende Gierratendifferenz S11 gesetzt, so dass dieser Schwellwert der Gierratendifferenz S14 sofort erreicht und die Abweichung von einem vordefinierten Zusammenhang S15 in einem sechsten Schritt 160 auf diese Weise erkannt wird.
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In einem parallelen siebten Schritt 210 (siehe 3) wird aus dem Lenkwinkel S02, der Querbeschleunigung S04 und der Ist-Gierrate S03 die aktuelle Fahrsituation erkannt und eine entsprechende stabilisierende Lenkbewegung S16, d. h. ein Soll-Lenkwinkel S16, bestimmt, der das Fahrzeug 1 schnellstmöglich wieder in einen stabilen Fahrzustand bringen würde. Die Umsetzung dieser optimalen Lenkbewegung S16, d. h. die Einnahme des optimalen Soll-Lenkwinkels S16, erfolgt erfindungsgemäß jedoch nicht direkt, sondern unter Berücksichtigung des individuellen Fahrerverhaltens S17. Hierzu wird in einem ebenfalls parallelen achten Schritt 220 aus der Fahrzeuggeschwindigkeit S01, dem Lenkwinkel S02 und dem Handmoment S05 das Lenkverhalten des Fahrers bestimmt. Diese Information S17 fließt in einem neunten Schritt 230 in die Bestimmung der maximalen Lenkbereitschaft S18 des Fahrers ein, d. h. einem fahrerspezifischen Grenzwert für ein Handmoment S05, welches der Fahrer in normalen, unkritischen Situationen aufzubringen bereit ist.
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Dieser Grenzwert S18 wird in einem zehnten Schritt 240 bei der Bestimmung des Zusatz-Lenkmoments S19 als Lenkmomentempfehlung berücksichtigt, das über das Lenksystem 11, 20 an den Fahrer als haptische Information gegeben wird, um ihm bei der Stabilisierung des Fahrzeugs 1 in kritischen Situationen zu unterstützen. Das Zusatz-Lenkmoment S19 basiert dabei auf der optimalen Lenkbewegung S16 und wird unter Berücksichtigung des Grenzwertes S18 an den Fahrertypus angepasst. In einem elften Schritt 250 wird darüber hinaus aus dem Lenkwinkel S02 und dem Handmoment S05 die Reaktion des Fahrers auf das Zusatz-Lenkmoment S19 erkannt und das Zusatz-Lenkmoment S19 über eine Veränderung des Grenzwertes S18 an den Fahrer angepasst, um die Annahme des Fahrertypus S17 in normalen, unkritischen Fahrsituationen an sein Verhalten in der kritischen Fahrzeugsituation zu adaptieren.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsbeispiele anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2021224 B1 [0004]
- DE 102010024171 A1 [0006]
- DE 112004002252 B4 [0007]
- EP 1849682 A1 [0008]
- DE 102010030986 A1 [0009]
- DE 102009006211 A1 [0010]
