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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Neigung einer Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Die Ermittlung der Neigung einer Fahrzeugkarosserie gegenüber der Straße ist für verschiedene Fahrzeugapplikationen und -anwendungen von Interesse. Beispielsweise ist in vielen Fällen gesetzlich vorgeschrieben, Scheinwerfer mit einer Leuchtweitenregulierung auszustatten, um so eine Blendung des Gegenverkehrs zu verhindern und Verkehrsunfälle zu vermeiden. Ebenso werden Informationen zur Neigung der Fahrzeugkarosserie im Rahmen der Fahrwerksdämpfung beziehungsweise der Niveauregulierung verwendet. Dabei ist es bis heute üblich, die Lage der Karosserie zur Straße durch eine Messung einer Einfederung der Fahrzeugfedern an der Hinterachse und der Vorderachse zu bestimmen und aus der Differenz der Messwerte auf die Neigung der Fahrzeugkarosserie zu schließen. In fast allen Fällen wird hierzu ein gestängebehafteter, teilmechanisch wirkender Niveausensor verwendet, welcher benachbart zu den Fahrzeugfedern unter dem Fahrzeug vorgesehen ist.
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In der praktischen Verwendung machen die konventionellen Niveausensoren regelmäßig Probleme. Sie unterliegen zum einen aufgrund der ständigen Bewegung des Fahrzeugs einem mechanischen Verschleiß. Zudem ist eine Ankopplung über ein Gestänge kalibrieraufwendig und instandhaltungsintensiv. Ferner ist der Verbau unter dem Fahrzeug ungünstig, da die Sensoren nur schwer zugänglich sind. Eine mechanische Beschädigung kann darüber hinaus etwa durch in den Wirk- beziehungsweise Bewegungsbereich des Niveausensors eindringendes Astwerk hervorgerufen werden. Es besteht daher allgemein das Bestreben, die Neigung der Fahrzeugkarosserie durch gestängelose Niveausensoren zu ermitteln.
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In jüngerer Vergangenheit werden Bestrebungen bekannt, Beschleunigungssensoren zur Bestimmung der Neigung der Fahrzeugkarosserie einzusetzen. Die Neigung wird beispielsweise durch eine zweimalige Integration eines sensorisch erfassten Beschleunigungssignals ermittelt. Ein erster Sensor ist hierbei der Fahrzeugkarosserie und ein zweiter Sensor ist der Radaufhängung zugeordnet. Es ist jedoch so, dass die Integration fehleranfällig ist und eine langzeitstabile Positionserfassung in der Praxis nicht realisierbar scheint. Darüber hinaus müssen aufwendige Verfahren zur Ermittlung beziehungsweise Kompensation eines den Messwert überlagerten Rauschens durchgeführt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insofern, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung der Neigung der Fahrzeugkarosserie des Fahrzeugs gegenüber der Straße anzugeben.
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Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Eine analoge numerisch-algorithmische Umsetzung dieser Berechnung kann beispielsweise durch eine Reihenentwicklung der trigonometrischen Größen oder eine numerische Lösung erfolgen.
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Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Neigung der Karosserie des Fahrzeugs über gestängelose Messaufnehmer erfasst und unter Anwendung trigonometrischer Funktionen bestimmt werden kann. Da auf Integralbildung bei der Bestimmung der Fahrzeugkarosserieneigung verzichtet wird, ist die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ungleich größer als die Genauigkeit bekannter Verfahren. Darüber hinaus können zur Anwendung des Verfahrens Messwerte über im Fahrzeug ohnehin vorgesehene Sensoren, beispielsweise Beschleunigungssensoren des elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP), verwendet werden. Auf zusätzliche Sensoren kann insofern verzichtet werden mit der Folge, dass die Kosten und der Verkabelungsaufwand reduziert werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Neigung der Fahrzeugkarosserie besonders präzise bestimmt beziehungsweise korrigiert, indem zusätzlich zu der Ermittlung der Beschleunigung in die Fahrzeuglängsrichtung und die Hochachsenrichtung des Fahrzeugs eine Beschleunigung in eine Fahrzeugquerrichtung, das heißt orthogonal zur Fahrzeuglängsrichtung und zur Hochachsenrichtung bestimmt wird. Die in die Fahrzeugquerrichtung bestimmte Beschleunigung wird insbesondere während einer Kurvenfahrt oder eines Lenkmanövers zur präzisen Bestimmung der Neigung der Fahrzeugkarosserie gegenüber der Straße in einer durch die Fahrzeuglängsrichtung und die Hochachsenrichtung definierten primären Messebene verwendet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann eine weitere Korrektur der Neigung der Fahrzeugkarosserie gegenüber der Straße erfolgen, indem ein Schlupfwert für das mit dem zweiten Messaufnehmer ausgestattete Rad bestimmt und dazu verwendet wird, beim Auftreten eines Schlupfs an dem Rad den Wert für die Beschleunigung des Fahrzeugs in Richtung der Straße zu korrigieren. Ebenso kann der Wert für die Beschleunigung des Fahrzeugs in Richtung der Straße korrigiert werden, wenn eine Veränderung eines Durchmessers des den zweiten Messaufnehmer aufweisenden Rads festgestellt wird. Die Durchmesseränderung kann beispielsweise über einen an dem Rad vorgesehenen Reifendrucksensor bestimmt werden. Jeweils verbessert sich durch das Verarbeiten der weiteren Messwerte die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Neigung der Fahrzeugkarosserie gegenüber der Straße.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass insbesondere für die Bestimmung der Neigung verwendete Beschleunigungswerte einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden. Insbesondere können zur Kontrolle des in Richtung der Straße bestimmten Beschleunigungswerts für das Fahrzeug beziehungsweise zur Kontrolle des Durchmessers des Rads über ein Satellitennavigationssystem, beispielsweise ein GPS-System, zur Verfügung gestellte Informationen, insbesondere eine Information über die gefahrene Distanz beziehungsweise die Fahrgeschwindigkeit, herangezogen werden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass jedenfalls bei vernetzten Fahrzeugen mit einer Fahrzeug zu Fahrzeug-Kommunikationsinfrastruktur ein Vergleich der bestimmten Beschleunigung mit den für ein vorausfahrendes oder nachfolgendes Fahrzeug bestimmten Messwerten in Bezug auf die Beschleunigung oder Geschwindigkeit und den Abstand zwischen den Fahrzeugen präzisiert wird.
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Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann erreicht werden, indem an dem Fahrzeug mehr als ein zweiter Messaufnehmer vorgesehen wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Räder des Fahrzeugs mit einem eigenen zweiten Messaufnehmer ausgestattet sind. Jeweils wird über die Messaufnehmer ein Beschleunigungswert für das Fahrzeug in Richtung der Straße ermittelt. Indem zwei oder mehr unabhängig bestimmte Beschleunigungswerte vorliegen, kann ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienender Beschleunigungswert beispielsweise durch eine geeignete Mittelung oder Kumulation der einzelnen Messwerte bestimmt werden. Darüber hinaus können Messwertausreißer identifiziert werden.
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Erfindungsgemäß kann der der Fahrzeugkarosserie zugeordnete erste Messaufnehmer unmittelbar der Fahrzeugkarosserie selbst oder einer anderen Fahrzeugkomponenten zugeordnet sein, welche starr oder annähernd starr mit der Fahrzeugkarosserie verbunden ist und insofern in gleicher Weise geneigt beziehungsweise beschleunigt wird wie die Fahrzeugkarosserie. Der dem Rad zugeordnete zweite Beschleunigungssensor kann im Bereich des Rads selbst oder der dem Rad zugeordneten Radaufhängung montiert werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird mittels des ersten Messaufnehmers, welcher der Fahrzeugkarosserie zugeordnet ist und welcher zur Bestimmung der Beschleunigung der Fahrzeugkarosserie in die Fahrzeuglängsrichtung beziehungsweise in die Hochachsenrichtung dient, Beschleunigungsmessungen unmittelbar in die Fahrzeuglängsrichtung selbst durchführen oder in eine um 45° +/– 15° zur Fahrzeuglängsrichtung geneigte Hauptmessrichtung. Beim Durchführen der Messung in die Fahrzeuglängsrichtung ist insbesondere die Messwertnachverarbeitung einfach gestaltet. Bei einer Durchführung der Messung in eine geneigt zur Fahrzeuglängsrichtung vorgesehene Hauptmessrichtung vereinfacht sich die Kalibrierung der Messaufnehmer und die Sensitivität der Messung kann verbessert werden.
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Der für die antreibenden Räder bestimmte Schlupf kann insbesondere modellbasiert bestimmt beziehungsweise kompensiert werden. Zur Bestimmung des Schlupfs können die für das ESP-System vorgesehenen Sensoren verwendet werden.
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Aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Dort erwähnte Merkmale können jeweils einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Die Zeichnungen dienen lediglich beispielhaft der Klarstellung der Erfindung und haben keinen einschränkenden Charakter.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein Fahrzeug auf einer Straße in einem ersten Betriebszustand,
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2 das Fahrzeug nach 1 auf der Straße in einem zweiten Betriebszustand,
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3 das Fahrzeug nach 1 auf der Straße in einem dritten Betriebszustand und
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4 eine Vektorgrafik zur Visualisierung der Messdaten und der geometrischen Abhängigkeiten für den dritten Betriebszustand nach 3.
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Ein Fahrzeug 100 fährt in einem ersten Betriebszustand nach 1 auf einer Straße 200, welche eben und gegen den Horizont nicht geneigt angeordnet ist. An dem Fahrzeug 100 ist ein erster Messaufnehmer 115 vorgesehen, welcher einer Fahrzeugkarosserie 110 des Fahrzeugs 100 zugeordnet ist. Der erste Messaufnehmer 115 ist exemplarisch nach Art eines 2-Achsen-Beschleunigungssensors zur Ermittlung einer Beschleunigung ax des Fahrzeugs 100 in eine Fahrzeuglängsrichtung x und einer zweiten, orthogonal zur Beschleunigung ax des Fahrzeugs 100 orientierten Beschleunigung az in Richtung einer Hochachse z des Fahrzeugs 100 ausgebildet.
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Ferner ist einem Rad 120 des Fahrzeugs 100 ein zweiter Messaufnehmer 125 zugeordnet. Der zweite Messaufnehmer 125 ist beispielsweise als Raddrehzahl- oder ein Winkelgeschwindigkeitssensor realisiert. Durch Differentiation des Signals des Winkelgeschwindigkeitssensors (zweiter Messaufnehmer 125) kann unmittelbar eine Beschleunigung astr des Fahrzeugs 100 in Richtung der Straße 200 bestimmt werden.
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Für den ersten Betriebszustand soll angenommen werden, dass das Fahrzeug 100 unbeladen ist und die Fahrzeugkarosserie 110 nicht gegen die Straße 200 geneigt ist. Ebenfalls wird im ersten Modellierungsschritt die Erdbeschleunigung g nicht berücksichtigt. Dann folgt für die Beschleunigung des Fahrzeugs 100 in die Fahrzeuglängsrichtung x und die Hochachsenrichtung z: ax = astr (1) und az = 0 (2) mit astr = Δω / Δt und ω als Winkelgeschwindigkeit des Rads 120. Die Winkelgeschwindigkeit ω des Rads 120 ist unmittelbar proportional zur Geschwindigkeit des Fahrzeugs 100.
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Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass die Beschleunigung des Fahrzeugs 100 in Richtung der Straße 200 nicht allein durch den zweiten Messaufnehmer 125 bestimmt wird, der an dem Rad 120 des Fahrzeugs 100 vorgesehen ist. Es kann beispielsweise ein Mittelwert aus zwei oder vier zur Verfügung stehenden Winkelgeschwindigkeitssensoren 125 bestimmt werden, um die Fahrzeugbeschleunigung astr des Fahrzeugs 100 in Richtung der Straße 200 möglichst exakt zu bestimmen. Weichen Messsignale der vier Sensoren 125 zu stark voneinander ab, können Ausreißerfilter vorgesehen werden. Gleiches gilt, wenn die ermittelte Winkelgeschwindigkeit ω nicht zu einem optional zusätzlich ermittelten Wert eines weiteren Beschleunigungssensors passt. Es kann ferner vorgesehen werden, dass ein Radschlupf über einen modellbasierten Algorithmus bestimmt und kompensiert wird. Ebenfalls kann über eine Messung beziehungsweise eine indirekte Reifendruckbestimmung ein Durchmesser des Rads 120 bestimmt und Durchmesserveränderungen bei der Ermittlung der Beschleunigung astr des Fahrzeugs 100 in Richtung der Straße 200 berücksichtigt werden.
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Anzumerken ist, dass der vorgestellte Algorithmus insbesondere dann zuverlässig funktioniert, wenn regelmäßige Brems- beziehungsweise Beschleunigungsvorgänge durchgeführt werden. Insbesondere bei einer Anwendung des Algorithmus im Bereich der dynamischen Leuchtweitenregelung ist hiervon auszugehen.
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In einem zweiten Schritt der Modellbildung soll angenommen werden, dass die Karosserie 110 des Fahrzeugs 100 insbesondere beispielsweise einer Beladung eine Neigung α gegenüber der weiterhin horizontal erstreckten Straße 200 aufweist. Es gilt dann, wie in 2 dargelegt, für die Beschleunigung α des Fahrzeugs 100 in eine Fahrzeuglängsrichtung x ax = astr·cos(α) (3) und für die Beschleunigung des Fahrzeugs 100 in die Hochachsenrichtung z az = astr·sin(α). (4)
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Es wird an dieser Stelle deutlich, dass auf Basis der messtechnisch bestimmten Beschleunigungswerte ax, az, astr die Neigung α der Fahrzeugkarosserie 110 zur Straße 200 bestimmt werden kann.
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Im nächsten Modellbildungsschritt nach 3 wird nun zusätzlich vorgesehen, dass die Straße 200 gegenüber dem Horizont um einen Winkel β geneigt ist und dass die Erdbeschleunigung g auf die Messaufnehmer 115, 125 wirkt.
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Für die in die Fahrzeuglängsrichtung x und in die Hochachsenrichtung z des Fahrzeugs 100 wirkenden Komponenten der Erdbeschleunigung g gilt: gx = g·sin(γ) (5) und gz = g·cos(γ) (6) mit γ = (α + β).
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Die Beschleunigungswerte ax, az des Fahrzeugs 100 in die Fahrzeuglängsrichtung x und in die Hochachsenrichtung y bestimmen sich dann wie folgt: ax = astr·cos(α) – gx (7) und az = astr·sin(α) + gz. (8)
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Das vollständige Vektordiagramm nach 4 zeigt die auf das Fahrzeug 100 wirkenden Beschleunigungen und die geometrische Orientierung im Detail. Berücksichtigt man die Beschleunigungsterme nach den Gleichungen (5) und (6) und quadriert man die Gleichungen (7) und (8), ergibt sich a 2 / x = a 2 / str·cos2(α) – 2·astr·g·cos(α)·sin(γ) + g2·sin2(γ) (9) und a 2 / z = a 2 / str·sin2(α) + 2·astr·g·sin(α)·cos(γ) + g2·cos2(γ). (10)
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Aus der Addition der beiden Gleichungen folgt mit sin
2(x) + cos
2(x) = 1
a 2 / x + a 2 / z = a 2 / str + g2 + 2·astr·g·[sin(α)·cos(γ) – cos(α)·sin(γ)]. (11) und sin(C – D) = sin(C)·cos(D) – cos(C)·sin(D) weiter
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Für den Winkel β der Straße
200 zum Horizont folgt daraus
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Über Gleichung (13) kann somit die unbekannte Orientierung der Straße 200 zum Horizont bestimmt werden, da alle anderen Terme entweder konstant sind oder auf Basis der Messung bestimmt werden können.
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Weiter gilt für die Neigung α des Fahrzeugs 100 zur Straße 200: ax1 = astr·cos(α) (13)
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Mit ax1 = ax + gx, γ = α + β und gx = g·sin(γ) folgt dann ax + g·sin(α + β) = astr·cos(α). (14)
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Weiter gilt nach dem trigonometrischen Additionstheorem ax + g·sin(α)·cos(β) + g·cos(α)sin(β) = astr·cos(α). (15) beziehungsweise ax + g·cos(β)·sin(α) = [astr – g·sin(β)]·cos(α). (16)
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Mit A = g·cos(β) und B = g·sin(β) – a
str folgt
A·sin(α) + B·cos(α) = –ax. (17) -
Es ist somit gelungen, allein durch trigonometrische Überlegungen und unter Verzicht auf eine fehleranfällige Integrationsrechnung die Neigung α und den Winkel β der Straße 200 zum Horizont geschlossen analytisch zu bestimmen. Die hierfür notwendige Rechenleistung ist mit handelsüblichen Mikroprozessoren heute keine große Herausforderung mehr.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fahrzeug
- 110
- Fahrzeugkarosserie
- 115
- erster Messaufnehmer
- 120
- Rad
- 125
- zweiter Messaufnehmer
- 130
- Rad
- 200
- Straße
- x
- Fahrzeuglängsrichtung
- y
- Fahrzeugquerrichtung
- z
- Hochachsenrichtung
- α
- Neigung
- β
- Winkel
