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Die Erfindung betrifft allgemein eine Funktionsüberwachung eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen.
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Beim Fahren eines Kraftfahrzeugs können im Wesentlichen ein Steuern einer Längsbewegung, das heißt das Kraftfahrzeug zu beschleunigen oder abzubremsen, und ein Steuern einer Querbewegung, also ein Querführen bzw. Lenken, unterschieden werden. In einem herkömmlichen Kraftfahrzeug umfasst ein zum Lenken verwendetes Lenksystem üblicherweise ein im Fahrzeuginnenraum angeordnetes Lenkrad, das über ein Lenkgetriebe, meist mit hydraulischer oder elektrischer Hilfskraft unterstützt wird, und eine oder mehrere Spurstangen mit einem um eine Schwenkachse schwenkbaren Rad verbunden ist. Eine Drehung des Lenkrads bewirkt hierbei ein Verschwenken des Rads und eine entsprechende Querbewegung des Kraftfahrzeugs. Für einen menschlichen Fahrzeugführer können sich Beeinträchtigungen des Lenksystems, die beispielsweise durch eine verbogene Spurstange, ein defektes Lenkgetriebe, einen verringerten Luftdruck des Rads usw. verursacht werden können, durch ein verändertes, das heißt für den Fahrzeugführer ungewohntes, Fahr- bzw. Lenkverhalten des Kraftfahrzeugs z.B. haptisch bemerkbar machen. Dadurch kann der Fahrzeugführer eine Abweichung vom gewohnten Fahr- bzw. Lenkverhalten erkennen und das Kraftfahrzeug einer Diagnose unterziehen lassen oder dieses stoppen und den Betrieb einstellen.
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Bei einem zumindest teilweise autonom fahrbaren Kraftfahrzeug ist es dagegen erforderlich, das Rad auch ohne eine aktive Drehung des Lenkrads durch den menschlichen Fahrzeugführer computergestützt zu verschwenken. Bei einem vollständig autonom fahrbaren Kraftfahrzeug ist es indes möglich, gar kein Lenkrad vorzuhalten und dessen Steuerungsfunktion durch eine computergestützte Steuerung zu ersetzen. Dies kann insbesondere die vorstehend beschriebene Erkennung von Veränderungen des Fahr- bzw. Lenkverhaltens dahingehend beeinflussen, dass das Kraftfahrzeug womöglich noch weiter betrieben wird, obwohl im Lenksystem eine Fehlfunktion vorliegt.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur verbesserten Überwachung eines Lenksystems in einem Kraftfahrzeug zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug. Dabei kann das Lenksystem in einem einspurigen oder zweispurigen Kraftfahrzeug verbaut sein, das vorzugsweise dazu eingerichtet ist, teilweise autonom oder vollautonom betrieben zu werden. Dementsprechend kann das Lenksystem ggf. ein Lenkrad aufweisen, um in einem nicht-Autonomfahrbetrieb manuell quergeführt zu werden. Des Weiteren weist das Lenksystem wenigstens ein um eine Schwenkachse schwenkbares Rad, das mit wenigstens einer computergesteuerten, vorzugsweise elektrischen oder elektromechanischen, Stellvorrichtung so verbunden ist, dass damit das Rad wahlweise verschwenkt werden kann. Die Stellvorrichtung kann direkt oder mittelbar über dazwischengeschaltete Bauelemente oder Baugruppen mit dem Rad verbunden sein, wie etwa über eine Spurstange, ein Lenkgetriebe, ggf. eine Servo-Hilfskrafteinrichtung usw. Ferner verfügt das Lenksystem über wenigstens eine Bilderfassungseinrichtung, die zum Erfassen einer Ist- Fahrtrajektorie, das heißt eines Ist-Fahrverlaufs bzw. einer Ist-Fahrlinie, des Kraftfahrzeugs eingerichtet ist. Die Bilderfassungseinrichtung kann beispielsweise ein Bestandteil eines Fahrerassistenzsystems sein, das einen Autonomfahrbetrieb des Kraftfahrzeugs unterstützt. Zum Beispiel kann diese als Kamera ausgeführt sein. Das Lenksystem weist ferner eine Überwachungseinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, anhand der erfassten Ist-Fahrtrajektorie einen Soll-Stellwert zu ermitteln. Unter dem Soll-Stellwert kann in diesem Zusammenhang insbesondere eine Betätigungskraft der Stellvorrichtung zum Verschwenken des Rads um einen jeweiligen Lenkwinkel und/oder ein durch die Stellvorrichtung aufgebrachtes Lenkmoment verstanden werden. Die Überwachungseinrichtung kann beispielsweise einen Prozessor sowie einen Speicher zum Speichern von Programmanweisungen aufweisen und ein Teil eines Steuergeräts des Kraftfahrzeugs sein.
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Mit dieser Konfiguration kann die Erfindung gleich mehrere vorteilhafte Effekte bewirken. Beispielsweise können Fehlfunktionen des Lenksystems durch Auswertung von Einzelbildern oder Bildsequenzen der Bilderfassungseinrichtung erkannt werden. Insbesondere können sonst nicht erkennbare Schwergängigkeiten innerhalb des Lenksystems auch ohne menschliche Wahrnehmung zuverlässig erkannt und so die Fahrsicherheit bzw. Funktionssicherheit des Lenksystems sichergestellt werden. So kann durch eine frühzeitige Erkennung einer Fehlfunktion insbesondere vermieden werden, dass die Stellvorrichtung durch eine Schwergängigkeit des Lenksystems die zum Querführen des Kraftfahrzeugs aufzubringende Lenkbewegung nicht mehr durchführen kann.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet sein kann, einen von der Stellvorrichtung zum Schwenken des Rads um die Schwenkachse aufgebrachten Ist-Stellwert zu ermitteln und mit dem Soll-Stellwert zu vergleichen. Damit lässt sich die momentane Krafteinbringung als Vergleichsgröße ermitteln und mit dem Soll-Stellwert als weitere Vergleichsgröße vergleichen. Sofern eine unzulässige Abweichung zwischen den beiden Vergleichsgrößen festgestellt wird, kann eine entsprechende Maßnahme, wie etwa ein Beenden des Fahrbetriebs, eingeleitet werden.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung kann die Überwachungseinrichtung zum Ermitteln des Ist-Stellwerts wenigstens eine Messeinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine an der Stellvorrichtung anliegende elektrischen Größe zu erfassen. Beispielsweise kann die elektrische Größe ein von der Stellvorrichtung aufgenommener elektrischer Strom sein oder es wird die aufgenommene elektrische Leistung erfasst bzw. bestimmt.
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Um beispielsweise fahrmechanische Einflüsse auf den aufzubringenden Stellwert zu berücksichtigen, kann die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet sein, Daten über die Ist-Fahrtrajektorie mit Ist-Fahrdynamikdaten des Kraftfahrzeugs zu dem Soll-Stellwert zu verknüpfen. Beispielsweise können die momentane Fahrgeschwindigkeit, der momentane Lenkwinkel, die Radumfangsgeschwindigkeit oder andere sowieso durch Sensoren im Kraftfahrzeug bestimmte Fahrdynamikdaten über z.B. einen Fahrzeugbus erhalten und mit dem Soll-Stellwert zur Vergleichsgröße verknüpft werden. Die Fahrdynamikdaten, insbesondere die momentane Fahrgeschwindigkeit, können aber auch mittels der Bilderfassungseinrichtung ermittelt werden.
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Alternativ oder zusätzlich dazu, können über die Bilderfassungseinrichtung auch Fahrzeugumgebungsdaten erfasst und mit dem Soll-Stellwert verknüpft werden. Beispielsweise kann so berücksichtigt werden, dass sich der Stellwert, also die Betätigungskraft, zum Verschwenken des Rads auch mit dem Reibwert zwischen einem Fahrbahnbelag und der Radaufstandsfläche verändern kann. So könnte bei schneebedecktem, vereistem oder nassem Fahrbahnbelag aufgrund des niedrigeren Reibwerts ein geringerer Stellwert notwendig sein als bei trockenem Fahrbahnbelag.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet sein kann, für den Vergleich Daten über die Ist-Fahrtrajektorie mit einem vorgehaltenen Fahrdynamikmodell zu dem Soll-Stellwert zu verknüpfen. Das Fahrdynamikmodell kann beispielsweise in dem Speicher der Überwachungseinrichtung gespeichert sein und z.B. nach der Art einer Lookup-Table für eine bestimmte Längs- und/oder Querdynamik des Kraftfahrzeugs typische Fahrdynamikparameter enthalten, mit deren Berücksichtigung der Soll-Stellwert genauer ermittelt werden kann.
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Um Fehldiagnosen zu vermeiden, kann die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet sein, anhand der Ist-Fahrlinie einen den Soll-Stellwert umgrenzenden ersten, z.B. unteren, Toleranzschwellenwert und zweiten, z.B. oberen, Toleranzschwellenwert zu bestimmen. Dies kann während der Laufzeit der Überwachungseinrichtung auch fortlaufend, ggf. mit einer bestimmten Taktung, erfolgen. Dadurch können toleranzbedingte Einflüsse berücksichtigt werden, so dass Fehldiagnosen vermieden werden können. Darüber hinaus kann auch der Wirkungsgrad des Lenksystems berücksichtigt werden, der sich über die Lebenszeit des Kraftfahrzeugs auch verändern kann.
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Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet sein kann, bei einer bestimmten, das heißt einer unzulässigen, Abweichung des Ist-Stellwerts von dem Soll-Stellwert ein Signal zum Auffordern des Verlassens oder automatischen Verlassen eines Autonomfahrbetriebs des Kraftfahrzeugs zu erzeugen. Dies kann z.B. durch einen optischen, akustischen oder haptischen Hinweis an den Fahrer in einer Instrumententafel erfolgen. Das Kraftfahrzeug kann aber auch in einen sicheren Fahrzustand, z.B. Stillstand auf einem Standstreifen, gebracht werden. Bei Verifikation einer Fehlfunktion kann das Kraftfahrzeug auch außer Betrieb gesetzt bzw. eine Weiterfahrt unterbunden werden.
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Ein weiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren kann mit dem vorstehend beschriebenen Lenksystem in einer oder mehreren der erläuterten Ausführungsvarianten durchgeführt werden und sieht die folgenden Schritte vor:
- - Querführen des Kraftfahrzeugs durch wenigstens eine computergesteuerte Stellvorrichtung, die mit einem Rad zum wahlweisen Schwenken desselben verbunden ist. Die Stellvorrichtung kann elektrisch oder elektromechanisch betrieben und direkt oder mittelbar mit dem Rad verbunden sein. Eine Ansteuerung der Stellvorrichtung kann beispielsweise durch Programmanweisungen einer Steuereinrichtung, ggf. unter Zuhilfenahme eines Künstliches-Intelligenz-Moduls erfolgen, das die Stellvorrichtung über Steuersignale bewegt und dadurch ein Verschwenken des Rads ermöglicht.
- - Erfassen einer Ist-Fahrtrajektorie des Kraftfahrzeugs durch wenigstens eine Bilderfassungseinrichtung. Hierzu kann die Bilderfassungseinrichtung insbesondere einen Blickwinkel haben, der auf einen Bereich vor dem Kraftfahrzeug ausgerichtet ist.
- - Ermitteln eines Soll-Stellwerts der Stellvorrichtung zum Schwenken des Rads anhand der erfassten Ist-Fahrtrajektorie. In anderen Worten, wird aus der optisch erfassten Fahrzeugumgebung die Ist-Kraftfahrzeug-Querführung, also der Ist-Fahrverlauf, erfasst und auf den Soll-Stellwert rückgerechnet und dadurch ermittelt, welcher Soll-Stellwert von der Stellvorrichtung typischerweise, also z.B. fahrsituativ, erforderlich gewesen wäre.
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Mit diesem Verfahren kann insbesondere erkannt werden, ob eine Fehlfunktion, z.B. Schwergängigkeit, oder ein Kraftverlust der Stellvorrichtung vorliegt. Dadurch kann die Fahrsicherheit im Autonomfahrbetrieb des Kraftfahrzeugs erhöht werden.
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Um anhand des Soll-Stellwerts entscheiden zu können, ob eine Fehlfunktion des Kraftfahrzeugs, insbesondere des Lenksystems, vorliegt, kann der Soll-Stellwert mit einem über die Stellvorrichtung ermittelten Ist-Stellwert verglichen werden.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ermitteln des Soll-Stellwerts während eines Autonomfahrbetriebs des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden kann, wenn eine Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs eine Mindestgeschwindigkeitsschwelle erreicht oder überschritten hat. In anderen Worten wird der Soll-Stellwert während des Fortbewegens des Kraftfahrzeugs, also online, ermittelt. Dadurch kann die Fahrsicherheit des Kraftfahrzeugs erhöht werden, da Fehlfunktionen frühzeitig erkannt werden können.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Lenksystem gemäß einem Aspekt der Erfindung,
- 2 einen exemplarischen Anwendungsfall eines Lenksystems gemäß einem Aspekt der Erfindung,
- 3 einen exemplarischen Vergleich eines Ist-Stellwertverlaufs mit einem Soll-Stellwertverlauf in einem Lenksystem gemäß einem Aspekt der Erfindung, und
- 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Kraftfahrzeug 100 mit einem Lenksystem 110. Das Kraftfahrzeug 100 ist in diesem Ausführungsbeispiel zweispurig ausgeführt sowie zum vollautonomen Fahren eingerichtet. Das Lenksystem 110 weist an seiner lenkbaren Vorderachse zwei Räder 111 auf, die zum Querführen des Kraftfahrzeugs 100 um eine Schwenkachse 112 verschwenkbar sind. Jedes der Räder 111 ist mit einer Stellvorrichtung 113 verbunden, die z.B. als elektrisches Stellglied ausgebildet ist. Lediglich exemplarisch kann die Stellvorrichtung 113 hier durch ein Bewegen aus seiner Mittelstellung heraus das jeweilige Rad 111 in die eine oder die andere Drehrichtung verschwenken und so die Querführung des Kraftfahrzeugs 100 steuern. Des Weiteren verfügt das Lenksystem 110 über eine Bilderfassungseinrichtung 114, die hier als Kamera ausgeführt ist und eine Blickrichtung in Vorwärtsrichtung des Kraftfahrzeugs 100 hat. Das Lenksystem 110 verfügt auch über eine Messeinrichtung, die zum Messen eines von der jeweiligen Stellvorrichtung 113 aufgenommenen elektrischen Stroms bzw. einer aufgenommenen elektrischen Leistung eingerichtet ist.
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Zur Datenverarbeitung weist das Lenksystem 100 ferner eine computerbasierte Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung 115 mit einem Prozessor und mit einem Speicher auf, die als Datenverarbeitungseinrichtung zumindest mit der Stellvorrichtung 113, der Bilderfassungseinrichtung 114 und der Messeinrichtung gekoppelt ist und so Daten austauschen und verarbeiten kann. Die Überwachungseinrichtung 115 ist in diesem Ausführungsbeispiel ferner dazu eingerichtet, das Kraftfahrzeug 100 durch Ansteuern der Stellvorrichtung 113 und eines (nicht gezeigten) Fahrantriebs in einem Autonomfahrbetrieb automatisch zu steuern, indem sie bedingt durch Programmanweisungen entsprechende Steuersignale zum Querführen und Längsführen des Kraftfahrzeugs 100 ausgibt.
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Anhand von 2, die eine exemplarische Fahrsituation des Kraftfahrzeugs 100 zeigt, wird nun die Funktion bzw. Anwendung des Lenksystems 100 erläutert. Diese Funktion kann z.B. durch Programmanweisungen umgesetzt sein, die im Speicher der Überwachungseinrichtung 115 abgelegt sind und von dem Prozessor ausgeführt werden.
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In 2 befindet sich das Kraftfahrzeug 100 auf einer mittleren von drei Fahrspuren mit einer Fahrgeschwindigkeit v fortbewegend, mit dem Ziel, von der mittleren Fahrspur auf eine linke Fahrspur zu wechseln, wie dies durch eine gestrichelt dargestellte Fahrtrajektorie 116 sowie das gestrichelt dargestellte Kraftfahrzeug 100' angedeutet ist. Die für den Fahrspurwechsel zu fahrende Fahrtrajektorie 116 liegt im Sichtbereich der Bilderfassungseinrichtung 114 und kann daher während des Befahrens bildlich erfasst werden. Die Fahrtrajektorie 116 kann vor dem Befahren durch die Überwachungseinrichtung 115 bestimmt bzw. geplant werden. Um der exemplarischen Fahrtrajektorie 116 zu folgen, sind anschaulich betrachtet zunächst ein Verschwenken der Räder 111 nach links, dann ein kurzes Halten dieser verschwenkten Stellung, ein Verschwenken der Räder 111 nach rechts, ggf. auch wieder ein Rückstellen der Räder 111 in eine Geradeausstellung durchzuführen. Hierzu steuert die Überwachungseinrichtung 115 die jeweilige Stellvorrichtung 113 zum Aufbringen eines jeweiligen Ist-Stellwerts FIst , der hier als Ist-Stellkraft oder Ist-Stellmoment aufgefasst werden kann, nach und nach an. Der Ist-Stellwert FIst verändert sich in diesem Ausführungsbeispiel aufgrund des Fahrverlaufs über die Zeit t, die zum Befahren der (Ist-)Fahrtrajektorie 116 benötigt wird.
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3 zeigt für dieses Ausführungsbeispiel einen exemplarischen Verlauf des Ist-Stellwerts FIst über die Zeit t.
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Zur Funktionsüberwachung des Lenksystems 100 ist die Überwachungseinrichtung 115 ferner dazu eingerichtet, aus den Bilddaten der Bilderfassungseinrichtung 114, die im Wesentlichen eine Bildsequenz während des Befahrens der Fahrtrajektorie 116 umfassen, einen Soll-Stellwert FSoll zu ermitteln, der hier als Soll-Stellkraft oder Soll-Stellmoment aufgefasst werden kann und durch einen Stromwert bzw. Leistungswert repräsentiert wird. Hierzu wird aus den Bilddaten der Bilderfassungseinrichtung 114 auf den Soll-Stellwert FSoll geschlossen, der von der Stellvorrichtung 113 typischerweise, z.B. aus Erfahrungswerten oder einem Modell hergeleitet, erforderlich wäre.
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Wie in 3 gezeigt, ermittelt die Überwachungseinrichtung 115 für den Soll-Stellwert FSoll (nicht näher gezeigt) zudem einen ersten Toleranzschwellenwert FSoll,1 und einen zweiten Toleranzschwellenwert FSoll,2 , die den Soll-Stellwert FSoll in ein Toleranzband fassen, um so Fehldiagnosen auszuschließen. Die Überwachungseinrichtung 115 vergleicht den aus der Messeinrichtung ermittelten sowie durch einen Stromaufnahmewert bzw. Leistungsaufnahmewert repräsentierten Ist-Stellwert FIst mit dem durch den Soll-Stellwert FSoll sowie die Toleranzschwellenwerte FSoll,1 , FSoll,2 gebildeten Toleranzband, wobei ein Verlassen desselben als unzulässiger Ist-Stellwert FIst gewertet wird. Bei einem als unzulässig gewerteten Ist-Stellwert FIst erzeugt die Überwachungseinrichtung 115 ein Signal, das als optische, akustische und/oder haptische Anzeige einen Fahrzeugpassagier informiert. Alternativ oder zusätzlich wird das Signal dazu verwendet, den Autonomfahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 100, ggf. nach einer Warnung, zu verlassen oder das Kraftfahrzeug 100 in einen sicheren Zustand zu bringen.
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In 3 verläuft FSoll (nicht näher gezeigt) mittig zum umfassenden Toleranzband, welches mit FSoll,1 und FSoll,2 dargestellt ist. Bei einem fehlerfreien Zustand des Lenksystems sowie idealen Bedingungen, ist der Verlauf von FIst theoretisch mittig des Toleranzbandes von FSoll , wie dies in der 3 gezeigt ist.
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Die vorstehend erläuterte Funktionsweise des Lenksystems 110 lässt sich auch als Verfahren beschreiben, das beispielsweise als Programmanweisungen im Speicher der Überwachungseinrichtung 115 gespeichert sein und durch den Prozessor ausgeführt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Verfahren während des Autonomfahrbetriebs ausgeführt, nämlich oberhalb einer Mindestgeschwindigkeitsgrenze, die z.B. Schrittgeschwindigkeit erreicht sein kann.
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In einem Schritt S1 wird das Kraftfahrzeug 100 durch die jeweilige Stellvorrichtung 113, die mit dem jeweiligen Rad 111 zum wahlweisen Schwenken desselben verbunden ist, quergeführt. In einem Schritt S2 wird die Ist-Fahrtrajektorie 116 des Kraftfahrzeugs 100, die zuvor durch die Überwachungseinrichtung 115 geplant worden sein kann, durch die Bilderfassungseinrichtung 114 bildlich erfasst. In einem Schritt S3 wird dann der Soll-Stellwert FSoll der jeweiligen Stellvorrichtung 113 anhand der erfassten Ist-Fahrtrajektorie 116 ermittelt. In einem optionalen Schritt S4 wird der Ist-Stellwert FIst mit dem Soll-Stellwert FSoll verglichen und daraus auf eine fehlerfreie oder fehlerbehaftete Funktion des Lenksystems 110 geschlossen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die vorliegende Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „ umfassend “ und „ aufweisend “ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ eine “ oder „ ein “ keine Vielzahl ausschließt.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
