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Hier wird ein Fuzzy-basiertes Steuerungssystem in einem Kraftfahrzeug zur Steuerung einer Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs oder eines Bremsdrucks einer Bremse des Kraftfahrzeugs offenbart.
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Hintergrund
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Ein Antiblockiersystem in einem Kraftfahrzeug verhindert, dass ein oder mehrere Räder des Kraftfahrzeugs bei einem Bremsvorgang blockieren. Dieses Blockieren bedeutet, dass zwar das Kraftfahrzeug nicht stillsteht, die Räder aber nicht mehr drehen und über den Untergrund schleifen. Hierbei wird nicht nur das Rad bzw. Reifen beschädigt, sondern das oder die blockierten Räder können nicht mehr zur Kraftfahrzeuglenkung verwendet werden. Im Übrigen verlängert sich der Bremsweg, da die Reibung verringert ist.
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Der Bremsvorgang besteht aus einer Bremsverzögerung, die bei jedem Kraftfahrzeug nur von zwei Werten abhängt, der Erdbeschleunigung und dem Haftwert μ. Das Antiblockiersystem hat zur Aufgabe, entsprechend einem Haftwert einen Schlupf für den jeweiligen Untergrund des Fahrzeugs einzustellen, sodass die optimale Kraft auf den Boden übertragen werden kann. Die Kraft wird üblicherweise über eine μ-Schlupf-Kurve veranschaulicht. Diese Kurve weist zu einem bestimmten Schlupf einen definierten übertragbaren Bremskraftbetrag auf.
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Zugrundeliegende Aufgabe
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Es ist nun Aufgabe ein Steuerungssystem zur Verfügung zu stellen, mit dem ein aktueller Haftwert μ zwischen Reifen und Untergrund im fahrdynamischen Grenzbereich und darüber hinaus ermittelt werden kann.
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Vorgeschlagene Lösung
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Entsprechend einem ersten Aspekt wird ein Fuzzy-basiertes Steuerungssystem in einem Kraftfahrzeug zur Steuerung einer Geschwindigkeit bereitgestellt. Das Fuzzy-basierte Steuerungssystem umfasst eine Bremsdruckmesseinheit, eine Signalverarbeitungseinheit und eine Steuerungseinheit. Die Bremsdruckmesseinheit ist als endlicher Zustandsautomat ausgebildet, einen aktuellen Bremsdruck einer Bremse eines Rads des Kraftfahrzeugs abhängig von einem Trigger zu messen. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, basierend auf dem aktuellen Bremsdruck der Bremse und weiterer Messwerte einen aktuellen Haftwert μ zwischen einem dem Rad zugehörigen Reifen und dem aktuellen Untergrund zu schätzen. Das Schätzen umfasst eine Inferenz basierend auf Fuzzy-Regeln und einer Fuzzyfizierung, und nachfolgend eine Defuzzyfizierung der Inferenz. Die Steuerungseinheit ist ausgebildet, basierend auf dem geschätzten aktuellen Haftwert μ, eine Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs oder den Bremsdruck der Bremse zu steuern.
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Vorteile und Varianten
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass ein maximaler Fahrbahnhaftwert auch außerhalb eines Fahrdynamischen Grenzbereichs ermittelt werden kann.
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Fuzzy-basiert kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass eine Fuzzy-Logik verwendet wird. Der Bremsdruck kann kontinuierlich gemessen werden oder ausgehend von einer Bremsdruckanforderung gemessen werden.
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In der Steuerungseinheit kann ein endlicher Zustandsautomat implementiert sein.
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Der endliche Zustandsautomat kann 4 Zustände annehmen. Diese Zustände können sein: Ruhezustand, Anforderungszustand, Haltezustand und Rampenzustand. Im Ruhezustand kann sich der endliche Zustandsautomat befinden, wenn der endliche Zustandsautomat von extern getriggert wurde. Dieses Triggern kann durch eine vorgeschaltete μ-Schätzung erfolgen. Wenn die vorgeschaltete μ-Schätzung einen ungenauen oder unbestimmten Wert für die μ-Schätzung ergibt, kann das Triggern erfolgen. Beim Triggern kann die Berechnung des Haftwerts μ angestoßen werden. Startbedingungen für die Berechnung des Haftwerts μ können eine Überschreitung/Unterschreitung eines vorbestimmten Beschleunigungswerts und/oder ein Überschreiten/Unterschreiten eines vorbestimmten Drehwinkels oder einer vorbestimmten Drehrichtung des Rads des Kraftfahrzeugs sein. Wenn ein Startbedingungszeitmesser einen Wert von 0 annimmt, kann der endliche Zustandsautomat in einen Anforderungszustand wechseln. Im Anforderungszustand kann eine Bremsdruckanforderung berechnet werden. Diese Berechnung kann bis zu einem gewünschten Schlupf durchgeführt werden. Hierbei kann die Bremsdruckanforderung mit einem vordefinierten Bremsdruckgradienten erfolgen, bis ein gewünschter Schlupf erreicht ist. Wenn der gewünschte Schlupf erreicht ist oder ein Anforderungszeitmesser eine maximale Anforderungszeit erreicht, kann der endliche Zustandsautomat in den Haltezustand wechseln. Falls im Anforderungszustand eine maximale Bremsdruckanforderung erreicht wird, kann der endliche Zustandsautomat in den Rampenzustand wechseln. Im Haltezustand kann die Bremsdruckanforderung auf den aktuell geschätzten Bremsdruck festgesetzt werden. Das kann zu einem stetigen Bremsdruck führen. Eine Dauer des Haltezustands kann durch eine Maximalzeit begrenzt sein. Während des Haltezustands kann der gewünschte Schlupf von dem aktuellen Schlupf abweichen. Falls im Haltezustand die maximale Anforderungszeit oder eine maximale Haltezeit erreicht wird, kann der endliche Zustandsautomat in den Rampenzustand wechseln. Im Rampenzustand kann der endliche Zustandsautomat zurück in den Ruhezustand wechseln, wenn eine Schätzung der Bremsdruckkraft den Wert 0 annimmt.
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Diese zusätzliche Ausgestaltung hat den Vorteil, bei einem Bremsdruckaufbau die Fahrzeugreaktion zu messen und aus den gemessenen Werten über eine Fuzzy-Logik den aktuellen Haftwert zu ermitteln.
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Hierbei wird ausgenutzt, dass durch die Fuzzy-Logik ein Mittelwert des Schlupfs an die äußeren Umstände angepasst werden kann.
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Die Zeit im Haltezustand kann durch eine Maximalzeit begrenzt sein. Im Rampenzustand kann die Bremsdruckanforderung ausgeblendet werden. Das kann einen abrupten Ruck verhindern, was unkomfortabel für einen Fahrer wäre.
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Die weiteren Messwerte können eine Geschwindigkeit, ein Schlupf und/oder eine Gierrate sein. Diese drei Messwerte können in Verbindung mit dem aktuellen Bremsdruck als Eingangswerte für die Signalverarbeitungseinheit verstanden werden.
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Die Fuzzyfizierung kann ein Abbilden des gemessenen Bremsdrucks und der weiteren Messwerte über Zugehörigkeitsfunktionen auf entsprechend gewichtete Objekte einer Fuzzy-Menge umfassen. Die Fuzzy-Menge kann sprachliche Ausdrücke umfassen. Die sprachlichen Ausdrücke können bezüglich des Bremsdrucks/der Gierrate/der Geschwindigkeit/des Schlupfs „sehr niedrid”, „niedrig”, „mittel”, „hoch” und/oder „sehr hoch” sein. Sprachliche Ausdrücke können bezüglich der Fahrbahn „sehr trocken”, trocken”, „feucht”, „sehr feucht”, „kalt”, „sehr kalt”, „warm”, „sehr warm”.
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Die Zugehörigkeitsfunktionen können den Grad der Zugehörigkeit zu einem Objekt einer Fuzzy-Menge festlegen. Der gemessene Bremsdruck bzw. die weiteren Messwerte können jeweils mehrere Zugehörigkeiten zu Objekten einer Fuzzy-Menge aufweisen. Die Fuzzy-Logik ermöglicht es, dass sich Werte zwischen jeweiligen Zugehörigkeiten zu Objekten einer Fuzzy-Menge befinden können.
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Die Fuzzy-Regeln können einen Satz an Regeln darstellen, der festgelegte Objekte einer Fuzzy-Menge durch logische Verknüpfungen so verknüpft, dass aus Ihnen ein aktuell durch das Kraftfahrzeug befahrener Fahrbahnbelag in seiner Beschaffenheit zu schätzen ist.
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Die Fuzzy-Regeln können auf empirischen Untersuchungen basieren und physikalische Beziehungen darstellen.
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Die Inferenz kann ferner das Bilden einer Zugehörigkeit zu einem Objekt einer Fuzzy-Menge umfassen. Die Zugehörigkeit kann eine sprachliche Zugehörigkeit sein. Die Zugehörigkeit kann das Ergebnis aus angewandten Fuzzy-Regeln auf die Fuzzyfizierung des gemessenen Bremsdrucks und der weiteren Messwerte, und deren logische Verknüpfung daraus sein.
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Die Defuzzyfizierung kann ferner eine Rückabbildung eines Ergebnisses aus der Inferenz auf den geschätzten aktuellen Haftwert μ umfassen. Das Ergebnis kann einem Objekt einer Fuzzy-Menge entsprechen, die entsprechend gewichtet sein kann. Entsprechend gewichtet kann hier als der Grad der Zugehörigkeit zu dem Objekt der Fuzzy-Menge verstanden werden.
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Die Defuzzyfizierung kann ferner über kombinierte Zugehörigkeitsfunktionen erfolgen, die zur Berechnung des aktuellen Haftwerts μ in Verbindung mit einer Singleton-Schwerpunktmethode verwendet werden können.
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Die hier genannten Fuzzy-Mengen in den Schritten der Fuzzyfizierung, Inferenz und Defuzzyfizierung können sich unterscheiden.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Figuren kurz erläutert.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels;
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2 eine schematische Darstellung für ein Triggern der Bremsdruckmesseinheit nach einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine schematische Darstellung eines Zustandsdiagramms eines endlichen Zustandsautomaten nach einem Ausführungsbeispiel;
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4 eine schematische Darstellung einer Ereignisliste eines endlichen Zustandsautomaten nach einem Ausführungsbeispiel;
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5 eine schematische Darstellung von Bremsdruckanforderungen in einem Anforderungszustand eines endlichen Zustandsautomaten nach einem Ausführungsbeispiel;
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6A eine schematische Darstellung von Zugehörigkeitsfunktionen eines Schlupfs;
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6B eine schematische Darstellung von Zugehörigkeitsfunktionen eines Bremsdrucks;
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6C eine schematische Darstellung von Zugehörigkeitsfunktionen einer Geschwindigkeit;
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6D eine schematische Darstellung von Zugehörigkeitsfunktionen einer Gierrate;
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7A eine schematische Darstellung von Fuzzy-Regeln nach einem Ausführungsbeispiel;
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7B eine schematische Darstellung von Fuzzy-Operatoren und einer Realisierung nach einem Ausführungsbeispiel;
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8A eine schematische Darstellung von Zugehörigkeitsfunktionen eines Fahrbahnbelags/Untergrunds nach einem Ausführungsbeispiel;
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8B eine schematische Darstellung einer gemeinsamen Zugehörigkeitsfunktion nach einem Ausführungsbeispiel;
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1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Aufbau eines Ausführungsbeispiels. Hierbei ist ein Fuzzy-basiertes Steuerungssystem 10 gezeigt. Über einen Trigger wird die Bremsdruckmesseinheit 12 getriggert. Die Bremsdruckmesseinheit leitet an die Signalverarbeitungseinheit 14 die Kraftfahrzeuggeschwindigkeit, die Gierrate, den Schlupf und den Bremsdruck weiter. In der Signalverarbeitungseinheit 14 wird über eine Fuzzyfizierung und Fuzzy-Regeln eine Fuzzy-Inferenz und eine nachfolgende Defuzzyfizierung der Signalverarbeitungseinheit 14 ein Haftwert μ geschätzt, der an die Steuerungseinheit 16 weitergeleitet wird. Die Steuerungseinheit 16 steuert eine Geschwindigkeit und/oder einen aktuellen Bremsdruck für ein oder mehrere Räder des Kraftfahrzeugs.
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2 zeigt beispielhaft und schematisch einen Verlauf von Anfangsbedingungen, die erfüllt sein müssen, damit eine Ausführung entsprechend der vorliegenden Erfindung erfolgt. Dafür wird ein Startbedingungszeitmesser in der untersten Zeile der 2 gezeigt, der zurückgesetzt wird, falls die Bedingungen nicht erfüllt sind. Nur wenn der Stadtbedingungszeitmesser den Wert 0 erreicht, aktiviert ein Trigger, wie in 1 gezeigt, die Bremsdruckmesseinheit.
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In 3 ist beispielhaft ein endlicher Zustandsautomat gezeigt, mit 4 verschiedenen Zuständen und 5 verschiedenen Ereignissen. Diese Zustände umfassen einen Ruhezustand, einen Anforderungszustand, einen Haltezustand und einen Rampenzustand. In 4 sind die verschiedenen Ereignisse dargestellt, die zu den unterschiedlichen Zuständen des endlichen Zustandsautomats führen. E1 stellt ein Ereignis für die Startbedingung dar, um in den Anforderungszustand zu gelangen. E2 stellt ein Ereignis für das Eintreffen des Haltezustands aus dem Anforderungszustand dar. E3 stellt ein Ereignis für das Eintreffen des Rampenzustands aus dem Anforderungszustand dar. E4 stellt ein Ereignis für das Eintreffen des Rampenzustands aus dem Haltezustand dar. E5 stellt ein Ereignis für das Eintreffen des Ruhezustands aus dem Rampenzustand dar.
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In 5 wird beispielhaft und schematisch eine Darstellung einer Bremsdruckanforderung bis zu einem gewünschten Schlupf dargestellt. Die Bremsdruckanforderung folgt dabei einem vordefinierten Gradienten und wird durch eine maximale Bremsdruckanforderung abgeschnitten. Der typische Verlauf der rampenförmigen Bremsdruckanforderung ist in 5 gezeigt. Es kann festgestellt werden, dass der Bremsdruck wie eine Rampe bis zu einem maximalen Bremsdruck verläuft oder bis der gewünschte Schlupf erreicht ist. Falls der gewünschte Schlupf erreicht wird, führt das zu dem Haltezustand. Im Haltezustand wird die Bremsdruckanforderung auf den aktuellen geschätzten Bremsdruck gesetzt. Das führt zu stetigem Bremsdruck. Wenn kein Schlupfregulator vorhanden ist, wird der durchschnittliche Schlupf von dem gewünschten Schlupf abweichen. Hier wird ein geschätzter Haftwert μ aus einer Fuzzy-Logik Schätzung zur Einstellung dieses Schlupfs genutzt. Damit wird der gewünschte Schlupf eingestellt. Im Rampenzustand wird schliesslich noch verhindert, dass sich das Kraftfahrzeug nicht ruckartig bewegt, so dass ein darin sitzender Fahrer nicht ungewollt einem Ruck ausgesetzt fühlt.
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6A, 6B, 6C und 6D stellen beispielhaft Zugehörigkeitsfunktionen entsprechend der vier Messwerte: Schlupf, Bremsdruck, Kraftfahrzeuggeschwindigkeit und Gierrate dar. In 6A sind drei Zugehörigkeitsfunktionen über einem Schlupf aufgetragen. Die drei Zugehörigkeitsfunktionen umfassen niedrigen, mittleren und hohen Schlupf. Es können auch fünf oder mehr Zugehörigkeitsfunktionen sein, z. B. sehr niedriger, niedriger, mittlerer, hoher und sehr hoher Schlupf. Ein entsprechender Grad der Zugehörigkeit wird über die Graphen aus 6A dementsprechend ermittelt. Zum Beispiel ergibt ein gemessener Schlupf von 0,5% einen fuzzyfizierten Schlupf von (Schlupf_niedrig; Schlupf_mittel; Schlupf_hoch) = (0.375; 0.625; 0). Das bedeutet, dass der Grad der Zugehörigkeit einem hohen Anteil an mittlerem Schlupf und einem geringeren Anteil an niedrigem Schlupf entspricht und keinem Anteil an hohem Schlupf. Dasselbe Prinzip ist auf die 6B, 6C und 6D anzuwenden. In 6B sind drei Zugehörigkeitsfunktionen über einem Bremsdruck aufgetragen. Die drei Zugehörigkeitsfunktionen umfassen niedrigen, mittleren und hohen Bremsdruck. Es können auch fünf oder mehr Zugehörigkeitsfunktionen sein, z. B. sehr niedriger, niedriger, mittlerer, hoher und sehr hoher Bremsdruck. Beispielhaft kann ein gemessener Bremsdruck von 12 Bar über die Zugehörigkeitsfunktion auf (P_niedrig; P_mittel; P_hoch) = (1; 0; 0) abgebildet werden. Das heisst, dass der über die Zugehörigkeitsfunktion bestimmte Bremsdruck keine Zugehörigkeit zu mittlerem und hohem Bremsdruck aufweist, sondern ausschließlich zu niedrigem Bremsdruck. In 6C sind fünf Zugehörigkeitsfunktionen über einer Kraftfahrzeuggeschwindigkeit aufgetragen. Die fünf Zugehörigkeitsfunktionen umfassen sehr niedrige, niedrige, mittlere, hohe und sehr hohe Kraftfahrzeuggeschwindigkeit. Es können auch mehr Zugehörigkeitsfunktionen sein. Beispielhaft kann eine gemessene Kraftfahrzeuggeschwindigkeit von 50 km/h oder 60 km/h abgebildet werden über die Zugehörigkeitsfunktionen auf einen Grad der Zugehörigkeit von (V_sehr_niedrig; V_niedrig; V_mittel; V_hoch; V_sehr_hoch) = (0; 1; 0; 0; 0) oder (V_sehr_niedrig; V_niedrig; V_mittel; V_hoch; V_sehr_hoch) = (0; 0,6; 0,4; 0; 0). In 6D sind drei Zugehörigkeitsfunktionen über einer Gierrate aufgetragen. Die drei Zugehörigkeitsfunktionen umfassen niedrige, mittlere und hohe Gierrate. Es können auch fünf oder mehr Zugehörigkeitsfunktionen sein, z. B sehr niedrige, niedrige, mittlere, hohe und sehr hohe Gierrate. Beispielhaft kann eine gemessene Gierrate von 0.3°/s oder 0.48°/s über die Zugehörigkeitsfunktionen abgebildet werden auf (Gier_niedrig; Gier_mittel; Gier_hoch) = (0; 1; 0) oder (Gier_niedrig; Gier_mittel; Gier_hoch) = (0; 0,5; 0,5). Allgemein ergibt die Summe aller bestimmten Zugehörigkeiten für einen gemessenen Wert einen Wert von 1. Der Grad der Zugehörigkeit stellt in dieser beispielhaften Ausführung den prozentualen Anteil einer sprachlichen Abbildung ausgehend von einem gemessenen Wert dar.
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In 7A werden beispielhaft und schematisch Fuzzy-Regeln entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Regeln stellen Verknüpfungen zwischen den sprachlichen Abbildungen der zugehörigen gemessenen Werte und dem für eine Inferenz nötigen sprachlichen Wert für die Fahrbahnbeschaffenheit/Untergrund dar. Darüber kann in Kombination mit 7B ein Haftwert μ über eine Defuzzyfizierung geschätzt werden. Beispielhaft ergibt sich aus Spalte 1 aus 7A, dass für den Fall No. 1 in Zeile 2 der Tabelle, aus den jeweiligen sprachlichen Zugehörigkeiten der vier Messwerte Kraftfahrzeuggeschwindigkeit, Bremsdruck, Schlupf und Gierrate ein sprachliches Abbild/Ergebnis inferriert werden kann. Zum Beispiel kann aus einer sehr niedrigen Kraftfahrzeuggeschwindigkeit, einem niedrigen Bremsdruck, einem hohen Schlupf und einer niedrigen Gierrate geschlossen werden, dass der Untergrund eisig sein muss (siehe „ICE” in 7A). Dieses Ergebnis kann dann dazu verwendet werden um einen arithmetischen Wert schätzen zu können. Dies wird in 8A bzw. 8B veranschaulicht.
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8A beschreibt vier Zugehörigkeitsfunktionen für einen Untergrund, der zum Beispiel Eis, Schnee, Nässe, Trockenheit aufweist. Diese Eigenschaften können einen Untergrund beschreiben. Über die Defuzzyfizierung kann das Objekt der Fuzzy-Menge, hier der sprachliche Ausdruck, zurück auf einen Haftwert abgebildet werden. Dazu wird über die Zugehörigkeitsfunktionen ein Haftwert geschätzt. Ferner kann mit einem Maximaloperator über die Verbindung aller Fuzzy-Regeln ein bestimmter Ausgangssatz berechnet werden, wobei eine entsprechende kombinierte Zugehörigkeitfunktion durch den Maximalwert abgekappt wird. Diese abgekappte Zugehörigkeitsfunktion ist in
8B dargestellt. Sie stellt ferner den Fall dar, dass geschätzte Haftwerte für trocken und nass μ_trocken = 0,45 und μ_nass = 0,15 einen relativ genauen Haftwert von μ_est_precise = 0,79 ergeben. Für dieses Verfahren kann eine Singleton-Schwerpunktmethode verwendet werden, mit der entsprechend dem Schwerpunktsatz und der folgenden Formel
ein geschätzter Haftwert μ_est,precise berechnet werden kann. μ_est,precise stellt hierbei den durch die Singleton-Schwerpunktmethode berechneten Schätzwert unter Verwendung der kombinierten Zugehörigkeitsfunktion mf(μ_i) für den Funktionswert μ = μ_i dar.
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Detaillierte Beschreibung
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Die hier beschriebenen Verfahrensvarianten der sowie deren Funktions- und Betriebsaspekte dienen lediglich dem besseren Verständnis ihrer Struktur, Funktionsweise und Eigenschaften; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind teilweise schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Fig. oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen den beschriebenen Vorrichtungen zuzuordnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst und können zu Gegenstad weiterer Ansprüche gemacht werden. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle offenbarten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.
