DE102013224305A1

DE102013224305A1 - Verfahren zur Schwimmwinkelbestimmung in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013224305A1
Application number: DE102013224305.7A
Authority: DE
Inventors: Hardy Haas
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-05-28

Abstract

Bei einem Verfahren zur Schwimmwinkelbestimmung in einem Fahrzeug wird aus einer Magnetfeldsensorik der Kurswinkel zwischen Magnetfeldlinien des Erdmagnetfelds und der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs bestimmt. Aus dem Kurswinkel sowie dem Gierwinkel wird der Schwimmwinkel berechnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schwimmwinkelbestimmung zur Verwendung in einem Fahrzeug.
Stand der Technik
Aus der DE 102 47 991 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Schwimmwinkels eines Kraftfahrzeugs bekannt, welcher den Winkel zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit im Schwerpunkt und der Fahrzeuglängsachse bezeichnet. Hierbei wird die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs durch eine Frequenzanalyse von GPS-Signalen ermittelt. Mithilfe eines Gierratensensors wird die aktuelle Gierrate des Fahrzeugs bestimmt, wobei der Schwimmwinkel aus einer Zeitintegration der Differenz von Gierrate und Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs berechnet wird, die aus der Bewegungsrichtung ermittelt wird.
Die Kenntnis des Schwimmwinkels ist für eine Verwendung in einem Fahrerassistenzsystem erforderlich, beispielsweise für ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP). Für eine präzise Beeinflussung des Fahrzeugzustandes ist eine genaue Kenntnis des Schwimmwinkels notwendig.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen den Schwimmwinkel in einem Fahrzeug zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Schwimmwinkels in einem Fahrzeug beruht auf der Verwendung einer Magnetfeldsensorik, mit der die Ausrichtung des Fahrzeugs in Bezug auf die Magnetfeldlinien des Erdmagnetfelds bestimmt werden kann. Das Fahrzeug ist des Weiteren mit einer zusätzlichen Sensorik ausgestattet, mit der der Gierwinkel des Fahrzeugs sowie die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs bestimmt werden kann, welche sich vektoriell aus den Komponenten der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und der Fahrzeugquergeschwindigkeit zusammensetzt, ggf. unter Berücksichtigung auch der Fahrzeugvertikalgeschwindigkeit. Der Gierwinkel bezeichnet den Drehwinkel um die Hochachse des Fahrzeugs.
Zur Ermittlung des Schwimmwinkels wird zunächst ein Kurswinkel des Fahrzeugs bestimmt, welcher den Winkel zwischen den Magnetfeldlinien des Erdmagnetfelds und der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs bezeichnet. Das Erdmagnetfeld, dessen Feldlinien zwischen dem magnetischen Nord- und Südpol verlaufen, kann als absolutes Referenzsystem aufgefasst werden, gegenüber dem sich das Fahrzeug bewegt. Die im Fahrzeug verbaute Magnetfeldsensorik ist in der Lage, den Kurswinkel zwischen der Bewegungsrichtung, also der aus den verschiedenen Geschwindigkeitskomponenten zusammengesetzten resultierenden Fahrzeuggeschwindigkeit, und den Magnetfeldlinien zu bestimmten. Gemeinsam mit dem Gierwinkel des Fahrzeugs, der vorzugsweise aus einer weiteren, im Fahrzeug vorhandenen Sensorik ermittelt wird, kann daraus der Schwimmwinkel durch Differenzbildung von Kurswinkel und Gierwinkel ermittelt werden. Damit steht unter Berücksichtigung der Messwerte einer Magnetfeldsensorik ein Instrumentarium zur Bestimmung des Schwimmwinkels im Fahrzeug zur Verfügung, der ggf. in einem Stellsystem oder in einem Fahrerassistenzsystem verwendet werden kann, beispielsweise in einem elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) oder in einer Antriebs-Schlupf-Regelung (ASR). Der Schwimmwinkel kann ggf. auch für die Einstellung einzelner Aktoren im Fahrzeug verwendet werden, beispielsweise in einem aktiven Fahrwerkssystem.
Der Gierwinkel kann, gemäß einer vorteilhaften Ausführung, aus Messwerten einer Sensorik im Fahrzeug bestimmt werden, mit der der Fahrzeugzustand erfasst wird. Bei dieser Sensorik handelt es sich beispielsweise im eine Inertialsensorik mit Beschleunigungs- und Drehratensensoren zur Bestimmung der Beschleunigungen des Fahrzeugs in Längs- und Querrichtung, ggf. auch in Vertikalrichtung, sowie der Drehraten um die drei Fahrzeugachsen. Der Gierwinkel kann bei Kenntnis der Gierrate, also der Drehrate um die Hochachse, durch Zeitintegration bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird die Magnetfeldsensorik über Daten eines Global Positioning System (GPS) kalibriert. Aus dem GPS kann die aktuelle geographische Position des Fahrzeugs bestimmt werden und damit auch der aktuelle Verlauf der Magnetfeldlinien des Erdmagnetfelds. Auf Grund der Abweichung zwischen den magnetischen Polen und den geographischen Polen verlaufen die Magnetfeldlinien unter einem Winkel zur Verbindungslinie zwischen den geographischen Polen, wobei der Winkelversatz mit Annäherung an die Pole größer wird. Die Änderung des Winkelversatzes kann über eine Kalibrierung der Magnetfeldsensorik bei Kenntnis der aktuellen geographischen Position über das GPS berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise erfolgt die Kalibrierung in regelmäßigen Abständen.
Die GPS-Signale können in einem GPS-Empfänger im Fahrzeug empfangen werden. Die Signale des GPS können ggf. auch herangezogen werden, um Fahrzeugzustandsgrößen zu ermitteln oder um Fahrzeugzustandsgrößen zu validieren, die aus einer Sensorik im Fahrzeug ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung erfolgt die Kalibrierung der Magnetfeldsensorik, indem diese im Fahrzeug um eine oder mehrere ihrer Achsen gedreht wird. Hierfür ist die Magnetfeldsensorik vorteilhafterweise in einem Kreisel im Fahrzeug angeordnet, beispielsweise über eine kardanische Aufhängung, und kann um eine oder mehrere Achsen gedreht werden. Dies ermöglicht es, Störungen des Erdmagnetfeldes im Fahrzeug, welche beispielsweise durch das Metall im Auto hervorgerufen werden, zu kompensieren. Vorteilhafterweise erfolgt die Drehung der Magnetfeldsensorik um alle drei Raumachsen.
Der ermittelte Schwimmwinkel kann zur Berechnung weiterer Fahrzeugzustandsgrößen herangezogen werden, beispielsweise für den Schräglaufwinkel am Vorderrad oder am Hinterrad. Für den Schräglaufwinkel wird neben dem Schwimmwinkel auch der Gierwinkel berücksichtigt, außerdem die Fahrzeuggeschwindigkeit und der Abstand zwischen dem Fahrzeugschwerpunkt und der Vorderachse bzw. der Hinterachse. Für den Schräglaufwinkel am Vorderrad wird zusätzlich auch der aktuelle Lenkwinkel berücksichtigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Schwimmwinkelbestimmung läuft in einem Regel- bzw. Steuergerät im Fahrzeug ab. Das Regel- bzw. Steuergerät kann ggf. Bestandteil eines Fahrerassistenzsystems wie z.B. eines elektronischen Stabilitätssystems sein oder mit einem derartigen Fahrerassistenzsystem zusammenwirken.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 in schematischer Ansicht ein Fahrzeug einschließlich eingetragener Magnetfeldlinien des Erdmagnetfeldes,
2 ein Blockschaltbild zur Ermittlung des Schwimmwinkels im Fahrzeug unter Berücksichtigung einer Magnetfeldsensorik.
1 zeigt in stark schematisierter Darstellung ein Fahrzeug mit einem Vorderrad 1 und einem Hinterrad 2, die Fahrzeuglängsachse ist mit 3 und der Fahrzeugschwerpunkt mit 4 gekennzeichnet. Eingetragen sind des Weiteren Magnetfeldlinien 5 des Erdmagnetfeldes, die zwischen dem magnetischen Nord- und Südpol verlaufen. Das Erdmagnetfeld kann mithilfe einer Magnetfeldsensorik, die im Fahrzeug eingebaut ist, erfasst werden.
Das Vorderrad 1 weist einen Lenkwinkel δ zwischen der Radlängsachse des Vorderrades und der Fahrzeuglängsachse 3 auf. Das Fahrzeug bewegt sich entlang einer Kurvenbahn mit der resultierenden Fahrzeuggeschwindigkeit v, die sich aus einer Komponente der Längsgeschwindigkeit und der Quergeschwindigkeit zusammensetzt; die Fahrzeuggeschwindigkeit v kennzeichnet die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs. Das Fahrzeug weist einen Schwimmwinkel β auf, der die Winkelabweichung zwischen der Bewegungsrichtung gemäß Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Fahrzeuglängsachse 3 kennzeichnet.
Aus der Magnetfeldsensorik kann der Kurswinkel ν ermittelt werden, der den Winkel zwischen der Bewegungsrichtung gemäß der Fahrzeuggeschwindigkeit v und den Magnetfeldlinien 5 bezeichnet. Des Weiteren kann aus einer im Fahrzeug ebenfalls eingebauten Inertialsensorik aus gemessenen Beschleunigungen und Drehraten die Gierrate ψ . ermittelt werden, aus der durch Zeitintegration der Gierwinkel ψ bestimmt wird; der Gierwinkel ψ ist in 1 als Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und den Magnetfeldlinien 5 eingetragen.
Bei Kenntnis des Kurswinkels ν und des Gierwinkels ψ kann durch Differenzbildung gemäß β = v – ψ der Schwimmwinkel β bestimmt werden. Der Schwimmwinkel β wird beispielsweise in einem Fahrerassistenzsystem weiterverwendet.
Aus dem Schwimmwinkel β kann zudem unter Berücksichtigung des Gierwinkels ψ sowie der Fahrzeuggeschwindigkeit v der Schräglaufwinkel α bestimmt werden. Der Schräglaufwinkel α_H am Hinterrad bestimmt sich aus
unter Berücksichtigung des Abstandes l_H zwischen dem Schwerpunkt 4 und der Hinterachse am Hinterrad 2. Der Schräglaufwinkel α_V am Vorderrad bestimmt sich aus
unter zusätzlicher Berücksichtigung des Lenkwinkels δ sowie des Abstandes l_V zwischen dem Schwerpunkt 4 und der Vorderachse am Vorderrad 1.
2 zeigt ein Blockschaltbild zur Ermittlung des Schwimmwinkels sowie weiterer Fahrzeugzustandsgrößen. Gemäß dem Blockschaltbild sind ein Sensorikblock 6 mit den Sensoriken, die im Fahrzeug verbaut sind, sowie ein Auswerteblock 7 vorgesehen, in welchem die Messdaten aus den Sensoriken gemäß Block 6 zur Ermittlung der gewünschten Zustandsgrößen ausgewertet werden.
Diese Sensoriken gemäß dem Sensorikblock 6 umfassen zum einen eine Inertialsensorik mit den translatorischen bzw. linearen Beschleunigungen entlang der drei Raumachsen im Fahrzeug sowie den Drehraten, also den Drehbewegungen um die jeweilige Raumachse im Fahrzeug. Zum andern ist eine Magnetfeldsensorik im Fahrzeug vorgesehen, welche in der Lage ist, die Relativposition des Fahrzeugs in Bezug auf die Magnetfeldlinien des Erdmagnetfeldes zu bestimmen.
Der Sensorikblock 6 enthält einen Block 8 für die Beschleunigungen, einen Block 9 für das Erdmagnetfeld sowie einen Block 10 für die Drehraten; die Blöcke 8 und 10 sind Bestandteil der Inertialsensorik, der Block 9 ist Bestandteil der Magnetfeldsensorik. Am Ausgang des Sensorikblocks 6 liefern die Blöcke 8, 9 und 10 unter Berücksichtigung von Störungen bzw. Offsets die linearen Beschleunigungen a, die Messdaten m aus der Magnetfeldsensorik 9 sowie die Drehraten ω aus den Drehratensensoren 10. Diese Daten fließen als Eingangsgrößen in den nachfolgenden Auswerteblock 7 ein.
Im Auswerteblock 7 erfolgt eine Fusion der Sensordaten und eine Berechnung von Fahrzeugzustandsgrößen, u.a. des Schwimmwinkels β. Hierzu werden in Blöcken 11, 12 und 13 Zustandsgrößen y bzw. Schätzwerte ŷ von Zustandsgrößen ermittelt und gemäß einer Berechungsvorschrift die gewünschten Fahrzeugzustandsgrößen wie z.B. der Schwimmwinkel β berechnet. Beispielsweise wird, wie vorbeschrieben, der Schwimmwinkel β aus der Differenz von Kurswinkel und Gierwinkel bestimmt, wobei der Kurswinkel aus den Messdaten der Magnetfeldsensorik errechnet wird und der Gierwinkel durch Zeitintegration der aus Messwerten ermittelten Gierrate.
Die in 2 im Blockschaltbild symbolisierten Verfahrensschritte laufen in einem Regel- bzw. Steuergerät im Fahrzeug ab. Dieses kann Bestandteil eines Fahrerassistenzsystems sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10247991 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Schwimmwinkelbestimmung zur Verwendung in einem den Fahrzustand beeinflussenden Stell- oder Fahrerassistenzsystem in einem Fahrzeug, mit den folgenden Verfahrensschritten: – Bestimmen des Kurswinkels (ν) zwischen den Magnetfeldlinien (5) des Erdmagnetfelds und der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs aus aktuellen Messwerten einer Magnetfeldsensorik, – Bestimmen des Gierwinkels (ψ) des Fahrzeugs, – Berechnen des Schwimmwinkels (β), der den Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs und der Fahrzeuglängsachse (3) bezeichnet, aus der Differenz von Kurswinkel (ν) und Gierwinkel (ψ).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gierwinkel (ψ) des Fahrzeugs aus Messwerten einer Inertialsensorik mit Beschleunigungs- und Drehratensensoren bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gierwinkel (ψ) des Fahrzeugs durch Zeitintegration der Gierrate (ψ .) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensorik über Daten eines Global Positioning System (GPS) kalibriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensorik zur Kalibrierung in einem Kreisel im Fahrzeug um mindestens eine Achse gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Schwimmwinkel (β) der Schräglaufwinkel (α) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schräglaufwinkel (α_H) am Hinterrad aus dem Schwimmwinkel (β), Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und dem Gierwinkel (ψ) gemäß
berechnet wird, wobei l_H den Abstand vom Fahrzeugschwerpunkt (4) zur Hinterachse bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schräglaufwinkel (α_V) am Vorderrad aus dem Schwimmwinkel (β), Fahrzeuggeschwindigkeit (v), dem Gierwinkel (ψ) sowie dem Lenkwinkel (δ) gemäß
berechnet wird, wobei l_V den Abstand vom Fahrzeugschwerpunkt (4) zur Vorderachse bezeichnet.
Regel- bzw. Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Fahrerassistenzsystem in einem Fahrzeug mit einem Regel- bzw. Steuergerät nach Anspruch 9.