DE102019101045A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung eines Fahrzeugs - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung und Verfahren zur Regelung eines Fahrzeugs, wobei ein modell-prädiktiver Regler wenigstens eine Stellgröße für eine Vielzahl von Regelstrecken für die Beeinflussung eines Fahrverhaltens eines Fahrzeugs vorgibt (206), wobei die wenigstens eine Stellgröße abhängig von einem zeit-diskreten dynamischen Modell des zu regelnden Fahrzeugs bestimmt wird (204), wobei für einen aktuellen Zustand des Modells eine Trajektorie zukünftiger Zustände des Modells bis zu einem Zeithorizont bestimmt wird (204), wobei die Trajektorie abhängig von einer Änderung der wenigstens einen Stellgröße bestimmt wird, und wobei die Änderung der wenigstens einen Stellgröße für die Bestimmung der Trajektorie mittels wenigstens einer Laguerre-Funktion approximiert ist.
Description
- Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Regelung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeugs mit elektrischem Antrieb.
- Die zunehmende Anzahl von Regelsystemen und Assistenzsystemen in derartigen Fahrzeugen macht eine friedliche Koexistenz dieser Systeme zunehmend komplexer. Der Aufwand für die Applikation dieser Systeme steigt. Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, insbesondere Fahrzeuge mit Radnabenmotoren bieten zudem völlig neue Freiheitsgrade beispielsweise für Torque Vectoring. Die Effektivität der Regelsysteme und Assistenzsysteme lässt sich durch eine koordinierte Ansteuerung durch einen zentralen Regler steigern. Hierbei ist eine geschlossene Berücksichtigung der Limits der Regelsysteme essenziell für die effektive, zentrale Regelung.
- Integrierte Fahrdynamikregler werden eingesetzt, um eine zentrale Regelung zu ermöglichen.
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US 2018 079272 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem ein Straßenprofil einer Straße an einem bestimmten Ort in einem Steuersystem eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt wird. Das Verfahren sieht vor, dass eine Anpassung eines aktiven Aufhängungssystems des Fahrzeugs erfolgt, wenn sich das Fahrzeug dem bestimmten Ort nähert. -
DE 10 2007 019 053 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs mit einer Aufhängung, wobei das Verfahren während Längsschwingungen des Fahrzeugs das Anpassen eines Aufhängungselements vorsieht, um eine Normalkraft zwischen dem Fahrzeug und der Oberfläche zu verändern. Insbesondere wird ein Vorgehen beschrieben, bei dem die aktive Aufhängung „Online-Lernen“ sowie eine voraussagende Steuerung mit Hilfe eines Modells nutzt. -
DE 10 2014 200 031 A1 beschreibt ein Verfahren zum adaptiven und aktiven Steuern eines Aufhängungssystems eines Fahrzeugs mit Straßenvorschau, wobei ein Maß einer Straßen-Anomalität vor dem Fahrzeug bestimmt und die Aufhängung als Reaktion auf den Typ und die Schwere der Anomalität gesteuert wird. Dazu ist insbesondere eine modellprädikative Steuerung vorgesehen. - Wünschenswert ist es, derartige Systeme weiter zu verbessern.
- Dies wird durch die Vorrichtung und das Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen erreicht.
- Das Verfahren sieht vor, dass ein modell-prädiktiver Regler wenigstens eine Stellgröße für eine Vielzahl von Regelstrecken für die Beeinflussung eines Fahrverhaltens eines Fahrzeugs vorgibt, wobei die wenigstens eine Stellgröße abhängig von einem zeit-diskreten dynamischen Modell des zu regelnden Fahrzeugs bestimmt wird, wobei für einen aktuellen Zustand des Modells eine Trajektorie zukünftiger Zustände des Modells bis zu einem Zeithorizont bestimmt wird, wobei die Trajektorie abhängig von einer Änderung der wenigstens einen Stellgröße bestimmt wird, und wobei die Änderung der wenigstens einen Stellgröße für die Bestimmung der Trajektorie mittels wenigstens einer Laguerre-Funktion approximiert ist. Basierend auf einem internen Fahrzeugmodell werden die zukünftigen Fahrzeugzustände prädiziert und die Regelsystemeingriffe berechnet. Die Koordination der Regler erfolgt aus dem Modellwissen, d.h. über die Wirkung der Regelsysteme des modell-prädiktiven Reglers. Mittels Laguerre-Funktionen lässt sich die Rechenzeit reduzieren. Damit ist der modell-prädiktive Regler auch für den Einsatz in einem Steuergerät für ein Fahrzeug möglich.
- Vorteilhafterweise wird die Trajektorie abhängig von einem Gütemaß bestimmt, wobei das Gütemaß von einer Regelabweichung und einem Regelaufwand abhängt. Das Gütemaß stellt ein definiertes Kriterium dar mit dem optimale Regelsystemeingriffe bestimmt werden. Dies ermöglicht eine Minimierung der Regelsystemeingriffe, beispielsweise um unnötige Eingriffe zu vermeiden, und eine Minimierung der Abweichung der Ist-Trajektorie von einer Solltrajektorie.
- Vorteilhafterweise ist das Gütemaß abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators oder eine Begrenzung für den Wert einer Stellgröße für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert. Damit werden Grenzen, die durch die Aktuatoren des Fahrzeugs oder die physikalischen Gegebenheiten für eine Regelung vorgegeben sind, berücksichtigt.
- Vorzugsweise umfasst der modell-prädiktive Regler eine Zeit-diskrete Zustands-Prädiktion, die durch ein linearisiertes zeitinvariante Zustandsmodell und Laguerre-Koeffizienten definiert ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen modell-prädiktiven Reglern werden die Laguerre Koeffizienten optimiert. Dies stellt eine besonders schnell berechenbare Prädiktion dar.
- Vorzugsweise ist der modell-prädiktive Regler abhängig von der Änderung der wenigstens einen Stellgröße für jeden Zeitschritt bis zu einem Zeithorizont definiert.
- Vorzugsweise beeinflussen unterschiedliche Stellgrößen unterschiedliche Fahrzeugkomponenten aus Antrieb, Hinterachslenkung, Steuergerät und/oder Aktuatoren für Torque Vectoring, Allradsystem, Fahrwerksaktuator, insbesondere in einem autonomen Fahrbetrieb.
- Vorzugsweise wird die wenigstens eine Stellgröße abhängig von einer Referenzgröße bestimmt.
- Die Vorrichtung umfasst einen Mikroprozessor und einen Speicher mit Befehlen, bei deren Ausführung durch den Mikroprozessor das Verfahren ausgeführt wird.
- Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine erste Schnittstelle für wenigstens eine Regelgröße und eine zweite Schnittstelle für wenigstens eine Stellgröße, wobei die erste Schnittstelle ausgebildet ist, Information über Regelgrößen von unterschiedlichen Regelstrecken zu empfangen, wobei die zweite Schnittstelle ausgebildet ist, Stellgrößen für unterschiedliche Regelstrecken auszugeben.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
-
1 schematisch eine Vorrichtung zur zentralen Regelung eines Fahrzeugs, -
2 schematisch ein Flussdiagram mit Schritten eines Verfahrens zur Regelung des Fahrzeugs. -
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung100 zur zentralen Regelung eines Fahrzeugs. Im Beispiel ist das Fahrzeug ein Allradfahrzeug mit Hinterachslenkung, das mit einem Elektromotor angetrieben wird. Die Vorrichtung100 umfasst einen Mikroprozessor102 und einen Speicher104 . - Die Vorrichtung
100 umfasst eine erste Schnittstelle106 für wenigstens eine Regelgröße y und eine zweite Schnittstelle108 für wenigstens eine Stellgröße u, wobei die erste Schnittstelle106 ausgebildet ist, Information über Regelgrößen y von unterschiedlichen Regelstrecken zu empfangen, wobei die zweite Schnittstelle108 ausgebildet ist, Stellgrößen u für unterschiedliche Regelstrecken auszugeben. - Im Beispiel umfassen die Regelstrecken unterschiedliche Aktuatoren, deren Stellbereiche durch Begrenzungen eingeschränkt sind. Es kann auch eine Begrenzung vorgesehen sein, die den Wert einer Stellgröße für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert. Damit werden die physikalischen Gegebenheiten berücksichtigt.
- Die Information über Regelgrößen y von unterschiedlichen Regelstrecken wird über Sensoren erfasst, oder durch Steuergeräte bestimmt, die mit der Vorrichtung
100 über ein Kommunikationsnetzwerk des Fahrzeugs kommunizieren. Die Stellgrößen u für unterschiedliche Regelstrecken werden an die Aktoren oder Steuergeräte für die Ansteuerung der unterschiedlichen Regelstrecken über das Kommunikationsnetzwerk ausgegeben. Das Kommunikationsnetzwerk ist im Beispiel ein controller area network, CAN. - Im Beispiel soll eine gewünschte Gierrate, Längsgeschwindigkeit und Quergeschwindigkeit eingestellt werden. Im Beispiel wird eine entsprechende Referenzgröße abhängig von einem Einspurmodell für das Fahrzeug bestimmt. Beispielsweise wird ein Lenkwinkel δF für das Einspurmodell abhängig von einem Soll-Lenkwinkel als Regelgröße, die ein Lenkwinkelsensor liefert, und eine Ist-Geschwindigkeit v des Fahrzeugs, die ein Steuergerät des Fahrzeugs liefert, verwendet, um eine gewünschte Gierrate zu bestimmen.
-
- csR Schräglaufsteifigkeit vorne rechts,
- csL Schräglaufsteifigkeit vorne links.
-
- δF Lenkwinkel des Einspurmodells.
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- Der Soll-Schwimmwinkel wird beispielsweise auf 5° begrenzt.
- Der Speicher
104 umfasst Befehle, bei deren Ausführung durch den Mikroprozessor102 das im Folgenden beschriebene Verfahren ausgeführt wird. -
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-
- Der Pol a ist ein wählbarer Skalierfaktor, der die Güte der Approximation beeinflusst.
-
- (σx
FL Längsschlupf des vorderen linken Rads, - (σx
FR Längsschlupf des vorderen rechten Rads, - σx
RL Längsschlupf des hinteren linken Rads, - σx
RR Längsschlupf des hinteren rechten Rads, und - δRHinterachslenkwinkel.
- Der Vektor u ist im Beispiel für die Ansteuerung der Radschlüpfe und des Hinterachssteuerwinkels dimensioniert. Für eine Vielzahl von Regelstrecken wird der Vektor u beispielweise entsprechend der Anzahl der verfügbaren Stellgrößen dimensioniert.
- Die Folgende Gleichung für die Berechnung der Trajektorie des Zustandsvektors x(k + mlk) bis zum Horizont der Prädiktion NP, d.h. für jeden Schritt m < NP nach dem Zeitpunkt k, beschreibt die im Regler verwendete Zeit-diskrete Zustandsprädiktion unter Verwendung eines linearen Zeit-invarianten Zustandsmodells und mit Laguerre Koeffizienten bezüglich der Änderung der Stellgröße Δu:
- Um ein zufriedenstellendes Fahrzeugverhalten zu erzeugen wird im Beispiel das folgende Gütemaß verwendet, welches minimiert wird um sowohl die Regelabweichung als auch den Regelaufwand zu berücksichtigen:
-
- Das im Folgenden anhand der
2 beschriebene Verfahren startet beispielsweise wenn das Fahrzeug gestartet wird. - Anschließend wird ein Schritt
202 ausgeführt. - Im Schritt
202 wird Information über Regelgrößen y von unterschiedlichen Regelstrecken empfangen. Im Beispiel wird ein Vektor y bestimmt, der die Regelgrößen der unterschiedlichen Regelstrecken umfasst. - Anschließend wird ein Schritt
204 ausgeführt. - Im Schritt
204 wird für einen aktuellen Zustand des Modells eine Trajektorie zukünftiger Zustände des Modells bis zu einem Zeithorizont Np bestimmt und die wenigstens eine Stellgröße u abhängig vom zeit-diskreten dynamischen Modell des zu regelnden Fahrzeugs bestimmt. - Der modell-prädiktive Regler ist im Beispiel abhängig von der Änderung der wenigstens einen Stellgröße Δu für jeden Zeitschritt bis zum Zeithorizont Np definiert.
- Der modell-prädiktive Regler führt eine Zeit-diskrete Zustands-Prädiktion aus, die durch das beschriebene lineare zeitinvariante Zustandsmodell und die Laguerre-Koeffizienten ηi definiert ist.
- Die Trajektorie wird vorzugsweise abhängig vom Gütemaß J bestimmt. Das Gütemaß J hängt im Beispiel von der Regelabweichung e und dem Regelaufwand ab. Das Gütemaß J ist im Beispiel abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators definiert. Der Grenzwert kann auch eine Begrenzung für den Wert einer der Stellgrößen u charakterisieren.
- Anschließend wird ein Schritt
206 ausgeführt. - Im Schritt
206 wird die wenigstens eine Stellgröße u zur Ansteuerung wenigstens einer der Regelstrecken vorgegeben. Unterschiedliche Stellgrößen u beeinflussen im Beispiel unterschiedliche Fahrzeugkomponenten. Fahrzeugkomponenten sind beispielsweise der insbesondere elektrische Antrieb, die Hinterachslenkung, ein Steuergerät und/oder Aktuatoren für Torque Vectoring, ein Allradsystem, ein Fahrwerksaktuator. - Anschließend wird der Schritt
202 ausgeführt. Das Verfahren endet beispielsweise, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet wird. - Die Beeinflussung der Fahrzeugkomponenten erfolgt insbesondere in einem autonomen Fahrbetrieb.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 2018079272 A1 [0004]
- DE 102007019053 A1 [0005]
- DE 102014200031 A1 [0006]
Claims (9)
- Verfahren zur Regelung eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass ein modell-prädiktiver Regler wenigstens eine Stellgröße (u) für eine Vielzahl von Regelstrecken für die Beeinflussung eines Fahrverhaltens eines Fahrzeugs vorgibt (206), wobei die wenigstens eine Stellgröße (u) abhängig von einem zeit-diskreten dynamischen Modell des zu regelnden Fahrzeugs bestimmt wird (204), wobei für einen aktuellen Zustand des Modells eine Trajektorie zukünftiger Zustände des Modells bis zu einem Zeithorizont bestimmt wird (204), wobei die Trajektorie abhängig von einer Änderung der wenigstens einen Stellgröße bestimmt wird, und wobei die Änderung der wenigstens einen Stellgröße für die Bestimmung der Trajektorie mittels wenigstens einer Laguerre-Funktion approximiert ist.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorie abhängig von einem Gütemaß (J) bestimmt wird, wobei das Gütemaß von einer Regelabweichung (e) und einem Regelaufwand abhängt. - Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gütemaß abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert ist, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators oder eine Begrenzung für den Wert einer Stellgröße für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der modell-prädiktive Regler eine Zeit-diskrete Zustands-Prädiktion umfasst, die durch ein lineares zeitinvariante Zustandsmodell und Laguerre-Koeffizienten (ηi) definiert ist.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der modell-prädiktive Regler abhängig von der Änderung der wenigstens einen Stellgröße (Δu(k)) für jeden Zeitschritt (k) bis zu einem Zeithorizont (Np) definiert ist.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Stellgrößen unterschiedliche Fahrzeugkomponenten aus Antrieb, Hinterachslenkung, Steuergerät und/oder Aktuatoren für Torque Vectoring, Allradsystem, Fahrwerksaktuator, insbesondere in einem autonomen Fahrbetrieb beeinflussen.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stellgröße (u) abhängig von einer Referenzgröße bestimmt wird.
- Vorrichtung (100) zur Regelung eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) einen Mikroprozessor (102) und einen Speicher (104) mit Befehlen umfasst, bei deren Ausführung durch den Mikroprozessor (102) das Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis7 ausgeführt wird. - Vorrichtung (100) nach
Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine erste Schnittstelle (106) für wenigstens eine Regelgröße (y) und eine zweite Schnittstelle (108) für wenigstens eine Stellgröße (u) umfasst, wobei die erste Schnittstelle (106) ausgebildet ist, Information über Regelgrößen (y) von unterschiedlichen Regelstrecken zu empfangen, wobei die zweite Schnittstelle (108) ausgebildet ist, Stellgrößen (u) für unterschiedliche Regelstrecken auszugeben.
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