DE102013211243A1 - Method for determining a vehicle mass - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem die Fahrzeugmasse eines fahrenden Kraftfahrzeugs ermittelt wird, wobei ein Geschwindigkeitssignal, ein Längsbeschleunigungssignal, ein Bremssignal und ein Antriebssignal betrachtet werden, und wobei eine Kräftebilanz der Längsdynamik des Kraftfahrzeugs ausgewertet und das Längsbeschleunigungssignal von einem Inertialsensor gemessen wird. Erfindungsgemäß erfolgt eine Auswertung der Kräftebilanz der Längsdynamik sowohl bei Beschleunigungs- als auch bei Bremsvorgängen, wobei eine Anzahl von Rohmassenwerten berechnet wird, und wobei die Fahrzeugmasse anhand einer statistischen Auswertung der Rohmassenwerte ermittelt wird, welche zumindest eine Mittelwertbildung umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät für ein Bremssystem eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a method in which the vehicle mass of a moving motor vehicle is determined, wherein a speed signal, a longitudinal acceleration signal, a brake signal and a drive signal are considered, and a force balance of the longitudinal dynamics of the motor vehicle is evaluated and the longitudinal acceleration signal is measured by an inertial sensor. According to the invention, the force balance of the longitudinal dynamics is evaluated both during acceleration and braking processes, a number of raw mass values being calculated, and the vehicle mass being determined on the basis of a statistical evaluation of the raw mass values, which comprises at least averaging. The invention further relates to an electronic control device for a brake system of a motor vehicle.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 und ein elektronisches Steuergerät gemäß Oberbegriff von Anspruch 11.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an electronic control device according to the preamble of claim 11.
Das Fahrverhalten von Kraftfahrzeugen, insbesondere von kommerziell genutzten Fahrzeugen zum Transport von Lasten, kann beträchtlich durch den Beladungszustand bzw. das aktuelle Fahrzeuggewicht beeinflusst werden. Daher sind bereits verschiedene Verfahren zur Schätzung der Fahrzeugmasse bekannt geworden, wobei aus Kostengründen viele Ansätze Signale von bereits für eine Fahrdynamikregelung und/oder Bremsschlupfregelung vorhandenen Sensoren verwenden. Bei einer Betrachtung der Fahrzeuglongitudinaldynamik wird das Newton-Eulersche Gesetz zur Kraftbilanzierung in Längsrichtung des Fahrzeugs ausgewertet und die Fahrzeugmasse als Quotient aus der Differenz zwischen antreibenden und abbremsenden Kräften im Zähler sowie der resultierenden Beschleunigung im Nenner berechnet.The driving behavior of motor vehicles, in particular of commercially used vehicles for the transport of loads, can be considerably influenced by the loading state or the current vehicle weight. Therefore, various methods for estimating the vehicle mass have already become known, for cost reasons, many approaches use signals already existing for a vehicle dynamics control and / or brake slip control sensors. Considering vehicle longitudinal dynamics, Newton-Euler's law on force balancing in the longitudinal direction of the vehicle is evaluated and the vehicle mass is calculated as the quotient of the difference between the driving and braking forces in the numerator and the resulting acceleration in the denominator.
Beispielsweise ist aus der
In der
Aus der
Die bisher bekannten Verfahren zur Schätzung der Fahrzeugmasse weisen somit Probleme auf, die vielfach bisher nur unzureichend gelöst sind. Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein gegenüber Störeinflüssen robustes Verfahren zur Ermittlung der Fahrzeugmasse anzugeben.The previously known methods for estimating the vehicle mass thus have problems that have been solved in many cases only inadequate. Therefore, the object of the present invention is to provide a robust against disturbing procedures for determining the vehicle mass.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1.
Es wird also ein Verfahren bereitgestellt, bei dem die Fahrzeugmasse eines fahrenden Kraftfahrzeugs ermittelt wird, wobei ein Geschwindigkeitssignal, ein Längsbeschleunigungssignal, ein Bremssignal und ein Antriebssignal betrachtet werden, wobei eine Kräftebilanz der Längsdynamik des Kraftfahrzeugs ausgewertet wird, und wobei das Längsbeschleunigungssignal von einem Inertialsensor gemessen wird. Erfindungsgemäß erfolgt eine Auswertung der Kräftebilanz der Längsdynamik sowohl bei Beschleunigungs- als auch bei Bremsvorgängen, wobei eine Anzahl von Rohmassenwerten berechnet wird, und wobei die Fahrzeugmasse anhand einer statistischen Auswertung der Rohmassenwerte ermittelt wird, welche zumindest eine Mittelwertbildung umfasst.Thus, a method is provided in which the vehicle mass of a moving motor vehicle is determined, wherein a speed signal, a longitudinal acceleration signal, a brake signal and a drive signal are considered, wherein a force balance of the longitudinal dynamics of the motor vehicle is evaluated, and wherein the longitudinal acceleration signal measured by an inertial sensor becomes. According to the invention, the force balance of the longitudinal dynamics is evaluated both during acceleration and braking processes, a number of raw mass values being calculated, and the vehicle mass being determined on the basis of a statistical evaluation of the raw mass values, which comprises at least one averaging.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat folgende Vorteile: Dadurch, dass das Längsbeschleunigungssignal mit einen Inertialsensor gemessen wird, ist die Massenschätzung unabhängig von der Straßensteigung und somit auch in Gebirgen einsatzfähig. Der Inertialsensor als Trägheitssensor mit einer beweglich gelagerten Prüfmasse kann insbesondere in Form eines mikro-elektro-mechanischen Systems realisiert sein und ist somit kostengünstig und kompakt. Aufgrund der Verwendung des Längsbeschleunigungssensors tritt darüber hinaus keine Beeinträchtigung der Massenschätzung durch Schlupf, Reifendruckverlust und Verformung der Reifen durch die Beladung auf. Da eine Anzahl von während mehrerer aufeinander folgender Brems- und Antriebsvorgängen berechneten Rohmassenwerten des Fahrzeugs statistisch ausgewertet werden, tritt keine Verfälschung der ermittelten Fahrzeugmasse durch das Nicken des Fahrzeugs während einzelner Beschleunigungs- oder Verzögerungsphasen auf. Weiterhin ist das Verfahren gegen einzelne Ausreißer robust, da die Mittelwertbildung eine durch Rauschen der Eingangssignale verursachte Streuung vermindert. Die vorzugsweise rekursive Mittelwertbildung ist mit geringem Rechenaufwand durchführbar. Es wird also eine robuste Ermittlung der Fahrzeugmasse bzw. der Beladung des Fahrzeugs bereitgestellt.The method according to the invention has the following advantages: Because the longitudinal acceleration signal is measured with an inertial sensor, the mass estimation can be used independently of the road gradient and thus also in mountains. The inertial sensor as an inertial sensor with a movably mounted test mass can be realized in particular in the form of a micro-electro-mechanical system and is therefore inexpensive and compact. Moreover, due to the use of the longitudinal acceleration sensor, there is no impairment of the mass estimation by slip, tire pressure loss, and deformation of the tires by the load. Since a number of gross mass values of the vehicle calculated during a plurality of successive braking and drive operations are statistically evaluated, no falsification of the determined vehicle mass occurs due to the pitching of the vehicle during the individual Acceleration or deceleration phases. Furthermore, the method is robust against single outliers, since the averaging reduces scattering caused by noise of the input signals. The preferably recursive averaging can be carried out with little computational effort. Thus, a robust determination of the vehicle mass or the load of the vehicle is provided.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Längsbeschleunigungssignal um eine additive Verschiebungskonstante korrigiert, insbesondere um den Einfluss einer ungleichmäßigen Beladung auf das Längsbeschleunigungssignal zu kompensieren. Diese Kompensation des durch asymmetrische Beladung verursachten Beschleunigungssensoroffsets hat den Vorteil, dass die Genauigkeit einer Massenschätzung deutlich erhöht wird.According to a preferred embodiment of the invention, the longitudinal acceleration signal is corrected by an additive displacement constant, in particular in order to compensate for the influence of an uneven loading on the longitudinal acceleration signal. This compensation of the acceleration sensor offset caused by asymmetric loading has the advantage that the accuracy of a mass estimation is significantly increased.
Besonders bevorzugt wird ein neuer Wert der additiven Verschiebungskonstante ermittelt, wenn ein stabiler Stillstand auf der Ebene erkannt wurde. Unter einem Stillstand auf der Ebene ist hierbei zu verstehen, dass die Fahrbahn keine (oder höchstens eine geringe) Neigung aufweist. Stabil bedeutet hier, dass das Fahrzeug nicht nachwippt. Indem die additive Verschiebungskonstante nur in definierten Fahr- bzw. Halte-situationen ermittelt wird, kann die verbleibende Restverschiebung bzw. der resultierende systematische Fehler in der Massenschätzung minimiert werden.Particularly preferably, a new value of the additive displacement constant is determined when a stable standstill has been detected on the plane. By resting on the plane is to be understood here that the road has no (or at most a slight) inclination. Stable here means that the vehicle does not wobble. By determining the additive displacement constant only in defined driving or holding situations, the remaining residual shift or the resulting systematic error in the mass estimation can be minimized.
Ganz besonders bevorzugt wird ein stabiler Stillstand auf der Ebene dann erkannt, wenn eine oder mehrere, insbesondere alle der folgenden Bedingungen erfüllt sind:
- • Innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums war eine Bremsbetätigung erfolgt.
- • Momentan erfolgt keine Bremsbetätigung.
- • Das Geschwindigkeitssignal unterschreitet einen vorgegebenen Halteschwellenwert.
- • Eine zeitliche Änderung des Längsbeschleunigungssignals unterschreitet einen vorgegebenen Schwankungsschwellenwert.
- • Within a given period of time, a brake application had taken place.
- • There is currently no brake application.
- • The speed signal falls below a preset holding threshold.
- • A temporal change of the longitudinal acceleration signal falls below a predetermined fluctuation threshold value.
Somit wird ein Abbremsen des Fahrzeugs in den Stillstand erkannt. Dadurch, dass nur Haltesituationen ausgewertet werden, in denen das Fahrzeug auch ohne dauerhafte Bremsenbetätigung durch den Fahrer oder eine Anfahrhilfe stehen bleibt, ist eine Steigungsfreiheit der Fahrbahn sichergestellt. Indem nur konstante (oder sehr langsam veränderliche) Signale des Inertialsensors für die Offsetberechnung verwendet werden, kann auch ein Nachwippen des Fahrzeugs nach einer scharfen Bremsung die Verschiebungskonstante nicht verfälschen.Thus, a deceleration of the vehicle is detected in the standstill. The fact that only holding situations are evaluated, in which the vehicle stops without permanent brake actuation by the driver or a traction help, a pitch clearance of the road is ensured. By using only constant (or very slowly changing) signals from the inertial sensor for the offset calculation, even after a fast braking the vehicle can not flick the shift constant.
Zweckmäßigerweise erfolgt eine Auswertung der Kräftebilanz der Längsdynamik nur dann, wenn ein stabiler Fahrzustand erkannt wird. Dies verhindert, dass in der Fahrzeugmassenschätzung schwer zu berücksichtigende Einflüsse, wie z. B. ein durch Eingreifen einer Bremsschlupfregelung beeinträchtigtes Geschwindigkeitssignal, die Fahrzeugmassenschätzung verfälschen.Appropriately, an evaluation of the balance of the longitudinal dynamics only takes place when a stable driving condition is detected. This prevents influences that are difficult to take into account in the vehicle mass estimation, such as B. a impaired by the intervention of a brake slip control speed signal, distort the vehicle mass estimate.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn der stabile Fahrzustand dann erkannt wird, wenn eine oder mehrere, insbesondere alle, der folgenden Bedingungen erfüllt sind:
- • Ein Betrag einer Beschleunigungsanforderung des Fahrers liegt in einem vorgegebenen Beschleunigungsintervall, wobei insbesondere entweder eine Gaspedalbetätigung oder eine Bremsbetätigung durch den Fahrer einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten.
- • An amount of an acceleration request of the driver is in a predetermined acceleration interval, in particular, either an accelerator operation or a brake operation by the driver exceeds a predetermined threshold.
Somit ist sichergestellt, dass eine merkliche Antriebs- oder Brems-Beschleunigung des Fahrzeugs erfolgt.
- • Eine Fahrgeschwindigkeit des fahrenden Kraftfahrzeugs liegt in einem vorgegebenen Geschwindigkeitsintervall.
- • A driving speed of the moving motor vehicle is within a predetermined speed interval.
Hierbei kann das Intervall einen Stillstand oder eine vorgegebene Mindestgeschwindigkeit des Fahrzeugs als untere Grenze bzw. unteren Schwellenwert aufweisen, während eine obere Grenze zweckmäßigerweise zwischen 50 km/h und 100 km/h liegt.
- • Ein Betrag eines vom Fahrer eingestellten Lenkwinkels und/oder einer gemessene Gierrate liegt unterhalb eines vorgegebenen Lenkschwellenwerts und/oder eines vorgegebenen Gierratenschwellenwerts.
- • Ein Betrag einer gemessenen Querbeschleunigung liegt unterhalb eines vorgegebenen Kurvenschwellenwerts
- • An amount of a driver-set steering angle and / or a measured yaw rate is below a predetermined steering threshold and / or yaw rate threshold.
- An amount of measured lateral acceleration is below a predetermined threshold value
Dadurch werden Fahrsituationen ausgeschlossen, in denen eine deutliche Querdynamik oder Lenkbewegungen durch den Fahrer die Fahrzeugmassenschätzung verfälschen können.
- • Eine zeitliche Änderung des Antriebssignals unterschreitet einen vorgegebenen Antriebsschwellenwert.
- • Der Betrag des Längsbeschleunigungssignals überschreitet einen vorgegebenen Mindestschwellenwert.
- • Es ist weder eine Fahrdynamikregelung noch eine Bremsschlupfregelung aktiv.
- • A time change of the drive signal falls below a specified drive threshold value.
- • The amount of the longitudinal acceleration signal exceeds a predetermined minimum threshold.
- • Neither a vehicle dynamics control nor a brake slip control is active.
Somit ist sichergestellt, dass eine definierte und gut auszuwertende Fahrsituation vorliegt.This ensures that there is a defined and well-evaluated driving situation.
Vorzugsweise erfolgt eine Berechnung von Rohmassenwerten während eines Brems- oder Beschleunigungsvorgangs fortlaufend, insbesondere in vorgegebenen Zeitabständen, wobei Mittelwert und Varianz für die Rohmassenwerte jeweils eines Brems- oder Beschleunigungsvorgangs berechnet werden. Dies ermöglicht es, eine Vielzahl von Rohmassenwerten während eines Fahrvorgangs zu ermitteln.Preferably, raw mass values are calculated continuously during a braking or acceleration process, in particular at predetermined time intervals, average and variance being calculated for the raw mass values of a respective braking or acceleration process. This makes it possible to determine a plurality of raw mass values during a driving operation.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in der statistischen Auswertung die Fahrzeugmasse mittels eines Optimierungsverfahrens, insbesondere eines Least-Squares-Verfahrens, aus den Mittelwerten und Varianzen mehrerer Brems- oder Beschleunigungsvorgänge bestimmt. Ein Optimierungsverfahren kann einen oder mehrere Parameter eines bekannten funktionellen Zusammenhangs derart anpassen, dass eine Kostenfunktion minimal wird. Hierbei kann ein an sich bekanntes Least-Squares-Verfahren eingesetzt werden, bei dem die kleinste quadratische Abweichung bzw. eine möglichst geringe Summe der Quadrate der Abweichungen zwischen Messwerten und angepassten Schätzwerten angestrebt wird. Diese stochastische Vorgehensweise hat den Vorteil, dass ein zuverlässiger Wert für die Fahrzeugmasse ermittelt wird und zusätzlich eine Gütegröße, wie eine Varianz oder ein Konfidenzintervall, für die ermittelte Masse angegeben werden kann. Indem die stochastischen Schätzvorgänge vorzugsweise rekursiv durchgeführt werden, wird nur ein begrenzter Speicherplatz benötigt.According to a particularly preferred embodiment of the invention, in the statistical evaluation, the vehicle mass is determined by means of an optimization method, in particular a least squares method, from the mean values and variances of a plurality of braking or acceleration operations. An optimization method may adjust one or more parameters of a known functional relationship such that a cost function becomes minimal. In this case, a least squares method known per se can be used, in which the smallest quadratic deviation or the smallest possible sum of the squares of the deviations between measured values and adapted estimated values is aimed for. This stochastic procedure has the advantage that a reliable value for the vehicle mass is determined and, in addition, a quality factor, such as a variance or a confidence interval, for the determined mass can be stated. Preferably, by performing the stochastic estimations recursively, only a limited amount of memory is needed.
Es ist besonders vorteilhaft, dass berechnete Rohmassenwerte eines Brems- oder Beschleunigungsvorgangs verworfen werden, wenn diese um mehr als ein vorgegebenes Vielfaches der Varianz von dem Mittelwert des Brems- oder Beschleunigungsvorgangs abweichen, und somit nicht weiter in die Bestimmung der Fahrzeugmasse eingehen. Der Faktor bzw. das Vielfache ist hierbei als ein beliebiger realer Wert, d. h. nicht nur eine Ganzzahl zu verstehen. Alternativ oder ergänzend kann auch ein fest vorgegebener Abweichungsschwellenwert vorgegeben sein, anhand dessen außerhalb liegende Rohmassenwerte verworfen oder zumindest geringer gewichtet werden. Die ermittelte Fahrzeugmasse ist somit robuster gegen Ausreißer, da diese aufgrund eines Histogramm-Vergleichs erkannt werden können. Auch der an sich eine statistische Auswertung erschwerende Umstand, dass die Rohmassenwerte nicht immer normalverteilt sind und je nach Traktionsart (Antrieb oder Bremsung) bi-modal bis hin zu multi-modal (z. B. aufgrund von variabler Motorleistung) verteilt sind, kann durch ein Optimierungsverfahren anhand eines Histogramms erkannt und besser behandelt werden.It is particularly advantageous that calculated raw mass values of a braking or acceleration process are rejected if they deviate from the mean value of the braking or acceleration process by more than a predetermined multiple of the variance, and thus do not go any further into the determination of the vehicle mass. The factor or the multiple is here as any real value, d. H. not just an integer. Alternatively or additionally, it is also possible to specify a predefined deviation threshold value, by means of which raw mass values lying outside are discarded or at least less weighted. The determined vehicle mass is thus more robust against outliers, since these can be detected on the basis of a histogram comparison. The fact that the raw mass values are not always normally distributed and are distributed bi-modally up to multi-modal (eg due to variable engine power) depending on the type of traction (drive or braking) can also be explained by An optimization procedure is identified by a histogram and treated better.
Zweckmäßigerweise wird das Geschwindigkeitssignal anhand mindestens eines Raddrehzahlsensors bestimmt und/oder das Bremssignal anhand eines Bremsdrucksensors und/oder eines Pedalwegsensors am Bremspedal bestimmt und/oder das Antriebssignal aus einem von einem Motorsteuergerät einer Verbrennungskraftmaschine und/oder eines elektrischen Antriebs gemeldeten Antriebsmoment und/oder einer an einer Motorwelle gemessenen Drehzahl bestimmt.Advantageously, the speed signal is determined based on at least one wheel speed sensor and / or the brake signal determined by a brake pressure sensor and / or a pedal travel sensor on the brake pedal and / or the drive signal from a reported by an engine control unit of an internal combustion engine and / or an electric drive torque and / or an determined by a motor shaft measured speed.
Vorzugsweise wird zusätzlich zu der Kräftebilanz der Längsdynamik auch eine Kräftebilanz der Querdynamik betrachtet, wobei ein Querbeschleunigungssignal und mindestens zwei Raddrehzahlsignale betrachtet werden und wobei die Koordinaten des aktuellen Schwerpunkts in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem ermittelt werden.Preferably, in addition to the balance of forces of the longitudinal dynamics, a balance of forces of the lateral dynamics is considered, wherein a lateral acceleration signal and at least two wheel speed signals are considered and wherein the coordinates of the current center of gravity are determined in a vehicle-fixed coordinate system.
Die Erfindung betrifft ferner ein elektronisches Steuergerät, insbesondere für ein Bremssystem eines Kraftfahrzeugs, mit Schnittstellen für den Anschluss mindestens eines Raddrehzahlsensors, mindestens eines Bremsbetätigungssensors, mindestens eines Inertialsensors und einer Schnittstelle zu einem Fahrzeugdatenbus, welches eine Recheneinheit umfasst, die ein Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche durchführt. Das elektronische Steuergerät verwendet das Signal eines Inertialsensors als gemessene Längsbeschleunigung anstelle des Gradienten der Fahrzeuggeschwindigkeit, da dies folgende Vorteile hat:
- • Verwendung von unabhängig verfügbarer Sensorinformation
- • Weniger Rauschen bzw. weniger durch Ableitung verursachte Signalverzögerung
- • Unabhängigkeit vom Steigungswinkel der Straße, da der Steigungswinkel γ gemäß
asensor = v . – g·sin(θ)
- • Use of independently available sensor information
- • Less noise or less signal delay caused by leakage
- • Independence of the slope angle of the road, since the pitch angle γ according to
a sensor = v. - g · sin (θ)
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuergeräts weist dieses einen nichtflüchtigen Speicher auf, wobei eine ermittelte Fahrzeugmasse und mindestens eine Gütegröße, insbesondere ein Konfidenzintervall, gespeichert werden, und wobei die mindestens eine Gütegröße auf einen eine ungenaue Fahrzeugmasse anzeigenden Wert zurückgesetzt wird, wenn die Zündung des Fahrzeugs für mindestens eine vorgegebene Zeitdauer nicht aktiv war. Somit kann auch ein Ladevorgang, der die Fahrzeugmasse deutlich ändert, erkannt und bei der Schätzung der Fahrzeugmasse berücksichtigt werden.In a preferred embodiment of the control device according to the invention this has a non-volatile memory, wherein a determined vehicle mass and at least one Gütegröße, in particular a confidence interval, and wherein the at least one goodness variable is reset to a value indicative of inaccurate vehicle mass when the ignition of the vehicle has been inactive for at least a predetermined period of time. Thus, a charging process that significantly changes the vehicle mass can be detected and taken into account in the estimation of the vehicle mass.
Es ist vorteilhaft, wenn das elektronisches Steuergerät einen Aktuator zum fahrerunabhängigen Aufbau von Bremskraft an einem oder mehreren Fahrzeugrädern, insbesondere eine elektrisch betriebene Hydraulikpumpe und mindestens ein Magnetventil, sowie eine Recheneinheit umfasst, die eine Fahrdynamikregelung ausführt, wobei mindestens ein Parameter der Fahrdynamikregelung, insbesondere der Aktivierungsschwellenwert, in Abhängigkeit von der aktuell ermittelten Fahrzeugmasse verändert wird. Bei der Fahrdynamikregelung kann es sich um eine Giermomentenregelung zur Beibehaltung des vom Fahrer vorgegebenen Kurses, eine Überrollverhinderung zur Vermeidung eines Kippens um die Längsachse des Fahrzeugs, eine Anhängerstabilisierung, eine Brems- oder Antriebsschlupfregelung oder eine Berganfahrhilfe handeln. Das Fahrzeug kann somit auch in einem schwer beladenen Zustand sicher und komfortabel vom Fahrer beherrscht werden.It is advantageous if the electronic control unit comprises an actuator for the driver-independent construction of braking force on one or more vehicle wheels, in particular an electrically operated hydraulic pump and at least one solenoid valve, and a computing unit that performs a vehicle dynamics control, wherein at least one parameter of the vehicle dynamics control, in particular the Activation threshold, depending on the currently determined vehicle mass is changed. The vehicle dynamics control can be a yaw moment control for maintaining the driver-specified course, a roll prevention to prevent tilting about the longitudinal axis of the vehicle, a trailer stabilization, a brake or traction control or hill start assist. The vehicle can thus be safely and comfortably controlled by the driver even in a heavily laden condition.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.Further preferred embodiments will become apparent from the subclaims and the following description of an embodiment with reference to figures.
Es zeigenShow it
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Auswertung einer Kräftebilanz der Längsdynamik des Kraftfahrzeugs bzw. einer Betrachtung von Motormoment und Fahrwiderständen, um eine Ermittlung der Fahrzeugmasse durchzuführen.The method according to the invention is based on the evaluation of a balance of forces of the longitudinal dynamics of the motor vehicle or a consideration of engine torque and driving resistances in order to carry out a determination of the vehicle mass.
Grundlage dieses Verfahrens ist also eine Bilanz der am (Kraft-)Fahrzeug wirkenden Längskräfte, wobei für den Fall einer Beschleunigung des Fahrzeugs unter dem Einfluss des Fahrzeugmotors gelten muss:
Die Antriebskraft Feng wird zweckmäßigerweise aus dem Drehmoment Teng des Fahrzeugmotors, einem Faktor η zur Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses und des Wirkungsgrads des Getriebes, sowie dem dynamischen Radradius rdyn berechnet: The driving force F eng is expediently calculated from the torque T eng of the vehicle engine, a factor η for taking account of the transmission ratio and the efficiency of the transmission, and the dynamic wheel radius r dyn :
Die Trägheitskraft FBeschl des Fahrzeugs wird durch die Fahrzeugmasse mFzg, die Beschleunigung des Fahrzeugs aFzg, das Trägheitsmoment der Räder Jwh sowie das Trägheitsmoment des Antriebstrangs Jpwt bestimmt: The inertia force F accel of the vehicle is determined by the vehicle mass m Fzg , the acceleration of the vehicle a Fzg , the moment of inertia of the wheels J wh and the moment of inertia of the drive train J pwt :
Die zeitliche Änderung
Die Gefällekraft FSteig bei Fahrten auf einer (in Längsrichtung) geneigten Fahrbahn (z. B. ein Bergpaß) hängt von dem Steigungswinkel θ und der Erdbeschleunigung g ab:
Der Rollwiderstand FRoll des Fahrzeugs kann mit einer ähnlichen Formel beschrieben werden, wenn man den Rollwiderstandsbeiwert f kennt:
Der Luftwiderstand FLuft wird über den Luftwiderstandsbeiwert cW, die Querschnittsfläche A des Fahrzeugs, die Luftdichte ρ und die Fahrzeuggeschwindigkeit v berechnet: The air resistance F air is calculated via the drag coefficient c W , the cross-sectional area A of the vehicle, the air density ρ and the vehicle speed v:
Die Gleichung für das Kräftegleichgewicht kann nach mFzg umgestellt und bei Vorliegen einer geeigneten Fahrsituation, wie dem Beschleunigen auf trockener gerader Strecke, ausgewertet werden.The equation for the balance of forces can be changed by m Fzg and are evaluated in the presence of a suitable driving situation, such as the acceleration on dry straight track.
Das Motormoment Teng des Antriebsmotors, z. B. einer Verbrennungskraftmaschine, wird in diesem Beispiel über die Räder der Vorderachse übertragen und bewirkt eine beschleunigende Kraft Feng auf das Fahrzeug. Durch die Trägheitsmomente Jwh der Räder ist angedeutet, dass ein Teil der vom Antriebsmotor aufgebrachten Leistung auch in Rotationsenergie von Rädern und Antriebsstrang umgesetzt wird.The engine torque T eng of the drive motor, z. As an internal combustion engine is transmitted in this example on the wheels of the front axle and causes an accelerating force F eng on the vehicle. The moment of inertia J wh of the wheels indicates that a part of the power applied by the drive motor is also converted into rotational energy of wheels and drive train.
Wenn der Fahrer das Bremspedal mit einer bestimmten Kraft Fb betätigt, so wird durch das Bremssystem eine (typischerweise gegenüber der Betätigungskraft verstärkte) Bremskraft Fbrk = Fb1 + Fb2 auf das Fahrzeug ausgeübt, die sich gemäß der installierten Bremskraftverteilung auf die Kraft Fb1 an der Vorderachse und Fb2 an der Hinterachse verteilt.When the driver operates the brake pedal with a certain force F b , the braking system applies a braking force F brk = F b1 + F b2 (typically increased with respect to the actuating force) to the vehicle which, in accordance with the installed brake force distribution, is applied to the force F b b1 distributed at the front axle and F b2 at the rear axle.
Im gezeigten Beispiel ist eine Ladung mit der Masse m hinten im Fahrzeug verstaut worden, weshalb die Aufstandskraft Fn2 der Hinterachse stärker zugenommen hat als die Aufstandskraft Fn1 der Vorderachse. Der Schwerpunkt G ist gegenüber dem unbeladenen Fahrzeug um dx verschoben. Dies führt dazu, dass die Fahrzeuglängsachse unter einem Winkel θ zur Fahrbahnlängsachse steht. Somit entspricht eine von einem fahrzeugfest montierten Sensor gemessene Längsbeschleunigung nicht mehr der Beschleunigungskraft, sondern das Sensorsignal weist einen Versatz bzw. einen Offset auf.In the example shown, a charge with the mass m has been stowed in the rear of the vehicle, which is why the contact force F n2 of the rear axle has increased more than the contact force F n1 of the front axle. The center of gravity G is shifted relative to the unloaded vehicle by dx. This causes the vehicle longitudinal axis is at an angle θ to the roadway longitudinal axis. Thus, a longitudinal acceleration measured by a vehicle-mounted sensor no longer corresponds to the acceleration force, but the sensor signal has an offset or an offset.
Der durch die Schwerpunktverlagerung dx verursachte konstante Offset bzw. die Verschiebung im gemessenen Längsbeschleunigungssignal kann hierbei zu einer Über- oder Unterschätzung der Fahrzeugmasse führen. Ist die Beladung im vorderen Bereich des Laderaums platziert, so entsteht ein negativer Offset, welcher zu einer Überschätzung der Masse führen könnte. Wenn die Beladung im hinteren Bereich des Laderaums platziert ist, so entsteht ein positiver Offset des Beschleunigungssignals, welcher zur Unterschätzung der Masse führen könnte. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es daher vorgesehen, bei Erkennung eines stabilen Stillstands auf der Ebene die aktuell vorliegende Verschiebung bzw. den Offset zu ermitteln und das gemessene Längsbeschleunigungssignal um die additive Verschiebungskonstante zu korrigieren.The constant offset caused by the center of gravity displacement dx or the shift in the measured longitudinal acceleration signal can lead to an overestimation or underestimation of the vehicle mass. If the load is placed in the front area of the hold, a negative offset results, which could lead to an overestimation of the mass. If the load is placed in the rear of the hold, there will be a positive offset of the acceleration signal, which could lead to underestimation of the mass. According to a preferred embodiment of the invention, it is therefore provided to detect the currently present displacement or the offset upon detection of a stable standstill on the plane and to correct the measured longitudinal acceleration signal by the additive displacement constant.
Weiterhin wird der Schwerpunkt gegenüber dem unbeladenen Fahrzeug um dz nach oben verschoben. Dieser höhere Schwerpunkt führt dazu, dass ein Umkippen um die Längsachse bereits bei einer gegenüber dem unbeladenen Fahrzeug geringeren Querbeschleunigung erfolgen kann. Es ist daher vorteilhaft, wenn eine Fahrdynamikregelung, insbesondere eine Überrollverhinderung wie ARP (Active Rollover Protection), je nach ermittelter Fahrzeugmasse angepasst wird.Furthermore, the center of gravity with respect to the unloaded vehicle is shifted upwards by dz. This higher center of gravity means that overturning about the longitudinal axis can already take place at a lower lateral acceleration compared to the unloaded vehicle. It is therefore advantageous if a vehicle dynamics control, in particular a roll-over prevention such as ARP (Active Rollover Protection), is adjusted depending on the determined vehicle mass.
Ferner nickt das Fahrzeug infolge der Gewichtsverlagerung bei Beschleunigungs- bzw. Bremsvorgängen nach hinten bzw. nach vorne. Diese fahrsituationsvariablen Offsets des Beschleunigungssignals führen in Antriebsfall zu einer Unterschätzung der Masse bzw. in Bremsfall zu einer Überschätzung der Masse und sind noch schwieriger zu erfassen. Indem das erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei Beschleunigungs- als auch bei Bremsvorgängen eine Schätzung der Fahrzeugmasse durchführt, wird der Einfluss dieses Antriebsnickens kompensiert.Furthermore, the vehicle nods backwards or forwards due to the weight shift during acceleration or braking. These driving situation variable offsets of the acceleration signal lead in drive case to an underestimation of the mass or in case of braking to an overestimation of the mass and are even more difficult to detect. By carrying out an estimation of the vehicle mass during acceleration as well as during braking, the method according to the invention compensates for the influence of this drive pitch.
Darüber hinaus sind einige zur Auswertung der Kräftebilanz der Längsdynamik des Kraftfahrzeugs benötigte Größen nicht genau bekannt, wie zum Beispiel der Rollwiderstandsbeiwert, der sich aufgrund seiner Abhängigkeit von der Fahrbahnoberfläche auch innerhalb einer Fahrt ändern kann. In addition, some required to evaluate the balance of forces of the longitudinal dynamics of the motor vehicle sizes are not known exactly, such as the rolling resistance coefficient, which may change due to its dependence on the road surface and within a drive.
Die vorliegende Erfindung verfolgt daher den Ansatz, basierend auf einem Longitudinalfahrzeugmodell eine Anzahl von Rohmassenwerten zu berechnen und durch eine Mittelwertbildung oder weitergehende statistische Auswertung der Rohmassenwerte die Fahrzeugmasse zu schätzen.The present invention therefore pursues the approach of calculating a number of raw mass values based on a longitudinal vehicle model and estimating the vehicle mass by averaging or further statistical evaluation of the gross mass values.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren von einem elektronischen Steuergerät eines Bremssystems des Kraftfahrzeugs ausgeführt, da dieses vielfach bereits eine Fahrdynamikregelung und/oder eine Bremsschlupfregelung bereitstellt. Somit weist es zweckmäßigerweise eine oder mehrere Recheneinheiten, insbesondere einen kernredundanten Mikrocontroller, und Auswerteschaltungen für Signale angeschlossener Sensoren sowie ein oder mehrere mit einem Fahrzeugdatenbus wie CAN oder FlexRay verbundene Schnittstellen auf.Preferably, the inventive method is performed by an electronic control unit of a brake system of the motor vehicle, as this often already provides a vehicle dynamics control and / or a brake slip control. Thus, it expediently has one or more computing units, in particular a kernredundanten microcontroller, and evaluation circuits for signals of connected sensors and one or more interfaces connected to a vehicle data bus such as CAN or FlexRay.
Das elektronische Steuergerät ist vorzugsweise mit je einem Rad zugeordneten Raddrehzahlsensoren an allen Rädern verbunden, die ein Geschwindigkeitssignal liefern. Aus den Geschwindigkeitssignalen der z. B. 4 Raddrehzahlsensoren kann eine Fahrzeuggeschwindigkeit und eine (insbesondere gemittelte) Radbeschleunigung ermittelt werden. Eine Bremsbetätigung durch den Fahrer kann bei einem hydraulischen Bremssystem anhand des Drucks im Hauptbremszylinder erkannt werden, alternativ oder ergänzend kann auch das Signal eines Bremspedalwinkelsensors oder eines Betätigungswegsensors betrachtet werden. Weiterhin weist das elektronische Steuergerät zweckmäßigerweise einen Längsbeschleunigungssensor und einen Querbeschleunigungssensor und/oder einen Gierratensensor auf oder ist mit diesen verbunden. Als Beschleunigungssensor wird bevorzugt ein Inertial- bzw. Trägheitssensor verwendet, der eine beweglich gelagerte Prüfmasse umfasst und insbesondere als mikro-elektro-mechanisches System realisiert ist.The electronic control unit is preferably connected to each wheel associated wheel speed sensors on all wheels that provide a speed signal. From the speed signals of z. B. 4 wheel speed sensors, a vehicle speed and (in particular averaged) wheel acceleration can be determined. A brake actuation by the driver can be detected in a hydraulic brake system based on the pressure in the master cylinder, alternatively or additionally, the signal of a brake pedal angle sensor or a Betätigungswegsensors be considered. Furthermore, the electronic control unit expediently has or is connected to a longitudinal acceleration sensor and a lateral acceleration sensor and / or a yaw rate sensor. As an acceleration sensor, an inertial or inertial sensor is preferably used, which comprises a movably mounted test mass and in particular is realized as a micro-electro-mechanical system.
Somit werden für die Ermittlung der Fahrzeugmasse zweckmäßigerweise Signale der bereits im Fahrzeug vorhandenen Sensoren erfasst und/oder Informationen wie ein Antriebssignal der Motorsteuerung über den CAN-Bus ausgelesen werden. Beispielsweise über einen mit der Motorsteuerung verbundenen Sensor an der Kurbelwelle kann die Motordrehzahl ermittelt werden, und über einen Vergleich mit der Raddrehzahl das Übersetzungsverhältnis bzw. der eingelegte Gang bestimmt werden. Ein erfindungsgemäßes Steuergerät kann die Fahrzeugmasse trotz Offsets des Längsbeschleunigungssignals wegen nicht ausbalancierter Beladung, Antriebs- und Bremsnickens und auch trotz Ausreißern der berechneten Massenwerte schnell und robust schätzen.Thus, it is expedient to detect signals of the sensors already present in the vehicle and / or to read out information such as a drive signal of the engine control via the CAN bus for determining the vehicle mass. For example, via a sensor connected to the engine control sensor on the crankshaft, the engine speed can be determined, and determined by comparison with the wheel speed, the gear ratio or the gear engaged. A control unit according to the invention can estimate the vehicle mass quickly and robustly despite offsets of the longitudinal acceleration signal due to unbalanced loading, drive and brake nodding and also despite outliers of the calculated mass values.
Schätzer 1 ermöglicht die Ermittlung einer additiven Verschiebungskonstante des Längsbeschleunigungssignals, wobei als Eingangssignale die gemessene unkorrigierte Längsbeschleunigung, ein Antriebssignal wie insbesondere die Motordrehzahl, mindestens ein Geschwindigkeitssignal wie ein oder mehrere Raddrehzahlsignale und ein Bremssignal wie der mit einem Drucksensor gemessene Vordruck im Hauptbremszylinder betrachtet werden. Schätzer 1 kann in drei Module unterteilt werden:
In Modul
In module
Modul
In Modul
In Zeile 1 ist der Fall eines bergabwärts fahrenden Fahrzeugs (Berg runter) gezeigt. Zum Anhalten des Fahrzeugs wird eine deutliche Bremskraft benötigt, die zu einem Einnicken des Fahrzeugs führen kann, wobei also die Vorderachse belastet und die Hinterachse entlastet wird. Während das Fahrzeug an der Ampel steht, wird in Modul
In Zeile 2 ist der Fall eines bergaufwärts (Berg aufwärts) fahrenden Fahrzeugs gezeigt. Für das Anhalten wird eine relativ geringe Bremskraft benötigt, da das Fahrzeug bereits durch die Hangabtriebskraft verzögert wird. Wieder wird in Modul
In Zeile 3 ist der Fall eines auf der Ebene fahrenden Kraftfahrzeugs dargestellt. Hier wird in Modul
Wieder bezugnehmend auf
Der Schätzer 2 zur Schätzung der Fahrzeugmasse lässt sich zweckmäßigerweise in sechs Module unterteilen:
In Modul
- • Twh: auf die Räder umgerechnetes antreibendes Motormoment
- • Fbrk: Summe der Bremskräfte
- • rdyn: dynamischer Radradius
- • Jpwt: Trägheitsmoment des Antriebsstrangs ohne Räder
- • Jwh: Trägheitsmoment der Räder
- •
ω .eng - •
ω .wh - • f: Rollwiderstandskoeffizient
- •
g ≈ 9,81 m / s² - • ax = asensor – aoffset: um Beladungsoffset kompensierter Beschleunigungssensorwert
- • cw: Luftwiderstandsbeiwert
- • A: Frontalfläche des Fahrzeugs
- • ρ: Luftdichte
- • v: Fahrzeuggeschwindigkeit
In
- • T wh : driving motor torque converted to the wheels
- • F brk: total braking forces
- • r dyn : dynamic wheel radius
- • J pwt : moment of inertia of the drive train without wheels
- • J wh : Moment of inertia of the wheels
- •
ω. closely - •
ω. wh - • f: rolling resistance coefficient
- •
g ≈ 9.81 m / s² - • a x = a sensor - a offset : Acceleration sensor value compensated for loading offset
- • c w : drag coefficient
- • A: frontal area of the vehicle
- • ρ: air density
- • v: vehicle speed
Die genannten Größen sind entweder aus der Konstruktion des Fahrzeugs bzw. allgemein als Konstanten bekannt oder werden, wie das in Modul
Modul
In Modul
Schätzer 2 führt in Modul
Unter Auswertung der statistischen Merkmale aus Modul
In Modul
Dem Fahrzeugmassenschätzer werden die Signale von im Fahrzeug vorhandenen Sensoren und/oder Informationen von elektronischen Steuergeräten wie Motormoment und/oder Beschleunigungssensorsignal und/oder Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Vordruck bzw. Druck im Hauptbremszylinder und/oder Pedalweg und/oder Gierrate zugeführt. Die zugeführten Signale umfassen eine offsetkompensierte Längsbeschleunigung.The vehicle mass estimator receives the signals from sensors present in the vehicle and / or information from electronic control devices such as engine torque and / or acceleration sensor signal and / or vehicle speed and / or admission pressure or pressure in the master cylinder and / or pedal travel and / or yaw rate. The supplied signals comprise an offset-compensated longitudinal acceleration.
Modul
Modul
In Modul
Modul
Modul
Modul
Es ist vorteilhaft, wenn geschätzte Fahrzeugmasse und vorzugsweise auch die Gütegröße einem an sich bekannten System zur Fahrdynamikregelung zugeführt werden, insbesondere einem System zur Verhinderung eines seitlichen Umkippens des Fahrzeugs, und wenn ein oder mehrere Parameter des Systems zur Fahrdynamikregelung nach Maßgabe der ermittelten Fahrzeugmasse angepasst werden. Somit ist eine sichere Fahrt auch mit einem schwer beladenen Fahrzeug gewährleistet.It is advantageous if estimated vehicle mass and preferably also the product size are supplied to a system known per se for vehicle dynamics control, in particular a system for preventing lateral overturning of the vehicle, and if one or more parameters of the vehicle dynamics control system are adjusted in accordance with the determined vehicle mass , Thus, a safe ride is guaranteed even with a heavily laden vehicle.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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