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Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Steuern eines Kraftfahrzeuges, welches vier Räder umfasst, die jeweils individuell antreibbar und jeweils individuell lenkbar sind. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuereinheit zum Steuern eines Kraftfahrzeuges.
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Die
DE 10 2017 118 401 A1 zeigt ein Verfahren zum Durchführen eines autonomen Betriebs eines Fahrzeuges. Gemäß diesem Verfahren soll ein Fehlerzustand einer elektrischen Servolenkungs-Vorrichtung an Bord des Fahrzeugs durch mindestens einen Prozessor erkannt werden. Eingangstrajektoriedaten für den autonomen Betrieb des Fahrzeuges werden durch einen Prozessor berechnet. Ein vorgesteuerter Hinterradeinschlag-Winkel wird anhand der Eingangstrajektoriedaten durch den Prozessor berechnet. Ein endgültiger Einschlagwinkel-Befehl wird ausgehend von dem vorgesteuerten Hinterradeinschlag-Winkel und einem Rückkopplungssignal unter Nutzung einer modellprädiktiven Regelung bestimmt. Eine Einschlagvorrichtung wird entsprechend dem endgültigen Einschlagwinkel-Befehl betrieben, um das Fahrzeug gemäß dem endgültigen Einschlagwinkel-Befehl autonom zu manövrieren.
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Die
DE 10 2011 087 073 A1 lehrt eine Steuerung des Antriebes eines Elektrofahrzeuges. Das Elektrofahrzeug umfasst bevorzugt vier radselektiv elektrisch angetriebene Räder mit Einzelradlenkung. Das Elektrofahrzeug umfasst zudem eine Steuereinrichtung, welche einen Manövriermodus bereitstellt, in welchem bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit und Erfüllung eines Steuerkriteriums an den angetriebenen Rädern Raddrehungen herbeigeführt werden, die ein Schwenken des Fahrzeuges unter Erzwingung von transversalem Radschlupf bewirken.
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Der Artikel von Bächle, T.; Graichen, K.; Buchholz, M.; Dietmayer, K.: „Slip-Constrained Model Predictive Control Allocation for an All-Wheel Driven Electric Vehicle“ in Preprints of the 19th World Congress, The International Federation of Automatic Control, Cape Town (Südafrika), 22.-24. August 2014, beschreibt ein Verfahren zur realzeitfähigen modellprädiktiven Regelung eines überaktuierten Elektrofahrzeuges. Das Elektrofahrzeug umfasst individuelle Radantriebsmotoren für jedes Rad. Die Räder einer Vorderachse des Elektrofahrzeuges sind gemeinsam lenkbar. Es werden eine Kraft in Längsrichtung und ein Giermoment vorgegeben und daraus vier Antriebsmomente für das Elektrofahrzeug bestimmt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Steuerung eines Kraftfahrzeuges mit individuell antreibbaren und individuell lenkbaren Rädern zu verbessern.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und durch eine Steuereinheit gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Steuern eines Kraftfahrzeuges, welches mindestens vier Räder umfasst. Das Kraftfahrzeug umfasst bevorzugt genau vier Räder. Die Räder sind jeweils individuell über einen Radantriebsaktor antreibbar und jeweils individuell über einen Radlenkungsaktor lenkbar. Das Kraftfahrzeug verfügt somit über Einzelradantriebe und Einzelradlenkungen. Das Kraftfahrzeug ist radselektiv antreibbar und radselektiv lenkbar. Die Radantriebsaktoren sind bevorzugt jeweils durch einen Elektromotor, insbesondere durch einen Radnabenmotor gebildet. Somit handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Elektrofahrzeug. Die Radlenkungsaktoren sind bevorzugt jeweils durch einen Elektromotor und gegebenenfalls ein Getriebe gebildet.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren soll bewirkt werden, dass das Kraftfahrzeug eine gewünschte Bewegung ausführt. Die Bewegung kann beispielsweise von einem Führer des Kraftfahrzeuges vorgegeben werden.
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Gemäß dem Verfahren werden eine in eine Längsrichtung des Kraftfahrzeuges ausgerichtete Solllängskraft, eine in eine Querrichtung des Kraftfahrzeuges ausgerichtete Sollquerkraft und ein in eine vertikale Achse des Kraftfahrzeuges ausgerichtetes Sollgiermoment vorgegeben. Bei der vertikalen Achse handelt es sich um eine Hochachse des Kraftfahrzeuges. Somit bilden die Solllängskraft, die Sollquerkraft und das Sollgiermoment jeweils eine Referenzgröße für die auszuführende Bewegung des Kraftfahrzeuges. Die Referenzgrößen müssen nicht unmittelbar vorgegeben werden, sondern können beispielsweise von einer Stellung eines Lenkrades des Kraftfahrzeuges und von einer Stellung eines Gaspedals des Kraftfahrzeuges abgeleitet werden. So beeinflusst beispielsweise der Führer des Kraftfahrzeuges die Referenzgrößen durch Bedienung des Lenkrades und des Gaspedals. Insoweit können die Referenzgrößen auch als virtuell angesehen werden.
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Verfahrensgemäß wird ein Regelungsalgorithmus mit einem mathematischen Modell des Kraftfahrzeuges bereitgestellt. Das Modell umfasst mehrere physikalische Teilmodelle; nämlich Teilmodelle zur Beschreibung jeweils einer Dynamik der einzelnen Räder, Teilmodelle zur Beschreibung jeweils einer Dynamik von Lenkungen der einzelnen Räder und Teilmodelle zur Beschreibung jeweils eines Verhaltens von Reifen der einzelnen Räder. Die Teilmodelle zur Beschreibung der einzelnen Dynamiken der Räder sind bevorzugt jeweils durch eine rotative Bewegungsgleichung des jeweiligen Rades gebildet. Die Teilmodelle zur Beschreibung der einzelnen Dynamiken der Lenkungen der Räder sind bevorzugt jeweils durch eine Bewegungsgleichung der jeweiligen Lenkung gebildet. Die Teilmodelle zur Beschreibung des Verhaltens der einzelnen Reifen der Räder sind bevorzugt jeweils durch eine nichtlineare Reifenkennlinie gebildet, welche eine Kraftübertragung vom jeweiligen Reifen auf eine vom Kraftfahrzeug zu befahrende Straße beschreibt. Die Teilmodelle zur Beschreibung des Verhaltens der einzelnen Reifen der Räder sind bevorzugt gleich, sodass letztlich ein gemeinsames Teilmodell zur Beschreibung des Verhaltens der Reifen der Räder verwendet wird. Die Teilmodelle zur Beschreibung des Verhaltens der einzelnen Reifen der Räder beschreiben insbesondere die durch den Reifenschlupf aufgebaute Kraft am Kontakt zwischen dem Reifen und der zu befahrenden Straße.
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Die vorgegebene Solllängskraft, die vorgegebene Sollquerkraft und das vorgegebene Sollgiermoment werden dem bereitgestellten Regelungsalgorithmus übergeben, um jeweils einen Sollwert eines Antriebsmomentes für jeden der vier Radantriebsaktoren und jeweils einen Sollwert eines Lenkmomentes für jeden der vier Radlenkungsaktoren zu erhalten. Die vier Sollwerte der Antriebsmomente der vier Radantriebsaktoren und die vier Sollwerte der Lenkmomente der vier Radlenkungsaktoren bilden jeweils eine von acht Ausgangsgrößen bzw. Stellgrößen des Verfahrens. Bevorzugt werden die vier Radantriebsaktoren mit dem jeweiligen Sollwert beaufschlagt, sodass sie jeweils ein Antriebsmoment gemäß dem jeweiligen Sollwert erzeugen. Bevorzugt werden die vier Radlenkungsaktoren mit dem jeweiligen Sollwert beaufschlagt, sodass sie jeweils ein Lenkmoment gemäß dem jeweiligen Sollwert erzeugen.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das Kraftfahrzeug in die Längsrichtung und in die Querrichtung, d. h. longitudinal und lateral gesteuert werden kann, sodass deutlich mehr Freiheiten in der Steuerung als im Vergleich zum Stand der Technik bestehen. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt sämtliche acht Freiheitsgrade, welche durch die radselektive Antreibbarkeit und durch die radselektive Lenkbarkeit gegeben sind, um eine Momentenverteilung zu generieren, welche technisch vorhandene Beschränkungen, wie einen maximalen Lenkeinschlag unmittelbar als einen Parameter berücksichtigen kann. Die Erfindung realisiert eine Stellgrößenverteilung und Regelung, welche die realen Beschränkungen durch die Aktoren berücksichtigen kann und die acht Freiheitsgrade optimal nutzen kann, wodurch eine hohe Agilität und Manövrierbarkeit des Kraftfahrzeuges erzielbar sind.
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Der bereitgestellte Regelungsalgorithmus weist bevorzugt mehrere Eingangsgrößen auf. Bevorzugt wird jeweils ein Radlenkwinkel für jedes der vier Räder als eine Eingangsgröße verwendet, sodass die vier Radlenkwinkel bevorzugt vier Eingangsgrößen bilden. Die Radlenkwinkel werden bevorzugt jeweils an der Lenkung des jeweiligen Rades gemessen, wofür bevorzugt ein Sensor verwendet wird. Bevorzugt wird jeweils eine Radlenkwinkelgeschwindigkeit für jedes der vier Räder als eine Eingangsgröße verwendet, sodass die vier Radlenkwinkelgeschwindigkeiten bevorzugt vier Eingangsgrößen bilden. Die Radlenkwinkelgeschwindigkeiten müssen nicht unmittelbar gemessen werden, sondern werden bevorzugt aus den gemessenen Radlenkwinkeln abgeleitet. Bevorzugt wird jeweils eine Drehzahl für jedes der vier Räder als eine Eingangsgröße verwendet, sodass die vier Drehzahlen bevorzugt vier Eingangsgrößen bilden. Die Drehzahlen werden bevorzugt jeweils an dem jeweiligen Rad gemessen, wofür bevorzugt ein Sensor verwendet wird, welcher bevorzugt im jeweiligen Radantriebsaktor integriert ist. Bevorzugt wird eine auf einen Schwerpunkt des Kraftfahrzeuges in die Längsrichtung des Kraftfahrzeuges wirkende Längskraft als eine Eingangsgröße verwendet. Die Längskraft wird bevorzugt dadurch bestimmt, dass eine Beschleunigung des Kraftfahrzeuges in die Längsrichtung des Kraftfahrzeuges mit einem Beschleunigungssensor gemessen wird und unter Berücksichtigung einer Masse des Kraftfahrzeuges in die Längskraft umgerechnet wird. Bevorzugt wird eine auf den Schwerpunkt des Kraftfahrzeuges in die Querrichtung des Kraftfahrzeuges wirkende Querkraft als eine Eingangsgröße verwendet. Die Querkraft wird bevorzugt dadurch bestimmt, dass eine Beschleunigung des Kraftfahrzeuges in die Querrichtung des Kraftfahrzeuges mit dem Beschleunigungssensor gemessen wird und unter Berücksichtigung der Masse des Kraftfahrzeuges in die Querkraft umgerechnet wird. Bevorzugt wird ein auf das Kraftfahrzeug wirkendes in die vertikale Achse des Kraftfahrzeuges ausgerichtetes Giermoment als eine Eingangsgröße verwendet. Das Giermoment wird bevorzugt dadurch ermittelt, dass eine Gierrate des Kraftfahrzeuges mit einem Gyroskop gemessen wird und aus der Gierrate das Giermoment berechnet wird. Bevorzugt werden sämtliche der genannten möglichen Eingangsgrößen als Eingangsgrößen für den bereitgestellten Regelungsalgorithmus verwendet.
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Das Modell des Kraftfahrzeuges wird bevorzugt als ein dynamisches Modell bereitgestellt.
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Das dynamische Modell bildet bevorzugt einen Teil einer modellprädiktiven Regelung, für welche bevorzugt ein Optimierungsproblem definiert ist, welches in einzelnen Zeitschritten gelöst wird.
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Das Optimierungsproblem wird durch einen Lösungsalgorithmus gelöst, wodurch die Sollwerte der vier Antriebsmomente und die Sollwerte der vier Lenkmomente resultieren. Das Optimierungsproblem ist bevorzugt durch ein konvexes Optimierungsproblem mit einer quadratischen Gütefunktion gebildet. Für eine Lösung des Optimierungsproblems kann ein beliebiger für diese Problemklasse geeigneter Lösungsalgorithmus gewählt werden. Dem Fachmann sind aus dem Stand der Technik verschiedene geeignete Lösungsalgorithmen bekannt.
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Das Optimierungsproblem wird bevorzugt im Sinne der modellprädiktiven Regelung mit einem gleitenden Horizont gelöst, wodurch das zukünftige Verhalten der Strecke berücksichtigt wird und eine hohe Güte der Regelung erzielt wird.
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Die Teilmodelle zur Beschreibung der Dynamiken der einzelnen Räder, die Teilmodelle zur Beschreibung der Dynamiken der Lenkungen der einzelnen Räder und die Teilmodelle zur Beschreibung des Verhaltens der Reifen der einzelnen Räder werden bevorzugt jeweils als ein nichtlineares Teilmodell zur Verfügung gestellt und für die Lösung des Optimierungsproblems in den einzelnen Zeitschritten jeweils linearisiert. Insbesondere werden auch die Teilmodelle zur Beschreibung des Verhaltens der Reifen der einzelnen Räder in den einzelnen Zeitschritten jeweils linearisiert.
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Die Teilmodelle werden bevorzugt durch Differentialgleichungen beschrieben. Die Differentialgleichungen werden bevorzugt sukzessive analytisch linearisiert und ineinander eingesetzt, wodurch eine arbeitspunktabhängige lineare Dynamik erhalten wird. Die lineare Dynamik wird bevorzugt als eine Nebenbedingung für das Optimierungsproblem verwendet.
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Durch das Optimierungsproblem werden bevorzugt mehrere Größen bewertet. Eine zu bewertende Größe ist bevorzugt durch eine Abweichung der Querkraft von der Sollquerkraft gebildet. Eine zu bewertende Größe ist bevorzugt durch eine Abweichung der Längskraft von der Solllängskraft gebildet. Eine zu bewertende Größe ist bevorzugt durch eine Abweichung des Giermomentes von dem Sollgiermoment gebildet. Weitere zu bewertende Größen sind bevorzugt durch jeweils Quadrate von für den nächsten Zeitschritt prognostizierten Werten der Ausgangsgrößen gebildet. Diese quadrierten Werte der Ausgangsgrößen sind ein Maß für die aufgebrachte Energie zur Erzeugung der gewünschten Bewegung des Kraftfahrzeuges. Eine weitere zu bewertende Größe ist bevorzugt durch eine erste Lösung des noch unbeschränkten Optimierungsproblems gebildet. Diese erste Lösung des Optimierungsproblems wird bevorzugt durch eine Pre-Allocation generiert.
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Bevorzugt werden sämtliche der genannten möglichen Größen durch das Optimierungsproblem bewertet.
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Bevorzugt werden mehrere Nebenbedingungen an das Optimierungsproblem gestellt. Einige der Nebenbedingungen sind bevorzugt durch jeweils ein maximal zulässiges Antriebsmoment für jeden der vier Radantriebsaktoren gebildet. Die maximal zulässigen Antriebsmomente können für alle vier Radantriebsaktoren unterschiedlich und unabhängig voneinander eingestellt werden. Einige der Nebenbedingungen sind bevorzugt jeweils durch ein maximal zulässiges Lenkmoment für jeden der vier Radlenkungsaktoren gebildet. Die maximal zulässigen Lenkmomente können für alle vier Radlenkungsaktoren unterschiedlich und unabhängig voneinander eingestellt werden. Einige der Nebenbedingungen sind bevorzugt jeweils durch einen maximal zulässigen Lenkwinkel für die jeweilige Lenkung jedes der vier Räder gebildet. Die maximal zulässigen Lenkwinkel können für die Lenkungen aller vier Räder unterschiedlich und unabhängig voneinander eingestellt werden. Einige der Nebenbedingungen sind bevorzugt jeweils durch eine maximal zulässige Drehzahl für jedes der vier Räder gebildet. Die maximal zulässigen Drehzahlen können für alle vier Räder unterschiedlich und unabhängig voneinander eingestellt werden. Bevorzugt werden sämtliche der genannten Nebenbedingungen an das Optimierungsproblem gestellt.
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Das Vorgeben der Solllängskraft, der Sollquerkraft und des Sollgiermomentes erfolgt bevorzugt dadurch, dass ein Winkel eines Lenkrades des Kraftfahrzeuges und eine Stellung eines Gaspedals des Kraftfahrzeuges gemessen werden. Die Solllängskraft, die Sollquerkraft und das Sollgiermomentes werden aus dem gemessenen Winkel des Lenkrades des Kraftfahrzeuges und aus der gemessenen Stellung des Gaspedals des Kraftfahrzeuges berechnet. Die Stellung des Gaspedals ist ein Maß für die vom Führer des Kraftfahrzeuges gewünschte auf das Kraftfahrzeug auszuübende Längskraft. Der Winkel des Lenkrades ist ein Maß für das vom Führer des Kraftfahrzeuges gewünschte auf das Kraftfahrzeug auszuübende Giermoment. Alternativ bevorzugt erfolgt das Vorgeben der Solllängskraft, der Sollquerkraft und des Sollgiermomentes durch eine übergeordnete Regelkaskade einer automatisierten Fahrzeugführung des Kraftfahrzeuges.
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Die erfindungsgemäße Steuereinheit dient zum Steuern eines Kraftfahrzeuges, welches mindestens vier Räder umfasst, die jeweils individuell über einen Radantriebsaktor antreibbar und die jeweils individuell über einen Radlenkungsaktor lenkbar sind. Die erfindungsgemäße Steuereinheit ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Die erfindungsgemäße Steuereinheit ist bevorzugt zur Ausführung einer der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Im Übrigen weisen die erfindungsgemäße Steuereinheit und das zu steuernde Kraftfahrzeug bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017118401 A1 [0002]
- DE 102011087073 A1 [0003]