DE102017209439A1 - Vorrichtung, Fortbewegungsmittel und Verfahren zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades eines Fortbewegungsmittels - Google Patents

Vorrichtung, Fortbewegungsmittel und Verfahren zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades eines Fortbewegungsmittels Download PDF

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung, ein Fortbewegungsmittel sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:- Ermitteln eines Höhenstandsignals des Rades, und- zweifaches Differenzieren des Höhenstandssignals nach der Zeit.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Fortbewegungsmittel sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Kostenreduzierung und einen Verzicht auf Hardware zur Ermittlung der Vertikalbeschleunigung eines Rades.
  • Im Stand der Technik werden Beschleunigungssensoren verwendet, um dynamische/aktive Dämpfersysteme mit den erforderlichen Eingangsgrößen zur Dämpfungsregelung zu versorgen. Hierzu ist ein Beschleunigungssensor im Bereich der ungefederten Masse des Fahrwerks angeordnet und gibt unmittelbare Signale repräsentierend die Vertikalbeschleunigung des Rades aus. Die Dämpferregelung kann in Abhängigkeit dieser Signale geeignete Einstellungen für die Dämpferfestigkeit vornehmen, um beispielsweise ein Einfedern des Rades zu erleichtern, wenn dieses aufgrund einer Bodenwelle einen großen Weg einfedern muss. Auf diese Weise können die Fahrsicherheit und der Fahrkomfort erheblich verbessert werden.
  • Aufgrund des Erfordernisses zur Leuchtweitenregulierung und mitunter auch zur Regelung aktiver Luftfahrwerke werden im Stand der Technik Höhenstandssensoren verwendet, welche eine Information darüber bereitstellen, wie stark ein jeweiliges Rad eines Fortbewegungsmittels derzeit eingefedert ist. Die Informationen des Höhenstandsensors können als im Wesentlichen quasi statische Zustandsgrößen verstanden werden. In Abhängigkeit dieser Größe werden die Leuchtweite/der Winkel, im welchem der Lichtkegel ausgerichtet wird, sowie die Höhe/die Füllung des Luftfahrwerkes gesteuert bzw. geregelt. Entsprechendes gilt für Gewindefahrwerke.
  • In den letzten zehn Jahren wurden mehrere Versuche unternommen, aus dem Signal des Höhenstandssensors (HSS) das Signal des Radbeschleunigungssensors (RBS) zu rekonstruieren bzw. den Radbeschleunigungssensor zu erübrigen. Diese Versuche brachten keine geeigneten Ansätze hervor. Die vertikale Radbeschleunigung wird deshalb bis heute mit einem Beschleunigungssensor gemessen, wodurch der Hardware-, der Masse- und der finanzielle Aufwand für beide Sensoren entstehen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik zu lindern bzw. auszuräumen.
  • Die Lösung der vorstehend identifizierten Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug sein. Als Vertikalbeschleunigung wird eine solche Bewegungsgröße bzw. ein korrespondierendes Signal verstanden, welches die Beschleunigung des Rades im Wesentlichen in Richtung der Fahrbahnnormalen bzw. in vertikaler Richtung beschreibt. Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt ein Höhenstandssignal des Rades des Fortbewegungsmittels ermittelt. Hierzu kann ein Höhenstandssensor zum Einsatz kommen. Als „Höhenstandssensor“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein solcher Sensor bzw. eine solche funktionale Baugruppe verstanden, welche aus einer Mechanik/Kinematik des Rades gegenüber der (gefederten) Karosserie ein Signal erzeugt, welches die Rekonstruktion einer aktuellen räumlichen Beziehung des Rades zur Karosserie ermöglicht. Das Signal kann beispielsweise elektrisch oder optisch bereitgestellt werden. Das Höhenstandssignal kann durch zweifaches Differenzieren nach der Zeit in ein Vertikalbeschleunigungssignal umgewandelt werden. Hierzu kann das direkt aus dem Höhenstandssensor entnommene Höhenstandssignal einer zweifachen Differenzierung unterzogen werden. Dies schließt nicht aus, dass beispielsweise Filter oder andere Signalverarbeitungselemente das Höhenstandssignal des Rades vor der Differenzierung aufbereiten. Während im Stand der Technik stets ein Höhenstandssensor zur Erzeugung eines Höhenstandssignals und ein Radbeschleunigungssensor zur Erzeugung des Radbeschleunigungssignals verwendet wurden, kann mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Systems das Ausgangssignal des Höhenstandssensors in zweierlei Weisen verwendet werden: Einerseits wird (z.B. durch ein erstes Steuergerät) das Höhenstandssignal zur Einstellung einer Leuchtweite der Abblendlichter und zur Regelung des Luftfahrwerks in herkömmlicher Weise verwendet, während andererseits die zweifache zeitliche Ableitung des Ausgangssignals des Höhenstandssensors zur Ermittlung der Vertikalbeschleunigung des Rades verwendet wird, um eine adaptive Dämpferregelung anzusteuern. Im Ergebnis vereinfacht sich die zur Bereitstellung beider Signale erforderliche Hardware, wodurch die Masse, die Komplexität und die Kosten erfindungsgemäß ausgestalteter Fortbewegungsmittel gegenüber dem Stand der Technik verringert werden können.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Bevorzugt kann dem zweifach differenzierten Signal des Höhenstandssensors eine Konstante / ein Offset hinzuaddiert werden, über welche(n) beispielsweise eine Nullpunktinformation wieder hergestellt bzw. erzeugt werden kann, welche bei der zweifachen Differenzierung naturgemäß entfällt. Beispielsweise kann bei der Ermittlung des Vertikalbeschleunigungssignals in Form einer analogen Spannung auf diese Weise sichergestellt werden, dass die zur adaptiven Dämpferregelung verwendete Auswerteeinheit symmetrisch auswertbare Eingangssignale erhält.
  • Der erfindungsgemäße Ansatz schließt nicht aus, dass das Höhenstandssignal ausschließlich für die Ermittlung der Vertikalbeschleunigung des Rades verwendet wird. Vielmehr kann das Höhenstandssignal parallel auch zur Einstellung eines Scheinwerfers und/oder zur Niveauregulierung (z.B. eines Gewinde- oder Luftfahrwerks) verwendet werden. Hierzu kann ein Ausgang des Höhenstandssensors aufgeteilt/gesplittet werden und das eine Ausgangssignal zur Einstellung des Scheinwerfers/zur Niveauregulierung und das andere Ausgangssignal nach zweifacher Differenzierung zur Ansteuerung des adaptiven Dämpfers verwendet werden. Des Weiteren wird nicht ausgeschlossen, dass der Höhenstandssensor (einem Teil des Signals) selbstständig durch zweifaches Differenzieren erzeugt und über einen separaten Ausgang der Peripherie bereitstellt.
  • Mit anderen Worten kann das Höhenstandssignal innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses eines Höhenstandssensors und eines zur zweifachen Differenzierung verwendeten Prozessors ermittelt werden. Der Höhenstandssensor bzw. die ihn enthaltende Einheit kann somit als „intelligenter Sensor“ bezeichnet werden, welcher bereits das erfindungsgemäß ermittelte Radbeschleunigungssignal auszugeben imstande ist. Das gemeinsame Gehäuse kann auch einen Busteilnehmer/einen Businterface umfassen, über welches das zweifach differenzierte Höhenstandssignal und/oder das direkte Höhenstandssignal des Rades ausgegeben werden. Dies schließt nicht aus, dass zumindest eines der vorgenannten Signale über proprietäre Leitungen aus dem Gehäuse ausgeleitet wird. Auf weitere mögliche Schritte der Zwischenverarbeitung des Höhenstandssignals bis zur Dämpferansteuerung wird weiter unten im Detail eingegangen.
  • Das Höhenstandssignal kann mittels des Höhenstandssensors beispielsweise analog und/oder digital ausgegeben werden. Entsprechend kann auch die zweifache Differenzierung in der analogen und/oder in der digitalen Domäne erfolgen. In Abhängigkeit der verfügbaren Auswerteeinheiten bzw. Kommunikationsinfrastruktur kann somit eine geeignete Domäne gewählt werden.
  • Bevorzugt kann das Höhenstandssignal den Höhenstand genau eines ihm zugeordneten Fahrzeugrades repräsentieren. In entsprechender Weise kann das Höhenstandssignal zweifach differenziert und zur Ansteuerung ausschließlich desjenigen adaptiven Dämpfers verwendet werden, welcher dem betrachteten Rad zugeordnet ist. Auf diese Weise kann eine radindividuelle Vertikalbeschleunigung gegenüber der Karosserie bzw. gegenüber dem Fahrzeugaufbau ermittelt werden. Während die herkömmlicherweise verwendeten Radbeschleunigungssensoren die Beschleunigungssignale vollständig ohne Bezug zur Karosserie ermittelten, ermittelt der Höhenstandssensor sozusagen eine gegenüber der Fahrzeugkarosserie ermittelte Relativposition. Der unterschiedliche Bezug der Signale der Radbeschleunigungssensoren gegenüber den Höhenstandssensoren hat im Stand der Technik zu der Annahme verleitet, dass die Aufbaubewegung des Fortbewegungsmittels bei der Verwendung des Signals des Höhenstandssensors zu berücksichtigen sei. Entsprechend wurde stets versucht, den unterschiedlichen Bezug durch Korrekturterme oder andere Korrekturmaßnahmen zu berücksichtigen, wodurch sich eine nicht beherrschbare Komplexität zum Erzielen akzeptabler Ergebnisse ergeben hätte. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben hingegen herausgefunden, dass der Einfluss des Fahrzeugaufbaues gerade keinen störenden Einfluss bei der Verwendung des zweifach differenzierten Höhenstandssignals zur Ansteuerung der Dämpfer hat. Vielmehr kann eine unmittelbare zweifache Ableitung des Höhenstandssignals nach der Zeit erfolgen und das Ergebnis im Wesentlichen unmittelbar als Eingangssignal eines aktiven Fahrwerksdämpfers verwendet werden.
  • Um die Sicherheit des Fortbewegungsmittels und den Fahrkomfort weiter zu erhöhen, kann das Ermitteln des Höhenstandssignals des Rades sowie das zweifache Differenzieren der ermittelten Höhenstandssignale für eine Vielzahl von Rädern des Fortbewegungsmittels vorgenommen werden. Beispielsweise können sämtliche zur Fortbewegung verwendete Räder einzeln aufgehängt, hinsichtlich ihres jeweiligen Höhenstandes untersucht und das Höhenstandssignal zweifach differenziert werden. Gegebenenfalls an den Rädern vorgesehene aktive Dämpfer können mit den jeweiligen zweifach differenzierten Höhenstandssignalen gespeist und somit zur erfindungsgemäßen Verbesserung des Dämpfungsverhaltens verwendet werden. Erst durch die erfindungsgemäße zweifache Ableitung des Höhenstandssignals können derart geringe Signalverzögerungen bzw. Signalverarbeitungszeiten erzielt werden, dass sich der beabsichtigte Erfolg einer aktiven Fahrwerksdämpfung einstellt.
  • Insbesondere für den Fall, dass das Höhenstandssignal analog vorliegt und einfach oder doppelt differenziert werden soll, kann ein Filter zur Signalverarbeitung zwischen den Höhenstandssensor und die zur zweifachen Differenzierung verwendete Signalverarbeitungseinheit geschaltet werden. Der Filter kann beispielsweise als Tiefpass oder als Bandpass ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Signal des Höhenstandssensors verstärkt werden, um den Signal-Rausch-Abstand bei der Übertragung zu verbessern. Die Verstärkung kann vor oder nach dem optionalen Filtern erfolgen. Die Verstärkung kann auch nach der zweifachen Differenzierung vorgenommen werden. Auf diese Weise kann eine Verbesserung des Signal-Rausch-Abstandes (englisch: signalto-noise-ratio, SNR) verbessert und die Aussteuerung der Signaleingänge der verwendeten Auswerteeinheiten optimiert werden.
  • Um sicherzustellen, dass die erfindungsgemäße Signalverarbeitung innerhalb einer solchen Zeit erfolgt, dass das Ergebnis in einem hinreichenden zeitlichen Bezug zur entsprechenden Eingangsgröße steht, kann ein sog. Echtzeit-Scheduling benutzt werden. Dieses kann beispielsweise mittels der für die zweifache Differenzierung verwendeten Hardware erfolgen.
  • Sofern der Höhenstandssensor ein digitales Signal ausgibt, kann dieses im Bereich 8 bis 12, insbesondere 10, bit-Auflösung liegen. Eine entsprechende Auflösung eines gegebenenfalls verwendeten Analog/Digital (A/D)-Wandlers hat sich als für die erfindungsgemäße Verwendung des Höhenstandssignals hinreichend herausgestellt. Gegenüber im Stand der Technik mitunter vorgeschlagenen höheren Auflösungen können somit vereinfachte bzw. kostengünstigere Signalverarbeitungselemente verwendet werden. Zudem kann die Verarbeitungszeit der betroffenen Signale verringert werden.
  • Die Verarbeitungszeit kann durch eine parallele oder quasi-parallele Verarbeitung der Signale des Höhenstandssensors (Höhenstandssignals) weiter beschleunigt werden. Die „Echtzeitfähigkeit“ der Signalverarbeitungsstrecke zur Ansteuerung des adaptiven Dämpfers verbessert sich auf diese Weise abermals.
  • Der Höhenstandssensor kann ein Winkelsignal oder ein Wegsignal bezüglich des Rades gegenüber der Karosserie/gefederten Masse empfangen, auswerten und in ein entsprechendes Höhenstandssignal bzw. Vertikalbeschleunigungssignal umwandeln.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen, welche eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung des Rades auszuführen. Die Vorrichtung umfasst einen Höhenstandssensor und eine Auswerteeinheit. Der Höhenstandssensor kann entsprechend den vorhergehenden Ausführungen ausgestaltet sein und optional auch zur Verwendung zur Leuchtweiten- und Niveauregulierung verwendet werden. Eine Auswerteeinheit ist vorgesehen, die erforderlichen Schritte zur Verarbeitung des Ausgangssignals des Höhenstandssensors auszuführen und kann beispielsweise als Prozessor, digitaler Signalprozessor, analoger Signalprozessor, Mikrocontroller, elektronisches Steuergerät, o.ä., ausgestaltet sein. Dies schließt nicht aus, dass der Höhenstandssensor und die Auswerteeinheit zusammengefasst als intelligenter Sensor ausgestaltet sein können. Hierzu können sie beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein, welches dem Rad des Fortbewegungsmittels räumlich zugeordnet ist. Die Auswerteeinheit ist also eingerichtet, mittels des Höhenstandssensors ein Höhenstandssignal des Rades zu ermitteln und zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung des Rades zweifach nach der Zeit zu differenzieren. Die Ausführungen zu den obigen Merkmalen können sinngemäß auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen werden, weshalb bezüglich der Vorteile, Merkmale und Merkmalskombinationen der Vorrichtung auf die oben Ausführungen verwiesen wird.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Vorrichtung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Das Fortbewegungsmittel kann als Motorrad, PKW, Transporter, LKW, Luftfahrzeug, o.ä. ausgestaltet sein. Ebenfalls ist nicht ausgeschlossen, dass es sich bei dem Fortbewegungsmittel um eine Arbeitsmaschine handelt. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile ergeben sich ebenfalls in entsprechender Weise.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung zur Funktionsweise eines erfindungsgemäßen einsetzbaren Höhenstandssensors;
    • 2 ein Flussdiagramm/Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems in Form einer Vertikaldynamikplattform (VDP) mit digitalem Messprinzip;
    • 3 ein Flussdiagramm/Prinzipschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems mit digitaler Auswertung;
    • 4 ein Flussdiagramm/Prinzipschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems mit digitaler Auswertung;
    • 5 ein Flussdiagramm/Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung mit verteilter Logik;
    • 6 ein Flussdiagramm/Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung mit separater Höhenstandssignalermittlung in der digitalen Domäne;
    • 7 ein Flussdiagramm/Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung mit separater Höhenstandssignalermittlung in der analogen Domäne;
    • 8 ein Flussdiagramm/Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems mit hybrider (analoger und digitaler) Signalverarbeitung;
    • 9 ein Flussdiagramm/Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems mit analoger Signalverarbeitung und Offset-Rekonstruktion;
    • 10 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
    • 11 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß verwendbaren Differenzierers zur zweifachen Differenzierung des Höhenstandssignals eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems.
  • 1 zeigt einen Fahrwerksbestandteil eines Fortbewegungsmittels 10, in welchem ein Rad 2 des Fahrzeugs 10 über eine Mechanik 3 mit der Karosserie bzw. einem Höhenstandssensor 4 mechanisch verbunden ist. An der ungefederten Mechanik 3 ist ein Radbeschleunigungssensor 1 gemäß dem Stand der Technik angeordnet, welcher eine Beschleunigung des Rades 2 bzw. der Mechanik 3 in positiver und negativer Z-Richtung (Vertikale) ermitteln kann. Die Verwendung dieses Radbeschleunigungssensors 1 soll erfindungsgemäß erübrigt werden, um die Systemkomplexität, die Masse und die Kosten des Fahrzeugs 10 zu verringern. Der Höhenstandssensor 4 ist imstande, einen von der Mechanik 3 gegenüber der (nicht dargestellten) Fahrzeugkarosserie eingenommenen Winkel β zu ermitteln und ein korrespondierendes Signal auszugeben.
  • 2 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Systems, in welchem der Höhenstandssensor 4, ein optionaler Filter 6 (Bandpass- bzw. Tiefpassfilter), ein Mikrocontroller 11 und ein Businterface 12 in der genannten Reihenfolge in einem Gehäuse 16 angeordnet und informationstechnisch miteinander verknüpft sind. Das Gehäuse 16 beherbergt sozusagen einen kombinierten Höhenstands- und Radbeschleunigungssensor und stellt aufgrund seiner Robustheit und des einfachen Aufbaus eine bevorzugte Lösung zur Realisierung der vorliegenden Erfindung dar. Der Höhenstandssensor 4 weist ein digitales Messprinzip auf. Bei Verwendung eines analogen Höhenstandssensors 4 kann der optionale Filter 6 verwendet werden, um den Signalrauschabstand zur Signalübertragung zum Mikrocontroller 11 zu verbessern. Der Mikrocontroller 11 ist imstande, das Höhenstandssignal des Höhenstandssensors 4 zweifach zu differenzieren, eine optionale Filterung durchzuführen, das Höhenstandssignal zu plausibilisieren/zu korrigieren (sofern erforderlich), eine Diagnose zu ermöglichen, welche für die Funktionssicherheit relevant sein kann, sowie eine Realzeit-/Echtzeitverarbeitung der Höhenstandssignale in Radbeschleunigungssignale auszuführen. Das Businterface 12 gibt das Höhenstandssignal, die erfindungsgemäß ermittelte Radbeschleunigung sowie Diagnosedaten an einen weiteren Busteilnehmer 12 innerhalb eines weiteren Gehäuses 16 eines elektronischen Steuergerätes 5a aus. Zudem werden die vorgenannten Informationen zwei weiteren elektronischen Steuergeräten 5b, 5c zugeführt. Die weiteren elektronischen Steuergeräte 5b, 5c können identisch oder unterschiedlich zum ersten elektronischen Steuergerät 5a ausgeführt sein. Die elektronischen Steuergeräte 5 können beispielsweise als Verarbeitungseinheiten für vertikale Dynamik (englisch: vertical dynamic processors, VDP) ausgestaltet sein bzw. fungieren. Vom Businterface 12 des ersten elektronischen Steuergerätes 5a gelangen die Businformationen in einen Prozessor 14, wo sie zur Leuchtweitenregulierung, Niveauregulierung eines Luftfahrwerkes sowie erfindungsgemäß zur Regelung eines adaptiven Dämpfers verwendet werden. Entsprechende Steuersignale werden über ein weiteres Businterface 12 an das angeschlossene Netzwerk 15 gesendet. Die vorgenannten Funktionen „Leuchtweitenregulierung“, „Niveauregulierung“ und „Dämpferregelung“ können auch auf die separat dargestellten elektronischen Steuergeräte 5a, 5b und 5c aufgeteilt werden.
  • 3 zeigt eine gegenüber 2 vereinfachte Darstellung, in Verbindung mit welcher näher auf die Funktionsweise der einzelnen Elemente eingegangen werden soll. Der Höhenstandssensor 4 gibt den Höhenstand digital an den Mikrocontroller 11 aus, welcher einen Kalmann-Filter und/oder eine künstliche Intelligenz (KI) beherbergen kann. Vom Mikrocontroller 11 gelangen der Höhenstand und die Radbeschleunigung an das Businterface 12. Das Businterface 12 kann beispielsweise gemäß einem oder gemäß mehreren der nachgenannten Busprotokolle funktionieren: PSI5, CAN, ASI. Die Funktionsweise des Businterfaces 12 ist vorzugsweise seriell. Der Bus kann mit Echtzeit-Scheduling intrinsisch oder per Applikation arbeiten. Über den Mikrocontroller 11 kann die Buskommunikation durch ein Arbitrierungsverfahren echzeitfähig verwaltet werden. Die beispielhaft dargestellten elektronischen Steuergeräte 5b, 5c können die durch sie ermittelten Steuerbefehle beispielsweise über Ethernet, FlexRay, CAN, VDP oder BDC ausgeben. Zudem können sie mittels einer oder mehrerer der vorgenannten Kommunikationsweisen untereinander kommunizieren.
  • 4 zeigt eine Abwandlung der in 3 gezeigten Topologie, wobei der Unterschied im Wesentlichen darin besteht, dass der Höhenstandssensor 4 den Höhenstand digital über ein Bussystem (z.B. PSI5, CAN o.ä.) ausgibt und entsprechend ein Businterface 12 erforderlich ist, um die CPU 14 zur zweifachen Differenzierung des Höhenstandssignals zu befähigen.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm/eine Systemtopologie, in welcher der Höhenstandssensor 4 in einem gemeinsamen Gehäuse 16 mit einem Analog/Digital-Wandler 13 und einem Filter 6 untergebracht ist. Der Höhenstandssensor 4 selbst arbeitet in der digitalen Domäne bzw. nach einem digitalen Messprinzip, während der Digital/Analog-Wandler 13 das digitale Höhenstandssignal zur analogen Verarbeitung durch die nachgeschaltete separate Elektronik des Mikrocontrollers 11 aufbereitet. Der Mikrocontroller 11 führt die zweifache Differentiation, eine optionale Filterung, die Plausibilisierung/Korrektur (sofern erforderlich), die für die Funktionssicherheit gegebenenfalls relevante Diagnose und die Sicherstellung der Realzeit-/Echtzeitanforderung durch Scheduling aus. Die eigentliche Leuchtweitenregulierung, Niveauregulierung und Dämpferregelung erfolgt in der CPU 14.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm einer Variante des erfindungsgemäßen Systems zur Berechnung der Vertikalbeschleunigung des Rades in der CPU 14. Hierbei erstellt der Höhenstandssensor 4 ein digitales Höhenstandssignal und stellt Diagnoseinformationen bereit. Die vorgenannten Signale werden digital über einen Bus gesendet und vom Businterface 12 an die CPU 14 weitergeleitet. Diese weist unterschiedliche informationstechnische Verbindungen zur angeschlossenen Peripherie auf: Über ein weiteres Businterface 12 wird das Netzwerk 15 mit Signalen zur Einstellung der Leuchtweite und der Niveauregulierung versorgt. Ein Aktuator 17 erhält ein zweifach differenziertes Signal des Höhenstandssensors, welches optional gefiltert/plausibilisiert/korrigiert etc. ist. Auch können Diagnosedaten zur Sicherstellung der Funktionssicherheit ausgetauscht und Scheduling-Verfahren zur Sicherstellung der Realzeit-Fähigkeit des Systems durch die CPU 14 mit dem Aktuator 17 angewendet werden.
  • 7 zeigt eine analoge Variante zu der in 6 dargestellten Anordnung. Der Höhenstandssensor 4 stellt das Höhenstandssignal analog bereit, welches anschließend durch einen Analog/Digital-Wandler 13 und ein optionales Filter 6 zur Verarbeitung in der CPU 14 aufbereitet wird. Die CPU 14 ist in der Lage, das Höhenstandssignal zweifach zu differenzieren, optional zu filtern/zu plausibilisieren/zu korrigieren und die Realzeitanforderungen durch Scheduling sicherzustellen. Steuersignale zur Regulierung der Leuchtweite, des Luftfahrwerkniveaus sowie zur Ansteuerung adaptiver Dämpfer werden anschließend über ein Businterface 12 an das Fahrzeugnetzwerk 15 (z.B. über einen Bus) weitergeleitet.
  • 8 zeigt eine hybride, da analog und digital gemischte, Verarbeitung des Höhenstandssignals im Sinne der vorliegenden Erfindung. Der Höhenstandssensor 4 stellt das Höhenstandssignal analog einem ersten elektronischen Steuergerät 5a zur Einstellung von Leuchtweite und Fahrwerksniveau zur Verfügung. Zur Dämpferregelung erfolgt eine Bandpassfilterung bzw. eine Hochpass- und Tiefpassfilterung in einem Filter 6, dessen Ausgangssignal einem 8-bit, 10-bit oder 12-bit-Analog/Digital-Wandler 13 zugeführt wird. In der digitalen Domäne wird ein Mikrocontroller 11 verwendet, um eine zweifache Ableitung des Höhenstandssignals nach der Zeit und optional eine Plausibilisierung/Korrektur/Filterung (z.B. mittels eines Kalmann-Filters) durchzuführen. Über einen seriellen Bus 18, welcher beispielsweise als PSI5, CAN, ASI, ZigBee, TTP/A, etc. ausgestaltet sein kann, gelangt das Radbeschleunigungssignal in der digitalen Domäne optional mit Diagnosedaten angereichert an ein zweites elektronisches Steuergerät 5b, welches Steuersignale für eine Dämpferregelung 17 ausgibt.
  • 9 zeigt eine analoge Variante der Signalverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung, in welcher die Höhe h des Rades gegenüber der Karosserie über eine Mechanik 3 in einen Winkel β überführt wird, welcher als Eingangsgröße des analogen Höhenstandssensors 4 dient. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass Höhenstandssensoren nicht ausschließlich Winkel, sondern ebenso Wege als Eingangsgrößen erhalten können und dies lediglich durch die verwendete Mechanik/Höhenstandssensor-Kombination in geeigneter Weise festzulegen ist. In der analogen Domäne wird als ein zur Höhe h proportionales, gegebenenfalls durch einen Offset angepasstes Spannungssignal Uh vom Höhenstandssensor 4 einerseits an ein erstes elektronisches Steuergerät 5a und andererseits an ein optionales Filter 6 ausgegeben. Das Ausgangssignal des optionalen Filters 6 bzw. das Spannungssignal Uh wird in einem Differenzierer 7 zweifach nach der Zeit abgeleitet und auf einen Summierer 9 gegeben. Der Summierer 9 erhält zusätzlich einen Spannungswert zur Arbeitspunkteinstellung des Steuergerätes, da die zweifache Differenzierung jeglichen Bezug entfernt hat. Wie aus der dargestellten Spannungs-Vertikalbeschleunigungs-Kennlinie ersichtlich, wird beispielsweise ein Arbeitspunkt auf 2,5 V eingestellt, um die beschleunigungsproportionalen Spannungen ŨRbs symmetrisch am Eingang des zweiten elektronischen Steuergerätes 5b anliegen zu lassen. Die diesbezüglich dargestellte Radbeschleunigungssensor-Kennlinie besteht im Wesentlichen aus einer zwischen den Beschleunigungswerten -16g und +16g bzw. den elektrischen Spannungen 5 V und 0 V linear abfallenden Geraden. Auf diese Weise ist auch eine symmetrische Ansteuerung der Dämpferregelung 17 durch das elektronische Steuergerät 5b sichergestellt.
  • 10 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Verfahrens zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades eines Fortbewegungsmittels. In Schritt 100 wird ein Höhenstandssignal des Rades ermittelt. In Schritt 200 wird das Höhenstandssignal gefiltert. Dies kann beispielsweise durch einen Bandpass- bzw. einen Tiefpass erfolgen. In Schritt 300 kann das gefilterte Höhenstandssignal verstärkt werden, um den Signal-Rausch-Abstand bis zur zweifachen Differenzierung zu verbessern. In Schritt 400 wird das Höhenstandssignal zur Einstellung eines Scheinwerfers und zur Niveauregulierung in herkömmlicher Weise verwendet. Hierbei kann das gefilterte und verstärkte oder das diesbezüglich unbehandelte Höhenstandssignal verwendet werden. In Schritt 500 wird das Höhenstandssignal, welches zuvor gefiltert und optional verstärkt worden war, zweifach differenziert. Hierbei entsteht das erfindungsgemäß vorgeschlagene Vertikalbeschleunigungssignal des Rades auf Basis des Höhenstandssignals. Optional kann nun eine (zusätzliche) Verstärkung des differenzierten Höhenstandssignals erfolgen, um einen Saturierungseffekt zu vermeiden. In Schritt 600 wird außerdem ein Echtzeit-Scheduling ausgeführt. Dieses garantiert, dass die Differenzierung hinreichend kurzfristig ausgeführt werden kann, um den zeitlichen Bezug zwischen dem Steuersignal, welches zur adaptiven Dämpferregelung ausgegeben wird, und dem Höhenstandssignal, auf dem es beruht, sicherzustellen. Erforderlichenfalls werden beispielsweise die zur Differenzierung erforderlichen Prozesse höher priorisiert oder konkurrierende Prozesse ausgesetzt. Beispiele hierzu sind: preemptives, prioritätsbasiertes Scheduling, Earliest-Deadline-First/-Last Scheduling, Rate Monotonie Scheduling oder TDMA Scheduling. In Schritt 700 wird eine Konstante bzw. ein Offset ermittelt und diese(s) zur Arbeitspunkteinstellung des zur Ansteuerung des adaptiven Dämpfers verwendeten elektronischen Steuergerätes in Schritt 800 dem zweifach differenzierten Höhenstandssignal hinzuaddiert. In Schritt 900 wird ein adaptiver Fahrwerksdämpfer, mittels dessen die Vertikalbewegung des Rades gedämpft wird, in Abhängigkeit des zweifach differenzierten Höhenstandssignals angesteuert. Mit anderen Worten wird ein Steuerbefehl ausgegeben, der in Abhängigkeit der Beschleunigung eine Ansteuerung eines Ventils, o.ä., vornimmt. Beispielsweise kann bei erhöhter Beschleunigung eine größere Öffnung des Ventils erfolgen, um die Dämpfung und damit den Eintrag des mechanischen Stoßes in die Karosserie zu vermindern. Hierdurch kann ein Radbeschleunigungssensor entfallen, wodurch das Fortbewegungsmittel leichter und kostengünstiger bezüglich seiner Herstellung wird.
  • 11 zeigt eine exemplarische Darstellung eines analogen Systems, mittels dessen eine Tiefpassfilterung und zweifache Differenzierung sowie Arbeitspunkteinstellung eines Höhenstandssignals zur Ansteuerung eines adaptiven Dämpfers mit einem Spannungssignal ŨRbs erfolgen können. Das Spannungssignal des Höhenstandssensor Uhss wird zunächst durch einen Tiefpassfilter von störenden Signalanteilen befreit und anschließend durch zwei Differenzierglieder jeweils einmal, sprich zweimal, abgeleitet. Das erste Differenzierglied besteht aus einem Eingangskondensator C1, welcher in Reihe zwischen den Ausgang des Filters und den negativen Eingang eines ersten Operationsverstärkers OP1 geschaltet ist. Der Operationsverstärker OP1 ist über eine Parallelschaltung eines Rückkoppelkondensators CR und eines Rückkoppelwiderstandes R1 rückgekoppelt. Über einen Ausgangswiderstand RA gelangt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP1 auf einen zweiten Eingangskondensator C2 und über diesen an den negativen Eingang eines zweiten Operationsverstärkers OP2, welcher über einen Rückkoppelwiderstand R2 rückgekoppelt ist. Das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers OP2 gelangt über einen zweiten Ausgangswiderstand RA2 an den negativen Eingang eines dritten Operationsverstärkers OP3, welcher durch einen ohmschen Rückkoppelwiderstand R3 rückgekoppelt ist. Die positiven Anschlüsse der Operationsverstärker OP1, OP2, OP3 werden mit einer stabilisierten Gleichspannung von ungefähr 2,5 V zur Einstellung des Arbeitspunktes am Ausgang der Schaltung gespeist, welche über eine stabilisierte Versorgungsspannung von 5 V (Kondensatoren C4, C5) und einen ohmschen Spannungsteiler, umfassend die Widerstände R4 und R5 (jeweils 100 kΩ) bereitgestellt wird. Dem der elektrischen Masse zugeordneten ohmschen Widerstand R5 ist ein Ausgangskondensator C6 von 10 nF parallel geschaltet. Das Ausgangssignal des dritten Operationsverstärkers OP3 stellt das gefilterte, zweifach differenzierte und hinsichtlich seines Arbeitspunktes justierte Radbeschleunigungssignal ŨRbs für die anschließende Berücksichtigung durch ein Steuergerät zur Ansteuerung des adaptiven Fahrwerksdämpfers dar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Radbeschleunigungssensor
    2
    Rad
    3
    Mechanik
    4
    Höhenstandssensor
    5
    elektronisches Steuergerät
    6
    Filter
    7
    Differenzierer
    8
    Offset
    9
    Summierer
    10
    Fahrzeug
    11
    Mikrocontroller
    12
    Businterface
    13
    Analog/Digital-Wandler bzw. Digital/Analog-Wandler
    14
    CPU/Prozessor
    15
    Netzwerk
    16
    Gehäuse
    17
    Dämpferregelung
    18
    Bus
    100-900
    Verfahrensschritte
    av
    Vertikalbeschleunigung
    β
    Winkel
    C
    Kondensator
    g
    Erdbeschleunigung
    h
    Höhe
    k3
    Konstante/Offset
    OP
    Operationsverstärker
    R
    ohmscher Widerstand
    Uh
    β-proportionale Spannung
    Uhss
    Höhenstandssignal (elektrische Spannung)
    ũRbs
    Radbeschleunigungssignal (elektrische Spannung)

Claims (12)

  1. Verfahren zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades (2) eines Fortbewegungsmittels (10) umfassend die Schritte: - Ermitteln (100) eines Höhenstandsignals des Rades (2) und - zweifaches Differenzieren (500) des Höhenstandssignals nach der Zeit.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 weiter umfassend - Verwenden (400) des Höhenstandsignals - zur Einstellung eines Scheinwerfers und/oder - zur Niveauregulierung des Fortbewegungsmittels (10).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei - das Höhenstandssignal von einem Höhenstandssensor (4) ausgegeben wird, der in einem gemeinsamen Gehäuse (16) mit einer zur zweifachen Differenzierung verwendeten Auswerteeinheit (11) angeordnet ist.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Höhenstandssignal von einem Höhenstandssensor (4) analog oder digital ausgegeben wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend - Ansteuern (900) eines adaptiven Fahrwerksdämpfers des Rades (2) des Fortbewegungsmittels (10) in Abhängigkeit des zweifach differenzierten Höhenstandsignals.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - das Ermitteln (100) des Höhenstandsignals des Rades (2) und - das zweifache Differenzieren (500) des Höhenstandsignals jeweils für eine Vielzahl von Rädern (2), insbesondere für sämtliche Räder, des Fortbewegungsmittels (10) erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend - Ermitteln (700) und Addieren (800) einer Konstanten (k3) zu dem zweifach differenzierten Höhenstandsignal.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweifache Differenzieren in der analogen oder in der digitalen Domäne erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend - Filtern (200) und/oder - Verstärken (300) des Höhenstandsignals, insbesondere vor dem zweifachen Differenzieren.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend - Ausführen (600) - eines Deadline-Monitorings und/oder - eines Echtzeit-Schedulings während der Differenzierung.
  11. Vorrichtung zur Ermittlung einer Vertikalbeschleunigung eines Rades (2) eines Fortbewegungsmittels (10) umfassend: - einen Höhenstandsensor (4) und - eine Auswerteeinheit (5), wobei - die Auswerteeinheit (5) eingerichtet ist, ein mittels des Höhenstandsensors (4) ermitteltes Höhenstandssignal des Rades (2) zur Ermittlung der Vertikalbeschleunigung des Rades (2) zweifach nach der Zeit zu differenzieren.
  12. Fortbewegungsmittel umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 11.
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