DE10247991A1

DE10247991A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Schwimmwinkels eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE10247991A1
Application number: DE10247991A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Arndt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-29
Also published as: JP2004138605A; US7058486B2; US20040128036A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Schwimmwinkels eines Kraftfahrzeugs, bei dem durch einen Gierratensensor die Gierrate des Kraftfahrzeugs ermittelt wird. DOLLAR A Der Kern der Erfindung besteht darin, dass DOLLAR A - die Richtung der Geschwindigkeit insbesondere im Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs durch eine Frequenzanalyse der durch einen im Kraftfahrzeug befindlichen GPS-Empfänger empfangenen Signale ermittelt wird und DOLLAR A - abhängig wenigstens von der Gierrate und der Richtung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs der Schwimmwinkel ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Schwimmwinkels eines Kraftfahrzeugs.
Aus der DE 100 08 550 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Bewegungsparameters eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei eine Steuerung zur Bestimmung insbesondere des aktuellen Geschwindigkeitsvektors und dem Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und dem Geschwindigkeitsvektor (Schwimmwinkel) unter Hinzuziehung eines Differenz-Navigationssystems (D-GPS) verwendet wird. Da das Differenz-Navigationssystem (D-GPS) erheblich genauere Positionsdaten liefert als ein in Kraftfahrzeugen eingesetztes ,normales' Navigationssystem, kann auch die Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors des Kraftfahrzeugs mit größerer Genauigkeit erfolgen. Dieses kann insbesondere auf glatter Fahrbahn, wenn das Kraftfahrzeug ins Schleudern gerät oder die Messdaten des Radsensors nicht mehr zuverlässig sind, relevant sein. In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die vom Navigationssystem gelieferten Daten auch zur Kontrolle und Überwachung der Sensordaten herangezogen werden. Bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes kann eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben werden.
In der DE 199 45 119 A1 wird ein Verfahren zum Navigieren eines bodengebundenen Fahrzeugs angegeben, bei dem eine Weglängengröße mit Hilfe der Umdrehungszahl eines Rades gemessen wird. Hierbei möchte man genauere Grundlagen für die Navigation verwenden können. Die Weglängengröße wird mit Hilfe von mindestens einem externen Positionsgeber kalibriert.
Aus der DE 197 48 127 A1 ist eine Navigationseinrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der neben anderen Ortsbestimmungsverfahren auch Koppelortung angewendet wird. Dabei ist zur Wegmessung für die Koppelortung ein vorzugsweise in die Navigationsrichtung eingebauter Beschleunigungssensor vorgesehen, dessen Ausgangssignal zweimal integriert wird. Außerdem kann zur Kursbestimmung für die Koppelortung ein Drehratensensor vorgesehen sein.
Die Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche gehen aus der DE 100 08 550 A1 hervor.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung des Schwimmwinkels eines Kraftfahrzeugs, bei dem durch einen Gierratensensor die Gierrate des Kraftfahrzeugs ermittelt wird.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass

– die Richtung der Geschwindigkeit insbesondere im Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs durch eine Frequenzanalyse der durch einen im Kraftfahrzeug befindlichen GPS-Empfänger empfangenen Signale ermittelt wird und
– abhängig wenigstens von der Gierrate und der Richtung Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs der Schwimmwinkel ermittelt wird.

Der Vorteil dieser Ermittlungsart besteht in ihrer hohen Genauigkeit, da das GPS-System die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit sowie deren Richtung mit einer sehr hohen Präzision ermittelt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass

– aus der über den GPS-Empfänger ermittelten Geschwindigkeit eine Winkelgeschwindigkeit ermittelt wird und
– die Winkelgeschwindigkeit in die Ermittlung des Schwimmwinkels eingeht.

Durch die Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit steht eine Größe zur Verfügung, welche dieselbe physikalische Dimension wie die Giergeschwindigkeit aufweist und dadurch mit dieser auf einfache Weise verknüpft und verglichen werden kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit die Drehgeschwindigkeit des die Geschwindigkeit beschreibenden Vektors beschreibt. Die Kenntnis der Drehgeschwindigkeit des die Geschwindigkeit beschreibenden Vektors vereinfacht die Bestimmung des Schwimmwinkels erheblich.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass

– die Differenz zwischen der Gierrate und der Winkelgeschwindigkeit ermittelt wird und
– der Schwimmwinkel aus dieser Differenz durch deren zeitliche Integration ermittelt wird.

Damit steht in vorteilhafter Weise zur Ermittlung des Schwimmwinkels ein einfaches und in einem Steuergerät leicht zu implementierendes Verfahren zur Ermittlung des Schwimmwinkels zur Verfügung.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der über das GPS-System ermittelten Geschwindigkeit durch Ausnutzung des physikalischen Doppler-Effekts ermittelt wird. Damit wird eine hohe Präzision der ermittelten Geschwindigkeit sichergestellt.
Die Vorrichtung zur Ermittlung des Schwimmwinkels eines Kraftfahrzeugs umfasst

– einen Gierratensensor zur Ermittlung der Gierrate (ωgier) des Kraftfahrzeugs. Der Kern der Vorrichtung besteht darin, dass zusätzlich
– ein im Kraftfahrzeug befindlicher GPS-Empfänger zur Ermittlung der Richtung der Geschwindigkeit insbesondere im Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs durch eine Frequenzanalyse der empfangenen Signale und
– Ermittlungsmittel, in denen wenigstens ausgehend von der Gierrate und der Richtung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs der Schwimmwinkel ermittelt wird

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus den 1 und 2.
1 zeigt den Ablauf des Verfahrens zur Bestimmung des Schwimmwinkels.
2 zeigt den Aufbau der Vorrichtung zur Bestimmung des Schwimmwinkels.
Ausführungsbeispiele
In der heutigen Zeit gewinnen Systeme, welche den Fahrzustand eines Fahrzeugs in fahrdynamischen Grenzsituationen (d.h. fahrdynamisch kritischen Situationen) stabilisieren, zunehmend an Bedeutung. Beispielsweise seien hier Antiblockiersysteme (ABS) und Fahrdynamikregelungssysteme (z.B. ESP = „Electronic Stability Program") genannt. Die Sensorik, auf die solche System zugreifen, sind im wesentlichen

– ein Gienatensensor,
– ein Querbeschleunigungssensor,
– Raddrehzahlsensoren,
– ein oder mehrere Bremsdrucksensoren und
– ein Lenkwinkelsensor.

Mittels dieser Sensoren wird

- der Fahrerwunsch ermittelt und
- der Bewegungszustand des Fahrzeugs bestimmt.

Der für die Fahrdynamik relevante Schwimmwinkel wird üblicherweise aus den von diesen Sensoren gelieferten Daten geschätzt. Dabei wird unter dem Schwimmwinkel der Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und der Richtung der Geschwindigkeit im Schwerpunkt des Fahrzeugs verstanden.
In der vorliegenden Erfindung wird der Schwimmwinkel mittels einer einzigen am Fahrzeug angebrachten GPS-Antenne und eines Gierratensensors ermittelt. Dabei kann der auf diese Art und Weise ermittelte Wert durchaus auch zur Stützung bzw. Korrektur des aus Sensordaten geschätzten Schwimmwinkels verwendet werden.
Über den Dopplereffekt (unter dem Dopplereffekt versteht man die Frequenzverschiebung bei einer Relativbewegung von Strahlquelle und Strahlempfänger zueinander) kann aus den GPS-Signalen die Relativgeschwindigkeit zwischen der am Fahrzeug angebrachten GPS-Antenne und dem entsprechenden GPS-Satelliten berechnet werden. Bei direktem Kontakt mit vier Satelliten kann über die GPS-Sensorik ein 3D-Geschwindigkeitsvektor (vx, vx, vz) mit einer Genauigkeit der Größenordnung 0.1 m/s bei einer Ermittlungsfrequenz von 10 Hz ermittelt werden. Die Ermittlung dieses Geschwindigkeitsvektors erfolgt dabei durch eine Frequenzanalyse, welche den durch die Fahrzeugbewegung auftretenden Dopplereffekt erfasst und auswertet. Im Gegensatz zu dieser hochpräzisen Geschwindigkeitsbestimmung ist dabei die Ortsbestimmung mittels eines GPS-Systems (es wird eine Genauigkeit der Größenordnung 10 m erreicht) weniger genau.
Es ist wesentlich, dass dabei der Geschwindigkeitsvektor im Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs (d.h. die Schwerpunktsgeschwindigkeit) ermittelt wird. Dies kann bei einem GPS-System (welches auf dem Empfang von durch Satelliten ausgesandten Signalen durch eine Antenne und deren Auswertung beruht) wenigstens auf zwei verschiedene Arten erreicht werden:

1. der GPS-Empfänger liegt in der durch den Fahrzeugschwerpunkt gehenden Hochachse des Fahrzeugs. Häufig liegt die durch den Fahrzeugschwerpunkt gehende Hochachse in der Nähe des Armaturenbretts. Deshalb bietet sich in diesen Fällen ein Einbau des GPS-Empfängers in das Armaturenbrett an. Ein weiterer geeigneter Einbauort für die GPS-Antenne ist die Kontaktlinie zwischen Frontscheibe des Fahrzeugs und Karosserie.
2. Im Falle, dass ein Einbau nahe dem Fahrzeugschwerpunkt nicht möglich ist, können die vom GPS-Empfänger ermittelten Geschwindigkeitskomponenten in den Schwerpunkt transformiert werden. Dies geschieht durch die Transformationsvorschriften vx_sp = vx + ωgier*Rx und vy_sp = vy – ωgier*Ry. Dabei sind vx_sp und vy_sp die Geschwindigkeitskomponenten im Fahrzeugschwerpunkt, vx und vy sind die Geschwindigkeitskomponenten am Einbauort der GPS-Antenne und ωgier ist die beispielsweise mit einem Gienatensensor ermittelte Gierrate des Kraftfahrzeugs. Rx bzw. Ry kennzeichnen den Abstand in Längs- bzw. Querrichtung des GPS-Empfängers vom Fahrzeugschwerpunkt. Sind die Korrekturterme ωgier*Rx und ωgier*Ry viel kleiner als vx bzw. vy, dann können sie häufig vernachlässigt werden.

Im Folgenden wird die Projektion dieses 3D-Geschwindigkeitsvektors auf die x-y-Ebene betrachtet, die Geschwindigkeitskomponente in z-Richtung (vz) wird vernachlässigt. Bei einer konstanten Geradeausfahrt ändert der Vektor weder seinen Betrag noch seine Richtung. Bei einer unkritischen Kurvenfahrt mit konstanter Geschwindigkeit dreht sich dieser Vektor in der x-y-Ebene mit der Winkelgeschwindigkeit ωgps mit dem Fahrzeug. Im Fahrzeug selbst wird in dieser Situation mit dem Gierratenssensor eine Gierrate ωgiermess gemessen.
Dabei haben die Größen ωgps und ωgiermess die folgende anschauliche Bedeutung:

ωgps: Diese Größe gibt die Winkelgeschwindigkeit an, mit der sich der Geschwindigkeitsvektor des Fahrzeugschwerpunktes dreht.
ωgiermess: Diese Größe gibt die mit dem Gienatensensor des Fahrzeugs gemessene Gierrate an, d.h. die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich die Fahrzeuglängsachse dreht.

Die im Fahrzeug gemessene Gierrate ωgiermess stimmt bei einer ebenen Fahrbahn mit ωgps überein, solange kein Schwimmwinkel aufgebaut wird. Weichen die beiden Größen jedoch voneinander ab, dann entspricht die Differenz der zeitlichen Ableitung des Schwimmwinkels, d.h. der Änderung des Schwimmwinkels dβ dividiert durch das Zeitintervall dt: dβ/dt = ωgier – ωgps.
Bei der Größe wgier handelt es sich dabei um den bzgl. Genauigkeit, Empfindlichkeit und Querneigung der Fahrbahn konigierten Wert von ωgiermess. Näheres dazu wird bei der Beschreibung von 1 ausgesagt.
Durch die zeitliche Integration der Größe dβ/dt erhält man den Schwimmwinkel: β = ∫(ωgier – ωgps)dt.
„∫" kennzeichnet dabei das Integralsymbol.
Der Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Schwimmwinkel ist in 1 dargestellt.
Dabei wird in Block 101 mit dem Gierratensensor die Gierrate ωgiermess gemessen. Diese Größe wird dem Verknüpfungsblock 103 zugeführt. In Block 103 wird die Differenz ωgiermess – ωgieroff gebildet. Dabei kennzeichnet ωgieroff den durch Block 102 bereitgestellten Offsetwert der durch den Gienatensensor gemessenen Gierrate. Das Ausgangssignal von Block 103 wird dem weiteren Verknüpfungsblock 104 zugeleitet. In diesem Block findet eine Multiplikation ωgiersens*(ωgiermess – ωgieroff) statt.
ωgiersens ist dabei eine durch Block 105 bereitgestellte dimensionslose Größe und kennzeichnet die Empfindlichkeit des Gierratensensors. Das Ergebnis von Block 104 wird Block 106 weitergeleitet. In Block 106 wird der seitliche Neigungswinkel α der Fahrbahn bereitgestellt.
Das Ergebnis von Block 106 wird an Block 107 weitergeleitet.
In Block 107 wird die gemessene Gierrate bzgl. der Seitenneigung der Fahrbahn korrigiert. Das hängt damit zusammen, dass bei einer seitlich geneigten Fahrbahn der Gierratensensor nicht die physikalisch vorliegende Gierrate ermittelt, sondern einen zu kleinen Wert.
Die Korrektur in Block 107 lautet: ωgier = ωgiersens*(ωgiermess – ωgieroff)/cos(α).
An dieser Stelle soll betont werden, dass die Funktion der Blöcke 102, 103, 104 und 105 lediglich in der Korrektur der gemessenen Gierrate ωgiermess bzgl. Offset und Empfindlichkeit besteht.
In Block 108 werden über das GPS-System die Geschwindigkeitskomponenten vx und vy ermittelt. Dies geschieht durch Ausnutzung des Dopplereffekts, welcher den Zusammenhang zwischen einer Frequenzänderung und einer Relativbewegung zwischen Strahlsender und Strahlempfänger beschreibt.
Die Ausgangssignale der Blöcke 107 (ωgier) und 109 (ωgps) werden Block 110 zugeführt. In Block 110 wird die Differenz ωgier – ωgps gebildet. Diese Differenz wird an Block 111 weitergeleitet, dort wird ihr der Wert ihr der Wert dβ/dt zugewiesen.
Anschließend an Block 111 wird in Block 112 die Größe dβ zeitlich integriert (bzw. aufsummiert) und damit steht in Block 112 der Schwimmwinkel β zur Verfügung.
Der Aufbau der Vorrichtung zur Bestimmung des Schwimmwinkels ist in 2 dargestellt.
Dabei kennzeichnet Block 201 einen Gienatensensor, welcher die Gierrate ωgiermess bzw. ωgier ermittelt. Weiter kennzeichnet Block 202 ein GPS-System zum Empfang der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs nach Betrag und Richtung. Die Ausgangssignale dieser beiden Blöcke werden den Ermittlungsmitteln 203 zugeführt. In Block 203 wird der Schwimmwinkel ermittelt. Der Schwimmwinkel wird an Block 204 weitergeleitet. Bei Block 204 handelt es sich beispielsweise um

– ein Fahrdynamikregelungssystem, welches dann beispielsweise wiederum Bremsaktuatoren ansteuert oder
– ein Rückhaltesystem, bei dem beispielsweise die Auslöseschwellen von reversiblen Gurtstraffern reduziert werden oder
– um ein System der prädiktiven Fahrdynamikregelung (z.B. ACC = „Active Cruise Control").

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Schwimmwinkels (β) eines Kraftfahrzeugs, bei dem – durch einen Gierratensensor die Gierrate (ωgier) des Kraftfahrzeugs ermittelt wird (101), dadurch gekennzeichnet, dass – die Richtung der Geschwindigkeit (v) insbesondere im Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs durch eine Frequenzanalyse der durch einen im Kraftfahrzeug befindlichen GPS-Empfänger empfangenen Signale ermittelt wird (108) und – abhängig wenigstens von der Gierrate (ωgier) und der Richtung der Geschwindigkeit (v) des Kraftfahrzeugs der Schwimmwinkel (β) ermittelt wird (112).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – aus der über den GPS-Empfänger ermittelten Richtung der Geschwindigkeit (v) eine Winkelgeschwindigkeit (ωgps) ermittelt wird und – die Winkelgeschwindigkeit (ωgps) in die Ermittlung des Schwimmwinkels (β) eingeht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Winkelgeschwindigkeit (ωgps) die Drehgeschwindigkeit des die Geschwindigkeit (v) beschreibenden Vektors beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Differenz zwischen der Gierrate (ωgier) und der Winkelgeschwindigkeit (ωgps) ermittelt wird und – der Schwimmwinkel (β) aus dieser Differenz durch deren zeitliche Integration ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Richtung der Geschwindigkeit (v) auf der Ausnutzung des physikalischen Doppler-Effekts beruht.
Vorrichtung zur Ermittlung des Schwimmwinkels (β) eines Kraftfahrzeugs, welche – einen Gierratensensor (201) zur Ermittlung der Gierrate (ωgier) des Kraftfahrzeugs enthält, dadurch gekennzeichnet, dass – ein im Kraftfahrzeug befindlicher GPS-Empfänger (202) zur Ermittlung der Richtung der Geschwindigkeit (v) insbesondere im Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs durch eine Frequenzanalyse der empfangenen Signale und – Ermittlungsmittel (203), in denen wenigstens ausgehend von der Gierrate (ωgier) und der Richtung der Geschwindigkeit (v) des Kraftfahrzeugs der Schwimmwinkel (β) ermittelt wird enthalten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungsmittel (203) so ausgestaltet sind, dass in ihnen – aus der über den GPS-Empfänger (202) ermittelten Geschwindigkeit (v) eine Winkelgeschwindigkeit (ωgps) ermittelt wird und – die Winkelgeschwindigkeit (ωgps) in die Ermittlung des Schwimmwinkels (β) eingeht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Winkelgeschwindigkeit (ωgps) die Drehgeschwindigkeit des die Geschwindigkeit (v) beschreibenden Vektors beschreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungsmittel (203) so ausgestaltet sind, dass in ihnen – die Differenz zwischen der Gierrate (ωgier) und der Winkelgeschwindigkeit (ωgps) ermittelt wird und – der Schwimmwinkel (β) aus dieser Differenz durch deren zeitliche Integration ermittelt wird.