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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Fahrzeugneigung eines Fahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuergerät, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium zum Ausführen des Verfahrens sowie ein entsprechendes Fahrwerkregelsystem.
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Stand der Technik
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Ein Fahrwerk eines Fahrzeugs kann durch eine entsprechende Regelung so beeinflusst werden, dass ein Aufbau des Fahrzeugs auch auf unebener Fahrbahn, etwa bei Bodenwellen, im Wesentlichen waagrecht bzw. parallel zur Fahrbahn ausgerichtet bleibt. Dazu können beispielsweise Federbeine des Fahrzeugs radindividuell in ihrer Härte variiert werden. Eine solche Art der Fahrwerkregelung wird auch als Skyhook-Regelung bezeichnet und erfolgt ohne genaue Messung einer aktuellen Fahrbahnneigung. Daher kann es auf geneigten Fahrbahnen trotz aktiver Fahrwerkregelung zu ungewollten Auf- und Abwärtsbewegungen des Aufbaus kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren, ein Steuergerät, ein Computerprogramm, ein computerlesbares Medium und ein Fahrwerkregelsystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen es in vorteilhafter Weise, die Neigung eines Fahrzeugs abhängig von einer aktuellen Fahrbahnneigung zu regeln. Dadurch können Auf- und Abwärtsbewegungen des Fahrzeugs auch auf geneigten Fahrbahnen zuverlässig vermieden werden.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Fahrzeugneigung eines Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug einen Ortungssensor zum Erfassen einer geografischen Position des Fahrzeugs, einen Inertialsensor zum Erfassen eines dynamischen Zustands des Fahrzeugs und eine Aktorik zum Beeinflussen der Fahrzeugneigung aufweist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Empfangen von Sensordaten des Ortungssensors und Sensordaten des Inertialsensors in einem Steuergerät; Bestimmen einer Position des Fahrzeugs in einer digitalen Karte basierend auf den Sensordaten des Ortungssensors, wobei die digitale Karte ein dreidimensionales Modell einer Umgebung des Fahrzeugs enthält; Bestimmen eines Sollwerts der Fahrzeugneigung basierend auf der Position des Fahrzeugs und dem dreidimensionalen Modell der Umgebung des Fahrzeugs; Bestimmen eines Istwerts der Fahrzeugneigung basierend auf den Sensordaten des Inertialsensors; Bestimmen einer Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert; und Angleichen des Istwerts an den Sollwert durch Ansteuern der Aktorik basierend auf der Differenz.
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Unter einem Fahrzeug kann beispielsweise ein Pkw, Lkw, Bus oder ein Motorrad verstanden werden.
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Der Ortungssensor kann als ein Sensor zum Erfassen einer absoluten Position des Fahrzeugs im Raum mittels eines globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) wie etwa GPS, GLONASS, Galileo, Beidou oder Ähnliches aufgefasst werden.
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Unter einem Inertialsensor kann ein Sensor zum Erfassen einer Ausrichtung des Fahrzeugs in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem verstanden werden. Der Inertialsensor kann ausgeführt sein, um dynamische Größen wie etwa eine Rotations- oder Translationsgeschwindigkeit oder davon abgeleitete Größen in Bezug auf eine oder mehrere Achsen in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem zu bestimmen. Insbesondere kann der Inertialsensor ausgeführt sein, um eine Drehrate, etwa eine Nick-, Gier- oder Rollrate, und eine lineare Beschleunigung des Fahrzeugs jeweils in drei verschiedenen Raumrichtungen zu bestimmen. Ein solcher Inertialsensor kann auch als 6D-IMU (IMU = inertial measurement unit; „inertiale Messeinheit“) bezeichnet werden. Es ist möglich, dass der Inertialsensor zumindest teilweise in ein Steuergerät des Fahrzeugs integriert ist.
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Um das Fahrzeug in der digitalen Karte zu verorten, kann die mittels des Ortungssensors ermittelte absolute Position des Fahrzeugs per Map-Matching auf eine entsprechende Position in der digitalen Karte abgebildet werden. Dabei kann basierend auf den Sensordaten des Ortungssensors eine Trajektorie des Fahrzeugs prädiziert werden. Die Trajektorie kann dann mit Daten der digitalen Karte abgeglichen werden, um eine wahrscheinlichste Position des Fahrzeugs in der digitalen Karte zu bestimmen.
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Die digitale Karte kann beispielsweise ein dreidimensionales geometrisches Modell eines Straßennetzes umfassen. Das dreidimensionale Modell kann als ein Netz aus einer Mehrzahl bekannter Punkte mit entsprechenden geografischen Koordinaten, darunter eine Höhenkoordinate, und die Punkte miteinander verbindenden Kanten aufgefasst werden. Das Modell kann beispielsweise basierend auf Luftbildern und/oder Satellitenbildern erstellt worden sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Modell um ein digitales Landschaftsmodell handeln, in dem neben einem topografische Objekte beschreibenden digitalen Situationsmodell ein die Erdoberfläche mit darauf befindlichen Objekten beschreibendes digitales Geländemodell enthalten sein kann. Mithilfe des Modells kann jeder Position des Fahrzeugs in der digitalen Karte eine Information über eine Neigung einer Fahrbahn, auf dem sich das Fahrzeug gerade fortbewegt, oder allgemein einer Aufstandsfläche des Fahrzeugs zugeordnet werden. Diese Fahrbahnneigung kann nun als Sollwert zum Regeln des Fahrwerks des Fahrzeugs verwendet werden. Dadurch kann erreicht werden, dass die Regelung des Fahrwerks auch bei mehr oder weniger stark geneigter Fahrbahn zuverlässig funktioniert.
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Bei dem Sollwert und dem Istwert kann es sich jeweils um einen Wert eines Neigungswinkels in Bezug auf eine Raumrichtung eines fahrzeugfesten Koordinatensystems handeln, wie etwa einen Nick-, Wank- oder Gierwinkel.
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Unter einer Aktorik kann in diesem Zusammenhang insbesondere ein Dämpfungssystem des Fahrzeugs mit rad- und/oder achsenindividuell einstellbarer Dämpfung und/oder Federung verstanden werden. Die Aktorik kann jedoch auch ein Bremssystem des Fahrzeugs umfassen. Beispielsweise kann das Bremssystem angesteuert werden, um eine Bremskraftverteilung zwischen einer Vorderachse und einer Hinterachse des Fahrzeugs und damit ein Nickverhalten des Fahrzeugs zu beeinflussen.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät, das konfiguriert ist, um das Verfahren, wie es oben und im Folgenden beschrieben ist, auszuführen. Merkmale dieses Verfahrens können auch Merkmale des Steuergeräts sein und umgekehrt.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrwerkregelsystem, das konfiguriert ist, um das Verfahren, wie es oben und im Folgenden beschrieben ist, auszuführen. Merkmale dieses Verfahrens können auch Merkmale des Fahrwerkregelsystems sein und umgekehrt.
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Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogramm, das, wenn es auf einem Prozessor, beispielsweise in dem zuvor genannten Steuergerät, ausgeführt wird, das Verfahren, wie es oben und im Folgenden beschrieben ist, ausführt, sowie ein computerlesbares Medium, auf dem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist.
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Das computerlesbare Medium kann ein flüchtiger oder nicht flüchtiger Datenspeicher sein. Beispielsweise kann es sich bei dem computerlesbaren Medium um eine Festplatte, ein USB-Speichergerät, einen RAM, ROM, EPROM oder Flash-Speicher handeln. Das computerlesbare Medium kann auch ein einen Download eines Programmcodes ermöglichendes Datenkommunikationsnetzwerk wie etwa das Internet oder eine Datenwolke (Cloud) sein.
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Merkmale des Verfahrens, wie es oben und im Folgenden beschrieben ist, können auch Merkmale des Computerprogramms und/oder des computerlesbaren Mediums sein und umgekehrt.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird basierend auf der Position des Fahrzeugs und dem dreidimensionalen Modell der Umgebung des Fahrzeugs eine der Position des Fahrzeugs zugeordnete Fahrbahnneigung als der Sollwert bestimmt. Der Sollwert kann somit unabhängig von Antriebseinflüssen wie etwa einem Nicken beim Bremsen oder Beschleunigen des Fahrzeugs bestimmt werden. Dadurch kann der Sollwert besonders genau bestimmt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Fahrbahnneigung in mehreren aufeinanderfolgenden Zeitschritten bestimmt, um eine Mehrzahl von je einem Zeitschritt zugeordneten Neigungswerten zu erhalten. Dabei wird aus der Mehrzahl der Neigungswerte eine durchschnittliche Fahrbahnneigung als der Sollwert berechnet. Die durchschnittliche Fahrbahnneigung kann beispielsweise ein arithmetisches Mittel, ein Median oder ein Modus bezüglich der Neigungswerte sein. Dadurch können geringfügige Schwankungen der Fahrbahnneigung, etwa infolge von Bodenunebenheiten, ausgeglichen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform können der Sollwert und der Istwert jeweils in Bezug auf eine Längsachse und eine Querachse des Fahrzeugs bestimmt werden. Die Längsachse kann einer in Fahrtrichtung des Fahrzeugs orientierten x-Achse, die Querachse einer quer zur Fahrtrichtung orientierten y-Achse eines fahrzeugfesten Koordinatensystems zugeordnet sein. Dabei können Bewegungen des Fahrzeugs um die Längsachse als Wanken, Bewegungen des Fahrzeugs um die Querachse als Nicken bezeichnet werden. Dadurch kann sowohl eine Längs- als auch eine Querneigung des Fahrzeugs geregelt werden. Somit ist es möglich, den Aufbau des Fahrzeugs bei längs- bzw. quergeneigter Fahrbahn ruhig zu halten und/oder waagrecht zur Fahrbahn auszurichten.
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Zusätzlich können der Sollwert und der Istwert jeweils in Bezug auf eine Hochachse des Fahrzeugs, auch z-Achse genannt, bestimmt werden. Damit kann beim Regeln der Fahrzeugneigung Einfluss auf Auf- und Abwärtsbewegungen des Fahrzeugs in Richtung der Hochachse genommen werden.
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Das Fahrzeug kann beispielsweise an jeder Radaufhängung einen Federwegsensor zum Erfassen eines jeweiligen Federwegs, um den die Radaufhängung ein- bzw. ausgefedert ist, aufweisen. Die jeweiligen Sensordaten der Federwegsensoren können zusätzlich genutzt werden, um den Istwert, etwa in Form eines Wank- und/oder Nickwinkels, zu bestimmen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Aktorik ein Bremssystem des Fahrzeugs. Durch Beeinflussung einer Bremskraftverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse des Fahrzeugs kann die Fahrzeugneigung um die Querachse, d. h. der Nickwinkel des Fahrzeugs, präzise geändert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Aktorik ein Dämpfungssystem des Fahrzeugs. Das Dämpfungssystem kann beispielsweise mehrere an je einer Radaufhängung des Fahrzeugs angebrachte, individuell verstellbare Federbeine oder verstellbare Wankstabilisatoren umfassen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt ein Fahrzeug mit einem Fahrwerkregelsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 zeigt einen Regelkreis zum Regeln einer Fahrzeugneigung mit dem Fahrwerkregelsystem aus 1.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Fahrzeug 100 mit einem Fahrwerkregelsystem 102, das einen Ortungssensor 104 zum Erfassen einer geografischen Position des Fahrzeugs 100 mittels eines Navigationssatelliten 105, einen Inertialsensor 106 zum Erfassen eines dynamischen Zustands des Fahrzeugs 100, eine Aktorik 108, hier in Form eines Dämpfungssystems 110 und eines Bremssystems 112, sowie ein Steuergerät 114 zum Steuern der Aktorik 108 in Abhängigkeit von jeweiligen Sensordaten des Ortungssensors 104 und des Inertialsensors 106 umfasst.
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Dazu bestimmt das Steuergerät 114 aus den Sensordaten des Ortungssensors 104 zunächst eine Position des Fahrzeugs 100 in einer digitalen Karte. Die digitale Karte, die beispielsweise auf einem Datenträger im Fahrzeug 100 hinterlegt sein kann, umfasst ein dreidimensionales geometrisches Modell eines Straßennetzes, in dem sich das Fahrzeug 100 fortbewegt. Das Modell kann als eine Datenbank mit dreidimensionalen Koordinatenwerten bezüglich einer Vielzahl von Punkten in der Umgebung des Fahrzeugs 100 aufgefasst werden. Durch Abgleichen der Position des Fahrzeugs 100 mit den Koordinatenwerten in dem dreidimensionalen Modell bestimmt das Steuergerät 114 eine der Position des Fahrzeugs 100 zugeordnete Fahrbahnneigung α einer Fahrbahn 116, auf der sich das Fahrzeug 100 gerade befindet. Aus den Sensordaten des Initialsensors 106, beispielsweise einer inertialen Messeinheit zum mehrachsigen Messen von Drehraten und linearen Beschleunigungen des Fahrzeugs 100, bestimmt das Steuergerät 114 ferner eine aktuelle Fahrzeugneigung β des Fahrzeugs 100. Je nach Fahrsituation kann die Fahrzeugneigung β mehr oder weniger stark von der Fahrbahnneigung α abweichen. Dabei dient die Fahrbahnneigung α als Sollwert, die Fahrzeugneigung β als Istwert und eine Differenz δ zwischen den beiden Neigungen α, β als Regelabweichung zum Regeln der Neigung des Fahrzeugs 100 mittels der Aktorik 108. Ein entsprechender Regelkreis wird im Folgenden anhand von 2 näher beschrieben.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 die beiden Neigungen α, β jeweils in Bezug auf lediglich eine Raumrichtung, die hier einer Querachse y des Fahrzeugs 100 entspricht, dargestellt. Es ist jedoch zweckmäßig, wenn die Neigungen α, β jeweils in Bezug auf mindestens zwei Raumrichtungen, beispielsweise in Bezug auf die Querachse y und eine Längsachse x des Fahrzeugs 100, bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ können bei der Bestimmung der Neigungen α, β auch Bewegungen des Fahrzeugs 100 in Richtung dessen Hochachse z berücksichtigt werden.
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2 zeigt ein Blockschaltbild eines Regelkreises 200, wie er durch das Fahrwerkregelsystem 102 aus 1 umgesetzt wird. Dabei wird in einem ersten Block 210 basierend auf den Sensordaten des Ortungssensors 104 und den Daten der digitalen Karte, genauer des darin enthaltenen dreidimensionalen geometrischen Modells 211, die Fahrbahnneigung α als Sollwert bestimmt. Aus den Sensordaten des Inertialsensors 106 wird in einem Block 220 die Fahrzeugneigung β als Istwert bestimmt. In einem Block 230 wird die Differenz δ als Regelabweichung aus den beiden Neigungen α, β berechnet. In einem Block 240 bestimmt ein Regler basierend auf der Differenz δ eine geeignete Stellgröße u für die Aktorik 108, etwa eine jeweilige Federhärte für einzelne Federbeine des Dämpfungssystems 110 oder einen jeweiligen Bremsdruck für einzelne Bremsaktoren des Bremssystems 112. In einem Block 250 wird die Aktorik 108 basierend auf der Stellgröße u so angesteuert, dass die Differenz δ verkleinert wird, d. h. die Fahrzeugneigung β möglichst nah an die Fahrbahnneigung α angenähert wird. Zusätzlich wird die Fahrzeugneigung β durch Gas-, Brems- und Lenkeingriffe eines Fahrers 252 des Fahrzeugs 100 beeinflusst.
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Um kleinere Schwankungen bei der Bestimmung der Fahrbahnneigung α auszugleichen, kann die Fahrbahnneigung α über mehrere Zeitschritte gemittelt werden, um eine durchschnittliche Fahrbahnneigung α' zu erhalten. Die Berechnung der Differenz δ kann dann mit der durchschnittlichen Fahrbahnneigung α' erfolgen.
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Befindet sich das Fahrzeug 100 auf einer ebenen Fahrbahn 116, so wird beispielsweise so geregelt, dass ein Aufbau des Fahrzeugs 100 möglichst parallel zur Fahrbahn 116, also waagrecht, ausgerichtet ist. Dabei sollten sich möglichst nur die Räder des Fahrzeugs 100 auf- und abwärtsbewegen, während der Aufbau des Fahrzeugs 100 im Wesentlichen auf gleicher Höhe relativ zur Fahrbahn gehalten wird. Durch Einbeziehung der Fahrbahnneigung α in den Regelkreis kann eine derartige Fahrwerkregelung nun auch in Situationen angewendet werden, in denen sich das Fahrzeug 100 nicht auf ebener, sondern auf geneigter Fahrbahn 116, wie in 1 gezeigt, fortbewegt.
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Die Regelung kann zum einen über verstellbare Dämpfer oder Federn wie bei einer klassischen Niveauregulierung erfolgen. Dabei werden die Dämpfer bzw. Federn so in ihrer jeweiligen Härte verstellt, dass sich der Aufbau des Fahrzeugs 100 nur minimal auf- und abwärtsbewegt. Möglich ist auch der Einsatz verstellbarer Stabilisatoren. Diese können ähnlich wie Federn genutzt werden, sofern sie am Aufbau befestigt sind.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Fahrzeugneigung über die Bremskraftverteilung gesteuert werden. Beim Bremsen nickt das Fahrzeug 100 gewöhnlich nach vorn. Dies liegt daran, dass das Fahrzeug 100 an der Vorderachse in der Regel deutlich stärker abgebremst wird als an der Hinterachse. In unkritischen Fahrsituationen, in denen die Bremskraftverteilung und deren Einfluss auf die Fahrstabilität eine untergeordnete Rolle spielen, kann die Bremskraftverteilung so variiert werden, dass das Nicken verringert wird.
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Möglich ist auch eine kombinierte Ansteuerung von Dämpfungssystem 110 und Bremssystem 112.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“ etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
