DE102017126884A1 - Digitales hardwarebasiertes System und Verfahren zum Verhindern des anfänglichen Beginns von Schwingungen eines Anhängers und die Steuerung davon - Google Patents

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Abstract

Eine digitale, selbstständige hardwarebasierte FPGA (Field Programmable Gate Array) Vorrichtung und Verfahren zum Verhindern des anfänglichen Beginns von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) und die darauffolgende Steuerung davon. Bei der Vorrichtung handelt es sich um ein Erkennungs- und Steuerungsverfahren für jeden bereiften Anhänger, der sich vom Zugfahrzeug lösen lässt. Das System verwendet einen Kalman-Filter um digitale Daten von mehreren drahtlosen IMUs (Inertial Measurement Units) zu verarbeiten, die sich auf dem Anhänger und dem Zugfahrzeug befinden und steuert anschließend digital die Anwendung und Überwachung des gleichzeitigen Bremsens des Anhängers, während das Zugfahrzeug auf sichere Weise beschleunigt wird, um schnell zu versuchen, alle Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) zu verringern und zu stoppen. Das System weist eine Reihe anderer zusätzlicher Sicherheitsmaßnahmen auf.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren, ein System und eine Vorrichtung zum Verhindern des anfänglichen Beginns und der weiteren Entwicklung der Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) des Anhängers, welche für gewöhnlich beim Ziehen eines Anhängers, eines Wohnwagens, eines Bootes oder eines ähnlichen Fahrzeuges ohne Eigenantrieb hinter einem Fahrzeug mit Eigenantrieb auftreten. Das Fahrzeug mit Eigenantrieb hat entweder einen Benzinmotor, einen Dieselmotor, einen Elektromotor oder einen Hybridmotor als Antrieb.
  • Die Bezeichnung Anhänger, wie in dieser Beschreibung verwendet, bezieht sich auf jede bereifte Vorrichtung, die an einem entsprechend angetriebenen Zugfahrzeug angebracht ist und entfernt werden kann. Ein Anhänger kann zum Bewegen eines Bootes oder Autos von einem Ort zum anderen verwendet werden. Eine weitere Ausführungsform eines Anhängers, wie es in dieser Erfindung beschrieben wird, kann einen Pferdeanhänger aufweisen, der zum Bewegen eines lebenden Pferdes von einem Ort zum anderen verwendet wird. Andere Ausführungsformen können einen Wohnwagen aufweisen, welcher während einer Ferienreise oder eines Ausflugs von einem Ort zum anderen gezogen werden kann. Eine weitere Ausführungsform des Anhängers kann eine bereifte Vorrichtung zum Bewegen von großen Mengen von Waren von einem Ort zum anderen sein. Offensichtlich kann sich die Bezeichnung Anhänger auf jede beliebige andere Ausführungsform einer Vorrichtung mit einer Achse oder mehreren Achsen und Reifen oder mehreren Reifen, die für ein breites Spektrum an Anwendungen verwendet werden, beziehen; die konstante Gemeinsamkeit zwischen jedem dieser Anhänger ist, dass sie, wie oben definiert, an einem angetriebenen Zugfahrzeug angehängt und abgehängt werden können.
  • Eine steigende Anzahl von schwerwiegenden anhängerbezogenen Unfällen ereignet sich jedes Jahr auf der ganzen Welt aufgrund des Beginns und der Entwicklung von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) des Anhängers, welche der Fahrer des Zugfahrzeuges nicht kontrollieren und stoppen kann. Die Ausbreitung dieser auf Schwingungen, auch „Schlingern“ genannt, basierenden Unfälle die jedes Jahr auftreten, ist aufgrund der wachsenden Popularität von Zugbasierten Sportaktivitäten und Urlaub grundsätzlich erhöht.
  • Im Vereinigten Königreich können Personen mit einem vor dem 1. Januar 1997 ausgestellten Führerschein für gewöhnlich ein Fahrzeug und einen Anhänger mit einer kombinierten zulässigen Gesamtmasse von bis zu 8.250 kg fahren, was in etwa 8 (acht) Imperiale Tonnen entspricht. Personen mit einem nach dem 1. Januar 1997 ausgestellten Führerschein dürfen ein Fahrzeug und eine Anhänger-Kombination mit einer kombinierten zulässigen Gesamtmasse von bis zu 3.500 kg fahren, was in etwa 3,4 (drei Komma vier) Imperiale Tonnen entspricht. Diese substantiellen Grenzen erlauben es Personen mit begrenztem oder keinem vorherigen Training oder Erfahrungen Anhänger mit einer erheblichen Masse und daher Schwung zu ziehen. Ein beträchtlicher Schwung ist oft einer der Hauptfaktoren von auf Schwingungen („Schlinger“) basierenden Schleppunfällen.
  • Gegenwärtig scheint die Mehrheit der auf Stabilisierung ausgerichteten Systeme auf Mikrocontroller-Software-basierten Erkennungssystemen zu basieren, welche versuchen, den Anhänger zu kontrollieren und zu stabilisieren, nachdem die Schwingungen („Schlingerbewegungen“) sich in dem Anhänger und dem Zugfahrzeug vollständig entwickelt haben. Das System scheint sich dann auf das gleichzeitige Verlangsamen des Anhängers und des Zugfahrzeuges zu verlassen. Diese Systeme verlangsamen das Zugfahrzeug sofort durch die gleichzeitige Anwendung von Bremsvorgängen auf das Fahrzeug, das verwendet wird, um den Anhänger zu ziehen und in manchen Fällen auch auf den Anhänger selbst (falls dieser vollständige steuerbare Bremsen aufweist). Oft wird in einigen grundlegenderen Einrichtungen die Anwendung von Auflaufbremsen, falls sie an dem Fahrzeug ohne Eigenantrieb (Anhänger) angebracht sind, durch die Schwingungskraft selbst aufgebracht. Dieses grundlegende System, obwohl man es gemeinhin im Handel findet, ermöglicht keine überwachte und gesteuerte Bremskraft des Anhängers.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, System und eine Vorrichtung zum Verhindern des anfänglichen Beginns und der weiteren Entwicklung von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) eines Anhängers am ersten anfänglichen Auftreten der digital ermittelten und überwachten Schwingungen. Das System verwendet ein auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) basierenden Erkennungs-, Überwachungs- und Steuersystem mit einem Bluetooth Low Energy Netzwerk (BLE Version 5.0 onwards), wobei sich IMU-Sensoren an beiden Seiten des Anhängers (Fahrzeug ohne Eigenantrieb) und an dem Zugfahrzeug (Fahrzeug mit Eigenantrieb) befinden. Die Verwendung von digitaler FPGA-hardwarebasierter Technologie ermöglicht eine Erhöhung der Geschwindigkeit innerhalb des Erkennungs-, Überwachungs- und Steuersystems von mindestens einer Größenordnung (10-x) gegenüber softwarebasierten Mikrosteuerungssystemen. Das System verwendet einen Kalman-Filter-Algorithmus innerhalb der Hardware des FPGA zum Verringern der Geräusche innerhalb der IMU-Sensordaten vor der Verarbeitung. Das System führt dann seinen eigenen spezifischen Algorithmus durch und verwendet die multiplen Daten der IMUs, um den anfänglichen Beginn von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) von Anhängern und Zugfahrzeugen festzustellen. Sobald der hardwarebasierte FPGA Algorithmus den anfänglichen Beginn der Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) festgestellt hat, stellt das System anschießend fest, ob es sicher ist das Verfahren zur Verringerung von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) einzuleiten.
  • Ein kurzer Überblick des grundlegenden Verfahrens der Schwingungen- und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) wird nun vor der Beschreibung der Zeichnungen erläutert und eine ausführliche Beschreibung wird später vollständig gegeben. Sobald das System den anfänglichen Beginn von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) innerhalb der IMU-Daten von entweder und/oder sowohl dem Anhänger als auch dem Zugfahrzeug erkannt hat, werden die hardwarebasierten FPGA und Dual ARM Cortex A9®-Prozessoren des Systems die folgenden Verfahren durchführen. Das System wird, wenn möglich, durch Kommunikation mit dem CAN BUS des Fahrzeuges feststellen, ob es sicher ist, die Geschwindigkeit des Fahrzeuges zu beschleunigen. Das System wird dies durchführen, indem es Informationen von dem LIDAR-Tempomatsystem (Light Detection and Ranging) des Zugfahrzeuges (oder einem gleichwertiges System) anfordert, wenn diese über das CAN-BUS-Netzwerk verfügbar sind; falls diese Informationen nicht verfügbar sind, muss der Fahrer des Fahrzeuges eine Paddle-Steuerung oder einen Knopf an der Lenkradumrandung nach einem Piepton innerhalb des Kabinenbereichs des Zugfahrzeuges betätigen. Voraussetzend, dass das System entweder von LIDAR oder dem Fahrer die Information bekommen hat, dass es sicher ist das Verfahren einzuleiten, wird es sofort mit seinem Verfahren wie folgt beginnen.
  • Das System wird anfänglich ein PWM-Antriebssignal (Pulsweitenmodulation) mit einem niedrigen Arbeitszyklus im Bereich von 35 % auf beide Anhängeraktuatoren (links und rechts) anwenden, um so eine geringe Bremskraft von ungefähr 35 % auf den Anhänger oder das gezogenen Fahrzeug ohne Eigenantrieb auszuüben. Gleichzeitig wird das System die Zuggeschwindigkeit des Zugfahrzeuges erhöhen, wobei bereits entweder durch LIDAR oder den Eingriff des Fahrers, wie oben erläutert, sichergestellt wurde, dass es sicher ist, dies zu tun. Die Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit wird sich in dem Bereich von 10 % der vorherigen Fahrgeschwindigkeit befinden. Das System wird anschließend eine kurze Zeitspanne im Bereich von 250 ms bis 500 ms (zweihundertfünfzig Millisekunden bis fünfhundert Millisekunden) warten bevor die Signale der IMUs erneut analysiert werden. Die vier Signale der IMUs, oder mehr, wenn eine größere Anzahl der IMUs im Anhänger angebracht werden; werden, wie oben beschrieben erneut durch einen Kalman-Filter unter der Nutzung der Hardware-FPGA analysiert. Anhänger mit einem längeren Radstand, welcher eine zusätzliche Anzahl von Achsen aufweisen kann, können eine zusätzliche Anzahl von IMUs benötigen, die an dem Anhänger um eine Linie die die Reifen der zusätzlichen Achsen durchläuft, angebracht sind. Sobald die gefilterten Signale innerhalb der Originalsignale verglichen wurden, bevor die Bremssignale angewendet werden (Bremsbetätigung nur auf Anhänger) und die Fahrgeschwindigkeit des ziehenden Fahrzeuges mit Eigenantrieb erhöht wurde, wird eine Entscheidung getroffen, entweder die Brems-PWM-Signalimpulse und die Geschwindigkeit inkrementell zu erhöhen, gleich zu lassen oder zu verringern. Die Entscheidung wird aufgrund der entweder steigenden oder sinkenden Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) getroffen. Eine detaillierte Beschreibung dieses Verfahrens wird nach der detaillierten Beschreibung der Zeichnungen erläutert.
  • Der größte Vorteil dieser Erfindung und dieses Verfahrens besteht darin, dass von den IMUs empfangene Signale der Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) in Echtzeit mit einem Kalman-Filter in Hardware (FPGA) verarbeitet werden. Die Verarbeitung von mindestens vier separaten Kanälen oder mehreren IMU-Daten wird parallel in der FPGA-Hardware ausgeführt und nicht sequentiell verarbeitet, was der Fall wäre, wenn es innerhalb einer Mikrosteuerungs-CPU innerhalb eines Software-Algorithmus verarbeitet werden würde. Der Verarbeitungsgeschwindigkeitsvorteil der FPGA-Hardware ist mindestens um eine Größenordnung (10x) schneller als bei Software innerhalb einer der derzeit schnellsten sich auf dem Markt befindlichen Mikrosteuerungen.
  • Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ein ZYNQ 7000® Serie SoC FPGA. Dieses bestimmte FPGA ermöglicht eine Kombination beider Field Programmable Gate Array (FPGA) Hardware mit einem Dual-Core ARM Cortex-A9 Prozessor, wobei jeder Kern mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 GHz arbeitet. Diese bestimmte FPGA wird von Xilinx ® hergestellt, jedoch könnte eine ähnliche Ausführungsform der Erfindung mit einer ähnlichen FPGA mit entweder einem Single-Core oder Dual-Core ARM Cortex Prozessor eines anderen Herstellers, wie zum Beispiel Altera ®, Actel ® oder Lattice Semiconductor ®, nur um ein paar zu nennen, produziert werden.
  • Die vorliegende Ausführungsform, welche das ZYNQ 7000® Serie SoC FPGA mit seinem Dual ARM Cortex-A9 Prozessor verwendet, ermöglicht eine Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit von mindestens einer Größenordnung (10x) schneller als jedes andere auf einer Mikrosteuerung basierendes Softwaresystem. Die ZYNQ 7000 ® Serie bietet auch den Vorteil der „AXI“-Verbindung (Advanced eXtensible Interface) zwischen der programmierbaren Logik des FPGA und des Verarbeitungssystems der Dual Arm Cortex-A9 Prozessoren. Diese Vorteile der Verbindung zwischen Hardware und Software ermöglichen es der vorliegenden Erfindung die Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) des Anhängers in fast Echtzeit zu verarbeiten und zu steuern, so dass die Schwingungen („Schlingern“) beim Beginn kontrolliert und gestoppt werden können, bevor sie sich zu vergrößerten Schwingungen entwickeln, welche sich sonst noch weiterentwickeln könnten, ohne die Möglichkeit sie einzudämmen.
  • Die vorliegende Erfindung bietet eine Vielzahl von weiteren Sicherheitsvorteilen gegenüber anderen Anti-Schwingungs-Systemen („Anti-Schlinger-Systemen“) die gegenwärtig auf dem Mark erhältlich sind. Dies umfasst ein GPS-Kommunikationsmodul, das es ermöglicht, eine Datenbank mit Bereichen die anfällig für Schwingungen („Schlingern“) sind (die als „schwarze Flecken“ bekannt sind) für zukünftige Sicherheitshinweise zu protokollieren und zu katalogisieren. Ebenfalls beinhaltet das System ein Notfallbremssystem für den Anhänger, so dass falls der Anhänger vom Zugfahrzeug gelöst wird, die Bremsen automatisch und sofort auf den Anhänger angewendet werden und die Warn- und Bremslichter sofort angewendet werden. Die Warn- und Bremslichter des Anhängers werden von den wiederaufladbaren Batterien der drahtlosen elektrischen Bremsenaktoren angetrieben; dies wird später noch genauer in der Beschreibung erläutert. Diese und weitere zusätzliche Sicherheitshinweise werden nach der folgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnungen detaillierter erläutert.
  • Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung
  • Vor der Beschreibung der Zeichnungen und der weiteren detaillierten Beschreibung der Erfindung sollte noch festgehalten werden, dass diese Erfindung sich von den existierenden Erfindungen dieses Gebietes unterscheidet und versucht, das Problem der Schwingungen und des Pendelns („Schlingern“) auf eine komplett andere Art zu lösen. Die folgenden Absätze erklären die Unterschiede zwischen der vorliegenden Erfindung und vorherigen Erfindungen in diesem Gebiet basierend auf dem Stand der Technik.
  • Alle anderen Erfindungen in diesem Gebiet stellen auf irgendeine Art die Schwingungen und das Pendeln („Schlingern“) fest verursacht entweder durch den Anhänger und/oder das Zugfahrzeug, sobald die Schwingungen und die Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) komplett ausgeprägt sind. Die vollständig ausgeprägten Schwingungen und die Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) sind für gewöhnlich in einem solchen Ausmaß, dass sie leicht innerhalb des Zugfahrzeuges als unangenehme und nicht steuerbare Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) wahrgenommen werden können, was bereits Angst und Sorge bei den Insassen des Zugfahrzeuges auslösen kann. Der nächste Schritt, den nahezu alle bereits bestehenden Erfindungen durchlaufen, ist die gleichzeitige Verringerung der Geschwindigkeit des Zugfahrzeuges und des Anhängers (gezogenes Fahrzeug ohne Eigenantrieb). Dies wird für gewöhnlich dadurch erreicht, dass die Bremsen sofort mindestens bei dem Zugfahrzeug angewendet werden und in manchen Fällen auch gleichzeitig bei dem Anhänger angewendet werden. Die Anwendung dieser Bremsen wird für gewöhnlich andauern, bis entweder die Schwingungen („Schlingern“) aufgehört haben, oder bis der Anhänger und das Zugfahrzeug vollständig zum Stehen gekommen sind. Dieses Verfahren, die Schwingungen durch das Anwenden von schweren Bremskräften versuchen zu stoppen, kann oft zu schlimmeren Schwingungen und ungewollten und nicht kontrollierbaren Richtungsänderungen des Anhängers und des Zugfahrzeuges führen. Diese ungewollten und ungeplanten Reaktionen können auch zu Unfällen führen, die andere Straßennutzer involvieren, da die Schwingungs- und Pendelmuster des Anhängers und des Zugfahrzeuges sich weiterentwickeln und vollständig unkontrollierbar werden, bis das Fahrzeug zu einem kompletten Stillstand kommt, sobald der ganze Schwung aufgebraucht ist. Unter gewissen Umständen, falls die Schwingungen und die Pendelbewegungen („Schlingern“) sich zu so einem Ausmaß und in einer solchen Intensität entwickeln, dass sie nicht steuerbar sind, kann dies dazu führen, dass der Anhänger und/oder das Zugfahrzeug umgeworfen werden.
  • Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass es durch die Nutzung der neusten hardwarebasierten FPGA (Field Programmable Gate Array) SoC mit auf Technologie basierenden Dual Core ARM Cortex-A9 Prozessoren möglich ist, den ersten anfänglichen Beginn von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingern“) festzustellen und zu identifizieren. Sobald diese anfänglichen Schwingungen und der anfängliche und fundamentale Beginn der Schwingungen („Schlingern“) festgestellt wurden, ist es möglich, die weitere Entwicklung der Schwingungen durch Verwendung von digital gesteuerten Bremskräften auf den Anhänger 7 (Zugfahrzeug ohne Eigenantrieb) zu stoppen, während gleichzeitig das Zugfahrzeug 1 auf eine digital gesteuerte Weise beschleunigt wird. Die neueste digital eingebettete FPGA Hardware ermöglicht die schnellstmögliche Datenverarbeitung und Kalman-Rauschfilterung durch das Ausführen eines Algorithmus auf der FPGA und das anschließende digitale Steuern der Brems- und Beschleunigungsaktionen auf den Anhänger 7 und das Zugfahrzeug 1, wie oben beschrieben. Die neueste FPGA Hardware ermöglicht es dem System, mit einer Geschwindigkeit zu arbeiten die über eine Größenordnung (10x oder mehr) schneller ist als die, die auf einem Mikrocontroller-Software-System allein möglich ist, in einer Verarbeitungsweise, die die Verarbeitung aller IMU-Daten parallel zur selben Zeit ermöglicht. Diese parallele Verarbeitungsweise verstärkt noch weiter die Leistung und daher das Endergebnis des Systems.
  • Das in dieser Erfindung ausführlich beschriebene Grundsatzprinzip wurde vollständig getestet, verfeinert und bewiesen, indem ein Vierundzwanzig-Fuß-Boot (24) und eine Anhänger-Kombination (Gesamtlänge 31 Fuß) mit einem gebremsten Anhänger unter Verwendung einer Land Rover ® / Range Rover ® Kombination von mehr als sechstausendvierhundert (6400) Meilen gezogen wurden. Die Gesamtmasse des Bootes und des Anhängers betrugen mehr als drei Komma vier (3,4) Imperiale Tonnen. Das Boot und der Anhänger wurden mehrfach vom Süden Englands bis in den Süden Frankreichs und wieder zurück nach England gezogen.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird anschließend im Detail unter Bezugnahme der folgenden Bezugszeichen beschrieben.
    • 1 zeigt eine Rückansicht des Zugfahrzeuges 1 einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, dargestellt mit einer gestrichelten Linie 2, 4, die durch die Hinterreifen läuft, um die Messlinie der drahtlosen Bluetooth BLE 5.0 Mesh-Netzwerk IMUs und der Anbringung an der Abschleppstange 3 darzustellen;
    • 2 zeigt eine Draufsicht des Zugfahrzeuges 1 der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit beiden IMUs 5 und 6, dargestellt mit einer gestrichelten Linie 2, 4, die durch die Hinterreifen läuft, um die Messlinie der drahtlosen Bluetooth BLE 5.0 Mesh-Netzwerk IMUs und der Anbringung an der Abschleppstange 3 darzustellen;
    • 3 zeigt den vierrädrigen direkt gekuppelten Anhänger 7 der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit linken und rechten Bremsaktoren 15, 16 und drahtlosen Bluetooth BLE 5.0 Mesh-Netzwerk IMUs 14, 17, die mit einer gestrichelten Linie 9, 12 dargestellt sind, die zwischen den direkt gekuppelten Reifen 8, 10, 11 und 13 gezeigt ist, um die Messlinie der IMUs darzustellen;
    • 4 zeigt eine bevorzugte Darstellung des Systemkastens der Hauptsteuerung 20, welche ein BLE 5/WiFi Kommunikationsmodul 24, IMU-Sensormodul 25, ein GPS-Kommunikationsmodul 21, Xilinx ZYNQ 7000® FPGA SoC Dual ARM Cortex-A9 Prozessoren 22 und ARM Cortex M4 Mikrocontroller 23 mit einem CAN Bus Netzwerk-Schnittstellen-Modul aufweist;
    • 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des BLE 5 / WiFi IMU Sensormoduls und Altimeter-Moduls, eingeschlossen in einem wasserdichten und staubgeschützten Gehäuse 26 gemäß IP68 Schutzart mit schnell zu befestigenden, abnehmbaren Befestigungsschrauben 27, 28 und IMU-Ausrichtemarkierung 29;
    • 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des BLE 5 / WiFi Moduls 32, des IMU-Sensormoduls 31 und Altimeter-Moduls 34 mit dualem Backup-Batteriesystem 33 und dem Kommunikationspfad zwischen dem Altimeter-Modul 34, dem IMU-Sensormodul 31 und dem BLE 5 / WiFi Modul 32, die in einem abgedichteten, wasserdichten und staubgeschützten Gehäuse 26 gemäß IP68 Schutzart eingeschlossen sind;
    • 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des linken Bremsaktors mit BLE 5 / WiFi Modul 36 mit einzigartigem ID-Code für das Sicherheitssystem und das umhüllte wiederaufladbare Netzteil und das Ladegerät 40 und die Bremsaktorenstange 38;
    • 8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des rechten Bremsaktors mit BLE 5 / WiFi Modul 41 mit einzigartigem ID-Code für das Sicherheitssystem und das umhüllte wiederaufladbare Netzteil und das Ladegerät 40 und die Bremsaktorstange 39;
    • 9 ist ein Flussdiagramm und zeigt den Hochfahr-Vorgang umfassend:
      • Bluetooth BLE 5 Mesh-Netzwerk-Initialisierungssequenz, primäre und sekundäre Batterie-Leistungsstufen Bestätigungsprüfungen 42, linke und rechte Bremsaktoren-Kommunikationsinitialisierungsprüfung mit Bewegungs- und Kalibrierungsverfahren 43, Initialisierung aller IMUs, GPS- und Altimeter-Module, Einrichtung eines CAN-Bus Netzwerks eines Fahrzeuges, Meldung von Fehlermeldungen am Armaturenbrett und/oder Mobiltelefon oder Tablet 44, Überwachung des Getriebes des Zugfahrzeuges und Auswahl der Feststellbremse, und, falls eine Bewegung des Fahrzeuges erkannt wird, Initialisierung und Einleitung
      • des autonomen Systems 45 zur Erkennung und Vermeidung des Schlingerns;
    • 10 ist ein Flussdiagram und zeigt die Grundsteuerung und Überwachung von Schwingungen und Anti-Schlinger-Verfahren (Anti-Pendel-Verfahren), die in einer dauerhaften Überwachungsschleife laufen, sobald sich das Zugfahrzeug und der Anhänger bewegen;
    • 11 ist ein Flussdiagram und zeigt die fortgeschrittene Steuerung und die Überwachungs- und Einstellungszyklen (Anhängerbremsung und Arbeitsphasenbremsung erhöhen sich prozentuell mit gleichzeitiger Fahrzeuggeschwindigkeit) der Anti-Schlinger-Verfahren (Anti-Pendel-Verfahren), welche in der FPGA-Hardware durchgeführt werden, und der M4 Mikrocontroller-Software-Verfahren der Zentralsteuerung 20. Falls Schwingungen und Pendeln (Schlingern) während des Ziehens des Anhängers festgestellt werden, findet die Wiedereinsetzung in das Standart-Überwachungs-Verfahren nur statt, sobald die Bewegungen des Anhängers und des Zugfahrzeugs wieder in eine laterale Orientierung zurückgefunden haben, nachdem die Schwingungsverfahren und die Pendelverfahren (Schlingerverfahren) erfolgreich waren;
    • 12 zeigt die Hauptbestandteile der Zentralsteuerung 20, aufweisend das FPGA (Field Programmable Gate Array) SoC ZYNQ-7000 22, wobei es sich um die primäre, fundamentale digitale Verarbeitungs-Hardware der Zentralsteuerung 20 handelt. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung basiert auf der FPGA-Verarbeitung 22 aller digitalen Daten der IMUs 5, 6, 14 und 17 des Zugfahrzeuges 1 und Anhängers 7 parallel mit einem Kalman-Filter, um die größere Mehrheit von Störgeräuschen, die vorhanden sein können, zu verringern. Anschließend verarbeitet das FPGA 22 die Schwingungs-Erfassungs-Algorithmen, die Anhänger-Bremsungs-Algorithmen und Zugfahrzeugs-Beschleunigungs-Algorithmen, um das System mit Unterstützung eines BLE 5 WiFi-Kommunikationsmoduls 24, eines IMU-Sensormoduls 25, eines GPS-Kommunikationsmoduls 21 und eines ARM Cortex M4 Mikrocontrollers mit CAN Bus Schnittstelle 23 zu steuern. Eine weitere und detailliertere Beschreibung der Zentralsteuerung 20 wird später in der Beschreibung folgen;
    • 13 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform für ein Lenkrad 53 eines Zugfahrzeuges mit zwei Paddel-Steuerungen 54 und 55, die verwendet werden, um das Schwingungs-Steuerungssystem („Schlinger-Steuerungssytem“) manuell zu überschreiben und zu steuern, wobei das linke Paddle 55 die Bremsleistung des Anhängers steuert und das rechte Paddle 54 die Geschwindigkeit des Zugfahrzeuges erhöht;
    • 14 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Zentralsteuerung 20, welche mit dem drahtlosen Mobilfunknetz des Zugfahrzeuges 1 kommuniziert. Die Bestandteile der Zentralsteuerung 20 wurden in 4 bereits detailliert beschrieben. Das Mobilfunknetz 56 des Fahrzeuges kann entweder aus dem Hotspot des fahrzeugeigenen Mobilfunknetzes stammen, oder, falls das Fahrzeug keines aufweist, kann ein Mobiltelefon innerhalb des Fahrzeuges für den Internetzugang zugewiesen werden. Anschließend ist es dem System möglich Nachrichten, Fehler und Warnungen auf einem mit dem Internet verbundenen Bildschirm 57, der sich in dem Zugfahrzeug 1 befindet, oder auf einem Tablet mit WiFi-Verbindung innerhalb des Zugfahrzeuges unter Verwendung eines geeigneten Webbrowsers auf entweder dem Fahrzeugbildschirm oder dem Tablet darzustellen.
    • 15 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Kommunikation des Zugfahrzeuges 1 auf bidirektionale Weise mit einer entfernten auf einer Cloud basierenden geografischen Datenbank 61. Das Fahrzeug 1 kommuniziert unter Verwendung des Mobilfunknetzes mit entweder einem Mobilfunknetz-Radio innerhalb der Zentralsteuerung 20 und/oder durch ein ausgewähltes Mobilfunktelefon innerhalb des Zugfahrzeuges. Die Mobilfunkverbindung wird auf eine bidirektionale Weise 59 mit einem lokalen Mobilfunkmast 58 hergestellt und anschließend werden bidirektionale Daten 60 von dem Mobilfunkmast 58 an die auf einer Cloud basierenden geografischen Datenbank 61 übertragen. Das Zugfahrzeug 1 kann durch diese festgelegte Verbindung Daten wie benötigt, ohne Eingreifen des Fahrers des Zugfahrzeuges, senden und empfangen.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausfuehrungsform
  • Das bevorzugte System verwendet die Kombination von digitaler Hardware in Form von FPGA 22 (Field Programmable Gate Arrays), die mehrere Prozesse parallel zueinander durchführen. Zeitgleich mit den parallel zueinander laufenden digitalen Hardwareprozessen wird Software sequentiell auf Dual ARM Cortex-A9 Prozessoren laufen. Das vollständig autonome Überwachungs- und Steuerungssystem versucht den anfänglichen Beginn und die weitere Entwicklung von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingern“) des Anhängers 7 und des Zugfahrzeuges 1 durch die Verwendung der neusten digitalen hardwarebasierten Technologien (FPGA 22), welche kontinuierlich die Bewegungen des Anhängers 7 und des Zugfahrzeuges überwachen, zu verhindern, zur selben Zeit wie der Anhänger gezogen wird. Die auf dem FPGA 22 basierende Hardware der Zentralsteuerung 20 arbeitet mindestens eine Größenordnung (10x) schneller als andere lediglich auf Software basierende Mikrocontrollersysteme.
  • Die Bewegungen des Zugfahrzeuges 1 und des Anhängers 7 werden kontinuierlich in Echtzeit durch mindestens vier IMUs 5, 6, 14 und 17 überwacht, die Beschleunigungsmesser aufweisen neben anderen Sensortypen. Eine weitere IMU 25, die sich in der Zentralsteuerung 20 befindet, wird ebenfalls überwacht. Alle IMUs 5, 6, 14, 17 und 25 kommunizieren mit der Zentralsteuerung 20 durch ein Bluetooth Low Energy Version 5.0 Mesh-Netzwerk (oder eine aktuellere Ausgabe davon). Der Beschleunigungsmesser stellt ein Minimum von kursabweichenden, rollenden und kippenden Bewegungen bei dem Anhänger 7 und dem Zugfahrzeug 1 gleichzeitig fest. Die digitalen Daten aller IMUs werden parallel zueinander in Echtzeit auf dem FPGA 22 (Field Programmable Gate Array) verarbeitet, um die große Menge an Daten gleichzeitig zu verarbeiten und zu filtern. Herkömmliche Systeme könnten versuchen, diese große digitale Datenmenge mit einem softwarebasierten Prozessor wie einem Mikrocontroller zu verarbeiten, der die Daten auf eine sequentielle Weise verarbeiten würde, die mindestens eine Größenordnung langsamer wäre (10x langsamer). Die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Systems ist besonders wichtig, da es notwendig ist, um die Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) des Anhängers 7 und des Zugfahrzeuges 1 so schnell wie möglich vor dem Auftreten von vollständig entwickelten Schwingungen festzustellen und zu kontrollieren, da es um einiges schwieriger ist, sicher zu kontrollieren und schnell zu beheben.
  • Die Zentralsteuerung 20 des Systems empfängt, protokolliert und speichert eine Vielzahl von anderen Daten, die die Geschwindigkeit, die Höhenlage, die Vibrationen, die magnetische Ausrichtung, die GPS-Daten (Global Positioning System), die Ortszeit und die Temperatur umfassen. Diese Daten werden auf einer F-RAM (die sich auf der ARM Cortex M4 Mikrocontroller Platine 23 befindet) gespeichert, wobei es sich um eine Art von nichtflüchtigem ferroelektrischen Random Access Memory handelt. Die fast uneingeschränkten 100 Billionen Lese- und Schreibzyklen dieser Art von Speicher stellen eine fast unendliche Haltbarkeit und Sicherheit der gespeicherten Daten sicher. Bestimmte Daten werden mit einem Kalman-Filter bearbeitet, um Geräusche zu verringern und die Qualität der Signale vor der Systembearbeitung und Analyse dieser zu verbessern. Das System ist mit dem CAN Bus Netzwerk des Zugfahrzeuges verbunden, um Daten und Informationen von dem Zugfahrzeug zu empfangen und leitet Daten zu dem Zugfahrzeug zurück. Diese Daten können auch mit einem Mobilfunknetz, wie in 15 dargestellt, an eine Cloudbasierte geografische Datenbank 61 gesendet werden, was in der folgenden Beschreibung noch genauer erläutert wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Systems wird jetzt detailliert unter Bezugnahme der Zeichnungen beschrieben, um die Funktionsweise des digitalen hardwarebasierten Systems (FPGA 22) und das Verfahren zum Verhindern des Beginns von Schwingungen eines Anhängers und eines Zugfahrzeuges und die Steuerung davon vollständig zu erläutern. Die folgenden fünfzehn Figuren und Beschreibungen erläutern eine mögliche Ausführungsform der Erfindung im Detail. Eine Vielzahl von möglichen Ausführungsformen dieses Systems existieren und einige Alternativen werden innerhalb der folgenden Beschreibung erläutert.
  • 1 zeigt das Zugfahrzeug 1 mit einer gezeichneten Linie 2 bis 4, um die Messlinie der IMUs im Zugfahrzeug darzustellen. Die Abschleppkupplung 3 ist auch am hinteren Mittelpunkt des Fahrzeuges 1 dargestellt.
  • 2 zeigt eine Draufsicht des Zugfahrzeuges 1 ebenfalls mit der Linie 2 bis 4, die die Messlinie der zwei separaten drahtlosen Bluetooth BLE 5.0 Mesh-Netzwerk-IMUs aus 5 und 6 darstellt. Die Abschleppkupplung 3 ist ebenfalls in dieser Draufsicht des Fahrzeuges 1 dargestellt. Die zwei drahtlosen IMUs 5 und 6 befinden sich innerhalb des hinteren Kofferraums des Zugfahrzeuges und befinden sich mittig über der Zentrallinie die zwischen dem rechten und linken Hinterrad des Zugfahrzeuges 1 verläuft. Die zwei IMUs 5 und 6 kommunizieren beide mit der Zentralsteuerung 20 (die in der folgenden 4 genauer beschrieben ist) durch Bluetooth Low Energy (BLE) mit einem BLE Version 5.0 (oder einer aktuelleren Version davon) Mesh-Netzwerk. Sobald sich das Zugfahrzeug bewegt, senden die beiden IMUs 5 und 6 kontinuierlich Daten an die Zentralsteuerung 20, wobei die Daten jedes IMU-Sensors, neben anderen Daten, Informationen wie kursabweichende, rollende, kippende und vibrierende Bewegungen umfassen, die von der Zentralsteuerung 20 verarbeitet werden.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, wobei es sich bei diesem Beispiel um einen Anhänger 7 für ein Boot handelt. Die Vorderseite des Anhängers befindet sich nahe 7, was die Befestigung an der Abschleppkupplung, die an der Anhängerkupplung 3 befestigt ist zeigt, die in den 1 und 2 des Zugfahrzeuges dargestellt sind. Der Anhänger, der in dieser bestimmten Ausführungsform dargestellt ist, ist ein vierrädriger (4) und direkt-gekuppelter Anhänger. Bei den Reifen des Anhängers auf der rechten Seite handelt es sich um 8 und 10, wobei es sich bei 8 um das rechte Vorderrad und bei 10 um das rechte Hinterrad handelt. Bei 13 handelt es sich um das linke Vorderrad des Anhängers und bei 11 um das linke Hinterrad. Die Linie die von 9 und 12 dargestellt wird ist eine gerade Linie, welche die Zentralline der vier (4) direkt-gekuppelten Räder schneidet und die Erfassung der IMUs 14 und 17 auf dem Anhänger darstellt. Die zwei IMUs 14 und 17 kommunizieren beide mit der Zentralsteuerung 20 (welche in der folgenden 4 genauer beschrieben wird) über ein Bluetooth Low Energy (BLE) mit einem BLE Version 5.0 (oder einer aktuelleren Version davon) Mesh-Netzwerk. Sobald der Anhänger sich bewegt, übertragen die zwei IMUs 14 und 17 kontinuierlich Daten an die Zentralsteuerung 20, wobei die Daten jedes IMU-Sensors, neben anderen Daten, Informationen wie kursabweichende, rollende und kippende Bewegungen aufweisen, die durch die Zentralsteuerung 20 verarbeitet werden. Die elektronischen drahtlosen BLE 5.0 / WiFi Bremsaktoren 15 und 16 des Systems sind jeweils mechanisch mit den linken und rechten 18 und 19 Bremsaktoren des Anhängers verbunden, welche die linken und rechten Bremsen des Anhängers individuell steuern, die Bremskräfte auf die vier (4) Räder 8, 10, 11 und 13 des Anhängers ausüben. Das System ermöglicht unterschiedliche Bremskräfte zwischen den linken Rädern 11 und 13 und den rechten Rädern 10 und 8 des Anhängers, falls das System dies benötigt.
  • 4 ist die Zentralsteuerung 20 des Systems. Die Steuerung besteht aus einer Reihe von miteinander verbundenen Netzwerkmodulen. Das Standortmodul beinhaltet ein GPS-Modul 21 (Global Positioning System) das mit dem FPGA (Field Programmable Gate Array) ZYNQ-7000 SoC mit Dual Core ARM Cortex-A9 Prozessoren 22 kommuniziert. Die Zentralsteuerung weist ebenfalls einen PsoC 6 Mikrocontroller 22 auf. Dieses PsoC 6 oder eine ähnliche Vorrichtung weist ein ARM Cortex-M4 auf, das durch die CAN Bus mit dem FPGA SoC ZYNQ-7000 22 verbunden ist. Das PsoC 6 23 ist für eine Reihe von Aufgaben bezüglich des Fahrzeuges und des Anhängers verantwortlich. Das PSoC 6 kommuniziert ebenfalls über die CAN Bus direkt mit dem Zugfahrzeug, indem es die eingebaute CAN-Bus-Schnittstelle verwendet, die das PsoC 6 (oder eine ähnliche Vorrichtung) aufweist. Das PSoC 6 steuert den Beschleuniger und die Bremssteuerung sowie die Bremse und das Warnblinklicht des Fahrzeuges. Ebenfalls steuert die PsoC 6 die Bremsaktoren (links 15 und rechts 16), die Bremsen und das Warnblinklicht des Anhängers. Die Zentralsteuerung 20 weist auch ein BLE 5 / WiFi Kommunikationsmodul 24 auf, das direkt mit dem FPGA SoC ZYNQ-7000 22 durch die AXI Bus verbunden ist. DiesesBLE 5 / WiFi Kommunikationsmodul 24 ermöglicht eine BLE 5.0 Mesh-Netzwerkverbindung mit den anderen BLE 5.0 Teilen des Systems. Ebenfalls ermöglicht das Kommunikationsmodul 24 eine WiFi-Verbindung mit entweder anderen Teilen des Systems oder mit einem externen Mobiltelefon oder Tablet-Gerät mit WiFi- und Internetzugang für Software/Firmware Updates durch das System. Der letzte Bestandteil der Zentralsteuerung ist das eingebaute IMU Sensormodul 25, das mit dem FPGA SoC ZYNQ-7000 22 durch den AXI Bus für die ultimative Datenübertragungsrate verbunden ist. Die Zentralsteuerung wird im weiteren Verlauf der Beschreibung noch detailliert erläutert, da ihre Bedienung essentiell für die Funktion des gesamten Systems ist.
  • 5 zeigt die Zentralsteuerung des IMU-Sensors und Altimeter-Moduls 26 welches BLE5 / WiFi Kommunikation aufweist. Das Modul ist eine verschlossene Einheit gemäß IP68 Schutzart. Das Modul 26 weist zwei Montagepositionen 27 und 28 mit Gummidämpfern auf, um die Übertragung von Vibrationen vom Körper (Anhänger 7) zu seinem Befestigungsort zu verringern. Die plastische verschlossene Hülle nach Schutzart IP68 des Moduls weist auch Markierungen 29 zum korrekten Positionieren des Moduls auf, wie in der oberen rechten Ecke des Moduls links über der Montageposition 27 zu sehen ist.
  • 6 zeigt die inneren Moduleinzelheiten des IMU-Sensors und Altimeter-Moduls 26. Das Modul ist gemäß IP68 Schutzart durch die Gummidichtung 30 verschlossen, die den Umfang des Modulgehäuses umgibt. Die inneren Bestandteile des Moduls weisen einen IMU-Sensor 31, ein BLE5 / WiFi Modul 32, ein duales Batterie-Backupsystem 33 und ein Altimeter Modul 34 auf. Das System wird von wiederaufladbaren Li-Ionen Akkus und auch von einer Backup-Lithium Cr2032 3 Volt Akkuzelle angetrieben. Das IMU-Sensormodul 31 und das Altimeter-Modul 26 wird für gewöhnlich durch die Li-Ionen Akkuzelle angetrieben, die durch eine verschlossene USB-Buchse der IP68 Schutzart an der Hülle des Moduls angetrieben wird; sollte die wiederaufladbare Batterie auslaufen oder ihre Wirkung nicht erzielen, schaltet das Modul sofort zu der CR2032 3v Backup Batteriezelle und meldet dies via des CAN Bus Netzwerkes, unter der Verwendung der Zentralsteuerung 20 CAN Bus Verbindung zum Zugfahrzeug, als einen Fehler an das Armaturenbrett im Zugfahrzeug. Das IMU-Sensormodul 31 und Altimeter-Modul 26 verwenden nur Niedrigenergie-Elektronik, die es ermöglicht, für mindestens sechsunddreißig (36) Betriebsstunden mit einem CR2032 Batterie-Backup zu laufen, sobald es gemeldet hat, dass der wiederaufladbare Haupt-Lithium-Ionen-Akku leer ist und wieder aufgeladen werden muss. Der Haupt-Lithium-Ionen-Akku sollte bei einer vollen Ladung etwa einhundertundachtzig (180) Betriebsstunden lang laufen, was in einer Größenordnung von etwa fünfundzwanzig (25) Tagen liegt. Die Verschraubungen 27 und 28 auf dem IMU-Sensor und Altimeter-Modul 26 sind für eine schnelle Entfernung ausgelegt, so dass es einfach und schnell möglich ist, das Modul zum Laden und Lagern über den Winter und bei Betriebspausen zu entfernen.
  • 7 und 8 zeigen jeweils die linken 15 und rechten 16 drahtlosen BLE 5. / WiFi elektronischen Bremsaktoren. Die Aktoren sind komplett identisch, mit der Ausnahme, dass sie eine einzigartige Identifikationsnummer programmiert im Flash-Speicher des Mikrocontrollers haben, die in jeder separaten Einheit verwendet wird, um den individuellen Zugang zu jeder Bremssteuerung zu ermöglichen und ein hohes Maß an Sicherheit zu gewährleisten. Die einzigartige Identifikationsnummer zusammen mit der einzigartigen MAC-Adresse des Bluetooth Low Energy 5.0 Mesh-Netzwerkes in jedem der Aktoren 15 und 16 stellt sicher, dass die Aktoren absolut sicher sind vor jedem externen unbefugten Eindringen und/oder Hackversuch, der beinhalten koennte die Aktoren mit einem System außerhalb des eigenen Zugfahrzeuges 1 des Besitzers zu bedienen.
  • Die Bremsaktoren werden von einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zelle angetrieben, die sich innerhalb jedes Bremsaktors befindet. Die Lithium-Ionenzellen werden kontinuierlich durch die Stromverbindung des Anhängers zum Zugfahrzeug aufgeladen. Die Ladekabel 37 und 40 der linken und rechten Aktoren sind jeweils in den 7 und 8 dargestellt. Die eingebaute Energiezelle (Lithium-Ionen-Akku) ermöglicht es auch jedem Aktor weiterzuarbeiten, sollte die Energiezufuhr des Anhängers oder des Zugfahrzeuges ausfallen, oder falls sich der Anhänger im Extremfall vom Zugfahrzeug lösen sollte. Das System weist eine Ausfallsicherung auf, wobei, sollte sich der Anhänger aus irgendeinem Grund von dem Zugfahrzeug lösen, die Zentralsteuerung 20 dies durch entweder ein Versagen bei der Energieladeschaltung und/oder dadurch, dass die Received Signal Strength Indication (RSSI) der Bluetooth Low 5.0 Mesh-Netzwerkverbindung sich in der folgenden Zeitspanne von zehn (10) Minuten von den vorherigen Durchschnittswerten der früher aufgenommenen Durchschnitte bei den beiden Elektroaktoren substantiell verringern wird, feststellt, wobei anschließend die Notfallbremsen des Anhängers angewendet werden, um den Anhänger sofort zu stoppen. Eine Ausführungsform des Systems wird auch mit Warnblinklichtern des Anhängers 7 blinken, die durch die Lithium-Ionen-Akkus in den elektrischen Bremsaktoren 15 und 16 mit Energie versorgt werden, vorausgesetzt es ist genügend Energie dafür in den Aktoren vorhanden. Dies wird von der Aktorenschaltung durchgeführt. Die Anwendung der Bremsen und der Warnblinklichter des Anhängers in dem oben genannten besonderen Umstand bietet einen gewissen Grad an Sicherheit, der nicht in anderen Systemen vorhanden ist, und sollte hoffentlich den Anhänger, nachdem dieser vom Zugfahrzeug getrennt wurde, nicht weit entfernt sicher zum Stoppen bringen.
  • 9 zeigt ein Flussdiagram der Start-, Test- und Initialisierungssequenz des Systems. Das System wird zunächst in Schritt 42 feststellen, dass das Zugfahrzeug im Falle von Benzin- oder Dieselmotoren gestartet wurde (oder im Falle eines Fahrzeuges mit Elektro- oder Hybridantrieb angeschaltet wurde). Das System wird versuchen alle Bluetooth Low Energy 5.0 Mesh-Netzwerk-Verbindungen zu ermitteln. Ebenfalls wird das System primäre und sekundäre Akkulevel innerhalb des Systems ermitteln. Die Akkulevel der IMUs und der elektronischen Bremsaktoren werden überprüft. Anschließend wird das System Kommunikation mit den linken 15 und rechten 16 Bremsaktoren in Schritt 43 des Flussdiagrams initialisieren. Während dem Schritt 43 wird das System auch die vollen und freien Bewegungen an beiden Aktoren prüfen und Kalibrierungsverfahren für beide elektronische Bremsaktoren ausführen, um sicherzustellen, dass der Anhängerbremsmechanismus frei ist und arbeitet und ebenfalls, dass beide elektronische Bremsaktoren 15 und 16 vor der Bewegung des Zugfahrzeuges und des Anhängers vollständig und fehlerfrei gearbeitet haben. Ein Ausfall eines der Aktoren wird sofort als ein Fehler über die CAN Bus und daher über die Anzeige im Armaturenbrett und eventuell über ein Mobiltelefon oder eine Tablet-Einrichtung im Fahrzeug gemeldet, wenn diese mit dem Systemnetzwerk verbunden sind. Anschließend wird das System in Schritt 44 alle Verbindungen mit allen IMUs und Altimeter-Modulen 26 initialisieren und dafür sorgen, dass angemessene stationäre Daten von allen Modulen empfangen werden. Das System wird auch eine Verbindung mit dem CAN Bus über die Zentralsteuerung 20 einrichten, sollte dies misslingen oder irgendwelche nicht autorisierten Daten auf einer der IMUs 5, 6, 14 und 17 einschließlich der sich in der Zentralsteuerung 20 befindenden Einheit 25 gefunden werden, meldet das System eine Fehlermeldung an das Armaturenbrett des Fahrzeuges über die CAN-Bus und auch über ein Mobiltelefon oder eine Tablet-Einrichtung im Fahrzeug, falls diese mit dem Netzwerk verbunden sind. Im Schritt 45 wird das System die Auswahl des Getriebes des Zugfahrzeuges und die Auswahl der Feststellbremse überwachen. Falls Bewegungen entdeckt werden und alle anderen früheren Schritte durchlaufen wurden, werden die Anhängerbremsaktoren 15 und 16 gelöst und das System initialisiert sich und führt die selbstständige Schwingungsbewegungs-Ueberpruefung-(„Anti-Schlingern“) und -Vermeidungs-Aktion durch.
  • 10 ist ein Flussdiagramm einer der möglichen Ausführungsformen des selbstständigen Schwingungs-Festellungssystems („Anti-Schlingern“), das gestartet wurde, als der Anhänger und das Zugfahrzeug anfingen sich zu bewegen, wie in Schritt 46 beschrieben. Die Zentralsteuerung 20 mit ihrer FPGA SoC ZYnQ-7000 erhält digitale Signaldaten von allen IMUs 5, 6, 14, 17 und 25. Die IMU-Daten werden durch einen Kalman-Filter verarbeitet, um alle ungewollten Geräusche zu reduzieren und die Signalqualität aller IMUs zu verbessern. Die Signale aller oben genannten fünf (5) IMUs werden in der Hardware des FPGA SoC ZYNQ-7000 in Echtzeit verarbeitet, um festzustellen, ob sich der Anhänger in einer lateralen Orientierung bewegt oder ob er anfängt, sich mit einer Schwingungs- / Schlingerbewegung (Pendeln) zu bewegen. Das System überwacht die Hardware (FPGA SoC ZYNQ-7000) 22 weiterhin in Echtzeit; falls entdeckt wird, dass der Anhänger sich in einer normalen lateralen Orientierung bewegt, überwacht das System weiterhin die Bewegungen des Zugfahrzeuges 1 und den Anhängers 7 und wechselt von Schritt 48 zu Schritt 47, wie in dem Flussdiagram der 10 dargestellt.
  • Die Überwachung wird fortgesetzt und falls der Beginn von Schwingungen (Pendel- und Schlingerbewegungen) von den IMUs 14 und 17, die sich auf dem Anhänger 7 befinden, oder von den IMUs 5 und 6, die sich im Zugfahrzeug 1 befinden, festgestellt wird, dann wird das System sofort Anti-Pendel-Verfahren (Anti-Schlingern“) einleiten, um zu versuchen, die Bewegungen des Anhängers oder des Zugfahrzeuges so schnell und so sicher wie möglich zurück in eine laterale Orientierung zu bringen. Die Anti-Pendel-Verfahren („Anti-Schlingern“) werden in der Hardware der FPGA 22 (Field Programmable Gate Array) SoC ZYNQ-7000 unter der Verwendung einer Vielzahl von Logikschaltungen durchgeführt, wobei die Verarbeitung auf parallele Weise, im Gegensatz zu einer sequentiellen Weise wie bei Software stattfindet. Der unmittelbare Vorteil der parallelen Verarbeitung des FPGA ist eine Geschwindigkeitserhöhung, die um eine Größenordnung (10x) schneller ist, als wenn die Verarbeitung nur sequentiell in einem Mikrocontroller-basierten Prozessor durchgeführt würde. Eine Beschreibung des im FPGA SoC ZYNQ-7000 ausgeführten Parallelalgorithmus wie in 12, Bezugszeichen 22 dargestellt ist, wird später in der Beschreibung erläutert; gegenwärtig folgt eine kurze Erklärung.
  • Sobald das System einen anfänglichen Beginn von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) festgestellt hat, die von irgendjemandem oder einer Kombination der IMUs 14, 17, 5 und 6 innerhalb des Systems festgestellt worden sein könnten, festgestellt hat, werden die Anti-Pendel-Verfahren („Anti-Schlinger-Verfahren“) initiiert. Das System wird dann alle IMUs 14, 17, 5 und 6 weiter überwachen, um festzustellen, ob die vorher in Schritt 49 gestarteten Verfahren des Flussdiagramms in 10 alle Schwingungen („Schlingerbewegungen“) verringert oder vollständig gestoppt haben. In Schritt 51 des Flussdiagramms (10) erhöht das System seine Parameter, falls die Schwingungen sich nicht verringert haben und kehrt dann zu Schritt 50 zurück, um festzustellen ob die Schwingungen gestoppt wurden; falls sie nicht gestoppt sind erhöht Schritt 51 noch einmal inkrementell die Parameter, um noch einmal zu versuchen, die Intensität der Schwingungen, die beim Anhänger 7 und/oder Zugfahrzeug 1 vorhanden sind, zu stoppen oder zu verringern
  • 11 zeigt ein Flussdiagramm mit einer detaillierteren Analyse der Anti-Schwingungs-Verfahren („Anti-Schlinger-Verfahren“) und der Schritte, die in dem Flussdiagramm in 10 grob beschrieben wurden. Das Flussdiagramm in 11 startet bei Schritt 49, sobald der anfängliche Beginn der Schwingungen (Pendelbewegungen) durch die IMUs 14, 17, 5 und 6 erkannt wurde, wie oben beschrieben. Das System initialisiert sofort Verfahren, um alle Schwingungen, die durch die IMUs innerhalb des Anhängers 7 und des Zugfahrzeuges 1 erkannt wurden, zu verringern oder vollständig zu stoppen.
  • Die Zentralsteuerung 20 des Systems kommuniziert in Schritt 49B des Flussdiagramms aus 11 mit den Bremsaktoren 15 und 16 des Anhängers und wendet bei dieser Ausführungsform sofort, bei einem PMW-Arbeitszyklus (Pulsweitenmodulation) von 35 %, Bremskraft auf die linken und rechten Bremsaktoren an, während gleichzeitig die Zuggeschwindigkeit um 10 % der bisherigen Zuggeschwindigkeit erhöht wird. Bevor die Geschwindigkeit des Zugfahrzeuges erhöht wird, wird eine Sicherheitsbewertung durchgeführt, um sicherzustellen, dass dies sicher ist. Dieses Sicherheitsbewertungsverfahren wird entweder unter der Verwendung des adaptiven Tempomats des Zugfahrzeuges 1 und/oder eines LIDAR-basierten Kollisionsschutzsystems durchgeführt. Die Geschwindigkeit des Zugfahrzeuges wird durch eines der Netzwerke des Fahrzeuges, wie zum Beispiel CAN, LIN, FlexRay oder eine aktuelle Entsprechung eines automobilen Protokolls, gesteuert. Das FPGA SoC ZYNQ-7000 22 (befindlich in der Zentralsteuerung 20) kann jedes passende benötigte Automobilnetzwerk durch Bit-Banging erstellen. Eine kurze Verzögerung von ca. 250ms bis 500ms (Millisekunden) ist gegeben, nachdem die Bremsen des Anhängers bilateral betätigt worden sind (nur die Bremsen an dem Anhänger werden betätigt) und die Fahrgeschwindigkeit der Erhöhung des Zugfahrzeuges 1 erreicht worden ist und für die oben genannten 250ms bis 500ms gehalten wird, bevor das System bei Schritt 50 des Flussdiagramms (11) bestätigt, dass der Anhänger 7 und/oder das Zugfahrzeug 1 ohne weitere Schwingungen (Pendelbewegungen) wieder in eine laterale Orientierung gebracht worden sind. Das System wird die vorherigen Brems- und Beschleunigungsparameter weiter inkrementell erhöhen, falls es feststellt, dass die Schwingungen entweder gleichgeblieben sind oder sich vermehrt haben; dies wird in den Schritten 51 und 51B des Flussdiagramms (11) vorgenommen. Die drahtlosen Bremsaktoren 15 und 16 des Anhängers (jeweils links und rechts) werden über die Bluetooth Low Energy V5 (Mesh-Netzwerk) Verbindung ein drahtloses Steuersignal von der Zentralsteuerung 20 empfangen. Die Arbeitsphase der beider Bremsaktoren 15 und 16 wird um ungefähr 5 % erhöht, um die Bremskräfte auf die Anhängerräder zu erhöhen; gleichzeitig wird die Geschwindigkeit des Zugfahrzeuges weiter um etwa 5 % der vorherigen Zuggeschwindigkeit erhöht, vorbehaltlich einer vorherigen Sicherheitsevaluation, wie oben beschrieben. Eine weitere kurze Verzögerung von etwa 250ms bis zu 500ms (Millisekunden) ist gegeben, bevor eine weitere Evaluation (durch Verarbeitung der Signale der IMUs 5, 6, 14 und 17) in Schritt 52 des Flussdiagramms (11) durchgeführt wird, um festzustellen, ob die laterale Orientierung des Anhängers 7 und/oder des Zugfahrzeuges 1 wiederhergestellt wurde. Das System wird die Steuerung zurück an Schritt 51 geben, falls die Schwingungen (Pendelbewegungen) sich noch nicht vermindert haben oder gestoppt haben. Das System wird die Steuerung zurück an Schritt 47 des Flussdiagramms aus 10 geben, falls der Anhänger 7 oder das Zugfahrzeug 1 wieder eine vollständige laterale Orientierung ohne Schwingungen und Pendelbewegungen (Schlingerbewegungen) eingenommen haben. Eine weitere Erläuterung des oben beschriebenen Systems wird in der untenstehenden Beschreibung gegeben.
  • 12 zeigt die FPGA-Serie 22 (Field Programmable Gate Array) SoC ZYNQ-7000, die sich innerhalb der Zentralsteuerung 20 befindet. Eine Verwendung dieser FPGA-basierten Hardwarevorrichtung innerhalb dieser bestimmten Ausführungsform ist das parallele Filtern aller Signale der IMUs 5, 6, 14 und 17 durch einen Kalman-Filter, um den Hauptanteil von Störgeräuschen zu verringern und dadurch die reinsten, genauesten Signale aller IMUs in Echtzeit sicherzustellen. Das Filtern dieser Daten ermöglicht es der Zentralsteuerung 20 sofort den Beginn jedes Schwingungs-Bewegungs-Musters in entweder der IMUs 14 und 17 des Anhängers oder in den IMUs 5 und 6 innerhalb des Zugfahrzeuges 1 festzustellen. Diese bestimmte Ausführungsform ermöglicht die geteilte Nutzung von hardwarebasierter Echtzeit-Parallelverarbeitung innerhalb des FPGA (Field Programmable Gate Array) SoC ZYNQ-7000 kombiniert mit extrem schneller Softwareverarbeitung innerhalb des Neon der Dual ARM Cortex-A9-Prozessoren in der ZYNQ-7000-basierten Vorrichtung, die in der Lage sind, Daten sequentiell innerhalb der zwei Prozessorkerne mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1GHz zu verarbeiten. Die Doppelkerne des FPGA 22 SoC ZYnQ-7000 weisen einen erweiterten Single Instruction, multiple data engine (SMID) bekannt als „NEON“ auf. Das NEON-Verarbeitungssystem bietet volle Gleitkommaarithmetik; die zusammen mit dem vorher erwähnten Single Instruction Multiple Data Motor (SIMD) eine weitere Geschwindigkeitserhöhung bei der Verarbeitung von mehreren Datenströmen von Informationen ermöglicht, die von den IMUs 14, 17, 5 und 6 des Anhängers 7 und des Zugfahrzeuges 1 erhalten werden. Die FPGA 22 Hardware, zusammen mit der NEON-Verarbeitung stellt sicher, dass diese Ausführungsform des Systems mindestens um eine Größenordnung (10x) schneller ist, als jedes andere herkömmliche Software-basierte System wäre und viele Größenordnungen schneller als jedes mechanisch-basierte System. Je schneller der anfängliche Beginn der Schwingungen („Schlingerbewegungen“) erkannt wird, desto schneller, einfacher und sicherer ist es, die weitere Entwicklung (Anzahl und Stärke) der Schwingungen („Schlingerbewegungen“) zu stoppen. Die Ausführungsform dieses vorliegenden Systems ermöglicht nicht nur ein sichereres Ziehen des Anhängers (und Fahrzeuges), an die das System angepasst ist, sondern stellt auch die Sicherheit anderer Verkehrsteilnehmer vor den Gefahren eines Anhängers und eines Fahrzeuges in ihrer Nähe sicher, die unkontrollierbaren Schwingungen („Schlingerbewegungen“) auf öffentlichen Straße, Landstraßen und Autobahnen ausgesetzt sind, die zu lebensgefährlichen Unfällen führen können.
  • Die verarbeiteten und gefilterten (Kalman) Daten der IMUs durchlaufen dann sofort einen Schwingungs-Erkennungs-Algorithmus, um festzustellen, ob eine Spur von Schwingungen (Kursabweichung) oder der Beginn davon vorliegt. Angenommen, dass Schwingungen (Kursabweichung) erkannt werden, kommuniziert die Zentralsteuerung sofort mit den Bluetooth BLE V5.0-Mesh-Netzwerk drahtlosen Bremssteuerungen 15 und 16 (oder der aktuellsten Entsprechung davon) des Anhängers und wendet die Anti-Pendel-Verfahren („Anti-Schlinger-Verfahren“) an, die das Betätigen der Anhängerbremsen durch die Verwendung des Anhänger-Brems-Algorithmus, durchgeführt innerhalb der FPGA-Hardware, während die Geschwindigkeit des Zugfahrzeuges inkrementell unter Verwendung des Zugfahrzeug-Beschleunigungs-Algorithmus, durchgeführt innerhalb des FPGA 22, erhöht wird, bis die Schwingungen sich verringern oder ganz stoppen. Eine genauere Beschreibung der Ereignissequenz dieses Verfahrens ist in den Flussdiagrammen in 10 und 11 zu sehen. Diese vorliegende Ausführungsform der hardwarebasierten FPGA 22 Technologie zusammen mit dem vorher genannten NEON-System der Dual Core ARM A9 Prozessoren innerhalb des FPGA ermöglicht die Verarbeitung in den drei Haupt-Algorithmen (Schwingungen, Anhängerbremsung und Zugfahrzeugsbeschleunigung) gleichzeitig in Echtzeit von den multiplen Strömen der IMU-Daten 5, 6, 14 und 17 durchzuführen, wie in 12, Bezugszeichen 22 dargestellt ist. Die gleichzeitige Verarbeitung wäre in einem System mit einem Mikrocontroller-basierten Prozessor nicht möglich.
  • 13 zeigt eine Darstellung einer bestimmen Ausführungsform eines Lenkrades 53, das mit dualen Paddle-Typ Steuerrungen 54 und 55 ausgestattet ist, die sich äquidistant an jeder Seite der Zentrallinie des Lenkrades befinden. Die Paddle 54 und 55 (jeweils rechts und links positioniert) sind mit der Zentralsteuerung 20 durch das CAN Bus Netzwerk des Zugfahrzeuges verbunden. Die Paddle-Steuerungen 54 und 55 ermöglichen es dem Fahrer das vollautomatische und selbstständige Anti-Pendel-System („Anti-Schlinger-System“) außer Kraft zu setzen. Anschließend kann der Fahrer das System mit Hilfe des Systems, aber immer noch mit kompletter Kontrolle über das System, manuell bedienen.
  • Die Paddle 54 und 55 ermöglichen es dem Fahrer des Zugfahrzeuges 1, die Anwendung des Anhänger-Brems-Systems 7 manuell zu steuern, und die Geschwindigkeit des Zugfahrzeuges 1 zu erhöhen, um die Schwingungen, Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) des Zugfahrzeuges 1 und des Anhängers 7 zu verringern und zu stoppen. Das selbstständige System kann so programmiert werden, dass es den anfänglichen Beginn und die weitere Entwicklung der Schwingungen des Anhängers und/oder Zugfahrzeuges, ohne direktes Eingreifen des Fahrers, vollständig überwacht und steuert. Die selbstständige Steuerung dieser bestimmten Ausführungsform wurde detailliert in den vorherigen Absätzen beschrieben. Das System kann auch durch die direkte Nutzung der zwei Paddle-Steuerungen 54 und 55 gesteuert werden, wie am Lenkrad in 13 dargestellt. Die Nutzung dieser Paddle-Steuerungen 54 und 55 wird nun erläutert.
  • Die Paddle-Steuerungen 54 und 55 befinden sich jeweils auf der linken und rechten Seite des Fahrers am Lenkrad und arbeiten wie folgt. Die rechte Paddle-Steuerung 54 steuert die Anwendung des vorsichtigen und allmählichen Bremsens des Anhängers 7. Die Paddle-Steuerung 55 links vom Fahrer steuert die Anwendung der vorsichtigen und allmählichen Beschleunigung des Fahrzeuges 1 (unter der Kontrolle des Sicherheitssystems). Die Steuerung ermöglicht es dem Fahrer des Zugfahrzeuges 1, mit der Unterstützung der Zentralsteuerung 20, den Bremsvorgang auf den Anhänger 7 manuell anzuwenden und gleichzeitig manuell die Beschleunigung des Zugfahrzeuges 1 zu erhöhen, um die Schwingungen, Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) des Zugfahrzeuges 1 und des Anhängers 7 zu verringern. Wie vorher erläutert, stellt das System immer noch sicher, dass es sicher ist, die Geschwindigkeit des Zugfahrzeuges 1 durch Verwendung des adaptiven Tempomats und/oder LIDAR-Systems, die an das Zugfahrzeug 1 angepasst sind, zu erhöhen. Der Bremsvorgang, der nur auf den Anhänger 7 angewendet wird, wird durch das Hardwarebasierte FPGA 22 (Field Programmable Gate Array) SoC ZYNQ-7000 des Systems gesteuert, während das System die Beschleunigung des Zugfahrzeuges 1 schrittweise erhöht. Während die Paddle-Steuerungen 54 und 55, die sich auf dem Lenkrad befinden, einen gewissen Grad an manueller Steuerung des Systems bieten, ist die Funktion und Steuerung letztendlich immer noch automatisiert, um Sicherheit, Geschwindigkeit und Leistung zu gewährleisten, die durch ein vollständig manuelles System nicht erreichbar wären. Es ist möglich, die Paddle-Steuerungen zu deaktivieren.
  • 14 zeigt die drahtlose Bluetooth Low Energy (BLE V5 oder die neuste Entsprechung davon) oder WiFi Verbindung zwischen der Zentralsteuerung 20 und die Internetverbindung des Zugfahrzeuges über Bluetooth Low Energy (BLE V5 oder die neuste Entsprechung davon) oder WiFi. Diese Verbindung ermöglicht es die Daten von der Zentralsteuerung 20, die GPS (Global Positioning System Koordinaten) und andere relevante Daten aufweisen können, die von der FPGA 22 SoC-Vorrichtung (Field Programmable Gate Array) der Zentralsteuerung 20 im Verhältnis zu den Schwingungen („Schlingerbewegungen“) des Anhängers und des Zugfahrzeuges erfasst und verarbeitet werden, zu versenden. Die Daten können geteilt und auf einem entfernten Speichercloudbasierten Server 61 entweder unter der Verwendung des Internetverbindungsmoduls 56 des Fahrzeuges, wenn dies eine aufweist, oder alternativ durch eine ausgewählte Verbindung zu einem Mobiltelefon mit Internetverbindung innerhalb des Zugfahrzeuges 1, zu dem die Zentralsteuerung eine drahtlose oder Bluetooth Verbindung hat, hochgeladen werden. Die Verbindung und das Hochladen auf eine entfernte Cloud-Server-Datenbank 61 werden in 15 dargestellt, die in Kürze genauer beschrieben wird.
  • Das System kann betriebliche Daten, Nachrichten und Warnungen über geografische Orte darstellen, die dazu neigen, Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) bei dem Anhänger 7 und dem Zugfahrzeug 1 auszulösen. Die zuvor genannte Art von Informationen und Nachrichten können auf dem mit dem Internet verbundenen Tablet 57 des Fahrzeuges durch Nutzung einer Webbrowserbasierten Schnittstelle dargestellt wird. Das System kann so eingestellt werden, dass ein Bild des Anhängers 7 und des Zugfahrzeuges 1 dargestellt wird, um jeden Anfang von Schwingungen („Schlingerbewegungen“) in Echtzeit zum Überprüfen für Insassen des Zugfahrzeuges darzustellen. Das Display oder Tablet ermöglicht auch die Änderung und die Eingabe von Systemparametern, die sofort in die Zentralsteuerung 20 des Systems hochgeladen werden. Diese Änderungen können über den Touchscreen des mit dem Internet verbundenen Displays im Zugfahrzeug durchgeführt werden, oder mit einem geeigneten drahtlos mit dem Internet verbundenen Tablet im Fahrzeug. Das Display des Fahrzeuges und das Tablet 57 können auch zum Überprüfen vorheriger Schwingungsvorkommnisse („Schlingervorkommnisse“), und für die Darstellung des aktuellen Zustandes der Schwingungen („Schlingerbewegungen“) des Anhängers und des Zugfahrzeuges in Echtzeit, während der Anhänger gezogen wird, verwendet werden. Die vorher erwähnten Informationen werden entweder in einem Webbrowser-Fenster oder einer geeigneten App (Application), die auf dem Display oder auf dem drahtlos verbundenen Tablet des Zugfahrzeuges arbeitet, dargestellt.
  • Eine weitere Ausführungsform des vorliegenden Systems ermöglicht es, das System mit einer auf einem Smartphone 57 laufenden geeigneten App zu überwachen, zu steuern und das Ziehen zu überprüfen (nach dem Vorkommnis). Die App auf dem Smartphone 57 könnte entweder auf einem iOS ® oder Android ® Betriebssystem, oder einer ähnlichen, aktuelleren Entsprechung davon, laufen. Ebenfalls kann die App auf einem Windows ® basierten Smartphone 57 oder Tablet-Gerät 57 (iOS ®, Android ® und Windows ® Betriebssystem) laufen. Die Verbindung zu dem Smartphone wäre entweder eine Bluetooth Low Energy (BLE V5 oder die neuste Entsprechung davon) oder WiFi Verbindung zwischen dem Gerät und der Zentralsteuerung 20.
  • Eine bestimmte Ausführungsform dieses Systems ermöglicht es, die Daten und geografische Positionsinformationen zurück an einen Zentralserver zu senden, mit den Informationen, die von der Zentralsteuerung 20 und den IMUs 5, 6, 14 und 17 gesammelt wurden, die sich im Anhänger und dem Zugfahrzeug finden. Diese Informationen können von dem Zugfahrzeug 1 über ein Mobilfunknetz gesendet werden und können sofort auf einer Cloudbasierten geografischen Datenbank 61 gespeichert werden, die mit anderen Nutzern der Cloudbasierten geografischen Datenbank 61 geteilt werden können. Eine weitere Erläuterung dieses Teils der Ausführungsform wird unter Bezugnahme der nächsten 15 wie folgt gegeben.
  • 15 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Systembestandteile, die notwendig dafür sind, dass die Zentralsteuerung 20 des Zugfahrzeuges auf eine bidirektionale Weise mit einer entfernten Cloudbasierten geografischen Datenbank 61 kommunizieren kann. Das Zugfahrzeug 1 kommuniziert unter Verwendung des Mobilfunknetzes unter Verwendung entweder eines Mobilfunkradios innerhalb der Zentralsteuerung 20 und/oder eines ausgewählten Mobiltelefons innerhalb des Zugfahrzeuges 1, die entweder durch BLE (Bluetooth Low Energy) und/oder durch eine WiFi-Verbindung mit dem Mobiltelefon innerhalb des Zugfahrzeuges verbunden sind.
  • Das Zugfahrzeug 1 sendet und empfängt Daten auf bidirektionale Weise 59 unter der Verwendung eines herkömmlichen Mobilfunkturmes 58, der sich in der Umgebung des Zugfahrzeuges 1 befindet. Die Daten werden dann auf bidirektionale Weise 60 über einen Mobilfunkturm 58 an die Cloudbasierte geografische Datenbank 61 wieder zu der entfernten Speicherdatenbank weitergeleitet. Die übertragenen Daten 59 des Zugfahrzeuges 1 enthalten GPS-Koordinaten (Global Positioning System) von dem GPS Kommunikationsmodul 21 innerhalb der Zentralsteuerung 20, zusammen mit den Sensordaten der IMUs 5, 6, 14, 17 und 25, die kurz vor dem anfänglichen Beginn der Schwingungen („Schlingerbewegungen“) des Anhängers aufgezeichnet wurden, sowie weitere Daten, bis die Schwingungen („Schlingerbewegungen“) nachlassen oder vollständig stoppen. Die an die Cloudbasierte Datenbank 61 gesendeten und darin gespeicherten Daten weisen auch Daten bezüglich dem Anhänger 7 und dem Zugfahrzeug 1 in Bezug auf die Bremssteuersignale des Anhängers und die Beschleunigungssteuereingaben des Zugfahrzeuges auf, die notwendig sind, um die Schwingungen („Schlingerbewegungen“) des Anhängers 7 und des Zugfahrzeuges 1 zu stoppen. Die zuvor genannten Daten 59 werden anschließend über einen Mobilfunkturm 58 auf bidirektionale Weise 60 unter der Verwendung eines Mobilfunknetzes an eine entfernte Cloudbasierte geografische Datenbank 61 weitergeleitet, wie in 15 dargestellt. Die gespeicherten Daten weisen anonyme Details bezüglich des Zugfahrzeuges und anonyme Details bezüglich des Anhängers auf, so dass die Daten analysiert und verwendet werden können, um dabei zu helfen, Schwingungsvorkommnisse (Schlingervorkommnisse) bei anderen Fahrzeugen mit Anhängern ähnlichen Typs zu verhindern. Die bidirektionale Datenübertragung 59 und 60 von der Cloudbasierten Datenbank 61 ermöglicht der Zentralsteuerung 20 Systemupdates mit dieser Information im Hintergrund ohne Eingreifen des Nutzers oder Fahrers des Zugfahrzeuges, an das das System angepasst ist.
  • Die Cloudbasierte geografische Datenbank 61 speichert und sammelt kontinuierlich Daten von mehreren geeignet ausgerüsteten Zugfahrzeugen, die ähnlich sind zu dem Zugfahrzeug 1 und dem Anhänger 7, die oben beschrieben werden. Die Cloudbasierte geografische Datenbank 61 sammelt und sortiert über einige Zeit eine große Datenmenge aus einer großen Anzahl von verschiedenen geografischen Orten innerhalb einer Vielzahl von verschiedenen Ländern. Der Hauptvorteil eines solchen Systems fuer jeden damit über ein oben beschriebenes Mobilfunknetz verbundenen Zugfahrzeugtyp 1 ist, dass der Fahrer jedes geeignet ausgerüsteten Fahrzeuges gewarnt wird, wenn er oder sie sich einem geografischen Ort nähert, der möglicherweise vorher einmal Schwingungen („Schlingerbewegungen“) ausgelöst, oder dazu beigetragen hat, diese auszulösen. Der Ort kann eine schlechte Straßenoberfläche aufweisen oder an einem steilen Anstieg (Hügel oder Berge) liegen, oder eine Kombination daraus. Das System zeigt dem Fahrer eine Warnmeldung auf dem Armaturenbrett des Zugfahrzeuges an, die das System an das Display des Fahrzeuges übermittelt, da die Zentralsteuerung 20 eine CAN Bus Netzwerk-Schnittstelle aufweist. Das System ist auch in der Lage, wie oben beschrieben, die Nachricht auf dem mit dem Internet verbunden Display/Tablet 57 oder einem Smartphone mit einem Webbrowser oder einer App, die drahtlos mit dem System verbunden sind, darzustellen.
  • Die vorliegende Ausführungsform der Erfindung verwendet zwei IMUs, die sich auf dem Anhänger 7 befinden, und zwei weitere, die sich in einer Reihe mit den Hinterrädern des Zugfahrzeuges 1 befinden. Eine weitere IMU 25 befindet sich innerhalb der Zentralsteuerung 20 und liefert zusätzliche Daten an das FPGA 22 innerhalb der Zentralsteuerung 20. Die parallele Rechenleistung des hardwarebasierten FPGA 22 und die NEON Verarbeitungsfähigkeit innerhalb der Dual Core ARM Cortex-A9 Prozessoren innerhalb des Gehäuses des FPGA 22 ermöglicht, falls benötigt, die Verarbeitung weiterer IMU Eingaben. Ein Anhänger mit zwei oder mehreren Achsen, oder einem Radstand mit erweiterter Länge könnte zwei oder mehrere IMUs benötigen, die sich entlang der Zentrallinie der zweiten oder zusätzlichen Achsen befinden. Die IMUs sind durch eine Bluetooth Low Energy (BLE V5.0 oder die neuste Entsprechung davon) Funkverbindung verbunden, die ein Mesh-Netzwerk und einen erweiterten Arbeitsbereich im Vergleich zu einer herkömmlichen Bluetooth Low Energy Funkverbindung bietet. Die zusätzlichen IMUs können daher leicht drahtlos mit der Zentralsteuerung verbunden und von dieser überwacht werden. Das System ermöglicht die Weiterleitung der zusätzlichen IMU-Signale an den Kalman Filter 22 und die Verarbeitung mit den anderen IMU-Daten durch die Schwingungserkennungs-, Anhänger-Brems-, und Zugfahrzeugalgorithmen, die das System steuern. Die anderen Teile des Systems, wie die Bremsaktoren 15 und 16 des Anhängers arbeiten auf dieselbe Weise wie bei Systemen mit einer geringeren Anzahl IMUs. Das System ermöglicht auch die Bedienung weiterer Bremsaktoren, die bei Anhängern mit mehreren Achsen benötigt werden könnten, da diese vier oder mehr Bremsaktoren aufweisen können. Mehrere Bremsaktoren mit einzigartigen Identifikationsnummern der BLE5 /WiFi Verbindungen können durch die Zentralsteuerung 20 bedient werden. Die einzigartigen Identifikationsnummern gewährleiten auch einen Hohen Grad an Sicherheit, und stellen dadurch sicher, dass die Bremsaktoren nicht vorsätzlich oder aus Versehen von einer Steuerung bedient werden können, die sich außerhalb des Systems befindet.
  • Die IMUs 5, 6, 14, 17 und 25 weisen alle Altimeter-Module in ihnen auf. Die Höhendaten werden kontinuierlich während dem Ziehen zurück an die Zentralsteuerung 20 gesendet. Diese Daten ermöglichen es dem System festzustellen, ob sich die Höhe während der Bewegung erhöht oder verringert. Diese Informationen sind nicht nur für geografische Anwendungen nützlich und werden regelmäßig an die Cloudbasierte geografische Datenbank 61 gesendet, aber auch für die primäre Sicherheitsanalyse verwendet. Das System wird feststellen, wenn das Zugfahrzeug und der Anhänger an Höhe verlieren (Verringern der Höhe), da dies höchstwahrscheinlich gemäß der Sinkgeschwindigkeit darauf hindeutet, dass das Zugfahrzeug 1 und der Anhänger 7 auf einer starken Steigung gefahren werden (Bergstraße oder eine steil nach unten gerichteten Straße). Bergstraßen und steil nach unten gerichtete Straßen sind oft der Vorläufer der Entwicklung von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) eines Anhängers, da der Schwung des Anhängers zu der Entwicklung des anfänglichen Beginns und der schnellen weiteren Entwicklung von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“) führen kann. Das System ist dazu programmiert alle Höhenangaben dauerhaft zu überwachen und, falls eine starke Verringerung der Höhe über einen kurzen Zeitraum erkannt wird, die eine schnell abfallende Fahrsituation kennzeichnet, sicherzustellen, dass es bereit ist, angemessenen Maßnahmen zu ergreifen, wenn der anfängliche Beginn von Schwingungen erkannt wird. Dies ist sehr wichtig, da es schwieriger ist die Schwingungen („Schlingerbewegungen“) zu verringern, wenn der Anhänger 7 und das Zugfahrzeug 1 sich auf einer Straße mit einer steilen abwärts gerichteten Neigung befinden. Das System kann auch, falls erwünscht, so programmiert werden, dass es den Fahrer warnt, wenn er in einer Gegend mit solchen Straßen mit abwärts gerichteten Neigungen fährt. Dies ermöglicht es dem Fahrer seine Zuggeschwindigkeit schrittweise zu verringern, um dadurch hoffentlich das Risiko von Schwingungen und Pendelbewegungen („Schlingerbewegungen“), vor dem natürlichen Beginn davon, zu verringern, Die aufgezeichneten Daten, die auf die Cloudbasierte geografische Datenbank 61 hochgeladen werden, ermöglichen es anderen Straßennutzern mit dem selben System und derselben Datenbank auch vorgewarnt zu werden, wenn sie sich einem Bereich nähern, der dafür bekannt ist, Schwingungen („Schlingerbewegungen“) aufgrund einer Straße mit einer stark abwärts gerichteten Neigung (Straßenneigungswinkel) bei dem Anhänger auszulösen.
  • Die vorliegende Ausführungsform der Erfindung oder ähnliche Ausführungsformen der Erfindung stellen sicher, dass der Fahrer des Zugfahrzeuges 1 und des Anhängers 7 jede Schleppreise in Sicherheit und mit Komfort abschließen kann. Wie zuvor erwähnt kann das System auf vollständige autonome Weise, ohne Eingreifen des Fahrers arbeiten. Das System kann auch durch die Verwendung der Steuerungs-Paddle 54 und 55 am Lenkrad 53 ausser Kraft gesetzt werden, wenn dies der Fahrer so wünscht. Die Paddle-Steuerungen 54 und 55 arbeiten zusammen mit der Zentralsteuerung 20 und anderen Systemkomponenten, um sicherzustellen, dass die Sicherheit des Zugfahrzeuges 1 und des Anhängers 7 zusammen mit der Sicherheit der anderen Straßennutzer von zentraler Bedeutung sind. Das System sammelt immer noch Daten an und sendet diese an die Cloudbasierte geografische Datenbank 61, während das System über die Paddle-Steuerungen 54 und 55 am Lenkrad 53 bedient wird. Die Daten werden mit einem Vermerk aufgezeichnet, dass das System momentan über den manuellen Override-Modus bedient wird. Das mit dem Internet verbundene Display, Table oder Smartphone 57 des Fahrzeuges mit einem Webbrowser oder einer geeigneten App (Application) ermöglicht es dem Fahrer seine Steuerungsleistung im Override-Modus zu überprüfen.
  • Das System kann so implementiert werden, dass die Zentralsteuerung 20, die sich im Zugfahrzeug 1 befindet und an dieses angepasst ist, für mehr als einen Anhänger verwendet werden kann. Das System kann darauf programmiert werden, eine feste Anzahl von unterschiedlichen Anhängern mit IMU-Sensor und Altimeter-Modulen 26 und drahtlosen Bremsaktoren 15 und 16 zu erkennen. Das Zugfahrzeug 1 kann individuell mit mehreren Anhängern kommunizieren, damit ein Zugfahrzeug dazu genutzt werden kann, mehrere Anhänger mit allen Sicherheitsvorteilen des Systems zu ziehen. Das System (Zentralsteuerung 20) kann offensichtlich zu jeder Zeit nur mit einem Anhänger verbunden sein und diesen steuern. Die aufgezeichneten Daten der unterschiedlichen Anhänger werden im Webbrowser und/oder der Application durch eine einzigartige Nummer oder durch einen einzigartigen Namen, die jedem einzelnen Anhänger zugeordnet werden, erkennbar, falls mehr als ein Anhänger mit einem einzigartigen Zugfahrzeug 1 gezogen wird. Alle aufgezeichneten Daten und Betriebseinstellungen werden für jeden Anhänger einzeln gespeichert, so dass ein schneller Ankupplungsvorgang durchgeführt werden kann, ohne dass Zeit für das Reprogrammieren der Parameter der unterschiedlichen Anhänger verschwendet wird, was auch gefährlich werden kann, sollte ein Fehler gemacht werden.
  • Die vorliegende Ausführungsform des Systems und andere ähnliche alternative Ausführungsformen ermöglichen es dem System für eine Vielzahl von unterschiedlichen Arten und Größen von Zugfahrzeugen und Anhängern genutzt zu werden, alle mit ähnlicher vorteilhafter Sicherheit und Komfort.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Verhindern des anfänglichen Beginns und der weiteren Entwicklung von Schwingungen, Pendel- und Schlingerbewegungen des Anhängers und des Zugfahrzeugs, wobei die Bewegungen des Anhängers und des Zugfahrzeuges kontinuierlich durch eine digitale Hardware-basierte FPGA Zentralsteuerung (Field-Programmable Gate Array) überwacht werden, die den anfänglichen Beginn von Schwingungen, Pendel- und Schlingerbewegungen, die im Anhänger und im Zugfahrzeug vorhanden sind, indem mehrere IMUs, Inertial-Messeinheiten, die am Anhänger und am Zugfahrzeug angebracht sind, verwendet werden und wenn anfänglich Schwingungen und Pendel- und Schlingerbewegungen auftreten, die Geschwindigkeit des Zugfahrzeugs automatisch erhöht wird, während die simultane Anwendung der Anhängerbremsung sofort auf die Anhängerreifen übertragen wird, ohne den Einsatz der Zugfahrzeugsbremsen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die durch die IMUs ermittelten Schwingungsdaten durch einen Kalman-Filter verarbeitet werden, um Störgeräusche zu entfernen und um die reinste mögliche Datensicherheit zu gewährleisten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Zugfahrzeuges durch die zentrale Steuerung inkrementell um 10 % seiner aktuellen Geschwindigkeit erhöht wird, sobald die Kommunikation mit der automatischen LIDAR-basierten (Light Detection and Ranging) Geschwindigkeitsregelung oder einem gleichwertigen System festgestellt hat, dass es sicher ist die Fahrgeschwindigkeit des Zugfahrzeuges durch die Anwendung von mehr Leistung des Benzinmotors, Dieselmotors, Elektromotors oder andere Antriebsvorrichtungen des Zugfahrzeuges.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralsteuerung nach dem Erhöhen der Geschwindigkeit des Zugfahrzeuges gleichzeitig eine niedrige Arbeitszyklus-Bremskraft in der Größenordnung von ungefähr 35 % auf die einzelnen linken und rechten drahtlos gesteuerten Bremsenaktorenpaare anwendet, die auf dem Anhänger angeordnet sind, um sofort eine Bremskraft auf den Anhänger anzuwenden ohne gleichzeitige Anwendung irgendeiner Bremskraft auf das Zugfahrzeug, das gleichzeitig beschleunigt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zentralsteuerung nach dem Erhöhen der Geschwindigkeit des Zugfahrzeugs gleichzeitig eine niedrige Arbeitszyklus-Bremskraft in der Größenordnung von ungefähr 35 % gleichmaessig anwendet auf eine beliebige Anzahl von individuellen drahtlos gesteuerten Bremsaktoren, die am Anhänger angebracht sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralsteuerung nach dem Erhöhen der Geschwindigkeit des Zugfahrzeugs und der gleichzeitigen Anwendung der Anhängerbremsen nach einer kurzen Verzögerung von 250 ms bis 500 ms (Millisekunden), falls die Schwingungen, Pendel- oder Schlingerbewegungen abgeklungen sind oder aufgehört haben, falls die Schwingungen, Pendel- oder Schlingerbewegungen vollständig aufgehört haben, die Zentralsteuerung ihre Überwachung fortführt, falls jedoch die Schwingungen, Pendel- oder Schlingerbewegungen gleich geblieben sind oder sich in der Amplitude erhöht haben, erhöht das System, falls es sicher ist, die vorherige Beschleunigung und die Bremsparameter schrittweise um eine Menge, die innerhalb der FPGA-Hardware der Zentralsteuerung berechnet wurde, und wendet diese noch einmal an, und versucht dadurch Schwingungen, Pendel- und Schlingerbewegungen zu verringern und diese zu stoppen, und wieder wird eine kurze Verzögerung von 250 ms bis 500 ms (Millisekunden) gegeben, bevor die weitere Überwachung und Analyse der Schwingungen, Pendel- und Schlingerbewegungen erneut starten.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralsteuerung auf vollständig autonome Weise volle Bremskräfte von 100 % Anwendung auf die drahtlos gesteuerten Bremsen des Anhängers über einer drahtlosen Netzwerkverbindung von der Zentralsteuerung anwendet, falls erfasst wird, dass der Anhänger und das Zugfahrzeug voneinander getrennt wurden, während der Anhänger gezogen wird, wobei die gleichzeitige Anwendung des Warnblinklichtes und der Bremsleuchte des Anhängers und des Zugfahrzeuges sofort aktiviert werden, nachdem festgestellt wurde, dass der Anhänger und das Zugfahrzeug voneinander getrennt wurden, während die Trennung dadurch festgestellt wird, dass die physische Drahtverbindung keine Verbindungen zu dem Anhänger herstellen kann und die RSSI (Radio Signal Strength Indication) immer schwächer wird, je größer die Entfernung zwischen dem abgetrennten Anhänger und dem Zugfahrzeuges wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralsteuerung auf vollständige autonome Weise arbeitet, um zu versuchen, den anfänglichen Beginn und die weitere Entwicklung von Schwingungen, Pendel- und Schlingerbewegungen des Anhängers und des Zugfahrzeuges zu überwachen, zu steuern und zu verhindern, und sollte die Zentralsteuerung den anfänglichen Beginn von Bewegungen des Anhängers und Zugfahrzeuges feststellen, das System versucht, diese auf eine sichere und kontrollierte Weise, so schnell und sicher wie möglich zu stoppen, ohne den Eingriff des Fahrers des Zugfahrzeuges.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralsteuerung auf eine vollständige autonome Weise arbeitet um zu versuchen, den anfänglichen Beginn und die weitere Entwicklung der Schwingungen, Pendel- und Schlingerbewegungen des Anhängers und des Zugfahrzeuges zu überwachen, zu steuern und zu verhindern, wobei das System auch durch manuelle Eingaben auf den Paddel-Steuerungen, die am Steuerrad des Zugfahrzeuges angebracht sind, gesteuert werden kann, wobei durch die Paddel-Steuerungen dem Fahrer des Zugfahrzeuges ermöglicht wird, Beschleunigung auf das Zugfahrzeug anzuwenden und Bremshandlungen auf die Anhängerreifen anzuwenden, wenn das System der Zentralsteuerung feststellt, dass es sicher ist, dies anzuwenden.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralsteuerung ein Mobilfunknetz entweder von dem drahtlosen Internetanschluss des Zugfahrzeuges verwendet und/oder ein Mobiltelefon, das drahtlos mit der Zentralsteuerung verbunden ist, verwendet, welches bidirektionale Daten zu auf einer Cloudbasierenden geographischen Datenbank durch die Verwendung eines Mobilfunkturmes, der sich entlang der Straße befindet, auf der das Zugfahrzeug und der Anhänger entlang gefahren werden, sendet und diese empfängt, wobei diese Daten, welche durch die Zentralsteuerung innerhalb des Zugfahrzeuges aufgezeichnet wurden und anschließend in einem entfernten auf einer Cloudbasierendem geographischen Server gespeichert wurden, verwendet werden, um Nutzern des Systems vor möglichen bevorstehenden Gefahren durch potentielle Schwingungen, Pendel- und Schlingerbewegungen zu warnen, und zwar basierend auf vorherigen Daten, die in der entfernten auf einer Cloud basierenden geographischen Datenbank von allen Nutzern des Systems, deren Daten auf anonyme Weise übertragen wurden, gespeichert wurden, wobei geographische Standorte aufgezeichnet werden und dem Standort des Zugfahrzeugs durch das GPS (global positioning system) Kommunikationsmodul, das sich innerhalb der Zentralsteuerung des Zugfahrzeugs befindet, zugeordnet werden.
  11. Digitale hardwarebasierte Vorrichtung zum Verhindern des anfänglichen Beginns und der weiteren Entwicklung von Schwingungen, Pendel- und Schlingerbewegungen des Anhängers und Zugfahrzeugs, aufweisend: - eine drahtloses Bluetooth Low Energy Version 5.0 Netzwerk oder die aktuellste Entsprechung davon, Inertial-Messeinheiten und Höhenmesser-Module mit IP68 Klassifizierung, die sich auf dem Zugfahrzeug und dem Anhänger entlang einer lateralen Achse zwischen den Hinterreifen des Zugfahrzeugs und den Anhängerreifen entlang einer lateralen Achse auf der Radachse befinden; und - eine Zentralsteuerung die sich in dem Zugfahrzeug befindet und ein Bluetooth Low Energy Version 5.0 Kommunikationsmodul oder die aktuellste Entsprechung davon, mit WiFi, ein Intertial-Messeinheitensensormodul, ein GPS-Kommunikationsmodul, ein FPGA SoC ZYNQ 7000 Serie mit Dual ARM ® Cortex-A9 Prozessoren oder entsprechende Geräte vom Typ FPGA SoC und eine ARM Cortex M4 Mikrosteuerung mit einem CAN-Bus-Netzwerkschnittstellenmodul oder ähnliche entsprechende Mikrosteuerungen mit ähnlichen Spezifikationen aufweist; und - zumindest ein Paar drahtloser vernetzter Bluetooth Low Energy Version 5.0 oder aktuellste Entsprechung davon, ausgestattet mit elektrischen Bremsaktoren mit WiFi Kommunikation, aufladbaren Batterien und Akkus, wobei jeder drahtlose, elektrische Bremsaktor seine eigene einzigartige Identifikationsnummer zur drahtlosen Sicherheit aufweist.
  12. Digitale hardwarebasierte Vorrichtung gemäß Anspruch 11 weiter aufweisend: - ein Paar von Paddle-Schaltern, die am Steuerrad des Zugfahrzeuges angebracht sind, welche über das CAN-Bus-Netzwerk mit Zentralsteuerung des Zugfahrzeuges verbunden sind.
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