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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugzentralrechners sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Hintergrund der Erfindung
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In Fahrzeugen kommen herkömmlicherweise für verschiedene Funktionen wie Fahrdynamik, Antrieb und dergleichen verschiedene Steuergeräte zum Einsatz, die typischerweise je für eine spezifische Aufgabe konzipiert sind. In modernen Fahrzeugen werden immer häufiger auch sog. Fahrzeugzentralrechner eingesetzt. Dabei handelt es sich um besonders leistungsfähige Recheneinheiten, die verschiedene Aufgaben wahrnehmen können und mitunter auch mehrere einzelne herkömmliche Steuergeräte ersetzen sollen oder können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugzentralrechners sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung beschäftigt sich mit Fahrzeugzentralrechnern sowie deren Betrieb, die zum Ansteuern eines oder - besonders bevorzugt - mehrerer Aktoren eines Fahrzeugs dienen und auch dazu eingerichtet sind. Bei einem Fahrzeugzentralrechner handelt es sich, wie erwähnt, um eine besonders leistungsfähige Recheneinheit, die z.B. verschiedene Aufgaben wahrnehmen kann und z.B. auch mehrere einzelne herkömmliche Steuergeräte ersetzen kann. Je nach Art des Fahrzeugs und der Anzahl und Art dort verwendeter Aktoren kann z.B. nur ein solcher Fahrzeugzentralrechner im Fahrzeug vorgesehen sein, denkbar sind aber auch mehrere solcher Fahrzeugzentralrechner. Dabei kann anstelle von Fahrzeugzentralrechner ggf. auch von Zentralsteuergerät oder Domänensteuergerät gesprochen werden.
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In einem Fahrzeugzentralrechner können insbesondere auch die für die verschiedenen Aktoren nötigen Funktionalitäten (funktionale Anteile) ausgeführt werden, was insbesondere zu einer Reduzierung einer Komplexität der Aktoren selbst führt. Insbesondere bei einem Fahrzeugzentralrechner, der mehrere Aktoren ansteuern kann, z.B. die Aktoren einer Domäne wie Fahrdynamik, können durch die Zusammenführung mehrerer Regleranteile mehrerer Aktoren Verbesserungen in der Performance erreicht werden. Durch eine Abstrahierung der Aktuatorik vom Fahr- bzw. Fahrdynamiksystem kann auch die Entwicklung vereinheitlicht werden. Variantenhandling und Hardware-Ausprägungen können losgelöst von der Funktionsentwicklung gehandhabt werden. Die Domäne Fahrdynamik umfasst dabei z.B. Aktoren wie ein integriertes Bremssystem, eine elektronische Lenkeinrichtung, einen Inverter einer elektrischen Maschine, einen Fahrwerksaktor und dergleichen. Weitere Beispiele für Aktoren sind aktive Stabilisatoren, Sperrdifferentiale, Allradkupplungen, Achs- oder Radantriebe.
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Im Rahmen der Erfindung wird nun vorgeschlagen, dass in dem Fahrzeugzentralrechner ein Vorgabemodul und ein Regelmodul (Softwaremodule) ausgeführt werden. Von dem Vorgabemodul wird dabei ein Sollverhalten für das Fahrzeug (Fahrzeugsollverhalten) bereitgestellt, das dann über eine Regelung des einen oder der mehreren Aktoren umzusetzen ist. Das Fahrzeugsollverhalten wird hierbei insbesondere auf grundsätzliche Fahrzeugeigenschaften reduziert. Dies stellt sicher, dass jedes Fahrzeugsollverhalten mit der bestehenden Aktuatorik (d.h. den vorhandenen Aktoren) umgesetzt werden kann und unabhängig von der verbauten Aktuatorik ist. Allerdings sollten bestimmte Voraussetzungen heutiger Fahrzeuge erfüllt werden. So ist z.B. ein Giermomentenaktor nötig, um eine Fahrdynamikregelung zu realisieren. Regelungstechnisch sollten die Zustände steuerbar sein. Dort wird also ein grundlegendes Fahrzeugsollverhalten für das Fahrzeug definiert, z.B. ein Fahrdynamiksollverhalten, ohne aber z.B. Kenntnis über die konkrete Regelung der anzusteuernden Aktoren haben zu müssen.
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Dabei kann das Vorgabemodul insbesondere derart ausgeführt werden, dass es eine Benutzerschnittstelle bereitstellt, z.B. eine graphische Benutzerschnittstelle, ggf. durch Zusammenwirken mit einem Eingabe- und Anzeigemittel. Ein Benutzer - insbesondere ein Fahrzeughersteller (OEM) bzw. dort ein Mitarbeiter - kann auf diese Weise ein für ein bestimmtes Fahrzeug bzw. einen bestimmten Fahrzeugtyp das Fahrzeugsollverhalten vorgeben oder definieren.
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Das Fahrzeugsollverhalten ist oder wird dabei insbesondere durch Fahrzeugbewegungsparameter wie z.B. Fahrzeugübergrundgeschwindigkeit, Fahrzeugübergrundbeschleunigung, Gierrate, Gierbeschleunigung, Schwimmwinkel, Schwimmwinkelgeschwindigkeit, Aufbauweggeschwindigkeit und Aufbauweg Beschleunigung vorgegeben. Allgemein also durch generelle Zustände eines Ein- oder Zweispurmodells und deren Ableitungen. Das Fahrzeugsollverhalten ist also vom eigentlichen Regelungsverhalten stark abstrahiert; z.B. kann das Fahrzeugsollverhalten auch einfach nur umfassen, dass das Fahrzeug schnell übersteuern soll, oder besonders dynamisch sei soll.
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Eine Schnittstelle vom Regelmodul zu den Aktoren umfasst dann z.B. generelle fahrdynamische Einflussmöglichkeiten, also z.B. Bremse über Einzelradmoment, Lenkung über Lenkwinkel, Fahrwerk über Normalkraftverteilung und dergleichen.
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Eine solche Parametrierung des Regelverhaltens erfolgt dabei insbesondere außerhalb eines regulären Betriebs des Fahrzeugzentralrechners, also offline. Der Fahrzeugzentralrechner ist also entsprechend eingerichtet bzw. wird entsprechend betrieben.
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Dieses Fahrzeugsollverhalten wird dann über eine interne Schnittstelle (intern im Fahrzeugzentralrechner bzw. der darauf ausgeführten Software) von dem Vorgabemodul an das Regelmodul übergeben. Dies kann z.B. auch dadurch erfolgen, dass das Regelmodul bei Bedarf auf das Vorgabemodul bzw. das dort vorhandene Fahrzeugsollverhalten zugreift, insbesondere von dort benötigte Daten ausliest.
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Basierend auf diesem Fahrzeugsollverhalten wird dann ein Regelverhalten für die Aktoren bestimmt, z.B. durch Parametrierung. Dieses Regelverhalten ist also z.B. parametrierbar, also anpassbar oder sogar grundsätzlich vorgebbar. Dies kann in dem Regelmodul erfolgen. Dieses Regelverhalten umfasst dann insbesondere auch Sollgrößen bzw. Sollwerte für die Regelung selbst. Das (konkrete) Regelverhalten wird dabei also aus dem (abstrakten) Fahrzeugsollverhalten bestimmt; z.B. können für ein gewünschtes dynamisches Verhalten des Fahrzeugs hierfür bekannte Regelverhalten verwendet und ggf. angepasst werden.
In dem Regelmodul werden dann, basierend auf dem Regelverhalten und im Rahmen einer Regelung, Ansteuergrößen für den einen oder die mehreren Aktoren bestimmt und bereitgestellt, insbesondere ausgegeben. Die Aktoren können mit diesen Ansteuergrößen (z.B. zu stellendes Moment etc.) angesteuert bzw. betrieben werden. Diese Regelung kann dann wie eine übliche Regelung während des Betriebs des Fahrzeugs Sollwerte für bestimmte Regel- oder Ansteuergrößen erhalten (als Eingangsgrößen), z.B. von einem Fahrer oder Fahrerassistenzsystem, die dann entsprechend eingeregelt werden. Allgemein könnte solche Eingangsgrößen von allen Eingabemethoden erhalten werden, die ein Benutzer/Fahrer dem Fahrzeug mitteilen kann, z.B.: Lenkrad, Fahrpedal, Bremspedal, Getriebewählhebel, Sportmediumschaltung, Joystick, Comforteinstellung und dergleichen.
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Diese Sollwerte für die eigentliche Regelung sind dann aber an sich unabhängig von dem generell vorgegebenen Fahrzeugsollverhalten. Die Regelung erfolgt insbesondere auch zeitlich nach und unabhängig von der Bereitstellung des Fahrzeugsollverhaltens.
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Während das grundsätzliche Fahrzeugsollverhalten über das Vorgabemodul definiert bzw. vorgegeben werden kann, also z.B. eine grundsätzliche Vorgabe, wie das Fahrzeug zu reagieren hat, z.B. wie schnell ein Brems- oder Lenksystem ansprechen soll, erfolgt die Festlegung des konkreten Regelverhaltens, dann insbesondere in Bezug auf die konkret vorhandenen Aktoren, und dann auch die eigentliche Regelung in dem - vom Vorgabemodul getrennten - Regelmodul. In dem Regelmodul sind damit also z.B. eine oder mehrere Regelstrategien hinterlegt, die für den einen oder die mehreren Aktoren vorgesehen sind. Solche Regelstrategien können insbesondere durch einen Aktorhersteller (z.B. Zulieferer) bzw. dort einem Mitarbeiter vorgegeben und ggf. angepasst werden (bzw. worden sein), der insbesondere auch spezielles Knowhow für die anzusteuernden Aktoren hat. Solche Regelstrategien können z.B. festlegen, welche Art von Regler mit welchen Parametern wann und wo eingesetzt wird. Während die vom Regelmodul durchgeführten Funktionen also z.B. vergleichbar mit herkömmlichen Steuergeräten sind, erlaub das Vorgabemodul zusätzlich die Definition des grundsätzlichen Fahrzeugsollverhaltens auch durch andere Benutzer als den Hersteller, was bisher so nicht möglich war.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Regelmodul derart ausgeführt wird, dass Änderungen in dem Regelmodul (also z.B. in den Regelstrategien) von extern nicht vorgenommen werden können, insbesondere weder direkt noch über das Vorgabemodul. Denkbar ist, dass stattdessen das Regelmodul derart ausgeführt wird, dass Änderungen in dem Regelmodul von extern nur mittels Erlaubnis (z.B. durch Eingabe eines bestimmten Codes oder dergleichen) vorgenommen werden können. Auf diese Weise kann zwar das grundlegende Fahrzeugsollverhalten von extern vorgegeben werden, und zwar typischerweise durch einen Fahrzeughersteller. Die konkrete Umsetzung bzw. die die eigentliche Regelung der Aktoren sowie das konkrete Regelverhalten kann aber durch den Fahrzeughersteller nicht - und zwar auch nicht unbeabsichtigt - verändert werden. Vielmehr bleibt die konkrete Umsetzung dem Zulieferer mit seinem speziellen Knowhow überlassen. Dies vermeidet z.B. auch schlecht ausgelegte Regler.
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Eine Adaption bzw. Anpassung der im Regelmodul ausgeführten oder auszuführenden Regelung (Regelstrategien bzw. Regelverhalten) kann hingegen bevorzugt während eines regulären Betriebs des Fahrzeugzentralrechners, also online, erfolgen, insbesondere mittels eines Beobachters und/oder eines Lernalgorithmus (z.B. auch über Maschinenlernverfahren mit z.B. künstlichem neuronalem Netz). Der Fahrzeugzentralrechner ist also entsprechend eingerichtet bzw. wird entsprechend betrieben. Auf diese Weise kann die Regelung bzw. das Regelverhalten kontinuierlich verbessert werden, und zwar unabhängig von etwaigen Vorgaben für das Fahrzeugsollverhalten.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Fahrzeugzentralrechner eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einem Fahrzeugzentralrechner und mehreren Aktoren, bei dem die Erfindung eingesetzt werden kann.
- 2 zeigt schematisch eine modulare Darstellung eines Fahrzeugzentralrechners zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein Fahrzeug 100 mit einer als Fahrzeugzentralrechner ausgebildeten Recheneinheit 170 und mehreren Aktoren, bei der die Erfindung eingesetzt werden kann, dargestellt. Beispielhaft sind von dem Fahrzeug 100 eine Vorderachse 110 mit Rädern 111, 112 und eine Hinterachse 120 mit Rädern 121, 122 dargestellt. Für die Vorderachse 110 ist eine elektronische Lenkeinrichtung (Lenkaktor) 140 vorgesehen und für die Hinterachse ist eine elektrische Maschine130 mit Inverter 132 zum Antrieb sowie ggf. Abbremsen des Fahrzeugs vorgesehen.
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Weiterhin ist ein Betriebsbremssystem 150 mit vier Bremsaktoren 151-154, jeweils einer für jedes Rad, vorgesehen. All diese Aktoren dienen der Fahrdynamikregelung und sollen beispielhaft über ein Kommunikationssystem 160 (z.B. ein Datenbus) an den Fahrzeugzentralrechner 170 angeschlossen sein. Endstufen oder dergleichen für die energetische Ansteuerung der Aktoren können ggf. im Fahrzeugzentralrechner oder, typischerweise, anderweitig vorgesehen sein. Mittels des Fahrzeugzentralrechners 170 sollen beispielhaft die genannten Aktoren (bzw. Systeme) während eines Betriebs des Fahrzeugs 100 ansteuerbar bzw. betreibbar sein. Dabei kann der Fahrzeugzentralrechner 170 Fahrvorgaben von einem Fahrer und/oder einem Fahrerassistenzsystem erhalten (Sollwerte), die dann mittels des Fahrzeugzentralrechners 170, dort dem Regelmodul, im Rahmen einer Regelung umgesetzt werden. Dabei bewegt sich die Regelung im Rahmen eines Regelverhaltens, das auf einem vorgegebenen Fahrzeugsollverhalten basiert.
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In 2 ist schematisch eine modulare Darstellung eines Fahrzeugzentralrechners zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Beispielhaft handelt es sich um den Fahrzeugzentralrechner 170 aus 1, der zum Ansteuern des Bremssystems 150, der elektronischen Lenkeinrichtung 140 und des Inverters 132 der elektrischen Maschine, jeweils wie in 1, sowie eines weiteren beispielhaften Fahrwerksaktors 200 dient.
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Es versteht sich, dass mittels des Fahrzeugzentralrechner 170 auch noch weitere Aktoren, insbesondere Fahrdynamikaktoren o.a. angesteuert werden können. Grundsätzlich kann ein solcher Fahrzeugzentralrechner auch für anderen Aktoren als Fahrdynamikaktoren verwendet werden; die Fahrdynamikaktoren dienen hier insbesondere als Beispiel zur Erläuterung.
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In dem Fahrzeugzentralrechner 170 wird eine Software mit einem Vorgabemodul 210 und einem Regelmodul 220 ausgeführt. Diese beiden Module, Vorgabemodul 210 und Regelmodul 220, sind an sich voneinander getrennt, es ist lediglich eine Schnittstelle 222 vorgesehen, um bestimmte Daten vom Vorgabemodul 210 an das Regelmodul 220 zu übergeben bzw. übermitteln, wie nachfolgend noch erläutert wird.
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Von dem Vorgabemodul 210 wird ein Fahrzeugsollverhalten 240 bereitgestellt oder erhalten. Dies kann z.B. über eine vom Vorgabemodul 210 bereitgestellte Benutzerschnittstelle 210, z.B. eine graphische Benutzerschnittstelle (sog. GUI, „Graphical User Interface“) erfolgen. Diese graphische Benutzerschnittstelle kann bei entsprechender datenübertragender Anbindung des Fahrzeugzentralrechner 170 an ein externes Computersystem z.B. auf dessen Anzeigemittel dargestellt bzw. bereitgestellt werden.
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Dies erfolgt dabei bevorzugt offline, also z.B. initial vor erstmaliger Inbetriebnahme des Fahrzeugs oder ggf. im Rahmen von Updates, nicht aber während des regulären Betriebs. Auf diese Weise kann also das Fahrzeugsollverhalten des Fahrzeugs, jedenfalls soweit dies durch die Regelung der betreffenden Aktoren beeinflussbar ist, definiert werden.
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Dieses vorgegebene Fahrzeugsollverhalten wird dann von dem Vorgabemodul 210 über die interne Schnittstelle 222 an das Regelmodul 220 übergeben. Denkbar ist auch, dass hierzu das Fahrzeugsollverhalten in einem Speicher abgelegt ist bzw. wird, auf den auch das Regelmodul Zugriff hat. Dort, d.h. in dem Regelmodul 220, werden dann basierend auf dem Fahrzeugsollverhalten und im Rahmen einer Regelung Ansteuergrößen 224 (z.B. zu stellende Momente) für die Aktoren bestimmt und bereitgestellt, insbesondere an diese ausgegeben. Von den Aktoren - oder auch von geeigneten Sensoren - können wiederum Istwerte 226 erhalten werden. Während des regulären Betriebs des Fahrzeugs ist damit also nur das Regelmodul 220 aktiv, das Vorgabemodul 210 hingegen wird nicht nur nicht benötigt, sondern soll insbesondere auch nicht weiter in die Regelung eingreifen können.
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Einfluss auf das Regelverhalten hat beispielsweise auch, wie eine Eingabe durch einen Fahrer (z.B. Brems- oder Lenkbetätigung, oder Fahrpedal) ausgeführt werden soll. Das Regelverhalten (dort dann insbesondere Sollwerte) kann also beispielsweise durch Fahrfunktionen 230 oder Längs und Querführungsregler für assistierte und automatisierte Fahrfunktionen 232, z.B. Achs- und Gierratenregler für stationäre stabile Fahrsituationen vorgegeben sein.
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Während des regulären Betriebs des Fahrzeugs kann hingegen z.B. eine Adaption 250 der im Regelmodul ausgeführten oder auszuführenden Regelung erfolgen, insbesondere mittels eines Beobachters und/oder eines Lernalgorithmus. Auf diese Weise kann die konkrete Regelung laufend verbessert werden, ohne jedoch das generelle Sollverhalten zu unterlaufen.
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Diese Adaption kann z.B. über Online-Lernmodelle zur Bestimmung des aktuellen Fahrzeugzustands mit Hilfe von Extended/Unscented Kalman-Filtern zur parallelen Zustands- und Parameterschätzung. Erfolgen. Weitere Möglichkeiten sind z.B. neuronale Netze mit Offline-Training und Online-Schätzung. Neuronale Netze haben z.B. den Vorteil, Nichtlinearitäten besser abzubilden. Kalman-Filter/Beobachter werden hingegen immer auf physikalische Zusammenhänge „gezwungen“. Je nach Reglerauslegung kann ein geeigneter Ansatz gewählt werden.
