DE102017006595A1 - Verfahren zur Korrektur eines Radwinkels gelenkter Räder eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur eines Radwinkels gelenkter Räder eines Fahrzeugs (1). Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte: – Fahren verschiedener Wendekreise (W) in Messfahrten, – Vergleich der gefahrenen Radwinkel mit einem Referenzradwinkel, – Erstellen einer Korrekturkurve und/oder Bestimmen von Korrekturfaktoren, – Korrigieren des Radwinkels bei einer Durchführung eines automatisierten Einparkmanövers mit einem jeweiligen Korrekturwert der Korrekturkurve und/oder mit dem jeweiligen Korrekturfaktor.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur eines Radwinkels gelenkter Räder eines Fahrzeugs.
• Aus dem Stand der Technik ist, wie in der WO 2004/065195 A1 beschrieben, ein Verfahren zur Synchronisation der Handhabenstellung der Lenkhandhabe und dem an den gelenkten Fahrzeugrädern eingestellten Lenkwinkel bekannt. Anhand einer Steuervorrichtung ist eine Zuordnungsfunktion bzw. Lenkkennlinie zwischen der Handhabenstellung und dem Lenkwinkel einstellbar. Nach dem Aktivieren der Steuervorrichtung wird die momentane Handhabenstellung und der momentane Lenkwinkel unter Berücksichtigung der momentan eingestellten Zuordnungsfunktion verglichen und im Falle einer Stellungsabweichung erfolgt eine Relativverstellung zur Verringerung der Stellungsabweichung zwischen der Handhabenstellung und dem Lenkwinkel.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Korrektur eines Radwinkels gelenkter Räder eines Fahrzeugs anzugeben.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Korrektur eines Radwinkels gelenkter Räder eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Ein Verfahren zur Korrektur eines Radwinkels gelenkter Räder eines Fahrzeugs umfasst erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte:
• – Fahren verschiedener Wendekreise in Messfahrten,
• – Vergleich der gefahrenen Radwinkel mit einem Referenzradwinkel,
• – Erstellen einer Korrekturkurve und/oder Bestimmen von Korrekturfaktoren,
• – Korrigieren des Radwinkels bei einer Durchführung eines automatisierten Einparkmanövers mit einem jeweiligen Korrekturwert der Korrekturkurve und/oder mit dem jeweiligen Korrekturfaktor.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Funktionalität eines Assistenzsystems zur Durchführung von Einparkmanövern und dadurch die Durchführung automatisierter Einparkmanöver wesentlich verbessert, so dass eine wesentlich genauere Positionierung des Fahrzeugs in einer jeweiligen Parkposition möglich ist als bisher, denn bisher verwendete Fahrzeugmodelle bilden die Realität nur unzureichend ab. Beispielsweise ergibt sich aufgrund einer unterschiedlichen Beanspruchungsrichtung einer Achskinematik des Fahrzeugs bei Vorwärtsfahrt und Rückwärtsfahrt bei gleichem Lenkradwinkel ein unterschiedlicher Wendekreis. Daher wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Fahrzeugapplikation durchgeführt, d. h. eine Anpassung des Assistenzsystems, insbesondere des zugrundeliegenden Fahrzeugmodells, an das jeweilige Fahrzeug, um eine robuste und präzise Lokalisierung des Fahrzeugs zu ermöglichen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei insbesondere auch eine Applikation, d. h. eine Anpassung des Fahrzeugmodells und damit des Assistenzsystems und dessen Funktionalität, an vierradgelenkte Fahrzeuge ermöglicht.
• Vorzugsweise wird zur Applizierung des Fahrzeugmodells, d. h. zur Anpassung an das jeweilige Fahrzeug, eine Dual-DGPS-Referenzmesstechnik verwendet.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
• Dabei zeigt:
• 1 schematisch ein Fahrzeug während eines Fahrens eines Wendekreises in einer Messfahrt.
• 1 zeigt eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugs 1 während eines Fahrens eines Wendekreises W in einer Messfahrt. Dies ist für ein Verfahren zur Korrektur eines Radwinkels gelenkter Räder des Fahrzeugs 1, insbesondere bei einem automatisierten Parken, erforderlich. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
• – Fahren verschiedener Wendekreise W, insbesondere mit Radwinkeln von –40° bis +40°, in Messfahrten,
• – Vergleich der gefahrenen Radwinkel mit einem Referenzradwinkel,
• – Erstellen einer Korrekturkurve und/oder Bestimmen von Korrekturfaktoren,
• – Korrigieren des Radwinkels bei einer Durchführung eines automatisierten Fahrmanövers, insbesondere eines Parkmanövers, vorteilhafterweise eines Einparkmanövers, mit einem jeweiligen Korrekturwert der Korrekturkurve und/oder mit dem jeweiligen Korrekturfaktor.
• Die Radwinkelkorrektur dient dazu, den Unterschied zwischen dem Winkel γ, d. h. einem Korrekturwinkel, und dem Einzelradwinkel oder Sollwinkel δ durch eine Applikationskurve abzubilden. γ = β + δ ≈ γ*(δ x / F) (1)
• Der Unterschied zwischen den beiden Winkeln γ und δ ist der Schräglaufwinkel β. Einen Schräglaufwinkel findet man an jedem Rad, wo er den Unterschied zwischen der Laufrichtung des Rads und dem Geschwindigkeitsvektor v_i, den das Fahrzeug 1 im Radaufstandspunkt hat, bildet. Es gibt in der Literatur Ansätze, die für ESP-Regelsysteme benutzt werden, die einen Schräglaufwinkel β_d über die Seitenkräfte der Räder ermitteln. Diese Ansätze gelten für größere Geschwindigkeiten bzw. große Seitenkräfte. Der Ansatz ist im Grunde wie in Gleichung (2) vereinfacht dargestellt. Hier bezeichnet F_i die Kraft am Rad, die senkrecht zur Rollrichtung zeigt. β_d,i ∝ F_i i ∊ {FL, FR, RL, RR} (2)
• Dabei sind FL, FR, RL und RR die gelenkten Räder des Fahrzeugs 1, d. h. das vordere linke Rad, das vordere rechte Rad, das hintere linke Rad und das hintere rechte Rad.
• Meist wird dieser Ansatz noch weiter vereinfacht, indem nur die Kraft in e_γ-Richtung, d. h. in y-Richtung eines Fahrzeugkoordinatensystems des Fahrzeugs 1 und somit in Fahrzeugquerrichtung, benutzt wird. Hierbei handelt es sich um die Zentrifugalkraft F_z.
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• Dabei ist m die Masse des Fahrzeugs 1, ψ . die Gierwinkelgeschwindigkeit, v die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 über Grund und r_m der Momentanpol.
• In der Literatur findet man Zahlenwerte für die Proportionalitätskonstante von Gleichung (2) in der Größenordnung von 1.4·10³ N/°. Beim Parken sind die Seitenkräfte zu gering, als dass dieser Effekt merklich ins Gewicht fällt. Stattdessen ist bei kleinen Geschwindigkeiten (<7 km/h) ein statischer Offset zu finden, der experimentell ermittelt wurde.
• Um die Winkel γ * / R und γ * / F für die Hinterachse und die Vorderachse des Fahrzeugs 1 empirisch als Funktion des Winkels δ x / F zu ermitteln, werden Messungen mit dem Fahrzeug 1 und der Referenzmesstechnik durchgeführt. In diesen Messungen werden Kreise, d. h. Wendekreise W, mit konstanter Geschwindigkeit auf einer sehr ebenen Fläche gefahren. Die Messungen werden vorteilhafterweise ausschließlich bei einer Sollgeschwindigkeit von ±5 km/h durchführt. Messungen und davon abgeleitete Größen sind mit einem hochgestellten „x” dargestellt und empirisch ermittelte Korrekturfunktionen mit einem hochgestellten „*”.
• Die Auswertung der Messwerte zur Erzeugung einer Korrekturkurve ist vorteilhafterweise automatisiert. Dabei werden Teilmessungen aus einer großen Messung zunächst nach einem Geschwindigkeitsprofil getrennt. Anschließend wird für jeden Teilmessungsabschnitt ein Test durchgeführt, der eine Fehlmessung identifizieren soll. Konkret wird innerhalb eines Abschnitts, geprüft ob
• • die Geschwindigkeit etwa konstant ist,
• • die Radwinkel etwa konstant sind,
• • die Messdauer groß genug ist,
• • die Standardabweichung eines ermittelten Momentanpols unter einer Schwelle liegt.
• Um den Momentanpol r x / m,k des Fahrzeugs 1 bei einer Kreisfahrt, einer Messung n, bezüglich eines Zeitpunktes t = k·Δt zu bestimmen, wird ein lineares Optimierungsproblem gelöst. Hierzu werden die Referenzmesswerte der Position p x / k' = (X x / k, Y x / k')^T mit: k' ∊ K = [k – T / 2·Δt, k + T / 2·Δt] (4) über einer Zeitdauer T ≈ 2 s genutzt. Dieses Intervall K ist symmetrisch um den momentanen Zeitpunkt aufgeteilt. Es wird von einer Kreisgleichung nach (5) ausgegangen. 0 = (X x / k')² + (Y x / k')² + a_1,k·X x / k' + a_2,k·Y x / k' + a_3,k (5)
• Dabei sind X und Y Koordinaten im Referenzkoordinatensystem und gemäß des Circle Fitting Verfahrens: Izhak Sucher: Circle fit.
  https://de.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/5557-circle-fit. Version: 2004 ist
  a_1,k das Element (1,1) in der Matrix A,
  a_2,k das Element (2,2) in der Matrix A,
  a_3,k das Element (3,3) in der Matrix A.
• Diese Gleichung (5) lässt sich in ein lineares Optimierungsproblem umschreiben und lösen:

  
• Der Momentanpol

  

  der im Referenzkoordinatensystem vorliegt, wird ins Fahrzeugkoordinatensystem transformiert: r x / m,k = T·(R x / m,k – p x / k') (8)
• Dieses Vorgehen wird für jede der Messungen n ∊ N = [1, N] der Messdauer T_n = K_n·Δt durchgeführt. Pro Messung wird dann ein Mittelwert gebildet:

  
• Die Schreibweise mit den eckigen Klammern deutet an, dass es sich um einen Wert zur Messung n handelt.
• Im Folgenden wird die Korrektur für das virtuelle hintere Rad beschrieben. Dieses virtuelle hintere Rad resultiert, ebenso wie ein im Folgenden ebenfalls verwendetes virtuelles vorderes Rad, aus einem gegenüber dem realen Fahrzeug 1 vereinfachten Fahrzeugmodell, bei welchem angenommen wird, dass die Hinterachse bzw. die Vorderachse nur ein Rad aufweist, welches mittig an der jeweiligen Achse angeordnet ist. Der Index F steht im Folgenden für vorn, d. h. für die Vorderachse bzw. die vorderen Räder bzw. das vordere virtuelle Rad, und der Index R steht im Folgenden für hinten, d. h. für die Hinterachse bzw. die hinteren Räder bzw. das hintere virtuelle Rad Es wird die Vorgehensweise beschrieben, wie der Winkel γ_R aus der Messung des Winkels δ_F geschätzt werden kann. Da das verwendete Fahrzeug 1 keine Hinterachslenkung hat, so dass δ_R = 0 gilt, ist der Winkel β_R für die Hinterachse gleich dem Winkel γ_R. Es wird zunächst der Winkel γ x / R aus dem Momentanpol je Messung n bestimmt:

  
• Die Messungen werden nach Vorwärts- bzw. Rückwärtsfahrt (Geschwindigkeit v_soll[n]) und nach dem Betrag des an die Regelung geforderten Lenkradwinkels δ_F,soll[n] kategorisiert.
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• Die Menge von Messungen einer Kategorie l[n] ist so definiert: L := {n, m ∊ N: l[n] = l[m]} (12)
• Mit diesen Beziehungen werden neue kategorisierte Ausdrücke der Winkel gebildet:

  
• In den Gleichungen (12) und (13) steht |L| für die Mächtigkeit der Menge bzw. die Anzahl der Messungen je Kategorie. Durch diese Kategorisierung wird angenommen, dass das Messsystem keinen Fehler in der Einbaulage hat und die Lenkung komplett symmetrisch ist. γ x / R wird mit einer Ursprungsgeraden γ * / R,j(δ x / F) = C_R,j·δ x / F,j (14) je Fahrtrichtung approximiert. Dieser Zusammenhang kann den Messungen entnommen werden. Um den Koeffizienten c_R,j der Gleichung (14) zu bestimmen, wird das folgende konvexe Optimierungsproblem gelöst:

  
• Die kategorisierten Winkel γ x / R,j werden zur Bestimmung der Geraden γ * / R,j genutzt. Durch die Kategorisierung ist die Gewichtung der Informationen pro Lenkradwinkel bei dem Optimierungsproblem gleich, obwohl hierzu unterschiedlich viele Messungen je Kategorie verwendet wurden. Anschaulich interpretiert bedeuten diese Korrekturkurven folgendes: Das Hinterrad rollt mit zunehmendem Radwinkel δ_F mit einem betragsmäßig zunehmendem Schräglaufwinkel ab. Der Effekt ist beim Rückwärtsfahren größer als beim Vorwärtsfahren. Beim Vorwärtsfahren liegt der Momentanpol hinter der Hinterachse und beim Rückwärtsfahren vor der Hinterachse. Eine symmetrische Lenkung wird über das genaue Einstellen des Fahrwerks sichergestellt. In den Messungen erkennt man die Symmetrie der Lenkung daran, dass die Werte für Rechtskurven gleich der Werte von Linkskurven sind.
• Im Folgenden wird die Korrektur für das virtuelle vordere Rad beschrieben. Auch für das vordere Rad gibt es einen Unterschied zwischen der Laufrichtung des virtuellen Rads und dem Geschwindigkeitsvektor über Grund. Es soll wie für die Hinterachse der Winkel γ_F der Vordachse als eine Funktion von δ_F abgebildet werden. Der vordere Radwinkel δ_F wird so korrigiert, dass mit der oben bestimmen Winkelkorrektur von γ * / R weiterhin der Betrag des Momentanpols r x / m bestmöglich übereinstimmt. Dazu wird der Winkel γ x / F wie folgt bestimmt:

  
• Wie oben handelt es sich bei γ x / F,j und δ x / F,j um die kategorisierten Werte. Es wird eine Korrekturkurve μ * / j aus dem Quotienten von γ_F und δ_F errechnet:

  
• Für das Rückwärtsfahren werden die Punkte mit einer Geraden approximiert, die bei δ x / F = 0 die Verstärkung 1 hat. Die Gerade für das Vorwärtsfahren ist durch zwei Koeffizienten bestimmt.
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• Ähnlich wie bei der Hinterachse werden die Koeffizienten durch eine Minimierung bestimmt:

  
• Durch diese Korrekturkurven wird ein nicht ideales Abrollen der Räder korrigiert. Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem gemessenen Radwinkel δ x / F und dem Winkel γ * / F , der in Richtung der Geschwindigkeit über Grund zeigt, liegt beim Vorwärtsfahren, gekennzeichnet mit dem Index fwd, nahezu konstant bei 0.97. Beim Rückwärtsfahren, gekennzeichnet mit dem Index bck, ist der Faktor stärker vom vorderen Radwinkel abhängig und weicht deutlich mehr von 1 ab. Dadurch ist der Wendekreis W beim Rückwärtsfahren etwa 10% kleiner als beim Vorwärtsfahren. Für γ_R << 0 und γ_F >> 0 gilt:

  
• Standardabweichungen der Messwerte von γ x / F,j und γ x / R,j liegen für alle Messungen unterhalb von 0.4°. Da die Unsicherheit also recht groß ist, wird nicht versucht, ein Polynom höherer Ordnung durch die Punkte zu legen. Die Unsicherheit für die Korrekturfunktion μ ist abhängig vom Winkel. Bei kleinen Winkeln weichen Messpunkte weiter von der Korrekturfunktion ab.
• Zusammengefasst werden die Korrekturkurven für den vorderen und hinteren virtuellen mittleren Radwinkel ermittelt, indem in Messfahrten Wendekreise W gefahren werden, vorteilhafterweise bei ±5 km/h und vorteilhafterweise mit einem vorderen Radwinkel oder Sollwinkel δ_F = ±0° ... 40°. Auf Basis der mittels der Referenzmesstechnik am Fahrzeug 1 ermittelten Referenzmesstechnik-Punkte p_k = [X_k, Y_k] im Raum, die auf einem Kreisausschnitt liegen, erfolgt die Bestimmung des Momentanpols R_m. Der Momentanpol wird in einen virtuellen Winkel γ_R, γ_F hinten und vorn übersetzt. Mit einer empirischen Korrekturkurve wird ein Minimierungsproblem gelöst. Für dieses Vorgehen werden insbesondere die Gleichungen (6), (15) und (19) verwendet. Der vordere und hintere virtuelle mittlere Radwinkel werden dann mittels der ermittelten Korrekturkurven korrigiert, insbesondere während der Durchführung automatisierter Parkmanöver des Fahrzeugs 1, zum Beispiel beim Einparken in eine Querparklücke und/oder Längsparklücke und/oder beim Ausparken aus einer Querparklücke und/oder Längsparklücke.
• Bezugszeichenliste

1

Fahrzeug

W

Wendekreis

• 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
• WO 2004/065195 A1 [0002]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• https://de.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/5557-circle-fit [0022]

Claims (2)

1. Verfahren zur Korrektur eines Radwinkels gelenkter Räder eines Fahrzeugs (1), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Fahren verschiedener Wendekreise (W) in Messfahrten, – Vergleich der gefahrenen Radwinkel mit einem Referenzradwinkel, – Erstellen einer Korrekturkurve und/oder Bestimmen von Korrekturfaktoren, – Korrigieren des Radwinkels bei einer Durchführung eines automatisierten Einparkmanövers mit einem jeweiligen Korrekturwert der Korrekturkurve und/oder mit dem jeweiligen Korrekturfaktor.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Messfahrten Wendekreise (W) mit Radwinkeln von –40° bis +40° gefahren werden.

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