DE102018118020A1

DE102018118020A1 - Lenksysteme und verfahren zum erzeugen eines haptischen drehmomentgefühls

Info

Publication number: DE102018118020A1
Application number: DE102018118020.9A
Authority: DE
Inventors: Jin-woo Lee; Bakhtiar B. Litkouhi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2019-01-31
Also published as: US20190031235A1; CN109305213A; US10272944B2; CN109305213B

Abstract

Verfahren und Systeme zum Erzeugen eines haptischen Drehgefühls für ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug sind vorgesehen. In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Erzeugen eines haptischen Drehmomentgefühls für ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug das Eingeben eines Lenkbefehlsignals durch Manipulieren eines Lenkrads, das an einer Lenksäule des Kraftfahrzeugs angebracht ist. Als Reaktion auf den Lenkbefehl beinhaltet das Verfahren das Ändern einer Ausrichtung von Straßenrädern des Kraftfahrzeugs. Das Verfahren beinhaltet auch das Kommunizieren von Zustandsdaten zu den Straßenrädern an eine Steuerung. Ferner beinhaltet das Verfahren auch das mittels der Steuerung durchgeführte Berechnen einer Drehbeschleunigung der Lenksäule als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellieren einer virtuellen Feder und eines virtuellen Dämpfers, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf Zustandsdaten miteinander verbunden sind. Das Verfahren beinhaltet auch das Aufbringen der Drehbeschleunigung auf die Lenksäule.

Description

EINLEITUNG
Bei einem herkömmlichen Kraftfahrzeug erfolgt das Lenken durch das Einstellen der Ausrichtung der Vorderräder. Das Lenkrad ist über einen Zahnstangenmechanismus mechanisch mit den Straßenrädern gekoppelt, worin die Drehung des Lenkrads durch den Fahrer ein Ritzel dreht, um eine Zahnstange zur Änderung der Ausrichtung der Straßenräder seitlich zu verschieben, d. h. die Straßenräder nach links oder rechts zu schwenken.
Es wurden Systeme entwickelt, welche das mechanische Koppeln zwischen Lenkrad und Straßenrädern eliminieren. Steer-by-Wire-Systeme (SBW) beinhalten typischerweise keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Straßenrädern. Vielmehr verwenden derartige Systeme einen Elektromotor zum Antreiben eines Elements, wie einem Ritzel (im Falle eines auf dem Ritzel montierten elektrischen Hilfsmotors), oder eine Zahnstange (im Falle eines auf dem Ritzel montierten elektrischen Hilfsmotors), um das Element zu verschieben und die Ausrichtung des Straßenrads zu ändern. Lenkbefehle können vom Lenkrad an den Elektromotor übermittelt werden, um die Änderung der Ausrichtung des Straßenrads auszurichten. Lenkbefehle werden typischerweise von einem Fahrer oder bei einer automatisierten Lenkung über ein Lenkrad, ähnlich wie bei mechanischen Lenksystemen, eingegeben. Elektrische Sensoren erkennen die Drehung des Lenkrads und geben ein Signal an eine Steuerung aus, die den Elektromotor betätigt, um die Straßenräder neu auszurichten.
Bei einer mechanischen Lenkung erfährt der Fahrer durch die mechanische Verbindung zwischen den Straßenrädern und dem Lenkrad ein Lenkgefühl oder eine haptische Rückmeldung. Das Lenkgefühl erleichtert die ordnungsgemäße Steuerung des Fahrzeugs, daher ist es wünschenswert, bei Fahrzeugen mit Lenksystemen, in denen das Lenkrad mechanisch von den Straßenrädern entkoppelt ist, ein derartiges Lenkgefühl oder eine haptische Rückmeldung zu geben. Typischerweise kann das Lenkgefühl in derartigen Systemen durch verschiedene Verfahren, wie in einem exemplarischen Fall, durch das Verwenden eines durch einen Riemen und einen Laufrollenmechanismus an die Lenksäule gekoppelten Elektromotors. Als Reaktion auf die Drehung des Lenkrads, um einen Lenkbefehl einzugeben, betätigt die Steuerung den an das Lenkrad gekoppelten Elektromotor, um ein entgegengesetztes Drehmoment auf die Lenksäule auszuüben und so dem Fahrer ein Gefühl des Widerstands zu vermitteln. Der Widerstandsgrad wird von der Steuerung basierend auf anwendbaren Lenkungsparametern, einschließlich Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkradwinkel, Lenkraddrehrate, Gierrate, Zahnstangenlast, Federungsmessungen, Vertikalbeschleunigung und Straßentyp (falls vorhanden) und Querbeschleunigung bestimmt und soll ein ähnliches Gefühl wie bei mechanischen Lenksystemen vermitteln.
Um das Lenkgefühl mechanischer Lenksysteme nachzuahmen, weisen nicht mechanisch gekoppelte Lenksysteme in der Regel komplizierte Modellierungen der Lenk- und Reifendynamiken auf. Ein derartiges Modellieren wendet eine große Anzahl von Tuningparametern an. Dennoch kann sich das Modellieren der exakten Lenk- und Reifendynamiken aufgrund des großen Satzes von Parametern und der Empfindlichkeit gegenüber Straßenstörungen und sonstigen Faktoren als schwierig erweisen.
Dementsprechend ist es wünschenswert, Verfahren zum Erzeugen eines haptischen Drehmomentgefühls für Lenksysteme bereitzustellen, welches das Verwenden großer Sätze von Tuningparametern vermeidet. Ferner ist es wünschenswert, vereinfachte Verfahren zum Generieren eines haptischen Drehmomentgefühls für Lenksysteme bereitzustellen, um das Lenkgefühl herkömmlicher mechanisch gekoppelter Lenksysteme nachzuahmen. Weiterhin werden weitere wünschenswerte Funktionen und Merkmale aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und der Einführung.
KURZDARSTELLUNG
Verfahren und Systeme zum Erzeugen eines haptischen Drehgefühls für ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug sind vorgesehen. In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Erzeugen eines haptischen Drehmomentgefühls für ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug das Eingeben eines Lenkbefehlsignals durch Manipulieren eines Lenkrads, das an einer Lenksäule des Kraftfahrzeugs angebracht ist. Als Reaktion auf den Lenkbefehl beinhaltet das Verfahren das Ändern einer Ausrichtung von Straßenrädern des Kraftfahrzeugs. Das Verfahren beinhaltet auch das Kommunizieren von Zustandsdaten zu den Straßenrädern an eine Steuerung. Ferner beinhaltet das Verfahren auch das mittels der Steuerung durchgeführte Berechnen einer Drehbeschleunigung der Lenksäule als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder und der Reifenkräfte durch Modellieren einer virtuellen Feder und eines virtuellen Dämpfers, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf Zustandsdaten miteinander verbunden sind. Das Verfahren beinhaltet auch das Aufbringen der Drehbeschleunigung auf die Lenksäule.
Das Fahrzeug im exemplarischen Verfahren kann einen Lenkwinkelsensor, einen Motor und einen Straßenradsensor beinhalten, und das Verfahren kann ferner das Folgende beinhalten: Identifizieren des Lenkbefehls mithilfe des Lenkwinkelsensors, wobei der Lenkbefehl vom Lenkwinkelsensor zum Motor übermittelt wird, wobei der Motor die Ausrichtung der Straßenräder des Kraftfahrzeugs ändert und Erhalten der Zustandsdaten der Straßenräder mithilfe des Straßenradsensors.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann das Fahrzeug einen an die Lenksäule gekoppelten haptischen Generator beinhalten, und der haptische Generator kann mittels der Steuerung ausgerichtet sein, die Drehbeschleunigung auf die Lenksäule aufzubringen. Ferner kann der haptische Generator über einen Mechanismus an die Lenksäule gekoppelt sein, und der haptische Generator kann mittels der Steuerung ausgerichtet sein, die Drehgeschwindigkeit durch den Mechanismus auf die Lenksäule aufzubringen.
Darüber hinaus kann das Berechnen der Drehgeschwindigkeit der Lenksäule mittels der Steuerung als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellieren der virtuellen Feder und des virtuellen Dampfers, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf den Zustandsdaten miteinander verbunden sind, das Kalibrieren einer virtuellen Federkonstante und eines virtuellen Dämpfungskoeffizienten beinhalten. Zum Beispiel kann das Berechnen der Drehgeschwindigkeit der Lenksäule mittels der Steuerung als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellieren der virtuellen Feder und des virtuellen Dampfers, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf den Zustandsdaten miteinander verbunden sind, das Kalibrieren einer virtuellen Federkonstante und eines virtuellen Dämpfungskoeffizienten beinhalten, um Lenkradoszillationen zu vermeiden.
Das Berechnen der Drehgeschwindigkeit der Lenksäule mittels der Steuerung als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellieren der virtuellen Feder und des virtuellen Dampfers, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf den Zustandsdaten miteinander verbunden sind, kann das Berechnen der Drehgeschwindigkeit, θ ̈_haptic, gemäß der folgenden Gleichung, beinhalten: $\begin{array}{l} {\ddot{θ}}_{h a p t i c} \\ = - \frac{k_{v i r}}{I_{u p p e r}} (θ_{Z i e l} - θ_{l o w e r} + θ_{u p p e r}) \\ - \frac{c_{v i r}}{I_{u p p e r}} ({\dot{θ}}_{l o w e r} + {\dot{θ}}_{u p p e r}) \end{array}$
wobei: k_vir eine virtuelle Federkonstante ist; c_vir ein virtueller Dämpfungskoeffizient ist; I_upper eine Lenksäulenträgheit ist; und jeder obere θ und jeder θ ̇eine Messung des Lenkrads oder der Lenksäulen ist. Insbesondere ist θ_target der befohlene Lenkwinkel oder der Winkel des Lenkrads; ist θ_lower der Winkel der unteren Lenksäule; ist θ_upper der Winkel der oberen Lenksäule; ist θ ̇̇_lower die Winkelgeschwindigkeit der unteren Lenksäule; und ist θ ̇_upper die Winkelgeschwindigkeit der oberen Lenksäule.
Das Fahrzeug des exemplarischen Verfahrens kann einen Lenkwinkelsensor und einen Straßenradsensor beinhalten und das Verfahren kann das Identifizieren des Lenkbefehls mittels des Lenkwinkelsensors und das Erhalten der Zustandsdaten der Straßenräder mittels des Straßenradsensors beinhalten. Für eine derartige Ausführungsform kann das Berechnen der Drehgeschwindigkeit der Lenksäule mittels der Steuerung als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellieren der virtuellen Feder und des virtuellen Dampfers, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf den Zustandsdaten miteinander verbunden sind, das Berechnen der Drehgeschwindigkeit, θ ̈_haptic, gemäß der folgenden Gleichung, beinhalten: $\begin{array}{l} {\ddot{θ}}_{h a p t i c} \\ = - \frac{k_{v i r}}{I_{u p p e r}} (θ_{Z i e l} - θ_{l o w e r} + θ_{u p p e r}) \\ - \frac{c_{v i r}}{I_{u p p e r}} ({\dot{θ}}_{l o w e r} + {\dot{θ}}_{u p p e r}) \end{array}$
wobei gilt:

k_vir ist eine virtuelle Federkonstante;
c_vir ist ein virtueller Dämpfungskoeffizient;
I_upper ist die Lenksäulenträgheit;
θ_upper ist der Winkel des oberen Lenksäule;
θ ̇_upper ist die Winkelgeschwindigkeit der oberen Lenksäule;
θ_lower ist der Winkel der unteren Lenksäule; und
θ ̇_lower ist die Winkelgeschwindigkeit der unteren Lenksäule.

In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Erzeugen eines haptischen Drehmomentgefühls für ein Lenkradsystem für ein Kraftfahrzeug das Eingeben eines Lenkbefehlsignals durch Manipulieren eines Lenkrads, das an einer Lenksäule des Kraftfahrzeugs angebracht ist. Als Reaktion auf den Lenkbefehl beinhaltet das Verfahren das Ändern einer Ausrichtung von Straßenrädern des Kraftfahrzeugs. Das Verfahren beinhaltet auch das Kommunizieren von Zustandsdaten zu den Straßenrädern an eine Steuerung. Das Verfahren beinhaltet ferner das Berechnen einer Drehbeschleunigung der Lenksäule mittels der Steuerung als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellsystemkomponenten aus Standardlenktests und durch das Abschätzen ausgewählter Parameter des Lenksystems. Das Verfahren beinhaltet auch das Aufbringen der Drehbeschleunigung auf die Lenksäule.
Das Fahrzeug im exemplarischen Verfahren kann einen Lenkwinkelsensor, einen Motor und einen Straßenradsensor beinhalten, und das Verfahren kann ferner das Folgende beinhalten: Identifizieren des Lenkbefehls mithilfe des Lenkwinkelsensors, wobei der Lenkbefehl vom Lenkwinkelsensor zum Motor übermittelt wird, wobei der Motor die Ausrichtung der Straßenräder des Kraftfahrzeugs ändert und Erhalten der Zustandsdaten der Straßenräder mithilfe des Straßenradsensors.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann das Fahrzeug einen an die Lenksäule gekoppelten haptischen Generator beinhalten, und der haptische Generator kann mittels der Steuerung ausgerichtet sein, die Drehbeschleunigung auf die Lenksäule aufzubringen. Ferner kann der haptische Generator über einen Mechanismus, wie einen Riemen und einen Laufrollenmechanismus, in einem exemplarischen Fall gekoppelt sein, und der haptische Generator kann mittels der Steuerung ausgerichtet sein, die Drehgeschwindigkeit durch den Mechanismus auf die Lenksäule aufzubringen.
In einer exemplarischen Ausführungsform beinhalten die ausgewählten Parameter des Lenksystems I_equ, c_equ und k_equ. In einer anderen exemplarischen Ausführungsform werden die ausgewählten Parameter durch Annäherung der ausgewählten Parameter in einem äquivalenten System zweiter Ordnung abgeschätzt. In einer anderen exemplarischen Ausführungsform werden die ausgewählten Parameter in der folgenden Gleichung angenähert: $T_{h a p t i c} = I_{e q u} \ddot{θ} + c_{e q u} \dot{θ} + k_{e q u} θ + T_{E P S} + T_{S e l f A l i g n}$
wobei T_haptic das berechnete Lenkwinkeldrehmoment ist und I_equ, c_equ und k_equ aus experimentellen Datensätzen bestimmt werden. T_EPS ist das Messdrehmoment vom EPS-Motor. T_SelfAlign ist das Selbstausrichtungsdrehmoment des Lenkrads. Es ist eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, des Lenkwinkels und der dynamischen Parameter des Reifens. Aus Parameterschätzungszwecken wird T_SelfAlign aus Fahrzeugtests in verschiedenen Zuständen bestimmt und im Voraus erfasst.
In einer anderen exemplarischen Ausführungsform werden die ausgewählten Parameter in der folgenden Gleichung angenähert: $T_{h a p t i c} = I_{e q u} \ddot{θ} + c_{e q u} \dot{θ} + k_{e q u} θ + T_{E P S} + T_{S e l f A l i g n}$
wobei T_haptic das berechnete Lenksäulendrehmoment ist, und Iequ, cequ and kequ aus experimentellen Datensätzen bestimmt werden; und wobei θ, θ ̇, and θ ̈ Messungen des Lenkrads sind. Insbesondere ist in θ die Winkelstellung des Lenkrads; ist θ ̇ die Winkelgeschwindigkeit des Lenkrads; und ist θ ̈ die Winkelbeschleunigung des Lenkrads.
Ferner verwendet das Verfahren in einer exemplarischen Ausführungsform eine erste Gleichung zum Berechnen der Drehbeschleunigung der Lenksäule bei geringen Drehzahlen und verwendet eine zweite Gleichung zum Berechnen der Drehbeschleunigung der Lenksäule bei hohen Drehzahlen.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, welches Straßenräder und ein Element beinhaltet, das mechanisch an die Straßenränder gekoppelt und verschiebbar ist, um die Ausrichtung der Straßenräder zu ändern. Das exemplarische Lenksystem beinhaltet ein an einer Lenksäule befestigtes Lenkrad, das drehbar ist, um einen Lenkbefehl einzugeben, einen Lenkwinkelsensor zum Identifizieren des Lenkbefehls, einen Motor zum Verschieben des Elements, um die Ausrichtung der Straßenräder zu ändern, einen Straßenradsensor zum Erhalten von Straßenradzustandsdaten, einen haptischen Generator, der an die Lenksäule gekoppelt ist, um eine Drehbeschleunigung darauf anzuwenden, und eine Steuerung zum Erhalten von Lenkbefehlsdaten und der Straßenradzustandsdaten und zum Berechnen der Drehbeschleunigung, die durch Modellieren einer virtuellen Feder und eines virtuellen Dampfers, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf den Zustandsdaten miteinander verbunden sind, oder durch das Modellieren der Systemkomponenten aus Standardlenktests und durch das Abschätzen der ausgewählten Parameter des Lenksystems auf die Lenksäule aufgebracht werden soll.
Figurenliste
Die vorliegende Thematik wird im Folgenden in Verbindung mit den nachstehenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und worin:

1 ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen Ausführungsform eines Fahrzeugs mit einem Lenksystem;
2 ist eine Blockdiagrammdarstellung einer Ausführungsform einer elektronischen Steuereinheit, die zur Verwendung in einem Fahrzeug geeignet ist;
3 ist ein schematisches Diagramm eines Kraftfahrzeugs, das mit einem Lenksystem gemäß den vorliegenden Ausführungsformen versehen ist; und
4 ist ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen des haptischen Drehmomentgefühls für ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung dient lediglich als Beispiel und soll den hierin beanspruchten Gegenstand in keiner Weise einschränken. Wie hierin verwendet, bedeutet das Wort „exemplarisch“ „dient als ein Beispiel, eine Instanz oder Veranschaulichung“. Jede hierin als exemplarisch beschriebene Anwendung ist gegenüber anderen Anwendungen nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft auszulegen. Weiterhin besteht keine Absicht, im vorstehenden technischen Bereich, Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden ausführlichen Beschreibung an eine ausdrücklich oder implizit vorgestellte Theorie gebunden zu sein. Darüber hinaus besteht keinerlei Verpflichtung zur Einschränkung auf eine der im vorstehenden Hintergrund oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellten Theorien.
Die Techniken und Technologien können hierin in Bezug auf die funktionellen und/oder logischen Blockkomponenten und unter Bezugnahme auf symbolische Darstellungen von Vorgängen, Programmverarbeitungen und Funktionen beschrieben werden, die von verschiedenen Computerkomponenten oder Vorrichtungen durchgeführt werden können. Diese Vorgänge, Programme und Funktionen werden zuweilen als Computer-ausgeführt, computerisiert, Software-implementiert oder Computer-implementiert bezeichnet. Es sollte beachtet werden, dass derartige Blockkomponenten aus einer beliebigen Anzahl an Hardware, Software und/oder Firmware-Komponenten aufgebaut sein können, die dafür konfiguriert sind, die spezifischen Funktionen auszuführen. So kann beispielsweise eine Ausführungsform eines Systems oder einer Komponente verschiedene integrierte Schaltungskomponenten, z. B. Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logikelemente, Wertetabellen oder dergleichen, einsetzen, die eine Vielzahl von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuergeräte ausführen können.
Wenn in Software oder Firmware implementiert, sind verschiedene Elemente der hierin beschriebenen Systeme im Wesentlichen die Codesegmente oder Anweisungen, die die verschiedenen Aufgaben ausführen. In bestimmten Ausführungsformen sind die Programm- oder Codesegmente auf einem physischen, prozessorlesbaren Medium gespeichert, bei dem es sich um jedes Medium handeln kann, das in der Lage ist, Informationen zu speichern oder zu übertragen. Beispiele des nicht transitorischen und prozessorlesbaren Mediums beinhalten eine elektronische Schaltung, eine Halbleiterspeichervorrichtung, einen ROM, einen Flash-Speicher, einen löschbaren ROM (EROM), eine Diskette, eine CD-ROM, eine optische Platte, eine Festplatte oder ähnliches.
Der Kürze halber können herkömmliche Techniken im Zusammenhang mit Fahrzeugdesign, Fahrzeugsteuerungssystemen, Lenksystemen, elektrischen und hybriden elektrischen Antrieben, fahrzeugbasierten elektronischen Steuergeräten (ECUs) und fahrzeugbasierten Netzwerkprotokollen und verwandten Architekturen hierin nicht im Detail beschrieben werden. Ferner sollen die in den verschiedenen hierin enthaltenen Figuren gezeigten Verbindungsleitungen exemplarische funktionale Beziehungen und/oder physikalische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen darstellen. Es sollte beachtet werden, dass viele alternative oder zusätzliche funktionale Beziehungen oder physikalische Verbindungen in einer Ausführungsform des Gegenstands vorhanden sein können.
Die vorliegenden Ausführungsformen sehen Verfahren zum Erzeugen eines nachgeahmten haptischen Drehmomentgefühls für Lenksysteme, wie Steer-by-Wire-(SBW)-Systemen, vor. In derartigen Lenksystemen wird das Lenkrad mechanisch von den Straßenrädern entkoppelt. Wenn das Drehmoment der Straßenräder, oder das haptische Drehmomentgefühl auf mechanische Art und Weise an herkömmliche Systeme gekoppelt wird, wird es durch die sich dazwischen befindliche mechanische Verbindung an das Lenkrad übermittelt. Daher besteht der Zweck der vorliegenden Ausführungsformen darin, das haptische Drehmomentgefühl von mechanisch gekoppelten Lenksystemen für mechanisch entkoppelte Lenksysteme nachzubilden.
Die vorliegenden Ausführungsformen erzeugen ein haptisches Drehmomentgefühl für das Lenkrad ohne kompliziertes Modellieren der Lenkungs- und Reifendynamiken. Die meisten herkömmlichen Systeme zum Erzeugen des haptischen Drehmomentgefühls erzeugen das haptische Drehmomentgefühl, das dem Modellieren der Lenkungs- und der Reifendynamiken entspricht. Das Modellieren der exakten Lenkungs- und Reifendynamiken ist in der Praxis aufgrund der großen Sätze von Tuningparametern und der Empfindlichkeit gegenüber Straßenstörungen oder sonstigen anderen Faktoren nicht möglich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen sehen die vorliegenden Ausführungsformen intuitive Tuningverfahren vor, die nur einige Tuningparameter verwenden, die Trägheit, Nachgiebigkeit, und einem Dämpfungskoeffizienten entsprechen. Die verwendeten Tuningparameter können auf einfache Art und Weise ohne ein tiefes Verständnis der Systemdynamiken feingesteuert werden. Ferner sehen die vorliegenden Ausführungsformen ein Nachahmen eines einheitlichen Lenkgefühls für eine Vielzahl von Lenkgefühlen, wie Rückstellverhalten, Endanschlag, variables Drehmoment, vor. Die vorliegenden Ausführungsformen stellen für den Fahrzeugführer eine Anpassungsfähigkeit mit unterschiedlichen Lenkgefühlnachahmungsmodi, wie verschiedene erwünschte Niveaus eines gleichmäßigen und eines straffen Lenkgefühls vor.
In einer Ausführungsform modelliert ein Verfahren zum Erzeugen des haptischen Drehmomentgefühls ein haptisches Drehmomentgefühl, als ob die Lenksäule physikalisch durch eine virtuelle Feder oder einen virtuellen Dämpfer mit der unteren Säule verbunden sei. Ein derartiges Verfahren stellt daher das Verwenden einer virtuellen Federkonstante und eines virtuellen Dämpferkoeffizienten vor, um die Drehbeschleunigung einer Lenksäule im Hinblick auf den gegebenen Lenkradwinkel und die Straßenradwinkelmessungen zu berechnen.
In einer anderen Ausführungsform modelliert ein Verfahren zum Erzeugen des haptischen Drehmomentgefühls ein haptisches Drehmomentgefühl, als ob die Lenksäule durch Verwenden von Systemkomponenten, die aus Standardlenktests der ausgewählten Parameter, die aus den Standardlenktests abgeschätzt werden, physikalisch mit der unteren Säule verbunden wäre.
1 ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen Ausführungsform eines Fahrzeugs 100 mit einem Lenksystem; Während das veranschaulichte Fahrzeug 100 für einen elektrischen Betrieb ausgestattet werden kann, sind Lenksysteme für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren ebenfalls denkbar. Das Fahrzeug 100 kann ein Fahrzeug mit Frontantrieb, ein Fahrzeug mit Heckantrieb, ein Fahrzeug mit Allradantrieb oder dergleichen sein. Die in 1 veranschaulichte nicht einschränkende Ausführungsform stellt ein Fahrzeug mit Frontantrieb dar. Das Fahrzeug 100 kann, ohne Einschränkung, folgendes beinhalten: Straßenräder 102; mindestens eine Antriebsachse 104; ein Antriebssystem 106; ein Elektromotor/Generator (MOGEN) 108; ein Energiespeichersystem (ESS) 110 für das Antriebssystem 106; ein computer- oder prozessorbasiertes Steuerungssystem 112; eine Anzahl an Fahrzeugsensoren 114; ein Reibungsbremssystem 116; ein Gaspedal 118; und ein Bremspedal 120. Das Lenksystem des Fahrzeugs 100 kann als Kombination verschiedener Hardware-, Steuerungs- und computerausführbarer Codeelemente an Bord des Fahrzeugs 100 implementiert oder realisiert werden. So kann beispielsweise das Lenksystem ohne Einschränkung einige oder alle der folgenden Punkte beinhalten oder mit ihnen zusammenwirken: eine oder mehrere Antriebsachsen 104, das Antriebssystem 106, der Elektromotor 108, die Steuerung 112, ein oder mehrere der Sensoren 114 und das Reibungsbremssystem 116.
1 verdeutlicht das Fahrzeug 100 in stark vereinfachter Form. Es sollte beachtet werden, dass eine praktische Ausführungsform des Fahrzeugs 100 viele zusätzliche Komponenten, Subsysteme und Elemente beinhaltet, die zusammenwirken, um eine Vielzahl von herkömmlichen und gewöhnlichen Merkmalen und Funktionen bereitzustellen. Aus Gründen der Kürze und Klarheit werden hier herkömmliche Aspekte des Fahrzeugs 100 (die unwichtig sein können oder nicht mit dem offenbarten Gegenstand in Zusammenhang stehen) nicht näher beschrieben.
Das Antriebssystem 106 liefert Zugkraft an die Antriebsachse(n) 104. Das Antriebssystem 106 kann, ohne Einschränkung, ein Getriebe, einen Drehmomentwandler und einen Verbrennungsmotor (für HEV- oder Plug-in-HEV-Fahrzeuge) beinhalten. Zur besseren Veranschaulichung sind diese Komponenten in 1 nicht dargestellt. Das Antriebssystem 106 ist in geeigneter Weise für das Zusammenwirken mit dem Motor 108 und dem ESS 110 ausgelegt und gesteuert, so dass die Straßenräder 102 (z. B. die vorderen Antriebsräder in diesem Beispiel) vom Motor 108 mit der im ESS 110 gespeicherten elektrischen Energie angetrieben werden können. Der Motor 108, das ESS 110 und/oder andere Merkmale und Funktionen des Fahrzeugs 100 werden über die Steuerung 112 gesteuert.
Das Steuerungssystem 112, das mit einem oder mehreren elektronischen Steuerungsmodulen an Bord realisiert werden kann, ist als regeneratives Steuerungssystem für das Fahrzeug 100 konfiguriert. In bestimmten Ausführungsformen ist die Funktionalität des Steuerungssystems 112 auf eine Vielzahl von physikalisch unterschiedlichen elektronischen Steuerungsmodulen des Fahrzeugs 100 verteilt. So kann beispielsweise das Steuerungssystem 112 ohne Einschränkung eines oder mehrere der folgenden umfassen oder mit diesen zusammenwirken: ein zentrales Steuerungsmodul, ein Motorsteuerungsmodul, ein Getriebesteuerungsmodul, ein Wechselrichtermodul, ein Bremssteuerungsmodul, ein Karosseriesteuerungsmodul, ein Antriebsstrangsteuerungsmodul und ein Batteriesteuerungsmodul. Diese und möglicherweise weitere Module beinhalten die Steuerlogik und die Funktionsfähigkeiten, die notwendig sind, um das Fahrzeug 100 in der gewünschten Weise zu betreiben. Die Steuerung 112 kann, wenn sie auf diese Weise konfiguriert ist, die übergeordnete Steuerung und Koordination einiger oder aller der vorstehend genannten Module übernehmen. Der Einfachheit halber wird das Steuerungssystem 112 als ein einzelner Block dargestellt, wobei auch separate, getrennte Komponenten in einer Ausführungsform des Fahrzeugs 100 eingesetzt werden können. In bestimmten Ausführungsformen kann das Steuerungssystem 112 konfiguriert werden, um einen Teil oder die gesamte Funktionalität des im Folgenden näher beschriebenen Instrumentenanzeigesystems bereitzustellen oder zu unterstützen.
Das Steuerungssystem 112 (und jedes einzelne Steuermodul an Bord des Fahrzeugs 100) kann als universeller digitaler Computer konfiguriert werden, der im Allgemeinen einen Mikroprozessor, eine zentrale Verarbeitungseinheit oder eine andere Form von Prozessoreinheit, einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, eine Analog-Digital- (A/D) und eine Digital-Analog-Schaltung (D/A) sowie eine Ein-/Ausgabeschaltung beinhaltet. Jeder Satz von Algorithmen, der in der Steuerung 112 (und jedem einzelnen Steuermodul an Bord des Fahrzeugs 100) untergebracht oder zugänglich ist, kann im ROM gespeichert und bei Bedarf ausgeführt werden, um die entsprechenden Funktionen zu implementieren.
Das ESS 110 kann als eine oder mehrere Batterien konfiguriert werden, wobei andere elektrische und/oder elektrochemische Energiespeicher, die elektrische Energie speichern und abgeben können, hier verwendet werden können. Die Größe des ESS 110 kann basierend auf Faktoren, wie Regenerativbremsanforderungen, Anwendungsfragen in Bezug auf typische Straßenqualität und -temperatur sowie Antriebsanforderungen wie Emissionen, Leistungsunterstützung und elektrische Reichweite, bestimmt werden. Im Allgemeinen handelt es sich beim ESS 110 um eine relativ hochspannungsfähige Gleichstrom-(DC)-Vorrichtung, die über eine ausreichend konstruierte und geführte Gleichstromverkabelung mit einem Wechselrichtermodul (nicht dargestellt) gekoppelt ist.
Der elektrische Motor 108 ist mechanisch mit mindestens einem der Straßenräder 102 gekoppelt und elektrisch mit dem ESS 110 gekoppelt. Der elektrische Motor 108 kann wahlweise als Energieversorger oder als Stromgenerator betrieben werden. Beim Betrieb als Elektromotor oder Stromversorger versorgt der Motor 108, der je nach Ausführung des Fahrzeugs 100 als Einzel- oder Mehrfacheinheit ausgeführt werden kann, das Antriebssystem 106 mit Strom. Beim Betrieb als Generator empfängt der Motor 108 elektrische Energie aus dem Antriebssystem 106. In diesem Zusammenhang ist die Steuerung 112 angepasst, um elektrische Energie vom Motor 108 zum ESS 110 zu leiten oder zu verteilen, um das ESS 110 aufzuladen, und/oder um die elektrische Energie vom ESS 110 auf eine andere elektrische Leistungseinheit (nicht dargestellt) zu verteilen, die zu diesem Zeitpunkt als Elektromotor betrieben wird.
Das Fahrzeug 100 beinhaltet ein herkömmliches elektromechanisches oder hydraulisches Reibungsbremssystem 116, bei dem ein fluidbetätigter Belag- und/oder Trommelbremsmechanismus verwendet wird, der in der Nähe jedes Straßenrades 102 positioniert ist. Das Reibungsbremssystem 116 liefert ein Reibungsbremsmoment, das durch ein elektronisches/regeneratives Bremsmoment ergänzt werden kann. Wenn ein Fahrer oder Betreiber des Fahrzeugs 100 ein Bremspedal 120 betätigt, um dadurch eine Kraft und einen Fahrweg einzugeben, die ein fahrergesteuertes Gesamtbremsmoment beschreiben, bremst das Reibungsbremssystem 116 das Fahrzeug 100 über eine Kombination aus Reibungsbremsmoment und regenerativem Bremsmoment (falls vorhanden).
Weiterhin unter Bezugnahme auf 1 ist das Fahrzeug 100 auch mit verschiedenen Sensoren 114 ausgestattet, die Informationen (hierin als Fahrzeugzustandsdaten bezeichnet) über den aktuellen Betriebszustand oder Zustand des Fahrzeugs 100 erfassen oder erhalten. Sie können beispielsweise die Sensoren 114 Raddrehzahlsensoren beinhalten, welche die Raddrehzahl und die Radschlupfdaten messen (die Fahrzeuggeschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung kann von der Steuerung 112 basierend auf den Raddrehzahldaten berechnet werden). Die Sensoren 114 können auch Sensoren beinhalten, welche die Position und/oder den Verfahrweg des Bremspedals 120 und des Gaspedals 118 erfassen. Die Sensoren 114 können auch Sensoren beinhalten, die den aktuellen Ladezustand des ESS 110, die Lade- und/oder Entladeleistung des ESS 110 zu einem bestimmten Zeitpunkt und die Temperatur des ESS 110 zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen. Während des Betriebs des Fahrzeugs 100 empfängt das Steuerungssystem 112 Echtzeit-Fahrzeugstatusdaten über Eingangssignale, die den verschiedenen Sensoren 114 entsprechen, die an verschiedenen Positionen im Fahrzeug 100 eingesetzt werden können. Die Sensordaten können mit einer beliebigen Abtastrate erfasst und verarbeitet werden, z. B. einmal alle 10 Millisekunden.
Wie bereits erwähnt, kann das Steuerungssystem 112 und andere funktionelle Module des Fahrzeugs 100 mit einer oder mehreren ECUs implementiert werden. So kann das Fahrzeug 100 beispielsweise ohne Einschränkung beliebige oder alle der folgenden ECUs beinhalten: Karosseriesteuerungsmodul; Zentralstapelmodul; Speichersitzmodul; Instrumententafel-Cluster-Modul; Rücksitz-Entertainmentmodul; Heckklappenmodul; Verstärkermodul; Übertragungsmodul; Klimakontroll-(HVAC)-Modul; und ein Motorsteuermodul. In diesem Zusammenhang ist 2 eine Blockdiagrammdarstellung einer Ausführungsform eines ECU 200, das zur Verwendung im Fahrzeug 100 geeignet ist. Obwohl eine ECU 200 die hierin gezeigte Instrumentierung und die hierin gezeigten Funktionen verwalten kann, können verschiedene Ausführungsformen eine Vielzahl von ECUs 200 einsetzen, um die Funktionen in einer zusammenwirkenden und verteilten Weise zu unterstützen. Die veranschaulichte Ausführungsform der ECU 200 beinhaltet im Allgemeinen ohne Einschränkung: mindestens eine Prozessorvorrichtung 202; mindestens eine computerlesbare Speichervorrichtung oder ein Speichermedium 204; und ein Eingabe/Ausgabe-Modul 206 (wie z. B. ein geeignet konfigurierter Sendeempfänger). In der Praxis kann die ECU 200 zusätzliche Elemente, Geräte und Funktionsmodule beinhalten, die zusammenwirken, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen.
Die Prozessorvorrichtung 202 ist in der Lage, die in dem computerlesbaren Speichermedium 204 gespeicherten vom Prozessor ausführbaren Anweisungen auszuführen, worin die Anweisungen die ECU 200 dazu veranlassen, die verschiedenen Prozesse, Operationen und Funktionen, für die dieselbe verantwortlich ist, auszuführen. In der Praxis kann die Prozessorvorrichtung 202 als ein Mikroprozessor, eine Anzahl an diskreten Prozessorvorrichtungen, einen inhaltsadressierbaren Speicher, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, eine feldprogrammierbare Gate-Anordnung, eine geeignete programmierbare Logikvorrichtung, eine diskrete Gate- oder Transistorlogik, diskret Hardware-Komponenten oder eine beliebige Kombination derselben implementiert sein, um die gewünschten Funktionen auszuführen.
Das Speichermedium 204 (und/oder jede allgemeine Speichervorrichtung oder jedes Speicherelement) kann verwendet werden, um Programmcode zu speichern, der ein Betriebssystem, einen Boot-Loader oder ein BIOS für die ECU 200 definiert. Darüber hinaus kann das Speichermedium 204 einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff beinhalten, der als temporärer Datenspeicher für die Prozessorvorrichtung 202 dient. Hierzu kann die Prozessorvorrichtung 202 auf das Speichermedium 204 schreiben und je nach Bedarf aus demselben lesen, um den Betrieb der ECU 200 zu unterstützen.
Das Eingabe/Ausgabe-Modul 206 kann unter Verwendung von Software, Firmware, Hardware, Verarbeitungslogik oder einer geeigneten Kombination derselben realisiert werden. In bestimmten exemplarischen Ausführungsformen ist das Eingabe/Ausgabe-Modul 206 in geeigneter Weise konfiguriert, um die Datenkommunikation zwischen der ECU 200 und anderen Modulen, ECUs, Sensoren oder Geräten an Bord des Trägerfahrzeugs 100 zu unterstützen. Das Eingabe/Ausgabe-Modul 206 kann zudem so ausgelegt sein, dass es die Datenkommunikation mit externen Geräten oder Quellen unterstützt. Zum Beispiel um Ausgabedaten von „externen“ Sensoren zu empfangen, die ansonsten nicht mit dem Kommunikationsnetzwerk an Bord des Fahrzeugs 100 gekoppelt sind.
3 ist eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 100, das ein Lenksystem 12 veranschaulicht, das wahlweise im Steer-by-Wire-(SBW)-Modus oder im elektrischen Servolenkungs-(EPS)-Modus betrieben werden kann. Wie dargestellt, beinhaltet das Fahrzeug 100 ein Lenkrad 14, das an einer Lenksäule 16 zum Eingeben eines Steuerbefehls angebracht und drehbar ist, wie durch einen Fahrzeugführer oder ein Steuerbefehl im Falle einer automatischen Lenkung. Ferner beinhaltet das Fahrzeug 100 einen Winkelsensor 18, der konfiguriert ist, einen Winkel, eine Drehgeschwindigkeit und/oder Drehbeschleunigung des Lenkrads 14 zu messen. Der Winkelsensor 18 ist Teil der Fahrzeugsensoren 114 aus 1. Der Winkelsensor 18 kann einen Transceiver zum Übertragen des Winkels, der Drehgeschwindigkeit und/oder der Drehbeschleunigung des Lenkrads 14 als Lenkbefehl beinhalten.
Wie weiterhin dargestellt, beinhaltet das exemplarische Fahrzeug 100 eine untere Säule 20, die an ein Element 22, wie einer Zahnstange, gekoppelt ist, das mechanisch an die Straßenräder 102 gekoppelt ist und seitlich verschiebbar ist, um die Ausrichtung der Straßenräder 102 zu ändern. Das Fahrzeug 100 kann ferner einen Straßenradsensor 25 beinhalten, der die Ausrichtung oder den Winkel und die Drehgeschwindigkeit oder die Drehbeschleunigung der Straßenräder 102 erfasst und der dann ein Straßenradsignal bereitstellen kann, das eine Ausrichtung, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Straßenrads angibt. Der Straßenradsensor 25 ist Teil der Fahrzeugsensoren 114 aus 1. Der Straßenradsensor 25 kann einen Transceiver zum Übermitteln der Ausrichtung, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Straßenräder 102 als ein Signal als Reaktion auf einen Lenkbefehl beinhalten.
Das exemplarische Fahrzeug 100 beinhaltet auch einen Motor 26, der an das Element 22 zum seitlichem Verschieben des Elements 22 als Reaktion auf den Lenkbefehl gekoppelt ist. Zur Aufnahme des Lenkbefehlssignals vom Winkelsensor 18 kann eine vom Motor 26 unabhängige oder in diesen integrierte Steuerung 28 vorgesehen werden.
Wie ferner veranschaulicht, beinhaltet das exemplarische Fahrzeug 100 einen Elektromotor oder einen haptischen Generator 30 beinhaltet, der durch einen Riemen und einen Laufrollenmechanismus 32 mechanisch an die Lenksäule 16 gekoppelt ist. Ein exemplarischer haptischer Generator 30 beinhaltet eine Steuerung zum Erhalten des Straßenradsignals von dem Straßenradsensor 25 zum Anweisen des haptischen Generators 30, ein haptisches Drehmoment auf die Lenksäule 16, die das Drehmoment der Straßenräder 102 angibt, aufzubringen.
In 3 ist die Lenksäule 16 nicht mechanisch mit der unteren Säule gekoppelt. 20. Vielmehr werden eine virtuelle Feder und ein virtueller Dämpfer als virtueller Kasten 40 zum Bereitstellen einer virtuellen Verbindung veranschaulicht, d. h. einer nicht mechanischen Verbindung zwischen der Lenksäule 16 und der unteren Säule 20. Um das haptische Drehmomentgefühl an der Lenksäule 16 und dem Lenkrad 14 zu erzeugen, berechnet das haptische Stellglied 30 das haptische Drehmomentgefühl basierend auf Feder- und Dämpferparametern.
Zum Beispiel verwendet das Verfahren das haptische Stellglied 30, um ein haptisches Drehmomentgefühl der Lenkung zu erzeugen, um die mechanische Verbindung zwischen der Lenksäule 16 und der unteren Säule 20 nachzuahmen. Das haptische Stellglied 30 wendet das haptische Drehmomentgefühl an, d. h. es wendet ein Drehmoment auf die Lenksäule 16 derart an, als ob die Lenksäule 16 mit der unteren Säule 20 physikalisch durch ein Feder- und Dämpfersystem, das durch die virtuelle Box 40 modelliert wird, verbunden sei.
Zum Beispiel erzeugt das haptische Stellglied die Drehbeschleunigung der Lenksäule, θ ̈_haptic, gemäß der folgenden Gleichung: $\begin{array}{l} {\ddot{θ}}_{h a p t i c} \\ = - \frac{k_{v i r}}{I_{u p p e r}} (θ_{Z i e l} - θ_{l o w e r} + θ_{u p p e r}) \\ - \frac{c_{v i r}}{I_{u p p e r}} ({\dot{θ}}_{l o w e r} + {\dot{θ}}_{u p p e r}) \end{array}$
wobei die Feinsteuerungsvariable k_vir eine virtuelle Federkonstante ist und die Feinsteuerungsvariable c_vir ein virtueller Dämpfungskoeffizient ist. Ferner ist I_upper die Lenksäulenträgheit, die ein bekannter Parameter ist. Darüber hinaus sind sowohl θ als auch θ ̇ eine Messung des Lenkrads oder der Lenksäulen.
Insbesondere ist θ_lower der Winkel der unteren Lenksäule; ist θ_upper der Winkel der oberen Lenksäule; ist θ_target der befohlene Lenkwinkel, d. h. die Lenkeingabe des Fahrzeugführers oder ein Zielsteuerbefehl für automatisches Lenken; ist θ ̇_lower die Winkelgeschwindigkeit der unteren Lenksäule; und ist θ ̇_upper die Winkelgeschwindigkeit der oberen Lenksäule. Für die Gleichung sind die virtuelle Federkonstante, k_vir, und der virtuelle Dämpfungskoeffizient, c_vir, als das kritisch gedämpfte System oder das übergedämpfte System kalibriert. Infolgedessen können Lenkradoszillationen vermieden werden.
Demnach verwendet die Gleichung, die eine virtuelle Feder- und eine virtuelle Dämpferanordnung verwendet, nur zwei Feinsteuerungsvariablen: die virtuelle Federkonstante k_vir und den virtuellen Dämpfungskoeffizienten c_vir, und verwendet (für jedes gegebene Fahrzeug) einen bekannten Parameter der Lenksäulenträgheit Iupper. Ferner misst die Gleichung, die eine virtuelle Feder- und eine virtuelle Dämpferanordnung modelliert, nur fünf sich ändernde Echtzeitzustände: die Winkelstellung der oberen Lenksäule θ_upper; die Winkelstellung der unteren Lenksäule θ_lower, den befohlenen Lenkwinkel θ_target; die Drehgeschwindigkeit der oberen Lenksäule θ ̇_upper; und die Drehgeschwindigkeit der unteren Lenksäule (θ ̇_lower.
Da es nur zwei Feinsteuerungsvariablen, einen bekannten Parameter, und fünf gemessene Zustände gibt, erzeugt die Gleichung trotzdem eine Drehbeschleunigung der Lenksäule, die ein konventionelles System, in dem das Lenkrad mechanisch an die Straßenräder gekoppelt ist, nachahmt. Ferner sieht die Gleichung eine einfache Modifizierung vor, um die erwünschten Fahrbedingungen, wie ein straffes Lenkgefühl oder ein gleichmäßiges Lenkgefühl nachzuahmen, indem eine oder beide der Feinsteuerungsvariablen, d. h. die virtuelle Federkonstante kvir und/oder der virtuelle Dämpfungskoeffizienten cvir jeweils angepasst werden.
In einer anderen Ausführungsform verwendet der Kasten 40 einen virtuellen Dynamikkasten, um eine direkte mechanische Verbindung zwischen der Lenksäule 16 und der unteren Säule 20 nachzuahmen. Zum Beispiel ahmt ein Algorithmus die bekannten Dynamiken der mechanischen Komponenten von herkömmlichen Lenksystemen nach. Herkömmliche Lenksysteme weisen viele mechanische Komponenten (Getriebebaugruppen, Scharniere, Torsionsstab, Reifen, Motor, und dergleichen) auf, die Nachgiebigkeit, Dämpfung, und Nichtlinearität entlang der Lenksäule 16 erzeugen. In einer exemplarischen Ausführungsform werden diese Komponenten aus der Systemidentifikation modelliert. Ferner werden andere ausgewählte Parameter abgeschätzt.
In dieser Ausführungsform verwendet die Gleichung zum Nachahmen des haptischen Drehmomentgefühls die bekannten Dynamiken der mechanischen Komponenten eines herkömmlichen Lenksystems. Nicht modellierte Dynamiken werden als ein äquivalentes System zweiter Ordnung, wie das aus der folgenden Gleichung, angenähert: $T_{h a p t i c} = I_{e q u} \ddot{θ} + c_{e q u} \dot{θ} + k_{e q u} θ + T_{E P S} + T_{S e l f A l i g n}$
Wobei T_haptic das berechnete Lenkwinkeldrehmoment ist und I_equ, c_equ und k_equ aus experimentellen Datensätzen bestimmt werden. Zur Parameterabschätzung des Lenksystems werden große Datensätze aus einem Satz von Standard-Lenktests, die θ; θ ̇; θ ̈, v_x, und T_haptic messen können, gesammelt. Ein Verfahren zum Hindurchlegen einer Kurve kann dann angewandt werden, um Iequ, cequ und kequ zu finden. T_SelfAlign ist ein abgeschätzter Drehmomentwert, der basierend auf Tests ermittelt und im Voraus aufgezeichnet werden kann und der in Form einer Nachschlagetabelle aus vorhergehenden Tests bereitgestellt werden kann. T_EPS wird gemessen. Das äquivalente dynamische Modell kann eingestellt werden, um mit dem Fahrzeugdesignkonzept und der Präferenz des Fahrzeugführers übereinzustimmen. Zum Beispiel kann I_equ erhöht werden, um ein straffes Lenkgefühl nachzuahmen, kann k_equ erhöht werden, um ein schnelles Ansprechen nachzuahmen, und kann c_equ erhöht werden, um ein gleichmäßiges Lenkgefühl nachzuahmen. Nachdem das äquivalente Modell gefunden worden ist, erzeugt das haptische Stellglied das Lenksäulendrehmoment, T_haptic.
Ferner kann das äquivalente Modell in dieser Ausführungsform in verschiedene Gleichungen, die von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängen, getrennt werden. Zum Beispiel weisen die Reifeneigenschaften bei kleineren Geschwindigkeiten einen höheren Einfluss auf das Lenkgefühl auf. Demnach können die Konstanten in der Gleichung basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit geändert werden. In einer exemplarischen Ausführungsform lautet eine Gleichung für eine niedrige Geschwindigkeit wie folgt: $T_{h a p t i c} = I_{l o w} \ddot{θ} + c_{l o w} \dot{θ} + k_{l o w} θ + T_{E P S} + T_{S e l f A l i g n}$
Eine Gleichung für eine hohe Geschwindigkeit lautet wie folgt: $T_{h a p t i c} = I_{h g} \ddot{θ} + c_{h g} \dot{θ} + k_{h g} θ + T_{E P S} + T_{S e l f A l i g n}$
Das Erzeugen eines haptischen Gefühls kann ferner durch Hinzufügen von Straßenoberflächeninformationen, wie der Querneigung einer Fahrbahn, Straßenbaumaterialien (das heißt Beton, Asphalt, Kies, usw.), Fahrbahnzustand (d. h. nass, mit Glatteis, usw.) aus den Karten- und Oberflächenerfassungsmodulen, die an anderer Stelle in dem Fahrzeug bereitgestellt werden, verbessert werden. Darüber hinaus können auch Sensoren in dem Aufhängungssystem, wie Höhensensoren in den Reifen, wie Drucksensoren und Raddrehzahlsensoren verwendet werden, um das nachgeahmte Lenkgefühl zu verbessern.
4 ist ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Ausführungsform eines Fahrzeuglenkverfahrens 300 veranschaulicht. Das Verfahren 300 kann durchgeführt werden, um das Fahrzeug mit ausgewähltem haptischem Lenkdrehmomentgefühl, mit dem das Lenkrad versehen ist, zu steuern. Das Verfahren 300 kann das Eingeben eines Lenkbefehlssignals bei Vorgang 302 beinhalten. Zum Beispiel kann ein Fahrzeugführer oder ein Steuerbefehl das Lenkrad, das an einer Lenksäule des Kraftfahrzeugs in einem erwünschten Winkel angebracht ist manipulieren.
Das Verfahren 300 beinhaltet ferner das Erhalten von Lenkraddaten bei Vorgang 304. Zum Beispiel kann ein Lenkradsensor den Winkel eines Lenkrads, die Drehgeschwindigkeit des Lenkrads, die Drehbeschleunigung des Lenkrads oder sonstige ausgewählte Daten identifizieren.
Bei Vorgang 306 beinhaltet das Verfahren das Übermitteln der Lenkraddaten. In einer exemplarischen Ausführungsform kann der Lenkradsensor, oder eine daran gekoppelte Steuerung einem Motor, oder einer an die Straßenräder gekoppelten Motorsteuerung die Lenkraddaten übermitteln.
Das Verfahren 300 beinhaltet das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder bei Vorgang 308 als Reaktion auf das Erhalten der Lenkraddaten. In einer exemplarischen Ausführungsform verschiebt ein Motor ein auf mechanische Art und Weise an die Straßenräder gekoppeltes Element seitlich, um die Ausrichtung der Straßenräder zu ändern.
Ferner beinhaltet das Verfahren 300 das Erhalten der Straßenradzustandsdaten bei Vorgang 310. Zum Beispiel kann ein Straßenradsensor verschiedene Eigenschaften der Straßenräder und des Fahrzeugs, wie die Winkelausrichtung der Straßenräder, die Winkelgeschwindigkeit, die Winkelbeschleunigung, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Zahnstangenlast, und dergleichen überwachen.
Bei Vorgang 312 werden die Straßenraddaten übermittelt. Insbesondere werden die Straßenraddaten von dem Straßenradsensor, oder von einer daran gekoppelten Steuerung an eine Lenksystemsteuerung übermittelt.
Die Lenksystemsteuerung verwendet dann die Lenkraddaten und die Straßenraddaten, um eine angemessene Drehbeschleunigung, die auf die Lenksäule bei Vorgang 314 aufgebracht werden soll, zu berechnen. Eine derartige Berechnung kann unter Verwendung einer Berechnung hinsichtlich der virtuellen Feder und des virtuellen Dämpfers oder unter Verwendung einer Berechnung zum Nachahmen der bekannten Dynamiken der mechanischen Komponenten der herkömmlichen Lenksysteme, wie oben beschrieben, durchgeführt werden.
Das Verfahren 300 wendet die Drehbeschleunigung auf die Lenksäule bei Vorgang 316 an. Zum Beispiel kann ein haptischer an die Lenksäule gekoppelter Generator durch die Steuerung angeleitet werden, die berechnete Drehbeschleunigung auf die Lenksäule anzuwenden.
Nach Vorgang 302 können die verschiedenen in Verbindung mit dem Verfahren 300 durchgeführten Aufgaben durch die Software, die Hardware, die Firmware, oder eine beliebige Kombination dieser, ausgeführt werden. Zur Veranschaulichung kann sich die folgende Beschreibung des Verfahrens 300 auf die oben in Verbindung mit den 1-3 erwähnten Elemente beziehen. Es ist darauf hinzuweisen, dass das Verfahren 300 eine jede beliebige Anzahl an zusätzlichen oder alternativen Aufgaben beinhalten kann, und dass die in 4 dargestellten Aufgaben nicht in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, und dass das Verfahren 300 in eine umfassendere Prozedur oder ein Verfahren mit zusätzlicher Funktionalität integriert werden kann, die hier nicht ausführlich beschrieben wird. Darüber hinaus können eine oder mehrere in 4 dargestellte Aufgaben in einer Ausführungsform des Verfahrens 300 weggelassen werden, solange die beabsichtigte Gesamtfunktionalität intakt bleibt.
Wie hierin beschrieben sind Verfahren zum Erzeugen des haptischen Drehmomentgefühls für ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Die hierin beschriebenen Verfahren vermeiden das Verwenden komplizierter Modellierungen der Lenk- und Reifendynamiken. Vielmehr sehen die hierin beschriebenen Verfahren ein Nachahmen durch ein virtuelles Feder- und virtuelles Dämpfersystem oder durch das selektive Modellieren und das Abschätzen der Tuningparameter vor. Dadurch werden die Verfahren zum Erzeugen des haptischen Drehmomentgefühls für ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug vereinfacht, um das Feinsteuern für die Präferenzen des Fahrzeugführers zu vereinfachen, während mechanisch gekoppelte Lenksysteme nach wie vor nachgeahmt werden.
Während mindestens ein exemplarischer Aspekt in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt worden ist, sollte daraufhingewiesen werden, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Es versteht sich weiterhin, dass der exemplarische Aspekt bzw. die exemplarischen Aspekte lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration des offenbarten Gegenstands in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird die vorstehende ausführliche Beschreibung den Fachleuten eine bequeme Roadmap zur Implementierung eines exemplarischen Aspekts des Gegenstands zur Verfügung stellen. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, die in einem exemplarischen Aspekt beschrieben sind, ohne vom Umfang des Gegenstands abzuweichen, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines haptischen Drehmomentgefühls für ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Eingeben eines Lenkbefehlsignals durch Manipulieren eines auf eine Lenksäule des Kraftfahrzeugs befestigten Lenkrads; als Reaktion auf den Lenkbefehl, das Ändern einer Ausrichtung der Straßenräder des Kraftfahrzeugs; Übermitteln der Zustandsdaten der Straßenräder an eine Steuerung; Berechnen einer Drehbeschleunigung der Lenksäule mit der Steuerung als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellieren einer virtuellen Feder und eines virtuellen Dämpfers, der zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf den Zustandsdaten miteinander verbunden sind; und Anwenden der Drehbeschleunigung an der Lenksäule.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug einen Lenkwinkelsensor, einen Motor, und einen Straßenradsensor beinhaltet und wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Identifizieren des Lenkbefehls mit dem Lenkwinkelsensor; Kommunizieren des Lenkbefehls vom Lenkwinkelsensor zum Motor, wobei der Motor die Ausrichtung der Straßenräder des Fahrzeugs ändert; und Erhalten der Zustandsdaten der Straßenräder mithilfe des Straßenradsensors.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug einen haptischen Generator beinhaltet, der direkt oder indirekt an die Lenksäule gekoppelt ist, wobei der haptische Generator durch die Steuerung angewiesen ist, die Drehbeschleunigung auf die Lenksäule anzuwenden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der Drehgeschwindigkeit der Lenksäule mittels der Steuerung als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellieren der virtuellen Feder und des virtuellen Dämpfers, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf den Zustandsdaten miteinander verbunden sind, das Kalibrieren einer virtuellen Federkonstante eines virtuellen Dämpfungskoeffizienten umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der Drehgeschwindigkeit der Lenksäule mittels der Steuerung als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellieren der virtuellen Feder und des virtuellen Dämpfers, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf den Zustandsdaten miteinander verbunden sind, das Kalibrieren einer virtuellen Federkonstante eines virtuellen Dämpfungskoeffizienten umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der Drehgeschwindigkeit der Lenksäule mittels der Steuerung als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellieren der virtuellen Feder und des virtuellen Dämpfers, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf den Zustandsdaten miteinander verbunden sind, das Berechnen der Drehgeschwindigkeit, θ ̈_haptic, gemäß der folgenden Gleichung beinhalten kann. wobei: k_vir eine virtuelle Federkonstante ist; cvir ein virtueller Dämpfungskoeffizient ist; I_upper Lenksäulenträgheit ist; und θ_upper der Winkel der oberen Lenksäule ist; θ_lower der Winkel der unteren Lenksäule ist; θ_target der befohlene Lenkwinkel ist; θ ̇_lower die Winkelgeschwindigkeit der unteren Lenksäule ist; und θ ̇_upper die Winkelgeschwindigkeit der oberen Lenksäule ist;
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug einen Lenkwinkel und/oder einen Winkelratensensor und einen Straßenradsensor beinhaltet, und wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Identifizieren des Lenkbefehls mithilfe des Lenkwinkelsensors; und Erhalten der Zustandsdaten der Straßenräder mithilfe des Straßenradsensors, wobei das Berechnen der Drehgeschwindigkeit der Lenksäule mittels der Steuerung als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellieren der virtuellen Feder und des virtuellen Dämpfers, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf den Zustandsdaten miteinander verbunden sind, das Berechnen der Drehgeschwindigkeit, θ ̈_haptic, gemäß der folgenden Gleichung beinhalten kann. wobei: k_vir eine virtuelle Federkonstante ist; c_vir ein virtueller Dämpfungskoeffizient ist; I_upper Lenksäulenträgheit ist; θ_upper der Winkel der oberen Lenksäule ist; θ ̇_upper die Winkelgeschwindigkeit der oberen Lenksäule ist; θ_lower der Winkel der unteren Lenksäule ist; und θ ̇_lower die Winkelgeschwindigkeit der unteren Lenksäule ist.
Verfahren zum Erzeugen eines haptischen Drehmomentgefühls für ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Eingeben eines Lenkbefehlsignals durch Manipulieren eines auf eine Lenksäule des Kraftfahrzeugs befestigten Lenkrads; als Reaktion auf den Lenkbefehl, das Ändern einer Ausrichtung der Straßenräder des Kraftfahrzeugs; Übermitteln der Zustandsdaten der Straßenräder an eine Steuerung; Berechnen einer Drehbeschleunigung der Lenksäule mittels der Steuerung als Reaktion auf das Ändern der Ausrichtung der Straßenräder durch Modellsystemkomponenten aus Standardlenktests und durch das Abschätzen ausgewählter Parameter des Lenksystems; und Anwenden der Drehbeschleunigung auf die Lenksäule.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Fahrzeug einen Lenkwinkelsensor, einen Motor, und einen Straßenradsensor beinhaltet und wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Identifizieren des Lenkbefehls mit dem Lenkwinkelsensor; Kommunizieren des Lenkbefehls vom Lenkwinkelsensor zum Motor, wobei der Motor die Ausrichtung der Straßenräder des Fahrzeugs ändert; und Erhalten der Zustandsdaten der Straßenräder mithilfe des Straßenradsensors.
Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, das Straßenräder und ein Element beinhaltet, die mechanisch mit den Straßenrädern gekoppelt und verschiebbar ist, um eine Ausrichtung der Straßenräder zu ändern, wobei das Lenksystem Folgendes umfasst: ein auf einer Lenksäule montiertes und zur Eingabe eines Lenkbefehls drehbares Lenkrad; ein Lenkwinkelsensor zum Identifizieren des Lenkbefehls; ein Motor zum Verschieben des Elements, um die Ausrichtung der Straßenräder zu ändern; ein Straßenradsensor zum Erhalten von Straßenradzustandsdaten; ein haptischer Generator, der an die Lenksäule koppelt ist, um eine Drehbeschleunigung darauf aufzubringen; und eine Steuerung zum Erhalten von Lenkbefehlsdaten und Straßenradzustandsdaten und zum Berechnen der Drehbeschleunigung, die auf die Lenksäule durch Modellieren einer virtuellen Feder und eines virtuellen Dämpfers aufzubringen sind, die zwischen der Lenksäule und den Straßenrädern basierend auf Zustandsdaten oder durch Modellsystemkomponenten von standardmäßigen Lenktests und durch Abschätzen der ausgewählten Parameter des Lenksystems miteinander verbunden sind.