DE102016202466A1

DE102016202466A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Lenkwinkels bei einem einspurigen Fahrzeug

Info

Publication number: DE102016202466A1
Application number: DE102016202466.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Klews
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2017-08-24
Also published as: US10442463B2; US20170240203A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Lenkwinkels bei einem einspurigen Fahrzeug, bei dem – mittels eines an einem ersten Ort am Rahmen des Fahrzeugs angebrachten Rahmensensorsystems die dort auftretenden ersten Rahmenbeschleunigungen und ersten Rahmendrehraten des Zweirads jeweils in drei erste Raumrichtungen ermittelt werden, – mittels eines an einem zweiten Ort des Lenksystem des Fahrzeugs angebrachten Lenksystemsensorsystems die dort auftretenden Lenksystembeschleunigungen des Zweirads in drei zweite Raumrichtungen ermittelt werden, – anhand der ermittelten ersten Rahmenbeschleunigungen und ersten Rahmendrehraten anhand einer mathematischen Beziehung zweite Rahmenbeschleunigungen am Ort des zweiten Lenksystemsensorsystems in die drei ersten Raumrichtungen berechnet werden und – anhand der berechneten zweiten Rahmenbeschleunigungen und der ermittelten Lenksystembeschleunigungen der Lenkwinkel des Fahrzeugs ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Aus der DE 10 2010 063 845 A1 ist ein Winkelsensor zum Bestimmen des Drehwinkels eines drehbaren Körpers wie z. B. einer Lenksäule in einem Kraftfahrzeug bekannt. Derartige Lenkwinkelsensoren weisen relativ hohe Fertigungskosten auf. Zudem sind derartige Lenkwinkelsensoren speziell für den PKW-Bereich geeignet. Bei motorisierten Zweirädern oder einspurigen Fahrzeugen treten während der Fahrt im Allgemeinen nur kleine Lenkwinkel auf. Für den PKW-Bereich zugeschnittene Lenkwinkelsensoren weisen deshalb beim Zweiradbereich typischerweise eine zu grobe Auflösung auf.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Lenkwinkels bei einem einspurigen Fahrzeug, bei dem

– mittels eines an einem ersten Ort am Rahmen des Fahrzeugs angebrachten Rahmensensorsystems die dort auftretenden ersten Rahmenbeschleunigungen und ersten Rahmendrehraten des Zweirads jeweils in drei erste, insbesondere zueinander orthogonale Raumrichtungen ermittelt werden,
– mittels eines an einem zweiten Ort des Lenksystem des Fahrzeugs angebrachten Lenksystemsensorsystems die dort auftretenden Lenksystembeschleunigungen des Zweirads in drei zweite, insbesondere zueinander orthogonale Raumrichtungen ermittelt werden,
– anhand der ermittelten ersten Rahmenbeschleunigungen und ersten Rahmendrehraten anhand einer mathematischen Beziehung zweite Rahmenbeschleunigungen am Ort des zweiten Lenksystemsensorsystems in die drei ersten Raumrichtungen berechnet werden und
– anhand der berechneten zweiten Rahmenbeschleunigungen und der ermittelten Lenksystembeschleunigungen der Lenkwinkel des Fahrzeugs ermittelt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Rahmensensorsystem um ein erstes Inertialsensorcluster bzw. erstes Inertialsensorsystem handelt, welches die an dessen Anbringungsort auftretenden Beschleunigungen und Drehraten jeweils in die drei ersten Raumrichtungen ermittelt. Ein derartiges Sensorsystem ist bei modernen Motorrädern bereits häufig enthalten, um z. B. den Schräglagewinkel zu bestimmen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Lenksystemsensorsystem um ein mit der Lenksäule mitbewegtes bzw. mitgedrehtes zweites Inertialsensorcluster bzw. Inertialsensorsystem handelt, welches die an dessen Anbringungsort auftretenden Beschleunigungen in die drei zweiten Raumrichtungen ermittelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Rahmenbeschleunigungen a →^T am Ort des zweiten Lenksystemsensorsystems mittels der Beziehung
ermittelt werden, wobei a →^T die zweiten Rahmenbeschleunigungen kennzeichnet, a →^R die ersten Rahmenbeschleunigungen kennzeichnet, ω →^R die ersten Rahmendrehraten kennzeichnet,
die zeitliche Ableitung der ersten Rahmendrehraten kennzeichnet und l →^RL den Abstandsvektor vom Sensor am Rahmen bzw. Rahmensensorsystem zum Sensor am Lenksystem bzw. Lenksystemsensorsystem kennzeichnet. Diese Berechnung kann einfacherweise in einem bereits vorhandenen Steuergerät, z. B. dem Bremsensteuergerät, ablaufen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkwinkel mittels der Beziehung
ermittelt wird, wobei δ den Lenkwinkel, a_x ^L die Lenksystembeschleunigung in Längsrichtung des Vorderrades, a_y ^L die Lenksystembeschleunigung in Querrichtung des Vorderrades, a_x ^T die zweite Rahmenbeschleunigung in Längsrichtung des Rahmens und a_y ^T die zweite Rahmenbeschleunigung in Querrichtung des Rahmens kennzeichnet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem einspurigen Fahrzeug um ein Motorrad handelt. Insbesondere bei einem Motorrad oder einem anderen oft mit hoher Geschwindigkeit und Agilität betriebenen Kraftfahrzeug ist die Kenntnis des Lenkwinkels besonders nützlich, insbesondere zur Weiterverarbeitung in einem Brems- oder Motorsteuergerät.
Weiter umfasst die Erfindung eine Vorrichtung, enthaltend Mittel, die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren ausgestaltet sind. Dabei handelt es sich insbesondere um ein Steuergerät, welches mit dem Programmcode zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren ausgestattet ist.
Die Zeichnung umfasst 1. In 1 sind in Draufsicht schematisch das eingelenkte Vorderrad und das Hinterrad eines einspurigen Kraftfahrzeugs sowie ein am Rahmen und ein an der Lenksäule angebrachtes Sensorcluster dargestellt.
Die Erfindung basiert auf einem Zweirad, an dessen Rahmen sich ein Inertialsensorsystem zur Sensierung von Beschleunigungen und Drehraten befindet und an dessen Lenksystem sich zumindest ein Inertialsensorsystem zur Sensierung von Beschleunigungen befindet. Auf einen zusätzlichen Lenkwinkelsensor kann verzichtet werden. Das im Folgenden vorgestellte Verfahren basiert auf einem Vergleich von Beschleunigungskomponenten am Rahmen und am Lenksystem. Das Aufintegrieren von Drehraten des Lenksystems zur Bestimmung des Lenkwinkels, welches die Schwierigkeit einer Integration der typischerweise offsetbehafteten Drehratensignale in sich birgt, kann damit entfallen.
Das Fahrzeug verfügt über einen Inertialsensorcluster am Rahmen, welcher Beschleunigungen und Drehraten erfassen kann. Am Lenksystem wird an der Lenkachse ein sich mit der Lenkachse mitdrehender weiterer Sensor bzw. weiteres Sensorsystem verbaut, welches die Beschleunigungen aller Raumrichtungen erfassen kann.
Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Sensor am Lenksystem bei nicht verdrehter Lenkung und der Sensor am Rahmen parallel zum Rahmen ausgerichtet sind. Als Nebenbemerkung wird erwähnt, dass für den Fall verkippt oder verdreht verbauter Sensoren deren Ausgangssignale mittels Euler-Rotationen in ein fahrzeugparalleles Koordinatensystem umgerechnet werden können.
Aus den Beschleunigungen und Drehraten, die vom Sensor am Rahmen erfasst werden, wird die Beschleunigung am Ort des Sensors am Lenksystem mittels Starrkörpertransformation berechnet und mit den gemessenen Beschleunigungen des Sensors am Lenksystem verglichen. Aus dem Vergleich der direkt gemessenen Beschleunigungen am Lenksystem und der transformierten Beschleunigung ergibt sich der Lenkwinkel.
Die Transformation des Beschleunigungsvektors am Rahmen zum Sensorort am Lenksystem lautet:
Dabei bezeichnet l →^RL den Abstandsvektor zwischen Sensor am Rahmen und Sensor am Lenksystem, a →^R und
sind die Beschleunigungen und Drehraten des Sensors am Rahmen. Die Darstellung des Vektors a →^T im rahmenfesten und im lenksystemfesten Koordinatensystem hängt über folgende Beziehung mit dem Lenkwinkel δ zusammen:
Dabei kennzeichnen a_x ^L und a_y ^L die x- bzw. y-Komponente der vom Lenksystemsensorsystem gemessenen Beschleunigung a →^L.
Bei Kurvenfahrt gilt in aller Regel am Ort des Sensors am Lenksystem a T / y ≠ 0 (nur im Schwerpunkt des Gesamtsystems Fahrer + Fahrzeug ist bei Kurvenfahrt a_y = 0), dann lässt sich diese Beziehung z. B. folgendermaßen nach dem Lenkwinkel δ auflösen:
Bei den beiden vorigen mathematischen Beziehungen wurde aus Gründen der einfacheren Darstellung die z-Komponente von a →^L und a →^T vernachlässigt.
Der Lenkkopfwinkel τ bei Zweirädern ist i. d. R. ungleich null. Der effektive Lenkwinkel δ_eff ergibt sich dann aus dem fahrzeugbezogenen Lenkwinkel δ, dem Lenkkopfwinkel τ und der Schräglage φ aus der Beziehung
Bei fahrzeugbezogenen Lenkwinkel δ handelt es sich um den Winkel zwischen dem Rahmen und dem Lenksystem. Der Sensorcluster am Rahmen wird bei motorisierten Zweirädern in aller Regel verbaut, um die Schräglage φ zu bestimmen, diese Größe steht somit üblicherweise für diese Transformation auch zur Verfügung.
1 zeigt in Draufsicht das Hinterrad 100 sowie das Vorderrad 101 eines einspurigen Fahrzeugs. Das Vorderrad 101 ist dabei nach rechts eingelenkt. Weiter zeigt die Figur ein am Rahmen des Zweirads angebrachtes Rahmensensorsystem 102, welches insbesondere die Drehraten und die Beschleunigungen jeweils in drei zueinander orthogonale Raumrichtungen erfasst. 103 kennzeichnet ein Lenksystemsensorsystem, welches sich mit der Lenkerachse mitdreht und die Beschleunigungen in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen erfasst. Die Messachsen des Rahmensensorsystems sind mit x^R und y^R bezeichnet, a →^R kennzeichnet die gemessene vektorielle Beschleunigung. Am Vorderrad sind die mit dem Vorderrad mitdrehenden Messachsen x^L und y^L des Lenksystemsensorsystems eingezeichnet. Weiterhin sind die Messachsen x^T und y^T der ebenfalls eingezeichneten zweiten Rahmenbeschleunigung a →^T eingezeichnet. Diese Messachsen x^T und y^T bilden ein parallel zu den Messachsen des Rahmensensorsystems verschobenes Koordinatensystem. a →^T kennzeichnet die an am Ort des Lenksystemsensorsystems ermittelte Beschleunigung, welche mittels der starrkörperdynamischen Beziehung
aus der vom Rahmensensorsystem an dessen Anbringungsort ermittelten Beschleunigung und Drehrate errechnet wird. Der Lenkwinkel δ wird bei der Berechnung von a →^T nicht berücksichtigt. Weiter ist in 1 der Lenkwinkel δ eingezeichnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010063845 A1 [0001]

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Lenkwinkels (δ) bei einem einspurigen Fahrzeug, bei dem – mittels eines an einem ersten Ort am Rahmen des Fahrzeugs angebrachten Rahmensensorsystems die dort auftretenden ersten Rahmenbeschleunigungen (a →^R) und ersten Rahmendrehraten (ω →^R) des Zweirads jeweils in drei erste Raumrichtungen ermittelt werden, – mittels eines an einem zweiten Ort des Lenksystem des Fahrzeugs angebrachten Lenksystemsensorsystems die dort auftretenden Lenksystembeschleunigungen (a_x ^L, a_y ^L) des Zweirads in drei zweite Raumrichtungen ermittelt werden, – anhand der ermittelten ersten Rahmenbeschleunigungen (a →^R) und ersten Rahmendrehraten (ω →^R) anhand einer mathematischen Beziehung zweite Rahmenbeschleunigungen (a →^T) am Ort des zweiten Lenksystemsensorsystems in die drei ersten Raumrichtungen berechnet werden und – anhand der berechneten zweiten Rahmenbeschleunigungen (a →^T) und der ermittelten Lenksystembeschleunigungen (a_x ^L, a_y ^L) der Lenkwinkel (δ) des Fahrzeugs ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Rahmensensorsystem um ein erstes Inertialsensorcluster handelt, welches die an dessen Anbringungsort auftretenden Beschleunigungen (a →^R) und Drehraten (ω →^R) jeweils in die drei ersten Raumrichtungen ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Lenksystemsensorsystem um ein mit der Lenksäule mitgedrehtes zweites Inertialsensorcluster handelt, welches die an dessen Anbringungsort auftretenden Beschleunigungen (a_x ^L, a_y ^L) in die drei zweiten Raumrichtungen ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Rahmenbeschleunigungen (a →^T) am Ort des zweiten Lenksystemsensorsystems mittels der Beziehung
ermittelt werden, wobei a →^T die zweiten Rahmenbeschleunigungen kennzeichnet, a →^R die ersten Rahmenbeschleunigungen kennzeichnet, ω →^R die ersten Rahmendrehraten kennzeichnet,
die zeitliche Ableitung der ersten Rahmendrehraten kennzeichnet und l →^RL den Abstandsvektor vom Sensor am Rahmen zum Sensor am Lenksystem kennzeichnet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkwinkel (δ) mittels der Beziehung
ermittelt wird, wobei δ den Lenkwinkel, a_x ^L die Lenksystembeschleunigung in Längsrichtung des Vorderrades, a_y ^L die Lenksystembeschleunigung in Querrichtung des Vorderrades, a_x ^T die zweite Rahmenbeschleunigung in Längsrichtung des Rahmens und a_y ^T die zweite Rahmenbeschleunigung in Querrichtung des Rahmens kennzeichnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei ersten Raumrichtungen zueinander orthogonal sind und dass die drei zweiten Raumrichtungen zueinander orthogonal sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem einspurigen Fahrzeug um ein Motorrad handelt.
Vorrichtung, enthaltend Mittel, die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren ausgestaltet sind.