DE10321825A1

DE10321825A1 - Erzeugung von Lenk-Gefühl in Steer-by-Wire Systemen

Info

Publication number: DE10321825A1
Application number: DE10321825A
Authority: DE
Inventors: Muqtada Husain; Behrouz Ashrafi; Gregory Stout
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: GB0307355D0; US20030220727A1; GB2388829B; DE10321825B4; US6678596B2; GB2388829A; JP2003335254A

Abstract

Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Reaktions-Moments in einem Steer-by-Wire Lenksystem weist auf: eine manuelle Lenkeinrichtung (10); einen Rückkopplungs-Generator (34); einen Sensor (26) für die Fahrzeuggeschwindigkeit; einen Sensor (32) für die Lenkposition; einen Sensor (20) für die Last an einem Lenkantrieb und eine Steuerungseinheit (24), die zur Berechnung eines Satzes von kombinierten Werten von Reaktions-Moment eingerichtet ist, wofür sie ein Eingangssignal des Sensors (32) für die Lenkungs-Position und des Sensors (20) für die Last am Lenkantrieb empfängt, diese Eingangs-Signale bearbeitet und einen Satz von Werten für das Reaktions-Moment berechnet und die Werte für das Reaktions-Moment in einen Satz von kombinierten Werten für das Reaktionsmoment kombiniert. Der Satz von Werten für das kombinierte Reaktions-Moment ist geschwindigkeitsabhängig und wird an den Rückkopplungs-Generator (34) übertragen, um Lenkgefühl in der manuellen Lenkeinrichtung (10) zu erzeugen.

Description

Hintergrund der Erfindung

Technisches Umfeld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lenksystem für ein Fahrzeug, das steuerbare Räder entsprechend den Aktionen eines Fahrers bewegt, wobei die steuerbaren Räder nicht mechanisch verbunden sind mit den manuellen Steuerungs-Elementen.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein typisches Kraftfahrzeug wird gesteuert, indem die Aktion einer manuell betätigten Lenkeinrichtung, wie zum Beispiel einem Lenkrad, auf einen Lenkungs-Mechanismus übertragen werden, so dass dieser die lenkbaren Räder entsprechend ausrichtet. Im allgemein ist das manuelle Lenkelement innerhalb des Passagier-Innenraums des Fahrzeugs angeordnet, und die lenkbaren Räder sind an der Vorderseite des Fahrzeugs angeordnet. Daher ist ein geeigneter Lenkmechanismus erforderlich, um die manuelle Lenkeinrichtung und die lenkbaren Räder zu koppeln.
Ein repräsentativer Lenkmechanismus ist ein Lenkmechanismus nach Art einer Zahnstangenlenkung. In einer Zahnstangenlenkung wird die Drehbewegung des Lenkrads durch eine Lenksäule auf ein Zahnstangen-Getriebe an ihrem äußeren Ende übertragen. Das Zahnstangen-Getriebe steht mit einem Lenkgetriebe in Verbindung, das lateral zwischen den steuerbaren Rädern angeordnet ist, die wiederum mit dem Lenkgetriebe durch Spurstangenhebel und Spurstangen verbunden sind.
Mechanische Lenksysteme, wie die oben beschriebenen, haben eine Anzahl von Einschränkungen. Da das manuelle Lenkelement und der Lenkmechanismus mechanisch in einer bestimmten Weise gekoppelt sind, ist die Position des manuellen Lenkelements innerhalb des Passagierraumes des Fahrzeugs eingeschränkt. Außerdem beschränken die Größe und das Gewicht der Kupplungs- und Verbindungselemente die Konstruktion und die Leistung des Fahrzeugs. Letztendlich sind repräsentative Lenkmechanismen dafür ausgelegt, eine Drehbewegung vom Fahrer aufzunehmen, wobei das manuelle Lenkelement im Allgemeinen ein Lenkrad ist. Deswegen werden alternative Lenkelemente, wie zum Beispiel Hebel, Handgriffe und Pedale nur in eingeschränktem Umständen eingesetzt.
Um solche Einschränkungen zu überwinden, ist vorgeschlagen worden, ein Lenksystem zu verwenden, in dem das manuelle Lenkelement nicht mechanisch mit den lenkbaren Rädern gekoppelt ist und die Lenkbewegungen durch einen elektrisch gesteuerten Motor erzeugt werden, was eine so genannte drahtgesteuerte Vorrichtung, bzw. Steer-by-Wire System bzw. Vorrichtung darstellt. In einem ist Steer-by-Wire System arbeitet ein Lenkungs- Antrieb entsprechend den erfassten Werten von verschiedenen Lenkungs- Parametern, wie dem Winkel des Lenkrads und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs etc. Die erfassten Werte werden elektronisch von Sensoren zum Lenkantrieb kommuniziert, worauf hin der Lenkantrieb die lenkbaren Räder in die gewünschte Richtung auslenkt.
Steer-by-Wire Systeme lösen eine Anzahl von Problemen, wie sie oben beschrieben sind. Zusätzlich gibt es eine Anzahl von weiteren Vorteilen, die den Steer-by-Wire Systemen angeboren sind und die nicht in den mechanisch gekoppelten Gegenstücken möglich waren. Ein Steer-by-Wire Lenksystem kann leicht in andere elektronisch gesteuerte Systeme integriert werden, um die Effizienz und Leistung des Fahrzeugs zu erhöhen.
Obwohl ein Steer-by-Wire System die vorangehend genannten Vorteile bietet, zeigt es aber auch eine Anzahl von Problemen. Da keine direkte mechanische Kopplung zwischen dem Fahrer und den lenkbaren Rädern besteht, empfängt der Fahrer keinerlei Rückkopplung durch den Lenkungsmechanismus von der Oberfläche der Straße. Um dieses Problem zu lösen, haben Entwicklungs-Ingenieure einen Motor für die Lenkmoment-Reaktion eingesetzt, um die Rückkopplung, die der Fahrer erhält, zu simulieren. Der Motor für die Lenkmoment-Reaktion erzeugt ein Reaktionsmoment, im allgemein auf das Lenkrad, auf Basis einer Anzahl von Lenkungs-Parametern wie der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, dem Winkel des Lenkrades, und dem Zustand der Straßenoberfläche.
Das US Patent Nr. 6,079,513 stellt eine Lenkeinrichtung für ein Fahrzeug dar, die eine Einrichtung zur Berechnung eines Zielwertes für das Reaktionsmoment aufweist. Der Zielwert ist charakterisiert durch einen selbstjustierenden Drehmoment-Term, einen Term für den elastischen Widerstand und einen Termin für den Trägheits-Widerstand. Der selbst justierende Drehmoment-Term basiert auf den ermittelten Werten der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Position des Lenkungsmechanismus. Der Term für den elastischen Widerstand ist proportional zu der Abweichung zwischen einem ermittelten Wert für den operativen Lenkwinkel der Lenkeinrichtung und dem gemessenen Wert für die tatsächliche Position. Der Term für den Trägheitswiderstand ist proportional zu einem zeitlich veränderlichen Wert der berechneten Abweichung. Weiterhin beschrieben wird ein Sensor für die Bedingungen in der Kurven-Fahrt und Einrichtungen zur Korrektur des Reaktionsmoments, das an dem Lenkelement angreift für den Fall, dass das Fahrzeug den äußersten Wendekreis erreicht, in Einklang mit den gemessenen Werten für die Kurvenfahr-Bedingungen des Fahrzeugs.
Das Verfahren mit einem Zielwert zur Erzeugung eines Reaktionsmoments in einem Steer-by-Wire Programm bringt aber verschiedene Probleme mit sich. Zum Beispiel bildet das Verfahren mit dem Zielwert die gerade aktuellen Zustände der lenkbaren Räder nicht akkurat ab, da das Reaktionsmoment arithmetisch auf Basis der aktuellen sensorisch erfassten Lenkungs-Bedingungen ermittelt wird. Zusätzlich müssen die Zielwerte für verschiedenartige Fahrbedingungen vorgegeben sein, was einen langwierigen Prozess erfordert und die Aufwendungen, die die Entwicklungs-Ingenieure erbringen müssen, um die Vorrichtung einzustellen, erhöht.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist dafür ausgelegt, um die vorangehend beschriebenen Probleme zu lösen. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Steer-by- Wire Lenkungssystem, das in der Lage ist, ein Reaktionsmoment an eine manuelle Lenkeinrichtung zu übertragen, das arithmetisch berechnet und sensitiv für die Geschwindigkeit ist. Die vorliegende Erfindung erzeugt das Reaktionsmoment, indem eine Vielzahl von Fahrbedingungen sensorisch erfasst und verfolgt wird, und dann das Reaktionsmoment, das auf die manuelle Landlenkeinrichtung angewandt wird und das adaptiert ist auf Basis der Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
Die prinzipiellen Leistungen und Eigenschaften dieser Erfindung umfassen eine Vielzahl von Sensoren oder Einrichtungen zur Bestimmung von Fahrbedingungen wie (1) Last am Lenkantrieb, (2) Schräglauf-Winkel des Rades, (3) Lenkungs-Winkel, (4) Scherungsrate, (5) Quer-Beschleunigung und (6) Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Sensoren übermitteln die Eingangsgrößen elektronisch zu einer Steuerungseinheit, die dafür eingerichtet ist, arithmetische anfängliche Werte für Momente als Antwort darauf zu berechnen, die Reaktionsmomente in einem Satz von kombinierten Reaktionsmoment- Werten zusammen zu setzen, die kombinierten Reaktionsmoment-Werte zu normalisieren in einen resultierenden Wert für das Reaktionsmoment umzusetzen und den resultierenden Wert für das Reaktionsmoment auf einen Rückkopplungs-Generator zu übertragen.
Zu Beginn wählt die Steuerungseinheit einen Satz von Einstell-Parametern für jedes Eingangssignal. Die Einstellparameter sind definiert als A_pi, A_hi, B_pi, B_hi, und ihre physikalische Bedeutung ist in diesem Dokument nachfolgend diskutiert. Jeder Sensor erzeugt ein Eingangssignal F_i, auf das unabhängig voneinander eine Vielzahl von Gleichungen für die Reaktions-Momente SWT_p (F_i) und SWT_h (F_i), angewendet werden, um arithmetisch einen Satz von Anfangswerten des Reaktions-Moments zu berechnen. Die Steuerungseinheit kombiniert dann die Anfangswerte der Reaktions-Momente auf Basis der Fahrzeuggeschwindigkeit v, und eines Geschwindigkeits-Kombinations- Parameters k_bi (v), und erzeugt damit einen Satz von kombinierten Werten für Reaktions-Momente SWT (F_i). Jeder kombinierte Wert für das Reaktions- Moment erhält dann eine Gewichtskonstante w_i, wobei w_i durch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt ist. Um das endgültige Reaktions-Moment T (F_i,v) zu bestimmen, summiert die Steuerungseinheit die Produkte SWT (F_i) w_i und überträgt den erhaltenen Wert auf den Rückkopplungs- Generator, wodurch das Reaktionsmoment in der manuellen Lenkeinrichtung erzeugt wird.
Auf diese Weise erhält die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung empirische Daten von einer Vielzahl von Sensoren und verarbeitet diese Daten arithmetisch in Echtzeit. Die vorliegende Erfindung verarbeitet weiterhin die empirischen Daten, indem jedem Reaktions-Moment, das aus einem Eingangssignal berechnet wird, ein Gewichtsfaktor als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit zugewiesen wird. Zum Beispiel sind bei geringeren Fahrzeug Geschwindigkeiten die Gierrate bzw. Scherungsrate, Quer- Beschleunigung, Lenkantriebsbelastung, und Schräglaufwinkel des Rades schlechte Indikatoren für die Rückkopplung, die im Allgemeinen in einem mechanisch gekoppelten Lenksystem an den Fahrer zurückgegeben wird. Dementsprechend erhält jeder der Werte für das Reaktionsmoment, der als Antwort auf die Eingangswerte berechnet wird, einen relativ kleinen Gewichtsfaktor. Auf der anderen Seite ist bei geringen Fahrzeug- Geschwindigkeiten der Lenkwinkel ein wichtiger Indikator für die im Allgemeinen an den Fahrer zurückgegebene Rückkopplung. Deshalb erhält der als Antwort berechnete Wert für das Reaktionsmoment einen relativ hohen Gewichtsfaktor.
In einer vergleichenden Betrachtung lässt sich feststellen, dass bei hohen Fahrzeug Geschwindigkeiten die Lenkantriebs-Belastung, Scherungs-Rate, Quer-Beschleunigung und Schräglaufwinkel des Rades gute Indikatoren für die Rückkopplung sind, die im Allgemeinen in einem mechanisch gekoppelten Lenkungsmechanismus an den Fahrer zurückgegeben werden. Dementsprechend erhält jeder der Werte für das Reaktionsmoment, der als Antwort auf die Eingangs-Werte berechnet wird, einen relativ hohen Gewichtsfaktor.
Dementsprechend sind in der vorliegenden Erfindung die Werte für die Reaktions-Momente, die aus dem Eingangssignal berechnet werden, geeignet gewichtet als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und des gewünschten Lenkgefühls. Nachdem der Gewichtungs-Prozess abgeschlossen ist, werden dem anfänglichen Werte für das Reaktionsmoment aufsummiert, um einen endgültigen Wert für das Reaktionsmoment zu bestimmen, der an den Rückkopplungs-Generator übertragen wird, mit Hilfe dessen dann Rückkopplung auf die manuelle Lenkungseinrichtung erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung beschreibt weiterhin ein alternatives Lenksystem, in dem die lenkbaren Räder unabhängige Lenk-Antriebe besitzen, im Gegensatz zu einer festen Kopplung, die längs zwischen den lenkbaren Rädern angeordnet ist. In dieser Ausführung ist mindestens je ein Sensor für die Last am Lenkantrieb an den unabhängigen Lenkantrieben angeordnet, um die Belastung zu messen, die durch die lenkbaren Räder auf den Lenkantrieb ausgeübt wird.
Die obigen und weitere Objekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in größerer Tiefe aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und der begleitenden Zeichnung verständlich. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Block-Diagramm, das die Gesamt-Struktur einer Lenkungs-Vorrichtung für ein Fahrzeug in Einklang mit der vorliegenden Erfindung darstellt, in der die lenkbaren Räder durch einen einzigen Lenkantrieb miteinander verbunden sind,
Fig. 2 ein schematisches Block-Diagramm, das die Gesamt-Struktur einer Lenkungs-Vorrichtung für ein Fahrzeug in Einklang mit der vorliegenden Erfindung darstellt, in der die lenkbaren Räder mit unabhängigen Lenk- Antrieben verbunden sind,
Fig. 3 ein Flussdiagramm, das den Ablauf der Steuerung des Reaktions- Moments entsprechend der vorliegenden Erfindung beschreibt,
Fig. 4 einen typischen Graphen, der die Abhängigkeit zwischen Belastung des Lenkantriebs und Reaktionsmoment an der Lenkung beschreibt,
Fig. 5 einen Graphen, der eine Vielzahl von Abhängigkeiten zwischen Lenkantriebs-Belastung und Reaktions-Moment an der Lenkung mit der Fahrzeuggeschwindigkeit als Parameter beschreibt,
Fig. 6 einen Graphen, der den kombinierten Wert des Reaktions-Moments in Abhängigkeit von der Lenkantriebs-Belastung zeigt,
Fig. 7 einen Graphen, der eine Vielzahl von Abhängigkeiten zwischen Reaktions-Moment an der Lenkung und Eingangs-Signalen F_i beschreibt, wobei der Index die erfassten Parameter 1 bis 5 bezeichnet,
Fig. 8 einen Graphen, der eine Vielzahl von Abhängigkeiten zwischen Reaktions-Moment an der Lenkung und Eingangs-Signalen F_i beschreibt, wobei der Index die erfassten Parameter 1 bis 5 bezeichnet, und der weiterhin zeigt, dass die Eingangs-Signale 1 bis 5 entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit normalisiert worden sind und
Fig. 9 einen Graphen, der eine Vielzahl von Abhängigkeiten zwischen Reaktions-Moment an der Lenkung und Eingangs-Signalen F_i beschreibt, wobei der Index die erfassten Parameter 1 bis 5 bezeichnet, und der weiterhin zeigt, dass die F_i aufsummiert worden sind, um ein resultierendes Reaktions- Moment an der Lenkung darzustellen, in Einklang mit der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung

In Einklang mit der bevorzugten Ausführung dieser Erfindung zeigt Fig. 1 ein Block-Diagramm der Struktur einer Einrichtung, die Reaktions-Moment in einem manuellen Lenkelement erzeugt. Die Lenkeinrichtung ist vorgesehen für Steer-by-Wire Lenksysteme, in denen das manuell lenkbare Element 10 nicht mechanisch mit den lenkbaren Rädern 12 verbunden ist. Vielmehr empfängt die Steuerungseinheit 24 elektrische Eingangs-Signale von Sensoren (nicht gezeigt), die die mechanische Bewegung der manuellen Lenkeinrichtung 10 erfassen, worauf hin die Steuerungseinheit 24 den Lenkantrieb 14 anweist, die Bewegung der lenkbaren Räder 12 entsprechend den Absichten des Fahrers vorzunehmen.
Der Lenkantrieb 14 ist so angeordnet, dass er sich koaxial mit der Lenkspindel 15 zusammenschließt. Die Lenkspindel 15 ist so eingerichtet, dass sie sich lateral zwischen den lenkbaren Rädern 12 erstreckt. Die Lenkspindel 15 ist für die seitliche Bewegung vorgesehen, mit der die Räder 12 nach rechts oder links ausgerichtet werden können, indem die Lenkspindel 15 in die entsprechende Richtung bewegt wird. Um die Lenkspindel 15 in eine seitliche Richtung zu bewegen, weist der Lenkantrieb 14 einen Motor oder eine andere Einrichtung auf, die geeignet ist, um die Lenkspindel 15 um eine Strecke zu verschieben, die durch die Steuerungseinheit 24 bestimmt ist.
In Fig. 2 ist die Ausführung der vorliegende Erfindung mit zwei unabhängigen Lenk-Antrieben 14a, 14b dargestellt, die an den lenkbaren Rädern angeordnet sind, um die lenkbaren Räder in einer Art und Weise auszurichten, die durch die Steuerungseinheit 24 vorgegeben ist. Dabei wird die Last am Lenkantrieb gemessen und übertragen durch unabhängige Sensoren für die Last am Lenkantrieb 20, die an jedem Lenkantrieb 14a und 14b angeordnet sind. Die Steuerungseinheit 24 ist eingerichtet, um die Signale von den Sensoren für die Last am Lenkantrieb zu empfangen und weiterhin die Signale von den Sensoren für den Schräglauf-Winkel des Rades 22, den Sensor für die Lenk-Position 32, den Sensor für die Fahrzeuggeschwindigkeit 26, den Sensor für die Quer-Beschleunigung 28 und den Sensor für die Scherungs- Rate 30 aufzunehmen.
Die Lenk-Antriebe 14, 14a, 14b werden durch ein Signal von der Steuerungseinheit 24 angetrieben, die ein Eingangssignal von dem Sensor für die Lenkposition 32 empfängt, das mit einer Betätigung der manuellen Lenkeinrichtung 10 korrespondiert. Da keine mechanische Kopplung zwischen der manuellen Lenkeinrichtung 10 und den Lenkantrieben 14, 14a, 14b besteht, muss in der manuellen Lenkeinrichtung 10 künstlich ein Reaktions-Moment erzeugt werden, um den Fahrer des Fahrzeugs von der aktuellen Richtung der lenkbaren Räder 12 und dem allgemeinen Lenkzustand des Fahrzeugs zu unterrichten.
Ein Rückkopplungs-Generator 34 ist mit der manuellen Lenkeinrichtung 10 in der Art und Weise verbunden, dass der Rückkopplungs-Generator 34 ein Reaktions-Moment in der manuellen Lenkeinrichtung 10 erzeugt. Der Rückkopplungs-Generator 34 erzeugt das Reaktionsmoment als Antwort auf ein elektrisches Signal, das von der Steuerungseinheit 24, mit der der Rückkopplungs-Generator 34 elektronisch gekoppelt ist, bestimmt ist und von dort übermittelt wird. Der Rückkopplungs-Generator 34 ist dafür vorgesehen, ein Reaktions-Moment zu erzeugen, das eine mechanische Rückkopplung auf das Lenkelement 10 nachbildet. Die Größe und Richtung des Reaktions-Moments wird in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs berechnet und erzeugt durch die Steuerungseinheit 24. Auf diese Weise erfährt der Fahrer des Fahrzeugs mechanischen Widerstand, wenn er das Fahrzeug aus der Orientierung für Geradeausfahrt in eine Orientierung für Kurvenfahrt steuert. Auf der anderen Seite wird der Rückkopplungs- Generator 34 dem Fahrer mechanische Hilfe geben, wenn das Fahrzeug aus einer Orientierung für Kurvenfahrt zu einer Geradeausfahrt gelenkt wird.
Die Steuerungseinheit 24 ist dafür eingerichtet, elektrische Signale zum Rückkopplungs-Generator 34 zu übertragen, der das Reaktions-Moment in der manuellen Lenkeinrichtung 10 in Abhängigkeit von dem Lenkzustand des Fahrzeugs erzeugt. Bei der Auslenkung der lenkbaren Räder 12 entsprechend den Absichten des Fahrers muss der Lenkantrieb 14, 14a, 14b eine Kraft ausüben, um die Trägheitskräfte und Reibungskräfte zu überwinden, die auf die lenkbaren Räder 12 einwirken. Ein Sensor für die Last am Lenkantrieb 20 misst die Last am Lenkantrieb 14, 14a, 14b und überträgt diese Information auf die Steuerungseinheit 24. Zusätzlich ist die manuelle Lenkeinrichtung 10 mit einem Sensor für die Lenkposition 32 zur Messung und Kommunikation der Position der manuellen Lenkeinrichtung 10 gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführung ist die Steuerungseinheit 24 auch mit einem Sensor für die Fahrzeuggeschwindigkeit 26, Sensoren für Schräglauf- Winkel des Rades 22, einem Sensor für die Quer-Beschleunigung 28 und einem Sensor für die Scherungs-Rate 30 gekoppelt, die alle an verschiedenen Orten innerhalb des Fahrzeugs angeordnet sein können.
Die Steuerungseinheit 24 ist eingerichtet, um Eingangs-Signale vom Sensor für die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 26, von dem Sensor für Last am Lenkantrieb 20, von den Sensoren für Schräglauf-Winkel des Rades 22, vom Sensor für Lenkposition 32, vom Sensor für Scherungs-Rate 30 und vom Sensor für Quer-Beschleunigung 28 zu empfangen. Jeder der vorangehend genannten Sensoren 26, 20, 22, 32, 30 und 28 erfasst die entsprechenden Fahrbedingungen und erzeugt als Antwort darauf ein Eingangssignal, das mit einer messbaren Größe korrespondiert, die Einfluss auf den Lenkzustand des Fahrzeugs hat. In der bevorzugten Ausführung werden die vorangehend genannten Sensoren 26, 20, 22, 32, 30 und 28 mit ihrer sensorischen Erfassung einer bestimmten Messgröße beschrieben. Allerdings stellt die vorliegende Erfindung auch Überlegungen zu verschiedenen Ausführungen dar, bei denen einer der Sensoren oder eine Kombination aus den vorangegangenen Sensoren 26, 20, 22, 32, 30 und 28 einen Eingangswert auf eine andere Weise ermittelt, wie zum Beispiel über eine Abschätzung auf Basis einer algorithmischen Verarbeitung. Nichtsdestoweniger versorgt jeder Sensor die Steuerungseinheit 24 mit einem entsprechenden Eingangssignal.
Die Beziehung zwischen jedem Sensor und seinem entsprechenden Eingangs Signal zur Steuerungseinheit ist unten gezeigt. Auf die Vielzahl der Eingangs-Signale F₁, F₂, F₃, F₄ wird zusammengefasst Bezug genommen als Satz von Eingangs-Signalen definiert als F₁
Die Steuerungseinheit 24 bestimmt das Reaktions-Moment in einer Reihe von Schritten, die in Fig. 3 dargestellt sind. In Schritt S1 wählt die Steuerungseinheit eine Vielzahl von Einstell-Parametern für jedes Eingangssignal. Die Einstellparameter sind definiert als: A_pi, A_hi, B_pi, B_hi, wobei der Index den Zustand des Parkens bezeichnet und der Index <h> den Zustand der Autobahnfahrt bezeichnet. Die Einstell-Parameter sind spezifisch für jedes Eingangssignal (F_i) definiert, da jedes Eingangssignal eine unterschiedliche Messung beschreibt, zum Beispiel wenn Lenkmoment aufgezeichnet ist gegen ein Eingangssignal F_i (z. B. für den Zustand des Parkens), dann ist A_pi die Messung der asymptotischen Grenze des Lenk-Moments und A_pi/B_pi eine Messung des zentrierten Gradienten für diese Kurve. In ähnlicher Weise ist A_hi eine Messung der asymptotischen Grenze des Lenk-Moments und A_hi/B_hi ist eine Messung des zentrierten Gradienten für diese Kurve für den Zustand der Autobahnfahrt.
In Schritt S2 empfängt die Steuerungseinheit 24 die Eingangs-Signale F₁, F₂, F₃, F₄, und F₅.
In Schritt S3 berechnet die Steuerungseinheit 34 einen Satz von anfänglichen Werten für das Reaktions-Moment SWT, zwei Funktionen für jede der F_is in der Art und Weise, dass die anfänglichen Werte des Reaktions- Moments ein Satz von Funktionen SWT(F_i) sind, die sowohl zum Zustand des Parkens und zum Zustand der Autobahnfahrt korrespondieren. Das bedeutet, dass für jedes der Eingangs-Signale zwei SWT-Funktionen existieren, die die dementsprechenden Parameter für Parken- und Autobahn-Einstellung enthalten. Die erste SWT-Funktion für ein gegebenes Eingangssignal entsprechend der Parken-Bedingung ist gegeben als:

(1) SWT_p (F_i) = A_pi sgn (F_i) [1-exp(-Abs(F_i/B_pi)],

wobei "sgn" die "signum-Funktion" Funktion (Vorzeichen-Funktion) darstellt, die so definiert ist, dass, wenn der Wert von F_i kleiner Null ist, Sgn (F_i) den Wert minus eins annimmt, und wenn der Wert von F_i größer als Null ist, Sgn (F_i) den Wert plus eins annimmt, in anderen Worten, abhängig von dem Vorzeichen des Eingangssignals diktiert die Signum-Funktion (die Vorzeichen-Funktion) die Richtung für die Anwendung des Reaktions-Moments. Abs(x) bedeutet Absolutwert von x.
Die zweite Gleichung, die SWT-Funktion für ein gegebenes Eingangssignal entsprechend den Bedingungen der Autobahnfahrt, ist gegeben durch

(2) SWT_h (F_i) = A_hi sgn (F_i) [1-exp(-Abs(F_i/B_hi)].
In der bevorzugten Ausführung erhält man als Resultat von Schritt S3 zehn (10) SWT-Werte entsprechend zu jeder der fünf Größen F_i, die unter sowohl den Bedingungen des Parkens und der Autobahnfahrt berechnet sind. Die Steuerungseinheit 24 berechnet diese SWT-Werte in Echtzeit mit Hilfe der Sensor-Signale F_i.
In Schritt S4 ermittelt die Steuerungseinheit 24 die gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit v, mit Hilfe des Sensors für die Fahrzeuggeschwindigkeit 26.
Die Steuerungseinheit 24 geht weiter zu Schritt S5, indem sie die Kombinations-Parameter für die Fahrzeuggeschwindigkeit k_bi auswählt mit dem Zweck, die entsprechenden SWT_p (F_i) und SWT_h (F_i) Funktionen für jedes F_i. zu gewichten. Der Kombinations-Parameter für die Fahrzeuggeschwindigkeit k_bi ist eine reale Zahl, die größer als Null aber kleiner als eins ist. Der Wert von k_bi ist direkt proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit. Das bedeutet, dass dann, wenn sich die Fahrzeug-Geschwindigkeit auf die Autobahn- Geschwindigkeit erhöht, wie zum Beispiel auf 100 Kilometer pro Stunde, sich der Wert von k_bi dem Wert eins nähert. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit sich auf die Geschwindigkeit des Parkens oder Anhaltens verringert, geht der Wert von k_bi auf den Wert Null. Die Steuerungseinheit 24 wählt k_bi auf Basis von programmierten Parametern, die auf Basis des Typs des Fahrzeugs ausgewählt sind, das die vorliegende Erfindung verwendet. Es ist eine Eigenschaft der vorliegenden Erfindung, dass der Wert von k_bi zwischen verschiedenen F_i variieren kann.
Wenn einmal der Wert für die Kombinations-Parameter der Fahrzeuggeschwindigkeit k_bi gewählt ist, geht die Steuerungseinheit 24 weiter zu Schritt S6, in dem eine Kombinations-Funktion für die Fahrzeuggeschwindigkeit implementiert ist, in der die entsprechenden SWT_p (F_i) und SWT_h (F_i) Funktionen geeignet für jedes F_i zu gewichtet werden. Die Kombination wird mit Hilfe der folgenden Funktion durchgeführt:

(3) SWT (F_i) = SWT_p (F_i).(1-k_bi) + SWT_h (F_i).k_bi,

wobei, wie bemerkt, der Wert der Kombinations-Parameter für die Fahrzeuggeschwindigkeit k_bi durch die Steuerungseinheit 24 geeignet gewählt wird.
Nach Abschluss des Schrittes S6 sind die Eingangs-Signale zu einer Funktion für jedes F_i verarbeitet, die so verändert sind, dass sie geeignete Kombinations-Parameter für verschiedene Fahrzeuggeschwindigkeiten bereitstellen.
In der bevorzugten Ausführung weist der Satz von F_i Werten Eingangs- Signale F₁, F₂, F₃, F₄, und F₅, auf, die bearbeitet sind, um einen Satz von Werten SWT_i zu erzeugen, der die Werte für das kombinierte Reaktions- Moment SWT₁, SWT₂, SWT₃, SWT₄, und SWT₅ aufweist. Dementsprechend schließt Schritt S6 mit einem Satz von Werten für das kombinierte Reaktions-Moment ab, die mit Hilfe eines Satzes von Werten für F_i erhalten werden.
Um nun die kombinierten Werte für das Reaktions-Moment SWT₁, SWT₂, SWT₃, SWT₄, und SWT₅, geeignet zu normalisieren, wählt die Steuerungseinheit 24 in Schritt S7 einen Satz von Normalisierungswerten aus, die abhängig von der Geschwindigkeit, w_i (v) sind, wobei der Satz w_i (v) aus w₁ (v), w₂ (v), w₃ (v), w₄ (v), und w₅ (v) besteht. Das numerische Gewicht von jedem der w_i (v) Werte ist durch den Typ des Fahrzeugs vorgegeben, in dem die vorliegende Erfindung eingesetzt wird, und durch das allgemeine Lenkgefühl, das die Entwickler herstellen möchten.
Nachdem nun die Steuerungseinheit einen Satz von Normalisierungswerten w_i (v) ausgewählt hat, wird jeder der w_i (v) Werte mit den korrespondierenden Werten des kombinierten Reaktions-Moments in Schritt S8 gepaart. Die Paarung läuft so ab, dass w_i (v) gepaart wird mit SWT₁, w₂ (v) gepaart wird mit SWT₂, und so weiter. Wenn nun jeder Wert w_i (v) mit dem entsprechenden SWT₁ gepaart ist, werden alle Werte w_i (v) SWT_i miteinander multipliziert und dann aufsummiert, um ein endgültiges Reaktions-Moment zu erzeugen. Wie in der folgenden Gleichung gezeigt, ist das endgültige Reaktions-Moment die Summe der normalisierten und kombinierten Werte für das Reaktionsmoment, einschließlich aller der gemessenen Eingangs-Signale. Das heißt

wobei der griechische Buchstabe Sigma, "Σ", anzeigt, dass das Argument der Funktion über den Index aufsummiert wird.
Wenn nun der das endgültige Reaktions-Moment T berechnet ist, überträgt die Steuerungseinheit 34 ein Signal zum Rückkopplungs-Generator 34, wodurch ein dementsprechendes Reaktions-Moment in der manuellen Lenkeinrichtung 10 erzeugt wird.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist Fig. 4 eine beispielhafte graphische Darstellung für die mathematische Abhängigkeit zwischen SWT (F1) und F1, wobei F1 das Eingangssignal ist, das die Last am Lenkantrieb darstellt, die durch den Sensor für die Last am Lenkantrieb 20 gemessen und übertragen wird. Wie gezeigt ist Fig. 4 ein Graph der Gleichung (1) oder Gleichung (2), der das exponentielle Verhältnis zwischen dem Anfangswert der Reaktionskraft und der Last am Lenkantrieb darstellt. Ähnliche repräsentative Graphen können auch für die anderen Eingangs-Signale (alle Fi, für i = 1 bis 5) aufgezeigt werden.
Fig. 5 ist ein Graph ähnlich Fig. 4, außer dass dieser sich speziell nur auf einen Quadranten des Graphen bezieht. Fig. 5 ist pin Graph der Gleichung (1), wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit ungefähr 0 km/h ist, und von Gleichung (2), wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit ungefähr 100 Kilometer pro Stunde ist. Wie in Fig. 5 dargestellt, erzeugt, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zunimmt, die Last am Lenkantrieb ein relativ größeres anfängliches Reaktions-Moment und ermöglicht es dadurch, dass die Rückkopplungen zur Lenkung geschwindigkeits-sensitiv ist.
Fig. 6 ist ein Graph, der den Wert eines kombinierten Reaktions-Moments auf Basis der Last am Lenkantrieb und einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 20 Kilometer pro Stunde zeigt. Das bedeutet, dass die Werte für das anfängliche Reaktionsmoment von Fig. 5 mit Hilfe der Kombinationsparameter für die Fahrzeuggeschwindigkeit k_bi kombiniert worden sind. Fig. 6 stellt dar, wie die Steuerungseinheit 24 zu Schritt S6 übergeht, in welchem eine Kombinationsfunktion für die Fahrzeuggeschwindigkeit implementiert ist, um die entsprechenden SWT_p (F₁) und SWT_h (F₁) Funktionen für die Last am Lenkantrieb für eine gegebene Fahrzeuggeschwindigkeit geeignet zu gewichten.
Fig. 7 ist ein schematischer Graph, der die Abhängigkeit zwischen SWT_i und allen der F_i darstellt, die in der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Die Kurven sind in einer Art nummeriert, die ihrer jeweiligen Gruppierung im Satz der F_i entspricht. Das bedeutet, F₁ ist das Eingangssignal, das die Last am Lenkantrieb repräsentiert, die durch den Sensor für die Last am Lenkantrieb 20 gemessen und kommuniziert ist, F₂ ist das Eingangssignal, das den Schräglauf-Winkel repräsentiert, der durch den Sensor für den Schräglauf-Winkel des Rades 22 gemessen und kommuniziert ist, usw.
Fig. 8 ist ein schematischer Graph, der die Abhängigkeit zwischen SWTi und allen der Fi darstellt, die in der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Wie in Fig. 7 sind die Kurven in einer Art und Weise nummeriert, die zu ihren jeweiligen Gruppierung im Satz der F_i korrespondiert. Allerdings sind in Fig. 8 die Kurven mit einem Satz von Normalisierungs-Werten w_i (v) normalisiert, wobei jeder der Normalisierungs-Werte w_i (v) mit dem jeweiligen korrespondierenden Wert des kombinierten Reaktions- Moments gepaart ist, wie weiter oben beschrieben. Obwohl die jeweiligen Kurven in absteigender Ordnung von 1 bis 5 dargestellt sind, ist jede Orientierung der Kurven möglich, sie hängt ab von den Eingangs-Parametern der jeweiligen Sensoren und auch von den Besonderheiten der Funktionen, die in der Steuerungseinheit 24 eingesetzt werden.
Fig. 9 ist ein schematischer Graph, der das resultierende Reaktions-Moment T als eine Summe von allen fünf Kurven aus Fig. 8 darstellt, entsprechend Schritt S8, wie er in der Steuerungseinheit 24 implementiert ist. In der Gesamtschau zeigen die Fig. 4 bis 9 eine Darstellung, wie das Steuerungssystem Rohdaten als Eingangsgrößen empfängt und ein resultierendes Reaktions-Moment T erzeugt, auf Grund dessen dann die Steuerungseinheit 24 den Rückkopplungs-Generator 34 anweist, ein Reaktions-Moment in einer manuellen Lenkeinrichtung 10 zu generieren.
Da diese Erfindung in verschiedenen Formen realisiert werden kann, ohne vom Geist und den wichtigen Charakteristiken weg zu gehen, sind die bevorzugten Ausführungen illustrativ und nicht restriktiv, da die der Schutzbereich der Erfindung durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert ist.

Claims

1. Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Reaktions-Moment an einer lenkbaren Einrichtung in einem Kraftfahrzeug mit einem Steer-by-Wire Lenksystem, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine manuelle Lenkeinrichtung (10);
einen Rückkopplungs-Generator (34), der mit der manuellen Lenkeinrichtung (10) gekoppelt ist und der ein Reaktions-Moment erzeugt;
einen Sensor (26) für die Fahrzeuggeschwindigkeit, der die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt;
einen Sensor (32) für die Lenkposition, der die Position der manuellen Lenkeinrichtung (10) erfasst;
einen Sensor (20) für die Last an einem Lenkantrieb, der die Last auf dem Lenkantrieb ermittelt;
eine Steuerungseinheit (24) zur Berechnung eines Satzes von kombinierten Werten des Reaktions-Moments durch (i) Empfang von Eingangssignalen vom Sensor (32) für die Lenkposition und vom Sensor (20) für die Last am Lenkantrieb, (ii) Bearbeitung dieser Eingangssignale mit einem Satz von Gleichungen für das Reaktionsmoment, um arithmetisch einen Satz von Reaktionsmoment-Werten zu berechnen, und (iii) Kombinieren der besagten Werte für das Reaktionsmoment in einen Satz von Werten für das kombinierte Reaktions-Moment auf Basis eines Eingangssignals vom Sensor (26) für die Fahrzeuggeschwindigkeit;
wobei der genannte Satz von Gleichungen für das Reaktionsmoment eine Vielzahl von nichtlinearen Funktionen aufweist, die von empirischen Daten abgeleitet sind, und wobei der genannte Satz von Gleichungen für das Reaktions-Moment eingerichtet ist für Echtzeit- und kontinuierlichen Betrieb unter Zugrundelegung der Eingangs-Signale vom Sensor (26) für die Fahrzeuggeschwindigkeit, vom (32) Sensor für die Lenkposition und vom Sensor (20) für die Last am Lenkantrieb; und
wobei der genannte Satz von kombinierten Werten des Reaktions-Moments auf den Rückkopplungs-Generator (34) übertragen wird und dieser das Reaktions-Moment in der manuellen Lenkeinrichtung (10) erzeugt.

2. Die Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die manuelle Lenkeinrichtung (10) ein Lenkrad ist.

3. Die Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (32) für die Lenkposition ein Sensor für den Winkel des Lenkrades ist.

4. Die Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von kombinierten Werten des Reaktions-Moments dadurch geschwindigkeitsabhängig ist, dass das Eingangssignal von dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor (26) berücksichtigt wird, wodurch ein geschwindigkeitsabhängiges Reaktions-Moment erzeugt wird.

5. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Sensor (28) für die Quer-Beschleunigung aufweist.

6. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Sensor (30) für die Gier- bzw. die Scherungs-Rate aufweist.

7. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Sensor (22) für den Schräglauf-Winkel eines Rades (12) aufweist.

8. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Sensor (28) für die Quer-Beschleunigung und einen Sensor (30) für die Scherungsrate aufweist.

9. Die Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Sensor (28) für die Quer-Beschleunigung und einen Sensor (22) für den Schräglauf-Winkel eines lenkbaren Rades (12) aufweist.

10. Die Vorrichtung entsprechend Patentspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Sensor (28) für die Quer-Beschleunigung, einen Sensor (30) für die Scherungs-Rate und einen Sensor (22) für den Schräglauf-Winkel eines lenkbaren Rades (12) aufweist.