DE102017211402A1

DE102017211402A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen der Fahrdynamik eines Straßenfahrzeugs

Info

Publication number: DE102017211402A1
Application number: DE102017211402.9A
Authority: DE
Inventors: Robert Zdych; Martin Hermann Hahn
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-07-04
Filing date: 2017-07-04
Publication date: 2019-01-10

Abstract

Bereitgestellt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der Fahrdynamik eines Straßenfahrzeuges mit
- einer Schnittstelle, die eine an einem mit einer Welle angestrahltem Objekt reflektierte Welle als Signal in die Vorrichtung eingibt,
- einer Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit dieses Signals zumindest eine Bewegung des Straßenfahrzeuges zu dem Objekt zu bestimmen,
- wobei die Auswerteeinrichtung eine Querbewegung des Straßenfahrzeuges bestimmt.
Ferner betrifft die Erfindung eine Umfelderfassungseinrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Fahrdynamik eines Straßenfahrzeuges.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach Anspruch 1, eine Umfelderfassungseinrichtung nach Anspruch 6 und ein Verfahren nach Anspruch 12 jeweils zum Bestimmen der Fahrdynamik eines Straßenfahrzeugs.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und - Fahrzeugquergeschwindigkeit mittels modellbasierter Berechnungen zu bestimmen.
Des Weiteren ist es bekannt, die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und Fahrzeugquergeschwindigkeit durch Integration der mit vorhandenen Sensoren gemessenen Längs- und Querbeschleunigung zu bestimmen.
Die bekannten Bestimmungen der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und insbesondere der Fahrzeugquergeschwindigkeit sind zumeist vergleichsweise unzuverlässig, ungenau und erfordern einen hohen Applikationsaufwand und Entwicklungsaufwand je Fahrzeug. Insbesondere werden bei Beschleunigungssensoren systematische Messfehler akkumuliert, wobei bei längerer Integrationsdauer die Ungenauigkeit der Geschwindigkeit schnell bis zur Unbrauchbarkeit zunimmt.
Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und insbesondere die Fahrzeugquergeschwindigkeit für die Serienproduktion mit robusten, kostengünstigen und zuverlässigen Sensoren genau zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einer Umfelderfassungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Bevorzugte Ausgestaltungen Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen der Fahrdynamik eines Straßenfahrzeugs weist eine Schnittstelle auf, die eine an einem mit einer Welle angestrahlten Objekt reflektierte Welle als Signal in die Vorrichtung eingibt. Ferner weist die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit dieses Signals eine Querbewegung des Straßenfahrzeugs zu dem Objekt bestimmt.
Die Fahrdynamik ist ein Gebiet der Dynamik, das insbesondere Ermittlungen zu Weg und Zeit von Fahrzeugen umfasst. Straßenfahrzeuge sind Fahrzeuge auf dem Lande, beispielsweise PKW, LKW und/oder NKW.
Eine Schnittstelle ist eine Einrichtung zwischen wenigstens zwei Funktionseinheiten, an der ein Austausch von logischen Größen, zum Beispiel Daten, oder physikalischen Größen, zum Beispiel elektrischen Signalen, erfolgt, entweder nur unidirektional oder bidirektional. Der Austausch kann analog oder digital erfolgen. Der Austausch kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen.
Eine Welle ist eine sich räumlich ausbreitende Störung einer orts- und zeitabhängigen physikalischen Größe. Zum Beispiel ist eine Schallwelle, insbesondere eine Ultraschallwelle, eine Welle. Elektromagnetische Wellen sind Wellen aus gekoppelten, elektrischen und magnetischen Feldern. Beispiele für elektromagnetische Wellen sind Radiowellen, Wärmestrahlung und/oder Licht.
Eine Auswerteeinrichtung ist eine Schaltung, die eingehende Informationen verarbeitet und ein aus dieser Verarbeitung resultierendes Ergebnis ausgibt. Auswerteeinrichtungen sind insbesondere elektronische Schaltungen, wie zum Beispiel zentrale Prozessoreinheiten oder Graphikprozessoren.
Eine Querbewegung ist eine Bewegung quer zu einer Längsachse des Straßenfahrzeugs.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Fahrzeugquerbewegung eines Straßenfahrzeugs mit hoher Genauigkeit, zuverlässig und robust gemessen. Die Genauigkeit der gemessenen Querbewegung ist durch die Erfassung der reflektierten Welle unabhängig von der Messdauer.
Bevorzugt gibt die Schnittstelle Radarsignale und/oder Lidarsignale in die Vorrichtung ein. Aus einer Doppler-Verschiebung der empfangenen, reflektierten Wellen ergibt sich die Geschwindigkeit zwischen Straßenfahrzeug und Objekt. Aus Radarsignale und/oder Lidarsignale kann außerdem der Winkel, unter dem das Objekt von der Vorrichtung ausgesehen seitlich versetzt erscheint, bestimmt werden. Aus der Geschwindigkeit und dem Winkel folgt dann die Quergeschwindigkeit des Straßenfahrzeuges als Maß für dessen Querbewegung.
Vorteilhafterweise bestimmt die Auswerteeinrichtung eine Längsbewegung des Fahrzeugs. Damit kann die Querbewegung und die Längsbewegung eines Straßenfahrzeuges simultan und bedingt durch das verwendete Messverfahren stets mit hoher Genauigkeit, zuverlässig und robust bereitgestellt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bestimmt die Auswerteeinrichtung eine Quer- und/oder eine Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs, vorzugsweise einen Fahrzeugschwimmwinkel in Abhängigkeit von der Quer- und Längsgeschwindigkeit.
Der Fahrzeugschwimmwinkel ist der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des Straßenfahrzeugs im Schwerpunktsystem des Straßenfahrzeuges und der Fahrzeuglängsachse. Bei hohen Querbeschleunigungen gilt der Fahrzeugschwimmwinkel als Maß für die Beherrschbarkeit von Fahrzeugen. Bei einem negativen Fahrzeugschwimmwinkel übersteuert das Fahrzeug. Bei einem positiven Fahrzeugschwimmwinkel untersteuert das Fahrzeug. Bei größeren, kontrollierten Fahrzeugschwimmwinkeln spricht man im Motorsport von Driften. Mithilfe des Fahrzeugschwimmwinkels wird die Fahrdynamik des Fahrzeugs erfasst.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung eine Ausgabeschnittstelle auf, die die mit der Auswerteeinrichtung bestimmten Größen ausgibt. an eine Fahrzeugsteuerungseinrichtung und/oder an ein Anzeigegerät ausgibt. Insbesondere können die von der Auswerteeinrichtung bestimmten Längs- und Quergeschwindigkeiten an ein Fahrerassistenzsystem ausgeben werden, das anhand dieser Geschwindigkeiten die Fahrzeugsteuerung regelt. Die mit der Auswerteeinrichtung bestimmten Größen können insbesondere auch über ein Human-Machine-Interface einem Fahrer des Fahrzeugs zur Information angezeigt werden.
Die erfindungsgemäße Umfelderfassungseinrichtung zum Bestimmen der Fahrdynamik eines Straßenfahrzeugs strahlt eine Welle auf ein Objekt ab und erfasst das Objekt in Abhängigkeit von einer empfangenen, an dem Objekt reflektierten Welle. Eine Auswerteeinrichtung der Umfelderfassungseinrichtung ist ausgebildet, anhand dieser Erfassung zumindest eine Bewegung des Fahrzeugs zu dem Objekt zu bestimmen, wobei die Auswerteeinrichtung eine Querbewegung des Fahrzeugs bestimmt. Die erfindungsgemäße Umfelderfassungseinrichtung hat den Vorteil, dass eine Querbewegung des Fahrzeugs unmittelbar aus den Daten einer reflektierten Welle bestimmt werden kann, ohne durch zusätzliche Berechnungsmethoden geschätzt zu werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Umfelderfassungseinrichtung ein Sensor, vorzugsweise ein Radar und/oder ein Lidar. Damit kann die Querbewegung besonders einfach bestimmt werden.
Vorzugsweise sind mit der Auswerteeinrichtung anhand einer Gierrate einer Quer- und/oder einer Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs in einem Schwerpunktsystem des Fahrzeugs bestimmbar, wobei vorzugsweise die Umfelderfassungseinrichtung anhand der Quer- und Längsgeschwindigkeit einen Fahrzeugschwimmwinkel bestimmt.
Die Gierachse ist die Hoch- oder Vertikalachse des fahrzeugfesten Koordinatensystems. Die Drehbewegung um diese Achse wird als Gieren bezeichnet. Die zeitliche Änderung eines Gierwinkels ist die Giergeschwindigkeit oder Gierrate.
Damit können mit der Umfelderfassungseinrichtung die Geschwindigkeitskomponenten der Geschwindigkeit des erfassten Objekts in die Geschwindigkeitskomponenten der Fahrzeuggeschwindigkeit im Schwerpunktsystem des Fahrzeugs umgerechnet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfasst die Umfelderfassungseinrichtung ein statisches Objekt anhand eines Positionsvergleichs des Objekts mit Positionen weiterer, mit der Umfelderfassungseinrichtung erfassten Objekten, wobei die Umfelderfassungseinrichtung vorzugsweise erfasste statische Objekte abspeichert.
Der Positionsvergleich kann insbesondere aus einem Positionstracking bestehen.
Anhand der gespeicherten statischen Objekte in einem Grid, das heißt einem Gitter, kann die genaue Relativgeschwindigkeit des Fahrzeugs in seiner Umgebung vorteilhafterweise einfach bestimmt werden. Um eine hohe Genauigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung zu gewährleisten, werden hier die ermittelten Geschwindigkeiten mehrerer Objekte herangezogen.
Vorzugsweise weist die Umfelderfassungseinrichtung eine Schnittstelle zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf.
Besonders bevorzugt ist die Umfelderfassungseinrichtung an einem Fahrzeug anordenbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Fahrdynamik eines Fahrzeugs weist die folgenden Schritte auf.

- Messen eines Azimutwinkels, unter dem ein Objekt von einer Umfelderfassungseinrichtung aus erscheint,
- Messen der Radialgeschwindigkeit, die das Objekt zu der Umfelderfassungseinrichtung aufweist,
- Bestimmen der Längs- und/oder Querkomponente der Radialgeschwindigkeit am Ort der Umfelderfassungseinrichtung.

Der Azimutwinkel ist der in einer waagerechten Ebene gemessene Winkel.
Die Radialgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit entlang eines Strahls, der von einem Koordinatenursprung zum betrachteten Objekt zeigt.
Mit diesem Verfahren muss die Querkomponente der Radialgeschwindigkeit nicht mehr mit ungenauen und unzuverlässigen Methoden geschätzt werden, sondern kann direkt aus Azimutwinkel und Radialgeschwindigkeit bestimmt werden. Azimutwinkel und Radialgeschwindigkeit ergeben sich aus der von einem Objekt reflektierten Welle.
Bevorzugt ist die Umfelderfassungseinrichtung an einem Fahrzeug anordenbar, wobei eine Längs- und/oder Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs im Schwerpunktsystem des Fahrzeugs bestimmt wird. Aus der bestimmten Quer- und Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs im Schwerpunktsystem folgt dann ausgehend von trigonometrischen Umformungen der Fahrzeugschwimmwinkel.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Durchführung des Verfahrens eine erfindungsgemäße Umfelderfassungseinrichtung verwendet.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren ausführlich erläutert. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Umfelderfassungseinrichtung in einem Schwerpunktsystem des Fahrzeugs,
3 ein Ausführungsbeispiel zur Darstellung des Fahrzeugschwimmwinkels,
4 ein Ausführungsbeispiel einer Umfelderfassungseinrichtung mit mehreren statischen Zielen und
5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den jeweiligen Figuren werden lediglich die jeweils relevanten Bezugsteile beziffert.
In 1 ist eine Umfelderfassungseinrichtung 20 in Form eines Radarsensors an einer Frontseite eines Straßenfahrzeugs 1 angeordnet. Ein Objekt 3 bewegt sich mit Radialgeschwindigkeit v und erscheint von dem Einbauort der Umfelderfassungseinrichtung 20 aus gesehen unter einem Azimutwinkel θ. Die Radialgeschwindigkeit v ergibt sich aus der Doppler-Verschiebung zwischen der empfangenen und abgestrahlten Radarwelle. Der Azimutwinkel θ kann mittels Beamforming eingestellt werden.
Die Radialgeschwindigkeit v und der Azimutwinkel θ werden über eine Schnittstelle 2 der Vorrichtung 10 in eine Auswerteeinrichtung 4 eingegeben. Die Auswerteeinrichtung 4 bestimmt eine Querbewegung 5 und eine Längsbewegung 6 wie folgt:
Die Radialgeschwindigkeit v, unter der sich das statische Objekt 3 unter dem Azimutwinkel θ aus bewegt, hat im Koordinatensystem mit Ursprung am Einbauort der Umfelderfassungseinrichtung 20 die Fahrzeuglängsgeschwindigkeitskomponente ${\tilde{v}}_{x} = v \cdot cos θ .$
Die Fahrzeugquergeschwindigkeitskomponente ist entsprechend ${\tilde{v}}_{y} = v \cdot sin θ .$
Die Radialgeschwindigkeitskomponenten im Bezugssystem des statischen Objekts 3 gehen aus denen der im Bezugsystem der Umfelderfassungseinrichtung 20 bestimmten Komponenten durch Vorzeichenumkehr hervor.
Erfindungswesentlich ist, dass die Fahrzeugquergeschwindigkeitskomponente ν̃_y aus den Radardaten berechnet wird und zur Bestimmung von weiteren Fahrzeugzustandsgrößen verwendet werden kann.
Die Querbewegung 5 ist durch ${\tilde{v}}_{y} = v \cdot sin θ,$
die Längsbewegung 6 durch ${\tilde{v}}_{x} = v \cdot cos θ$
gegeben.
Damit werden Querbewegung 5 und Längsbewegung 6 simultan gemessen.
Eine Ausgabeschnittstelle 7 gibt die Querbewegung 5 und die Längsbewegung 6 an eine Fahrzeugsteuerungseinrichtung 8 und an ein Anzeigegerät 9 aus.
2 zeigt die Lage des Einbauorts der Umfelderfassungseinrichtung 20 innerhalb des Schwerpunktsystems S des Straßenfahrzeugs 1. Dabei ergibt sich die Fahrzeuglängsgeschwindigkeits- und Fahrzeugquergeschwindigkeitskomponente im Schwerpunktsystem S durch einfache Umformung mittels der Gierrate ψ' aus den entsprechenden Komponenten der Radialgeschwindigkeit des statischen Objekts 3. Bezeichnen Größen mit einer Tilde „∼“ Größen im Bezugssystem der Umfelderfassungseinrichtung 20 und Größen ohne Tilde „∼“ Größen im Schwerpunktsystem S, ergibt sich: ${\tilde{v}}_{x} = v_{x} + a \cdot \dot{ψ}$
$v_{x} = {\tilde{v}}_{x} - a \cdot \dot{ψ}$
$v_{x} = v_{r a d i a l} \cdot cos θ - a \cdot \dot{ψ}$
Dabei ist a der Betrag der y-Koordinate der Umfelderfassungseinrichtung 20 im Schwerpunktsystem S. b ist die x-Koordinate der Umfelderfassungseinrichtung 20 im Schwerpunktsystem S.
ν_x ist die Längsgeschwindigkeit im Schwerpunktsystem des Straßenfahrzeugs 1. Entsprechendes gilt für die Quergeschwindigkeit ν_y .
Sind die Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquergeschwindigkeitskomponenten im Schwerpunktsystem S bekannt, folgt nach einfachem Umformen der Fahrzeugschwimmwinkel β zu $β = arctan (\frac{v_{y}}{v_{x}})$
Der Fahrzeugschwimmwinkel β ist in 3 im Detail dargestellt.
4 zeigt eine Anordnung von mehreren statischen Objekten 3, deren Position die Auswerteeinrichtung 3 jeweils abspeichert. Die Auswerteeinrichtung erzeugt dabei ein Grid 30. Anhand der ermittelten Geschwindigkeiten mehrerer Objekte wird die Genauigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung des Fahrzeugs erhöht.
5 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren. In einem ersten Schritt wird der Azimutwinkel Θ gemessen. Anschließend wird die Radialgeschwindigkeit v gemessen. Natürlich kann hier die Reihenfolge auch umgekehrt werden. Aus diesen Messungen wird die Querbewegung 5 und die Längsbewegung 6 aus Radialgeschwindigkeiten v bestimmt.
Bezugszeichen

10: Vorrichtung
1: Straßenfahrzeug
2: Schnittstelle
3: Objekt
4: Auswerteeinrichtung
5: Querbewegung
6: Längsbewegung
β: Fahrzeugschwimmwinkel
7: Ausgabeschnittstelle
8: Fahrzeugsteuerungseinrichtung
9: Anzeigegerät
20: Umfelderfassungeinrichtung
ψ': Gierrate
S: Schwerpunktsystem
Θ: Azimutwinkel
v: Radialgeschwindigkeit
30: Grid

Claims

Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Fahrdynamik eines Straßenfahrzeuges (1) mit - einer Schnittstelle (2), die eine an einem mit einer Welle angestrahltem Objekt (3) reflektierte Welle als Signal in die Vorrichtung eingibt, - einer Auswerteeinrichtung (4), die ausgebildet ist, in Abhängigkeit dieses Signals zumindest eine Querbewegung des Straßenfahrzeuges (1) zu dem Objekt (3) zu bestimmen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (2) Radarsignale und/oder Lidarsignale in die Vorrichtung eingibt.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) eine Längsbewegung (6) des Straßenfahrzeuges (1) bestimmt.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) eine Quer (5)- und/oder eine Längsgeschwindigkeit (6) des Straßenfahrzeuges (1) bestimmt, vorzugsweise einen Fahrzeugschwimmwinkel (β) in Abhängigkeit von der Quer (5)- und Längsgeschwindigkeit (6).
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Ausgabeschnittstelle (7) aufweist, die die mit der Auswerteeinrichtung (4) bestimmten Größen an eine Fahrzeugsteuerungseinrichtung (8) und/oder an ein Anzeigegerät (9) ausgibt.
Umfelderfassungeinrichtung (20) zum Bestimmen der Fahrdynamik eines Straßenfahrzeuges (1), - wobei die Umfelderfassungeinrichtung (20) eine Welle auf ein Objekt (3) abstrahlt und das Objekt (3) in Abhängigkeit von einer empfangenen, an dem Objekt (3) reflektierten Welle erfasst, - wobei eine Auswerteeinrichtung (4) der Umfelderfassungeinrichtung (20) ausgebildet ist, anhand dieser Erfassung zumindest eine Querbewegung des Straßenfahrzeuges (1) zu dem Objekt zu bestimmen.
Umfelderfassungseinrichtung (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfelderfassungseinrichtung (20) ein Sensor ist, vorzugsweise ein Radar und/oder ein Lidar.
Umfelderfassungeinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswerteeinrichtung (4) anhand einer Gierrate (Ψ') eine Quer (5)- und/oder eine Längsgeschwindigkeit (6) des Straßenfahrzeuges (1) in einem Schwerpunktsystem (S) des Straßenfahrzeuges (1) bestimmbar sind, wobei vorzugsweise die Umfelderfassungeinrichtung (20) anhand der Quer (5)- und Längsgeschwindigkeit (6) einen Fahrzeugschwimmwinkel (β) bestimmt.
Umfelderfassungeinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfelderfassungseinrichtung (20) ein statisches Objekt (3) anhand eines Positionsvergleichs des Objekts (3) mit Positionen weiterer, mit der Umfelderfassungseinrichtung (20) erfassten Objekte (3), erfasst, wobei die Umfelderfassungseinrichtung (20) vorzugsweise erfasste statische Objekte (3) abspeichert.
Umfelderfassungeinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfelderfassungeinrichtung (20) eine Schnittstelle (2) zu einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
Umfelderfassungeinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Umfelderfassungseinrichtung (20) an einem Straßenfahrzeug (1) anordenbar ist.
Verfahren zum Bestimmen der Fahrdynamik eines Straßenfahrzeuges (1) mit den Schritten: - Messen eines Azimutwinkels (Θ), unter dem ein Objekt (3) von einer Umfelderfassungeinrichtung (3) aus erscheint, - Messen der Radialgeschwindigkeit (v), die das Objekt (3) zu der Umfelderfassungeinrichtung (20) aufweist, und - Bestimmen der Quer (5)- und/oder Längskomponente (6) der Radialgeschwindigkeit (v) am Ort der Umfelderfassungeinrichtung (20).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfelderfassungseinrichtung (20) an einem Straßenfahrzeug (1) anordenbar ist, wobei eine Quer (5)- und/oder eine Längsgeschwindigkeit (6) des Straßenfahrzeuges (1) im Schwerpunktsystem (S) des Straßenfahrzeuges (1) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens eine Umfelderfassungseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 11 verwendet wird.