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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinrichtung zum Bestimmen einer relativen Orientierung eines Anhängers zu einem Zugfahrzeug. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Zugfahrzeug mit einer derartigen Steuereinrichtung.
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Stand der Technik
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Für einen sicheren Fahrbetrieb eines Gespanns, welches ein Zugfahrzeug und einen Anhänger aufweisen kann, ist es erforderlich, kritische Ausrichtungen des Anhängers zu dem Zugfahrzeug zu vermeiden. Aus der
DE 10 2014 214 141 A1 ist es bekannt, die Ausrichtung von derartigen Fahrzeugsegmenten eines konventionellen Gespanns auf Grundlage eines einfachen Einspurmodells zu berechnen. Aus der
DE 10 2014 214 760 A1 ist es ferner bekannt, einen Winkel zwischen Längsachsen eines Gespanns aus Positionsdaten zu berechnen.
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Darstellung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen einer relativen Orientierung eines Anhängers zu einem Zugfahrzeug, wobei das Zugfahrzeug bei einer Fahrt über eine Anhängerkupplung mit dem Anhänger verbunden ist.
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Bei dem Zugfahrzeug kann es sich grundsätzlich um jedes nicht schienengebundene Fahrzeug handeln, welches einen Anhänger ziehen kann. Bei dem Anhänger kann es sich grundsätzlich um jedes nicht schienengebundene Fahrzeug zum Transportieren von Gütern handeln, welches an ein solches Zugfahrzeug angehängt werden kann.
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Das Zugfahrzeug kann in einem Beispiel eine Sattelzugmaschine und der Anhänger ein Sattelauflieger sein. Das Zugfahrzeug kann in einem anderen Beispiel ein Personenkraftwagen sein, wobei der Anhänger beispielsweise ein Tieflader oder ein Wohnwagen sein kann.
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Zugfahrzeug und Anhänger können gemeinsam ein Gespann bilden. Bei dem Gespann kann es sich um einen Sattelzug handeln, welcher die Sattelzugmaschine und den Sattelauflieger aufweisen kann. Bei der Anhängerkupplung kann es sich somit um eine Sattelkupplung handeln, welche einen Königszapfen und eine Sattelplatte aufweisen kann, welche in gekuppeltem beziehungsweise verriegeltem Zustand eine Verbindung zwischen Zugfahrzeug und Anhänger herstellen können. Eine solche Sattelkupplung kann zur Übertragung einer Zugkraft der Sattelzugmaschine auf den Sattelauflieger ausgebildet sein, wobei sich der Sattelauflieger trotz der Kraftübertragung relativ zur Sattelzugmaschine während der Fahrt verdrehen beziehungsweise verschwenken kann.
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Die gemeinsame Fahrt des Zugfahrzeugs und des Anhängers kann zumindest abschnittsweise eine Geradeausfahrt, eine Kurvenfahrt und/oder eine Übergangsfahrt zwischen einer Geradeausfahrt und einer Kurvenfahrt aufweisen. Während der Fahrt kann sich das Zugfahrzeug beziehungsweise der Anhänger auf einer entsprechenden Trajektorie bewegen.
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Die relative Orientierung des Anhängers zum Zugfahrzeug während deren gemeinsamen Fahrt kann eine Ausrichtung des Anhängers zum Zugfahrzeug oder eine Relativlage des Anhängers bezüglich des Zugfahrzeugs aufweisen. Eine derartige Orientierung, Ausrichtung oder Lage des Anhängers bezüglich des Zugfahrzeugs kann in umgekehrter Weise einer Orientierung, Ausrichtung oder Lage des Zugfahrzeugs zum Anhänger entsprechen. Die Lage des Zugfahrzeugs oder des Anhängers kann deren jeweilige absolute Orientierung und/oder deren jeweilige Position aufweisen.
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Das Verfahren bezieht sich ferner auf eine autonome Fahrt und der Anhänger und das Zugfahrzeug bilden dabei ein autonom fahrbares Gespann. Das Zugfahrzeug kann somit als autonom fahrbares Zugfahrzeug und der Anhänger als autonom betreibbarer Anhänger ausgebildet sein. Das autonom fahrbare Zugfahrzeug kann ein autonomes, selbstfahrendes oder automatisiertes Zugfahrzeug sein, welches zumindest gemäß Level Eins der Klassifizierung des Autonomen Fahrens betreibbar ist. Die Klassifizierung des Autonomen Fahrens weist die Autonomiestufen gemäß Level Null bis Fünf auf. Die autonome Fahrt kann auch als selbstständige Fahrt oder als automatisierte Fahrt beschrieben werden. Für eine autonome Fahrt kann kein Fahrer im Zugfahrzeug erforderlich sein. Das autonome Gespann kann daher auch der beschriebene Sattelzug sein, welcher als autonomer Sattelzug ausgebildet ist. Das autonome Gespann kann auch Bestandteil eines Platoons sein, welcher ein Konvoi aus mehreren autonom betreibbaren Gespannen sein kann.
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Das Verfahren weist als Verfahrensschritt ein Bestimmen räumlicher Lageinformationen des Zugfahrzeugs und des Anhängers auf. Räumliche Lageinformationen können eine oder mehrere Positionen des Zugfahrzeugs, eine oder mehrere Positionen des Anhängers, eine oder mehrere Orientierungen des Zugfahrzeugs und/oder eine oder mehrere Orientierungen des Anhängers aufweisen. Die Orientierungen können absolute Orientierungen, das heißt Orientierungen in einem festen räumlichen Koordinatensystem sein. Aus einem während der autonomen Fahrt kontinuierlichen erfassten Verlauf der räumlichen Lage des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers kann eine Trajektorie oder eine Schleppkurve des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers bestimmt werden. Der Verlauf der räumlichen Lage kann den Verlauf von Positionen und/oder den Verlauf von Orientierungen aufweisen. Das Berücksichtigen räumlicher Lageinformationen hat somit den Vorteil, dass die Fahrdynamik und das Bewegungsverhalten des Zugfahrzeugs und des Anhängers zunächst separat und unabhängig voneinander bestimmt werden können, um dann einen von dem Zugfahrzeug und dem Anhänger im Gespann gebildeten Knickwinkel im Wesentlichen direkt abzuleiten.
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Das Verfahren weist als weiteren Verfahrensschritt ein Ableiten der relativen Orientierung des Anhängers aus den bestimmten räumlichen Lageinformationen auf. Die abgeleitete relative Orientierung kann für ein autonomes Fahren des Gespanns zum automatisierten Spurführen desselben verwendet werden. Das Verfahren zum Bestimmen der relativen Orientierung des Anhängers zum Zugfahrzeug kann somit für das Steuern beziehungsweise Regeln autonomer Fahrfunktionen angewandt werden. Ein automatisches Rangieren oder Parken des Gespanns kann so basierend auf der abgeleiteten relativen Anhängerorientierung durchgeführt werden. Ferner kann ein autonomes Einfahren oder Ausfahren eines Gespanns in oder aus einer vorgegebenen Route durchgeführt werden. Eine Kenntnis eines aktuellen Knickwinkels zwischen Zugfahrzeug und Anhänger kann für derart automatische beziehungsweise autonome Funktionen notwendig sein, um während der Fahrt zu überprüfen, ob und wenn ja wie sich ein aktuell eingestellter Knickwinkel auf das Fahrverhalten des Gespanns auswirken kann. Kritische Knickwinkel können so automatisch erkannt werden und aus diesen möglicherweise entstehende Schäden rechtzeitig durch ein Eingreifen in die autonome Fahrt vermieden werden.
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Im Rahmen der Erfindung kann somit eine relative Orientierung eines Anhängers zu einem Zugfahrzeug in einer autonomen Fahrt derselben im Wesentlichen nur auf Grundlage von absoluten Lagebestimmungen des Zugfahrzeugs und des Anhängers bestimmt werden. Bei den absoluten Lagebestimmungen kann es sich dabei um einzelne Messungen von absoluten Orientierungen und/oder Positionen des Zugfahrzeugs und des Anhängers handeln. Die absoluten Orientierungen können sich auf eine beliebige Referenzrichtung beziehen.
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Ein vorteilhafter Effekt der Erfindung kann daher darin gesehen werden, dass keine störungsanfälligen direkten Messungen zwischen Zugfahrzeug und Anhänger mittels distanzmessender oder bildgebender Sensorik notwendig sein müssen, um die relative Orientierung des Anhängers zum Zugfahrzeug zu bestimmen. Mit der Erfindung wird daher ein effektiveres und zugleich zuverlässigeres Konzept zum Ableiten einer relativen Anhängerorientierung in einem Gespann bereitgestellt.
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Dem Ansatz der Erfindung kann ferner zugrunde gelegt werden, dass die relative Orientierung des Anhängers unabhängig von einem aktuell abgefahrenen Kurvenradius abgeleitet werden kann. Die relative Orientierung kann daher beispielsweise auch während einer Geradeausfahrt oder einer Fahrt auf einem gekrümmten Streckenabschnitt abgeleitet werden.
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In einer Ausführungsform weist der Verfahrensschritt des Bestimmens räumlicher Lageinformationen des Zugfahrzeugs und des Anhängers ein Bestimmen von Gierraten des Zugfahrzeugs und des Anhängers mit Gierratensensoren eines Fahrdynamikregelungssystems auf. Die Gierraten, welche Giergeschwindigkeiten beziehungsweise Gierwinkel aufweisen können, können als Winkelgeschwindigkeit einer jeweiligen Drehung des Zugfahrzeugs und des Anhängers um deren jeweilige im Wesentlichen vertikale Hochachse beschrieben werden. Als Gierratensensoren können daher jede Drehratensensoren oder Inertialsensoren zum separaten Messen von Gierraten auf dem Zugfahrzeug und dem Anhänger angeordnet sein. Zum Beispiel können hierfür mikromechanische Drehratensensoren oder MEMS-Chips verwendet werden.
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Gierratensensoren können in einem Fahrdynamikregelungssystem, welches auch als ein Fahrstabilitätssystem oder Fahrdynamikstabilisierungssystem verstanden werden kann, auf dem Zugfahrzeug und auf dem Anhänger unabhängig voneinander vorhanden sein. Auf dem Zugfahrzeug und auf dem Anhänger kann hierfür jeweils eine das Fahrdynamikregelungssystem bildende Fahrdynamikregelungseinrichtung angeordnet sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrdynamikregelungssystem oder bei einer Fahrdynamikregelungseinrichtung um eine elektronische Stabilitätskontrolle (ESP) oder um ein Navigationssystem handeln. Mit derartigen Fahrdynamikregelungssystemen können Gierraten mit mikromechanische Drehratensensoren gemessen werden. Gierratensensoren können hierfür in vorteilhafter Weise in Schwerpunkten des Zugfahrzeugs und des Anhängers angeordnet sein. Systematische Fehlereinflüsse auf das Bestimmen der Gierraten können so minimiert werden.
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Aus den bestimmten Gierraten des Zugfahrzeugs und des Anhängers können Richtungen oder absolute Orientierungen beziehungsweise deren Änderungen bestimmt werden. Aus einem Vergleich beziehungsweise einer Differenz der Richtungen oder der absoluten Orientierung des Zugfahrzeugs und der absoluten Orientierung des Anhängers kann die relative Orientierung des Anhängers zum Zugfahrzeug direkt abgeleitet werden. Hierfür können geometrische Abmessungen des Gespanns, des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers berücksichtigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Verfahrensschritt des Bestimmens räumlicher Lageinformationen des Zugfahrzeugs und des Anhängers ein Bestimmen von Positionen des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers mit einem Navigationssystem auf. Die Positionen, welche Aufenthaltsorte definieren können, können als Ortsvektoren in einem räumlichen Koordinatensystem beschrieben werden. Zum Bestimmen der Positionen können beispielsweise zumindest eine Komponente eines satellitengestützten Positionierungssystems auf dem Zugfahrzeug und/oder dem Anhänger angeordnet sein. Zum Beispiel können hierfür zumindest eine GNSS-Antenne, beispielsweise eine GPS-Antenne, auf dem Zugfahrzeug und/oder dem Anhänger angeordnet sein. Mittels eines GNSS (globales Navigationssatellitensystem) können so Positionen des Zugfahrzeugs und des Anhängers in naher Echtzeit beispielsweise mittels Differential-GPS unter Berücksichtigung von Referenzdaten bestimmt werden. Derartige Komponenten eines satellitengestützten Positionierungssystems können zumindest teilweise von dem Navigationssystem des Gespanns umfasst sein. Mit einem Navigationssystem können alternativ oder zusätzlich Informationen zu einem Streckenverlauf bereitgestellt werden, wobei das Gespann dem Streckenverlauf oder einer Spur auf diesem folgen kann.
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Aus einer Vielzahl von bestimmten Positionen des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers und/oder dem bereitgestellten Streckenverlauf können ferner absoluten Orientierungen beziehungsweise Änderungen absoluter Orientierungen mittels einer daraus ermittelten Trajektorie bestimmt werden. Aus einem Vergleich beziehungsweise einer Differenz der absoluten Orientierung des Zugfahrzeugs und der absoluten Orientierung des Anhängers kann alternativ oder zusätzlich zum beschriebenen Berücksichtigen der absoluten Orientierungen aus den Gierraten die relative Orientierung des Anhängers zum Zugfahrzeug abgeleitet werden.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens weist als Verfahrensschritt ein Bestimmen von Raddrehzahldifferenzen an Rädern des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers mit Drehzahlsensoren auf. In dieser Ausführungsform erfolgt das Bestimmen räumlicher Lageinformationen in Abhängigkeit der bestimmten Raddrehzahldifferenzen. Durch Verwenden der Raddrehzahlen des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers können anhand von Differenzdrehzahlen von Rädern einzelner Achsen des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers während einer Kurvenfahrt die relative Orientierung des Anhängers alternativ oder zusätzlich abgeleitet werden. Ferner kann ein sich Ändern der relativen Orientierung des Anhängers fortlaufend während der Fahrt abgeleitet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Bestimmen räumlicher Lageinformation des Zugfahrzeugs ein Bestimmen räumlicher Lageinformation des Zugfahrzeugs an einer Hinterachse des Zugfahrzeugs aufweisen. Dies kann vorteilhaft sein, um beispielsweise die Einflüsse einer Schleppkurvenfahrt während der Fahrt des Gespanns beim Ableiten der relativen Orientierung des Anhängers zu berücksichtigen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Verfahrensschritt des Ableitens der relativen Orientierung des Anhängers ein Bestimmen eines Winkels zwischen einer Längsachse des Zugfahrzeugs und einer Längsachse des Anhängers auf. Die Orientierung des Zugfahrzeugs zum Anhänger kann durch einen Winkel in der Anhängerkupplung zwischen den Längsachsen des Zugfahrzeugs und des Anhängers ausgedrückt werden. Bei einer Geradeausfahrt und einer nicht ausgelenkten Stellung des Anhängers kann der Winkel Null Grad betragen und bei einer theoretischen, rechtwinkligen Auslenkung des Anhängers zum Zugfahrzeug kann der Winkel 90 Grad betragen. Der Winkel kann dazwischen jeden Winkel zwischen Null und 90 Grad aufweisen. Die relative Ausrichtung beziehungsweise der Winkel kann auch einen Knickwinkel definieren, welcher ein Abknicken der Längsachse des Anhängers zur Längsachse des Zugfahrzeugs an der Anhängerkupplung beschreiben kann.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Verfahrensschritt des Ableitens der relativen Orientierung des Anhängers ein Festlegen und ein Anwenden eines mathematischen Zusammenhangs zwischen der räumlichen Lageinformation und der relativen Orientierung des Anhängers auf. Bei dem mathematischen Zusammenhang kann es sich um einen geometrischen beziehungsweise trigonometrischen Zusammenhang handeln. Aus bestimmten absoluten Orientierungen oder Richtungen des Zugfahrzeugs und des Anhängers kann die relative Orientierung oder der Winkel zwischen Zugfahrzeug und Anhänger durch Differenzbildung direkt abgeleitet werden. Aus bestimmten Positionen des Zugfahrzeugs und des Anhängers kann die relative Orientierung oder der Winkel zwischen Zugfahrzeug und Anhänger mittelbar durch zwischengeschaltete Trajektorienberechnungen des Zugfahrzeugs und des Anhängers und jeweilige Tangenten an die Trajektorien des Zugfahrzeugs und des Anhängers berechnet werden. Hierbei kann über eine Differenzbildung zwischen den Tangenten die relative Orientierung des Anhängers abgeleitet werden. Derartige Zusammenhänge können unabhängig von auf das Zugfahrzeug und/oder auf den Anhänger einwirkende Kräfte oder deren Fahrgeschwindigkeiten zum Ableiten der relativen Orientierung des Anhängers angewandt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren als zusätzlichen Verfahrensschritt ein Bestimmen einer durch einen Hebel zwischen der Anhängerkupplung und einer Radaufstandsfläche des Zugfahrzeugs resultierenden Kraftdifferenz auf. Die Kraftdifferenz wird bei dieser Ausführungsform aus zwei Kräften gebildet, welche bei der autonomen Fahrt des Gespanns an zwei voneinander beabstandeten Fahrwerkskomponenten des Zugfahrzeugs einwirken.
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Bei einer Kurvenfahrt können sich das Zugfahrzeug und der Anhänger aufgrund von auf diese einwirkender Fliehkräfte zur Kurvenaußenseite neigen und ein entsprechendes Wanken des Zugfahrzeugs und des Anhängers auslösen. Die Fliehkräfte können Zentripetalkraftkomponenten beziehungsweise Zentrifugalkraftkomponenten aufweisen. Aus einem derartigen Wankverhalten kann ein Wankmoment auf das Zugfahrzeug und den Anhänger resultieren.
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Ein durch das Wankmoment und durch starre Fahrwerkskomponenten gebildeter Hebel kann so physikalisch und örtlich zwischen der Anhängerkupplung und der Radaufstandsfläche auf dem Zugfahrzeug angeordnet sein. Ein derartiger Hebel kann dabei durch im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des Zugfahrzeugs ausgebildeter Fahrwerkskomponenten ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann ein Hebel starr miteinander verbundene Komponenten des Fahrwerks aufweisen.
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Der Hebel zwischen der Anhängerkupplung und der Radaufstandsfläche kann einen Drehpunkt und einen Hebelarm aufweisen. Der Drehpunkt des Hebels kann an der Anhängerkupplung beziehungsweise an einem Punkt entlang der Längsachse des Zugfahrzeugs ausgebildet sein. Der Hebelarm des Hebels kann ein Kraftarm oder ein Lastarm sein. Der Hebelarm kann sich seitlich neben der Anhängerkupplung beziehungsweise im Wesentlichen senkrecht zur Fahrzeuglängsachse bis hin zur Radaufstandsfläche erstrecken. Somit kann der Hebelarm um die Anhängerkupplung beziehungsweise um einen Punkt entlang der Fahrzeuglängsachse drehbar beziehungsweise schwenkbar sein. Ein entsprechendes Drehmoment in Bezug auf den Drehpunkt kann auf dem beschriebenen Wankmoment basieren. Seitlich neben der Anhängerkupplung beziehungsweise der Fahrzeuglängsachse können sich in entsprechender Weise auch zwei Hebelarme wippenartig erstrecken, wobei beide Hebelarme auf demselben Drehmoment beziehungsweise Wankmoment in der Anhängerkupplung beruhen. Ein derartiger Hebel mit zwei Hebelarmen kann von einer Radachse als starre Fahrwerkskomponente, beispielsweise der Hinterradachse des Zugfahrzeugs, während einer Kurvenfahrt gebildet werden.
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Die Kraftdifferenz, welche aus den zwei an beabstandeten Fahrwerkskomponenten einwirkenden Kräften gebildet wird, kann somit auch als Differenz zweier Hebelkräfte beschrieben werden, welche durch ein Wankmoment in einer Kurvenfahrt auf das Fahrwerk des Zugfahrzeugs an dessen kurveninneren und kurvenäußeren Seite einwirken. Die beiden Kräfte können dabei beidseitig der Anhängerkupplung beziehungsweise der Fahrzeuglängsachse auf Fahrwerkskomponenten einwirken, wobei die Kräfte rechts und links der Anhängerkupplung beziehungsweise der Fahrzeuglängsachse in unterschiedlichen Kraftwirkungsrichtungen angreifen können. Die Kraftwirkungsrichtungen können dabei im Wesentlichen entgegengesetzte Richtungen aufweisen.
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Das Fahrwerk des Zugfahrzeugs, auf welches die Kräfte einwirken können, kann alle Fahrzeugkomponenten umfassen, welche einer Verbindung eines Fahrgestells des Zugfahrzeugs über die Räder zur Fahrbahn dienen können. Die Räder können hierbei die Fahrbahn an der Radaufstandsfläche berühren. Da die Reifen die Fahrbahn berühren kann die Radaufstandsfläche auch als Reifenaufstandsfläche beschrieben werden. Fahrwerkskomponenten können somit beispielsweise Räder, Radträger, Radlager, Bremsen, Radaufhängungen, Fahrschemel, Federn, Stabilisatoren, Dämpfer und Komponenten der Lenkung sein.
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Die Ausführungsform bezüglich des Bestimmens einer durch einen Hebel zwischen der Anhängerkupplung und einer Radaufstandsfläche des Zugfahrzeugs resultierenden Kraftdifferenz weist als weiteren Verfahrensschritt ein Ableiten der relativen Orientierung des Anhängers aus den bestimmten räumlichen Lageinformationen und der bestimmten Kraftdifferenz auf.
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Das Ableiten der relativen Orientierung kann daher zusätzlich ein Modellieren eines mathematischen Zusammenhangs zwischen den beschriebenen Krafteinwirkungen auf das Zugfahrzeug und der Anhängerorientierung aufweisen. Hierbei können Eigenschaften des Anhängers und/oder des Zugfahrzeugs zum Kalibrieren des Rechenmodells während der Fahrt oder bereits vor der Fahrt bestimmt und verwendet werden. Derartige Eigenschaften können jeweilige Fahrdynamikparameter, Abmessungen, Abstände und/oder Gewichte des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers umfassen. Der mathematische Zusammenhang zwischen den räumlichen Orientierungen und der Anhängerorientierung kann gemeinsam mit dem mathematischen Zusammenhang zwischen den Krafteinwirkungen auf das Zugfahrzeug und der Anhängerorientierung verwendet werden, um die relative Orientierung des Anhängers zuverlässig und genauer abzuleiten.
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Ein vorteilhafter Effekt des gemeinsamen Bestimmens räumlicher Lageinformation, vor allem des Bestimmens von Gierraten des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers, zusammen mit dem Bestimmen einer Kraftdifferenz auf das Zugfahrzeug kann darin gesehen werden, dass so auf das Zugfahrzeug und dessen Fahrwerk einwirkende Kraftkomponenten der Zentripetalkraft beziehungsweise Zentrifugalkraft, welche die an den zwei voneinander beabstandeten Fahrwerkskomponenten des Zugfahrzeugs einwirkenden Kräfte verfälschen oder systematisch verändern können, beim Bestimmen der Kraftdifferenz kompensiert werden können. Mit anderen Worten kann die bestimmte räumliche Lageinformation, vor allem bestimmte Gierraten, zum Korrigieren von Kraftmessungen verwendet werden. Ein Kompensieren derart auf das Zugfahrzeug aufgrund fahrdynamischer Effekt einwirkender Kraftkomponenten kann ein Beseitigen oder Herausrechnen dieser Kraftkomponenten aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Fahrgeschwindigkeit als Fahrdynamikparameter berücksichtigt werden, um entsprechende auf das Zugfahrzeug und dessen Fahrwerk einwirkende Kraftkomponenten oder Messfehler zu kompensieren.
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In einer Ausführungsform weist der Verfahrensschritt des Ableitens der relativen Orientierung des Anhängers ein direktes Messen der zwei an den voneinander beabstandeten Fahrwerkskomponenten des Zugfahrzeugs einwirkenden Kräften auf. Hierfür können Kraftmesser beziehungsweise Kraftaufnehmer an den Fahrwerkskomponenten angeordnet sein. Ein Kraftmessen kann ein Messen von auf die Fahrwerkskomponenten einwirkender Zugkräfte und/oder Druckkräfte aufweisen. Beispielsweise können an im Fahrwerk des Zugfahrzeugs angeordneten Blattfedern mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) dehnende und stauchende Verformungen an den Blattfedern bestimmt werden und daraus die auf diese einwirkenden Kräfte bestimmt werden. Durch das Wankmoment ausgelöste Hebelkräfte können so in vorteilhafter Weise an Fahrwerkskomponenten direkt bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Verfahrensschritt des Ableitens der relativen Orientierung des Anhängers ein Ermitteln einer aus der Kraftdifferenz resultierenden Druckdifferenz und ein Ableiten der relativen Orientierung des Anhängers aus den bestimmten räumlichen Lageinformationen und der ermittelten Druckdifferenz auf. Aus den an den voneinander beabstandeten Fahrwerkskomponenten des Zugfahrzeugs einwirkenden Kräften können an jeweiligen Flächen der Fahrwerkskomponenten vorhandene Drücke ermittelt werden. Die Flächen können an oder in den zwei voneinander beabstandeten Fahrwerkskomponenten angeordnet sein. Die Druckdifferenz kann dann aus einer Differenz der beiden so ermittelten Drücke berechnet werden. Die Druckdifferenz kann ferner auf einer Druckänderung basieren.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Verfahrensschritt des Ableitens der relativen Orientierung des Anhängers ein direktes Messen von zwei in den voneinander beabstandeten Fahrwerkskomponenten des Zugfahrzeugs vorhandenen Drücke auf. Hierfür können Druckmesser in oder an den Fahrwerkskomponenten angeordnet sein. Ein Vorteil von derartigen Druckmessungen besteht darin, dass hierfür bereits in Fahrwerkskomponenten vorhandene Druckmesser zum Bestimmen von Hebelkräften verwendet werden können.
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In einer weiteren Ausführungsformen sind die zwei voneinander beabstandeten Fahrwerkskomponenten Dämpfer des Zugfahrzeugs. Die Dämpfer können mechanische Dämpfer oder Federn aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die Dämpfer hydropneumatische Federungen aufweisen. Bei den Dämpfern kann es sich um Stoßdämpfer des Zugfahrzeugs handeln.
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Die Dämpfer können ölgefederter Dämpfer aufweisen, bei welchen es sich um passiv ölgefederte Dämpfer oder um aktiv beziehungsweise elektronisch ölgefederte Dämpfer handeln kann. Bei derartigen Dämpfern können Öldrücke gemessen werden, woraus entsprechende Kräfte, welche die Öldrücke in den Dämpfern bewirken, abgeleitet werden können. Ein derartiges Heranziehen von Öldrücken hat den Vorteil, dass ein fortlaufendes Messen von Öldrücken in elektronisch geregelten Dämpfersystemen von Zugfahrzeugen zum Ableiten der relativen Orientierung des Anhängers verwendet werden kann.
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Alternativ oder zusätzliche können die Dämpfer Druckluftdämpfer, Luftfederdämpfer oder hydropneumatische Dämpfer zum Dämpfen von Schwingungen des Fahrzeugfahrwerks aufweisen. Derartige Dämpfer können zum Regulieren eines Fahrzeugniveaus vorgesehen sein, womit das Fahrzeugniveau des Zugfahrzeugs angehoben und abgesenkt werden kann. Das Fahrzeugniveau des Zugfahrzeugs kann so an das Niveau des Anhängers angepasst werden. Druckluftdämpfer oder hydropneumatische Dämpfer können Komponenten eines Luftfahrwerks des Zugfahrzeugs sein, welches auch für Fahrstabilität und Fahrkomfort während der Fahrt sorgen kann. Bei derartigen Dämpfern können Luftdrücke und/oder Öldrücke gemessen werden, woraus entsprechende Kräfte, welche Fluiddrücke in den Dämpfern bewirken, abgeleitet werden können.
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Bei den Dämpfern kann es sich ferner um magnetorheologische Dämpfer handeln. An derartigen Dämpfern kann ein Steuerstrom anliegen, welcher durch Spulen der Dämpfer fließen kann. Der Steuerstrom kann die Viskosität eines magnetorheologischen Dämpfermediums ändern. Der Steuerstrom kann daher zusätzlich zum Bestimmen von Drücken beziehungsweise zum Ableiten von Dämpferkräften verwendet werden.
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In den Ausführungsformen, in welchen die Fahrwerkskomponenten Dämpfer sind, weist das Ermitteln der aus der bestimmten Kraftdifferenz resultierenden Druckdifferenz ein Erfassen von zwei Fluiddrücken in den zwei voneinander beabstandeten Dämpfern auf. Bei den Fluiddrücken kann es sich um jeweilige Luftrücke und/oder um Öldrücke in den Dämpfern handeln. Das während einer Kurvenfahrt entstehende Wankmoment beziehungsweise Drehmoment kann sich auf die beschriebenen Drücke auswirken. Dabei können sich Drücke aufgrund des Hebels und den in den Dämpfern wirkenden Hebelkräften verringern oder vergrößern. An Dämpfern derart erzeugte vertikale Kräfte können in einem direkten physikalischen Zusammenhang mit dem an der Anhängerkupplung vorhandenen Wankmoment beziehungsweise Drehmoment und/oder einer dort einwirkenden Kraft stehen. Die relative Anhängerorientierung kann daher zusätzlich im Wesentlichen unmittelbar aus den beschriebenen Kräften abgeleitet werden.
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Ein Dämpfer, welcher an einer dem Kurveninneren zugewandten Seite des Fahrwerks angeordnet ist, kann aufgrund einer vertikal nach oben gerichteten Hebelkraftkomponente zusätzlich entlastet werden, wodurch der Druck in einem solchen inneren Dämpfer verringert sein kann. Ein Dämpfer, welcher an einer dem Kurvenäußeren zugewandten Seite des Fahrwerks angeordnet ist, kann dagegen aufgrund einer vertikal nach unten gerichteten Hebelkraftkomponente zusätzlich belastet werden, wodurch der Druck in einem solchen inneren Dämpfer vergrößert sein kann. Der so verringerte beziehungsweise vergrößerte Druck in den Dämpfern kann sich auf einen während einer Geradeausfahrt oder einem Fahrzeugstillstand vorherrschenden Referenzdruck in den Dämpfern beziehen, welcher in den Dämpfern auf beiden Seiten des Fahrwerks im Wesentlichen gleich sein kann. Bei einer Geradeausfahrt kann zudem eine orthogonal zum Fahrwerk ausgerichtete Zugkraft an der Anhängerkupplung einwirken.
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Das Ableiten der relativen Orientierung des Anhängers kann somit auf einem Vergleichen von Drücken in bezüglich einer Längsachse des Zugfahrzeugs gegenüberliegenden Dämpfern, das heißt in zumindest einem rechten und linken Dämpfer, beruhen. Eine aus einem derartigen Vergleich resultierende Druckdifferenz kann somit ein Maß für eine aktuelle relative Orientierung des Anhängers während einer Kurvenfahrt sein. Das Maß kann einen proportionalen mathematischen Zusammenhang aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die zwei voneinander beabstandeten Fahrwerkskomponenten Räder des Zugfahrzeugs. Die Räder können an einer Radachse des Zugfahrzeugs angeordnet sein, wobei es sich um ein rechtes und ein linkes Rad handeln kann. Die Räder können zusätzlich oder alternativ zu den Dämpfern als Fahrwerkskomponenten herangezogen werden, wobei auch an ihnen einwirkende Kräfte beziehungsweise Drücke überwacht werden können.
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In der Ausführungsform, in welcher die Fahrwerkskomponenten Räder sind, weist das Ermitteln der aus der bestimmten Kraftdifferenz resultierenden Druckdifferenz ein Erfassen von zwei Luftdrücken in den zwei voneinander beabstandeten Rädern auf. Bei den Luftdrücken kann es sich um Reifendrücke in Reifen der Räder handeln. Das während einer Kurvenfahrt entstehende Wankmoment beziehungsweise Drehmoment kann sich in analoger Weise zu den Drücken in Dämpfern auch auf Luftdrücke in Rädern auswirken.
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Ein Rad beziehungsweise Reifen, welcher an einer dem Kurveninneren zugewandten Seite des Fahrwerks angeordnet ist, kann aufgrund der vertikal nach oben gerichteten Hebelkraftkomponente entlastet werden, wodurch der Reifendruck in einem solchen inneren Reifen verringert sein kann. Ein Rad beziehungsweise Reifen, welcher an einer dem Kurvenäußeren zugewandten Seite des Fahrwerks angeordnet ist, kann dagegen aufgrund der vertikal nach unten gerichteten Hebelkraftkomponente belastet werden, wodurch der Reifendruck in einem solchen inneren Reifen vergrößert sein kann. Die von dem Hebel und dem Wankmoment ausgelösten Hebelkraftkomponenten können vertikal auf die Reifenaufstandsflächen einwirkende Kraftkomponenten darstellen. Der so verringerte beziehungsweise vergrößerte Reifendruck in den Reifen kann sich auf einen während einer Geradeausfahrt oder einem Fahrzeugstillstand vorherrschenden Referenzdruck in den Reifen beziehen, welcher auf beiden Seiten des Fahrwerks im Wesentlichen gleich sein kann oder vor einer Fahrt gemessen werden kann. Die Hebelkraftkomponenten können auch als vertikale Zug- oder Druckkraftkomponenten auf das Fahrwerk beziehungsweise auf die Reifen und deren Aufstandsflächen beschrieben werden.
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Das Ableiten der relativen Orientierung des Anhängers kann somit alternativ oder zusätzlich zu dem Vergleichen von Drücken in gegenüberliegenden Dämpfern auf einem zusätzlichen Vergleichen von Reifendrücken beruhen. Eine aus einem derartigen Vergleich resultierende Reifendruckdifferenz kann somit auch ein zusätzliches Maß für eine aktuelle relative Orientierung des Anhängers während einer Kurvenfahrt sein. Derart zusätzliche Vergleiche können in vorteilhafter Weise eine Steigerung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit beim Ableiten der relativen Orientierung des Anhängers in einer Kurvenfahrt bewirken.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die zwei voneinander beabstandeten Fahrwerkskomponenten des Zugfahrzeugs an einer Hinterachse des Zugfahrzeugs angeordnet. An der Hinterachse des Zugfahrzeugs können Druckluftdämpfer zum Regulieren des Fahrzeugniveaus angeordnet sein. Die an den Dämpfern der Hinterachse des Zugfahrzeugs durch das Wankmoment in einer Kurvenfahrt erzeugten vertikalen Kraftkomponenten können in vorteilhafter Weise in einem direkten physikalischen Zusammenhang mit dem Drehmoment beziehungsweise einer Kraft in einem von der Anhängerkupplung gebildeten Anhängepunkt stehen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Verfahrensschritt des Ableitens der relativen Orientierung des Anhängers ein Festlegen und/oder Anwenden eines mathematischen Zusammenhangs zwischen der bestimmten räumlichen Lageinformation, der bestimmten Kraftdifferenz und der abzuleitenden relativen Orientierung des Anhängers auf. Der mathematische Zusammenhang kann ferner einen Zusammenhang zwischen einer oder mehrerer der ermittelten Druckdifferenz und der abzuleitenden relativen Orientierung des Anhängers aufweisen. Das Festlegen und/oder Anwenden des mathematischen Zusammenhangs kann zudem ein gemeinsames Berücksichtigen von Differenzdrücken in Dämpfern und/oder in Rädern des Zugfahrzeugs aufweisen. Der mathematische Zusammenhang kann ferner Gierraten, Positionen und/oder Raddrehzahlen des Zugfahrzeugs und/oder des Anhängers berücksichtigen. Der mathematische Zusammenhang kann auch einen linearen oder proportionalen Zusammenhang beispielsweise basierend auf dem physikalischen Hebelgesetz aufweisen.
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Einer der beschriebenen mathematischen Zusammenhänge kann Methoden der Messdatenfusionierung, Parameterschätzung und/oder Ausgleichungsrechnung aufweisen, um die relative Orientierung des Anhängers in einem überbestimmten Gleichungssystem abzuleiten. Auch ein Filterungsansatz, beispielsweise ein Kalman-Filter, kann angewendet werden, um den mathematischen Zusammenhang zu unterstützen oder um diesen herzustellen. Jedes dieser Redundanzkonzepte hat den Vorteil, dass die relative Orientierung des Anhängers genauer und zuverlässiger bestimmt werden kann. Die einzelnen Rechengrößen können hierbei einzeln, redundant oder in beliebiger Kombination in ein gemeinsames Rechenmodell zum Ableiten der relativen Orientierung des Anhängers einfließen. Ein derartiges Rechenmodell hat den Vorteil, dass systematische Fehlereinflüsse auf die relative Orientierung genauer und zuverlässiger berücksichtigt werden können. Der rechnerische Zusammenhang kann daher auch ein Schätzen der relativen Orientierung des Anhängers oder eines Knickwinkels zwischen Zugfahrzeug und Anhänger aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Steuereinrichtung zum Bestimmen einer relativen Orientierung eines Anhängers zu einem Zugfahrzeug, wobei der Anhänger und das Zugfahrzeug ein autonom fahrbares Gespann bilden und wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Verfahrensschritte gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Die Steuereinrichtung weist einen Signaleingang zum Empfangen eines Signals zum Bestimmen räumlicher Lageinformationen des Zugfahrzeugs und des Anhängers und einen Signalausgang zum Ausgeben eines Signals zum Ableiten der relativen Orientierung des Anhängers aus den bestimmten räumlichen Lageinformationen auf.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein autonomes Zugfahrzeug, an welches ein Anhänger über eine Anhängerkupplung anhängbar ist. Das Zugfahrzeug weist die beschriebene Steuereinrichtung auf. Das autonome Zugfahrzeug kann fahrerlos betrieben werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein autonomes Zugfahrzeug mit einer Steuereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und einen am Zugfahrzeug angehängten Anhänger.
- 2 zeigt das autonome Zugfahrzeug gemäß 1 ohne den in 1 gezeigten Anhänger.
- 3 zeigt ein Ablaufdiagramm von Verfahrensschritten zum Ausführen des Verfahrens zum Bestimmen einer relativen Orientierung eines Anhängers zu einem Zugfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 ist in einer Draufsicht ein autonomer Sattelzug 5 als autonom fahrbares Gespann bei einer autonomen Fahrt entlang einer Straße 6 gezeigt. Der autonom fahrende Sattelzug 5 umfasst eine autonom fahrbare Sattelzugmaschine 2 als Zugfahrzeug und einen autonom betreibbaren Sattelauflieger 4 als Anhänger. In 2 ist der Sattelzug 5 aus Übersichtlichkeitsgründen ohne den Sattelauflieger 4 gezeigt.
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Die Sattelzugmaschine 2 ist mittels einer Sattelkupplung 3 mit dem Sattelauflieger 4 derart gekuppelt, dass der Sattelauflieger 4 relativ zur Sattelzugmaschine 2 um die Sattelkupplung 3, das heißt um einen Königszapfen 7 der Sattelkupplung 3, drehbar ist. Die Sattelkupplung 3 weist den am Sattelauflieger 4 angeordneten Königszapfen 7 und eine in 2 gezeigte und an der Sattelzugmaschine 2 angeordnete Sattelplatte 8 auf. Der Königszapfen 7 greift in einem gekuppelten Zustand der Sattelkupplung 3 in die Sattelplatte 8 ein und wird in ihr verriegelt.
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Während der autonomen Fahrt des Sattelzugs 5 entlang der Straße 6 durchfährt der Sattelzug 5 eine Kurve 9. In dieser Kurvenfahrt verdreht sich der Sattelauflieger 4 relativ zur Sattelzugmaschine 2 um die Sattelkupplung 3. Dabei ist die relative Orientierung des Sattelaufliegers 4 zur Sattelzugmaschine 2 durch einen Winkel 43 gezeigt, welcher in der Sattelkupplung 3 zwischen einer Längsachse 42 der Sattelzugmaschine 2 und einer Längsachse 44 des Sattelaufliegers 4 gebildet wird.
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Auf der Sattelzugmaschine 2 und auf dem Sattelauflieger 4 sind ferner jeweils ein Gierratensensor 12, 14 und eine GPS-Antenne 22, 24 angeordnet. Die Lage des Gierratensensors 12 und der GPS-Antenne 22 auf der Sattelzugmaschine 2 sind in einem Fahrzeugkoordinatensystem 52 der Sattelzugmaschine 2 festgelegt. Die Lage des Gierratensensors 14 und der GPS-Antenne 24 auf dem Sattelauflieger 4 sind in einem weiteren Fahrzeugkoordinatensystem 54 des Sattelaufliegers 4 festgelegt. Ferner sind die Lage der Längsachse 42 der Sattelzugmaschine 2 im Fahrzeugkoordinatensystem 52 der Sattelzugmaschine 2 und die Lage der Längsachse 44 des Sattelaufliegers 4 im Fahrzeugkoordinatensystem 54 des Sattelaufliegers 4 festgelegt.
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Der Winkel 43 wird mittels eines trigonometrischen Zusammenhangs zwischen Gierraten (nicht gezeigt) der Gierratensensoren 12, 14, Positionen (nicht gezeigt) der GPS-Antennen 22, 24 und dem Winkel 43 berechnet. Hierfür werden aus den Gierraten und den Positionen an Aufenthaltsorten des Sattelzugs 5 absolute Orientierungen (nicht gezeigt) der Längsachsen 42, 44 beziehungsweise absolute Orientierungen (nicht gezeigt) der Fahrzeugkoordinatensysteme 52, 54 unmittelbar ermittelt. Der trigonometrische Zusammenhang umfasst dann eine Differenz zwischen den ermittelten absoluten Orientierungen, um so den Winkel 43 zu berechnen.
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In 3 sind Verfahrensschritte S1, S2, S3 zum Berechnen des in 1 gezeigten Winkels 43 in einer zeitlichen Abfolge gezeigt. Die Verfahrensschritte werden von einer auf der Sattelzugmaschine 2 angeordneten und in den 1 und 2 gezeigten Steuereinrichtung 50 durchgeführt.
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Der erste von der Steuereinrichtung 50 durchgeführte Verfahrensschritt S1 umfasst eine jeweilige Lagebestimmung der Sattelzugmaschine 2 und des Sattelaufliegers 4. Die Lagebestimmungen weisen die mit Bezug auf 1 und 2 beschriebenen Orientierungsbestimmungen der Sattelzugmaschine 2 und des Sattelaufliegers 4 auf. In einem ersten Unterschritt S1a werden hierfür mit den Gierratensensoren 12, 14 Gierraten der Sattelzugmaschine 2 und des Sattelaufliegers 4 an Aufenthaltsorten des Sattelzugs 5 bestimmt. In einem zweiten Unterschritt S1b werden ferner mit den GPS-Antennen 22, 24 Positionen der Sattelzugmaschine 2 und des Sattelaufliegers 4 an Aufenthaltsorten des Sattelzugs 5 bestimmt.
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Der zweite von der Steuereinrichtung 50 durchgeführte Verfahrensschritt S2 umfasst ein Festlegen des beschriebenen trigonometrischen Zusammenhangs zwischen den in Schritt S1 bestimmten Lageinformationen und dem in 1 gezeigten Winkel 43.
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Der dritte von der Steuereinrichtung 50 durchgeführte Verfahrensschritt S3 umfasst das Anwenden des beschriebenen trigonometrischen Zusammenhangs zwischen den in Schritt S1 bestimmten Lageinformationen und dem in 1 gezeigten Winkel 43 zum Berechnen des Winkels 43. Der so berechnete Winkel 43 beschreibt die während der autonomen Fahrt des Sattelzugs 5 durch die Kurve 9 vorhandene aktuelle relative Orientierung des Sattelaufliegers 4 zur Sattelzugmaschine 2.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Sattelzugmaschine
- 3
- Sattelkupplung
- 4
- Sattelauflieger
- 5
- Sattelzug
- 6
- Straße
- 7
- Königszapfen
- 8
- Sattelplatte
- 9
- Kurve
- 12
- Gierratensensor Sattelzugmaschine
- 14
- Gierratensensor Sattelauflieger
- 22
- GPS-Antenne Sattelzugmaschine
- 24
- GPS-Antenne Sattelauflieger
- 42
- Längsachse Sattelzugmaschine
- 43
- Winkel
- 44
- Längsachse Sattelauflieger
- 50
- Steuereinrichtung
- 52
- Fahrzeugkoordinatensystem Sattelzugmaschine
- 54
- Fahrzeugkoordinatensystem Sattelauflieger
- S1
- Lagebestimmung
- S1a
- Gierratenbestimmung
- S1b
- Positionsbestimmung
- S2
- Zusammenhangsfestlegung
- S3
- Orientierungsableitung
