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:

Figure 00000002
...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:
Figure 00000002
...

Figure 00000001
Figure 00000001

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 DE 40 30 653 A1 bekannte Verfahren beruht auf einem Kalman-Bucy-Filter.A large number of methods for improving the driving dynamics of a vehicle require the slip angle as the control and / or parameter value. However, the slip angle can be measured and / or determined directly only with great technical effort. Depending on the measured quantities, the slip angle can be described by a non-linear differential equation. It is known to observe the slip angle by a method of state quantity estimation. This example, from the DE 40 30 653 A1 known method is based on a Kalman-Bucy filter.

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 DE 102 12 582 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Fahrdynamik bekannt, bei der eine erste Berechnung eines Schwimmwinkels βlin durch Lösen einer linearen oder linearisierten Differentialgleichung erster Ordnung und eine zweite Berechnung des Schwimmwinkels βnl durch eine direkte Integration erfolgt, wobei ein resultierender Schwimmwinkel durch ein geeignetes Fusionsverfahren, vorzugsweise über eine gewichtete Addition, ermittelt wird. Die Gewichtungsfaktoren können dabei für den speziellen Fahrzeugtyp angepasst werden. Hierbei kann die Anpassung des Verfahrens an den Fahrzeugtyp über Fahrversuche erfolgen.From the post-published DE 102 12 582 A1 a method for controlling the driving dynamics is known in which a first calculation of a slip angle β lin by solving a linear or linear differential equation of the first order and a second calculation of the slip angle β nl by a direct integration, wherein a resulting slip angle by a suitable fusion method, preferably via a weighted addition. The weighting factors can be adapted for the specific vehicle type. In this case, the adaptation of the method to the vehicle type can take place via driving tests.

Aus der DE 195 15 046 A1 ist ein System zur Fahrstabilitätsregelung bekannt, wobei ein Schwimmwinkel durch Integration einer Addition aus zwei vorab bestimmten Schwimmwinkelgeschwindigkeiten geschätzt wird. Hierbei wird eine sogenannte kinematische Schwimmwinkelgeschwindigkeit

Figure 00020001
bestimmt, die mittels einer linearen Differentialgleichung erster Ordnung gegeben ist. Als zweite Schwimmwinkelgeschwindigkeit wird eine aus einem Beobachterfahrzeugmodell stammende Größe für die Schwimmwinkelgeschwindigkeit β .Obs bestimmt. Das Beobachterfahrzeugmodell beruht hierbei ebenfalls auf linearen Differentialgleichungen erster Ordnung.From the DE 195 15 046 A1 A system for driving stability control is known wherein a slip angle is estimated by integrating an addition of two predetermined slip angle velocities. This is a so-called kinematic float angle velocity
Figure 00020001
determined by a first-order linear differential equation. As the second float angular velocity, a magnitude for the slip angle velocity β derived from an observer model of the vehicle becomes. Obs definitely. The observer vehicle model is also based on first order linear differential equations.

Aus der DE 100 59 030 A1 ist eine Vorrichtung zum Schätzen eines Fahrzeugseitenschlupfwinkels bekannt, wobei eine erste Fahrzeugseitenschlupfwinkelschätzvorrichtung S1 zum Schätzen eines Fahrzeugseitenschlupfwinkels und eine zweite Fahrzeugschlupfwinkelschätzvorrichtung S2 zum Schätzen eines Fahrzeugseitenschlupfwinkels auf Grundlage einer Fahrzeuggeschwindigkeit, der Fahrzeugquerbeschleunigung, der Gierrate und des Lenkwinkels und auch eines Fahrzeugbewegungsmodells vorgesehen ist. Dabei wird in Übereinstimmung mit einem Ergebnis einer Ermittlung einer Reifenlastermittlungsvorrichtung TR zwischen der Schätzung des Fahrzeugseitenschlupfwinkels durch die erste Schätzvorrichtung S1 und durch die zweite Schätzvorrichtung S2 gewechselt wird.From the DE 100 59 030 A1 An apparatus for estimating a vehicle side slip angle is known, wherein a first vehicle side slip angle estimator S1 for estimating a vehicle side slip angle and a second vehicle slip angle estimator S2 for estimating a vehicle side slip angle are provided based on a vehicle speed, vehicle lateral acceleration, yaw rate, and steering angle, and also a vehicle motion model. At this time, in accordance with a result of a determination of a tire load determining means TR, between the estimation of the vehicle side slip angle by the first estimator S1 and the second estimator S2 is changed.

Aus der EP 0 970 876 A2 ist es bekannt, dass ein erster Schlupfwinkel durch Integration einer Schlupfwinkelgeschwindigkeit ermittelt wird, wobei die Schlupfwinkelgeschwindigkeit durch ein nichtlineares 4-Rad-Bewegungsmodell des Fahrzeugs bestimmt wird. Ein zweiter Schwimmwinkel wird hierbei basierend auf einem linearen 2-Rad-Bewegungsmodell des Fahrzeugs bestimmt. Weiter wird offenbart, dass entweder der zweite Schwimmwinkel oder der erste Schwimmwinkel mittels einer Auswahlvorrichtung ausgewählt wird, wobei der zweite Schwimmwinkel verwendet wird, wenn ein Fahrzustand ein Zustand ist, indem das Fahrzeug mit geringer Geschwindigkeit geradeaus fährt. Der erste Schwimmwinkel wird gewählt, wenn das Fahrzeug sich in anderen Fahrzuständen befindet.From the EP 0 970 876 A2 It is known that a first slip angle is determined by integrating a slip angular velocity, the slip angular velocity being determined by a non-linear 4-wheel motion model of the vehicle. A second slip angle is determined based on a linear 2-wheel motion model of the vehicle. Further, it is disclosed that either the second slip angle or the first slip angle is selected by means of a selector, and the second slip angle is used when a running state is a state in which the vehicle is traveling straight at a low speed. The first float angle is selected when the vehicle is in other driving conditions.

Aus der EP 0 615 892 A2 ist es bekannt, dass ein Näherungswert für einen Schwimmwinkel basierend auf Vorderrad-Steuerungsinformationen und Bewegungsinformationen bestimmt wird. Weiter wird basierend auf einem neuronalen Netz ein Korrekturwert bestimmt, mit dem der Näherungswert korrigiert wird. From the EP 0 615 892 A2 It is known that an approximate value for a slip angle is determined based on front wheel control information and motion information. Further, based on a neural network, a correction value is determined by which the approximate value is corrected.

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: e = y – ylin wobei ylin über eine Messgleichung ylin = Czlin berechenbar ist.In another embodiment, the error e is defined by the deviation of a directly measurable measured variable y from its calculated value y lin : e = y - y lin where y lin is a measurement equation y lin = Cz lin is calculable.

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: β .nl = f(βnl,t) + H(βlin – βnl) In a preferred embodiment, the non-linear differential equation is extended by a state-dependent feedback. As a result of the feedback, the value β nl obtained by numerical integration is "filtered" by the value β lin calculated using the linear or linearized differential equation and thus counteracts the numerical problems of the integration: β. nl = f (β nl , t) + H (β lin - β nl )

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:

1: schematische Darstellung eines linearen Einspurmodells 1 : schematic representation of a linear one-track model

2: Blockschaltbild eines Schwimmwinkelbeobachters 2 : Block diagram of a swimming angle observer

1 zeigt ein lineares Einspurmodell eines Fahrzeugs mit Vorderachslenkung, wobei Räder der Vorderachse auf ein Rad 1 und Räder der Hinterachse auf ein Rad 2 reduziert sind. Der Schwerpunkt S des Fahrzeugs ist Ursprung eines x-y-z-Koordinatensystem. x1, x2 sind die Abstände der Räder 1, 2 von dem Schwerpunkt S. Stelleingriffsgröße für eine Vorderachslenkung ist ein Lenkwinkel δ1 an Rad 1. Der Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse 3 und der Richtung der Fahrgeschwindigkeit v ist der Schwimmwinkel β. Die Bewegung um die vertikale Fahrzeugachse z ist durch die Gierrate ψ . beschrieben. Die Schwimmwinkel an den Rädern 1, 2 sind somit

Figure 00070001
1 shows a linear Einspurmodell a vehicle with front axle steering, with wheels of the front axle to a wheel 1 and wheels of the rear axle on a wheel 2 are reduced. The center of gravity S of the vehicle is the origin of an xyz coordinate system. x 1 , x 2 are the distances of the wheels 1 . 2 from the center of gravity S. Actuating action variable for a front-axle steering is a steering angle δ 1 to Rad 1 , The angle between the vehicle's longitudinal axis 3 and the direction of the vehicle speed v is the slip angle β. The movement about the vertical vehicle axis z is due to the yaw rate ψ. described. The slip angles at the wheels 1 . 2 are thus
Figure 00070001

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: Fi = cα,iαi In vehicle transverse direction y, the lateral forces F 1 and F 2 engage the wheels. The forces F 1 and F 2 are determined via a skew stiffness c α, i and the slip angle α i : F i = c α, i α i

Die lineare Differentialgleichung für das in 1 dargestellte lineare Einspurmodell ohne Berücksichtigung nichtlinearer Reifeneffekte und/oder Effekte einer nichtlinearen Lenkübersetzung lautet:

Figure 00070002
Figure 00080001
dabei ist Jz das Massenträgheitsmoment um die z-Achse und m die Masse des Fahrzeugs.The linear differential equation for the in 1 illustrated linear one-track model without consideration of non-linear tire effects and / or effects of a non-linear steering ratio is:
Figure 00070002
Figure 00080001
where J z is the mass moment of inertia about the z axis and m is the mass of the vehicle.

2 zeigt das Blockschaltbild eines Schwimmwinkelbeobachters. Umfassend eine Recheneinheit 5, für eine Berechnung eines Schwimmwinkelwertes βnl durch eine numerische Integration, eine Recheneinheit 6, für die Ermittlung eines Schwimmwinkelwertes βlin durch Lösen einer linearen Differentialgleichung, und eine Recheneinheit 7, für eine Fusion des Schwimmwinkelwertes βnl mit dem berechneten Schwimmwinkelwert βlin zu einem Schätzwert β ^. Die Recheneinheiten sind entweder als separate Module oder als einheitliches Modul ausführbar. 2 shows the block diagram of a Schwimmwinkelbeobachter. Comprehensive one arithmetic unit 5 for a calculation of a float angle value β nl by a numerical integration, a computing unit 6 , for the determination of a floating angle value β lin by solving a linear differential equation, and a computing unit 7 , for a fusion of the float angle value β nl with the calculated float angle value β lin to an estimated value β ^. The computing units can be executed either as separate modules or as a single module.

Die Ermittlung des linearen Schwimmwinkelwertes βlin erfolgt unter Verwendung des in 1 dargestellten Einspurmodells unter Verwendung der Gleichung (1). Sollen weitere Effekte in der Ermittelung berücksichtigt werden, so ist die Gleichung entsprechend zu erweitern. Denkbar sind beispielsweise Erweiterungen um nichtlineare Reifenmodelle und/oder eine nichtlineare Lenkübersetzung. Die Gleichung (1) ist durch bekannte Verfahren analytisch lösbar. Der Recheneinheit 6 werden als Eingangsdaten mindestens die gemessenen und/oder ermittelten Werte der Fahrgeschwindigkeit v, der Gierrate ψ . und des Lenkeingriffs δ zugeführt. Ausgangsgrößen sind der lineare Schwimmwinkelwert βlin und ein Fehler e. Der Fehler e ist die Abweichung des in der Recheneinheit 5 berechneten Wertes ψ .lin von einem Messwert ψ .: e = ψ . – ψ .lin The determination of the linear float angle value β lin is carried out using the in 1 shown single track model using the equation (1). If further effects are to be considered in the determination, then the equation should be extended accordingly. Conceivable, for example, extensions to non-linear tire models and / or a non-linear steering ratio. The equation (1) is analytically solvable by known methods. The arithmetic unit 6 be at least the measured and / or determined values of the vehicle speed v, the yaw rate ψ as input data. and the steering engagement δ supplied. Output variables are the linear floating angle value β lin and an error e. The error e is the deviation of the in the arithmetic unit 5 calculated value ψ. lin from a reading ψ.: e = ψ. - ψ. lin

Der Recheneinheit 6 werden mindestens die gemessenen und/oder ermittelten Werte der Fahrzeuggeschwindigkeit v, der Quer- und Längsbeschleunigung ay, ax und der Gierrate ψ . zugeführt. Der nichtlineare Zusammenhang zwischen dem Schwimmwinkel β und diesen Messgrößen ist durch die folgende nichtlineare Differentialgleichung gegeben:

Figure 00080002
The arithmetic unit 6 At least the measured and / or determined values of the vehicle speed v, the transverse and longitudinal acceleration a y , a x and the yaw rate ψ. fed. The nonlinear relationship between the slip angle β and these measurands is given by the following nonlinear differential equation:
Figure 00080002

Der Recheneinheit 5 werden außerdem der berechnete Schwimmwinkelwert βlin und der Fehler e zugeführt. Die Bestimmung erfolgt durch numerische Integration der Gleichung

Figure 00090001
The arithmetic unit 5 In addition, the calculated float angle value β lin and the error e are supplied. The determination is made by numerical integration of the equation
Figure 00090001

Die fahrzustandsabhängige Rückführung ist abhängig von der Gültigkeit des linearen Modells. Dabei gilt: |e| → ∞ ⇒ H(e) = 0, e → 0 ⇒ H(e) → Hmax The driving state-dependent feedback depends on the validity of the linear model. Where: | E | → ∞ ⇒ H (e) = 0, e → 0 ⇒ H (e) → H max

In einer Recheneinheit 7 werden die getrennt ermittelten Werte des Schwimmwinkels βlin, βnl zu einem gemeinsamen Schätzwert β ^ verknüpft. Die Fusion der ermittelten Schwimmwinkelwerte zu einem Schwimmwinkelschätzwert erfolgt durch eine gewichtete Addition: β ^ = wβlin + (1 – w)βnl In a computing unit 7 the separately determined values of the slip angle β lin , β nl are combined to form a common estimated value β 1. The fusion of the determined slip angle values to a float angle estimate is done by a weighted addition: β 1 = wβ lin + (1-w) β nl

Die Gewichtung ist abhängig von der Gültigkeit des linearen Modells und wird daher derart gewählt, dass gilt: e → 0 ⇒ w = 1, |e| → ∞ ⇒ w = 0 The weight depends on the validity of the linear model and is therefore chosen such that: e → 0 ⇒ w = 1, | E | → ∞ ⇒ w = 0

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.

Claims (16)

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:
Figure 00100001
dadurch gekennzeichnet, dass die Gültigkeit der linearen oder linearisierten Differentialgleichung durch einen Fehler e bewertet wird und mindestens eine Gewichtung wi für eine Addition der Werte der Zustandsgrößen βi in Abhängigkeit des Fehlers e bestimmt wird.
Method for determining an estimated value β 1 of a non-directly measurable slip angle β in vehicles, wherein the slip angle β is 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 at an operating point is modeled by a linear or linear differential equation of the first order, wherein a value β lin is determined by solving the linear or linear differential equation, and to determine the Schwimmwinkelschätzwertes β ^ the solution β nl is at least linked to the determined value β lin by a merger wherein the fusion comprises a weighted addition of the values β i of the slip angle:
Figure 00100001
characterized in that the validity of the linear or linearized differential equation is evaluated by an error e and at least one weight w i for an addition of the values of the state variables β i is determined as a function of the error e.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Formulierung der linearen Differentialgleichung ein lineares Einspurmodell verwendet wird.A method according to claim 1, characterized in that a linear single-track model is used for the formulation of the linear differential equation. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Fahrzeuggeschwindigkeit v, die Quer- und Längsbeschleunigung ay, ax und die Gierrate ψ . direkt zugängliche Messgrößen sind.A method according to claim 2, characterized in that at least the vehicle speed v, the transverse and longitudinal acceleration a y , a x and the yaw rate ψ. directly accessible measurands are. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehler e aufgrund der Abweichung zwischen einer direkt messbaren Größe y und einer unter Verwendung der linearen oder linearisierten Differentialgleichung berechneten Größe ylin ermittelt wird: e = y – ylin.Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the error e is determined on the basis of the deviation between a directly measurable variable y and a quantity y lin calculated using the linear or linearized differential equation: e = y-y lin . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Fehlers e gefiltert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the value of the error e is filtered. Verfahren nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Differentialgleichung für die numerische Integration um eine zustandsabhängige Rückführung erweitert wird: β .nl = f(βnl,t) + H(βlin – βnl)Method according to one of the preceding claims, characterized in that the nonlinear differential equation for the numerical integration is expanded by a state-dependent feedback: β. nl = f (β nl , t) + H (β lin - β nl ) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung für die zustandsabhängige Rückführung H abhängig von dem Fehler e ist.A method according to claim 6, characterized in that the gain for the state-dependent feedback H is dependent on the error e. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Gewichtung wi und der Verstärkung H durch Fahrversuche ermittelt werden.A method according to claim 6 or 7, characterized in that the values of the weight w i and the gain H are determined by driving tests. Vorrichtung 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 Recheneinheit (5) zur Lösung βnl der nichtlinearen Differentialgleichung durch numerische Integration, wobei ein mindestens durch den Schwimmwinkel beschriebener Fahrzustand in einem Arbeitspunkt durch eine lineare oder linearisierte Differentialgleichung 1. Ordnung modellierbar ist, in einer Recheneinheit (6) ein Wert βlin durch Lösen der linearen oder linearisierten Differentialgleichung ermittelbar ist, und in einer Recheneinheit (7) der Schwimmwinkelschätzwertes β ^ durch eine Fusion der Lösung βnl mit mindestens dem ermittelten Wert βlin ermittelbar ist, wobei die Recheneinheit (7) eine gewichtete Addition der ermittelten Werte βi umfasst:
Figure 00110001
dadurch gekennzeichnet, dass in der Recheneinheit (6) die Gültigkeit der linearen oder linearisierten Differentialgleichung durch einen Fehler e bewertbar ist und in der Recheneinheit (7) mindestens eine Gewichtung wi für eine Addition der Werte βi in Abhängigkeit des Fehlers e bestimmbar ist.
Device 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 computing unit ( 5 ) to the solution β nl of the non-linear differential equation by numerical integration, wherein a driving state described at least by the slip angle can be modeled in an operating point by a linear or linearized differential equation of 1st order, in a computing unit ( 6 ) a value β lin can be determined by solving the linear or linearized differential equation, and in a computing unit ( 7 ) of the Schwimmwinkelschätzwertes β ^ can be determined by a fusion of the solution β nl with at least the determined value β lin , wherein the arithmetic unit ( 7 ) comprises a weighted addition of the determined values β i :
Figure 00110001
characterized in that in the arithmetic unit ( 6 ) the validity of the linear or linearized differential equation can be evaluated by an error e and in the arithmetic unit ( 7 ) at least one weight w i for an addition of the values β i as a function of the error e can be determined.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Formulierung der linearen Differentialgleichung ein lineares Einspurmodell verwendet wird.Apparatus according to claim 9, characterized in that a linear single-track model is used for the formulation of the linear differential equation. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch Sensor- und/oder Recheneinheiten mindestens die Fahrzeuggeschwindigkeit v, die Quer- und Längsbeschleunigung ay, ax und die Gierrate ψ . direkt ermittelbar sind.Apparatus according to claim 10, characterized in that at least the vehicle speed v, the transverse and longitudinal acceleration a y , a x and the yaw rate ψ by sensor and / or computing units. can be determined directly. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Recheneinheit (6) der Fehler e aufgrund der Abweichung zwischen einer direkt messbaren Größe y und einer unter Verwendung der linearen oder linearisierten Differentialgleichung berechneten Größe ylin ermittelbar ist: e = y – ylin. Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that in the arithmetic unit ( 6 ) the error e can be determined on the basis of the deviation between a directly measurable quantity y and a quantity y lin calculated using the linear or linearized differential equation: e = y - y lin . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (6) einen Filter des Fehlers e umfasst.Device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the arithmetic unit ( 6 ) includes a filter of error e. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Differentialgleichung für die numerische Integration in der Recheneinheit (5) um eine zustandsabhängige Rückführung erweiterbar ist: β .nl = f(βnl,t) + H(βlin – βnl) Device according to one of claims 9 to 13, characterized in that the non-linear differential equation for the numerical integration in the arithmetic unit ( 5 ) is expandable by a state-dependent feedback: β. nl = f (β nl , t) + H (β lin - β nl ) Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung für die zustandsabhängige Rückführung H abhängig von dem Fehler e ist.Apparatus according to claim 14, characterized in that the gain for the state-dependent feedback H is dependent on the error e. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Gewichtung wi und der Verstärkung H durch Fahrversuche ermittelbar sind.Apparatus according to claim 14 or 15, characterized in that the values of the weight w i and the gain H can be determined by driving tests.
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