DE102019111415B4

DE102019111415B4 - System zum passiven und aktiven Überwachen und Bewerten eines elektrischen Servolenkungssystems

Info

Publication number: DE102019111415B4
Application number: DE102019111415.2A
Authority: DE
Inventors: Bo Yu; Ian Y. Hwa; Adam J. Kloess; Yu Cao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2022-06-30
Anticipated expiration: 2039-05-03
Also published as: CN110525511A; DE102019111415A1; US20190359252A1; US11084526B2; CN110525511B

Abstract

System zum passiven und aktiven Überwachen und Bewerten von mechanischen Eigenschaften eines Servolenkungssystems (20) eines Fahrzeugs, wobei das System Folgendes umfasst:einen oder mehrere Prozessoren; undeinen Speicher, der mit einem oder mehreren Prozessoren gekoppelt ist, wobei der Speicher eine Basislinienwellenform (202, 206, 302, 306) und Daten speichert, die Programmcode umfassen, der, wenn er durch den einen oder die mehreren Prozessoren ausgeführt wird, das System zu Folgendem veranlasst:Empfangen mindestens eines Anregungssignals (E);Empfangen mindestens eines Antwortsignals (R), wobei das Servolenkungssystem (20) das Antwortsignal (R) als Reaktion auf das Empfangen des Anregungssignals (E) erzeugt;als Reaktion auf das Empfangen des Anregungssignals (E) und des Antwortsignals (R), schätzen eines Frequenzgangs zwischen dem Anregungssignal (E) und dem Antwortsignal (E) basierend auf einem schnellen Fourier-Transformations-(FFT)-Algorithmus, wobei der Frequenzgang durch eine geschätzte Wellenform (204, 208, 304, 308) repräsentiert wird;als Reaktion auf das Bestimmen des Frequenzgangs zwischen dem Anregungssignal (E) und dem Antwortsignal (R), Bestimmen mindestens einer Profileigenschaft der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308);Bestimmen einer Wertdifferenz zwischen mindestens einer Profileigenschaft der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308) und einer entsprechenden Profileigenschaft der Basislinienwellenform (202, 206, 302, 306); undals Reaktion auf das Bestimmen der Wertdifferenz zwischen der mindestens einen Profileigenschaft der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308) und der entsprechenden Profileigenschaft der Basislinienwellenform (202, 206, 302, 306), die größer als ein Schwellwertdifferenzwert ist, Einleiten eines Diagnoseverfahrens zum Bewerten einer Vielzahl von mechanischen Eigenschaften des Servolenkungssystems (20).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein System zur Bewertung eines Servolenkungssystems, insbesondere ein System zur passiven und aktiven Überwachung und Bewertung der mechanischen Eigenschaften des Servolenkungssystems.
Technischer Hintergrund
Lenksysteme beinhalten in der Regel ein Lenkrad, das mit den Vorderrädern eines Fahrzeugs verbunden ist, wobei ein Fahrer das Lenkrad betätigt, um die Richtung der Bewegung des Fahrzeugs zu steuern. Viele Fahrzeuge sind mit einer Servolenkung ausgestattet, um den Gesamtaufwand zum Drehen des Lenkrads zu reduzieren. Eine Art von Servolenkung beinhaltet einen Elektromotor zur Erweiterung der mechanischen Kraft, die von einem Fahrer auf das Lenkrad ausgeübt wird, wobei der Elektromotor über einen Antriebsmechanismus mit einer Welle entlang einer Lenkachse oder Zahnstange gekoppelt ist. Einige Arten von Servolenkungssystemen, wie beispielsweise Steer-by-Wire-Systeme, ermöglichen die Steuerung der Lenkung durch Elektromotoren, die durch Algorithmen gesteuert werden, die in einem oder mehreren elektronischen Steuergeräten (ECUs) gespeichert sind.
Gelegentlich kann der Fahrer eine ungewöhnliche Vibration oder ein ungewöhnliches Gefühl wahrnehmen, wenn er das Lenkrad mit den Händen während der Bedienung des Fahrzeugs festhält. Die anormalen Vibrationen können durch mechanische Probleme mit der Servolenkung verursacht werden. Manchmal kann jedoch die Software, die zum Steuern eines Steer-by-Wire-Systems verwendet wird, anormale Vibrationen in der Zahnstange filtern und anormale Vibrationen abdecken, wenn die Drehmomentrückkopplung an das Lenkrad übertragen wird. Dadurch ist es möglich, dass ein Fahrer keine mechanische Anomalie bemerkt. Darüber hinaus können einige autonome Fahrzeuge keine Fahrereingaben beinhalten, wie beispielsweise ein Lenkrad. Dementsprechend gibt es für den Fahrer keine Möglichkeit, eine anormale Vibration über das Lenkrad während des Betriebs des Fahrzeugs zu erkennen.
DE 10 2013 220 519 A1 beschreibt das Detektieren von mechanischen Schäden eines Servolenkungssystems anhand eines Vergleichs von Sensorsignalen, die repräsentativ für passiv empfangene Schwingungen sind, mit entsprechenden Schwellwerten.
DE 101 44 076 A1 beschreibt das Erkennen von Aggregatschädigungen anhand eines erfassten Körperschalls, wobei die Körperschalldaten mittels einer Fast-FourierTransformation analysiert werden.
DE 10 2015 211 840 A1 beschreibt das Erkennen eines Fehlerzustands eines Servolenkungssystems anhand der Differenz eines Ist-Antwortsignals (Ist-Position eines Stellgebers) und eines Soll-Antwortsignals (Soll-Position eines Stellgebers).
Derzeit existieren einige Bewertungssysteme zum Überwachen und Bewerten von Steer-by-Wire- oder autonomen Systemen, jedoch sind diese Ansätze möglicherweise nicht in der Lage, die spezifische Position oder Ursache eines mechanischen Problems zu bestimmen. Darüber hinaus sind diese Bewertungssysteme möglicherweise nicht in der Lage, die Servolenkung während des normalen Betriebs des Fahrzeugs passiv zu überwachen.
Obwohl die bestehenden Systeme ihren Zweck erfüllen, kann es daher als Aufgabe betrachtet werden, ein neues und verbessertes Systems zum Überwachen und Bewerten eines Servolenkungssystems zum Erkennen und Diagnostizieren von mechanischen Anomalien anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das System gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Darstellung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein System zur passiven und aktiven Überwachung eines Servolenkungssystems eines Fahrzeugs offenbart. Das System zur Überwachung beinhaltet einen oder mehrere Prozessoren und einen mit den Prozessoren gekoppelten Speicher. Der Speicher speichert eine Basislinienwellenform und Daten, die Programmcode umfassen, der, wenn er durch den einen oder die mehreren Prozessoren ausgeführt wird, bewirkt, dass das System mindestens ein Anregungssignal und mindestens ein Antwortsignal empfängt. Das Servolenkungssystem erzeugt das Antwortsignal als Reaktion auf das Empfangen des Anregungssignals. Als Reaktion auf das Empfangen des Anregungssignals und des Antwortsignals wird das System veranlasst, den Frequenzgang zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal basierend auf einem schnellen Fourier-Transformations-(FFT)-Algorithmus zu schätzen. Der Frequenzgang wird durch eine geschätzte Wellenform dargestellt. Als Reaktion auf das Bestimmen des Frequenzgangs zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal wird das System veranlasst, mindestens eine Profileigenschaft der geschätzten Wellenform zu bestimmen. Das System wird auch veranlasst, eine Wertdifferenz zwischen mindestens einer Profileigenschaft der geschätzten Wellenform und einer entsprechenden Profileigenschaft der Basislinienwellenform zu bestimmen. Als Reaktion auf das Bestimmen der Wertdifferenz zwischen der mindestens einen Profileigenschaft der geschätzten Wellenform und der entsprechenden Profileigenschaft der Basislinienwellenform, die größer ist als eine Differenz des Schwellenwerts, wird das System veranlasst, ein Diagnoseverfahren zum Bewerten einer Vielzahl von mechanischen Eigenschaften des Servolenkungssystems einzuleiten.
In einem anderen Ansatz werden die Prozessoren ferner veranlasst, eine Kohärenz zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal zu bestimmen und die Kohärenz mit einem Schwellenkohärenzwert zu vergleichen, wobei der Schwellenkohärenzwert einen minimalen Korrelationswert darstellt. Als Reaktion auf das Bestimmen der Kohärenz als größer als der Kohärenzschwellenwert, werden die Prozessoren veranlasst, die Profileigenschaft der geschätzten Wellenform zu bestimmen.
In noch einem weiteren Ansatz ist die Profileigenschaft der geschätzten Wellenform ein Frequenzprofil, das eine Frequenz von jeder Spitze und jeder Mulde der geschätzten Wellenform darstellt.
In noch einem weiteren Ansatz ist die Profileigenschaft der geschätzten Wellenform ein Amplitudenprofil, das eine Amplitude zwischen jeder Spitze und jeder Mulde der geschätzten Wellenform darstellt.
In einem weiteren Ansatz ist die Profileigenschaft der geschätzten Wellenform ein Zahlenprofil, das eine Anzahl von Spitzen und Mulden in der geschätzten Wellenform darstellt.
In noch einem weiteren Ansatz werden die Prozessoren ferner veranlasst, ein Kennzeichen als Reaktion auf das Bestimmen der Differenz im Wert zwischen dem mindestens einen Merkmal der geschätzten Wellenform und dem entsprechenden Merkmal der Basislinienwellenform, das größer ist als die Differenz eines Schwellenwerts, zu erzeugen.
In einem Ansatz beinhaltet das System ferner einen Lenkmotor und ein Lenkrad, die beide mit dem mindestens einen Prozessor in Verbindung stehen. Die Prozessoren initiieren einen Frequenzgang des Lenkmotors, indem sie ein Eingangssignal erzeugen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Drehmomenteingangssignal, einem Winkellageneingangssignal, einem Stromeingangssignal, einem Winkelgeschwindigkeitseingangssignal und einem Leistungseingangssignal.
In noch einem weiteren Ansatz werden die Prozessoren ferner veranlasst, zu bestätigen, dass das Lenkrad frei drehbar ist, und als Reaktion auf das Bestimmen, dass das Lenkrad frei drehbar ist, wird das Eingangssignal erzeugt. Der Lenkmotor ist konfiguriert, um als Reaktion auf das Empfangen des Eingangssignals ein Abtriebsdrehmoment zu erzeugen.
In noch einem weiteren Ansatz beinhaltet das System ferner einen Drehmomentsensor in Verbindung mit dem Prozessor, wobei der Drehmomentsensor konfiguriert ist, um das Abtriebsdrehmoment zu überwachen, und einen Drehgeber in Verbindung mit dem Prozessor. Der Drehgeber ist konfiguriert, um eine Winkellage einer Welle des Lenkmotors zu überwachen.
In einem anderen Ansatz sind die Prozessoren konfiguriert, um den Drehgeber zu überwachen, um die Winkellage der Welle des Lenkmotors während des Frequenzdurchlaufs zu bestimmen und eine Position von mindestens einer mechanischen Anomalie basierend auf dem Eingangssignal und der Winkellage des Lenkmotors zu bestimmen.
In einer spezifischen Ausführungsform wird ein Diagnosesystem zum Bestimmen der Position mindestens einer mechanischen Anomalie in einem Servolenkungssystem eines Fahrzeugs beschrieben. Das Diagnosesystem beinhaltet einen Lenkmotor mit einer Welle, einem Lenkrad, einem Drehmomentsensor zum Überwachen eines Abtriebsdrehmoments, einem Drehgeber zum Überwachen einer Winkellage der Welle des Lenkmotors, einem oder mehreren Prozessoren in Verbindung mit dem Lenkmotor, dem Lenkrad, dem Drehmomentsensor und dem Drehgeber sowie einem Speicher, der mit einem oder mehreren Prozessoren gekoppelt ist. Der Lenkmotor ist konfiguriert, um das Abtriebsdrehmoment zu erzeugen. Der Speicher beinhaltet Daten einschließlich Programmcode, der, wenn er durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt wird, bewirkt, dass das System bestätigt, dass das Lenkrad frei drehbar ist, als Reaktion auf das Empfangen des Auslösesignals. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass das Lenkrad frei drehbar ist, werden die Prozessoren veranlasst, ein Eingangssignal zu erzeugen. Der Lenkmotor führt aktiv einen Frequenzdurchlauf als Reaktion auf das Empfangen des Eingangssignals durch. Die Prozessoren werden ferner veranlasst, den Drehgeber während des Frequenzdurchlaufs zu überwachen, um die Winkellage der Welle des Lenkmotors zu bestimmen. Die Prozessoren werden auch veranlasst, die Position der mindestens einen mechanischen Anomalie basierend auf dem Eingangssignal und der Winkellage des Lenkmotors zu bestimmen.
Beispielsweise wird das Auslösesignal periodisch, vor oder nach der Wartung des Fahrzeugs, als Reaktion auf eine Überdrehzahl des Lenkmotors oder eine Überlastung des Lenkmotors erzeugt.
Beispielsweise sind die Prozessoren ferner konfiguriert, um eine geschätzte Größe und eine geschätzte Phase basierend auf dem Drehmomenteingangssignal und der Winkellage des Lenkmotors zu bestimmen, die vom Lenkmotor während des Frequenzgangs erzeugt werden.
Beispielsweise sind die Prozessoren ferner konfiguriert, um eine Anpassungsgüte für die geschätzte Größe und die geschätzte Phase des Frequenzgangs in Bezug auf eine erwartete Größe und eine erwartete Phase eines Modells des Lenkmotors zu bestimmen.
Beispielsweise basieren die erwartete Größenreaktion und den erwarteten Phasengang auf einer Vielzahl von Modellparametern. Die Modellparameter werden basierend auf einem Masse-Feder-Dämpfer-Modell einer mechanischen Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Servolenkungssystem bestimmt, und der Lenkmotor ist ein Emulatormotor.
Beispielsweise werden die Modellparameter durch Folgendes bestimmt: $\frac{M o t o r p o s i t i o n (s)}{M o t o r d r e h m o m e n t (s)} = \frac{J_{w} s^{2} + b s + k}{(J_{m} s^{2} + b_{m} s) (J_{w} s^{2} + b s + k) + J_{w} s^{2} (b s + k)}$
wobei J_m die Motorträgheit ist, b_m die Motordämpfung ist, J_w die Lenkradträgheit ist, k eine Federkonstante der Verbindung ist und b eine Dämpfungskonstante der Verbindung ist.In noch einem weiteren Ansatz, als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Anpassungsgüte kleiner oder gleich einer Schwellenanpassung ist, sind die Prozessoren ferner konfiguriert, um ein Kennzeichen zu erstellen und eine Diagnosezusammenfassung zu erzeugen.
Beispielsweise, als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Anpassungsgüte größer als eine Schwellenanpassung ist, werden die Prozessoren veranlasst, eine Vielzahl von experimentellen Parametern basierend auf dem Eingangssignal und der Winkellage des Lenkrads zu berechnen. Die Prozessoren werden ferner veranlasst, Werte jedes der Vielzahl von experimentellen Parametern mit einem Basiswert der entsprechenden Modellparameter zu vergleichen. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass eine Differenz im Wert zwischen einem der Vielzahl von Versuchsparametern und dem Ausgangswert des entsprechenden der Modellparameter in einen Bereich von vordefinierten Werten fällt, werden die Prozessoren veranlasst, eine Diagnosezusammenfassung zu erstellen, die anzeigt, dass das Servolenkungssystem keine mechanischen Anomalien beinhaltet.
Beispielsweise werden die Prozessoren als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Differenz im Wert zwischen einem der Vielzahl von Versuchsparametern und dem Basiswert eines der entsprechenden Modellparameter außerhalb des Bereichs von vordefinierten Werten liegt, veranlasst, die Position der mindestens einen mechanischen Anomalie im Servolenkungssystem basierend auf einem spezifischen Parameter zu bestimmen, der nicht in den Bereich von vordefinierten Werten fällt. Die Prozessoren werden auch veranlasst, den Diagnosebericht zu erstellen, der die Position der mindestens einen mechanischen Anomalie im Servolenkungssystem identifiziert.
In einer spezifischen Ausführungsform wird ein System zum passiven und aktiven Überwachen eines Servolenkungssystems eines Fahrzeugs und zum Bestimmen der Position mindestens einer mechanischen Anomalie des Servolenkungssystems offenbart. Das Diagnosesystem beinhaltet einen Lenkmotor mit einer Welle, wobei der Lenkmotor konfiguriert ist, um ein Abtriebsdrehmoment zu erzeugen. Das Diagnosesystem beinhaltet auch ein Lenkrad, einen Drehmomentsensor zum Überwachen des Abtriebsdrehmoments, einem Drehgeber zum Überwachen einer Winkellage der Welle des Lenkmotors, einem oder mehreren Prozessoren in Verbindung mit dem Lenkmotor, dem Lenkrad, dem Drehmomentsensor und dem Drehgeber sowie einem Speicher, der mit den Prozessoren gekoppelt ist. Der Speicher speichert eine Basislinienwellenform und Daten, die Programmcode umfassen, der, wenn er durch den einen oder die mehreren Prozessoren ausgeführt wird, bewirkt, dass das Diagnosesystem mindestens ein Anregungssignal und mindestens ein Antwortsignal empfängt. Das Servolenkungssystem erzeugt das Antwortsignal als Reaktion auf das Empfangen des Anregungssignals. Als Reaktion auf das Empfangen des Anregungssignals und des Antwortsignals werden die Prozessoren veranlasst, den Frequenzgang zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal basierend auf einem FFT-Algorithmus zu schätzen. Der Frequenzgang wird durch eine geschätzte Wellenform dargestellt. Als Reaktion auf das Bestimmen des Frequenzgangs zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal werden die Prozessoren veranlasst, mindestens eine Profilcharakteristik der geschätzten Wellenform zu bestimmen. Die Prozessoren werden veranlasst, eine Wertdifferenz zwischen mindestens einer Profileigenschaft der geschätzten Wellenform und einer entsprechenden Profileigenschaft der Basislinienwellenform zu bestimmen. Als Reaktion auf das Bestimmen der Wertdifferenz zwischen der mindestens einen Profileigenschaft der geschätzten Wellenform und der entsprechenden Profileigenschaft der Basislinienwellenform, die größer ist als eine Differenz des Schwellenwerts, werden die Prozessoren veranlasst, ein Diagnoseverfahren zum Bewerten einer Vielzahl von mechanischen Eigenschaften des Servolenkungssystems durch Erzeugen eines Kennzeichens einzuleiten. Als Reaktion auf das Empfangen des Auslösesignals werden die Prozessoren veranlasst, zu bestätigen, dass das Lenkrad frei drehbar ist. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass das Lenkrad frei drehbar ist, werden die Prozessoren veranlasst, ein Drehmomenteingangssignal zu erzeugen, wobei der Lenkmotor aktiv einen Frequenzgang als Reaktion auf das Empfangen des Drehmomenteingangssignals durchführt. Die Prozessoren werden ferner veranlasst, den Drehgeber während des Frequenzdurchlaufs zu überwachen, um die Winkellage der Welle des Lenkmotors zu bestimmen. Schließlich werden die Prozessoren veranlasst, die Position von mindestens einer mechanischen Anomalie basierend auf dem Drehmomenteingangssignal und der Winkellage des Lenkmotors zu bestimmen.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele dem Zweck der Veranschaulichung dienen.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen der Veranschaulichung.

1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Servolenkungssystems für ein Fahrzeug, bei der mechanische Eigenschaften des Servolenkungssystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform überwacht werden;
2A ist ein Diagramm eines Bode-Diagramms, das ein exemplarisches Größenverhalten des Servolenkungssystems in 1 basierend auf einer Zugstangenkraft und einem Lenkradwinkel gemäß einer exemplarischen Ausführungsform veranschaulicht;
2B ist ein Diagramm eines Bode-Diagramms, das ein exemplarisches Phasengangverhalten des Servolenkungssystems in 1 basierend auf der Zugstangenkraft und dem Lenkradwinkel gemäß einer exemplarischen Ausführungsform veranschaulicht;
3A ist ein Diagramm eines Bode-Diagramms, das ein exemplarisches Größenverhalten des Servolenkungssystems in 1 basierend auf der Zugstangenkraft und einer Position der Zahnstange gemäß einer exemplarischen Ausführungsform veranschaulicht;
3B ist ein Diagramm eines Bode-Diagramms, das ein exemplarisches Phasengangverhalten des Servolenkungssystems in 1 basierend auf der Zugstangenkraft und der Position der Zahnstange gemäß einer exemplarischen Ausführungsform veranschaulicht;
4 ist ein Prozessflussdiagramm zum Bestimmen des Vorhandenseins einer oder mehrerer mechanischer Anomalien in dem in 1 dargestellten Servolenkungssystem gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
5 ist ein schematisches Diagramm, das ein Masse-Feder-Dämpfer-Modell eines Motors und Lenkrads des Servolenkungssystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform veranschaulicht;
6 ist ein Prozessflussdiagramm zum Durchführen eines Diagnoseverfahrens zum Bewerten des Servolenkungssystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform; und
7 ist ein Prozessflussdiagramm zum Durchführen einer Fehlermodusanalyse zum Bestimmen der Quelle einer mechanischen Anomalie im Servolenkungssystem gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Beschreibung, Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen.
1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Servolenkungssystems 20, das in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann (nicht dargestellt). Das Fahrzeug kann jedes selbstfahrende radgetriebene Beförderungsmittel sein, wie beispielsweise ein Auto, ein Lastwagen, ein Geländewagen, ein Lieferwagen, ein Wohnmobil, ein Motorrad, ein unbemanntes Landfahrzeug usw.. In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug ein halbautonomes oder ein vollständig autonomes Fahrzeug sein. Ein vollständig autonomes Fahrzeug kann sich selbst manövrieren und in der Lage sein, in einer Umgebung ohne menschlichen Eingriff zu navigieren. Das Servolenkungssystem 20 von 1 beinhaltet ein Lenkrad 22, einen Lenkradwinkelsensor 24, einen Lenkmotor 26, eine Zahnstange 28, ein Lenkgetriebe 30 und einen Lenkemulatormotor 70, der über ein Getriebe 72 mit dem Lenkrad 22 gekoppelt ist.
Das in 1 dargestellte Servolenkungssystem 20 ist ein Steer-by-Wire-System ohne mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad 22 und den Straßenrädern r und 1 des Fahrzeugs. Es versteht sich jedoch, dass einige Steer-by-Wire-Systeme eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Straßenrad beinhalten können, die als Reservevorrichtung dienen kann, falls das Steer-by-Wire-System ausgeschaltet ist oder nicht funktioniert. Obwohl 1 ein Steer-by-Wire-System veranschaulicht, kann die Erfindung darüber hinaus in jeder Art von elektronischem Servolenkungssystem (EPS) verwendet werden, das mindestens einen Elektromotor beinhaltet. Mit anderen Worten, beschränkt sich die Erfindung nicht nur auf die Bewertung von Steer-by-Wire-Systemen. So kann beispielsweise das Servolenkungssystem 20 ein Standard-EPS-System sein, wie beispielsweise ein Zahnstangen-EPS-System oder ein Doppelritzel-EPS-System. Obwohl 1 zwar das Servolenkungssystem 20 mit einem Lenkrad 22 veranschaulicht, ist jedoch zu beachten, dass die Erfindung in autonomen Fahrzeugen verwendet werden kann, die keine manuellen Eingaben wie ein Lenkrad oder Pedale beinhalten.
In der Ausführungsform, wie in 1 dargestellt, greift der Lenkmotor 26 durch das Lenkgetriebe 30 in die Zahnstange 28 des Fahrzeugs ein. Das linke Rad 1 und das rechte Rad r sind über ein Paar entsprechende Zugstangen 29 mit der Zahnstange 28 verbunden. Der Lenkmotor 26 wird durch eine elektrische Spannung gesteuert, die von einem Lenkregler 42 bereitgestellt wird, der im Folgenden näher beschrieben wird. Konkret stellt der Lenkregler 42 eine Lenkungsausgangsspannung oder ein Signal Uv bereit, das zum Steuern des Lenkmotors 26 verwendet wird. In der dargestellten Ausführungsform ist der Lenkmotor ein Elektromotor oder Stellglied zum Drehen der Räder r und 1 des Fahrzeugs. Wenn der Lenkmotor 26 in einem Standard-EPS-System mit einer mechanischen Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Straßenrädern verwendet wird, kann der Lenkmotor 26 ein Hilfsmoment zum Erweitern der Lenkleistung des Lenkrads 22 bereitstellen.
1 veranschaulicht einen einzelnen Lenkmotor 26 zum Steuern des Lenkwinkels sowohl des linken Rades 1 als auch des rechten Rades r. Obwohl 1 das Servolenkungssystem 20 mit einem einzelnen Lenkmotor 26 veranschaulicht, ist es zu beachten, dass in einer weiteren Ausführungsform das Servolenkungssystem 20 zwei Lenkmotoren beinhalten kann. Insbesondere kann einer der Lenkmotoren zum Steuern des linken Rades 1 und der verbleibende Lenkmotor zum Steuern des rechten Rades r verwendet werden. Wenn das Servolenkungssystem 20 zwei Lenkmotoren beinhaltet, können die Räder l, r unabhängig voneinander gesteuert werden. Darüber hinaus erzeugt der Lenkregler 42 bei Verwendung von zwei Lenkmotoren zwei eindeutige Lenkungsausgangssignale, wobei eines der Signale an den das linke Rad steuernden Lenkmotor und das verbleibende Signal an den das rechte Rad steuernden Lenkmotor gesendet wird.
Das Servolenkungssystem 20 beinhaltet einen ersten Sollwertgenerator 40, einen Lenkregler 42, einen zweiten Sollwertgenerator 44, einen Lenkungsauswerter 46 und einen Diagnoseauswerter 48, die auf einem oder mehreren Steuermodulen implementiert sind. So können beispielsweise der erste Sollwertgenerator 40, der Lenkregler 42, der zweite Sollwertgenerator 44, der Lenkungsauswerter 46 und der Diagnoseauswerter 48 Teil eines elektronischen Steuergeräts (ECU) für den Lenkmotor 26 sein. Das Steuermodul ist eine nicht generalisierte elektronische Steuervorrichtung mit vorprogrammierten digitalen Computern oder Prozessoren, Speicher oder nicht-flüchtigem computerlesbaren Medium, das mit einem oder mehreren Prozessoren gekoppelt ist, zum Speichern von Daten, wie Steuerlogik, Anweisungen, Bilddaten, Nachschlagetabellen usw., und einer Vielzahl von Ein-/Ausgangs-Peripheriegeräten oder Anschlüssen. Der Prozessor des Steuermoduls ist konfiguriert, um die Steuerlogik oder Anweisungen auszuführen.
Der Prozessor kann unter der Steuerung eines Betriebssystems betrieben werden, das sich im Speicher befindet. Das Betriebssystem kann Computerressourcen so verwalten, dass der Computerprogrammcode, der als eine oder mehrere Computersoftwareanwendungen verkörpert ist, wie beispielsweise eine Anwendung, die sich im Speicher befindet, Anweisungen des Prozessors ausführt. In einer alternativen Ausführungsform kann der Prozessor die Anwendung direkt ausführen, wobei das Betriebssystem entfallen kann. Eine oder mehrere Datenstrukturen können sich auch im Speicher befinden und durch den Prozessor, das Betriebssystem oder die Anwendung zum Speichern oder Manipulieren von Daten verwendet werden.
Der Sollwertgenerator 40 steht in elektronischer Verbindung mit dem Lenkradwinkelsensor 24 und dem Lenkregler 42. Der Sollwertgenerator 40 steht auch mit einer oder mehreren Steuerungen oder Sensoren (nicht dargestellt) in elektronischer Verbindung, um Werte in Bezug auf die Dynamik des Fahrzeugs zu empfangen, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, eine Fahrzeuggeschwindigkeit v oder eine Giergeschwindigkeit ω. Ein Fahrer kann das Fahrzeug in eine bestimmte Richtung lenken, indem er das Lenkrad 22 in einem Lenkradwinkel δ_H dreht, und der Lenkradwinkelsensor 24 erfasst den Lenkradwinkel δ_H. Das Servolenkungssystem 20 beinhaltet auch einen Drehmomentsensor 50, der mit einer Lenksäule 51 gekoppelt ist. In einigen Steer-by-Wire-Systemen ist der Drehmomentsensor 50 optional und so konfiguriert, dass er ein Lenkraddrehmoment M_H überwacht.
Der Lenkradwinkel δ_H wird vom Sollwertgenerator 40 als Eingabe empfangen. Der Sollwertgenerator 40 ist konfiguriert, um den Lenkradwinkel δ_H basierend auf den dynamischen Werten des Fahrzeugs (z. B. der Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Giergeschwindigkeit ω) zu ändern. Insbesondere wird in einer nicht einschränkenden Ausführungsform der Lenkradwinkel δ_H durch den Sollwertgenerator 40 in einen Soll-Lenkradwinkel δ_H* basierend auf einer geschwindigkeitsabhängigen Funktion f(v) modifiziert, wobei δ_H* = f(v) x δ_H ist. Der Soll-Lenkradwinkel δ_H* wird dann an den Lenkregler 42 übermittelt.
Der Lenkregler 42 ist ein Positionsregler, der die Radwinkelauslenkung der Vorderräder r und 1 entsprechend dem Soll-Lenkradwinkel δ_H* gewährleistet. In einer Ausführungsform kann der Lenkregler 42 auf einer Proportional-Integral-Derivativen-Steuerung (PID-Steuerung) basieren, es ist jedoch zu beachten, dass auch andere Ansätze verwendet werden können. Werden die Vorderräder des Fahrzeugs jeweils durch separate Lenkmotoren gesteuert, steuert der Lenkregler 42 die Vorderräder basierend auf zwei separaten Regelkreisen.
Das Servolenkungssystem 20 kann einen Regler 74 beinhalten, der konfiguriert ist, um den Lenkemulatormotor 70 zu regeln. In einigen Ausführungsformen fungieren der Lenkemulatormotor 70 und der Regler 74 als Rückkopplungsstellglied zum Bereitstellen einer Rückmeldung an das Lenkrad 22. Wie in 1 zu sehen ist, besteht keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad 22 und den Straßenrädern 1 und r. Aufgrund der fehlenden mechanischen Verbindung zwischen dem Lenkrad 22 und den Straßenrädern 1, r, gibt es während des normalen Betriebs des Steer-by-Wire-Systems keinen mechanischen Weg, um das Drehmoment des Straßenrades (z. B. das Ausrichtdrehmoment) auf das Lenkrad 22 zu übertragen. Stattdessen, wie im Folgenden näher erläutert wird, wirken der Lenkemulatormotor 70 und der Regler 74 als Rückkopplungsstellglied, um das Drehmoment zu imitieren, das an das Lenkrad 22 übertragen wird.
Der zweite Sollwertgenerator 44 steht in Verbindung mit einem Drehmomentsensor 80, der auf dem Lenkmotor 26 positioniert ist. Der Drehmomentsensor 80 ist konfiguriert, um ein vom Lenkmotor 26 erzeugtes Abtriebsdrehmoment Tv zu überwachen und sendet das Abtriebsdrehmoment Tv an den Regler 74. In einer Ausführungsform kann das Abtriebsdrehmoment Tv einen Schätzwert basierend auf Stromsignalen darstellen. Der zweite Sollwertgenerator 44 berechnet ein manuelles Solldrehmoment M_H basierend auf dem Abtriebsdrehmoment Tv und anderen Motorsignalen wie beispielsweise Motordrehzahl und Motorposition (nicht in 1 dargestellt). Alternativ kann der zweite Sollwertgenerator 44 in einer weiteren Ausführungsform das Abtriebsdrehmoment Tv basierend auf anderen Betriebsparametern wie beispielsweise dem Lenkradwinkel δ_H, der Fahrzeuggeschwindigkeit V und einem Reibungskoeffizienten µ zwischen Fahrbahnoberfläche und Reifen bestimmen.
Der zweite Sollwertgenerator 44 interagiert funktionell mit dem Regler 74. Insbesondere teilt sich der zweite Sollwertgenerator 44 das Abtriebsdrehmoment Tv, das Lenkraddrehmoment M_H und den Lenkradwinkel δ_H mit dem Regler 74. Der Regler 74 berechnet ein Steuersignal U_H basierend auf dem Abtriebsdrehmoment T_V, dem Lenkraddrehmoment M_H und dem Lenkradwinkel δ_H mit dem Lenkungsauswerter 46. Das Steuersignal U_H wird an den Lenkemulatormotor 70 gesendet. Das Steuersignal U_H ist konfiguriert, um den Betrieb des Lenkemulatormotors 70 zu steuern.
Der Lenkungsauswerter 46 ist konfiguriert, um das Servolenkungssystem 20 zu überwachen und das Vorhandensein eines mechanischen Problems oder einer Anomalie innerhalb des Servolenkungssystems 20 zu erkennen. Der Diagnoseauswerter 48 ist konfiguriert, um die Quelle oder die Position der mechanischen Anomalie basierend auf der Ausführung eines Fehlermodusalgorithmus zu bestimmen. In einer Ausführungsform führt der Diagnoseauswerter 48 den Fehlermodusalgorithmus unabhängig von den vom Lenkungsauswerter 46 ausgeführten Algorithmen aus und wird im Folgenden näher erläutert. Das heißt, der Diagnoseauswerter 48 kann in einigen Ausführungsformen unabhängig vom Lenkungsauswerter 46 arbeiten.
Der Diagnoseauswerter 48 steht in Verbindung mit dem Lenkradwinkelsensor 24, dem Lenkmotor 26, dem Lenkungsauswerter 46, dem Drehmomentsensor 50, dem Lenkemulatormotor 70, dem Drehmomentsensor 80 und einem Drehgeber 82. Ein Steer-by-Wire-System kann zwei Motoren aufweisen, wobei einer zum Steuern des Lenkrads verwendet wird (z. B. der Lenkemulatormotor 70 steuert das Lenkrad 22) und der andere Motor steuert die Zahnstange und die Straßenräder (z. B. der Lenkmotor 26 steuert die Zahnstange 28 und die Straßenräder 1 und r). Der Drehgeber 82 ist konfiguriert, um eine Winkellage θ einer Welle (nicht in 1 veranschaulicht) des Lenkmotors 26 zu überwachen. Wie im Folgenden näher erläutert wird, leitet der Diagnoseauswerter 48 ein Diagnoseverfahren ein, indem er ein Drehmomenteingangssignal T an den Lenkmotor 26 oder den Lenkemulatormotor 70 sendet. Als Reaktion auf das Empfangen des Drehmomenteingangssignals T führt der Lenkmotor 26 oder der Lenkemulatormotor 70 aktiv einen Frequenzdurchlauf durch. Wie ebenfalls im Folgenden erläutert wird, können die während des Frequenzdurchlaufs gesammelten Daten verwendet werden, um die Position oder Ursache einer mechanischen Anomalie im Servolenkungssystem 20 zu bestimmen. Es ist zu beachten, dass der Frequenzgang entweder vom Lenkmotor 26 oder vom Lenkemulatormotor 70 durchgeführt werden kann.
Das Drehmomenteingangssignal T kann, ist aber nicht beschränkt auf, ein weißes Rauschsignal, ein Mehrsinussignal, ein Schrittsignal, ein Impulssignal oder ein Chirpsignal sein. In einer Ausführungsform kann das weiße Rauschen Frequenzen im Bereich von etwa 1 bis etwa 200 Hertz in gleichen Mengen enthalten. Die Multisinuswelle ist ein periodisches Signal, das sich aus einer harmonisch zusammengesetzten Summe von sinusförmigen Komponenten zusammensetzt. Das Chirpsignal kann auch als Sweep-Signal bezeichnet werden. Das Chirpsignal kann im Laufe der Zeit die Frequenz erhöhen (Aufwärts-Chirp) oder verringern (Abwärts-Chirp). Die Frequenz des vom Lenkmotor 26 erzeugten Abtriebsdrehmoments Tv wird während eines Frequenzdurchlaufs variiert. Insbesondere ändert sich die Frequenz des Drehmomenteingangssignals T, während die Amplitude auf einem konstanten Wert gehalten werden kann. Die Amplitude des Drehmomenteingangssignals T stellt die Größenordnung dar.
Der Lenkungsauswerter 46 kann nun näher beschrieben werden. Insbesondere überwacht der Lenkungsauswerter 46 während des Betriebs passiv einen Eingang und mindestens einen Ausgang des Servolenkungssystems 20. Es ist zu beachten, dass das Fahrzeug auf verschiedene Weise betrieben werden kann und nicht auf einen Fahrer beschränkt ist, der das Fahrzeug mit dem Lenkrad 22 bedient. In einer Ausführungsform kann der Betrieb eine vollständig autonome Steuerung des Fahrzeugs beinhalten. In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Betrieb eine Bewertung beinhalten, wenn das Fahrzeug in einer Testumgebung betrieben wird. Der Eingang ist ein Anregungssignal E. Als Reaktion auf das Empfangen des Anregungssignals E als Eingang erzeugt das Servolenkungssystem 20 den Ausgang, der mindestens ein Antwortsignal R ist. Das Anregungssignal kann ein harmonisches Signal sein, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, eine Sinuswelle mit einer vorbestimmten Amplitude und Frequenz. Alternativ kann das Anregungssignal auch zufällig sein. So kann beispielsweise das Anregungssignal harmonisch sein, wenn das Servolenkungssystem 20 in einer Einrichtung getestet wird, in welcher der Eingang simuliert wird. In einer weiteren Ausführungsform kann das Anregungssignal zufällig sein, wenn das Fahrzeug auf einer holprigen Straße oder einer anderen unebenen Oberfläche gefahren wird.
Einige Beispiele für unebene Oberflächen sind beispielsweise Straßen mit belgischen Sperren oder eine unebene Fahrbahn.
Es ist zu beachten, dass das Anregungssignal E und das Antwortsignal R beide passiv überwacht werden. Mit anderen Worten, das Anregungssignal E und das Antwortsignal R werden ohne zusätzliche oder aktive Steuerung des Servolenkungssystems 20 erzeugt. Wie nachstehend erläutert, vergleicht der Lenkungsauswerter 46 den geschätzten Frequenzgang mit einem Basisfrequenzgang des Servolenkungssystems 20 und bestimmt basierend auf dem Vergleich das Vorhandensein einer oder mehrerer mechanischer Anomalien mit dem Servolenkungssystem 20. Das heißt, der geschätzte Frequenzgang des Anregungssignals E zum Antwortsignal R ist repräsentativ für ein oder mehrere mechanische Eigenschaften des Servolenkungssystems 20. So stellt beispielsweise das mechanische Attribut in den 2A, 2B, 3A und 3B die Befestigungsanzugfestigkeit für eine Klemmschraube an einer I-Wellen-Getriebewellen-Schnittstelle (nicht in 1 dargestellt) des Servolenkungssystems 20 dar.
Der Lenkungsauswerter 46 vergleicht eine Wellenform des geschätzten Frequenzgangs mit einer Wellenform des Basisfrequenzgangs und bestimmt das Vorhandensein einer oder mehrerer mechanischer Anomalien basierend auf dem Vergleich zwischen den beiden Wellenformen. Der Basisfrequenzgang kann im Speicher eines der Steuermodule im Fahrzeug gespeichert werden. Alternativ kann der Basisfrequenzgang an einem entfernten Standort gespeichert werden und wird über ein drahtloses Kommunikationssignal an das Fahrzeug übermittelt. Der Basisfrequenzgang kann empirisch basierend auf Testergebnissen im Normalbetrieb bestimmt werden (d. h. es liegen keine Probleme vor), und der geschätzte Frequenzgang basiert auf den aktuellen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs.
In der nachfolgend beschriebenen exemplarischen Ausführungsform ist das Anregungssignal E eine Zugstangenkraft und die Antwortsignale R beinhalten den Lenkradwinkel δ_H und eine axiale Position der Zahnstange 28 in einem Zahnstangengehäuse (nicht dargestellt in 1) des Servolenkungssystems 20. In der dargestellten Ausführungsform steht der Lenkungsauswerter 46 in elektronischer Verbindung mit einer Vielzahl von Zugstangenkraftsensoren 76, wobei jeder Zugstangenkraftsensor 76 eine entsprechende der Zugstangen 29 überwacht. Konkret überwacht einer der Zugstangenkraftsensoren 76 die linke Zugstange 29 und der andere Zugstangenkraftsensor 76 überwacht die rechte Zugstange 29. Obwohl 1 die Zugstangenkraftsensoren 76 veranschaulicht, kann die Zugstangenkraft in einer weiteren Ausführungsform ein berechneter Wert basierend auf anderen Sensormesswerten sein.
Wie in 2A zu sehen ist, sind zwei Wellenformen dargestellt, die eine Größenreaktion der Zugstangenkraft auf den Lenkradwinkel δ_H darstellen. Die beiden Wellenformen werden erzeugt, wenn mechanische Verbindungen zwischen den Straßenrädern und dem Lenkrad hergestellt werden. Insbesondere beinhaltet 2A eine Basislinienwellenform 202, welche die Basisliniengrößenreaktion der Zugstangenkraft auf den Lenkradwinkel δ_H und eine geschätzte Wellenform 204, welche die geschätzte Größenreaktion der Zugstangenkraft auf den Lenkradwinkel δ_H darstellt. 2B veranschaulicht eine Basislinienwellenform 206, welche die Basisliniengrößenreaktion der Zugstangenkraft auf den Lenkradwinkel δ_H und eine geschätzte Wellenform 208, welche die geschätzte Größenreaktion der Zugstangenkraft auf den Lenkradwinkel darstellt. Wie in den 2A und 2B zu sehen ist, definiert jede Wellenform ein einzigartiges Profil.
In der Ausführungsform, wie in den 3A und 3B dargestellt, sind jeweils ein Größen- und ein Phasenverhalten einer Zugstangenkraft auf die axiale Position der Zahnstange 28 (1) dargestellt. Insbesondere beinhaltet 3A eine Wellenform, welche die Basisliniengrößenreaktion darstellt, und eine Wellenform, welche die geschätzte Größenreaktion darstellt, und 3B beinhaltet eine Wellenform, welche die Basisliniengrößenreaktion darstellt, und eine Wellenform, welche die geschätzte Größenreaktion darstellt. Es versteht sich jedoch, dass, während die beschriebenen Ausführungsformen ein Anregungssignal E und ein Antwortsignal R zum Bestimmen eines losen Befestigungselements offenbaren, andere Anregungssignale und Antwortsignale auch zum Bestimmen anderer mechanischer Anomalien verwendet werden können. Einige weitere Beispiele für Anregungssignale und Antwortsignale sind unter anderem die Position der Zahnstange 28 als Eingang und eine Position des Lenkmotors 26 als Ausgang. Die Kombination aus der Position der Zahnstange und der Position des Lenkmotors kann verwendet werden, um eine Verbindung zwischen der Zahnstange 28 und einer Welle (nicht dargestellt) des Lenkmotors 26 zu bewerten. Falls das Servolenkungssystem 20 eine Zahnstange mit Riemenantrieb EPS ist, kann eine unzureichende Verbindung zwischen der Zahnstange 28 und der Welle durch einen abgenutzten oder losen Riemen verursacht werden.
Zurückkehrend zu 1, steht der Lenkungsauswerter 46 in elektronischer Verbindung mit den Zugstangenkraftsensoren 76, dem Lenkradwinkelsensor 24 und einem Zahnstangenpositionssensor 78. Wie bereits erwähnt, kann die Zugstangenkraft anstelle der Zugstangenkraftsensoren 76 ein berechneter Wert sein. Der Zahnstangenpositionssensor 78 ist konfiguriert, um eine axiale Position des Zahnstangen 28 in einem Zahnstangengehäuse zu erfassen (nicht dargestellt). Der Lenkungsauswerter 46 überwacht während einer Bewertung das Anregungssignal E und das Antwortsignal R, um den Frequenzgang zu bestimmen. Die Bewertung kann durch beliebig viele Ereignisse ausgelöst oder eingeleitet werden. So kann beispielsweise die Bewertung beim Starten (d. h. beim Anlassen des Motors) oder alternativ die Bewertung als Reaktion darauf eingeleitet werden, dass das Fahrzeug entlang einer bestimmten Teststrecke gefahren wird. Das heißt, der Lenkungsauswerter 46 kann bestimmen, dass das Fahrzeug auf einer Teststrecke gefahren wird, die ein Profil beinhaltet, das einen bestimmten Betriebszustand, eine bestimmte Umgebung oder ein Betriebsereignis simuliert.
In dem beschriebenen Beispiel überwacht der Lenkungsauswerter 46 den Lenkradwinkel δ_H, das Zugstangenkraftsignal und die axiale Position der Zahnstange 28, während die Bewertung durchgeführt wird. Das Spurstangenkraftsignal ist das Anregungssignal E und der Lenkradwinkel und/oder die axiale Position der Zahnstange 28 sind das Antwortsignal R. Der Lenkungsauswerter 46 schätzt dann einen Frequenzgang zwischen der Spurstangenkraft und dem Lenkradwinkel δ_H, der Spurstangenkraft und der axialen Position der Zahnstange 28 oder beiden. Mit anderen Worten, schätzt der Lenkungsauswerter 46 den Betrag und den Phasengang zwischen dem Anregungssignal E und dem Antwortsignal R. Der Lenkungsauswerter 46 schätzt den Frequenzgang zwischen dem Anregungssignal E und dem Antwortsignal R basierend auf einem schnellen Fourier-Transformations-(FFT)-Algorithmus. Ein Beispiel für einen FFT-Algorithmus ist der Goertzel-Algorithmus, jedoch ist zu beachten, dass die Erfindung auch andere Arten von Algorithmen verwenden kann.
In Bezug auf die beiden 2A und 2B beinhalten sowohl der Größen- als auch der Phasengang zwei unterschiedliche Wellenformen. Die Größenreaktion in 2A beinhaltet die Basislinienwellenform 202, welche die Basisliniengrößenreaktion darstellt, und die geschätzte Wellenform 204, welche die geschätzte Größenreaktion darstellt. Die Phasengang in 2B beinhaltet die Basislinienwellenform 206, welche die Basisliniengrößenreaktion darstellt, und eine geschätzte Wellenform 208, welche den geschätzten Phasengang darstellt. Wie im Folgenden näher erläutert wird, vergleicht der Lenkungsauswerter 46 den Basisfrequenzgang mit dem geschätzten Frequenzgang, um das Vorhandensein einer mechanischen Anomalie mit dem Servolenkungssystem 20 zu bestimmen (1). Ein in 4 dargestelltes Prozessflussdiagramm beschreibt ein Verfahren 400 zum Erkennen der mechanischen Anomalie und wird im Folgenden ebenfalls näher beschrieben.
Die 3A und 3B veranschaulichen die geschätzte Größenreaktion und den Phasengang der Zugstangenkraft auf die axiale Position der Zahnstange 28. 3A beinhaltet eine Basislinienwellenform 302, welche die Basisliniengrößenreaktion darstellt, und eine geschätzte Wellenform 304, welche die geschätzte Größenreaktion darstellt. 3B beinhaltet eine Basislinienwellenform 306 der Basisliniengrößenreaktion und eine geschätzte Wellenform 308, welche die geschätzte Größenreaktion darstellt.
Unter Bezugnahme auf die 1, 2A, 2B, 3A und 3B vergleicht der Lenkungsauswerter 46 dann das Anregungssignal E und das Antwortsignal R, um eine Kohärenz zwischen den beiden Signalen zu bestimmen, sobald die Größenreaktionen und die Phasengänge bestimmt sind. Die Kohärenz wird verwendet, um die Kausalität zwischen einem Eingang und Ausgang eines Systems zu schätzen und wird als Wert zwischen 0 und 1 ausgedrückt. Ein Wert von 0 würde anzeigen, dass das Anregungssignal E und das Antwortsignal R völlig unabhängig voneinander sind, wobei der Wert der Kohärenz in Bezug auf die Beziehung zwischen dem Anregungssignal E und dem Antwortsignal R zunimmt. Der Lenkungsauswerter 46 vergleicht dann die Kohärenz mit einem Schwellenkohärenzwert. Der Schwellenkohärenzwert stellt einen minimalen Korrelationswert zwischen den beiden Signalen dar. So ist beispielsweise in einer Ausführungsform der Schwellenkorrelationswert 0,95. Der Korrelationswert kann jedoch abhängig von den spezifischen Anforderungen des Servolenkungssystem 20 variieren.
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Kohärenz größer als der Kohärenzschwellenwert ist, bestimmt der Lenkungsauswerter 46 dann mindestens ein für den geschätzten Frequenzgang charakteristisches Profil. Die Profileigenschaft stellt eine Änderung der Leistung des Servolenkungssystems 20 als Reaktion auf eine mechanische Anomalie dar. Insbesondere spiegelt die Profileigenschaft eine Änderung zwischen dem Basisfrequenzgang und dem geschätzten Frequenzgang des Servolenkungssystems 20 wider, wobei die Änderung des Frequenzgangs als Reaktion auf eine mechanische Anomalie im Servolenkungssystem 20 erzeugt wird. In der Ausführungsform, wie in den 2A, 2B, 3A und 3B dargestellt, ist die mechanische Anomalie beispielsweise die Schraubendichtheit und das mechanische Attribut die Klemmschraube an der I-Welle-Getriebewellen-Schnittstelle des Servolenkungssystems 20.
In einer Ausführungsform beinhalten die Profileigenschaften ein Frequenzprofil, ein Amplitudenprofil und ein Zahlenprofil, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Das Frequenzprofil stellt die Frequenz jeder Spitze und jeder Mulde einer Wellenform dar, die den Frequenzgang darstellt, wobei das Amplitudenprofil eine Amplitude zwischen jeder Spitze und jeder Mulde einer Wellenform darstellt, die den Frequenzgang darstellt, und ein Zahlenprofil stellt die Anzahl der Spitzen und Mulden in einer Wellenform dar, die den Frequenzgang darstellt. So beinhaltet beispielsweise die Wellenform 202 in 2A zwei Spitzen 210 und eine Mulde 212. Im Gegensatz dazu beinhaltet die geschätzte Wellenform 204 eine einzelne Spitze 214 und eine einzelne Mulde 215. Ebenso beinhaltet die Basislinienwellenform 302 in 3A eine einzelne Spitze 310 und eine einzelne Mulde 313 und die Wellenform 304 beinhaltet ebenfalls eine einzelne Spitze 312 und eine einzelne Mulde 311. Die Wellenform 306 in 3B beinhaltet eine einzelne Spitze 314 und eine einzelne Mulde 320 und die Wellenform 308 beinhaltet ebenfalls eine einzelne Spitze 318 und eine einzelne Mulde 316.
Die Profileigenschaften zwischen der geschätzten Wellenform und der Basislinienwellenform werden miteinander verglichen. Insbesondere vergleicht der Lenkungsauswerter 46 das Frequenzprofil, das Amplitudenprofil und das Zahlenprofil der geschätzten Wellenform mit den entsprechenden Profilen der Basislinienwellenform und kann basierend auf dem Vergleich ein Kennzeichen F erzeugen. Insbesondere kann der Lenkungsauswerter 46, wie nachstehend erläutert, ein Kennzeichen F erzeugen, welches das Vorhandensein mindestens einer mechanischen Anomalie in dem Servolenkungssystem 20 anzeigt.
Zurückkehrend zu 1 vergleicht der Lenkungsauswerter 46 in einer Ausführungsform das Zahlenprofil der geschätzten Wellenform mit der Basislinienwellenform. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Anzahl der Spitzen und die Anzahl der Mulden der geschätzten Wellenform nicht mit der Anzahl der Spitzen und Mulden der Basislinienwellenform übereinstimmt, erzeugt der Lenkungsauswerter 46 ein Kennzeichen, und es wird ein Diagnoseverfahren durchgeführt. So beinhaltet beispielsweise in der Ausführungsform, wie in 2A dargestellt, die Basislinienwellenform 202 zwei Spitzen 210 und zwei Mulden 212. Im Gegensatz dazu beinhaltet die geschätzte Wellenform 204 eine einzelne Spitze 214 und eine einzelne Mulde 215. Da die Anzahl der Spitzen und die Anzahl der Mulden zwischen den beiden Wellenformen 202 und 204 unterschiedlich sind, erzeugt der Lenkungsauswerter 46 ein Kennzeichen.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 3A kann in einem weiteren Beispiel die mechanische Anomalie basierend auf dem Frequenzwert erkannt werden. In der Ausführungsform, wie in 3A dargestellt, beträgt beispielsweise die Spitze 310 der Basislinienwellenform 302 etwa 3 Hertz und die Spitze 312 der geschätzten Wellenform 304 etwa 4 Hertz. Wenn daher die Differenz der Schwellenwerte kleiner als 0,5 Hertz ist, erzeugt der Lenkungsauswerter 46 ein Kennzeichen. In noch einem weiteren Beispiel kann die mechanische Anomalie basierend auf dem Amplitudenprofil erkannt werden. So beinhaltet beispielsweise die Spitze 310 der Basislinienwellenlänge 302 eine Amplitude von etwa 5 x 10^-3 Grad/Newton, während die Spitze 312 der geschätzten Wellenform 304 eine Amplitude von etwa 7 x 10^-3 Grad/Newton beinhaltet. Wenn somit die Differenz der Schwellenwerte kleiner als 2 x 10^-3 Grad/Newton ist, erzeugt der Lenkungsauswerter 46 ein Kennzeichen.
4 veranschaulicht das Verfahren 400 zur passiven Überwachung des Servolenkungssystems 20, um das Vorhandensein einer oder mehrerer mechanischer Anomalien im Servolenkungssystem 20 zu bestimmen. Unter Bezugnahme auf die 1-4 wird das Verfahren 400 zur passiven Überwachung des Servolenkungssystems 20 zum Bestimmen des Vorhandenseins einer mechanischen Anomalie beschrieben. Das Verfahren 400 kann bei Block 402 beginnen. In Block 402 empfängt der Lenkungsauswerter 46 als Eingang das Anregungssignal E und das Antwortsignal R. Das Verfahren kann dann mit Block 404 fortfahren.
In Block 404 schätzt der Lenkungsauswerter 46 als Reaktion auf das Empfangen des Anregungssignals E und des Antwortsignals R den Frequenzgang zwischen dem Anregungssignal E und dem Antwortsignal R basierend auf einem FFT-Algorithmus, wobei der Frequenzgang durch eine geschätzte Wellenform dargestellt wird. Insbesondere beinhaltet der Frequenzgang der geschätzten Wellenform einen Größenbereich (siehe 2A und 3A) und einen Phasengang (siehe 2B und 3B). Das Verfahren 400 kann dann zu Block 406 übergehen.
In Block 406 vergleicht der Lenkungsauswerter 46 die Kohärenz zwischen dem Anregungssignal E und dem Antwortsignal R mit dem Schwellenwert Kohärenzwert. Als Reaktion darauf, dass die Kohärenz kleiner als der Schwellenwert für die Kohärenz ist, fährt das Verfahren 400 dann mit Block 408 fort. In Block 408 erzeugt der Lenkungsauswerter 46 ein Kennzeichen, das anzeigt, dass der Kohärenzwert zwischen dem Anregungssignal E und dem Antwortsignal R zu niedrig ist. Der Lenkungsauswerter 46 kann dann eine Diagnosezusammenfassung erzeugen, die an eine Datenbank, ein oder mehrere Fahrzeugsysteme gesendet oder direkt an den Fahrer übermittelt wird. Das Verfahren 400 kann dann enden.
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Kohärenz größer als der Kohärenzschwellenwert ist, kann das Verfahren 400 dann zu Block 410 übergehen. In Block 410 bestimmt der Lenkungsauswerter 46 mindestens eine Profileigenschaft der geschätzten Wellenform. So beinhalten beispielsweise in einer Ausführungsform die Profileigenschaften für die geschätzte Wellenform mindestens eines aus dem Frequenzprofil, dem Amplitudenprofil und dem Zahlenprofil. Das Verfahren 400 kann dann zu Block 412 übergehen.
In Block 412 schätzt der Lenkungsauswerter 46 eine Wertdifferenz zwischen mindestens einer Profileigenschaft der geschätzten Wellenform und einer entsprechenden Profileigenschaft der Basislinienwellenform. Konkret schätzt der Lenkungsauswerter 46 in einer Ausführungsform den Wertunterschied zwischen der geschätzten Wellenform und der Basislinienwellenform in Bezug auf das Frequenzprofil, das Amplitudenprofil und das Zahlenprofil. In der Ausführungsform, wie in 3A dargestellt, vergleicht der Lenkungsauswerter 46 beispielsweise die Spitze 310 der Basislinienwellenform 302, die etwa 3 Hertz beträgt, mit der Spitze 312 der geschätzten Wellenform 304, die etwa 4 Hertz beträgt. Das Verfahren 400 kann dann zu Block 414 übergehen.
In Block 414 bestimmt der Lenkungsauswerter 46, ob die Wertdifferenz zwischen den Profileigenschaften der geschätzten Wellenform und den entsprechenden Profileigenschaften der Basislinienwellenform größer als der Schwellenwertdifferenz ist. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Wertdifferenz zwischen der geschätzten Wellenform und der Basislinienwellenform kleiner oder gleich der Schwellenwertdifferenz ist, kann das Verfahren 400 zu Block 416 übergehen. In Block 416 erzeugt der Lenkungsauswerter 46 eine Diagnosezusammenfassung, die anzeigt, dass keine mechanischen Anomalien im Servolenkungssystem 20 erkannt wurden. Das Verfahren 400 kann dann enden.
Als Reaktion auf das Bestimmen der Wertdifferenz zwischen der geschätzten Wellenform und der Basislinienwellenform, die größer als der Schwellenwert ist, kann das Verfahren dann mit Block 418 fortfahren. In Block 418 erzeugt der Lenkungsauswerter 46 ein oder mehrere Kennzeichen F, die an eine Datenbank, ein oder mehrere Fahrzeugsysteme gesendet oder an einen Fahrer übermittelt werden können. Die Kennzeichen F zeigen das Vorhandensein von mechanischen Anomalien an. Das Verfahren kann dann enden.
Als Reaktion auf das Empfangen des Kennzeichens F führt der Diagnoseauswerter 48 ein Diagnoseverfahren zum Bewerten einer Vielzahl von mechanischen Eigenschaften des Servolenkungssystems 20 durch. Das Diagnoseverfahren wird in den Prozessablaufdiagrammen in den 5 und 6 erläutert. Zurückkehrend zu 1 wird nun das Diagnoseverfahren zum Identifizieren der mechanischen Eigenschaften einzelner Komponenten im Servolenkungssystem 20 beschrieben. Wie vorstehend erwähnt, erzeugt der Lenkungsauswerter 46 in einer Ausführungsform ein Kennzeichen F, um das Diagnoseverfahren einzuleiten. Insbesondere erzeugt der Lenkungsauswerter 46 als Reaktion auf das Bestimmen der Wertdifferenz zwischen einer der Profileigenschaften der geschätzten Wellenform und einer entsprechenden Profileigenschaft der Basislinienwellenform, die größer als ein Schwellenwertdifferenzwert ist, ein Kennzeichen F. Obwohl ein Kennzeichen beschrieben ist, ist zu beachten, dass das Diagnoseverfahren auch aufgrund anderer Situationen eingeleitet werden kann. Insbesondere kann der Lenkungsauswerter 46 ein Diagnoseverfahren periodisch (d. h. wöchentlich, monatlich, halbjährlich usw.), vor oder nach dem Warten des Fahrzeugs, bei bestimmten Laufleistungen des Fahrzeugs (d. h. alle 5.000 Meilen oder etwa 8.046 Kilometer) oder als Reaktion auf das Erfassen einer Überdrehzahl oder Überlastung des Lenkmotors 26 oder des Lenkemulatormotors 70 einleiten. Eine Überdrehzahl eines Motors gibt an, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Motorwelle die Betriebsdrehzahlgrenzen überschritten hat, und eine Überlastung des Motors zeigt an, dass das Motordrehmoment die Betriebskraftgrenzen überschritten hat.
Das Diagnoseverfahren beginnt, wenn der Diagnoseauswerter 48 als Eingang ein Auslösesignal empfängt. In einer Ausführungsform ist das Auslösesignal das vom Lenkungsauswerter 46 erzeugte Kennzeichen F. Alternativ, wie vorstehend erwähnt, wird das Auslösesignal vom Fahrzeug periodisch, vor oder nach der Wartung des Fahrzeugs oder als Reaktion auf das Bestimmen einer Überdrehzahl oder Überlastung des Lenkmotors 26 oder des Lenkemulatormotors 70 erzeugt. Als Reaktion auf das Empfangen des Auslösesignals leitet der Diagnoseauswerter 48 die Motorauswertung durch Erzeugen des Drehmomenteingangssignals T ein. Das Drehmomenteingangssignal T zeigt an, dass das Motordrehmoment vom Lenkmotor 26 oder dem Lenkemulatormotor 70 für die Dauer der Bewertung erzeugt wird. In einer Ausführungsform beträgt die Dauer der Bewertung etwa dreißig Sekunden, wobei jedoch zu beachten ist, dass die Bewertung auch länger oder kürzer sein kann.
Ein Diagnoseverfahren wird nachfolgend ausführlicher beschrieben und ist in 5 und 6 dargestellt. Das in FIG. und 6 veranschaulichte Diagnoseverfahren veranschaulicht die Diagnose der mechanischen Komponenten, die sich zwischen dem Lenkemulatormotor 70 und den Straßenrädern 1, r befinden, wie in 1 zu sehen ist. Es ist jedoch zu beachten, dass das Diagnoseverfahren auch auf den Lenkmotor 26 und die Straßenräder 1, r angewendet werden kann. Zurückkehrend zu 1, als Reaktion auf das Empfangen des Drehmomenteingangssignals T, erzeugt der Lenkemulatormotor 70 das Abtriebsdrehmoment Tv. Insbesondere wird die Frequenz des Eingangs (d. h. das Drehmomenteingangssignal T) variiert, da der Diagnoseauswerter 48 den Drehmomentsensor 50 und den Lenkradwinkelsensor 24 überwacht, um das Abtriebsdrehmoment Tv und den Lenkradwinkel δ_H zu bestimmen. Das Lenkrad 22 ist während der Motorauswertung und des Lenkradwinkels δ_H frei drehbar. Das heißt, während die Motorauswertung durchgeführt wird, hält oder manipuliert ein Fahrer das Lenkrad 22 nicht (d. h. die Hände des Fahrers befinden sich nicht am Lenkrad 22). Während der Motorauswertung liegt der Lenkradwinkel δ_H im Bereich von 10 bis 30 Grad. Obwohl spezifische Ein- und Ausgangssignale beschrieben werden, ist zu beachten, dass auch andere Ein- und Ausgangssignale für die Diagnose verwendet werden können, wie beispielsweise der Lenkradwinkel δ_H als Eingang und das Abtriebsdrehmoment Tv als Ausgang.
Der Diagnoseauswerter 48 kann die Daten entweder diskret oder kontinuierlich aufzeichnen. Der Eingang ist der Drehmomenteingang T und der Ausgang ist der Lenkradwinkel δ_H. Der Diagnoseauswerter schätzt dann den Frequenzgang des Servolenkungssystems 20, das durch ein Bode-Diagramm mit der geschätzten Größe und der geschätzten Phase der bestimmten Frequenz dargestellt wird. Es ist zu beachten, dass sich das passive Verfahren des Lenkungsauswerters 46 von dem Verfahren unterscheidet, das der Diagnoseauswerter 48 basierend auf einem aktiven Diagnoseansatz durchführt. Ein aktiver Ansatz kann das direkte Steuern des Drehmoments oder der Position eines Lenkmotors oder das indirekte Steuern des Drehmoments oder der Position des Lenkmotors durch Drehmoment- und Winkelüberlagerungsfunktionen beinhalten.
Nach dem Bestimmen der Größe und Phase des Frequenzgangs bestimmt der Diagnoseauswerter 48 eine Anpassungsgüte für die geschätzte Größe und Phase des Frequenzgangs in Bezug auf eine erwartete Größe und Phase eines Masse-Feder-Dämpfer-Modells 500, wie in 5 dargestellt. Unter Bezugnahme auf die beiden 1 und 5 beinhaltet das Modell 500 einen Dämpfer 502, einen Motor 504, ein Vorspannelement, wie beispielsweise eine Feder 506, und ein Lenkrad 508, wobei die Feder 506 die Verbindung zwischen dem Lenkemulatormotor 70 und dem Lenkrad 22 darstellt (1). Die Vielzahl von Modellparametern basiert auf den Komponenten, die in dem in 5 dargestellten Masse-Feder-Dämpfer-Modell enthalten sind. Die Vielzahl von Modellparametern beinhaltet, ist jedoch nicht darauf beschränkt, die Motorträgheit Jm, die Motordämpfung bm, die Lenkradträgheit Jw, eine Federkonstante der Verbindung k und eine Dämpfungskonstante der Verbindung b.
Das Masse-Feder-Dämpfer-Modell 500 in 5 weist eine Vielzahl von Modellparametern auf. Gleichung 1, die nachfolgend dargestellt ist, drückt eine berechnete Übertragungsfunktion aus, die basierend auf den vorgegebenen Werten der Motorvariablen bestimmt wird. $\frac{M o t o r p o s i t i o n (s)}{M o t o r d r e h m o m e n t (s)} = \frac{J_{w} s^{2} + b s + k}{(J_{m} s^{2} + b_{m} s) (J_{w} s^{2} + b s + k) + J_{w} s^{2} (b s + k)}$
Die Werte für die Parameter im Modell 500 können berechnet werden, um eine Anpassungsgüte an die geschätzte Größe und Phase zu maximieren. Einige Systemidentifizierungs-Toolboxen, wie beispielsweise MATLAB (Matrixlabor), können verwendet werden, um die Berechnung der Vielzahl der im Modell 500 dargestellten Modellparameter zu erleichtern. Obwohl MATLAB beschrieben wird, ist es zu beachten, dass auch andere Verfahren zum Bestimmen der Parameterwerte von Modell 500 verwendet werden können.
Es ist zu beachten, dass das in 5 dargestellte Masse-Feder-Dämpfer-Modell auf dem Lenkemulatormotor 70 des in 1 dargestellten Steer-by-wire-Systems basiert. Daher kann die Vielzahl von Modellparametern basierend auf dem Typ des Servolenkungssystems 20 unterschiedlich sein. Bei einem autonomen Fahrzeug ohne Lenkrad würde beispielsweise die Trägheit des Lenkrads Jw und sogar der Lenkemulatormotor 70 entfallen. Außerdem kann die Vielzahl von Modellparametern für ein Straßenradsteuerungssystem, das Teil eines Steer-by-Wire-Systems ist, unterschiedlich sein (d. h. das System vom Lenkmotor 26 zu den in 1 dargestellten Straßenrädern 1 und r).
Die Anpassungsgüte ist ein Zuverlässigkeitsgrad, bei dem ein beobachteter Datensatz durch ein Modell mit entsprechenden Parameterwerten dargestellt werden kann. In der beschriebenen Ausführungsform ist der beobachtete Datensatz die geschätzte Größe und die geschätzte Phase des Frequenzgangs, die durch den Diagnoseauswerter 48 bestimmt wird.
Der Diagnoseauswerter 48 vergleicht die Anpassungsgüte zwischen der geschätzten Größe und Phase mit den Modellparametern des Modells 500 mit einer Schwellenanpassung. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Anpassungsgüte kleiner oder gleich der Schwellenanpassung ist, erstellt der Diagnoseauswerter 48 ein Kennzeichen, das anzeigt, dass die Korrelation zwischen den beobachteten Daten (d. h. der geschätzten Größe und Phase) und dem Modell 500 nicht ausreichend ist. Wenn jedoch die Anpassungsgüte größer als die Schwellenanpassung ist, kann der Diagnoseauswerter 48 dann die Position der mechanischen Anomalie im Servolenkungssystem 20 bestimmen.
Eine Vielzahl von Basislinienwerten des Modells 500 werden während des normalen Betriebs des Servolenkungssystems 20 berechnet (d. h. es liegen keine Probleme mit dem System vor) und im Speicher des Diagnoseauswerters 48 gespeichert. Das heißt, für jeden Modellparameter (d. h. die Trägheit des Lenkrads Jw, usw) wird ein Basiswert bestimmt. Der Diagnoseauswerter 48 vergleicht dann einen Wert eines experimentellen Parameters mit einem entsprechenden Basislinienwert eines der Modellparameter. Als Reaktion auf das Bestimmen einer Differenz in Werten zwischen einem der experimentellen Parameter und einem entsprechenden der Basiswerte, die nicht in einen Bereich von vordefinierten Werten passt, bestimmt der Diagnoseauswerter 48 dann die Position einer mechanischen Anomalie im Servolenkungssystem 20, die im Folgenden erläutert wird. Die experimentellen Werte werden basierend auf experimentellen Daten bestimmt. Insbesondere werden die experimentellen Daten als Reaktion auf das Empfangen eines Auslösesignals durch den Diagnoseauswerter 48 gesammelt. Die gesammelten experimentellen Daten können, sind aber nicht darauf beschränkt, das Drehmomenteingangssignal T für den Lenkemulatormotor 70 und den Lenkradwinkel δ_H beinhalten.
Die Position der mechanischen Anomalie im Servolenkungssystem 20 wird basierend auf dem spezifischen Parameter bestimmt, der nicht in den Bereich der vorgegebenen Werte fällt. Wenn beispielsweise in der Ausführungsform, wie in 5 dargestellt, die Motordämpfung b_m nicht in den Bereich der vorgegebenen Werte fällt, dann kann gelegentlich ein Wert, der höher als der vorgegebene Wertebereich ist, auf Korrosion durch Wassereintritt in den Lenkemulatormotor 70 hinweisen, und ein Wert, der niedriger als der Bereich der vorgegebenen Werte ist, kann auf eine lose Verbindung zwischen dem Lenkemulatormotor 70 und der Säule hinweisen. Wenn die Lenkradträgheit J_w nicht in den Bereich der vordefinierten Werte fällt, dann zeigt ein Wert, der höher ist als die vorgegebenen Wertebereiche, dass ein Objekt das Lenkrad 22 behindern kann oder an ihm befestigt ist. Wenn der Wert der Lenkradträgheit J_w kleiner als der Bereich der vorgegebenen Werte ist, kann ein Grund für einen niedrigen Wert das Fehlen des vorderen Fahrerairbags sein. Wenn der Wert der Federkonstante der Verbindung k oder der Dämpfungskonstante der Verbindung b nicht in den vorgegebenen Wertebereich fällt, kann ein Wert, der höher als der vorgegebene Wertebereich ist, auf einen Lagerausfall der Säule hinweisen. Es ist zu beachten, dass diese Beispiele keine vollständige Liste aller mechanischen Anomalien darstellen, die durch die Erfindung erkannt werden können.
6 ist ein exemplarisches Prozessablaufdiagramm, das ein Verfahren 600 zum Ausführen eines Diagnoseverfahrens zum Bestimmen der Position einer mechanischen Anomalie im Servolenkungssystem 20 veranschaulicht. Unter allgemeiner Bezugnahme auf die 1 und 6 kann das Verfahren 600 bei Block 602 beginnen. In Block 602 empfängt der Diagnoseauswerter 48 als Eingang ein Auslösesignal. In einer Ausführungsform ist das Auslösesignal das vom Lenkungsauswerter 46 erzeugte Kennzeichen F. Alternativ kann das Auslösesignal periodisch, vor oder nach der Wartung des Fahrzeugs oder als Reaktion auf das Bestimmen einer Überdrehzahl oder Überlastung des Lenkmotors 26 oder des Lenkemulatormotors 70 erzeugt werden. Das Verfahren 600 kann dann zu Block 604 übergehen.
In Block 604 bestätigt der Diagnoseauswerter 48, dass das Lenkrad 22 frei drehbar ist. Mit anderen Worten, bestimmt der Lenkungsauswerter 46, ob ein Fahrer das Lenkrad 22 festhält und manipuliert. Es ist zu beachten, dass Block 604 entfallen kann, wenn das Servolenkungssystem 20 kein Lenkrad 22 beinhaltet. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass das Lenkrad 22 nicht frei drehbar ist, kann das Verfahren 600 enden. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass das Lenkrad 22 frei drehbar ist, kann das Verfahren 600 mit Block 606 fortfahren.
In Block 606 erzeugt der Diagnoseauswerter 48 das Drehmomenteingangssignal T. Das Verfahren 600 kann dann mit Block 608 fortfahren.
In Block 608 führt die Reaktion auf das Empfangen des Drehmomenteingangssignals T des Lenkmotors 26 oder des Lenkemulatormotors 70 den Frequenzdurchlauf aus. Das Verfahren 600 kann dann zu Block 610 übergehen.
In Block 610 bestimmt der Lenkungsauswerter 46 die Position einer oder mehrerer mechanischer Anomalien durch Ausführen einer Fehlermodusanalyse. Die Fehlermodusanalyse wird in 7 näher beschrieben. Die Fehlermodusanalyse führt zu einer Diagnosezusammenfassung. Das Verfahren 600 kann dann zu Block 612 übergehen.
In Block 612 bestimmt der Diagnoseauswerter 48, ob die Diagnosezusammenfassung eine oder mehrere mechanische Anomalien mit dem Servolenkungssystem 20 anzeigt. Wenn in der Diagnosezusammenfassung keine Anomalie vorliegt, kann das Verfahren 600 enden. Wenn jedoch mindestens eine Anomalie erkannt wird, kann das Verfahren 600 mit Block 614 fortfahren.
In Block 614 wird die Diagnosezusammenfassung dann an andere Bordsysteme des Fahrzeugs übermittelt. Zusätzlich zu oder alternativ wird die Diagnosezusammenfassung an ein oder mehrere Systeme übermittelt, die sich entfernt vom Fahrzeug befinden (über eine drahtlose Verbindung). In einer Ausführungsform kann die Diagnosezusammenfassung auch an den Fahrer unter Verwendung einer Vorrichtung übermittelt werden, wie beispielsweise einer Anzeige im Fahrzeug. Das Verfahren 600 kann dann enden.
7 ist ein Prozessablaufdiagramm, das ein Verfahren 700 zum Ausführen einer Fehlermodusanalyse zum Bestimmen der Position oder Quelle einer oder mehrerer mechanischer Anomalien im Servolenkungssystem 20 darstellt. Unter allgemeiner Bezugnahme auf die 1, 5 und 7 kann das Verfahren 700 bei Block 702 beginnen. In Block 702 bestimmt der Diagnoseauswerter 48 die geschätzte Größe und die geschätzte Phase des Frequenzgangs basierend auf dem Drehmomenteingang zum Lenkemulatormotor 70 und dem Lenkradwinkel δ_H während des Frequenzdurchlaufs. Das Verfahren 700 kann dann zu Block 704 übergehen.
In Block 704 bestimmt der Diagnoseauswerter 48 die Anpassungsgüte für die geschätzte Größe und Phase des Frequenzgangs in Bezug auf eine erwartete Größe und Phase des Modells 500 des Servolenkungssystems 20.
Zusammen mit der Anpassungsgüte berechnet der Diagnoseauswerter 48 die Vielzahl von experimentellen Parameterwerten basierend auf dem geschätzten Frequenzgang zwischen dem Drehmomenteingang des Lenkemulatormotors 70 und dem Lenkradwinkel δ_H. In der beschriebenen nicht einschränkenden Ausführungsform beinhaltet die Vielzahl von experimentellen Parametern die Motorträgheit J_m, die Motordämpfung b_m, die Lenkradträgheit J_w, eine Federkonstante der Verbindung k und die Dämpfungskonstante der Verbindung b. Das Verfahren kann dann zu Block 706 übergehen.
In Block 706 bestimmt der Diagnoseauswerter 48, ob die Anpassungsgüte zwischen der geschätzten und erwarteten Größe und Phase kleiner oder gleich der Schwellenanpassung ist. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Anpassungsgüte kleiner oder gleich der Schwellenanpassung ist, fährt das Verfahren mit Block 708 fort. In Block 708 erzeugt der Diagnoseauswerter 48 ein Kennzeichen, das die Korrelation zwischen den beobachteten Daten (d. h. der geschätzten Größe und Phase) und den erwarteten Werten anzeigt und nicht ausreichend ist. Die Diagnosezusammenfassung wird dann erstellt, und das Verfahren kann dann enden.
Wenn die Anpassungsgüte größer als die Schwellenanpassung ist, kann das Verfahren mit Block 710 fortfahren. In Block 710 vergleicht der Diagnoseauswerter 48 den Wert jedes experimentellen Parameters mit einem Basislinienwert eines der entsprechenden Modellparameter. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Wertdifferenz zwischen dem einen der experimentellen Parameter und einem entsprechenden der Modellparameter in den Bereich der vorgegebenen Werte fällt, fährt das Verfahren 700 mit Block 712 fort. In Block 712 erstellt der Diagnoseauswerter 48 eine Diagnosezusammenfassung, die anzeigt, dass keine mechanischen Anomalien gefunden wurden. Das Verfahren 700 kann dann enden.
Als Reaktion auf das Bestimmen einer Wertdifferenz zwischen dem einen der experimentellen Parameter und einem Ausgangswert eines entsprechenden der Modellparameter, der außerhalb des Bereichs der vorgegebenen Werte liegt, kann das Verfahren 700 mit Block 714 fortfahren. In Block 714 bestimmt der Diagnoseauswerter 48 die Position mindestens einer mechanischen Anomalie im Servolenkungssystem 20 basierend auf dem spezifischen Parameter, der nicht in den Bereich der vorgegebenen Werte fällt. Das Verfahren kann dann zu Block 716 übergehen.
In Block 716 erzeugt der Lenkungsauswerter 46 einen Diagnosebericht, der die Position der mechanischen Anomalien im Servolenkungssystem 20 identifiziert. Das Verfahren kann dann enden.
Unter allgemeiner Bezugnahme auf die Figuren sieht die Erfindung einen Ansatz zur passiven und aktiven Überwachung des Servolenkungssystems 20 vor, um das Vorhandensein einer mechanischen Anomalie zu bestimmen. Die Erfindung sieht auch einen Ansatz vor, um die Position der mechanischen Anomalie zu identifizieren. Da einige Typen von Servolenkungssystemen es einem Fahrer möglicherweise nicht ermöglichen, ungewöhnliche Vibrationen am Lenkrad wahrzunehmen, die durch ein mechanisches Problem verursacht werden, sieht die Offenbarung einen alternativen Ansatz zur Überprüfung der mechanischen Integrität des Servolenkungssystems vor. Einige bestehende Systeme sind möglicherweise in der Lage, mechanische Anomalien in einem Servolenkungssystem zu erkennen. Diese bestehenden Systeme sind jedoch möglicherweise nicht in der Lage, die genaue Position der Anomalie zu bestimmen. Darüber hinaus können bestehende Systeme möglicherweise nicht in der Lage sein, das Servolenkungssystem während des normalen Betriebs eines Fahrzeugs passiv zu überwachen. Im Gegensatz dazu kann das offenbarte System in der Lage sein, die Position eines mechanischen Problems im Servolenkungssystem während des normalen Fahrzeugbetriebs zu überwachen und zu identifizieren.

Claims

System zum passiven und aktiven Überwachen und Bewerten von mechanischen Eigenschaften eines Servolenkungssystems (20) eines Fahrzeugs, wobei das System Folgendes umfasst: einen oder mehrere Prozessoren; und einen Speicher, der mit einem oder mehreren Prozessoren gekoppelt ist, wobei der Speicher eine Basislinienwellenform (202, 206, 302, 306) und Daten speichert, die Programmcode umfassen, der, wenn er durch den einen oder die mehreren Prozessoren ausgeführt wird, das System zu Folgendem veranlasst: Empfangen mindestens eines Anregungssignals (E); Empfangen mindestens eines Antwortsignals (R), wobei das Servolenkungssystem (20) das Antwortsignal (R) als Reaktion auf das Empfangen des Anregungssignals (E) erzeugt; als Reaktion auf das Empfangen des Anregungssignals (E) und des Antwortsignals (R), schätzen eines Frequenzgangs zwischen dem Anregungssignal (E) und dem Antwortsignal (E) basierend auf einem schnellen Fourier-Transformations-(FFT)-Algorithmus, wobei der Frequenzgang durch eine geschätzte Wellenform (204, 208, 304, 308) repräsentiert wird; als Reaktion auf das Bestimmen des Frequenzgangs zwischen dem Anregungssignal (E) und dem Antwortsignal (R), Bestimmen mindestens einer Profileigenschaft der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308); Bestimmen einer Wertdifferenz zwischen mindestens einer Profileigenschaft der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308) und einer entsprechenden Profileigenschaft der Basislinienwellenform (202, 206, 302, 306); und als Reaktion auf das Bestimmen der Wertdifferenz zwischen der mindestens einen Profileigenschaft der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308) und der entsprechenden Profileigenschaft der Basislinienwellenform (202, 206, 302, 306), die größer als ein Schwellwertdifferenzwert ist, Einleiten eines Diagnoseverfahrens zum Bewerten einer Vielzahl von mechanischen Eigenschaften des Servolenkungssystems (20).
System nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner zu folgendem veranlasst werden: Bestimmen einer Kohärenz zwischen dem Anregungssignal (E) und dem Antwortsignal (R); Vergleichen der Kohärenz mit einem Schwellenkohärenzwert, wobei der Schwellenkohärenzwert einen minimalen Korrelationswert darstellt; und als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Kohärenz größer als der Kohärenzschwellenwert ist, Bestimmen der mindestens einen Profileigenschaft der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308).
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Profileigenschaft der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308) ein Frequenzprofil ist, das eine Frequenz von jeder Spitze (210, 214, 310, 312, 314, 318) und jeder Mulde (212, 215, 311, 313, 316, 320) der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308) darstellt.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Profileigenschaft der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308) ein Amplitudenprofil ist, das eine Amplitude zwischen jeder Spitze (210, 214, 310, 312, 314, 318) und Mulde (212, 215, 311, 313, 316, 320) der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308) darstellt.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Profileigenschaft der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308) ein Zahlenprofil ist, das eine Anzahl von Spitzen (210, 214, 310, 312, 314, 318) und Mulden (212, 215, 311, 313, 316, 320) in der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308) darstellt.
System nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner zu folgendem veranlasst werden: Erzeugen eines Kennzeichens als Reaktion auf das Bestimmen der Wertdifferenz zwischen der mindestens einen Profileigenschaft der geschätzten Wellenform (204, 208, 304, 308) und der entsprechenden Profileigenschaft der Basislinienwellenform (202, 206, 302, 306), die größer als ein Schwellendifferenzwert ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Lenkmotor (26) und ein Lenkrad (22), die beide in Verbindung mit dem einen oder den mehreren Prozessoren stehen, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren einen Frequenzgang des Lenkmotors (26) einleiten, durch Erzeugen eines Eingangssignals, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Drehmomenteingangssignal (T), einem Winkellageneingangssignal, einem Stromeingangssignal, einem Winkelgeschwindigkeitseingangssignal und einem Leistungseingangssignal.
System nach Anspruch 7, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner zu Folgendem veranlasst werden: Bestätigen, dass das Lenkrad (22) frei drehbar ist, und als Reaktion auf das Bestimmen, dass das Lenkrad (22) frei drehbar ist, Erzeugen des Eingangssignals, wobei der Lenkmotor (26) konfiguriert ist, um als Reaktion auf das Empfangen des Eingangssignals ein Abtriebsdrehmoment zu erzeugen.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend: einen Drehmomentsensor (80) in Verbindung mit einem oder mehreren Prozessoren, wobei der Drehmomentsensor (80) konfiguriert ist, um das Abtriebsdrehmoment zu überwachen; und einen Drehgeber (82) in Verbindung mit einem oder mehreren Prozessoren, wobei der Drehgeber (82) konfiguriert ist, um eine Winkellage (Θ) einer Welle des Lenkmotors (26) zu überwachen.
System nach Anspruch 9, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner konfiguriert sind zum: Überwachen des Drehmomentsensors (80) und des Drehgebers (82), um das Abtriebsdrehmoment und die Winkellage der Welle des Lenkmotors während des Frequenzdurchlaufs zu bestimmen; und Bestimmen einer Position von mindestens einer mechanischen Anomalie basierend auf dem Eingangssignal und der Winkellage des Lenkmotors.