DE10311794A1

DE10311794A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer die Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs beeinflussenden Einflussgröße

Info

Publication number: DE10311794A1
Application number: DE10311794A
Authority: DE
Inventors: Stefan Otterbein; Dietmar Arndt; Eve Ding; Marc Arndt; Thomas Massel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-05-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer die Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs beeinflussenden Einflussgröße, bei dem DOLLAR A - ein vorläufiger Wert der Einflussgröße auf eine erste Art ermittelt wird, DOLLAR A - unabhängig von dieser Ermittlung des ersten Wertes ein Ableitungswert, welcher die zeitliche Ableitung der Einflussgröße beschreibt, auf eine zweite Art ermittelt wird und DOLLAR A - aus dem ersten Wert und dem zweiten Wert die Einflussgröße ermittelt wird. DOLLAR A Weiter umfasst die Erfindung auch die zugehörige Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Querneigung einer Fahrbahn.

Aus der DE 198 21 618 C1 ist ein Verfahren zum Erkennen von seitlich geneigten Kurven bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein kurvenspezifischer Wert, wie z.B. Drehrate, Querbeschleunigung oder Lenkwinkel mit unterschiedlichen Meßsystemen, die auf unterschiedlichen physikalischen Verfahren beruhen, zeitgleich ermittelt und deren unterschiedliche Größen, die sich aufgrund der Messfehler in geneigten Kurven ergeben, zur . Erkennung der seitlich geneigten Kurve verwendet.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer die Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs beeinflussenden Einflussgröße, bei dem

– ein vorläufiger Wert, welcher die Einflussgröße repräsentiert, ermittelt wird,
– unabhängig von dieser Ermittlung ein Ableitungswert, welcher die zeitliche Ableitung der Einflussgröße repräsentiert, ermittelt wird und
– aus dem vorläufigen Wert und dem Ableitungswert die Einflussgröße ermittelt wird.

Dadurch wird die genaue Ermittlung des Wertes einer die Fahrdynamik beeinflussenden Einflussgröße (z.B. Schwimmwinkel oder ein Querneigungswinkel) ermöglicht, wenn nur dessen zeitlicher Ableitungswert (z.B. aus Sensorsignalen) sowie ein vorläufiger Wert (z.B. aus mathematischen Modellen) bekannt ist. Durch die Erfindung wird vorteilhafterweise die Ermittlung der Einflussgröße auch dann ermöglicht, wenn keine Modellgültigkeit der mathematischen Modelle vorliegt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem vorläufigen Wert um einen durch ein mathematisches Modell ermittelten Schätzwert handelt. Dies erlaubt beispielsweise den Zugriff auf ein in einem Steuergerät eines Fahrdynamikregelungssystems bereits vorhandenes mathematisches Modell und verursacht deshalb keinen nennenswerten Zusatzaufwand.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einflussgröße aus dem vorläufgen Wert sowie dem Ableitungswert durch ein auf einer Rückkopplung basierenden Verfahren ermittelt wird. Durch die Rückkopplung wird ein „sich selbst korrigierendes" Verfahren ermöglicht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem auf einer Rückkopplung basierenden Verfahren um ein Rekursionsverfahren oder ein Iterationsverfahren handelt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass

– dass die Differenz zwischen dem vorläufigen Wert und der in einem vorhergehenden Schritt ermittelten Einflussgröße ermittelt wird und
– dass diese Differenz in die Rückkopplung des auf einer Rückkopplung basierenden Verfahrens eingeht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet,

– dass die Differenz mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert in die Rückkopplung des auf einer Rückkopplung basierenden Verfahrens eingeht, wobei
– der Gewichtungsfaktor abhängig von der Genauigkeit des vorläufigen Wertes ist. Dadurch wird es ermöglicht, bei einem als ungenau erkannten vorläufigen Wert nur eine schwache Rückkopplung durchzuführen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet,

– der vorläufige Wert der Einflussgröße aus wenigstens zwei Werten, welche auf unterschiedliche Arten ermittelt wurden, durch eine gewichtete Mittelwertbildung hervorgeht und
– dass die Genauigkeit des vorläufigen Wertes aus den Abweichungen der wenigstens zwei weiteren Werte untereinander hervorgeht.

Damit steht eine besonders einfache Möglichkeit zur Ermittlung der Genauigkeit zur Verfügung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Einflussgröße um

– den Schwimmwinkel
– oder den Querneigungswinkel der Fahrbahn
– oder einen Summenwinkel handelt, wobei der Summenwinkel die Summe von Querneigungswinkel der Fahrbahn und Wankwinkel ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dein Ableitungswert um einen durch ein mathematisches Modell ermittelten Ableitungswert handelt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor mit zunehmender Genauigkeit des vorläufigen Wertes ebenfalls zunimmt. Das bedeutet, dass sich die Ermittlung der Einflussgröße dann enger an die vorläufigen Werte anlehnt, wenn deren Genauigkeit als „hoch" erkannt wurde.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass die Genauigkeit des vorläufigen Wertes über die Auswertung der Rauschleistung des vorläufigen Wertes ermittelt wird oder
– dass die Genauigkeit des vorläufigen Wertes über die Auswertung der ersten oder zweiten zeitlichen Ableitung des vorläufigen Wertes ermittelt wird.

Die Rauschleistung sowie die zeitlichen Ableitungen sind einfache Indikatoren für die Qualität der Signale.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Ableitungswertes nur Sensorsignale und Zustandsgrößen verwendet werden. Das bedeutet insbesondere, dass in die Ermittlung des Ableitungswertes keine veränderlichen Modell parameter (z.B. Seitensteifigkeiten, Fahrzeugmasse, Zuladung, Schwerpunktposition, ...) eingehen. (Anmerkung: Unter dem Begriff der „Seitensteifigkeit" wird der Quotient Seitenführungskraft/Schräglaufwinkel verstanden).

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei die dem vorläufigen Wert der Einflussgröße um den Schwimmwinkel handelt, wobei in die Ermittlung des Schwimmwinkels wenigstens eine der drei folgenden mathematischen Beziehungen eingeht, nämlich

und wobei die Symbole in den Beziehungen die folgenden Bedeutungen haben:
C_αH: Seitensteifigkeit hinten
v_sp = v_ref = v: Geschwindigkeit des Fahrzeuges tangential zur Bahnkurve oder Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit,
v_c: Charakteristische Fahrzeuggeschwindigkeit
β: Schwimmwinkel, d.h. der Winkel zwischen v_sp und der Fahrzeuglängsachse,
a_y,S: gemessene Querbeschleunigung
ω_Z,S: gemessene Gierrate
m: Gesamtmasse des Fahrzeuges,
J_Z: Trägheitsmoment um die durch SP gehende Hochachse
δ_L _,S: Lenkradwinkel
i_L: Lenkübersetzung
l: Radstand
l_v: Abstand zwischen Schwerpunkt und der Vorderachse
l_H: Abstand zwischen Schwerpunkt und der Hinterachse.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer die Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs beeinflussenden Einflussgröße umfasst

– erste Mittel zur Ermittlung eines vorläufigen Wertes, welcher die Einflussgröße repräsentiert,
– Ableitungsermittlungsmittel, in denen unabhängig von der Ermittlung in den ersten Mitteln ein Ableitungswert, welcher die zeitliche Ableitung der Einflussgröße repräsentiert, ermittelt wird und
– zweite Mittel, in denen aus dem vorläufigen Wert und dem Ableitungswert die Einflussgröße ermittelt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 7.
l zeigt den Summenwinkel aus Fahrbahnneigungswinkel und Wankwinkel..
2 zeigt das Verfahren zur Gewinnung des bereinigten Wankratensignals.
3 zeigt das Prinzip der „gestützten Integration mit adaptiver Rückführung".
4 zeigt die Ermittlung der Genauigkeit eines Schätzwertes des Summenwinkels verschiedenen Modellen.
5 zeigt in schematischer Art und Weise den Fahrzeugaufbau, den Wankwinkel und den Vektor der Querbeschleunigung.
6 zeigt die Ermittlung der Genauigkeit eines Schätzwertes des Schwimmwinkels verschiedenen Modellen.
7 zeigt das Prinzip der „gestützten Integration mit adaptiver Rückführung" in einer weiteren Ausführungsform.
Ausführungsbeispiele
Im heutigen Fahrdynamikregelungssystem (z.B. ESP = „Electronic Stability Program") gibt es Verfahren, welche spezielle Fahrsituation wie z.B. die Fahrt in der Steilkurve erkennen. Die Verfahren zum Erkennen dieser Fahrsituationen beruhen auf Informationen, die mit der bekannten Sensorik eines Fahrdynamikregelungssystems gemessen werden. Diese umfasst

– einen Drehratensensor für die Giergeschwindigkeit,
– einen Beschleunigungssensor für die Querbeschleunigung und
– einen Winkelsensor für den Lenkradwinkel.

Gegebenfalls wurden auch die Ausgangssignale der Radgeschwindigkeitssensoren mitverwendet (die Raddrehzahlen braucht man zur Berechnung der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit, welche die oben angesprochenen Verfahren ebenfalls benötigen).
Bei Steilkurvenfahrt reagiert das Fahrdynamikregelungssystem in zweierlei Hinsicht: Zum einen passt sich das Fahrdynamikregelungssystem dieser speziellen Situation an, indem es die Sollwerte (beispielsweise für Giergeschwindigkeit oder Schwimmwinkel) modifiziert werden. Zum anderen wird ein Teil der Überwachungen deaktiviert, um ein fälschliches Erkennen eines Sensorfehlers zu vermeiden. Sobald die Fahrt in der Steilkurve beendet ist, werden die Überwachungsalgorithmen wieder aktiviert und das Fahrdynamikregelungssystem kehrt in seine „normale" Arbeitsweise zurück.
Allein mit der oben angegebenen Sensorik ist es jedoch bisweilen schwierig und sehr aufwendig, die Fahrt in der Steilkurve von einer anderen Fahrsituation (insbesondere einem übersteuernden Fahrzustand auf nicht geneigter Fahrbahn) zu unterscheiden, da der Signalverlauf von Lenkradwinkel, Giergeschwindigkeit und Querbeschleunigung in beiden Situationen recht ähnlich ist.
Deshalb ist es wünschenswert, mit Hilfe einer weitergehenden Sensorik eine Unterscheidung zwischen den beiden Fahrsituationen einfacher, robuster und schneller vornehmen zu können. Dies soll insbesondere dadurch ermöglicht werden, dass der Neigungswinkel der Fahrbahn ermittelt wird. (Dann ist offensichtlich eine Unterscheidung zwischen der Fahrt auf nicht geneigter Fahrbahn und Steilkurvenfahrt leicht vorzunehmen.) Diese weitergehende Sensorik umfasst einen zweiten Drehratensensor für die Wankwinkelgeschwindigkeit (auch als Rollrate bzw. Drehgeschwindigkeit um die Fahrzeuglängsachse bezeichnet). Die Wankwinkelgeschwindigkeit ist diejenige Winkelgeschwindigkeit, mit der die seitliche Wankbewegung des Fahrzeugs bzw. des Fahrzeugaufbaus erfolgt.
Der Drehratensensor für die Wankwinkelgeschwindigkeit zusammen mit zwei Beschleunigungssensoren für die Vertikalbeschleunigung und die Querbeschleunigung wird auch als „Überschlags-Sensorik" bezeichnet. Mit ihrer Signalen lässt sich ein Überschlagen des Fahrzeugs erkennen und durch rechtzeitiges Aktivieren von Rückhalte-Elementen (Auslösen eines Airbags, Ausfahren des Überrollbügels usw.) die Sicherheit der Insassen erhöhen.
In einem Fahrzeug mir vernetzten Systemen (z.B. Fahrdynamikreglungssystem und Überschlagssensorik) können die einzelnen Systeme dann von den Sensorsignalen der anderen Systeme profitieren, sofern ein Daten- bzw. Signalaustausch möglich ist (sofern nicht unpassende Signaleigenschaften wie Messbereich, Auflösung, Taktrate usw. das verhindern). Insbesondere kann ein Fahrdynamikregelungssystem die Signale aus dem Rückhaltesystem (mit Überschlags-Sensorik) mit benutzen.
In heutigen Fahrzeugen, welche mit einem Fahrdynamikregelungssystem und einer Überschlagssensorik ausgestattet sind, sind Sensoren enthalten, die eine robuste Schätzung der Fahrbahnneigung α zulassen. Die hierfür benötigten Sensorinformationen beziehen sich auf folgende Größen:

– die Querbeschleunigung a_y,S,
– die Gierrate ω_z,S,
– die Rollrate ω_x,S und
– die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v.

Bei einer Kreisfahrt in der Ebene mit dem Krümmungsradius r erfährt ein Fahrzeug eine Querbeschleunigung in der Fahrbahnebene der Größe ay = v2/r (1)
Im folgenden wird mit a die Summenwinkel von Fahrbahnneigungswinkel und Wankwinkel des Fahrzeuges bezeichnet. Dies ist in 1 dargestellt. Dort ist in Vorderansicht ein Fahrzeug auf einer Fahrbahn mit einem Querneigungswinkel αq und dem Wankwinkel ϕ dargestellt. Für den Summenwinkel α gilt α = αq + ϕ..
Auf geneigten Fahrbahnen misst ein im Fahrzeug montierter Querbeschleunigungssensor das die Querbeschleunigung
wobei g die Erdbeschleunigung und γ den Summenwinkel aus Fahrbahnsteigung und dem Nickwinkel des Fahrzeugs bezeichnet (beim Nickwinkel handelt es sich um den Drehwinkel des Fahrzeugaufbaus in Fahrzeuglängsrichtung, d.h. um den Drehwinkel um eine Achse in Fahrzeugquerrichtung). Diese Gleichung kann zu folgender Gleichung umgeschrieben werden:
Dabei bezeichnet β die zeitliche Schwimmwinkeländerung (d.h. die Änderung des Schwimmwinkels β pro Zeiteinheit) und ω_z,S die im Fahrzeug gemessene Gierrate. In stationären, stabilen Fahrsituationen ist β gleich Null. Wird eine stationäre Fahrsituation erkannt, dann kann mittels Gleichung (3) der Summenwinkel geschätzt werden:
Gerade in dem Erkennen einer stationären bzw. stabilen Fahrsituation liegt hier die wesentliche Schwierigkeit.
Eine Alternative ist die Bestimmung von α mittels Integration des 'bereinigten' Wankratensignals:
Hierzu ist es notwendig, alle Einflüsse so weit wie möglich zu reduzieren die zu einer Abweichung von ω_x,S (ω_x,S bezeichnet die Rollrate) und führen. Solche Effekte treten nur dann auf, wenn der Summenwinkel γ aus Fahrbahnsteigung und dem Nickwinkel ungleich Null ist. Exakt kann die zeitliche Änderung von a wie folgt berechnet werden: α = ωx,S + tanγ∙(sinα∙ωx,S + cosα∙ωz,S) (6)
Hier liegt eine Differentialgleichung vor, die nicht ohne Weiteres zu lösen ist, wobei insbesondere das Nickratensignal ω_y,S nicht zur Verfügung steht (bei der Nickrate handelt es sich um die Winkelgeschwindigkeit der Nickbewegung um die Fahrzeugquerachse). An dieser Stelle soll auch auf die Vorzeichen bei der obigen Gleichung eingegangen werden. Beim Fahren in einer Linkskurve ist sowohl die Gierrate, als auch die Querbeschleunigung positiv. Ist diese Linkskurve auch gleichzeitig eine Steilkurve, dann ist dort die Neigung α negativ. Bei einer stationären Fahrt in einer solchen Steilkurve ist das Nickratensignal negativ. Der Summenwinkel γ aus Fahrbahnsteigung und dem Nickwinkel ist bei einer Bergabfahrt positiv.
Im Folgenden werden einige Näherungen gemacht, die hier motiviert werden sollen: Die Wankrate selbst ist so klein, dass ihr Einfluss auf die Gier- und die Nickratenmessung zu vernachlässigen ist. Ebenso wird angenommen, dass die eigentliche Nickbewegung zu vernachlässigen ist und dass das Nickratensignal im Wesentlichen von der eigentlichen Gierbewegung herrührt. Unter dieser Annahme, dass der gesamte Rotationsvektor ω_Rot = ω_Z senkrecht zur Erdoberfläche steht, misst der Gierratensensor ωz,S = cosα∙ωz (7) und der Nickratensensor ωy,S = sinα∙ωz (8)
Setzt man nun Gl. 7 und Gl. 8 in Gl. 6 ein, vereinfacht sich der Term in der Klammer zu ω_Rot = ω_z, somit folgt aus Gl. 6
Das Verfahren zur Gewinnung des bereinigten Wankratensignals ist in 2 dargestellt.
Dabei wird in Block 200 der Nickwinkel geschätzt und in Block 201 wird die Fahrbahnsteigung geschätzt. Aus beiden Schätzwerten wird anschließend im Additionsblock 202 die Summe gebildet und damit steht in Block 203 der Summenwinkel γ zur Verfügung. Anschließend wird in Block 204 die Größe tan(γ) ermittelt. In Block 205 wird das Gierratensignal ω_y,S bereitgestellt, damit kann im Multiplikationsblock 206 die Größe ω_z,S∙tan(γ) ermittelt werden. In Block 207 wird die Schätzgröße 1/cos(α) ermittelt und im Multiplikationsblock 208 wird daraufhin das Produkt ω_z,S∙tan(γ)/cos(α) ermittelt.
Für α wird dabei ein Schätzwert für den Summenwinkel verwendet. In Block 209 wird das Wankratensignal ω_x,S ermittelt und im Additionsblock 210 werden die Ausgangssignale der Blöcke 209 und 208 addiert. In Block 211 steht daraufhin das „bereinigte Wankratensignal ω_x* bereit.
Unter dem 'bereinigten' Wankratensignal versteht man die genäherte zeitliche Ableitung von α. Bei einer Fahrsituation mit dem Summenwinkel γ (aus Nickwinkel und Fahrbahnsteigung) misst der Rollratensensor bei einer Kurvenfahrt mit der Gierrate ω_Z neben auch eine zusätzliche Wankrate von Δω_x,S = –tan γ∙ω_z. Somit ist die 'bereinigte Wankrate':
Eine wesentliche Schwierigkeit bei der zeitlichen Integration von Gleichung (10) ist aber, dass dieses Integral „weglaufen" wird, d.h. schon bei kleinsten Störungen der Sensorsignale wird das Integral im Laufe der Zeit divergieren.
Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß eine, Gestützte Integration mit adaptiver Rückführung vorgeschlagen, die nach dein folgendem Prinzip funktioniert:
Von einer Zustandsgröße x kann die zeitliche Ableitung x _measturable gemessen werden. Gleichzeitig kann die Größe x selbst mittels Modellen auch zu x ^ _Model, geschätzt werden. Durch ein Vergleich und des integrierten Signals mit dem Modellwert wird das Residuumn R erzeugt. Dieses Residuum wird mit einem Verstärkungsfaktor 1/T multipliziert und dem Integral zurückgeführt. Diese Struktur ist einer klassischen Beobachterstruktur in der Regelungstechnik sehr ähnlich. Das dynamische Systemverhalten dieser Struktur wird hauptsächlich durch die Wahl des Verstärkungsfaktors 1/T verändert, dieser Wert ist die typische Zeitkonstante für das System. Bei sehr kleinen Werten von T wird die Verstärkung des Residuums sehr groß. Dies sorgt dafür, das eine mögliche Differenz zwischen dem Modellwert und dem Integralwert sehr schnell abgebaut wird. In diesem Fall spielt die Größe x _measurable nur eine untergeordnete Rolle. Auch hier wird das Verfahren zur 'Gestützten Integration mit adaptiver Rückführung' von Zustandsgrößen eingesetzt. Dieses Verfahren hat insbesondere den großen Vorteil, dass es sehr robust gegenüber Modellungenauigkeiten arbeitet. Dies gilt insbesondere in fahrdynamisch kritischen Situationen.
Wählt man T sehr groß, wird das Systemverhalten durch die Integration von x _measurable bestimmt.
Aus der Erfahrung ist bekannt, dass nichtstationäre Fahrsituationen nur in Intervallen mit einer begrenzten Zeitdauer ΔT von z.B. 3 Sekunden auftreten. In diesen Zeitintervallen liefert der Modellwert keinen guten Schätzwert mehr für die Zustandsgröße.
Wird eine konstante Verstärkung so gewählt, dass 1/T < 1/ΔT gilt, wird der Schätzwert x_robust, nicht wesentlich durch die Störungen des Modellwertes beeinflusst.
Wird jedoch erkannt, dass zur Zeit der Modellwert keine gute Schätzgröße mehr für die Zustandsgröße liefert, wird der Verstärkungsfaktor 1/T augenblicklich reduziert. Diese Veränderung kann mittels unterschiedlicher Strategien herbeigeführt werden:

– Während der Applikation des Modells wurde der Bereich für die Modellgültigkeit festgelegt. Während Modellgültigkeit gilt der Verstärkungsfaktor T_Mg. Wird dieser Bereich verlassen gilt ein zweiter Verstärkungsfaktor T_Mug, wobei T_Mg < T_Mug ist. Der Bereich der Modellgültigkeit kann sich hierbei auch auf anderen Zustandsgrößen und Aktuatorzustände beziehen. z.B. a_y < 4 m/s^2 und Lenkradwinkeländerung < 40°/s und Radgeschwindigkeitsdifferenz an einer Achse < 2 m/s und 'Kein ABS-Eingriff' und kein 'ASR-Eingriff' und kein 'Fahrzeugreglereingriff' und 'keine Radbeschleunigung > 4 m/s^2 usw.
– Wenn sich das Modellsignal x ^ _Model 'ruhig' verhält, kann auch darauf geschlossen werden, dass dieser Wert zur Zeit eine gute Schätzung liefert. In diesem Fall nimmt die Zeitkonstante T einen Wert T_ruhig an. Sobald beispielsweise entweder der Betrag der ersten oder der zweiten Ableitung von x ^ _Model definierte Grenzen überschreitet, wird auf ein 'unruhiges' Signal erkannt. Diese Entscheidung geschieht in dem Block DQ. In diesem Fall nimmt die Zeitkonstante T den größeren Wert T_unruhig an. Dieser Prozess kann auch mehrstufig aufgebaut sein, wobei diese Zeitkonstante kontinuierlich entsprechend dem Maß der 'Unruhe' verändert wird. Hier kann beispielsweise die Rauschleistung des Signals x ^ _Model herangezogen werden.
– Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit der Abschätzung der Qualität von x ^ _Model erhält man, falls mehrere, voneinander unabhängige Modelle diesen Wert schätzen:

Somit kann beispielsweise die Standardabweichung σ_Model dieser einzelnen Schätzwerte x ^ _Model,i benutzt werden, um die Qualität der Schätzung zu erfassen.
So kann z.B. die Standardabweichung von x ^ _Model zu folgender Größe abgeschätzt werden:
wobei σ₀ die minimale Unsicherheit der gesamten Schätzung auch bei übereinstimmenden Schätzwerten x ^ _Model,i bezeichnet. Somit kann beispielsweise T proportional ZU σ² _Gesamt oder zu σ_Gesamt verändert werden.
Das Prinzip der „gestützten Integration mit adaptiver Rückführung" ist in 3 dargestellt. Die mit Hilfe von Modellen geschätzte Größe x ^ _Model der Größe x ist dabei entlang der oberen Linie eingetragen. Die beispielsweise gemessene zeitliche Ableitung xx _measurable dieser Größe x geht als Eingangssignal in Block 304 ein. Bei Block 304 handelt es sich um einen Additionsblock, in welchem die Größen R/T (in Block 301 ermittelt) und x _measurable addiert werden. Das Ausgangssignal von Block 304 wird in Block 303 zeitlich integriert, Ausgangssignal von Block 303 bildet die Größe x ^ _robust In Block 302 wird die Differenz R = x ^ _Model – x ^ _robust gebildet. Die Größe R wird in Block 301 mit der Größe 1/T multipliziert. Die Größe 1/T wird wiederum in dem mit DQ bezeichneten Block 300 generiert. Block 300 empfängt als Eingangssignal x ^ _Model und bewertet die Qualität bzw. Genauigkeit dieser Größe.
Speziell zur Schätzung der Fahrbahnneigung stehen mehrere Modelle zur Verfügung, die zwar alle auf dem Einspurmodell basieren, die aber unterschiedliche Eingangsgrößen besitzen. Generell kann mittels zweier Größen aus der Dreiergruppe von gemessener Gierrate ω_z,S, gemessener Querbeschleunigung a_y,S und Lenkradwinkel δ_L,S auf die Fahrbahnneigung geschlossen werden. Eine solche Gleichung ist Gl. 4. Zusätzlich gelten die zwei weiteren Gleichungen:
und
Die Größe v_c bezeichnet hierbei die charakteristische Geschwindigkeit, l den Radstand, und i_L die Lenkübersetzung.
4 zeigt die Ermittlung der Genauigkeit eines Schätzwertes des Summenwinkels sowie dessen Mittelwert aus verschiedenen Modellen. Dabei wird

– in Block 401 die Gierrate ω_z,S ermittelt,
– in Block 402 die Querbeschleunigung a_y,S ermittelt und
– in Block 403 der Lenkradwinkel δ_L,S ermittelt.

Weiter wird

– in Block 404 die Größe sin α₁ gemäß Gleichung (4) ermittelt. Block 404 empfängt seine Eingangssignale von den Blöcken 401 und 402.
– in Block 405 die Größe sin α₃ gemäß Gleichung (12) ermittelt. Block 405 empfängt seine Eingangssignale von den Blöcken 401 und 403.
– in Block 406 die Größe sin α₂ gemäß Gleichung (11) ermittelt. Block 406 empfängt seine Eingangssignale von den Blöcken 402 und 403.

Die Ausgangssignale der Blöcke 404, 405 und 406 werden an Block 407 weitergeleitet, welcher
– den Mittelwert x ^ _Model sowie
– die Standardabweichung σ_Model seiner Eingangsgrößen ermittelt. Anhand der Standardabweichung kann in Block 408 die Größe T ermittelt werden.
Auf die beschriebene Art und Weise konnte der Summenwinkel aus Fahrbahnneigung und dem Wankwinkel berechnet werden. Die einzig benötigte Eingangsgröße zur Bestimmung des Wankwinkels selbst ist die gemessene Querbeschleunigung. Im Wesentlichen besteht das Ersatzschaltbild zur Beschreibung des Wankens aus einer gedämpften Drehfeder. In 5 ist der Fahrzeugaufbau 500 in Vorderansicht dargestellt, ebenso sind der Wankwinkel ϕ und die radial nach außen weisende Querbeschleunigung a_y,S eingetragen. Hieraus ergibt sich die einfache Differentialgleichung für die reine Wankbewegung: ϕ Θ + ϕ Cϕ + ϕKϕ = Ray,SMR wobei Θ das Trägheitsmoment der gefederten Masse , C_ϕ die Wankdämpfung, K_ϕ die Wanksteifigkeit, R den Abstand zwischen Rollachse und dem Schwerpunkt der gefederten Masse M_R beschreibt. Diese Gleichung ist einfach numerisch zu lösen, womit der Wankwinkel ϕ zur Verfügung steht. Somit ist die Bestimmung der Fahrbahnneigung mittels der Differenzbildung aus α und ϕ jederzeit möglich. Die Fahrbahnquerneigung sowie der Summenwinkel sind wesentliche Eingangsgrößen für die Fahrdynamik- und die Rückhaltesysteme.
Aus der Kenntnis des Fahrbahnneigungswinkels resultiert eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Fahrdynamikregelungssystems:

– in der Fahrsituation „ Instabiles Übersteuern" wird ein früheres Eingreifen ermöglicht und
– in der Fahrsituation „Steilkurvenfahrt" wird ein unplausibles Eingreifen bzw. eine Fehlabschaltung vermieden Daraus resultiert eine Erhöhung der Verfügbarkeit des Fahrdynamikregelungssystems.

Diese Vorteile beruhen auf einer verbesserten Unterscheidung der beiden Fahrsituationen „Instabiles Übersteuern" (auf nicht geneigter Fahrbahn) und der „Steilkurvenfahrt", die mit Hilfe des Fahrbahn-Neigungswinkels möglich ist.
Neben der Bestimmung des Summenwinkels oder des Fahrbahnneigungswinkels eignet sich das Verfahren auch zur Ermittlung des Schwimmwinkels eines Kraftfahrzeugs.
In modernen Fahrdynamikregelungssystemen gibt es Verfahren, die auf die Bestimmung des Schwimmwinkels β abzielen. Dies ist neben der Gierrate eine ganz zentrale Zustandsgröße, die aber mittels heutiger Sensorik kaum nicht mit wirtschaftlich vertretbaren Mitteln messbar ist. So wird heute der Schwimmwinkel häufig über die entsprechenden Zustandsgleichungen geschätzt, wobei aber gerade in fahrdynamisch kritischen Situationen keine Modellgültigkeit mehr vorliegt und folglich die Schätzung große Fehler aufweist. Diese heutigen Verfahren zum Erkennen des Schwimmwinkels beruhen auf Informationen, die mit der „Standard-Sensorik" eines Fahrdynamikregelungssystems gemessen werden: dem Drehratensensor für die Giergeschwindigkeit, dem Beschleunigungssensor für die Querbeschleunigung und de, Winkelsensor für den Lenkradwinkel, ggf. unterstützt durch die Raddrehzahlen (diese braucht man zur Berechnung der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, welche die oben angesprochenen Verfahren eben falls benötigen). Von Nachteil bei den heute verwendeten Schätzverfahren ist neben den Modellunsicherheiten auch, dass diese Modell nur auf ebenen, also auf nicht geneigten Fahrbahnen gelten.
Zur Bestimmung des Schwimmwinkels während stationären Fahrmanövern (auch auf unebenen Fahrbahnen) stehen beispielsweise die folgenden drei Gleichungen zur Verfügung zur Verfügung:
Hierbei gelten folgende Bezeichnungen:
C_αH: Seitensteifigkeit hinten
v_sp = v_ref = v: Geschwindigkeit des Fahrzeuges tangential zur Bahnkurve oder Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit,
v_c _: Charakteristische Fahrzeuggeschwindigkeit
β: Schwimmwinkel, d.h. der Winkel zwischen v_sp und der Fahrzeuglängsachse,
a_y,S: gemessene Querbeschleunigung
ω_z,S: gemessene Gierrate
m: Gesamtmasse des Fahrzeuges,
J_Z: Trägheitsmoment um die durch SP gehende Hochachse
δ _L,S : Lenkradwinkel
i_L: Lenkübersetzung
l: Radstand
l_v: Abstand zwischen Schwerpunkt und der Vorderachse
l_H: Abstand zwischen Schwerpunkt und der Hinterachse.
Bei der im folgenden beschriebenen Ausführungsform erfolgt die robuste Schätzung des Fahrzeug-Schwimmwinkels mittels der Gierrate, der Querbeschleunigung, des Lenkradwinkels und der Fahrbahnneigung Auch hier wird das Verfahren zur 'Gestützten Integration mit adaptiver Rückführung'von Zustandsgrößen eingesetzt. Dieses Verfahren hat insbesondere den großen Vorteil, dass es sehr robust gegenüber Modellungenauigkeiten arbeitet. Dies gilt insbesondere in fahrdynamisch kritischen Situationen.

– Mittels der drei oben genannten statischen Modelle ist (13), (14) und (15) ist jeweils eine Schätzung einer Zustandsgröße x ^ _Model,i möglich. Diese drei Einzelschätzungen werden zu einer Gesamtschätzung x ^ _Model zusammengefasst. Aus der Streuung der Einzelschätzungen wird auf die Qualität dieser Gesamtschätzung geschlossen. Falls diese Einzelschätzungen große Abweichungen voneinander aufweisen, ist klar, dass Qualität der Schätzung auch reduziert ist.
– Kann zusätzlich auch die Ableitung dieser Zustandsgröße X _measurabl _e bestimmt oder gemessen werden, kann diese Größe zu der eigentlich interessierenden Zustandsgröße x aufintegriert werden. Ein solches Integral divergiert mit zunehmender Messdauer, sobald die beteiligten Eingangsgrößen einen unvermeidbaren Offsetfehler aufweisen.
– Das Verfahren der 'gestützten Integration mit adaptiver Rückführung' vereinigt die Vorteile der beiden Methoden zu einem sehr robusten Schätzverfahren, das im Folgenden detailliert beschrieben wird.

Mit (13) – (15) stehen zur Schätzung des Schwimmwinkels stehen drei Modelle x ^ _Model,i zur Verfügung, die auch auf geneigten Fahrbahnen gelten. Somit bietet es sich an, daraus (wie bereits beschrieben) einen gewichteten Mittelwert des Schwimmwinkels zu berechnen. Die Streuung dieser drei Einzelmessungen σ_Model wird hierbei benutzt, um die Zeitkonstante T zu bestimmen:
Die bekannte fahrdynamische Gleichung ay,S = (ωz,S + )v – g∙sin α, (16) kann nach der zeitlichen Änderung des Schwimmwinkels aufgelöst werden:
Besonders hervorzuheben ist bei dieser Größe, dass hier keinerlei Modellparameter verwendet werden.
6 zeigt die Ermittlung der Genauigkeit eines Schätzwertes des Schwimmwinkels sowie dessen Mittelwert aus verschiedenen Modellen. Dabei wird

– in Block 601 die Gierrate ω_z,S ermittelt,
– in Block 602 die Querbeschleunigung a_y,S ermittelt und
– in Block 603 der Lenkradwinkel δ_L,S ermittelt.

Weiter wird

– in Block 604 der Schwimmwinkel gemäß Gleichung (13) ermittelt. Block 604 empfängt seine Eingangssignale von den Blöcken 601 und 602.
– in Block 605 der Schwimmwinkel gemäß Gleichung (15) ermittelt. Block 605 empfängt seine Eingangssignale von den Blöcken 601 und 603.
– in Block 606 der Schwimmwinkel gemäß Gleichung (14) ermittelt. Block 606 empfängt seine Eingangssignale von den Blöcken 602 und 603.

Die Ausgangssignale der Blöcke 604, 605 und 606 werden an Block 607 weitergeleitet, welcher

– den Mittelwert x ^ _Model sowie
– die Standardabweichung σ_Model seiner Eingangsgrößen ermittelt. Anhand der Standardabweichung kann in Block 608 die Größe T ermittelt werden.

Das Prinzip der „gestützten Integration mit adaptiver Rückführung" in der für den Schwimmwinkel gültigen Ausführungsform ist in 7 dargestellt. Die mit Hilfe von Modellen (beispielsweise der Modelle (13, (14) und (15)) geschätzte Größe x ^ _Model der Größe x ist dabei entlang der oberen Linie eingetragen. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um den Schwimmwinkel. Die zeitliche Ableitung X _measurabl _e des Schwimmwinkels geht als Eingangssignal in Block 704 ein. Bei Block 704 handelt es sich um einen Additionsblock, in welchem die Größen R/T (in Block 701 ermittelt) und x _measurable addiert werden. Das Ausgangssignal von Block 704 wird in Block 703 zeitlich integriert, Ausgangssignal von Block 703 bildet die Größe x ^ _robust. In Block 702 wird die Differenz R = x ^ _Model – x ^ _robust gebildet. Die Größe R wird in Block 701 mit der Größe 1/T multipliziert. Die Größe 1/T wird wiederum in dem mit DQ bezeichneten Block 700 generiert. Block 700 empfängt als Eingangssignal x ^ _Model und bewertet die Qualität bzw. Genauigkeit dieser Größe.
Die zeitliche Ableitung des Schwimmwinkels muss nicht gemessen werden, sondern kann beispielsweise anhand Gleichung (17) in Block 705 ermittelt werden. Als Sensordaten 706 werden Block 705 in diesem Ausführungsbeispiel die gemessene Gierrate sowie die gemessene Querbeschleunigung zugeführt. Weiter weist 7 noch die gestrichelte Zuleitung 707 zu Block 705 sowie die gestrichelte Rückführleitung 708 auf. Die Zuleitung 707 dient zur Zuführung geschätzter Daten zu Block 705, dies ist im Ausführungsbeispiel der Summenwinkel bzw. die Fahrbahnneigung.
Die Rückführung 708 erweist sich beispielsweise bei der Ermittlung des Summenwinkels als vorteilhaft. Wenn als zeitlich abgeleitete Große X _measurabl _e die zeitliche Ableitung des Summenwinkels gemäß Gleichung (9) zur Verfügung stehen soll, dann geht darin die Größe cos(α) ein, wobei der Summenwinkel a eben die zu bestimmende Größe ist. In diesem Fall wird der Summenwinkel α über 708 auf den Eingang von Block 705 zurückgeführt.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer die Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs beeinflussenden Einfussgröße (x ^ _robust) bei dem – ein vorläufiger Wert (x ^ _Model), welcher die Einflussgröße repräsentiert, ermittelt wird, – unabhängig von dieser Ermittlung ein Ableitungswert (x _measurabl _e), welcher die zeitliche Ableitung der Einflussgröße repräsentiert, ermittelt wird und – aus dem vorläufigen Wert (x ^ _Model) und dem Ableitungswert (x _measurabl _e) die Einflussgröße (x ^ _robust) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem vorläufigen Wert (x ^ _Model) um einen durch ein mathematisches Modell ermittelten Schätzwert handelt..
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einflussgröße (x ^ _robust) aus dem vorläufigen Wert (x ^ _Model) sowie dem Ableitungswert (X _measurabl _e) durch ein auf einer Rückkopplung basierenden Verfahren ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dein auf einer Rückkopplung basierenden Verfahren um ein Rekursionsverfahren oder ein Iterationsverfahren handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – dass die Ermittlung der Einflussgröße (x ^ _robust) schrittweise erfolgt, – dass die Differenz (R) zwischen dem vorläufigen Wert (x ^ _Model) und der in einem vorhergehenden Schritt ermittelten Einflussgröße (x ^ _robust) ermittelt wird und – dass diese Differenz (R) in Ermittlung der im aktuellen Schritt ermittelten Einflussgröße (x ^ _robust) eingeht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, – dass die Differenz (R) mit einem Gewichtungsfaktor (1/T) multipliziert in die Rückkopplung des auf einer Rückkopplung basierenden Verfahrens eingeht, wobei – der Gewichtungsfaktor abhängig von der Genauigkeit (DQ) des vorläufigen Wertes ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor (1/T) mit zunehmender Genauigkeit des vorläufigen Wertes ebenfalls zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, – dass die Genauigkeit des vorläufigen Wertes über die Auswertung der Rauschleistung des vorläufigen Wertes ermittelt wird oder – dass die Genauigkeit des vorläufigen Wertes über die Auswertung der ersten oder zweiten zeitlichen Ableitung des vorläufigen Wertes ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – der vorläufige Wert der Einflussgröße (x ^ _Model) aus wenigstens zwei Werten, welche auf unterschiedliche Arten ermittelt wurden, durch eine gewichtete Mittelwertbildung hervorgeht und – dass die Genauigkeit (DQ) des vorläufigen Wertes aus den Abweichungen der wenigstens zwei weiteren Werte untereinander hervorgeht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Ableitungswertes (X _measurabl _e) nur Sensorsignale und Zustandsgrößen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Einflussgröße (x ^ _robust) um – den Schwimmwinkel (β) – oder den Querneigungswinkel der Fahrbahn – oder einen Summenwinkel (α) handelt, wobei der Summenwinkel die Summe von Querneigungswinkel der Fahrbahn und Wankwinkel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem vorläufigen Wert der Einflussgröße (x ^ _Model) um den Schwimmwinkel handelt, wobei in die Ermittlung des Schwimmwinkels β wenigstens eine der drei folgenden mathematischen Beziehungen eingeht, nämlich
und wobei die Symbole in den Beziehungen die folgenden Bedeutungen haben: C_αH: Seitensteifigkeit hinten, V_sp = V_ref = v: Geschwindigkeit des Fahrzeuges tangential zur Bahnkurve oder Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit, v_c: Charakteristische Fahrzeuggeschwindigkeit, β: Schwimmwinkel, d.h. der Winkel zwischen v_sp und der Fahrzeuglängsachse, a_y,S: gemessene Querbeschleunigung, ω_z,S: gemessene Gierrate, m: Gesamtmasse des Fahrzeuges, J_z: Trägheitsmoment um die durch SP gehende Hochachse, δ_L,S: Lenkradwinkel, i_L: Lenkübersetzung, l: Radstand, l_v: Abstand zwischen Schwerpunkt und der Vorderachse, l_H: Abstand zwischen Schwerpunkt und der Hinterachse.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Ableitungswert (X _measurabl _e) um einen durch ein mathematisches Modell ermittelten Ableitungswert handelt.
Vorrichtung zur Ermittlung einer die Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs beeinflussenden Einflussgröße (x ^ _robust) welche – erste Mittel zur Ermittlung eines vorläufigen Wertes (x ^ _Model), welcher die Einflussgröße repräsentiert, – Ableitungsermittlungsmittel, in denen unabhängig von der Ermittlung in den ersten Mitteln ein Ableitungswert (X _measurabl _e), welcher die zeitliche Ableitung der Einflussgröße repräsentiert, ermittelt wird und – zweite Mittel, in denen aus dem vorläufigen Wert (x ^ _Model) und dem Ableitungswert (X _measurabl _e) die Einflussgröße (x ^ _robust) ermittelt wird, enthält.