DE102020110752A1

DE102020110752A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung des Nickwinkels eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102020110752A1
Application number: DE102020110752.8A
Authority: DE
Inventors: Josef Rank
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (130) zur Einstellung des Nickwinkels eines Fahrzeugs (100) beschrieben. Die Vorrichtung (130) ist eingerichtet, Nickrateninformation in Bezug auf einen Istwert (316) einer Nickrate des Fahrzeugs zu ermitteln, sowie Winkelinformation in Bezug auf einen Istwert (306) des Nickwinkels des Fahrzeugs (100) zu ermitteln. Des Weiteren ist die Vorrichtung (130) eingerichtet, ein Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs (100) in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und in Abhängigkeit von der Winkelinformation zu bewirken, um den Nickwinkel des Fahrzeugs (100) einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Einstellung des Nickwinkels eines Fahrzeugs, insbesondere eines einspurigen Fahrzeugs.
Ein leistungsstarkes Motorrad kann beim Beschleunigen ggf. dazu neigen, dass das Vorderrad des Motorrads abhebt. Durch eine Regelung des Nick- bzw. Pitchwinkels kann der Fahrzustand des Motorrads dahingehend stabilisiert werden, dass ein Überschlag nach hinten unterbunden wird. Für die Regelung kann ein Soll-Nickwinkel vorgegeben und es kann durch eine Regelvorrichtung der Ist-Nickwinkel des Motorrads auf den Soll-Nickwinkel eingeregelt werden.
Im Rahmen der Regelung des Nickwinkels des Motorrads kann es ggf. zu instabilen Fahrzuständen kommen. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine möglichst stabile, robuste und präzise Einstellung, insbesondere Regelung, des Nickwinkels eines Fahrzeugs zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Einstellung des Nickwinkels eines (Kraft-) Fahrzeugs, insbesondere eines Motorrads, beschrieben. Der Nickwinkel entspricht dabei typischerweise einer Drehung des Fahrzeugs um die Querachse des Fahrzeugs. Ein Nickwinkel von 0° kann vorliegen, wenn die Längsachse des Fahrzeugs parallel zu der von dem Fahrzeug befahrenen Fahrbahn ausgerichtet ist. Ein positiver Nickwinkel von mehr als 0° kann vorliegen, wenn die Front des Fahrzeugs, insbesondere ein Vorderrad des Fahrzeugs, von der Fahrbahn abgehoben ist. Ein negativer Nickwinkel von weniger als 0° kann vorliegen, wenn die Front des Fahrzeugs zu der Fahrbahn hin ausgerichtet ist. Der Nickwinkel wird in diesem Dokument auch als Pitchwinkel bezeichnet.
Die Vorrichtung ist eingerichtet, Nickrateninformation in Bezug auf den Istwert der Nickrate des Fahrzeugs zu ermitteln. Die Nickrate kann auch als Nickwinkelgeschwindigkeit bezeichnet werden. Die Nickrate kann anzeigen, mit welcher Winkelgeschwindigkeit sich der Nickwinkel verändert. Wenn der Betrag des Istwertes der Nickrate größer als ein bestimmter zulässiger Maximalwert ist, so kann dies zu einem instabilen Fahrverhalten des Fahrzeugs führen.
Das Fahrzeug kann zumindest einen Inertialsensor (insbesondere eine Inertial Measurement Unit, IMU) umfassen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die Nickrateninformation, insbesondere den Istwert der Nickrate, in präziser Weise auf Basis von Sensordaten des Inertialsensors zu ermitteln.
Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, Winkelinformation in Bezug auf den Istwert des Nickwinkels des Fahrzeugs zu ermitteln. Es kann somit der aktuelle Wert des Nickwinkels ermittelt, insbesondere gemessen, werden. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, den Istwert des Nickwinkels an einem bestimmten Zeitpunkt durch zeitliche Integration der Nickrate (ggf. unter Verwendung eines Kalman-Filters) zu ermitteln.
Des Weiteren ist die Vorrichtung eingerichtet, ein Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und in Abhängigkeit von der Winkelinformation zu bewirken, um den Nickwinkel des Fahrzeugs (auf einen Sollwert) einzustellen, insbesondere auf den Sollwert zu regeln. Dabei kann die Nickrateninformation, insbesondere der jeweils aktuell ermittelte Istwert der Nickrate, direkt bei der Einstellung, insbesondere der Regelung, des Nickwinkels berücksichtigt werden.
Durch die Berücksichtigung der Nickrateninformation in Bezug auf die aktuelle Nickrate (direkt bei der Einstellung des Nickwinkels) können die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Einstellung des Nickwinkels erhöht werden. So kann (auch bei einer Wheelie-Situation) ein stabiles Fahrverhalten eines Fahrzeugs bewirkt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die Nickrateninformation und die Winkelinformation, wiederholt, an einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zu ermitteln, um den Istwert des Nickwinkels auf den Sollwert einzustellen, insbesondere zu regeln. So kann dauerhaft ein stabiles Fahrverhalten des Fahrzeugs bewirkt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und der Winkelinformation, automatisch einen Antriebsmotor des Fahrzeugs zu veranlassen, das Antriebsmoment und/oder das Verzögerungsmoment zu bewirken oder zu verändern. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und der Winkelinformation, automatisch eine Radbremse zumindest eines Rades, insbesondere eines Hinterrades, des Fahrzeugs zu veranlassen, das Bremsmoment zu bewirken oder zu verändern. Durch die Verwendung eines Antriebsmotors und/oder von ein oder mehreren Reibbremsen kann der Nickwinkel des Fahrzeugs in präziser und zuverlässiger Weise eingestellt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu detektieren, dass das Vorderrad des Fahrzeugs den Kontakt zu der Fahrbahn verliert, auf der das Fahrzeug fährt. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung eingerichtet sein, Sensordaten in Bezug auf die Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs entlang der Fahrbahn und in Bezug auf die Drehzahl des Vorderrads des Fahrzeugs zu ermitteln. Es kann dann in zuverlässiger Weise auf Basis der ermittelten Sensordaten detektiert werden, dass das Vorderrad des Fahrzeugs den Kontakt zu der Fahrbahn verliert. Es kann somit in zuverlässiger Weise eine Wheelie-Situation des Fahrzeugs erkannt werden.
Die Vorrichtung kann ferner eingerichtet sein, in Reaktion auf die erkannte Wheelie-Situation, automatisch das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und der Winkelinformation zu bewirken, um den Nickwinkel des Fahrzeugs auf einen (positiven) Sollwert einzustellen. So kann auch bei einer Wheelie-Situation ein stabiles Fahrverhalten des Fahrzeugs bewirkt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, auf Basis der Winkelinformation eine Winkel-Abweichung des Istwertes von dem Sollwert des Nickwinkels zu ermitteln. Das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs können dann in Abhängigkeit von der Winkel-Abweichung (und der Nickrateninformation) bewirkt werden (z.B. unter Verwendung eines Winkel-Reglers), um den Nickwinkel des Fahrzeugs einzustellen. So kann der Istwert des Nickwinkels in robuster Weise auf den Sollwert eingestellt werden.
Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, auf Basis der Nickrateninformation eine Nickraten-Abweichung des Istwertes von einem Sollwert der Nickrate zu ermitteln. Das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs können dann in Abhängigkeit von der Nickraten-Abweichung bewirkt werden, um den Nickwinkel des Fahrzeugs einzustellen. Durch die zusätzliche Berücksichtigung eines Sollwertes für die Nickrate kann der Nickwinkel in besonders robuster und zuverlässiger Weise eingestellt werden, um ein besonders stabiles Fahrverhalten des Fahrzeugs zu ermöglichen.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, auf Basis der Winkel-Abweichung und auf Basis der Nickrateninformation, insbesondere auf Basis der Nickraten-Abweichung, einen Regelfehler zu ermitteln. Das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs können dann in besonders präziser und robuster Weise in Abhängigkeit von dem Regelfehler bewirkt werden (unter Verwendung eines Reglers), um den Nickwinkel des Fahrzeugs einzustellen. Durch die Berücksichtigung der Nickrateninformation innerhalb des Regelfehlers des Reglers kann eine besonders zuverlässige und stabile Einstellung des Nickwinkels bewirkt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, auf Basis der Winkel-Abweichung mittels eines Winkel-Reglers (z.B. mittels eines PID-Reglers) Zwischen-Stellwerte für ein oder mehrere Stellgrößen zu ermitteln. Die Zwischen-Stellwerte für die ein oder mehreren Stellgrößen können z.B. anzeigen, wie der Antriebsmotor und/oder die Radbremse anzusteuern sind, um den Nickwinkel (ohne Berücksichtigung der Nickrate) auf den Sollwert für den Nickwinkel einzustellen. Insbesondere können die Zwischen-Stellwerte eine Vorgabe für das zu stellende Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment sein (ohne Berücksichtigung der Nickrate).
Die Vorrichtung kann ferner eingerichtet sein, auf Basis der Zwischen-Stellwerte für die ein oder mehreren Stellgrößen, insbesondere mittels eines Modells des Fahrzeugs, einen Sollwert für die Nickrate zu ermitteln. Das (fahrdynamische) Modell des Fahrzeugs kann z.B. ausgebildet sein, zu beschreiben und/oder zu berechnen, wie sich die Zwischen-Stellwerte für ein oder mehrere Stellgrößen auf die Nickrate des Fahrzeugs auswirken. Die sich aus den Zwischen-Stellwerten für die ein oder mehreren Stellgrößen ergebende Nickrate kann dann als Basis zur Festlegung des Sollwertes für die Nickrate verwendet werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, den Sollwert für die Nickrate auf Basis der Zwischen-Stellwerte für die ein oder mehreren Stellgrößen unter Berücksichtigung eines zulässigen Maximalwertes für die Nickrate zu ermitteln. Insbesondere kann die Vorrichtung eingerichtet sein, den Sollwert für die Nickrate derart auf Basis der Zwischen-Stellwerte für die ein oder mehreren Stellgrößen zu ermitteln, dass der Sollwert für die Nickrate einen zulässigen Maximalwert für die Nickrate nicht überschreitet.
Beispielsweise kann die sich aus den Zwischen-Stellwerten für die ein oder mehreren Stellgrößen (aus dem Modell des Fahrzeugs) ergebende Nickrate direkt als Sollwert für die Nickrate verwendet werden, solange dieser Wert kleiner als der zulässige und/oder vordefinierte Maximalwert ist. Ansonsten kann der Maximalwert als Sollwert für die Nickrate verwendet werden.
Das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs kann dann in Abhängigkeit von dem Sollwert für die Nickrate bewirkt werden, um den Nickwinkel des Fahrzeugs in zuverlässiger und präziser Weise einzustellen.
Insbesondere kann die Vorrichtung eingerichtet sein, auf Basis der Nickrateninformation als Regelfehler eine Nickraten-Abweichung des Istwertes von dem Sollwert der Nickrate zu ermitteln. Das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs kann dann in Abhängigkeit von dem Regelfehler bewirkt werden, um den Nickwinkel des Fahrzeugs in besonders zuverlässiger Weise einzustellen.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, auf Basis des Regelfehlers mittels eines Geschwindigkeits-Reglers (z.B. eines PID-Reglers) (tatsächlich zu verwendende) Stellwerte für die ein oder mehreren Stellgrößen zu ermitteln. Die Stellwerte können dabei das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment anzeigen, das durch den Antriebsmotor und/oder die Radbremse zu erbringen ist, um den Nickwinkel einzustellen. Mit anderen Worten, das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs können in Abhängigkeit von den Stellwerten für die ein oder mehreren Stellgrößen bewirkt werden, um den Nickwinkel des Fahrzeugs in besonders zuverlässiger und präziser Weise einzustellen.
Der Sollwert des Nickwinkels kann einer Ausrichtung des Fahrzeugs entsprechen, bei der das Vorderrad des Fahrzeugs weiterhin die Fahrbahn berührt, auf der das Fahrzeug fährt. Insbesondere kann der Sollwert negativ sein (z.B. bei -1° oder weniger). Durch die Vorgabe eines derartigen Sollwertes kann ein besonders stabiles Fahrverhalten des Fahrzeugs bewirkt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs derart in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und in Abhängigkeit von der Winkelinformation zu bewirken, dass der Betrag des Istwerts der Nickrate während der Einstellung, insbesondere während der Regelung bzw. während des gesamten Regelungsprozesses, des Nickwinkels (z.B. während der Sequenz von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten) gleich wie oder kleiner als der vordefinierte Maximalwert für die Nickrate bleibt. Die Begrenzung der Nickrate kann ggf. bereits erfolgen, bevor das Vorderrad des Fahrzeugs von der Fahrbahn abhebt. So kann ein besonders stabiler Fahrbetrieb des Fahrzeugs ermöglicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein, ggf. einspuriges, (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Einstellung des Nickwinkels eines Fahrzeugs, insbesondere eines einspurigen Fahrzeugs, etwa eines Motorrads, eines Pedelecs, eines E-Bikes, etc., beschrieben. Das Verfahren kann darauf ausgerichtet sein, den Nickwinkel auf einen bestimmten Sollwert einzustellen.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln von Nickrateninformation in Bezug auf den (aktuellen) Istwert der Nickrate des Fahrzeugs (an einem bestimmten Zeitpunkt). Die Nickrateninformation kann auf Basis der Sensordaten einer Inertial Measurement Unit (IMU) des Fahrzeugs ermittelt werden.
Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln von Winkelinformation in Bezug auf einen (aktuellen) Istwert des Nickwinkels des Fahrzeugs (an dem bestimmten Zeitpunkt). Die Winkelinformation kann auf Basis der Sensordaten eines (inertialen) Beschleunigungssensors und/oder der IMU des Fahrzeugs ermittelt werden.
Des Weiteren umfasst das Verfahren das Bewirken (an dem bestimmten Zeitpunkt) eines Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoments des Fahrzeugs in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und in Abhängigkeit von der Winkelinformation, um den Nickwinkel des Fahrzeugs (auf einen bestimmten Sollwert) einzustellen. Dabei können die Winkelinformation und die Nickrateninformation direkt in einem Regelkreis zur Regelung des Nickwinkels verwendet werden, um den Nickwinkel in präziser und robuster Weise auf den bestimmten Sollwert einzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1a ein beispielhaftes einspuriges Fahrzeug in einer Frontansicht;
1b ein beispielhaftes einspuriges Fahrzeug in einer Seitenansicht;
2 eine beispielhafte Methode zur Ermittlung eines Messwertes bzw. des Istwertes des Nickwinkels;
3 einen beispielhaften Regelkreis zur Einstellung des Nickwinkels; und
4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Einstellung des Nickwinkels eines Fahrzeugs.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der präzisen, robusten und effizienten Einstellung, insbesondere Regelung, des Nickwinkels eines Fahrzeugs. In diesem Zusammenhang zeigt 1a ein einspuriges Fahrzeugs 100 in einer Frontansicht, wobei das Fahrzeug 100 auf einer (horizontalen) Fahrbahn 120 fährt. Die Fahrbahn 120 erstreckt sich innerhalb einer durch die x-Achse 111 und die y-Achse 112 eines kartesischen Welt- oder Referenz-Koordinatensystems 110 gebildeten Ebene. In dem dargestellten Beispiel, entspricht die x-Achse 111 der Längsachse und die y-Achse 112 der Querachse des Fahrzeugs 100. Das Fahrzeug 100 weist ein oder mehrere Räder 121, 122 (siehe 1b) auf, die mit der Fahrbahn 120 in Kontakt stehen. Des Weiteren weist das Fahrzeug 100 einen (Masse-) Schwerpunkt 101 auf.
Das Fahrzeug 100 kann um die Längsachse des Fahrzeugs 100 gedreht sein, so dass die Hochachse des Fahrzeugs 100 nicht mit der z-Achse 113 des Referenz-Koordinatensystems 110 übereinstimmt. Eine Drehung des Fahrzeugs 100 um die Längsachse 131 führt typischerweise zu einem bestimmten Rollwinkel 103 zwischen der Hochachse des Fahrzeugs 100 und der z-Achse 113 des Referenz-Koordinatensystems 110. In entsprechender Weise kann die Längsachse des Fahrzeugs 100 einen bestimmten Nickwinkel relativ zu der x-Achse des Referenz-Koordinatensystems 110 aufweisen.
1b zeigt beispielhafte Komponenten eines Fahrzeugs 100. Insbesondere zeigt 1b ein oder mehrere Sensoren 131, 132, 133, 134 des Fahrzeugs 100. Die ein oder mehrere Sensoren 133, 134 können ein oder mehrere Inertialsensoren, insbesondere ein oder mehrere Inertial Measurement Units, IMUs, aufweisen. Die ein oder mehreren Sensoren 133, 134, insbesondere ein oder mehrere Drehraten-Sensoren 133, können z.B. Drehraten-Sensordaten in Bezug auf die Rollrate ${\dot{φ}}_{V}$
(um die Längsachse des Fahrzeugs 100), in Bezug auf die Nickrate ϑ̇_v (um die Querachse des Fahrzeugs 100) und/oder in Bezug auf die Gierrate ψ̇_v (um die Hochachse des Fahrzeugs 100) bereitstellen. Des Weiteren können die ein oder mehreren Sensoren 133, 134, insbesondere ein oder mehrere inertiale Beschleunigungssensoren 134, Beschleunigungs-Sensordaten in Bezug auf die Längsbeschleunigung (entlang der Längsachse des Fahrzeugs 100) und/oder die Querbeschleunigung (entlang der Querachse des Fahrzeugs 100) bereitstellen.
Des Weiteren kann das Fahrzeug 100 einen Drehzahlsensor 131 für das Vorderrad 121 und einen Drehzahlsensor 132 für das Hinterrad 122 aufweisen, wobei ein Drehzahlsensor 131, 132 ausgebildet ist, Drehzahl-Sensordaten in Bezug auf die Drehzahl des jeweiligen Rades 121, 122 zu erfassen.
2 veranschaulicht beispielhaft, wie ein aktueller Messwert des Nickwinkels auf Basis der Sensordaten der ein oder mehreren Raddrehzahlsensoren 131, 132 und/oder der Sensordaten eines Beschleunigungssensors 134, insbesondere des Beschleunigungssensors 134 für die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs 100, ermittelt werden kann. Aufgrund des Nickwinkels ϑ ist die Längsachse 211 des Fahrzeugs gegenüber der x-Achse 111 des Referenz-Koordinatensystems 110 um den Nickwinkel ϑ verdreht. Dies gilt in entsprechender Weise für die Hochachse 213 des Fahrzeugs 100, die gegenüber der z-Achse 113 des Referenz-Koordinatensystems 110 um den Winkel ϑ verdreht ist.
Auf Basis der Sensordaten der ein oder mehreren Raddrehzahlsensoren 131, 132 kann an einem Zeitpunkt k ein aktueller Messwert a_v der Drehzahl-basierten Beschleunigung 201 ermittelt werden. Des Weiteren kann auf Basis der Sensordaten eines inertialen Beschleunigungssensors 134 ein aktueller Messwert a_x.s der inertial-gemessenen Längsbeschleunigung 203 (entlang der x-Achse 111 bzw. entlang der Fahrbahn 120) ermittelt werden. Der aktuelle Messwert y_k des Nickwinkels ϑ kann dann auf Basis der Gleichung $cos (ϑ) = \frac{α_{x, s}}{α_{v}}$
ermittelt werden.
Alternativ oder ergänzend kann auf Basis der Sensordaten eines inertialen Beschleunigungssensors 134 ein aktueller Messwert a_g.s der inertial gemessenen Schwerkraft bzw. Beschleunigung 202 (entlang der Längsachse 211 des Fahrzeugs 100) ermittelt werden. Der aktuelle Messwert y_k des Nickwinkels ϑ kann dann auf Basis der Gleichung $cos (90 ° - ϑ) = \frac{α_{g, s}}{g}$
ermittelt werden, wobei g die Schwerkraft ist.
Der Istwert des Nickwinkels ϑ kann somit in präziser Weise auf Basis der Sensordaten eines inertialen Beschleunigungssensors 134 ermittelt werden, insbesondere unter Verwendung der Gleichung $cos (90 ° - ϑ) = \frac{α_{g, s}}{g},$
wobei g die Schwerkraft ist. So kann der Istwert des Nickwinkels in präziser Weise ermittelt werden, ggf. auch dann, wenn das Vorderrad des Fahrzeugs aufgrund einer Wheelie-Situation abgehoben ist.
Der aktuelle Messwert y_k des Nickwinkels ϑ kann somit auf unterschiedliche Weise ermittelt werden. Dabei hängt die Güte, mit der ein aktueller Messwert (d.h. der Istwert) y_k des Nickwinkels ϑ auf Basis der gemessenen Beschleunigungswerte 201, 202, 203 ermittelt werden kann, von der Fahrsituation ab, in der sich das Fahrzeug 100 befindet. Wenn sich das Fahrzeug 100 z.B. in einer sogenannten Wheelie-Situation befindet, bei der das Vorderrad 121 des Fahrzeugs 100 keinen Kontakt mit der Fahrbahn 120 hat, so kann der Messwert a_v der Raddrehzahl-basierten Beschleunigung 201 typischerweise nicht verwendet werden, da die Raddrehzahl des nicht angetriebenen Vorderrads 121 unabhängig von der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs 100 (entlang der x-Achse 111) ist und/oder da das Hinterrad 122 des Fahrzeugs 100 einen relativ hohen Schlupf und/oder relativ starke Antriebsvibrationen aufweist. Es kann daher in einer Wheelie-Fahrsituation der Istwert des Nickwinkels bevorzugt auf Basis der inertial gemessenen Schwerkraft bzw. Beschleunigung 202 ermittelt werden.
Zur Einstellung des Nickwinkels auf einen bestimmten Soll-Nickwinkel, insbesondere zur Regelung des Istwerts des Nickwinkels auf einen bestimmten Sollwert für den Nickwinkel, kann ein Regelkreis verwendet werden, der auf Basis der ein oder mehreren Messwerte des Nickwinkels eine Abweichung des Istwertes von dem Sollwert des Nickwinkels als Regelfehler berechnet. Auf Basis des Regelfehlers kann dann der Wert einer Stellgröße zur Anpassung des Nickwinkels ermittelt werden. Beispielhafte Stellgrößen sind dabei das von einem Antriebsmotor 135 des Fahrzeugs 100 bewirkte Antriebs- und/oder Verzögerungsmoment und/oder das von einer Radbremse 136 des Fahrzeugs 100 bewirkte Bremsmoment.
Für die Regelung kann somit ein Soll-Pitchwinkel vorgegeben werden und es kann durch eine Regelvorrichtung ein Ist-Pitchwinkel eingeregelt werden. Dabei können (ggf. selektiv) stabilisierende Eingriffe erfolgen, wenn der Soll-Pitchwinkel überschritten wird. Die Regelung (allein) auf Basis von Messwerten in Bezug auf den Ist-Pitchwinkel kann dazu führen, dass relativ hohe Pitchwinkelgeschwindigkeiten auftreten bis der Soll-Pitchwinkel erreicht wird. Je nach Wahl des Soll-Pitchwinkels kann dies ggf. zu einem instabilen Fahrverhalten des Fahrzeugs 100 führen.
Die (Regel-) Vorrichtung 130 kann eingerichtet sein, bei der Einstellung des Ist-Nickwinkels zusätzlich zu Messwerten in Bezug auf den Ist-Pitch- bzw. Nickwinkel Messwerte in Bezug auf die Ist-Pitch- bzw. Nickwinkelgeschwindigkeit zu berücksichtigen. So kann im Rahmen der Einstellung des Ist-Nickwinkels z.B. bewirkt werden, dass die Ist-Nickwinkelgeschwindigkeit einen bestimmten Maximalwert nicht überschreitet. Ggf. kann die Regelung des Istwertes des Nickwinkels auf einen bestimmten Sollwert für den Nickwinkel derart erfolgen, dass auch der Istwert der Nickwinkelgeschwindigkeit auf einen bestimmten Sollwert für die Nickwinkelgeschwindigkeit eingestellt, insbesondere geregelt, wird.
3 zeigt einen bespielhaften Regelkreis 300 zur Einstellung des Istwertes 306 des Nickwinkels auf einen bestimmten Sollwert 301 des Nickwinkels. An einem bestimmten Zeitpunkt wird auf Basis des gemessenen Istwertes 306 und des Sollwertes 301, insbesondere auf Basis der Winkel-Abweichung 302 des Istwertes 306 von dem Sollwert 301, ein Winkel-Regelfehler ermittelt. Der Winkel-Regelfehler kann dabei, wie in 3 dargestellt, der Winkel-Abweichung 302 entsprechen. Auf Basis des Winkel-Regelfehlers kann in einem Winkel-Regler 303 (z.B. einem P (Proportional), I (Integral) und/oder D (Differential) Regler) ein Zwischen-Stellwert 304 von ein oder mehreren Stellgrößen (z.B. dem Antriebs- bzw. Verzögerungsmoment und/oder dem Bremsmoment) ermittelt werden.
Ohne weitere Berücksichtigung der Nickrate könnten die ein oder mehreren Aktoren 135, 136 des Fahrzeugs 100 in Abhängigkeit von dem Zwischen-Stellwert 304 der ein oder mehreren Stellgrößen betrieben werden.
Der in 3 dargestellte Regelkreis 300 umfasst eine Nickrateneinheit 310, die eingerichtet ist, einen Sollwert 311 für die Nickrate als Vorgabe für die Einstellung der Nickrate zu ermitteln. Der Sollwert 311 für die Nickrate kann dabei auf Basis des Zwischen-Stellwertes 304 der ein oder mehreren Stellgrößen ermittelt werden. Insbesondere kann durch die Nickratenreinheit 310 ermittelt werden (z.B. unter Verwendung eines fahrdynamischen Modells des Fahrzeug 100), wie sich der Zwischen-Stellwert 304 für die ein oder mehreren Stellgrößen auf die Nickrate des Fahrzeugs 100 auswirkt. Es kann somit eine Nickrate geschätzt werden, die sich auf Basis des Zwischen-Stellwerts 304 für die ein oder mehreren Stellgrößen ergeben würde, um den Istwert 306 des Nickwinkels auf den Sollwert 301 für den Nickwinkel einzuregeln.
Basierend auf der geschätzten Nickrate kann dann der Sollwert 311 für die Nickrate ermittelt werden. Dabei kann ein zulässiger Maximalwert 315 der Nickrate berücksichtigt werden. Insbesondere kann der Sollwert 311 für die Nickrate auf den zulässigen Maximalwert 315 der Nickrate begrenzt werden. Andererseits kann die geschätzte Nickrate als Sollwert 311 für die Nickrate verwendet werden, solange die geschätzte Nickrate kleiner als der Maximalwert 315 ist.
Ferner zeigt 3 einen Teil-Regelkreis zur Einstellung der Nickrate bzw. der Nickwinkelgeschwindigkeit. Es kann der Istwert 316 der Nickwinkelgeschwindigkeit gemessen oder ermittelt werden, und es kann die Geschwindigkeits- bzw. Nickraten-Abweichung 312 des Istwertes 316 von dem Sollwert 311 der Nickwinkelgeschwindigkeit ermittelt werden. Auf Basis der Geschwindigkeits- bzw. Nickraten-Abweichung 312 kann mittels eines Geschwindigkeits-Reglers 313 (z.B. einem P (Proportional), I (Integral) und/oder D (Differential) Regler) der Stellwert 314 für die ein oder mehreren Stellgrößen ermittelt werden.
Der Stellwert 314 für die ein oder mehreren Stellgrößen kann dazu verwendet werden, die ein oder mehreren Aktoren 135, 136 des Fahrzeugs 100 zu betreiben. Insbesondere kann der Stellwert 314 eine Momentenanforderung an den Antriebsmotor 135 und/oder an die Radbremse 136 des Fahrzeugs 100 umfassen. Aus der Regelstrecke 305 ergeben sich dann der Istwert 306 des Nickwinkels und der Istwert 316 der Nickwinkelgeschwindigkeit.
Der beschriebene Prozess kann an aufeinanderfolgenden Zeitpunkten wiederholt werden, um den Istwert 306 auf den Sollwert 301 des Nickwinkels einzuregeln (unter Berücksichtigung eines zulässigen Maximalwertes 315 für die Nickwinkelgeschwindigkeit).
Der durch den Regelkreis 300 ermittelte Stellwert 314 für die ein oder mehreren Stellgrößen berücksichtigt dabei sowohl die Winkel-Abweichung 302 als auch die Geschwindigkeits- bzw. Nickraten-Abweichung 312. So kann bewirkt werden, dass die Nickwinkelgeschwindigkeit bei der Einstellung des Nickwinkels bei einem bestimmten Sollwert 311 gehalten wird und/oder auf einen bestimmten Maximalwert 315 begrenzt wird, so dass sich ein stabiles Fahrverhalten des Fahrzeugs 100 ergibt.
Es wird somit eine Regelung beschrieben, die nicht nur auf einem Abgleich von Sollwert 301 und Istwert 306 des Nickwinkels basiert, sondern bei der die Nickwinkelgeschwindigkeit (die auch als Nickrate bzw. Pitchrate bezeichnet wird) direkt in die Regelung eingeht. So kann zuverlässig bewirkt werden, dass bereits Regeleingriffe erfolgen, obwohl der Sollwert 301 des Nickwinkels noch nicht überschritten wurde, sondern eventuell lediglich ein von der Fahrbahnoberfläche abgehobenes Vorderrad 121 erkannt wurde.
Wie weiter oben dargelegt, kann ein Motorrad 100 eine IMU 133, 134 (Inertial Measurement Unit) aufweisen, welche die drei Beschleunigungen und/oder die drei Drehraten relativ zu dem Fahrzeugkoordinatensystem bereitstellt, insbesondere zumindest die Nick- bzw. Pitchrate und die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs 100 (entlang der Längsachse 211 des Fahrzeugs 100). Des Weiteren umfasst das Motorrad 100 eine Einrichtung 131, 132 zum Messen der Radgeschwindigkeiten.
Basierend auf den erfassten Sensordaten können mit einem geeigneten Algorithmus der Istwert 306 des Pitchwinkels und der Istwert 316 der Pitchrate innerhalb des Fahrzeugkoordinatensystems berechnet werden. Auf Basis der Radgeschwindigkeiten und der Fahrzeuglängsbeschleunigung kann eine Vorderradabhebeerkennung durchgeführt werden. Sobald ein abgehobenes Vorderrad 121 erkannt wird, kann eine Reglereinheit 300 aktiviert werden, um den Pitchwinkel auf einen Sollwert 301 einzuregeln.
Abhängig von dem gemessenen Istwert 316 der Pitchrate und abhängig von der Regelabweichung 302 zwischen dem Sollwert 301 und dem Istwert 306 des Pitchwinkels kann eine Veränderung (insbesondere eine Reduktion) des Antriebsmoments berechnet und umgesetzt werden (als Stellwert 304 der ein oder mehreren Stellgrößen). Durch die Einrechnung bzw. Berücksichtigung des Istwertes 316 der Pitchrate in die Regelung des Pitchwinkels kann ggf. unabhängig von der Pitchwinkelregelabweichung 302 ein Stellwert 304 für die ein oder mehreren Stellgrößen berechnet und gestellt werden. Durch die Berücksichtigung der Pitchrate können die Regelgüte und/oder das Regelverhalten zur Einstellung des Pitchwinkels verbessert werden.
Wie bereits oben dargelegt, kann alternativ oder ergänzend zu einer Reduktion des Antriebsmomentes ein Bremsmoment durch zumindest eine Radbremse 136, insbesondere durch die Radbremse 136 des Hinterrads 122, gestellt werden. Dabei kann ein aktiver Druckaufbau des Antiblockiersystems (ABS) erfolgen.
Die Regelstrategie zur Berücksichtigung der Pitchrate kann derart erweitert werden, dass die Pitchrate durch die Reglereinheit 300 bereits begrenzt wird, bevor das Vorderrad 121 überhaupt abhebt. So kann ein besonders stabiles Fahrverhalten des Motorrads 100 bewirkt werden. Zu diesem Zweck kann z.B. als Sollwert 301 für den Nickwinkel ein negativer Wert vorgegeben werden. Alternativ oder ergänzend kann der Winkel-Regler 303 deaktiviert werden, solange das Vorderrad 121 noch die Fahrbahn 120 berührt. Der Sollwert 311 für die Nickrate kann dann ggf. allein auf Basis des Maximalwertes 315 für die Nickrate ermittelt werden.
In einem weiteren Beispiel kann ein Sollwert 301 für den Pitchwinkel vorgegeben werden, bei dem das Vorderrad 121 noch Bodenkontakt aufweist. Wenn z.B. ein Pitchwinkel 0° den Zustand beschreibt, bei dem das Vorderrad 121 gerade im Begriff ist abzuheben, und wenn ein positiver Pitchwinkel einen Zustand beschreibt, bei dem das Vorderrad 121 keinen Fahrbahnkontakt mehr aufweist, so kann ein negativer Sollwert 301 für den Pitchwinkel vorgegeben werden, um ein besonders stabiles Fahrverhalten des Motorrads 100 (bei einem reduzierten Beschleunigungspotential des Motorrads 100) zu erzielen.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften (ggf. Computer-implementierten) Verfahrens 400 zur Einstellung des Nickwinkels eines (einspurigen) Fahrzeugs 100. Das Verfahren 400 umfasst das Ermitteln 401 von Nickrateninformation in Bezug auf den Istwert 316 der Nickrate des Fahrzeugs 100. Insbesondere kann ein Messwert der aktuellen Nickrate ermittelt werden, d.h. es kann der aktuelle Istwert 316 der Nickrate gemessen werden (z.B. mittels einer IMU 133 des Fahrzeugs 100).
Das Verfahren 400 umfasst ferner das Ermitteln 402 von Winkelinformation in Bezug auf den Istwert 306 des Nickwinkels des Fahrzeugs 100. Insbesondere kann ein Messwert des aktuellen Nickwinkels ermittelt werden, d.h. es kann der aktuelle Istwert 306 des Nickwinkels gemessen werden. Zu diesem Zweck können z.B. Sensordaten eines inertialen Beschleunigungssensors 134 und/oder einer IMU 133 des Fahrzeugs 100 verwendet werden.
Des Weiteren umfasst das Verfahren 400 das (automatische) Bewirken 403 eines Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoments des Fahrzeugs 100 in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und in Abhängigkeit von der Winkelinformation, um den Nickwinkel des Fahrzeugs 100 einzustellen, insbesondere um den Nickwinkel auf einen bestimmten Sollwert 301 zu regeln. Dabei kann die Nickrateninformation, insbesondere der Istwert 316 der Nickrate, direkt bei der Einstellung (insbesondere bei der Regelung) des Nickwinkels berücksichtigt werden.
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann ein besonders stabiles Fahrverhalten eines Fahrzeugs 100, insbesondere eines einspurigen Fahrzeugs 100 (etwa eines Motorrads, eines Pedelecs, eines E-Bike, etc.), in Bezug auf eine Nickbewegung des Fahrzeugs 100 bewirkt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Vorrichtung (130) zur Einstellung des Nickwinkels eines Fahrzeugs (100), wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, - Nickrateninformation in Bezug auf einen Istwert (316) einer Nickrate des Fahrzeugs (100) zu ermitteln; - Winkelinformation in Bezug auf einen Istwert (306) des Nickwinkels des Fahrzeugs (100) zu ermitteln; und - ein Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs (100) in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und in Abhängigkeit von der Winkelinformation zu bewirken, um den Nickwinkel des Fahrzeugs (100) einzustellen.
Vorrichtung (130) gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, - auf Basis der Winkelinformation eine Winkel-Abweichung (302) des Istwertes (306) von einem Sollwert (301) des Nickwinkels zu ermitteln; und - das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs (100) in Abhängigkeit von der Winkel-Abweichung (302) zu bewirken, um den Nickwinkel des Fahrzeugs (100) einzustellen.
Vorrichtung (130) gemäß Anspruch 2, wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, - auf Basis der Winkel-Abweichung (302) und auf Basis der Nickrateninformation einen Regelfehler (312) zu ermitteln; und - das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs (100) in Abhängigkeit von dem Regelfehler (322) zu bewirken, um den Nickwinkel des Fahrzeugs (100) einzustellen.
Vorrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, - auf Basis der Winkel-Abweichung (302) mittels eines Winkel-Reglers (303) Zwischen-Stellwerte (304) für ein oder mehrere Stellgrößen zu ermitteln; - auf Basis der Zwischen-Stellwerte (304) für die ein oder mehreren Stellgrößen, insbesondere mittels eines Modells des Fahrzeugs (100), einen Sollwert (311) für die Nickrate zu ermitteln; und - das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs (100) in Abhängigkeit von dem Sollwert (311) für die Nickrate zu bewirken, um den Nickwinkel des Fahrzeugs (100) einzustellen.
Vorrichtung (130) gemäß Anspruch 4, wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, - den Sollwert (311) für die Nickrate auf Basis der Zwischen-Stellwerte (304) für die ein oder mehreren Stellgrößen unter Berücksichtigung eines zulässigen Maximalwertes (315) für die Nickrate zu ermitteln; und/oder - den Sollwert (311) für die Nickrate derart auf Basis der Zwischen-Stellwerte (304) für die ein oder mehreren Stellgrößen zu ermitteln, dass der Sollwert (311) für die Nickrate einen zulässigen Maximalwert (315) für die Nickrate nicht überschreitet.
Vorrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, - auf Basis der Nickrateninformation als Regelfehler (312) eine Nickraten-Abweichung des Istwertes (316) von dem Sollwert (311) der Nickrate zu ermitteln; und - das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs (100) in Abhängigkeit von dem Regelfehler (312) zu bewirken, um den Nickwinkel des Fahrzeugs (100) einzustellen.
Vorrichtung (130) gemäß Anspruch 6, wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, - auf Basis des Regelfehlers (312) mittels eines Geschwindigkeits-Reglers (313) Stellwerte (314) für ein oder mehrere Stellgrößen zu ermitteln; und - das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs (100) in Abhängigkeit von den Stellwerten (314) für die ein oder mehreren Stellgrößen zu bewirken, um den Nickwinkel des Fahrzeugs (100) einzustellen.
Vorrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Sollwert (301) des Nickwinkels einer Ausrichtung des Fahrzeugs (100) entspricht, bei der ein Vorderrad (121) des Fahrzeugs (100) eine Fahrbahn (120) berührt, auf der das Fahrzeug (100) fährt.
Vorrichtung (130) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, - zu detektieren, dass ein Vorderrad (121) des Fahrzeugs (100) den Kontakt zu einer Fahrbahn (120) verliert, auf der das Fahrzeug (100) fährt; und - in Reaktion darauf, automatisch das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs (100) in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und der Winkelinformation zu bewirken, um den Nickwinkel des Fahrzeugs (100) auf einen Sollwert (301) einzustellen.
Vorrichtung (130) gemäß Anspruch 9, wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, - Sensordaten in Bezug auf eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs (100) entlang der Fahrbahn (120) und in Bezug auf eine Drehzahl des Vorderrads (121) des Fahrzeugs (100) zu ermitteln; und - auf Basis der Sensordaten zu detektieren, dass das Vorderrad (121) des Fahrzeugs (100) den Kontakt zu der Fahrbahn (120) verliert.
Vorrichtung (130) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Fahrzeug (100) zumindest einen Inertialsensor (133) umfasst; und - die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, die Nickrateninformation auf Basis von Sensordaten des Inertialsensors (133) zu ermitteln.
Vorrichtung (130) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, die Nickrateninformation und die Winkelinformation, wiederholt, an einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zu ermitteln, um den Istwert (306) des Nickwinkels auf einen bestimmten Sollwert (301) einzustellen, insbesondere zu regeln.
Vorrichtung (130) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und der Winkelinformation, automatisch - einen Antriebsmotor (135) des Fahrzeugs (100) zu veranlassen, das Antriebsmoment und/oder das Verzögerungsmoment zu bewirken oder zu verändern; und/oder - eine Radbremse (136) zumindest eines Rades (121, 122), insbesondere eines Hinterrades (122), des Fahrzeugs (100) zu veranlassen, das Bremsmoment zu bewirken oder zu verändern.
Vorrichtung (130) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (130) eingerichtet ist, das Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoment des Fahrzeugs (100) derart in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und in Abhängigkeit von der Winkelinformation zu bewirken, dass der Betrag des Istwerts (316) der Nickrate während der Einstellung des Nickwinkels gleich wie oder kleiner als ein vordefinierter Maximalwert (315) für die Nickrate bleibt.
Verfahren (400) zur Einstellung des Nickwinkels eines Fahrzeugs (100), wobei das Verfahren (400) umfasst, - Ermitteln (401) von Nickrateninformation in Bezug auf einen Istwert (316) einer Nickrate des Fahrzeugs (100); - Ermitteln (402) von Winkelinformation in Bezug auf einen Istwert (306) des Nickwinkels des Fahrzeugs (100); und - Bewirken (403) eines Antriebs-, Verzögerungs- und/oder Bremsmoments des Fahrzeugs (100) in Abhängigkeit von der Nickrateninformation und in Abhängigkeit von der Winkelinformation, um den Nickwinkel des Fahrzeugs (100) einzustellen.