DE10326562B4

DE10326562B4 - Vorrichtung zur Längsführung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE10326562B4
Application number: DE10326562A
Authority: DE
Inventors: Harald Michi; Michael Scherl; Michael Weilkes; Werner Uhler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: US7096107B2; US20050015184A1; DE10326562A1

Abstract

Vorrichtung zur Längsführung eines Kraftfahrzeugs, mit einer Sensoreinrichtung (10) zur Ortung von Objekten im Vorfeld des Fahrzeugs, einem Regler (12), der zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Ortungsdaten der Sensoreinrichtung eine Führungsgröße (Fa, Fb) für eine Bewegungsgröße des Fahrzeugs erzeugt, und einem Aktor (14, 16), der in Abhängigkeit von der Führungsgröße auf die Bewegungsgröße einwirkt, wobei in einem Speicher (22, 24) ein mathematisches Modell des Aktors (14, 16) gespeichert ist, das das Verhalten des Aktors beschreibt, und ein Kompensationsglied (18, 20) dazu vorgesehen ist, die Führungsgröße (Fa, Fb) anhand des Modells so in die Eingangsgröße (Fa, Eb) umzuwandeln, daß das Verhalten des Aktors kompensiert wird, und wobei die vom Regler (12) erzeugte Führungsgröße (Fa, Fb) durch eine zeitabhängige Funktion (z(t)) gegeben ist und der Regler an das Kompensationsglied die Funktionsvorschrift dieser Funktion (x(t)) ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das mathematische Modell das dynamische Verhalten des Aktors beschreibt, das heißt, einen Zusammenhang zwischen einer dem Aktor zugeführten, durch eine zeitabhängige Funktion (x(t)) gegebene Eingangsgröße (Ea, Eb) und einer durch eine zeitabhängige Funktion (y(t)) gegebenen Ausgangsgröße (Aa, Ab) des Aktors herstellt, und das Kompensationsglied ein Feedforward-Filter (18, 20) ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Längsführung eines Kraftfahrzeugs, mit einer Sensoreinrichtung zur Ortung von Objekten im Vorfeld des Fahrzeugs, einem Regler, der zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Ortungsdaten der Sensoreinrichtung eine Führungsgröße für eine Bewegungsgröße des Fahrzeugs erzeugt, und einem Aktor, der in Abhängigkeit von der Führungsgröße auf die Bewegungsgröße einwirkt, wobei in einem Speicher ein mathematisches Modell des Aktors gespeichert ist, das das Verhalten des Aktors beschreibt, und ein Kompensationsglied dazu vorgesehen ist, die Führungsgröße anhand des Modells so in die Eingangsgröße umzuwandeln, daß das Verhalten des Aktors kompensiert wird, und wobei die vom Regler erzeugte Führungsgröße durch eine zeitabhängige Funktion gegeben ist und der Regler an das Kompensationsglied die Funktionsvorschrift dieser Funktion ausgibt.
Eine Vorrichtung dieser Art wird in DE 196 54 769 A1 beschrieben.
Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung ist ein sogenanntes ACC-System (Adaptive Cruise Control), das es unter anderem gestattet, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs an die Geschwindigkeit eines vorausfahrenden, mit Hilfe eines Radarsystems georteten Fahrzeugs anzupassen, so daß das vorausfahrende Fahrzeug in einem geeigneten Sicherheitsabstand verfolgt wird. Dazu greift das ACC-System in das Antriebssystem und erforderlichenfalls auch in das Bremssystem des Fahrzeugs ein. In diesem Fall gibt es also zwei Aktoren, nämlich das Antriebssystem und das Bremssystem, und die Führungsgrößen beziehen sich auf die Beschleunigung durch das Antriebssystem bzw. auf die Bremsverzögerung. Die Führungsgrößen können jeweils auch durch eine Führungsfunktion über einen definierten Zeitraum beschrieben werden.
Die heute im Einsatz befindlichen ACC-Systeme sind generell für Fahrten mit höherer Geschwindigkeit, beispielsweise auf Autobahnen ausgelegt. Dabei treten im allgemeinen nur geringe Beschleunigungen und Verzögerungen auf, und die Führungsgrößen haben nur eine geringe Dynamik, d. h., kleine zeitliche Änderungsraten, denen die Aktoren mit vernachlässigbarem Zeitverzug folgen können.
Wenn jedoch solche Längsführungssysteme auch in Situationen eingesetzt werden sollen, die durch eine größere Dynamik gekennzeichnet sind, beispielsweise im Stop und Go Verkehr oder im Stadtverkehr, kann das dynamische Verhalten der Aktoren oft nicht mehr vernachlässigt werden.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung mit den in Anspruch 1 angegeben Merkmalen bietet den Vorteil, daß auch in Situationen mit höherer Dynamik eine hinreichend genaue und in ihren Auswirkungen vorhersehbare Einflußnahme auf die jeweilige Bewegungsgröße ermöglicht wird. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß das dynamische Verhalten des Aktors, also beispielsweise des Antriebssystems und/oder des Bremssystems, mit Hilfe mathematischer Modelle weitgehend kompensiert. Das Verhalten jedes Aktors wird dabei durch ein speziell auf diesen Aktor abgestimmtes mathematisches Modell simuliert, das einen Zusammenhang zwischen der dem Aktor zugeführten Eingangsgröße und der vom Aktor ausgegeben Ausgangsgröße herstellt. Anhand dieses Modells ist daher hinreichend genau vorhersehbar, wie sich eine Änderung der Eingangsgröße auf die Ausgangsgröße und damit letztlich auf das Verhalten der gewünschten Bewegungsgröße des Fahrzeugs auswirken wird. Auf dieser Grundlage ist es dann möglich, die Eingangsgröße so anzupassen, daß die vom Aktor erzeugte Ausgangsgröße möglichst genau mit der vom Regler bestimmten Führungsgröße übereinstimmt. Wenn der Regler z. B. eine rasche Beschleunigung des Fahrzeugs fordert, um einem rasch beschleunigenden vorausfahrenden Fahrzeug zu folgen, so wird das Antriebssystem erst mit einer gewissen Verzögerung auf die Beschleunigungsanforderung reagieren. Ein menschlicher Fahrer, der mit dem Verhalten des Fahrzeugs vertraut ist, würde dies dadurch kompensieren, daß er zunächst etwas stärker Gas gibt und dann das Gaspedal rechtzeitig wieder zurücknimmt, um ein Überschießen zu vermeiden, wenn die gewünschte Geschwindigkeit erreicht ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dieses Verhalten des Fahrers durch die Kompensation der Dynamik des Aktors weitgehend nachgebildet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Verhalten eines Aktors läßt sich generell durch eine mathematische Transformation kennzeichnen, die eine zeitabhängige Funktion (die Eingangsgröße) in eine andere zeitabhängige Funktion (die Ausgangsgröße) transformiert. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden vorzugsweise lineare Modelle benutzt, d. h., Modelle, bei denen der Zusammenhang zwischen den beiden zeitabhängigen Funktionen durch eine lineare Differenzialgleichung oder ein System linearer Differenzialgleichungen beschrieben werden kann. Solche linearen Modelle sind einerseits rechnerisch gut zu beherrschen und bilden andererseits in den meisten Fällen das Systemverhalten hinreichend genau ab.
Das Modell, d. h., die Transformation bzw. das ihr zugrunde liegende Differenzialgleichungssystem läßt sich durch einen Satz von Parametern kennzeichnen. Für einen gegebenen Transformationstyp läßt sich das Modell dann optimieren und an die jeweiligen physikalischen Eigenschaften des Aktors anpassen, indem geeignete Werte für diese Parameter eingesetzt werden. Diese Anpassung des Modells kann vorab anhand von Experimenten geschehen, kann jedoch wahlweise auch fortlaufend während des Betriebs der Vorrichtung erfolgen oder fortgesetzt werden, so daß auch eine Anpassung an verschleiß-, alterungs- oder temperaturbedingte Änderungen im Verhalten des Aktors möglich ist. Durch eine ständige Integration und Überwachung der Soll/Ist-Abweichungen kann das Modell fortlaufend optimiert werden.
Aus dem Modell läßt sich (durch Invertieren der mathematischen Transformation) ein Feedforward-Filter erzeugen, der, wenn er auf die vom Regler ausgegebene Führungsgröße angewandt wird, das Eingangssignal für den Aktor liefert, das zu dem gewünschten Verhalten des Aktors führt.
Im allgemeinen schließt die im Feedforward-Filter ausgeführte Operation mindestens eine Differentiation der Führungsgröße ein. Wenn die Führungsfunktion, die die Führungsgröße beschreibt, durch eine Wertetabelle gegeben ist, muß diese Differentiation numerisch ausgeführt werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der Regler die Führungsfunktion direkt in der Form eines analytischen Ausdrucks, also einer Funktionsvorschrift, ausgibt, so daß die numerische Differentiation durch eine analytische Differentiation ersetzt werden kann. Auf diese Weise können insbesondere auch Störeinflüsse vermieden werden, die durch Signalrauschen bedingt sind.
Bei der vom Aktor erzeugten Ausgangsgröße kann es sich unmittelbar um die Bewegungsgröße des Fahrzeugs, also beispielsweise die Antriebsbeschleunigung oder die Bremsverzögerung handeln. Es ist jedoch auch denkbar, daß der Aktor, der durch das Modell beschrieben wird, lediglich ein Element des Antriebssystems oder des Bremssystems ist. Beispielsweise könnte bei einem Fahrzeug mit Vergasermotor der Aktor durch ein Drosselklappenstellglied gebildet werden. Das Ausgangssignal des Aktors wäre dann die Drosselklappenstellung.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
2 Funktionsgraphen einiger Signale, die in der Vorrichtung nach 1 auftreten.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung ist in einem Kraftfahrzeug eingebaut und weist eine Sensoreinrichtung 10 sowie einen Regler 12 auf. Der Regler 12 ist beispielsweise ein ACC-Regler, mit dem die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf eine vom Fahrer vorgebbare Wunschgeschwindigkeit oder auf einen vorgegeben Sollabstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug geregelt werden soll. In diesem Fall umfaßt die Sensoreinrichtung 10 mindestens einen Radarsensor zur Messung des Abstands und der Relativgeschwindigkeit des vorausfahrenden Fahrzeugs. Außerdem umfaßt die Sensoreinrichtung auch Sensoren, die die Bewegungsgrößen des Fahrzeugs erfassen, die für die Regelfunktionen im Regler 12 benötigt werden, insbesondere die Fahrgeschwindigkeit. Gegebenenfalls kann auch die Beschleunigung oder Verzögerung des Fahrzeugs direkt mit einem Beschleunigungssensor gemessen werden.
Der Regler 12 wirkt auf zwei Aktoren 14, 16 ein, die im gezeigten Beispiel durch das Antriebssystem und das Bremssystem des Fahrzeugs gebildet werden. Der Antrieb erzeugt eine Antriebsbeschleunigung Aa, und die Bremse erzeugt eine Bremsverzögerung Ab. Die entsprechenden Geschwindigkeitsänderungen des Fahrzeugs werden von der Sensoreinrichtung 10 erfaßt, so daß der Regelkreis geschlossen wird.
Der Regler 12 gibt eine Führungsgröße Fa für den Aktor 14 (Antrieb) aus. Diese Führungsgröße repräsentiert eine Sollbeschleunigung, die durch den Antrieb erzeugt werden soll. Ziel ist es also, den Aktor 14 so anzusteuern, daß die Antriebsbeschleunigung Aa möglichst genau mit der durch Fa bestimmten Sollbeschleunigung übereinstimmt. Entsprechend gibt der Regler 12 auch eine Führungsgröße Fb für den Aktor 16 (Bremse) aus.
Die Führungsgrößen Fa und Fb werden jedoch nicht direkt den Aktoren 14, 16 zugeführt, sondern werden zunächst in Kompensationsgliedern in der Form von Feedforward-Filtern 18, 20 in Eingangssignale Ea für den Antrieb und Eb für die Bremse umgewandelt. Die Feedforward-Filter 18, 20 haben den Zweck, das dynamische Verhalten der Aktoren 14, 16 so zu kompensieren, daß eine möglichst gute Übereinstimmung der Ausgangsgrößen, also der Antriebsbeschleunigung Aa bzw. der Bremsverzögerung Ab mit der jeweiligen Führungsgröße erreicht wird.
Dies ist in 2 veranschaulicht. Die in 2 fett und gestrichelt eingezeichnete Kurve gibt die Zeitabhängigkeit der Führungsgröße Fa an. Diese Führungsgröße repräsentiert eine Sollbeschleunigung, die zunächst konstant ist, dann zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 rampenförmig ansteigt und ab t2 wieder konstant auf dem höheren Wert bleibt. Würde man diese Führungsgröße Fa direkt als Eingangssignal für den Aktor 14 verwenden, so hätte das Ausgangssignal des Aktors 14 aufgrund der Trägheit des Antriebssystems einen Verlauf, wie er durch die dünn und gestrichelt eingezeichnete Kurve Aa' dargestellt wird. Fett und in durchgezogenen Linien ist in 2 der Signalverlauf des Eingangssignals Ea dargestellt, das durch den Feedforward-Filter 18 aus der Führungsgröße Fa gebildet wird. Da dem Aktor 14 dieses Signal zugeführt wird, hat das tatsächlich erhaltenen Ausgangssignal Aa einen Verlauf, der in 2 durch eine dünne, durchgezogene Kurve dargestellt ist und der die ursprüngliche Führungsgröße Fa sehr gut annähert.
Zur Berechnung des Eingangssignals Ea aus der Führungsgröße Fa wird ein mathematiches Modell benutzt, das bei der in 1 gezeigten Vorrichtung in einem Speicher 22 gespeichert ist und das dynamische Verhalten des Aktors 14 kennzeichnet. Wenn das Eingangssignal Ea durch eine Funktion x(t) und das Ausgangssignal Aa durch eine Funktion y(t) gegeben ist, so beschreibt das Modell eine mathematische Operation, die die Funktion x(t) in die Funktion y(t) überführt. Zur Kennzeichnung des Modells ist es zweckmäßig, die Funktionen x(t) und y(t) einer Laplace-Transformation zu unterziehen. Aus der zeitabhängigen Funktion x(t) wird dann eine Funktion X(s), in der die Variable s die Dimension Zeit^–1 hat. Entsprechend wird aus y(t) eine Funktion Y(s). Ein geeignetes Modell hat dann z. B. die Form: Y(s) = [V/(1 + T₁·s)·(1 + T₂·s)]·X(s). (1)
Darin sind V, T₁ und T₂ Parameter, die so anzupassen sind, daß das tatsächliche dynamische Verhalten des Aktors 14 möglichst genau wiedergegeben wird. Dieses Modell ist linear und hat zudem den Vorteil, daß es keine Totzeitglieder (keine Faktoren der Form e^(–τ·s)) enthält.
Der Feedforward-Filter, der sich aus dem oben angegebenen Modell ergibt, erhält man einfach dadurch, daß man die Transformation X(s) -> Y(s) invertiert. Im Raum der Laplace-transformierten Funktionen hat der Feedforward-Filter also die Form: F_FF = (1 + T₁·s)·(1 + T₂·s)/V. (2)
Wenn nun die Führungsgröße Fa durch eine zeitabhängige Funktion z(t) beschrieben wird, so erhält man daraus durch Laplace-Transformation eine Funktion Z(s), und die Funkton x(t), die den gewünschten Verlauf des Eingangssignals Ea beschreibt, erhält man, indem man auf den Ausdruck F_FF * Z(s) die inverse Laplace-Transformation anwendet. Die Funktion z(t) hat beispielsweise die Form eines stückweise definerten Polynoms, dessen Funktionsvorschrift vom Regler 12 an den Feedforward-Filter 18 übergeben und dort analytisch verarbeitet wird. Alternativ erhält man die Funktion x(t), indem man den Feedforward-Filter im Zeitbereich formuliert und auf die Funktion z(t) anwendet. Hierbei ist es oft ausreichend, wenn man x(t) bis zu einer bestimmten Ordnung als Taylorentwicklung um t = 0 bestimmt.
In entsprechender Weise liefert ein Modell, das in einem Speicher 24 abgelegt ist und das dynamische Verhalten des Aktors 16 repräsentiert, den Feedforward-Filter 20 für die Führungsgröße Fb.
Der Regler 12 enthält Soll/Ist-Vergleicher 26, 28, die die verbleibenden, im allgemeinen relativ geringen Abweichungen zwischen den Führungsgrößen Fa, Fb und den jeweils zugehörigen Ausgangsgrößen Aa, Ab erfassen und deren Absolutbeträge oder Quadrate über die Zeit integrieren. Wenn die so erhaltenen Integrale einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, bedeutet dies, daß das Modell das Verhalten des betreffenden Aktors nicht genau genug beschreibt. In diesem Fall wird ein Korrektursignal Ca an ein Parametrierungsmodul 30 bzw. 32 ausgegeben, und die Modellparameter (die Größen V, T₁ und T₂) werden neu angepaßt, um eine bessere Übereinstimmung zu erzielen. Da im allgemeinen bekannt ist, wie die einzelnen Parameter sich auf das Modell und damit auf das Verhalten des Feedforward-Filters auswirken, läßt sich ein geeigneter Algorithmus für die Parameteranpassung aufstellen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Parameter ”evolutiv” anzupassen, indem jeweils zufällige kleine Veränderungen an den Parametern vorgenommen werden. Veränderungen, die zu einer Verbesserung der Übereinstimmung führen, werden beibehalten, während Veränderungen, die zu einer Verschlechterung führen, verworfen werden.
Die Funktionen des Reglers 12, der Feedforward-Filter 18, 20 und der Parametrierungsmodule 30, 32, die in 1 als getrennte Blöcke dargestellt sind, können in der Praxis auch von einem einzigen geeignent programmierten Mikrorechner ausgeführt werden.

Claims

Vorrichtung zur Längsführung eines Kraftfahrzeugs, mit einer Sensoreinrichtung (10) zur Ortung von Objekten im Vorfeld des Fahrzeugs, einem Regler (12), der zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Ortungsdaten der Sensoreinrichtung eine Führungsgröße (Fa, Fb) für eine Bewegungsgröße des Fahrzeugs erzeugt, und einem Aktor (14, 16), der in Abhängigkeit von der Führungsgröße auf die Bewegungsgröße einwirkt, wobei in einem Speicher (22, 24) ein mathematisches Modell des Aktors (14, 16) gespeichert ist, das das Verhalten des Aktors beschreibt, und ein Kompensationsglied (18, 20) dazu vorgesehen ist, die Führungsgröße (Fa, Fb) anhand des Modells so in die Eingangsgröße (Fa, Eb) umzuwandeln, daß das Verhalten des Aktors kompensiert wird, und wobei die vom Regler (12) erzeugte Führungsgröße (Fa, Fb) durch eine zeitabhängige Funktion (z(t)) gegeben ist und der Regler an das Kompensationsglied die Funktionsvorschrift dieser Funktion (x(t)) ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das mathematische Modell das dynamische Verhalten des Aktors beschreibt, das heißt, einen Zusammenhang zwischen einer dem Aktor zugeführten, durch eine zeitabhängige Funktion (x(t)) gegebene Eingangsgröße (Ea, Eb) und einer durch eine zeitabhängige Funktion (y(t)) gegebenen Ausgangsgröße (Aa, Ab) des Aktors herstellt, und das Kompensationsglied ein Feedforward-Filter (18, 20) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (12) auf mehrere Aktoren (14, 16) einwirkt, denen jeweils ein mathematisches Modell zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (14) oder einer der Aktoren das Antriebssystem des Fahrzeugs ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (16) oder einer der Aktoren das Bremssystem des Fahrzeugs ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mathematische Modell ein lineares Modell ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Soll/Ist-Vergleicher (26, 28) zum Vergleich der Ausgangsgröße (As, Ab) mit der Führungsgröße (Fa, Fb) und durch ein Parametrierungsmodul (30, 32) zur Anpassung der Modellparameter in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis des Soll/Ist-Vergleichers.