DE10239254A1 - Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität, mit einem Fahrzeugreferenzmodell, in welchem aus den Bewegungsgleichungen des Modells, die das Kräftegleichgewicht in Querrichtung und das Momentengleichgewicht um die Schwerpunktachse wiedergeben, mindestens Referenzwerte für die Giergeschwindigkeit generiert werden. DOLLAR A Um eine Sollwert-Vorgabe für die Giergeschwindigkeit zu schaffen, die einem realen Bewegungsverhalten des Fahrzeugs entspricht und die eine genauere Fahrstabilitätsregelung (ESP) erlaubt, dass das Fahrzeugreferenzmodell auch die Querbeschleunigung und/oder Anteile der Querbeschleunigung derart berücksichtigt, dass der Referenzwert der Giergeschwindigkeit in Korrelation zu der Querneigung der Fahrbahn ermittelt und aus dem Vergleich der querneigungsabhängigen Referenzgröße als Sollwert der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs mit mittels einer fortlaufend gemessenen Ist-Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs Ansteuersignale zu einer Abweichung des jeweiligen Istwertes vom jeweils maßgeblichen Sollwert kompensatorisch beeinflussenden Aktivierung mindestens einer Radbremse des Fahrzeugs und/oder zur Reduzierung des Motorantriebsmoments erzeugt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität, mit einem Fahrzeugreferenzmodell, in welchem aus den Bewegungsgleichungen des Modells, die das Kräftegleichgewicht in Querrichtung und das Momentengleichgewicht um die Schwerpunktachse wiedergeben, mindestens Referenzwerte für die Giergeschwindigkeit generiert werden.
  • Aus der DE 195 15 059 A1 ist eine Regelschaltung zur Regelung der Fahrstabilität eines Fahrzeugs bekannt, bei der modellbasiert aus dem gemessenen Lenkwinkel und der Fahrgeschwindigkeit ein Referenzwert für die Giergeschwindigkeit ermittelt wird. Die Berechnung erfolgt in einem Einspurmodell auf Basis von Bewegungsgleichungen, die das Kräftegleichgewicht in Querrichtung und das Momentengleichgewicht um die Schwerpunktachse wiedergeben.
  • Bei diesem Fahrdynamikregelungssystem wird die Referenzgiergeschwindigkeit mit einem Einspurfahrzeugmodell wie folgt berechnet: Zuerst werden die Bewegungsgleichungen für die horizontale Ebene aufgestellt.
  • aym = ν(β + #) m = Flat,f + Flat,r #Θ = Flat,flf – Flat,rlr (1) Die Seitenkraft Flat,r der Hinterachse wird mit einem Linearreifenmodell berechnet: Flat,r = Crαr
  • Für die Berechnung der Seitenkraft Flat,f der Vorderachse wird ein abgeknicktes Linearreifenmodell (4) mit Begrenzung der maximalen Seitenkraft Flatmax,f verwendet. Der Knickpunkt von dem abgeschätzten Reibwert μest wird wie folgt bestimmt
    Figure 00020001
    Der entsprechende Reifenschräglaufwinkel αlim ist
    Figure 00020002
    Figure 00020003
  • Der maximal mögliche Reifenschräglaufwinkel αmax wurde experimental bestimmt und ist abhängig von dem Reibwert μest: αmax = k1 + k2∙μest (5)
  • Danach wird die Seitenkraft Flat,f der Vorderachse in Abhängigkeit von dem Reifenschräglaufwinkel αf wie folgt berechnet:
    Figure 00020004
  • Die Reifenschräglaufwinkel αf und αr werden mit der kinematischen Beziehung berechnet:
    Figure 00030001
  • Dabei wurden die Zustandsgrößen βref und #Mod aus der Gleichung (1) und die Messgröße δM sowie die Referenzgeschwindigkeit νref verwendet.
  • Setzt man die zwei Reifenseitenkräfte in die Gleichung (1) ein, ergeben sich die Bewegungsgrößen . ref und #Mod. Durch numerische Integration der Bewegungsgrößen βref und #Mod werden die Zustandsgrößen βref und #Mod berechnet. So lang diese berechnete Gierrate #Mod den maximal möglichen stabilen Grenzwert nicht überschreitet, wird sie als Referenzgiergeschwindigkeit #ref verwendet. Sonst wird eine Zurücksetzung der Zustandsgrößen βref und #Mod wie folgt durch geführt:
    Figure 00030002
    Bei der Berechnung von βset wurde die Gleichung (1) mit den Annahmen von . ref = 0 , #Mod = 0 und Flat,f – Fmax benutzt .
  • Um Fehlregelungen in den Steilkurven zu vermeiden, wird ein weiteres Verfahren zur Erkennung der Fahrbahnquerneigung (z.B. DE 195 38 616 A1 , EP 0 957 340 A2 , EP 0 957 339 A2 ) erforderlich. Dadurch können auf der einen Seite immer Fehlregelungen in den Steilkurven vorkommen und auf der anderen Seite nötige Regelungen auf einer ebenen Fahrbahn wegen fälschlicher Erkennung der Fahrbahnquerneigung nicht erfolgen oder zu spät erfolgen.
  • Bei der Zurücksetzung der Zustandsgrößen werden die Annahmen von . ref = 0, #Mod = 0 getroffen, welche manchmal falsch sind.
  • Dadurch werden große Sprünge für die Zustandsgröße βset verursacht. Dabei wird die Referenzgierrate für eine lange Zeit falsch berechnet und Fehlregelungen sind in solchen Situationen unvermeidlich.
  • Mit dem bekannten Verfahren für die Berechnung der Referenzgierrate ergeben sich somit folgende Probleme:
    • (a) Die Gleichung (1) gilt nur für Straßen ohne Querneigung. Deswegen ist die Referenzgierrate auf Fahrbahnen mit Querneigung nicht korrekt. Um die mögliche Fehlregelung in den Steilkurven zu vermeiden, ist eine weitere Maßnahme für die Erkennung der Fahrbahnquerneigung erforderlich. Bei erkannter Fahrbahnquerneigung werden die Regelschwellen entsprechend aufgeweitet. Dabei entstehen weitere Probleme:
    • (b) Wegen der unzuverlässigen und nicht rechtzeitigen Erkennung oder Berechnung der Querneigung können Fehlregelungen in den Steilkurven auftreten.
    • (c) Wegen der unzuverlässigen Berechnung der Querneigung wird die nötige Regelung auf den ebenen Fahrbahnen nicht oder zu spät aktiviert.
    • (d) Bei einer Erkennung der Steilkurven werden die Schwellen in den beiden Richtungen gleichmäßig aufgeweitet. Wegen der falschen Referenzgierrate in den Steilkurven wird die Regelung unsymmetrisch.
    • (e) Bei Zurücksetzung der Zustandsgrößen βref und #Mod gibt es manchmal einen großen Sprung von βset, weil die Annahmen von . ref = 0 und #Mod = 0 falsch sind. Dabei wird die Referenzgierrate für eine lange Zeit falsch berechnet, und Fehlregelungen sind in solchen Situationen unvermeidlich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität dahingehend zu verbessern, dass eine Sollwert-Vorgabe erzielt wird, die einem realen Bewegungsverhalten des Fahrzeugs entspricht und eine genauere Fahrstabilitätsregelung (ESP) erlaubt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, ein gattungsgemäßes Verfahren so auszubilden, dass das Fahrzeugreferenzmodell auch die Querbeschleunigung und/oder Anteile der Querbeschleunigung derart berücksichtigt, dass der Referenzwert der Giergeschwindigkeit in Korrelation zu der Querneigung der Fahrbahn ermittelt und aus dem Vergleich der querneigungsabhängigen Referenzgröße als Sollwert der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs mit mittels einer fortlaufend gemessenen Ist-Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs Ansteuersignale zu einer Abweichung des jeweiligen Istwertes vom jeweils maßgeblichen Sollwert kompensatorisch beeinflussenden Aktivierung mindestens einer Radbremse des Fahrzeugs und/oder zur Reduzierung des Motorantriebsmoments erzeugt werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe weiterhin dadurch gelöst, dass das Fahrzeugreferenzmodell auch die Querbeschleunigung und/oder Anteile der Querbeschleunigung derart berücksichtigt, dass der Referenzwert des Schwimmwinkels in Korrelation zu der Querneigung der Fahrbahn ermittelt und aus dem Vergleich der querneigungsabhängigen Referenzgröße als Sollwert des Schwimmwinkels des Fahrzeugs mit mittels einer fortlaufend ermittelten Ist-Schwimmwinkels des Fahrzeugs Ansteuersignale zu einer Abweichung des jeweiligen Istwertes vom jeweils maßgeblichen Sollwert kompensatorisch beeinflussenden Aktivierung mindestens einer Radbremse des Fahrzeugs und/oder zur Reduzierung des Motorantriebsmoments erzeugt werden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität gelöst, das als Referenzgröße die Giergeschwindigkeit und der Schwimmwinkel in dem Einspurmodell ermittelt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die besonderen Vorteile des neuen Verfahren gegenüber den Bekannten sind:
    • a) Das neue Verfahren hat die Querneigung der Fahrbahn in den Bewegungsgleichungen schon berücksichtigt. Damit ist die berechnete Referenzgröße auch für Fahrbahnen mit Querneigungen korrekt. Deswegen ist die bekannte Erkennung der Fahrbahnquerneigung nicht mehr nötig. Damit wird der Rechenaufwand reduziert.
    • b) Das neue Verfahren kann die Fehlregelungen in den Steilkurven deutlich reduzieren und die Regelungsqualität verbessern.
    • c) Das neue Verfahren braucht keine Schwellenaufweitung für die Gierrateregelung wegen einer erkannten Querneigung. Damit können Situationen vermieden werden, dass wegen vermeintlicher Erkennung einer Fahrbahnquerneigung und falscher Aufweiterung der Regelschwellen eine notwendige Regelung auf der ebenen Fahrbahn zu spät bzw. nicht erfolgt.
    • d) Mit einem Modell können die beiden wichtigsten Referenzgrößen für die Fahrdynamikregelungen gleichzeitig berechnet werden. Damit können mögliche Konflikte zwischen den beiden Regelgrößen vermieden werden.
    • e) Das neue Verfahren braucht die Annahmen von βref = 0 und #Mod = 0 für die Zurücksetzung der Zustandsgrößen nicht mehr, welche manchmal falsch sind und einen großen Sprung für die Zustandsgröße βset verursachen könnte. Dadurch kann die Regelqualität nach der Zurücksetzung der Zustandsgrößen verbessert werden.
    • f) Bei dem neuen Verfahren wird die Zustandsgröße βref nicht mehr durch die Integration von der Bewegungsgröße βref, sonder direkt nach Gleichung (19) oder (20) oder (21) berechet. Damit wird der Rechenaufwand reduziert und die Modellgenauigkeit verbessert.
  • Vorteilhaft ist die Berücksichtigung der Schwerkraft in den Fahrzeugbewegungsgleichungen für die Berechnung der Referenzgrößen. Dafür wird die gemessene Querbeschleunigung ay, M als Eingangsgröße benutzt. Dadurch sind die berechneten Referenzgrößen unabhängig von der Fahrbahnquerneigung immer korrekt. Deswegen ist eine zusätzliche Erkennung der Fahrbahnquerneigung und eine Regelschwellaufweiterung in den Steilkurven nicht mehr nötig. Damit werden Berechnungen und Applikation der Fahrzeugregelungen deutliche vereinfacht. Durch die Berücksichtigung der Schwerkraft in den Fahrzeugbewegungsgleichungen wird die Berechnung der Zustandsgröße βMod nach Gleichung (14) ebenfalls deutlich vereinfacht, da die Berechung der Bewegungsgröße βMod, und ihre Integration nicht mehr nötig ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die beiden Referenzgrößen mit dem gleichen Modell gleichzeitig berechnet werden, damit werden die möglichen Konflikten zwischen den beiden Regelgrößen vermieden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung der wesentlichen Größen eines Einspur-Fahrzeugmodells in einem Koordinatensystem nach der Erfindung
  • 2 eine schematische Darstellung des Schwerkraftanteils für die Fahrzeugbewegung
  • 3 eine schematische Darstellung der Anteile der gemessenen Querbeschleunigung
  • 4 eine schematische Darstellung eines Modells für die Reifenkraft an der Vorderachse
  • 5 ein Schema für die Berechnung der Referenzgrößen Es handelt sich um ein neues Verfahren für die Berechnung der Referenzgrößen von Giergeschwindigkeit und Schwimmwinkel für die Fahrzeugregelungen. Die Berechnung der Referenzgiergeschwindigkeit (auch Referenzgierrate genannt) ist gegenüber dem bekannten Verfahren eine Verbesserung, da die berechnete Referenzgierrate für alle möglichen Fahrbahnen geeignet ist. Die Berechnung des Referenzschwimmwinkels ist ein ganz neues Verfahren.
  • Dabei werden die Bewegungsgleichungen des Fahrzeuges in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem x, y und z aufgestellt, welches mit der z-Achse senkrecht zu der Fahrbahnebene und mit der y-Achse parallel zu der Querneigung steht (1). Unter Berücksichtigung des Schwerkraftanteils Fy,G in der y-Richtung lauten die Bewegungsgleichungen wie folgt: aym = Flat,f + Flat,r + Fy,G = Flat,flf – Flat, rlr ( 9 )
  • Der Schwerkraftanteil Fy,G ist von der Straßenquerneigung abhängig (2). Es gibt folgende Beziehung zwischen Fy,G und dem Fahrbahnquerneigungswinkel αQ Fy,G = -mg sin(αQ) (10)
  • In der Fahrstabilitätsregelung (ESP-System) wird die Querbeschleunigung mit einem Sensor gemessen. Die Messgröße wird mit ay, M bezeichnet, welche außerhalb der richtigen Fahrzeugbeschleunigung ay auch weitere Anteile ay , W und ay , G enthält, die durch Aufbauwankbewegung (3, Wankwinkel φ) und die Fahrbahnquerneigung verursacht sind. ay,M = ay + ay,W + ay,G ≈ ay + gsinφ + gsinαQ (11)
  • Der Wankwinkel φ lässt sich mit einem quasistationären Wankmodell abschätzen.
  • Figure 00100001
  • Kombiniert man den beiden Gleichungen ergibt sich folgende Beziehung mit der Vereinfachung φ ≈ sinφ
    Figure 00100002
    Dabei entspricht der Konstante kW dem Aufbauwankwinkel bei einer Stationärkreisfahrt mit ay,W = g.
  • Setzt man die Gleichungen (10) und (13) in die Gleichung (9) ein, dann ergeben sich die folgenden Bewegungsgleichungen: ay,M∙(1 – kW)∙m = Flat,f + Flat, r (14) und Flat,flf – Flat,rlr (15)
  • Für die Abschätzung der Schräglaufwinkel #f werden die Zustandsgrößen βref, old und #Mod vom letzten Rechenschritt und die Gleichung (7) benutzt:
    Figure 00110001
  • Je nach dem Zusammenhang zwischen dem abgeschätzten Schräglaufwinkel #f zu den Größen αlim aus Gleichung (4) und αmax aus Gleichung (5) wird das Modellstatus (Model-state) wie folgt definiert:
    Figure 00110002
  • Entsprechend werden die Reifenseitenkräfte mit den Gleichungen (2) und (6) unter Berücksichtigung von Gleichung (7) wie folgt berechnet:
    Figure 00110003
    und
  • Figure 00110004
  • Dabei wird die neu zu suchende Zustandsgröße βMod in den Gleichungen benutzt. Das Vorzeichen ± in der Gleichung (18) ist immer identisch mit dem Vorzeichen von #f. Setzt man die Gleichungen (18) und (19) in die Gleichung (14) ein, dann wird die neue Zustandsgröße βref wie folgt berechnet:
    • a) Für den Fall|#f| ≤ αlim, nämlich Mst = 1, gilt
      Figure 00120001
    • b) Für αlim < |#f| < αmax, also bei Mst = 2 gibt es
      Figure 00120002
    • c) Bei |#f| ≥ αmax ,d.h. bei Mst = 3 gilt
      Figure 00120003
  • Mit der neuen Zustandsgröße βMod werden die Reifenseitenkräfte Flat,f und Flat,r nach (18) und (19) berechnet . Setzt man die Reifenkräfte in die Gleichung (15) ein, dann ergibt sich die Gierbeschleunigung
    Figure 00120004
  • Die neue Zustandsgröße ΨMod wird durch die numerische Integration von ΨMod berechnet.
  • Figure 00130001
  • Falls die Zustandsgröße ΨMod den folgenden maximal möglichen stabilen Grenzwert Ψset
    Figure 00130002
    mit |#Mod| > #set (26) überschreitet, darin wird eine Zurücksetzung für die Referenzgierrate #ref durch geführt. Dann gilt: #Mod = sign(#Mod)∙#set (2)
  • Für die Zustandsgröße βMod wird ebenfalls eine Zurücksetzung wie folgt nach Gleichung (22) durchgeführt:
    Figure 00130003
    und βMod = βset (29)
  • Die Referenzgrößen βref und #ref lassen sich durch ein Tiefpass von den Zustandsgrößen βMod und #Mod wie folgt ableiten: βref = λbeta∙(βref,old – βMod) + βMod (30) #ref = λpsip∙(#ref,old – #Mod ) + #Mod (31)
  • Der Ablauf der Berechnung der Referenzgrößen nach dem neuen Verfahren ist in 5 mit einem Flussdiagramm dargestellt.
  • Weil der Einfluss der Fahrbahnquerneigung auf die Fahrzeugdynamik in den Bewegungsgleichungen (9) schon berücksichtigt ist, sind die Referenzgrößen βref und #ref auch für Fahrbahnen mit Querneigungen geeignet. Damit ist eine Aufweiterung der Regelschwellen für die Gierrateregelung in der Steilkurven nicht mehr nötig. Dadurch können möglichen Fehlregelungen vermieden werden.
  • Als Eingangsgrößen für das neue Verfahren ist neben dem Lenkwinkel δM, der Referenzgeschwindigkeit νref, dem abgeschätzten Reibwert μest auch die gemessene Querbeschleunigung ay,M erforderlich.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität, mit einem Fahrzeugreferenzmodell, in welchem aus den Bewegungsgleichungen des Modells, die das Kräftegleichgewicht in Querrichtung und das Momentengleichgewicht um die Schwerpunktachse wiedergeben, mindestens Referenzwerte für die Giergeschwindigkeit generiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugreferenzmodell auch die Querbeschleunigung und/oder Anteile der Querbeschleunigung derart berücksichtigt, dass der Referenzwert der Giergeschwindigkeit in Korrelation zu der Querneigung der Fahrbahn ermittelt und aus dem Vergleich der querneigungsabhängigen Referenzgröße als Sollwert der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs mit mittels einer fortlaufend gemessenen Ist-Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs Ansteuersignale zu einer Abweichung des jeweiligen Istwertes vom jeweils maßgeblichen Sollwert kompensatorisch beeinflussenden Aktivierung mindestens einer Radbremse des Fahrzeugs und/oder zur Reduzierung des Motorantriebsmoments erzeugt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzgröße in einem Einspurmodell ermittelt wird.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert der Giergeschwindigkeit durch die Auswertung der Bewegungsgleichungen aym = Flat,f + Flat,r + Fy,G #Θ = Flat,flf – Flat,rlr (9) mit dem von der Straßenquerneigung abhängigen Schwerkraftanteil Fy,G überprüft wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert der Giergeschwindigkeit durch die Auswertung der Beziehung zwischen Fy,G und dem Fahrbahnquerneigungswinkel αQ Fy,G = –mg sin(αQ) 1 ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert der Giergeschwindigkeit #Mod durch numerische Integration nach der Beziehung
    Figure 00160001
    unter Einbeziehung von
    Figure 00160002
    ermittelt wird.
  6. Verfahren zur Regelung der Fahrstabilität, mit einem Fahrzeugreferenzmodell, in welchem aus den Bewegungsgleichungen des Modells, die das Kräftegleichgewicht in Querrichtung und das Momentengleichgewicht um die Schwerpunktachse wiedergeben, Referenzwerte generiert werden dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugreferenzmodell auch die Querbeschleunigung und/oder Anteile der Querbeschleunigung derart berücksichtigt, dass der Referenzwert des Schwimmwinkels in Korrelation zu der Querneigung der Fahrbahn er mittelt und aus dem Vergleich der querneigungsabhängigen Referenzgröße als Sollwert des Schwimmwinkels des Fahrzeugs mit mittels einer fortlaufend ermittelten Ist-Schwimmwinkels des Fahrzeugs Ansteuersignale zu einer Abweichung des jeweiligen Istwertes vom jeweils maßgeblichen Sollwert kompensatorisch beeinflussenden Aktivierung mindestens einer Radbremse des Fahrzeugs und/oder zur Reduzierung des Motorantriebsmoments erzeugt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzgröße des Schwimmwinkels in einem Einspurmodell ermittelt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei |#f| ≥ αmax ,d.h. bei Mst = 3 der Schwimmwinkel nach der Beziehung
    Figure 00170001
    ermittelt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei |#f| ≤ αlim , nämlich Mst = 1 , der Schwimmwinkel nach der Beziehung
    Figure 00170002
    ermittelt wird. lO.Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei αlim < |#f| < αmax , also bei Mst = 2 der Schwimmwinkel nach der Beziehung
    Figure 00180001
    ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzgröße die Giergeschwindigkeit und der Schwimmwinkel in dem Einspurmodell ermittelt werden.
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