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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung der Haptik einer Lenkungshandhabe in einem Steer-by-wire-Lenksystem nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Steer-by-wire-Lenksystem für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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In einem Steer-by-wire-Lenksystem entfällt die herkömmlicherweise vorhandene mechanische Kopplung zwischen der Lenkungshandhabe, beispielsweise einem Lenkrad, und der eigentlichen Lenkung. Erforderliche Informationen zwischen der Lenkungshandhabe und der Lenkung werden lediglich elektrisch oder gegebenenfalls auch kabellos übertragen. Durch den Entfall der mechanischen Kopplung kann sich die Lenkungshandhabe praktisch rückwirkungsfrei bewegen. Ein sich nahezu ohne Widerstand stets gleichermaßen leicht drehendes Lenkrad wäre für einen mit einem herkömmlichen Lenksystem mit mechanischer Kopplung vertrauten Fahrer stark gewöhnungsbedürftig, zumal hierbei auch jegliche Rückmeldung von der Straße verloren ginge. In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, einen Aktuator vorzusehen, der an der Lenkungshandhabe eine haptische Rückmeldung künstlich erzeugt.
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In
DE 10 2014 211 815 A1 wird in diesem Zusammenhang ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Differenz zwischen einer Soll-Zustandsgröße eines Zahnstangenaktuators und einer Ist-Zustandsgröße des Zahnstangenaktuators, gefiltert zur Eliminierung eines gegebenenfalls enthaltenen Gleichanteils, in einem Ansteuersignal für einen Haptikaktuator berücksichtigt wird, um eine haptische Rückmeldung von der Fahrbahn an der Lenkungshandhabe zu erzeugen. Dazu ist eine einstellbare Verstärkung vorgesehen. Basis für das Feedback über den Haptikaktuator ist eine modelbasierte Zahnstangenkraft. Der Fahrbahneinfluss wird über die Verstärkung eingeblendet.
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Aus
DE 10 2011 052 881 A1 ist ferner bekannt, die Stärke der haptischen Rückmeldung von der Fahrbahn zu verändern. Hierzu wird eine Zahnstangenkraft anteilsmäßig aus zwei Komponenten zusammengesetzt, nämlich einer ersten Zahnstangenkraftkomponente, die in Abhängigkeit von mindestens einer in der Lenkvorrichtung auftretenden Kraft oder mindestens eines in der Lenkvorrichtung auftretenden Moments ermittelt wird, d.h. Fahrbahneigenschaften abbildet, und einer zweite Zahnstangenkraftkomponente in Abhängigkeit von mindestens einer Fahrzeuggröße, die den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisiert, d.h. von Fahrbahneigenschaften unabhängig ist. Durch eine Verschiebung der sich stets zu 100% ergänzenden Anteile beider Komponenten im Gesamtsignal lässt sich die Stärke der Rückmeldung von der Fahrbahn an der Lenkungshandhabe einstellen.
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DE 10 2017 105 370 A1 beschreibt einen Haptikaktuator, der in Abhängigkeit einer geschätzten Zahnstangenkraft der Lenkung angesteuert wird. Zur Schätzung der Zahnstangenkraft der Lenkung werden ein Fahrzeugmodell und ein Lenkgetriebemodell bemüht, aus deren Kombination eine genauere Bestimmung der Zahnstangenkraft und damit ein verbessertes Lenkgefühl für den Fahrer folgen sollen.
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Ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Steer-by-wire-Lenksystem nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8 sind gleichermaßen aus
DE 10 2009 000 638 A1 und
DE 10 2017 222 952 A1 bekannt. In
DE 10 2009 000 638 A1 wird vorgeschlagen, aus einer Zahnstangenkraft eine Basislenkungsrückwirkung für den Haptikaktuator zu ermitteln. Dieser Basislenkungsrückwirkung können weitere Komponenten zur Darstellung einer Dämpfung, einer Hysterese und einer Mittenrückstellung additiv hinzugefügt werden. In
DE 10 2017 222 952 A1 wird dieses Prinzip dahingehend fortgebildet, dass zunächst ein Referenzmodell für die Lenkrückwirkung erstellt und die genannten Komponenten jeweils auf eine Referenzgröße skaliert werden.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, Alternativen aufzuzeigen, welche es ermöglichen, ein gewünschtes Lenkgefühl an der Lenkungshandhabe eines Steer-by-wire- Lenksystems mit geringem Aufwand gezielt einzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die Basislenkungsrückwirkung bildet hierbei die Grundlage für das vom Fahrer an der Lenkungshandhabe spürbare Feedbacksignal der Lenkung. In dieser Basislenkungsrückwirkung kann eine Fahrbahnrückmeldung beispielsweise wie vorstehend beschrieben berücksichtigt werden.
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Für die Darstellung eines gewünschten Lenkgefühls entscheidend ist vorliegend jedoch die Modifizierung dieser Basislenkungsrückwirkung, beispielsweise eines Basismoments, über die inverse Lenkunterstützung, welche es auf einfache Art und Weise gestattet, beispielsweise ein markenspezifisches oder fahrzeugspezifisches Lenkgefühl darzustellen. So kann hierdurch zum Beispiel, jedoch ohne Beschränkung hierauf, eine herkömmliche Lenkung mit mechanischem Durchgriff simuliert werden, und zwar prinzipiell zunächst unabhängig von der Berücksichtigung der Stärke einer Fahrbahnrückmeldung. Die Simulation des Lenkgefühls erfolgt vorliegend vor allem in Abhängigkeit der Art der Betätigung der Lenkungshandhabe durch den Fahrer.
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Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
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Beispielsweise kann die inverse Lenkunterstützung als normierter Faktor bereitgestellt werden, welcher mit der aus der Lenkstangenkraft ermittelten Basislenkungsrückwirkung multipliziert wird. Aus dem Produkt wird anschließend ein Ansteuerungssignal für den Haptikaktuator gewonnen. Über den normierten Faktor kann die Basislenkungsrückwirkung in einem Bereich von 100% bis 0% abgeschwächt werden, um das Lenkgefühl zu beeinflussen.
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Vorzugsweise wird die inverse Lenkunterstützung in Abhängigkeit eines vom Fahrer an der Lenkungshandhabe aufgebrachten Handmoments oder einer Handkraft bestimmt.
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Alternativ oder ergänzend kann die inverse Lenkunterstützung in Abhängigkeit eines vom Fahrer an der Lenkungshandhabe aufgebrachten Betätigungsweg und/oder Lenkwinkels und/oder einer vom Fahrer an der Lenkungshandhabe aufgebrachten Betätigungsgeschwindigkeit und/oder Lenkwinkelgeschwindigkeit bestimmt werden.
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Der Faktor zur Modifizierung der Lenkstangenkraft bzw. der hieraus gewonnenen Basislenkungsrückwirkung orientiert sich folglich primär an einer oder mehreren Größen, welche vom Lenkmanöver des Fahrers abhängig sind. Dies ermöglicht die Darstellung eines einheitlichen Lenkgefühls praktisch unabhängig vom Fahrzeug.
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In einer Abwandlung kann gegebenenfalls zusätzlich die Fahrgeschwindigkeit in die Bestimmung der inversen Lenkunterstützung einbezogen werden, beispielsweise um beim Einparken das Lenken zu erleichtern oder bei hohen Fahrgeschwindigkeiten zu heftige Lenkreaktionen zu unterbinden. Es ist beispielsweise möglich, über die inverse Lenkunterstützung eine variable Lenkübersetzung zu simulieren, welche zudem fahrgeschwindigkeitsabhängig sein kann.
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Die inverse Lenkunterstützung kann beispielsweise als Kennlinie oder Kennfeld in einer Steuereinrichtung des Lenksystems implementiert sein.
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Die Lenkstangenkraft für die Ermittlung der Basislenkungsrückwirkung kann mittels für die Lenkstangenkraft indikativer Größen in der Lenkung bestimmt werden, mittels eines Fahrzeugmodells anhand von den Bewegungszustand des Fahrzeugs abbildeten Größen geschätzt werden oder aus einer Kombination hieraus ermittelt werden. Grundsätzlich kann eine Bestimmung der Lenkstangenkraft beispielsweise wie im oben beschriebenen Stand der Technik vorgenommen werden, dessen diesbezüglicher Inhalt vorliegend mit einbezogen wird.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Steer-by-wire-Lenksystem nach Patentanspruch 8 gelöst. Dieses eignet sich zur Durchführung des vorstehend erläuterten Verfahrens.
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Die Steuereinrichtung kann vorliegend durch ein einziges Steuergerät bereitgestellt werden oder aber auch mehrere separate Steuergeräte umfassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung eines Steer-by-wire-Lenksystems für ein Kraftfahrzeug gemäß einem möglichen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung zur Ansteuerung eines Haptikaktuators des Steer-by-wire-Lenksystem nach 1, und in
- 3 eine schematische Darstellung für eine inverse Lenkunterstützung.
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Das Ausführungsbeispiel in 1 zeigt ein Steer-by-wire-Lenksystem 1 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftfahrzeug.
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Das Steer-by-wire-Lenksystem 1 umfasst zunächst eine Lenkungshandhabe 2 als Benutzerschnittstelle, über welche ein Fahrer einen Lenkbefehl eingeben kann. Die Lenkungshandhabe 2 ist vorzugsweise als Lenkrad ausgebildet. Jedoch werden auch andere Eingabemittel wie beispielsweise Joysticks oder dergleichen als Lenkungshandhabe 2 verstanden.
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Weiterhin umfasst das Steer-by-wire-Lenksystem 1 eine fremdkraftbetriebene Lenkung 3, welche mit lenkbaren Fahrzeugrädern 4 mechanisch gekoppelt ist. Die fremdkraftbetriebene Lenkung 3 kann ihrerseits einen Lenkstangenaktuator 5, beispielsweise einen Elektromotor, umfassend, welcher unter Zwischenschaltung eines Getriebes eine mit den Fahrzeugrädern 4 mechanisch gekoppelte Lenkstange 6 antreibt. Jedoch sind auch andere Typen fremdkraftbetriebener Lenkungen 3 möglich, welche an den lenkbaren Fahrzeugrädern auf mechanischem Weg einen Lenkeinschlag zu bewirken imstande sind. In der Regel sind an einem Kraftfahrzeug die lenkbaren Fahrzeugräder 4 Vorderräder. Ein Lenken kann jedoch auch über die Hinterräder oder über sämtliche Fahrzeugräder realisiert werden.
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Das Steer-by-wire-Lenksystem 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 7 zur Ansteuerung der fremdkraftbetriebenen Lenkung 3 in Abhängigkeit eines fahrerseitigen Lenkbefehls sowie weiterer Fahrzeugparameter 8.
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Schließlich ist ein Haptikaktuator 9 vorgesehen, welcher mit der Lenkungshandhabe 2 mechanisch gekoppelt ist, um ein definiertes Lenkgefühl an der Lenkungshandhabe 2 zu simulieren. Über den Haptikaktuator 9 wird bei der Betätigung der Lenkungshandhabe 2 durch den Fahrer ein in der Regel der Betätigung entgegengerichteter Widerstand erzeugt, welcher in Abhängigkeit eines Betätigungswegs oder -winkels der Lenkungshandhabe 2 und/oder einer Betätigungsgeschwindigkeit oder Winkelgeschwindigkeit der Lenkungshandhabe 2 variabel gestaltet sein kann. Es sind jedoch auch Situationen möglich, in welchen eine die Betätigung des Fahrers fördernde, d.h. gleichgerichtete Unterstützung durch den Haptikaktuator 9 erfolgt.
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Zudem kann über den Haptikaktuator 9 eine aktive Rückstellung der ausgelenkten Lenkungshandhabe 2 in eine Ausgangsstellung bewirkt werden.
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Die Ansteuerung des Haptikaktuators 9 erfolgt über die Steuereinrichtung 7, in welcher eine Lenkstangenkraft F der Lenkung vorliegt.
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Diese Lenkstangenkraft F kann beispielsweise anhand von für die Lenkstangenkraft F indikativer Größen in der Lenkung 2 bestimmt werden. Beispielsweise kann diese unmittelbar mit Hilfe eines Sensors gemessen werden. Es ist jedoch auch möglich, die Lenkstangenkraft F aus anderen Größen der Lenkung 2, beispielsweise einer Antriebskraft oder einem Antriebsmoment des Lenkstangenaktuators 5 oder dergleichen zu bestimmen. Ferner ist es möglich, die Lenkstangenkraft F mittels eines Fahrzeugmodells anhand von den Bewegungszustand des Fahrzeugs abbildeten Größen zu schätzen. Zudem können beide Vorgehensweisen zur Ermittlung der Lenkstangenkraft F miteinander kombiniert werden. Bei Lenkungstypen ohne ausgeprägte Lenkstange kann als Lenkstangenkraft F die für den Einschlag der Fahrzeugräder verantwortliche Größe verstanden werden. Je nach Bedarf kann die Lenkstangenkraft F eine Rückmeldung von der Fahrbahn mehr oder weniger stark berücksichtigen, wie dies oben bereits erläutert wurde.
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Zur Einstellung eines definiten Lenkgefühls wird diese Lenkstangenkraft F, wie auch immer sie gewonnen wurde, zusätzlich modifiziert.
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Wie 2 entnommen werden kann, wird aus der Lenkstangenkraft F wird mittels eines Skalierungsfaktors i eine Basislenkungsrückwirkung, im Folgenden beispielhaft als Basismoment MB bezeichnet, für den Haptikaktuator 9 berechnet.
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Parallel hierzu wird aus Größen, welche sich lediglich auf die Art der Betätigung der Lenkungshandhabe 2 beziehen, eine inverse Lenkunterstützung u ermittelt.
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Das aus der Lenkstangenkraft ermittelte Basismoment MB wird durch die inverse Lenkunterstützung u abgeschwächt, um über diese Abschwächung die Haptik der Lenkungshandhabe 2 zu beeinflussen. Mit anderen Worten, über diese inverse Lenkunterstützung u erfolgt die Festlegung des Lenkgefühls, welches der Fahrer an der Lenkungshandhabe 2 wahrnimmt.
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Das unter Berücksichtigung der inversen Lenkunterstützung u abgeschwächte Basismoment MB wird zur Generierung eines Ansteuersignals für den Haptikaktuator 9 verwendet, welcher eine entsprechende Haptik an der Lenkungshandhabe 2 erzeugt.
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Weiterhin kann zur Rückstellung der Lenkungshandhabe 2 in eine Ausgangstellung über den Haptikaktuator 9 in der Steuereinrichtung 7 bei Bedarf ein Rückstellmoment MR generiert werden, welches dem jeweils aktuellen modifizierten Basismoment MB* aufaddiert wird.
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Die inverse Lenkunterstützung u wird als normierter Faktor bereitgestellt, welcher mit dem aus der Lenkstangenkraft ermittelten Basismoment MB multipliziert wird. Aus dem Produkt MB* = MB · u wird ein Ansteuerungssignal für den Haptikaktuator 9 gewonnen, durch welches eine Lenkungsrückwirkung an der Lenkungshandhabe 2, beispielsweise in Form eines Moments M, simuliert wird.
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Die inverse Lenkunterstützung u kann in Abhängigkeit eines vom Fahrer an der Lenkungshandhabe 2 aufgebrachten Handmoments MH bestimmt werden. Eingang für den Faktor zur Beeinflussung bildet das z.B. über einen Sensor gemessene Handmoment MH des Fahrers an der Lenkungshandhabe 2.
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Alternativ oder ergänzend kann die inverse Lenkunterstützung in Abhängigkeit eines vom Fahrer an der Lenkungshandhabe 2 aufgebrachten Lenkwinkels φ und/oder einer vom Fahrer an der Lenkungshandhabe 2 aufgebrachten Lenkwinkelgeschwindigkeit bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß dient die Lenkstangenkraft F lediglich als Grundlage eines Feedbacks. Diese wird dann, um ein bestimmtes Lenkgefühl einzustellen, mittels der inversen Lenkunterstützung u verändert. Dies kann, wie vorstehend erwähnt über einen normierten Faktor geschehen, jedoch auch auf andere Art und Weise bewerkstelligt werden. Die inverse Lenkunterstützung u wird nicht an Fahrzeuggrößen fest gemacht, sondern an Größen, die abhängig vom Lenkmanöver des Fahrers sind, d.h. beispielsweise von einem Handmoment MH , welches der Fahrer an der Lenkungshandhabe 2 aufbaut. Der Fahrer kann nur ein Lenkmoment aufbauen, weil er gegen die bereits wirkenden Rückstellkräfte lenkt, welche sich primär aus der Lenkstangenkraft F ergeben. Wenn diese nicht initial auf das Lenkrad aufgeschaltet wird, würde es einfach nur frei drehen und man könnte kein Moment z.B. über einen Drehstab messen. Die Höhe des Momentes ist dabei von dem vom Fahrer eingestellten Lenkwinkel φ an der Lenkungshandhabe 2 abhängig. Das verwendete Lenkmoment MH kann z.B. von einem Sensor über einen Drehstab erfasst werden.
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In Abwandlung hiervon kann die inverse Lenkunterstützung zusätzlich in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit v bestimmt werden.
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Wie 3 beispielhaft zeigt, kann die inverse Lenkunterstützung u als Kennlinie oder Kennfeld implementiert sein.
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Das Feedback an der Lenkungshandhabe 2 wird vorwiegend durch die inverse Lenkunterstützung u geprägt. Zwar geht die Lenkstangenkraft F anteilig mit in das Feedback an der Lenkungshandhabe 2 mit ein, damit eine gewisse Fahrbahnrückmeldung dargestellt werden kann. Jedoch wird dieses Feedback von anderen Funktionen, welche sich nur auf die Lenkungshandhabe 2 beziehen, überlagert, damit ein definiertes, beispielsweise markenspezifisches oder fahrzeugtypspezifisches Lenkgefühl dargestellt werden kann.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand verschiedener Ausführungsvarianten näher erläutert. Diese dienen dazu, die Ausführbarkeit der Erfindung zu belegen. Technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiterer Einzelmerkmale erläutert wurden, können auch unabhängig von diesen sowie in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, selbst wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist daher ausdrücklich nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsvarianten beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steer-by-wire-Lenksystem
- 2
- Lenkungshandhabe
- 3
- fremdkraftbetriebene Lenkung
- 4
- Fahrzeugrad
- 5
- Lenkungsaktuator
- 6
- Lenkstange
- 7
- Steuereinrichtung
- 8
- Fahrzeugparameter
- 9
- Haptikaktuator
- i
- Skalierungsfaktor
- u
- normierter Faktor
- v
- Fahrgeschwindigkeit
- F
- Lenkstangenkraft
- M
- Moment
- MB
- Basislenkungsrückwirkung / Basismoment
- MB*
- =MB · u
- MH
- Handmoment
- MR
- Rückstellmoment
- φ
- Lenkwinkel
