DE10215464B9 - Method and apparatus for estimating a state variable - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung eines Schätzwertes β ^ eines nicht direkt messbaren Schwimmwinkels β in Fahrzeugen, wobei der Schwimmwinkel β mindestens durch eine nichtlineare Differentialgleichung beschreibbar ist, umfassend eine Lösung βnl der nichtlinearen Differentialgleichung durch numerische Integration,
ein mindestens durch den Schwimmwinkel beschriebener Fahrzustand in einem Arbeitspunkt durch eine lineare oder linearisierte Differentialgleichung 1. Ordnung modelliert wird,
wobei ein Wert βlin durch Lösen der linearen oder linearisierten Differentialgleichung ermittelt wird, und
zur Ermittlung des Schwimmwinkelschätzwertes β ^ die Lösung βnl mindestens mit dem ermittelten Wert βlin durch eine Fusion verknüpft wird,
wobei die Fusion eine gewichtete Addition der Werte βi des Schwimmwinkels umfasst: ...Method for determining an estimated value β 1 of a non-directly measurable slip angle β in vehicles, the slip angle β being describable at least by a non-linear differential equation comprising a solution β nl of the non-linear differential equation by numerical integration,
a driving state described at least by the slip angle is modeled in a working point by a linear or linearized differential equation of 1st order,
wherein a value β lin is determined by solving the linear or linear differential equation, and
for determining the floating angle estimated value β 1, the solution β nl is linked to the determined value β lin by a fusion,
wherein the fusion comprises a weighted addition of the values β i of the slip angle: ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schätzen einer durch eine nichtlineare Differentialgleichung beschreibbaren Zustandsgröße.The invention relates to a method and an apparatus for estimating a state variable that can be described by a non-linear differential equation.
Eine Vielzahl von Verfahren für eine Verbesserung der Fahrdynamik eines Fahrzeugs benötigen als Regel- und/oder Parameterwert den Schwimmwinkel. Der Schwimmwinkel kann jedoch nur unter hohem technischen Aufwand direkt gemessen und/oder bestimmt werden. In Abhängigkeit von Messgrößen ist der Schwimmwinkel durch eine nichtlineare Differentialgleichung beschreibbar. Es ist bekannt, den Schwimmwinkel durch ein Verfahren der Zustandsgrößenschätzung zu beobachten. Dieses beispielsweise aus der
Für die Auslegung eines Kalman-Bucy-Filters ist eine Linearisierung der nichtlinearen Differentialgleichung um einen Arbeitspunkt notwendig. Die Querdynamik eines Fahrzeugs weist jedoch ein stark nichtlineares Verhalten auf, welches abhängig von äußeren Randbedingungen wie beispielsweise den Fahrbahneigenschaften und/oder dem Fahrzustand ist. Starke Abweichungen von dem für die Auslegung des Kalman-Bucy-Filters gewählten Arbeitspunkt können daher zu einer numerischen Instabilität in den durch Linearisierung erhaltenen Beobachtergleichungen führen.For the design of a Kalman-Bucy filter, a linearization of the nonlinear differential equation by one operating point is necessary. The lateral dynamics of a vehicle, however, has a strong non-linear behavior, which is dependent on external boundary conditions such as the road characteristics and / or the driving condition. Strong deviations from the operating point chosen for the design of the Kalman-Bucy filter can therefore lead to numerical instability in the observer equations obtained by linearization.
Es ist bekannt, diesen numerischen Problemen durch eine robuste Auslegung und/oder eine Adaption des Beobachterterms zu begegnen. Nachteil ist jedoch, dass eine derartige Auslegung nur langsam auf sich ändernde Eigenschaften reagiert. Insbesondere hochdynamische Phänomene wie eine beginnende Fahrzeuginstabilität, beispielsweise aufgrund eines Wechsels des Fahrbahnbelags, können mit einem derartigen Beobachter nicht ausreichend erfasst werden.It is known to counter these numerical problems by a robust design and / or an adaptation of the observer term. The disadvantage, however, is that such a design reacts only slowly to changing properties. In particular, highly dynamic phenomena such as incipient vehicle instability, for example due to a change in the road surface, can not be sufficiently detected with such an observer.
Aus der nachveröffentlichten
Aus der
Aus der
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die zuverlässige Bestimmung des Schwimmwinkels in Fahrzeugen ohne Einschränkungen des zulässigen Bereiches zu schaffen, wobei der Schwimmwinkel in Abhängigkeit von Messgrößen durch eine nichtlineare Differentialgleichung gegeben ist.The invention is therefore the technical problem of providing a method and an apparatus for the reliable determination of the slip angle in vehicles without restrictions on the permissible range, wherein the slip angle is given in dependence on measured variables by a non-linear differential equation.
Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the problem results from the objects with the features of claims 1 and 9. Further advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Eine Ermittlung eines Schätzwertes β ^ des nicht direkt messbaren Schwimmwinkels β in Fahrzeugen, wobei der Schwimmwinkel β mindestens durch eine nichtlineare Differentialgleichung beschreibbar ist, umfasst eine Lösung βnl der nichtlinearen Differentialgleichung durch numerische Integration, eine Modellierung des mindestens durch den Schwimmwinkel beschriebenen Fahrzustands in einem Arbeitspunkt durch eine lineare oder linearisierte Differentialgleichung 1. Ordnung, eine Berechnung eines Wertes βlin durch Lösen der linearen oder linearisierten Differentialgleichung und eine Fusion der Lösung βnl mindestens mit dem ermittelten Wert βlin zur Ermittlung des Schwimmwinkelschätzwertes β ^.A determination of an estimated value β 1 of the non-directly measurable slip angle β in vehicles, wherein the slip angle β is describable at least by a nonlinear differential equation, comprises a solution β nl of the nonlinear differential equation by numerical integration, a modeling of the driving state described at least by the slip angle in one Operating point by a linear or linearized differential equation 1st order, a calculation of a value β lin by solving the linear or linearized differential equation and a fusion of the solution β nl at least with the determined value β lin for determining the Schwimmwinkelschätzwertes β ^.
Eine lineare oder linearisierte Differentialgleichung ist mit bekannten Verfahren analytisch lösbar. Im Rahmen der Modellierungsgenauigkeit der Linearisierung ist die Zustandsgröße damit exakt bestimmbar. Dagegen kann eine nichtlineare Differentialgleichung nur durch numerische Integration gelöst werden. Die gängigen numerischen Integrationsverfahren lösen die Bewegungsgleichung durch eine stückweise Näherung der Lösung mit Polynomen höherer Ordnung. Aufgrund von Ungenauigkeiten, beispielsweise aus der Modellierung, Messrauschen und/oder numerischen Randbedingungen, wie Rechnergenauigkeiten, weicht der durch eine numerische Integration der Differentialgleichung erhaltene Wert der Zustandsgröße von einer exakten Lösung ab. Bei Integration über einen längeren Zeitraum addieren sich diese Abweichungen. Für eine numerische Integration sind daher numerische Probleme wie Drift und/oder numerische Instabilitäten zu berücksichtigen. Die Wahl des Integrators bestimmt dabei entscheidend die numerische Stabilität und/oder notwendige Rechenzeiten. Bevorzugt ist ein Integrator nach der Runge-Kutta-Methode 3./2. Ordnung eingesetzt.A linear or linearized differential equation can be solved analytically by known methods. Within the framework of the modeling accuracy of the linearization, the state quantity can thus be determined exactly. In contrast, a nonlinear differential equation can only be solved by numerical integration. The usual numerical integration methods solve the equation of motion by a piecewise approximation of the solution with polynomials of higher order. Due to inaccuracies, for example from modeling, measurement noise and / or numerical boundary conditions, such as computer accuracies, the value of the state variable obtained by a numerical integration of the differential equation deviates from an exact solution. When integrated over a longer period of time, these deviations add up. For a numerical integration numerical problems like drift and / or numerical instabilities have to be considered. The choice of the integrator decisively determines the numerical stability and / or necessary calculation times. Preferably, an integrator according to the Runge-Kutta method 3./2. Used order.
Eine Fusion der so erhaltenen Werte der Zustandsgröße zu einem Schätzwert ermöglicht es, die Vorteile der jeweiligen Ermittlungswege gezielt zu nutzen. Die Gültigkeit ist dabei nicht auf einen durch die Linearisierung festgelegten Arbeitspunkt beschränkt, sondern in Abhängigkeit des Fahrzeugszustands und/oder der Randbedingungen wird das jeweils geeignete Verfahren gewählt. Nach Möglichkeit erfolgt die Bestimmung der Zustandsgröße durch Verwendung des linearen Modells. Die Verwendung des linearen Modells ist gegenüber der direkten Integration beispielsweise bezüglich der numerischen Stabilität vorteilhaft.A fusion of the resulting values of the state variable to an estimated value makes it possible to make targeted use of the advantages of the respective investigation paths. The validity is not limited to an operating point defined by the linearization, but depending on the vehicle condition and / or the boundary conditions, the respectively suitable method is selected. If possible, the determination of the state quantity is done by using the linear model. The use of the linear model is advantageous over direct integration, for example, in terms of numerical stability.
Dabei wird die Gültigkeit des linearen oder linearisierten Modells durch einen Fehler e bewertet, wobei mindestens eine Gewichtung wi für eine Addition der Werte der Zustandsgrößen βi in Abhängigkeit des Fehlers e bestimmt wird. Im Bereich der Gültigkeit des Modells sind die anhand der linearen Differentialgleichung berechneten Werte der Zustandsgröße zlin den Werten aus der numerischen Integration vorzuziehen. Bei starken Abweichungen der einer Modellierung zugrunde liegenden Rahmenbedingungen ist jedoch eine Gültigkeit der linearen oder linearisierten Differentialgleichung nicht länger gegeben. In diesem Fall sind die Zustandsgrößen über die direkte Integration zu bestimmen.In this case, the validity of the linear or linearized model is evaluated by an error e, wherein at least one weighting w i is determined for an addition of the values of the state variables β i as a function of the error e. In the area of validity of the model, the values of the state variable z lin calculated using the linear differential equation are to be preferred to the values from the numerical integration. In the case of strong deviations of the framework conditions underlying a modeling, however, a validity of the linear or linearized differential equation is no longer given. In this case, the state variables are to be determined via direct integration.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das lineare Einspurmodell für die Formulierung der linearen Differentialgleichung verwendet. Für eine Vielzahl an Problemstellungen der Fahrzeugdynamik ist das lineare Einspurmodell geeignet, um den aufgrund der Gierrate ψ . und des Schwimmwinkels β bestimmten Fahrzeugzustand zlin = (βlin ψ .lin)T in Abhängigkeit von Stellgrößen u wie beispielsweise eines Lenkeingriffs u = δ zu bestimmen. Die Komplexität des linearen Einspurmodells ist dabei beliebig wählbar, so sind beispielsweise in Abhängigkeit des Anwendungsfalls nichtlineare Reifeneffekte vernachlässigbar oder zu berücksichtigen.In a preferred embodiment, the linear one-track model is used for the formulation of the linear differential equation. For a variety of vehicle dynamics problems, the linear one-track model is suitable for determining the yaw rate ψ. and the float angle β determined vehicle state z lin = (β lin ψ. lin ) T as a function of manipulated variables u such as a steering intervention u = δ to determine. The complexity of the linear Einspurmodells is arbitrary selectable, so for example, depending on the application, non-linear tire effects are negligible or to consider.
In einer weiteren Ausführungsform sind Fahrzeuggeschwindigkeit v, Quer- und Längsbeschleunigung ax, ay und die Gierrate ψ . direkt zugängliche Messgrößen.In another embodiment, vehicle speed v, lateral and longitudinal acceleration a x , a y and the yaw rate ψ. directly accessible measured quantities.
Die Fusion der ermittelten Werte der Zustandsgröße zu einem Schätzwert erfolgt bevorzugt über eine gewichtete Addition. Andere Fusionsverfahren beispielsweise unter Verwendung statistischer Methoden oder mittels oder Fuzzy-Logic sind jedoch denkbar. The fusion of the ascertained values of the state variable into an estimated value preferably takes place via a weighted addition. However, other fusion methods, for example using statistical methods or by means of or fuzzy logic are conceivable.
Der Fehler e ist in einer weiteren Ausführungsform durch die Abweichung einer direkt messbaren Messgröße y von deren berechneten Wert ylin definiert:
Um den Einfluss von Messungenauigkeiten und/oder Messrauschen zu minimieren, ist es vorteilhaft den ermittelten Fehler e zu filtern.In order to minimize the influence of measurement inaccuracies and / or measurement noise, it is advantageous to filter the detected error e.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die nichtlineare Differentialgleichung um eine zustandsabhängige Rückführung erweitert. Durch die Rückführung wird der durch numerische Integration erhaltene Wert βnl durch den unter Verwendung der linearen oder linearisierten Differentialgleichung berechneten Wertes βlin „gefiltert” und so den numerischen Problemen der Integration entgegengewirkt:
Die Wahl der Rückführverstärkung H hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der direkten Integration. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verstärkung abhängig von der Gültigkeit der linearen oder linearisierten Differentialgleichung: H = H(e).The choice of the feedback gain H has a significant influence on the quality of the direct integration. In a preferred embodiment, the gain depends on the validity of the linear or linear differential equation: H = H (e).
Im Gültigkeitsbereich des linearen oder linearisierten Modells ist eine gute Übereinstimmung der durch Lösung der linearen Differentialgleichung erhaltenen Werte ylin und der zugehörigen Messwerte y gegeben. Das Vertrauen in die aufgrund des linearen Modells erhaltenen Größen βlin ist daher ebenfalls entsprechend hoch. Eventuelle Abweichungen des durch Integration erhaltenen Wertes βnl von diesem Wert βlin werden daher Fehler in der direkten Integration, beispielsweise aufgrund numerischer Probleme, bewertet und eine entsprechende „Filterung” der Werte durchgeführt. Außerhalb des Gültigkeitsbereichs des linearen Modells kommt es zu starken Abweichungen e. Das Vertrauen in die aufgrund des linearen Modell erhaltenen Größen βlin ist entsprechend gering. Abweichungen des Integrationswertes βnl von dem anhand des linearen Modells berechneten Wertes βlin haben daher nur einen verschwindenden Einfluss auf die numerische Integration.In the range of validity of the linear or linearized model, a good match of the values y lin obtained by solving the linear differential equation and the associated measured values y is given. Confidence in the quantities β lin obtained on the basis of the linear model is therefore also correspondingly high. Any deviations of the value β nl obtained by integration from this value β lin are therefore evaluated errors in the direct integration, for example due to numerical problems, and a corresponding "filtering" of the values is carried out. Outside the scope of the linear model, there are large deviations e. Confidence in the quantities β lin obtained from the linear model is correspondingly low. Β variations of the integral nl from the calculated by the linear model value β lin therefore have only an infinitesimal impact on the numerical integration.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Funktionswerte für den Filter H = H(e) durch Versuche am Fahrzeug unter verschiedenen Fahrzustands- und/oder verschiedenen Randbedingungen angepasst. Einfluss auf die Funktionswerte haben neben dem Fahrzustand spezielle fahrzeugtypische Merkmale und/oder Fahrbahneigenschaften beispielsweise aufgrund eines nassen oder vereisten Fahrbahnzustands und/oder aufgrund eines speziellen Fahrbahnbelags. Die Werte sind in Form von Tabellen abgelegt und so während des Fahrzeugbetriebs für den Zustandsbeobachter zugänglich.In a further embodiment, the function values for the filter H = H (e) are adapted by tests on the vehicle under different Fahrzustands- and / or different boundary conditions. Influence on the functional values, in addition to the driving state, has specific characteristics typical of the vehicle and / or the characteristics of the road, for example due to a wet or icy road condition and / or due to a special road surface. The values are stored in the form of tables and thus accessible to the status observer during vehicle operation.
Für eine Anpassung der Filterwerte sind außer einem derartigen Tuning durch Fahrversuche auch andere Verfahren denkbar, beispielsweise der Einsatz von Lernalgorithmen oder eine Optimierung durch Simulationsrechnung und/oder Kombinationen.For adaptation of the filter values, besides other such tuning by road tests, other methods are also conceivable, for example the use of learning algorithms or an optimization by simulation calculation and / or combinations.
Bevorzugt werden durch Fahrversuche zunächst die Filterwerte H bestimmt. In einem weiteren Schritt werden die Gewichtungsfaktoren w für den speziellen Fahrzeugtyp durch Fahrversuche angepasst. Anstelle der Anpassung durch Fahrversuch sind andere Verfahren, beispielsweise der Einsatz von Lernalgorithmen oder Adaptionsverfahren denkbar.Preferably, first the filter values H are determined by driving tests. In a further step, the weighting factors w for the specific vehicle type are adapted by driving tests. Instead of adaptation by driving test other methods, such as the use of learning algorithms or adaptation methods are conceivable.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Die Abbildungen zeigen:The invention is described below with reference to a preferred embodiment. The pictures show:
Für die Schräglaufwinkel zwischen der Radstellung und der Fahrtrichtung gilt bei Lenkeingriff an der Vorderachse: α1 = β – δ1, α2 = β2 For the slip angle between the wheel position and the direction of travel applies at steering intervention on the front axle: α 1 = β - δ 1 , α 2 = β 2
In Fahrzeugquerrichtung y greifen an den Rädern die Seitenkräfte F1 und F2 an. Die Kräfte F1 und F2 werden über eine Schräglaufsteifigkeit cα,i und die Schräglaufwinkel αi ermittelt:
Die lineare Differentialgleichung für das in
Die Ermittlung des linearen Schwimmwinkelwertes βlin erfolgt unter Verwendung des in
Der Recheneinheit
Der Recheneinheit
Die fahrzustandsabhängige Rückführung ist abhängig von der Gültigkeit des linearen Modells. Dabei gilt:
In einer Recheneinheit
Die Gewichtung ist abhängig von der Gültigkeit des linearen Modells und wird daher derart gewählt, dass gilt:
Durch das Verfahren und/oder die Vorrichtung ist eine zuverlässige Ermittlung des Schwimmwinkels und der Schwimmwinkelgeschwindigkeit gegeben. Es besteht keine Einschränkung bzgl. eines zulässigen Bereichs. Das Schätzverfahren dient somit als Grundlage für beliebige Regelalgorithmen zur Verbesserung der Fahrdynamik.By the method and / or the device, a reliable determination of the float angle and the float angle velocity is given. There is no restriction on a permissible range. The estimation method thus serves as the basis for arbitrary control algorithms for improving the driving dynamics.
Durch das Schätzverfahren sind beliebige Zustandsgrößen ermittelbar, welche in Abhängigkeit von direkt ermittelbaren Größen mindestens durch eine nichtlineare Differentialgleichung beschreibbar sind. Durch Linearisierung in einem Arbeitspunkt ist eine zugehörige linearisierte Differentialgleichung ermittelbar.By means of the estimation method, arbitrary state variables can be determined which, depending on directly determinable quantities, can be described at least by a non-linear differential equation. By linearization in one operating point, an associated linearized differential equation can be determined.
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