DE10254211A1 - Gier-Stabilitätssteuersystem mit Roll-Stabilitätssteuerfunktion - Google Patents

Gier-Stabilitätssteuersystem mit Roll-Stabilitätssteuerfunktion

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Abstract

Gierstabilitätssteuersystem mit Rollstabilitätssteuerfunktion für ein Kraftfahrzeug und mit einer Mehrzahl von Sensoren (28 bis 39), welche die Dynamikbeschaffenheiten des Fahrzeuges erfassen. Die Sensoren können aufweisen einen Geschwindigkeitssensor (20), einen Lateralbeschleunigungssensor (32), einen Giergeschwindigkeitssensor (28) und einen Longitudinalbeschleunigungssensor (36). Der Regler (26) ist gekoppelt an den Geschwindigkeitssensor (20), den Lateralbeschleunigungssensor (32), den Giergeschwindigkeitssensor (28) und einen Longitudinalbeschleunigungssensor (36). Der Regler (26) erzeugt sowohl ein Gierstabilitätssteuersignal und ein Rollstabilitätssteuersignal. Die Priorität, ob eine Gierstabilitätssteuerung oder eine Rollstabilitätssteuerung erzielt wird, wird durch eine Prioritätsbestimmungslogik bestimmt. Wenn ein mögliches Überschlagsereignis erfasst wird, bekommt die Rollstabilitätssteuerung Priorität. Der Regler für die Rollstabilitätssteuerfunktion bestimmt einen Rollwinkel des Fahrzeuges von dem Lateralbeschleunigungssensorsignal und berechnet das Steuersignal, welches auf dem Rollwinkel basiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein einen Steuerapparat zum Steuern eines System eines Kraftfahrzeuges als Antwort auf ein mit Sensoren erfasstes Dynamikverhalten und insbesondere ein Verfahren und einen Apparat zum Steuern der Gier- und Roll- Bewegung eines Fahrzeuges.
  • Dynamiksteuersysteme für Kraftfahrzeuge sind in jüngerer Zeit auf unterschiedliche Produkte angeboten worden. Dynamiksteuersysteme steuern typischerweise die Fahrzeuggier durch Steuern des Bremseinsatzes an unterschiedlichen Rädern des Fahrzeuges. Gier-Steuersysteme vergleichen typischerweise die gewünschte Richtung des Fahrzeuges, welche auf dem Lenkradwinkel basiert, mit der Fahrtrichtung. Durch Einstellen des Bremsbetrages an jeder Fahrzeugecke kann die gewünschte Fahrtrichtung beibehalten werden. Typischerweise adressieren die Dynamiksteuersysteme kein Fahrzeugrollen. Insbesondere für hohe Fahrzeugprofile wäre es wünschenswert, die Fahrzeugüberrollcharakteristik zu steuern, um die Fahrzeugposition bezüglich der Straße beizubehalten. D. h., es ist wünschenswert, einen Kontakt eines jeden der vier Fahrzeugreifen auf der Straße beizubehalten.
  • In einer Fahrzeugrollstabilitätssteuerung ist es erwünscht, die Haltung des Fahrzeugs so zu ändern, dass seine Bewegung entlang der Rollrichtung daran gehindert wird, eine vorbestimmte Grenze zu erreichen mittels der Betätigung der verfügbaren Aktivsysteme wie z. B. steuerbares Bremssystem, Lenksystem und Aufhängesystem. Obgleich die Fahrzeughaltung gut definiert ist, ist eine direkte Messung üblicherweise unmöglich.
  • Existierende Gier-Stabilitätssteuersysteme können helfen, ein Fahrzeug am Ausbrechen zu hindern, und können daher das Potential des Fahrzeugs, eine Seitenkollision mit einem Hindernis zu haben, indirekt reduzieren, infolgedessen die Wahrscheinlichkeit eines Überschlags reduziert wird. Aufgrund unterschiedlicher Steuerziele für Gier-Stabilität und Roll- Stabilität verbessert jedoch das Standard- Gierstabilitätssteuersystem nicht direkt oder automatisch eine Fahrzeugrollstabilität. Fahrzeugtests haben gezeigt, dass das Standard-Gierstabilitätssteuersystem auf viele Überschlagsereignisse von Straßenfahrzeugen nicht korrekt reagiert. Ein Grund ist, dass das Gierstabilitätssteuersystem vorgesehen ist, sowohl das Untersteuern als auch das Übersteuern des Fahrzeuges zu regulieren, so dass während des Fahrens auf einer Straße mit abnormalen Oberflächenbeschaffenheiten das Fahrzeug noch von einem Fahrer gesteuert werden kann, welcher seine Fahrfertigkeiten verwendet, welche für normale Straßenoberflächenbeschaffenheiten entwickelt sind. Das Rollstabilitätssteuersystem erfordert jedoch, das Fahrzeuguntersteuern während der erfassten aggressiven Fahrbeschaffenheiten, welche zur Fahrzeugrollinstabilität beitragen können, zu verstärken. Absichtlich das Fahrzeug untersteuern zu lassen (wie für Rollstabilitätssteuerung gefordert) und absichtlich das Fahrzeug neutralsteuern zu lassen (wie für Gierstabilitätssteuerung gefordert) sind zwei unterschiedliche Ziele. Es ist jedoch zu beachten, dass, wenn ein Beinaheüberschlagsereignis durch ein aggressives Übersteuern verursacht ist, das Gierstabilitätssteuersystem helfen kann, eine Rollstabilität zu verbessern aufgrund der Tatsache, dass sie das Fahrzeug auf Neutralsteuern bringt, so dass der Fahrzeugübersteuerbetrag reduziert wird.
  • Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Gierstabilitätssteuersystem zu schaffen, so dass die traditionelle Gierstabilitätsfunktion erhalten bleibt, und zur gleichen Zeit das System direkt und korrekt auf mögliche Fahrzeugüberschlagsereignisse reagiert.
  • Die Erfindung ist besonders geeignet, zu einem Fahrzeug eine Rollstabilitätssteuerfähigkeit in das Standard- Gierstabilitätssteuersystem hinzuzufügen. Diese Rollstabilitätssteuerfunktion kann auf zwei Arten implementiert werden. Das System kann erstens als eine entfernbare selbstständige Funktion, oder zweitens, als eine mit der Gierstabilitätssteuerstrategie integrierte Funktion ausgebildet sein.
  • In einem Aspekt der Erfindung hat ein Steuersystem für ein Kraftfahrzeug einen Giergeschwindigkeitssensor, von welchem korrespondierend zu einer Gierwinkelbewegung der Fahrzeugkarosserie ein Giergeschwindigkeitssignal erzeugt wird, einen Lateralbeschleunigungssensor, welcher korrespondierend zu einer Lateralbeschleunigung eines Fahrzeugkarosserieschwerpunktes ein Lateralbeschleunigungssignal erzeugt, einen Lenkwinkelsensor, welcher korrespondierend zu einem Handradwinkel ein Lenkwinkelsignal erzeugt, und vier Radgeschwindigkeitssensoren, von welchen Radgeschwindigkeitssignale erzeugt werden, die zu jeder Rotationsgeschwindigkeit jedes der vier Räder des Fahrzeugs korrespondieren. Eine Gierstabilitätssteuereinheit und eine Rollstabilitätssteuereinheit sind gekoppelt mit dem Giergeschwindigkeitssensor, dem Lateralbeschleunigungssensor, dem Lenkradwinkelsensor, und den Winkelgeschwindigkeitssensoren. Die Gierstabilitätssteuereinheit und die Rollstabilitätssteuereinheit bestimmen ein Giersteuersignal bzw. ein Überschlagssteuersignal von dem Gierwinkelgeschwindigkeitssignal, dem Lateralbeschleunigungssignal, dem Lenkradwinkelsignal, und dem Geschwindigkeitssignal. Eine Integrationseinheit ist mit der Gierstabilitätssteuereinheit und der Rollstabilitätssteuereinheit gekoppelt. Die Integrationseinheit bestimmt ein Sicherheitsvorrichtungssteuersignal als Antwort auf das Giersteuersignal und das Überschlagssteuersignal.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Kraftfahrzeugsteuerungsverfahren auf: Messen einer Lateralbeschleunigung der Kraftfahrzeugkarosserie, Messen der Giergeschwindigkeit der Fahrzeugkarosserie, Messen einer Fahrzeuggeschwindigkeit, welche normalerweise eine Funktion der Radgeschwindigkeitssensorsignale und einiger berechneter Größen ist, welche als Standardvariablen in einem Gierstabilitätssteuersystem verwendet werden, Messen einer Lenkradwinkelposition eines Fahrzeughandrades, Bestimmen eines Giersteuersignals und eines Rollstabilitätssteuersignals als eine Funktion der Lateralbeschleunigung, der Giergeschwindigkeit, des Lenkradwinkels und der Fahrzeuggeschwindigkeit.
  • Weil die Rollstabilitätsfunktion für Straßenfahrzeuge durch ein hinzugefügtes Steuersystem erzielt wird, gibt es vorteilhafterweise keine Hardwareänderung oder Steuerstrukturänderung für die Gierstabilitätssteuerung. Die Rollstabilitätssteuerfunktion könnte auch von dem Standard- Gierstabilitätssteuersystem durch einen dazu vorgesehenen Schalter ausgeschaltet werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeuges mit variablen Vektor- und Koordinatenkreuzen gemäß der Erfindung;
  • Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Stabilitätssteuersystems gemäß der Erfindung;
  • Fig. 3 ein Blockdiagramm des Reglers von Fig. 2;
  • Fig. 4 ein Blockdiagramm der Rollstabilitätssteuereinheit von Fig. 3;
  • Fig. 5 ein Blockdiagramm der Funktionsprioritäts- und Integrationseinheit von Fig. 3;
  • Fig. 6 ein Bestimmungsflussdiagramm gemäß der Erfindung.
  • In den folgenden Figuren werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Komponenten zu identifizieren. Die Erfindung wird vorzugsweise in Verbindung mit einem existierenden Gierstabilitätssteuersystem verwendet, auf welches die Funktionalität des Rollstabilitätssteuersystems für ein Fahrzeug gewünscht ist. Zusätzlich kann die Erfindung auch mit einem Entfaltungssystem wie z. B. einem Airbag verwendet werden. Die Erfindung wird nachfolgend hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen besprochen, welche sich auf ein Kraftfahrzeug beziehen, welches sich in einem dreidimensionalen Straßengelände bewegt.
  • Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Kraftfahrzeug 10 mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung mit daran angreifenden unterschiedlichen Kräften und Momenten illustriert. Das Fahrzeug 10 hat ein rechtes Vorderrad 12a und ein linkes Vorderrad 12b und ein rechtes Hinterrad 13a und ein linkes Hinterrad 13b. Das Fahrzeug 10 kann auch eine Anzahl unterschiedlicher Arten von vorderen Lenksystemen 14a und hinteren Lenksystemen 14b haben, wobei jedes Vorder- und Hinterrad mit einem jeweiligen regelbaren Aktuator konfiguriert ist, die Vorder- und Hinterräder ein konventionelles System haben, in welchem beide Vorderräder zusammen gesteuert und beide Hinterräder zusammen gesteuert werden, ein System mit konventioneller vorderer Lenkung und unabhängig steuerbarer hinter Lenkung für jedes der Räder oder umgekehrt. Allgemein hat das Fahrzeug ein Gewicht, welches mit m.g im Schwerpunkt des Fahrzeuges repräsentiert ist, wobei g = 9,8 m/s2 und m die Gesamtmasse des Fahrzeuges ist.
  • Wie oben erwähnt wird die Erfindung vorzugsweise verwendet, um einfach und kostengünstig ein Rollstabilitätssteuersystem innerhalb eines Gierstabilitätssteuersystems zu implementieren, welches Bremsen zur Giersteuerung verwendet. Das System kann jedoch auch verwendet werden mit Aktiv- /Halbaktiv-Aufhängesystemen, Drehstabstabilisatoren oder anderen Sicherheitsvorrichtungen, welche entfaltet oder aktiviert werden aufgrund des Erfassens von vorbestimmten dynamischen Fahrzeugbeschaffenheiten.
  • Das Erfassungssystem 16 ist an ein Steuersystem 18 gekoppelt. Das Erfassungssystem 16 verwendet vorzugsweise einen Gierstabilitätssteuersensorsatz, welcher aufweist einen Lateralbeschleunigungssensor, einen Giergeschwindigkeitssensor, einen Lenkwinkelsensor und Radgeschwindigkeitssensoren. Ein Rollgeschwindigkeitssensor und ein Longitudinalbeschleunigungssensor kann auch verwendet werden, weil aber die Erfindung als ein Zusatz zu einem Gierstabilitätssteuersystem vorgesehen ist, werden keine weiteren Sensoren benötigt. Zusätzliche Sensoren können jedoch für Bestätigungszwecke verwendet werden, falls erwünscht. Die unterschiedlichen Sensoren werden unten weiter beschrieben. Die Radgeschwindigkeitssensoren 20 sind an jeder Ecke des Fahrzeugs montiert, und der Rest der Sensoren des Erfassungssystems 16 ist vorzugsweise direkt im Schwerpunkt der Fahrzeugskarosserie montiert, entlang der Richtungen x, y und z, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Winkelgeschwindigkeiten der Fahrzeugkarosserie sind an ihren jeweiligen Achsen mit ωx für die Rollgeschwindigkeit, ωy für die Nickgeschwindigkeit und ωw für die Giergeschwindigkeit bezeichnet.
  • Die Winkelgeschwindigkeitssensoren und die Beschleunigungssensoren sind auf der Fahrzeugskarosserie entlang des Karosserierahmens der Referenzrichtungen korrespondierend zu den x-y-z-Achsen der gefederten Masse des Fahrzeugs montiert.
  • Der Longitudinalbeschleunigungssensor ist auf der Fahrzeugkarosserie im Schwerpunkt mit seiner Erfassungsrichtung entlang der x-Achse montiert, wobei seine Ausgangsgröße mit ax bezeichnet ist. Der Lateralbeschleunigungssensor ist auf der Fahrzeugkarosserie im Schwerpunkt mit seiner Erfassungsrichtung entlang der y-Achse montiert, wobei seine Ausgangsgröße mit ay bezeichnet ist.
  • Mit Bezug auf Fig. 2 ist ein Steuersystem 18 genauer illustriert, mit einem Regler 26, welcher verwendet wird zum Empfangen von Informationen von einer Anzahl von Sensoren, welche aufweisen können einen Giergeschwindigkeitssensor 28, einen Geschwindigkeitssensor 20, einen Lateralbeschleunigungssensor 32, einen Rollgeschwindigkeitssensor 34, einen Lenkwinkelsensor (Handradposition) 35, einen Longitudinalbeschleunigungssensor 36, einen Nickgeschwindigkeitssensor 37 und einen Lenkwinkelaktuatorpositionssensor 39.
  • In der bevorzugten Ausführungsform werden nur der Giergeschwindigkeitssensor 28, Lateralbeschleunigungssensor 32, Lenkradwinkelsensor 35, und Geschwindigkeitssensor 20 verwendet. D. h., die illustrierten verbleibenden Sensoren sind nicht erforderlich, können aber verwendet werden, um robustere Implementationen zu bilden und/oder die Messungen der anderen Sensoren zu bestätigen.
  • In der bevorzugten Ausführungsform werden die Sensoren im Fahrzeugschwerpunkt angeordnet. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, das die Sensoren auch außerhalb des Schwerpunktes angeordnet und äqivalent dazu übersetzt werden können.
  • Lateralbeschleunigung, Rollorientierung und Rollgeschwindigkeit können erzielt werden, indem ein globales Positioniersystem (GPS) verwendet wird. Basierend auf Eingaben von den Sensoren kann der Regler 26 eine Sicherheitsvorrichtung 38 steuern. In Abhängigkeit von der gewünschten Sensitivität des Systems und unterschiedlichen anderen Faktoren brauchen nicht alle Sensoren 28 bis 39 in einer kommerziellen Ausführungsform verwendet werden. Die Sicherheitsvorrichtung 38 kann steuern: einen Airbag 40, ein Aktivbremssystem 41, ein Aktivfrontlenksystem 42, ein Aktivhecklenksystem 43, ein Aktivaufhängungssystem 44, und ein Aktivdrehstabstabilisatorsystem 45 oder Kombinationen dieser Systeme. Jedes der Systeme 40 bis 45 kann seinen eigenen Regler haben, um jedes der Räder zu aktivieren.
  • Rollgeschwindigkeitssensor 34 und Nickgeschwindigkeitssensor 37 können die Rollbeschaffenheit des Fahrzeuges erfassen, welche auf dem Erfassen der Höhe von einem oder mehreren Punkten des Fahrzeugs relativ zur Straßenoberfläche basiert.
  • Sensoren, welche verwendet werden können, um dies zu erreichen, weisen auf einen radarbasierten Abstandssensor, einen laserbasierenden Abstandssensor und einen sonarbasierenden Abstandssensor.
  • Rollgeschwindigkeitssensor 34 und Nickgeschwindigkeitssensor 37 können auch die Rollbeschaffenheit erfassen, welche basiert auf dem Erfassen des Linear- oder Rotationsrelativversatzes oder einer Versatzgeschwindigkeit von einer oder mehreren der Aufhängungs-Fahrgestellkomponenten, welche aufweisen können einen Linearhöhen- oder Fahrtsensor, einen Rotationshöhen- oder Fahrtsensor, einen Radgeschwindigkeitssensor, welcher verwendet wird, um eine Geschwindigkeitsänderung zu erfassen, einen Lenkradpositionssensor, einen Lenkradgeschwindigkeitssensor und eine fahrergesteuerte Befehlseingabe von einer elektronischen Komponente, welche ein Drahtlenken aufweisen kann, wobei ein Handrad oder ein Steuerknüppel verwendet wird.
  • Die Rollbeschaffenheit kann auch erfasst werden durch Erfassen der Kraft oder des Drehmomentes, assoziiert mit der Lastbeschaffenheit von einer oder mehreren Aufhängungskomponenten oder Fahrgestellkomponenten, welche aufweisen einen Druckmesswandler in einer Aktivluftaufhängung, einen Stoßabsorbersensor, wie z. B. eine Lastzelle, einen Dehnungsmessstreifen, die absolute oder relative Motorlast des Lenksystems, den Lenksystemsdruck der Hydraulikleitungen, einen Radlateralkraftsensor oder -sensoren, einen Longitudinalradkraftsensor, einen Vertikalradkraftsensor oder einen Radseitenwandtorsionssensor.
  • Die Rollbeschaffenheit des Fahrzeugs kann etabliert sein durch eine oder mehrere der folgenden Translations- oder Rotationspositionen, Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen des Fahrzeugs mit einem Rollgyrometer, dem Rollgeschwindigkeitssensor 34, dem Giergeschwindigkeitssensor 28, dem Lateralbeschleunigungssensor 32, einem Vertikalbeschleunigungssensor, einem Fahrzeugslongitudinalbeschleunigungssensor, Longitudinal- oder Vertikalgeschwindigkeitssensor mit einem radbasierten Geschwindigkeitssensor, einem radarbasierten Geschwindigkeitssensor, einem sonarbasierten Geschwindigkeitssensor, einem laserbasierten Geschwindigkeitssensor oder einem optobasierten Geschwindigkeitssensor.
  • Basierend auf den Eingaben von den Sensoren 28 bis 39 bestimmt der Regler 26 eine Rollbeschaffenheit und steuert aktiv irgendeine oder mehrere der Sicherheitsvorrichtungen 38, wie z. B. einen Airbag 40, ein Aktivbremssystem 41, ein Aktivfrontlenksystem 42, ein Aktivhecklenksystem 43, ein Aktivaufhängungssystem 44, und ein Aktivdrehstabstabilisatorsystem 45, oder Kombinationen der Systeme. Jedes der Systeme 40 bis 45 kann seinen eigenen Regler haben zum Aktivieren jedes der Räder.
  • Der Geschwindigkeitssensor 20 kann einer aus einer Vielzahl von Geschwindigkeitssensoren sein, welche einem Durchschnittsfachmann bekannt sind. Z. B. kann ein geeigneter Geschwindigkeitssensor einen Sensor an jedem Rad aufweisen, welcher vom Regler 26 gemittelt wird. Vorzugsweise wandelt der Regler die Radgeschwindigkeiten in die Fahrzeugsgeschwindigkeit um. Giergeschwindigkeit, Lenkwinkel, Radgeschwindigkeit und möglicherweise eine Schlupfwinkelschätzung an jedem Rad können auf die Geschwindigkeit des Fahrzeugs im Schwerpunkt rückübersetzt werden. Unterschiedliche andere Algorithmen sind einem Durchschnittsfachmann bekannt. Wenn z. B. die Geschwindigkeit bestimmt wird, während um eine Kurve beschleunigt oder abgebremst wird, kann die niedrigste oder höchste Radgeschwindigkeit wegen ihres Fehlers nicht verwendet werden. Zusätzlich kann ein Transmissionssensor verwendet werden, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen.
  • Nun mit Bezug auf die Fig. 2, 3 und 6 schafft die Erfindung ein verbessertes Gierstabilitätssteuersystem, welches imstande ist, sowohl auf exzessives Gieren (Ausbrechen) als auch auf unmittelbar bevorstehende Überschlagsereignisse zu reagieren. Ein Vorteil dieses verbesserten Systems ist ein Hinzufügen einer Rollstabilitätssteuerfunktion für Straßenfahrzeuge zum Standard-Gierstabilitätssteuersystem, wobei die Regelstrategien für Gier- und Rollbewegung des Fahrzeugs integriert sind, so dass die Fahrzeughandhabung und Sicherheitsleistung verbessert ist, und eine Niedrigkostensystemoption, d. h. keine extra Sensoren und Aktuatoren sind erforderlich.
  • Der Standardsensorsatz, welcher in einem Gierstabilitätssteuersystem verwendet wird, weist auf einen Giergeschwindigkeitssensor, einen Lateralbeschleunigungssensor, Radgeschwindigkeitssensor, und Lenkradpositionssensor. Die Steuerausführung ist Differenzialbremsen der Fahrzeugräder. Die Rollstabilitätssteuerfunktion nutzt alle Variablen, welche im Gierstabilitätssteuersystem gemessen und berechnet werden. Zusätzlich werden auch einige spezifische Rollstabilitätssteuervariablen berechnet, welche auf den Sensorsignalen und den verfügbaren Variablen basieren, welche in dem Gierstabilitätssteuersystem berechnet werden.
  • Der Regler 26 weist vorzugsweise auf: eine Gierstabilitätssteuerungs(YSC)-Einheit 50, eine Rollstabilitätssteuerungs(RSC)-Einheit 52, und eine Funktionsprioritäts- und Integrations(FPI)-Einheit 56. Die Gierstabilitätseinheit 50 erzeugt unterschiedliche Signale, welche von der Rollstabilitätseinheit verwendet werden. Außerdem kann ein Schalter 54 die Rollstabilitätseinheit mit der Funktionsprioritäts- und Integrationseinheit 56 koppeln. Der Schalter 54 kann Fahrzeugbediener-gesteuert sein.
  • Allgemein bestimmt die Gierstabilitätssteuereinheit 50 die Gierparameter des Fahrzeuges in Schritt 90 und ein Giersteuersignal in Schritt 92, welches auf den oben erwähnten Sensoren basiert. In der Gierstabilitätssteuereinheit werden unterschiedliche Parameter berechnet, wie z. B. ein Seitenschlupfwinkel. Die Rollstabilitätssteuereinheit verwendet einige der Berechnungen, wie z. B. den Seitenschlupfwinkel, von der Gierstabilitätssteuereinheit, um zu bestimmen, ob das Fahrzeug überschlägt.
  • Nun mit Bezug auf Fig. 4 und 6, weist die Rollstabilitätssteuereinheit (RSC) 52 ferner die folgenden Einheiten auf: Radnormallasterfassungseinheit (WNL) 60, welche die Normallast schätzt, welche auf die Radaufbauten aufgebracht ist, basierend auf den Radgeschwindigkeitssensorsignalen, dem Lenkwinkelsensorsignal, und dem vom Gierstabilitätssteuersystem berechneten Fahrzeugkarosserieseitenschlupfwinkel; eine Überschlagsereigniserfassungseinheit (RED) 62, welche erfasst, ob die Räder angehoben sind, indem der Ausgabewert vom WNL 60 mit Schwellenwerten verglichen wird; eine Rollwinkelschätzeinheit (RAE) 64, welche das Lateralbeschleunigungssensorsignal verwendet, um den Rollwinkel zwischen dem Fahrzeug und der durchschnittlichen Straßenoberfläche zu schätzen; und eine Rollrückkopplungsregeleinheit (RFC) 66, welche die Ausgabe vom RAE 64 empfängt, um die Rückkopplungsregeldrücke zu berechnen, welche für das Steuersystem benötigt werden, um den Relativrollwinkel zu regulieren. RFC 66 empfängt auch das Lateralbeschleuingungssensorsignal und den Ausgang vom RED, um zu bestimmen, ob ein mögliches Überschlagsereignis stattfindet, und steuert, basierend auf dieser Information, die Bremsen oder eine andere Sicherheitsvorrichtung.
  • Die Einheit prüft zuerst den RSC-Steuerschalter 54 in Schritt 94. Wenn dieser Schalter in Schritt 96 geöffnet ist, wird die RSC-Funktion gesperrt und Schritt 90 wird wiederholt. Wenn der Steuerschalter geschlossen ist, werden eine Reihe von Prozessen zum Erzielen von Rollstabilität ausgeführt, beginnend im Schritt 98.
  • Die WNL-Erfassungseinheit 60 verwendet den verfügbaren Fahrzeugsseitenschlupfwinkel, die vier Radgeschwindigkeitssensorsignale und den Lenkradwinkel, um in Schritt 98 die Normallast zu erfassen, welche auf jedes Rad aufgebracht ist. Es seien vlf, vrf, vlr und vrr die Lineargeschwindigkeiten des Zentrums der Radaufbauten an den vier Ecken des Fahrzeuges entlang der Radlongitudinalrichtungen. Jene Lineargeschwindigkeiten können ferner bezogen sein auf die Fahrzeuggeschwindigkeit vx im Schwerpunkt, Giergeschwindigkeit ωz, den Seitenschlupfwinkel β und den Lenkwinkel δs, wie in der folgenden Kinematikbeziehung dargestellt:


    wobei l die Hälfte der Radspur ist, tf der Abstand vom Fahrzeugschwerpunkt zur Frontachse ist, und der Radpositionswinkel ist:

    γf = tan-1(l/tf)
  • Der obige Fahrzeugseitenschlupfwinkel β ist eine im Gierstabilitätssteuersystem berechnete Standardvariable.
  • Wenn alle vier Räder des Fahrzeuges die Straßenoberfläche kontaktieren, dann gilt, basierend auf der Kinematikbeziehung zwischen dem Rollradius, der Lineargeschwindigkeit und der Umdrehungsgeschwindigkeit:

    Lineargeschwindigkeit = Umdrehungsgeschwindigkeit.Rollradius (1.2)
  • Somit kann der Rollradius der vier Räder berechnet werden, wenn alle Räder keinen signifikanten Schlupf haben:


    wobei ωlf, ωrf, ωlr und ωrr die von den Radgeschwindigkeitssensoren gemessenen Winkelgeschwindigkeiten der vier Räder sind.
  • Es seien Nlf0 die Normallast des Rades links vorne, Nrf0 die Normallast der Rades rechts vorne, Nlr0 die Normallast des Rades links hinten und Nrr0 die Normallast des Rades rechts hinten, unter normaler Fahr- und Lastbeschaffenheit, und Rlf0, Krf0, Rlr0 und Krr0 der jeweilige Rollradius. Dann kann die Gesamtlast in den Rädern ausgedrückt werden als:


    wobei kf die Vorderradsteifigkeitskonstante und kr die Hinterradsteifigkeitskonstante ist. Es ist zu beachten, das die oben berechneten Normallasten gültig sind, wenn die Fahrzeugräder keinen signifikanten Longitudinalschlupf haben. Dies trifft normalerweise zu, wenn die vier Räder die Straßenoberfläche kontaktieren. Im Falle eines Überschlags wird ein Rad oder werden zwei Räder an einer Fahrzeugsseite angehoben und können somit die Straße nicht kontaktieren. In diesem Fall sind die berechneten Normallasten in Gleichung (1.4) nicht länger gültig. Wenn in diesem Fall jedoch kleine Bremsdruckbeträge zu dem angehobenen Rad oder den angehobenen Rädern gesendet werden, kann der Bremsdruck das Rad oder die Räder gut blockieren. Es wird z. B. angenommen, dass das linke Vorderrad in der Luft ist, und ein aktiver Erfassungsdruck wird zu diesem Rad gesendet. Dann wird die in Gleichung (1.3) berechnete Variable Rlf eine sehr große Zahl. Somit wird in diesem Fall die berechnete Nlf sehr groß. Wenn das linke Vorderrad nicht in der Luft ist, wird der kleine Bremsdruckbetrag keinen signifikanten Schlupf auf dieses Rad erzeugen, und der berechnete Wert Nlf wird innerhalb eines normalen Bereiches sein. Somit können mit geeigneten Schwellenwerten die oben berechneten Normallasten verwendet werden, um zu identifizieren, wann ein möglicher Überschlag stattfindet (zusammen mit dem Aussenden eines kleinen Bremsdruckbetrages auf das geeignete Rad). In Schritt 100 wird ein Überschlagsereignis bestimmt, basierend auf der obigen abnormalen Normallasterfassung oder den anderen Radanhebeerfassungsstrategien. Diese Radanhebestrategie, welche als Aktivradanhebeerfassung bezeichnet wird, kann für die Vorderräder in der folgenden Logik zusammengefasst werden:

    wenn Rollwinkel > θ
    • - starte Aktivradanhebeerfassungszyklus durch Aussenden eines kleinen Druckbetrages auf die Bremse vorne links;
    • - berechne Normallast Nlf;
    wenn Nlf > πlf
    • - das linke Vorderrad ist angehoben;
    • - setze Radanhebemerker auf 1;
    oder
    setze Radanhebemerker auf 0
    wenn Rollwinkel < -θ
    • - starte Aktivradanhebeerfassungszyklus durch Aussenden eines kleinen Druckbetrages auf die Bremse vorne rechts
    • - berechne Normallast Nlf
    wenn Nrf > πrf
    • - das rechte Vorderrad ist angehoben;
    • - setze Radanhebemerker auf 1;
    oder
    setze Radanhebemerker auf 0

    wobei θ der Grenzwert für einen Fahrzeugrollwinkel ist. πlf ist der Schwellenwert für die abnormale Normallast aufgrund des angehobenen linken Vorderrades und πrf ist der Schwellenwert für die abnormale Normallast aufgrund des angehobenen rechten Vorderrades. Die gleiche Strategie kann einfach auf die Hinterräder erstreckt werden. Der Fahrzeugrollwinkel wird später berechnet.
  • Wenn ein Überschlagsereignis in Schritt 100 nicht erfasst wird, wird Schritt 90 wiederholt. Wenn ein Überschlagsereignis dedektiert ist, sendet eine Überschlagsereigniserfassungs (RED)-Einheit 62 in Schritt 102 ein Merkersignal aus, um einen möglichen Überschlag anzuzeigen, basierend auf mehreren oder einigen Logiken der folgenden Ereignisse: Radnormallasteinheit (WNL) 60 erfasst signifikante abnormale Radnormallast, d. h., der Radanhebemerker ist auf 1 gesetzt; die Radlateralbeschleunigung übersteigt einen Schwellenwert; das gewünschte Rollmoment, welches später berechnet wird, um der Überschlagsbewegung entgegenzuwirken, übersteigt einen gewissen Schwellenwert; die andere Radanhebeerfassungslogik zeigt ein mögliches Radanheben an.
  • Die Rollwinkelschätzeinheit 64 wird verwendet, um im Hinblick auf die Durchschnittsstraße, auf welcher das Fahrzeug fährt, in Schritt 104 den Fahrzeugkarosserierollwinkel zu bestimmen. D. h., die Größe des Relativrollwinkels θx wird bestimmt. Im Einzelnen kann der Relativrollwinkel bestimmt werden durch Abgleichen der auf die Fahrzeugkarosserie aufgebrachten Momente. Es gibt zwei Momente, welche auf die Fahrzeugkarosserie entlang der Rollrichtung des Fahrzeugs aufgebracht werden: Das Rollmoment aufgrund der Vertikalaufhängungshübe und das Rollmoment aufgrund der Lateralradkräfte. Wenn die Gesamtfahrzeugaufhängungsrollfederrate als Kroll und die Gesamtfahrzeugaufhängungsrolldämpfungsrate als Droll bezeichnet wird, dann kann das Moment, welches von den Vertikalaufhängungskräften induziert ist, geschrieben werden als


  • Die auf die Fahrzeugkarosserie aufgebrachte Gesamtlateralkraft, wird von den Lateralradkräften durch Aufhängungen erzeugt. Diese Gesamtlateralkraft erzeugt eine Lateralbeschleunigung, welche vom Beschleunigungssensor gemessen wird, welcher im Fahrzeugkarosserieschwerpunkt montiert ist. Es seien ay die Lateralbeschleunigung des Fahrzeugkarosserieschwerpunktes, ms die gefederte Masse des Fahrzeuges, dann kann das auf die Fahrzeugkarosserie aufgebrachte Moment aufgrund von Lateralradkräften ausgedrückt werden als

    Mlatforce = msayhcg

    wobei hcg der Vertikalversatz des Fahrzeugkarosserieschwerpunktes in Hinblick auf den Boden des Fahrzeuges ist. Indem Mlatforce = Msusp, kann der Relativrollwinkel auf die Lateralbeschleunigung wie in der folgenden Beziehung aufgrund der Laplace-Transferfunktion bezogen werden:


  • Eine digitale Implementierung des oben Gesagten kann erzielt werden durch:

    Θx(k + 1) = d(k).Θx(k) + n(k).ay(k + 1)

    wobei die Filterkoeffizienten aktualisiert werden, basierend auf der Größe der Lateralbeschleunigung, um die nichtlineare Aufhängungsfederrate und Aufhängungsdämpfung zu reflektieren:


    wobei A1, A2 die Schwellenwerte sind, welche verwendet werden, um die Regionen für die Lateralbeschleunigung zu trennen, so dass unterschiedliche Aufhängungsfederraten verwendet werden können, um den Relativrollwinkel zu berechnen. B1, B2 sind die Schwellenwerte, welche zum gleichen Zweck für Aufhängungsdämpfungsraten verwendet werden.
  • Die Rollrückkopplungsregeleinheit 66 berechnet in Schritt 106 einen Rückkopplungsregelbefehl, um die gesteuerten Bremsen (oder andere Sicherheitsvorrichtungen) so zu betreiben, dass die Bremsbetätigung die gewünschten Gegenwirkungsrollmomente erzeugen könnte. Die Rückkopplungsregelung wird verwendet, um in Schritt 108 das Überschlagssteuersignal als Antwort auf das Relativrollwinkelsignal zu erzeugen.
  • Wenn die sequenzielle Differenz des relativen Rollwinkels θ definiert ist als:

    ΔΘx(k) = Θx(k) - Θx(k - 1)

    dann könnte eine Rückkopplungsregelung wie folgt beschrieben werden:

    u(k) = u(k - 1) + Kp(k)ΔΘx(k) + Kl(k)Θx(k) + KD(k)[ΔΘx(k) - ΔΘx(k - 1)] + KDD(k)[ΔΘx(k) - 2ΔΘx(k - 1) + ΔΘx(k - 2)] (1.5)

    wobei Kp, K1, KD und KDD die adaptiven Proportional-, Integral-, Differenzial- und Zweifachdifferenzial-Regelbeiwerte sind. Sie können zusammengestellt werden basierend auf der Größe des Lateralbeschleunigungssignals und der Rollbeschleunigung, der Geschwindigkeitsänderung des Lenkwinkels, des Giergeschwindigkeitssensorsignals, des Rollgeschwindigkeitssensorsignals, der Dynamik des Hydraulikbremssystems oder Dynamik eines Elektrohydraulikbremssystems.
  • Nun bezogen auf Fig. 5 und 6, schafft die FPI-Einheit 56 eine Funktionspriorität und Integration, um die Gierstabilitätssteueranforderung (Giersteuersignal) und die Rollstabilitätssteueranforderung (Rollstabilitätssteuersignal) abzugleichen, um den Nutzen zu maximieren und die entgegenwirkenden Effekte zwischen den beiden Funktionen zu minimieren. Wie im folgenden gezeigt, werden drei Einheiten verwendet, um dies zu erreichen: eine Gierstabilitätssteuerungsprioritätsbestimmungseinheit (YSCP- Einheit) 70, eine Rollstabilitätssteuerungsprioritätsbestimmungseinheit (RSCP- Einheit) 72, eine Gierstabilitätssteuerungs- und Rollstabilitätssteuerungsintegration (YRSCI-Einheit) 74. Zusätzlich wird das Aktivbremssystem 41 verwendet, um Bremsdruckbefehle zu erzeugen.
  • Die YSC-Prioritätsbestimmungseinheit 70 priorisiert das Giersteuerungssignal, welches auf den von den Sensoren gemessen Werten basiert.
  • Die RSC-Prioritätsbestimmungseinheit 72 priorisiert das Rollstabilitätssteuerungssignal, welches auf den Werten von den Sensoren basiert. Die Funktionen der Einheiten 70 und 72 sind in Schritt 110 gezeigt.
  • Die YRSC-Integrationseinheit 74 empfängt die priorisierten Signale und erzeugt daher in Schritt 112 ein Sicherheitssteuersignal. Die Gewichtung jedes Signals hängt von unterschiedlichen Faktoren ab, welche für jedes Fahrzeug spezifisch sind. In einigen Fällen kann das Gierstabilitätssteuersignal mit dem Rollstabilitätssteuersignal konkurrieren. In einem solchen Fall kann der Rollstabilitätssteuerung eine höhere Priorität gegeben werden. Unter anderen Bedingungen kann das Gierstabilitätssteuersignal und das Rollstabilitätssteuersignal auf die gleiche Art verwertet werden. Die Priorisierung wird experimentell für jedes Fahrzeugmodell erzielt, welche eine Funktion der Fahrzeugdynamik und statischen Parametern ist.

Claims (21)

1. Steuersystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugkarosserie, aufweisend:
einen Giergeschwindigkeitssensor (28), von welchem ein zu einer Gierwinkelbewegung der Fahrzeugkarosserie korrespondierendes Rollgeschwindigkeitssignal erzeugt wird;
einen Lateralbeschleunigungssensor (32), welcher ein zu einer Lateralbeschleunigung eines Fahrzeugkarosserieschwerpunktes korrespondierendes Lateralbeschleunigungssignal erzeugt;
einen Lenkwinkelsensor (35), welcher ein zu einem Handradwinkel korrespondierendes Lenkwinkelsignal erzeugt;
eine Mehrzahl von Radgeschwindigkeitssensoren (20), von welchen Radgeschwindigkeitssignale erzeugt werden, die zu jedem der vier Radgeschwindigkeiten des Fahrzeuges korrespondieren;
und eine Gierstabilitätssteuereinheit (50) und eine Rollstabilitätssteuereinheit (52), welche gekoppelt sind mit dem Giergeschwindigkeitssensor (28), dem Lateralbeschleunigungssensor (32), dem Lenkradwinkelsensor (35) und der Mehrzahl von Radgeschwindigkeitssensoren (20), wobei die Giersteuereinheit (50) und die Rollstabilitätssteuereinheit (52) ein Gierstabilitätssteuersignal bzw. ein Rollstabilitätssteuersignal bestimmt von dem Gierwinkelgeschwindigkeitssignal, dem Lateralbeschleunigungssignal, dem Lenkradwinkelsignal, und den Radgeschwindigkeitssignalen;
und eine Integrationseinheit (56), welche mit der Gierstabilitätssteuereinheit (50) und der Rollstabilitätssteuereinheit (52) gekoppelt ist, wobei die Integrationseinheit (56) ein Sicherheitsvorrichtungssteuersignal als Antwort auf das Gierstabilitätssteuersignal und das Rollstabilitätssteuersignal bestimmt.
2. System nach Anspruch 1, wobei die Rollstabilitätssteuereinheit (52) eine Radnormallasterfassungseinheit (60) aufweist, von welcher ein Radanhebesignal erzeugt wird.
3. System nach Anspruch 1, wobei die Radnormallasterfassungseinheit (60) ein Radlastsignal erzeugt als Antwort auf eine Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Giergeschwindigkeit, einen Schlupfwinkel und einen Lenkradwinkel während eines Aktivradanhebeerfassungszyklus.
4. System nach Anspruch 3, wobei die Rollstabilitätssteuereinheit (52) eine Überschlagsereigniserfassungseinheit (62) aufweist, von welcher ein Merker erzeugt wird als Antwort auf das Radlastsignal oder Radanhebesignal.
5. System nach Anspruch 4, wobei die Rollstabilitätssteuereinheit (52) eine Rollwinkelschätzeinheit (64) aufweist, von welcher ein Relativrollwinkelsignal erzeugt wird.
6. System nach Anspruch 5, wobei die Rollstabilitätssteuereinheit (52) eine Rollregelungseinheit (66) aufweist, von welcher des Rollstabilitätssteuersignal als Antwort auf das Rollwinkelsignal erzeugt wird.
7. System nach Anspruch 1, welches ferner aufweist einen Schalter (54) zum Entkoppeln der Gierstabilitätssteuereinheit (50) und der Rollstabilitätssteuereinheit (52).
8. System nach Anspruch 1, welches ferner eine Sicherheitsvorrichtung (38) aufweist, welche das Sicherheitsvorrichtungssteuersignal empfängt.
9. System nach Anspruch 8, wobei die Sicherheitsvorrichtung ein Bremssystem (41) aufweist.
10. System nach Anspruch 9, wobei das Bremssystem (41) eine Bremsdruckbefehlserzeugungseinheit aufweist, welche einen Bremsbefehl als Antwort auf das Sicherheitssignal erzeugt.
11. System nach Anspruch 10, wobei der Bremsbefehl aufweist einen rechts-vorne-Bremsbefehl, einen rechts-hinten- Bremsbefehl, einen links-vorne-Bremsbefehl, und einen links- hinten-Bremsbefehl.
12. Steuersystem nach Anspruch 8, wobei die Sicherheitsvorrichtung (38) ein Aktivhecklenksystem (43) aufweist.
13. Steuersystem nach Anspruch 8, wobei die Sicherheitsvorrichtung (38) ein Aktivfrontlenksystem (42) aufweist.
14. Steuersystem nach Anspruch 8, wobei die Sicherheitsvorrichtung (38) ein Aktivdrehstabstabilisatorsystem (45) aufweist.
15. Steuersystem nach Anspruch 8, wobei die Sicherheitsvorrichtung (38) eine Aktivaufhängungssystem (44) aufweist.
16. System nach Anspruch 1, wobei die Rollsstabilitätssteuereinheit (52) und die Gierstabilitätssteuereinheit (50) getrennt sind.
17. Verfahren zum Steuern eines Kraftfahrzeuges, aufweisend: Messen einer Lateralbeschleunigung der Fahrzeugkarosserie; Messen der Giergeschwindigkeit der Fahrzeugkarosserie; Messen einer Fahrzeuggeschwindigkeit; Messen einer Lenkradwinkelposition eines Fahrzeughandrades; Bestimmen eines Giersteuersignals und eines Überschlagssteuersignals als eine Funktion der Lateralbeschleunigung, der Giergeschwindigkeit, des Lenkradwinkels und der Fahrzeuggeschwindigkeit.
18. Verfahren nach Anspruch 17, welches ferner aufweist ein Erzeugen eines Sicherheitsvorrichtungssteuersignals als eine Funktion des Rollstabilitätssteuersignals und des Gierstabilitätssteuersignals und ein Aktivieren einer Sicherheitsvorrichtung (38) als Antwort auf das Sicherheitsvorrichtungssteuersignal.
19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Sicherheitsvorrichtungs-Aktivierungsschritt eine Vorrichtung umfasst, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, welche besteht aus einem Aktivbremssteuersystem (41), einem Aktivhecksteuersystem (43), einem Aktivfrontsteuersystem (42), einem Aktivdrehstabstabilisatorsystem (45) und einem Aktivaufhängungssystem (44).
20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bestimmen eines Rollstabilitätssteuersignals aufweist das Erzeugen eines Radanhebemerkers als Antwort auf ein Radnormallastsignal während eines Aktivraderfassungszyklus.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Bestimmen einer Normalradlast aufweist das Bestimmen einer Normalradlast als Antwort auf einen Rollradius.
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