DE10327591B4

DE10327591B4 - System zum Detektieren des Flächenprofils einer Fahrstraße

Info

Publication number: DE10327591B4
Application number: DE10327591.6A
Authority: DE
Inventors: Jianbo Lu; Todd Allen Brown
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2014-12-04
Anticipated expiration: 2023-06-19
Also published as: DE10327591A1; GB0312583D0; GB2389828A; US20030236606A1; US6718248B2; GB2389828B

Abstract

Steuersystem (18) für ein Kraftfahrzeug (10) mit einer Fahrzeugkarosserie, mit: einem ersten Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein erstes Winkelgeschwindigkeitssignal entsprechend einer ersten Winkelbewegung der Fahrzeugkarosserie erzeugt, einem zweiten Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein zweites Winkelgeschwindigkeitssignal entsprechend einer zweiten Winkelbewegung der Fahrzeugkarosserie erzeugt, einem Querbeschleunigungssensor (32), der ein Querbeschleunigungssignal entsprechend einer Querbeschleunigung (ay) des Schwerpunktes der Fahrzeugkarosserie erzeugt, einem Radgeschwindigkeitssensor (20), der ein Radgeschwindigkeitssignal entsprechend der Radgeschwindigkeit des Fahrzeugs erzeugt, und einer Steuereinrichtung (26), die mit dem ersten Winkelgeschwindigkeitssensor, dem zweiten Winkelgeschwindigkeitssensor, dem Querbeschleunigungssensor (32) und dem Radgeschwindigkeitssensor (20) gekoppelt ist, gekennzeichnet durch einen Längsbeschleunigungssensor (36), der mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist und der ein Längsbeschleunigungssignal entsprechend der Längsbeschleunigung (ax) des Schwerpunktes der Fahrzeugkarosserie erzeugt, wobei die Steuereinrichtung (26) einen ersten Ebenheitsindex (FI1) und einen zweiten Ebenheitsindex (FI2) aus dem ersten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem zweiten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem Querbeschleunigungssignal, dem Längsbeschleunigungssignal und dem Radgeschwindigkeitssignal bestimmt, und wobei die Steuereinrichtung (26) einen Straßenlängsneigungswinkel (θLängsneigung) und einen Straßenquerneigungswinkel (θQuerneigung) in Antwort auf den ersten Ebenheitsindex und den zweiten Ebenheitsindex bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff von Anspruch 10.
System und Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 10 sind zum Beispiel aus der DE 196 07 050 A1 bekannt. Aus der DE 198 21 617 C1 sind ferner Steuersysteme und Verfahren zum Steuern eines Kraftfahrzeugs bekannt.
Es wurde jüngst begonnen dynamische Steuersysteme für Kraftfahrzeuge in verschiedenen Produkten anzubieten. Dynamische Steuersysteme steuern typischerweise das Gieren des Fahrzeugs durch Steuern der Bremsleistung an den verschiedenen Rädern des Fahrzeugs. Giersteuersysteme vergleichen typischerweise die gewünschte Richtung des Fahrzeugs basierend auf dem Lenkradwinkel und der Fahrtrichtung. Durch Regulieren der Bremsstärke an jeder Ecke des Fahrzeugs kann die gewünschte Fahrtrichtung aufrechterhalten werden. Typischerweise sind die Dynamiksteuersysteme des Fahrzeugs nicht auf das Wanken gerichtet. Insbesondere bei Fahrzeugen mit hoher Seitenfläche wäre es wünschenswert die Überrollcharakteristik des Fahrzeugs zu Steuern, um die Fahrzeugposition in Bezug auf die Straße aufrecht zu erhalten. Das heißt, es ist wünschenswert den Kontakt der vier Reifen des Fahrzeugs mit der Straße aufrecht zu erhalten.
Bei einer Fahrzeugüberrollsteuerung ist es wünschenswert die Fahrzeuglage zu ändern, so dass es mit Hilfe der Betätigung von verfügbaren Aktivsystemen, wie beispielsweise eines steuerbaren Bremssystems, eines Lenksystems und eines Aufhängungssystems, unterbunden wird, dass die Fahrzeugbewegung entlang der Wankrichtung ein vorherbestimmtes Limit (Überroll-Limit) erreicht. Obwohl die Fahrzeuglage genau definiert ist, sind gewöhnlich direkte Messungen unmöglich.
Es gibt zwei Arten von Fahrzeuglagen, die zu unterscheiden sind. Das eine ist die so genannte Globallage, die durch den Winkelgeschwindigkeitssensor abgetastet wird. Das andere ist die Relativlage, die durch die relativen Winkelpositionen des Fahrzeugs in Bezug auf die Straßenfläche beschrieben wird, auf der das Fahrzeug fährt. Die Globallage des Fahrzeugs ist auf das Erd-Koordinatensystem (oder das so genannte Inertialkoordinatensystem), Meereshöhe oder eine flache Straße bezogen. Sie kann direkt auf die drei Winkelgeschwindigkeitskreiselsensoren bezogen werden. Die Relativlage des Fahrzeugs wird hingegen durch die relativen Winkelpositionen des Fahrzeugs in Bezug auf die Straßenfläche beschrieben, die immer entsprechend unterschiedlicher Geländeform sind. Anders als bei der Globallage gibt es hier keine Kreiselsensoren, die mit der Relativlage direkt in Bezug gebracht werden können. Eine vernünftige Abschätzung ist, dass ein einwandfreies Relativlage-Abtastsystem sowohl die Kreiselsensoren (wenn die Straße flach ist, deckt das Relativlage-Abtastsystem die Globallage ab) als auch einige andere Sensorsignale verwendet.
Ein Grund für das Unterscheiden von Relativ- und Globallage rührt von der Tatsache her, dass Fahrzeuge gewöhnlich auf einer dreidimensionalen Straßenfläche unterschiedlicher Geländeform gefahren werden, nicht immer auf einer flachen Straßenfläche. Das Fahren auf einer Straßenfläche mit großer Straßenquerneigung erhöht die Überrolltendenz, d. h., eine große Ausgabegröße von dem Globallage-Abtastsystem könnte auf ein unkontrolliertes Überrollereignis eindeutig hinweisen, unabhängig von dem Flache-Straße-Fahren und dem 3-D-Straße-Fahren. Beim Fahren auf einer dreidimensionalen Straße mit moderatem Straßenquerneigungswinkel kann es jedoch sein, dass von der Globallage eine nicht ausreichende Genauigkeit zum Erkennen eines Überrollereignisses zur Verfügung gestellt wird. Ein Fahrezeugüberrollen passiert, wenn eine Seite des Fahrzeugs von der Straßenfläche eine lange Zeitdauer ohne zurückzukehren abgehoben ist. Wenn ein Fahrzeug auf einer Straße mit Querneigung fährt, wird das Globallage-Abtastsystem eine gewisse Lageinformation aufgreifen, sogar wenn das Fahrzeug kein Abheben der Räder (die vier Räder sind immer in Kontakt mit der Straßenfläche) erfährt. Deshalb liefert ein Messen der relativen Winkelpositionen des Fahrzeugs bezogen auf den Abschnitt der Straßenfläche, auf dem das Fahrzeug fährt, eine höhere Genauigkeit hinsichtlich des Abtastens des Überrollereignisses als die Globallage, wenn das Fahrzeug auf einer Straße mit moderatem Querneigungswinkel fährt. Deshalb ist es wichtig, den Straßenquerneigungszustand für die genaue Fahrzeugüberrollstabilitätssteuerung zu bestimmen.
Ein anderes Beispiel des Erfassens des Straßenprofils könnte in Antriebsstrangsteuerungen verwendet werden, wobei die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnisses oder des Brennstoffzündzeitpunkts derart ist, dass diese zur Absicht des Fahrers passen, so dass die Antriebsleistung oder die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs zur momentanen Fahrbedingung passen. Obwohl der Fahrer das Profil einer Fahrstraße erkennen und das Fahrzeug entsprechend steuern kann, ist die Straßenzustandsinformation nicht direkt mit Antriebsstrangsteuerungen rückgekoppelt, da es keine Straßenzustandsinformation gibt, die erfasst und für derzeitige Fahrzeugsteuerungssysteme verwendet wird. Daher kann ein optimaler Spritverbrauch nicht erreicht werden.
In der US 57 03 776 A wird die Verwendung eines Schaltpositionsabtastteils eines Getriebes, eines Motorumdrehungsabtastteils, eines Beladungsgradabtasters, eines Bremspedalbetriebszustandsabtasters zum Erhalt einer sehr groben Messung der Longitudinalneigung der Straßenfläche betrachtet. Diese Erfindung stellt eine raffiniertere Abschätzung der Straßenneigung unter Verwenden der Sensorsätze zur Verfügung, mit denen ein Fahrzeugdynamiksteuersystem ausgestattet ist.
Gemäß einem anderen Beispiel antwortet ein Aktiv-Wanksteuersystem, das einen Querstabilisator verwendet, bei herkömmlicher Einstellung nicht passend zu der Querneigung, da die Präsenz der Straßenquerneigung nicht erfasst werden kann und daher antwortet das System auf eine Querneigung, als wie wenn das Fahrzeug um die Kurve fährt. Das kann zu einem unnötigen Leistungsverbrauch des Querstabilisators führen. Um dies zu eliminieren, stellt die WO 99/64 262 A1 eine sehr grobe Abschätzung der Straßenquerneigung unter Verwendung eines Seitenbeschleunigungssensors und einer Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit zur Verfügung.
In einem zusätzlichen Beispiel kann bei einem Fahrzeug, das auf einer Straße mit einer hohen Querneigung fährt, eine falsche Aktivierung des Gierstabilitätssteuersystems und/oder des Wankstabiltätssteuersystems wegen der Tatsache verursacht werden, dass eine große Seitenbewegung durch Sensorsignale bestimmt wird, sogar wenn das Fahrzeug im stationären Zustand auf der quergeneigten Straße fährt.
Deshalb ist es wünschenswert in einer Fahrzeugdynamiksteuerung und in einer zukünftigen Antriebsstrangsteuerung und Fahrzeugsteuerungen die Straßenquerneigung und die Straßenlängsneigung genau zu erfassen und mit großer Genauigkeit die Fahrzeugsteuersysteme zu aktivieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Steuersystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, womit in einfacher und dennoch sicherer Weise Fahrbahnlängs- und -querneigung erfasst werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Steuersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Diagrammdarstellung eines Fahrzeugs mit verschiedenen Vektoren und Koordinatensystemen gemäß der Erfindung,
2 eine Frontansicht eines Kraftfahrzeugs auf einer Fahrbahn mit Querneigung,
3 eine Seitenansicht eines Fahrzeugs auf einer Fahrbahn mit Längsneigung,
4 ein Blockdiagramm eines Stabilitätssystems gemäß der Erfindung,
5 ein Ablaufdiagramm des Betriebs gemäß der Erfindung.
In den Figuren sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Erfindung wird bevorzugt in Verbindung mit einem Giersteuersystem oder einem Überrollsteuersystem für ein Kraftfahrzeug verwendet. Jedoch kann die Erfindung auch mit einer anderen Sicherheits-Einrichtung verwendet werden, wie beispielsweise einem Airbag oder einem Überrollbügel. Die Erfindung wird im Folgenden hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen bezogen auf ein Kraftfahrzeug erläutert, das sich in einem dreidimensionalen Straßengelände bewegt.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10 mit einem erfindungsgemäßen Sicherheitssystem mit verschiedenen, darauf wirkenden Kräften und Momenten. Das Fahrzeug 10 hat einen rechten und einen linken Vorderreifen 12a und 12b und einen rechten und einen linken Hinterreifen 13a und 13b. Das Fahrzeug 10 kann auch eine Mehrzahl von verschiedenen Arten von Frontlenksystemen 14a und Hecklenksystemen 14b haben, wobei jedes der Vorder- und der Hinterräder mit einem entsprechenden, steuerbaren Aktuator konfiguriert ist, wobei die Vorder- und die Hinterräder ein herkömmliches System aufweisen, bei dem die beiden Vorderräder zusammen gesteuert werden als auch die beiden Hinterräder zusammen gesteuert werden, wobei ein System eine herkömmliche Frontsteuerung und eine unabhängig steuerbare Hecksteuerung für jedes Rad, oder umgekehrt, hat. Im Allgemeinen hat das Fahrzeug ein Gewicht, das durch Mg im Schwerpunkt des Fahrzeugs repräsentiert ist, wobei g = 9,8 m/s² und M die Gesamtmasse des Fahrzeugs ist.
Wie vorhergehend beschrieben, kann das System auch mit Aktiv/Semi-Aktiv-Aufhängungssystemen verwendet werden, einem Überrollbügel oder anderen Sicherheitssystemen, die auf Abtasten von vorausbestimmten dynamischen Zuständen des Fahrzeugs aufgebracht oder aktiviert werden.
Das Abtastsystem 16 ist mit einem Steuersystem 18 gekoppelt. Das Abtastsystem 16 verwendet bevorzugt einen Standard-Gierstabilitätssteuersensorsatz (mit einem Seitenbeschleunigungssensor, einem Giergeschwindigkeitssensor, einem Lenkwinkelsensor und einem Radgeschwindigkeitssensor) zusammen mit einem Wankgeschwindigkeitssensor und einem Längsbeschleunigungssensor. Die verschiedenen Sensoren werden im Folgenden beschrieben. Die Radgeschwindigkeitssensoren 20 sind an den vier Rädern des Fahrzeugs montiert und die restlichen Sensoren des Abtastsystems 16 sind bevorzugt direkt im Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie montiert, entlang der in 1 gezeigten Richtungen x, y und z. Der Fachmann bemerkt, dass das Koordinatensystem aus b₁, b₂ und b₃ als ein Karosseriekoordinatensystem 22 bezeichnet wird, dessen Ursprung im Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie angeordnet ist, wobei b₁ der nach vorne zeigenden x-Achse entspricht, b₂ der seitlich zur Fahrtrichtung zeigenden y-Achse (nach links) entspricht und b₃ der nach oben zeigenden z-Achse entspricht. Die Winkelgeschwindigkeiten der Fahrzeugkarosserie werden um ihre jeweiligen Achsen mit ω_x für die Wankgeschwindigkeit, ω_y für die Nickgeschwindigkeit und ω_z für die Giergeschwindigkeit angegeben. Die erfindungsgemäßen Berechnungen werden bevorzugt im Inertialkoordinatensystem 24 ausgeführt, das von dem Karosseriekoordinatensystem 22 wie nachfolgend beschrieben abgeleitet werden kann.
Die Winkelgeschwindigkeitssensoren und die Beschleunigungssensoren sind an der Fahrzeugkarosserie entlang der Karosseriekoordinatensystemrichtungen b₁, b₂ und b₃ angebaut, die die x-y-z-Achsen der gefederten Fahrzeugmasse sind.
Der Längsbeschleunigungssensor ist an der Fahrzeugkarosserie angebaut und im Schwerpunkt angeordnet, mit seiner Abtastrichtung entlang der b₁-Achse, wobei seine Ausgabegröße als a_x bezeichnet wird. Der Querbeschleunigungssensor ist an der Fahrzeugkarosserie angebaut und im Schwerpunkt angeordnet, mit seiner Abtastrichtung entlang der b₂-Achse, wobei seine Ausgabegröße als a_y bezeichnet wird.
Das andere, in der folgenden Diskussion verwendete Koordinatensystem weist das Straßenkoordinatensystem auf, wie in 1 dargestellt. Das Straßenkoordinatensystem r₁r₂r₃ ist fest mit der befahrenen Straßenfläche, wobei die r₃-Achse entlang der mittleren Straßennormalenrichtung verläuft, die aus den Normalenrichtungen der vier Reifen/Straßenkontaktstellen berechnet wird.
In der folgenden Diskussion werden die Euler-Winkel des Karosseriekoordinatensystems b₁b₂b₃ bezüglich des Straßenkoordinatensystems r₁r₂r₃ als q_xr, q_yr und q_zr bezeichnet, die auch relative Euler-Winkel genannt werden.
Erfindungsgemäß werden die relativen Euler-Winkel q_xr und q_yr basierend auf den verfügbaren Sensorsignalen und den Signalen, die aus den gemessenen Werten berechnet werden, abgeschätzt.
Wie aus 2 ersichtlich, wird erfindungsgemäß ein Straßenquerneigungswinkel Θ_Querneigung bestimmt, der relativ zu dem Fahrzeug 10 auf der Straßenfläche gezeigt ist.
Wie aus 3 ersichtlich wird erfindungsgemäß ein Straßenlängsneigungswinkel Θ_{Längsneigung} bestimmt, der relativ zu dem Fahrzeug 10 auf der Straßenfläche gezeigt ist.
In 4 ist ein Wankstabilitätssteuersystem 18 detaillierter gezeigt, das eine Steuereinrichtung 26 hat, die zum Empfangen von Informationen von einer Mehrzahl von Sensoren verwendet wird, die einen Giergeschwindigkeitssensor 28, einen Geschwindigkeitssensor 20, einen Querbeschleunigungssensor 32, einen Wankgeschwindigkeitssensor 34, einen Lenkwinkelsensor 35 (Lenkradposition), einen Längsbeschleunigungssensor 36, einen Nickgeschwindigkeitssensor 37 und einen Lenkwinkelpositionssensor 39 umfassen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden nur zwei Drehgeschwindigkeitssensoren verwendet. Wenn zwei dieser Drehgeschwindigkeiten bekannt sind, kann die andere unter Verwendung von herkömmlichen verfügbaren Sensoren abgeleitet werden. Bevorzugt werden ein Giergeschwindigkeitssensor und ein Wankgeschwindigkeitssensor als die Drehgeschwindigkeitssensoren verwendet. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind die Sensoren im Schwerpunkt des Fahrzeugs angeordnet. Der Fachmann erkennt, dass der Sensor auch versetzt vom Schwerpunkt angeordnet und dementsprechend umgewandelt werden kann.
Querbeschleunigung, Wankorientierung und Geschwindigkeit können unter Verwendung eines Global-Positioning-Systems (GPS) erlangt werden. Basierend auf den Eingabegrößen von den Sensoren kann die Steuereinrichtung 26 eine Sicherheitseinrichtung 38 steuern. Abhängig von der gewünschten Empfindlichkeit des Systems und verschiedener anderer Faktoren brauchen nicht alle Sensoren 28–39 in einer kommerziellen Ausführungsform verwendet werden. Die Sicherheitseinrichtung 38 kann einen Airbag 40, ein Aktiv-Bremssystem 41, ein Aktiv-Frontlenksystem 42, ein Aktiv-Hecklenksystem 43, ein Aktiv-Aufhängungssystem 44 und ein Aktiv-Querstabilisatorsystem 45, oder Kombinationen davon, steuern. Jedes der Systeme 40–45 kann seine eigene Steuereinrichtung zur jeweiligen Aktivierung haben. Wie vorhergehend beschrieben, ist das Sicherheitssystem 38 bevorzugt mindestens das Aktiv-Bremssystem 41.
Der Wankgeschwindigkeitssensor 34 und der Nickgeschwindigkeitssensor 37 können auch vorgesehen sein, um den Wankzustand des Fahrzeugs basierend auf Abtasten der Höhe von einem oder mehreren Punkten des Fahrzeugs relativ zur Straßenfläche abzutasten. Sensoren, die dafür verwendet werden, können einen radarbasierten Annäherungssensor, einen laserbasierten Annäherungssensor und einen sonarbasierten Annäherungssensor aufweisen.
Der Wankgeschwindigkeitssensor 34 und der Nickgeschwindigkeitssensor 37 können auch vorgesehen sein, um den Wankzustand basierend auf Abtasten des relativen Linear- oder Drehversatzes oder der Versatzgeschwindigkeit von einer oder mehreren Aufhängungs-Chassis-Komponenten abtasten, wobei die dafür verwendeten Sensoren einen Höhen- oder einen Hub-Linearsensor, einen Höhen- oder einen Hub-Drehsensor, einen Radgeschwindigkeitssensor, der verwendet wird, um einen Geschwindigkeitswechsel zu erfassen, einen Lenkradpositionssensor, einen Lenkradgeschwindigkeitssensor und eine Fahrtrichtungs-Fahrerbefehlseingabe von einer elektronischen Komponente aufweisen können, die ”Steer-by-Wire” unter Verwendung eines Handrades oder eines Joysticks aufweisen kann.
Der Wankzustand kann auch durch Abtasten der Kraft oder des Moments abgetastet werden, die mit dem Belastungszustand einer oder mehrerer Aufhängungs- oder Chassis-Komponenten in Zusammenhang stehen, die einen Druck-Messwertaufnehmer in einer Aktiv-Luftaufhängung, einen Schwingungsdämpfersensor, wie zum Beispiel eine Kraftmessdose, ein Dehnungsmessanzeigeinstrument, die Lenksystemabsolut- oder -relativmotorlast, den Lenksystemdruck der Hydraulikleitungen, einen Reifenquerkraftsensor oder -sensoren, einen Reifenlängskraftsensor, einen Reifenvertikalkraftsensor oder einen Reifenseitenwandtorsionsensor aufweist.
Der Wankzustand des Fahrzeugs kann auch durch eine oder mehrere der folgenden Translations- oder Drehpositionen, Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen des Fahrzeugs ermittelt werden, mit einem Wankkreisel, dem Wankgeschwindigkeitssensor 34, dem Giergeschwindigkeitssensor 28, den Querbeschleunigungssensor 32, einem Vertikalbeschleunigungssensor, einem Fahrzeuglängsbeschleunigungssensor, einem Quer- oder Vertikalgeschwindigkeitssensor mit einem radbasierten Geschwindigkeitssensor, einem radarbasierten Geschwindigkeitssensor, einem sonarbasierten Geschwindigkeitssensor, einem laserbasierten Geschwindigkeitssensor oder einem optikbasierten Geschwindigkeitssensor.
Basierend auf den Eingangsgrößen von den Sensoren 28–39 bestimmt die Steuereinrichtung 26 einen Wankzustand und steuert irgendeine oder mehrere der Sicherheitsvorrichtungen 40–45.
Der Geschwindigkeitssensor 20 kann einer von den verschiedenen, aus dem Stand der Technik bekannten Geschwindigkeitssensoren sein. Beispielsweise könnte ein geeigneter Geschwindigkeitssensor an jedem Rad einen Sensor aufweisen, dessen Erfassungswerte durch die Steuereinrichtung 26 gemittelt werden. Bevorzugt wandelt die Steuereinrichtung die Radgeschwindigkeiten in die Fahrzeuggeschwindigkeit um. Die Giergeschwindigkeit, der Lenkwinkel, die Radgeschwindigkeit und möglicherweise eine Schlupfwinkelabschätzung für jedes Rad könnten in die Fahrzeugschwerpunktgeschwindigkeit zurück umgewandelt werden. Verschiedene andere Algorithmen sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise wenn die Geschwindigkeit, während des Beschleunigens oder des Bremsens um eine Kurve, bestimmt wird, darf die niedrigste oder die höchste Radgeschwindigkeit nicht verwendet werden, da sie fehlerhaft ist. Auch ein Getriebesensor kann verwendet werden, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen.
Wie vorhergehend erwähnt sind Θ_Querneigung der seitliche Strafenquerneigungswinkel und Θ_{Längsneigung} der Straßenlängsneigungswinkel, die ein fahrendes Fahrzeug erfährt. Diese Variablen werden bevorzugt in dem Steueralgorithmus eines Überrollstabilitätssteuersystems, eines Gierstabilitätssteuersystems oder anderer Sicherheitssysteme mit einbezogen. Beide Variablen FI₁ und FI₂ werden hier verwendet, die als der so genannte Ebenheitsindex 1 und der Ebenheitsindex 2 bezeichnet werden. Diese Variablen sind definiert als:
wobei ω_z die Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs ist. FI₁ und FI₂ haben die folgenden Eigenschaften:
Falls die Straßenfläche absolut flach ist, sind Θ_Querneigung und Θ_{Längsneigung} gleich Null, wodurch FI₁ und FI₂ Null sind. Falls die Straßenfläche annähernd eben ist, sind FI₁ und FI₂ in etwa Null.
Falls die Straßenfläche keine Längsneigung hat bedeutet FI₁ = 0, dass die Straße entweder keine Querneigung oder eine konstante Querneigung hat. Falls ferner FI₂ = 0 ist, ist die Straße eben, falls die Giergeschwindigkeit ungleich Null ist.
Basierend auf der vorhergehenden Diskussion zeigt ein kleiner Wert der beiden Ebenheitsindizes FI₁ und FI₂ an, dass die befahrene Straßenfläche eine fast ebene Fläche ist. Um zu Detektieren, wenn die Straße eben ist, werden die Ebenheitsindizes FI₁ und FI₂ unter Verwendung von verfügbaren Sensorsignalen geprüft. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind dies die Querbeschleunigung a_y, die Längsbeschleunigung a_x, die Wankgeschwindigkeit ω_x, die Giergeschwindigkeit ω_z und die berechnete Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit V_ref. Natürlich können die Nickgeschwindigkeit oder andere Signale verwendet werden, wobei die anderen Variablen berechnet werden können.
Der Wank- bzw. der Nickwinkel zwischen der Fahrzeugkarosserie und der Straßenfläche wird als θ_xr bzw. θ_yr bezeichnet, wobei θ_xr und θ_yr unter Verwendung der Verfahren aus der U.S. 65 56 908 A berechnet werden können. Wenn das Folgende zu jedem Zeitpunkt k berechnet wird RA(k) = aω_x(k) – ba_y(k) PA(k) = cω_y(k) – da_x(k) mit sorgfältig ausgewählten Koeffizienten a, b, c und d und einer abgeschätzten Nickgeschwindigkeit ω ^_y (die eine Funktion der Wankgeschwindigkeit, der Giergeschwindigkeit, usw. ist) oder einer gemessenen Nickgeschwindigkeit ω_y, dann kann die Berechnung des Wank- und Nickwinkels, die in der vorhergehend genannten Patentanmeldung vorgeschlagen ist, wie folgt ausgeführt werden: q_xr(k + 1) = eq_xr(k) + f[RA(k + 1) + RA(k)] q_yr(k + 1) = gq_yr(k) + h[PA(k + 1) + PA(k)] mit den sorgfältig ausgewählten Koeffizienten e, f, g und h.
Die globalen Fahrzeugkarosseriewank- und -nickwinkel θ_x und θ_y, die bezüglich der Horizontalen gemessen werden, können als θ_x = Θ_Querneigung + θ_xr θ_y = Θ_{Längsneigung} + θ_yr. (1.2) berechnet werden.
Es sei bemerkt, dass θ_x und θ_y der folgenden Beziehung mit angemessener Genauigkeit genügen θ ·_x ≈ ω_x + ω_zθ_y (1.3)
Die abgeschätzte Variable Γ ^₁ wird basierend auf die Wank- und die Giergeschwindigkeitssensormessung und die berechneten Wank- und Nicklagen des Fahrzeugs definiert (die ferner mittels der Längs/Querbeschleunigungssensormessungen und der Wankgeschwindigkeitssensormessung berechnet werden). Γ ^₁ = ω_x + ω_zθ_yr – θ ·_xr (1.4)
Für den k-ten Zeitpunkt kann die diskretisierte Darstellung der Gleichung (1.4) wie folgt geschrieben werden: Γ ^₁(k) = ω_x(k) + ω_z(k)θ_yr(k) – θ ·_xr(k) (1.5)
Basierend auf (1.2) und (1.3) kann der Ebenheitsindex FI₁ näherungsweise aus Γ ^₁ berechnet werden, d. h. FI₁(k) ≈ Γ ^₁(k)
Es sind a_x = v ·_x – ω_zv_y – gθ_y a_y = v ·_y – ω_zv_x – gθ_x. (1.6)
Zwischenberechnungsgrößen sind definiert als
Die abgeschätzte Variable Γ ^₂ basiert auf den Zwischenberechnungsgrößen, die mit (1.6) berechnet werden und der Wank- und Nicklage (Winkel)
In der Praxis wird eine diskretisierte Darstellung von (1.8) verwendet. Um eine mögliche Integrationsdrift zu eliminieren, kann ein Anti-Integrationsdrift-Filter der folgenden z-Transformation verwendet werden
Wenn
definiert wird und θ_xss(k) – θ_xr(k) durch diesen Filter passiert wird, dann kann Θ wie folgt berechnet werden Ξ(k + 1) = c₁Ξ(k) – c₂Ξ(k – 1) + d[θ_xss(k + 1) – θ_xr(k + 1)] – d[θ_xss(k – 1) – θ_xr(k – 1)] (1.9) und Γ ^₂ kann dann wie folgt ausgedrückt werden Γ ^₂(k + 1) = θ_yss(k + 1) – θ_yr(k + 1) – ω_z(k + 1)Ξ(k + 1). (1.10)
Durch Eliminieren der Quergeschwindigkeit v_y aus (1.6) ergibt sich das folgende
Daher entspricht das berechnete oder das abgeschätzte Γ ^₂ dem Ebenheitsindex FI₂. Das heißt, FI₂(k) = Γ ^₂(k) zu jedem Zeitpunkt.
Unter Verwendung der berechneten Γ ^₁ und Γ ^₂ erhält man die folgende Ebene-Straße-Erfassungslogik wie folgt
{
wobei max₁ und max₂ Schwellenwerte sind. Wenn die Schwellenwerte überschritten werden, ist die Straße nicht eben. Der Straßenlängsneigungswinkel und der Straßenquerneigungswinkel können in der Steuerung der Sicherheitseinrichtung verwendet werden. Das heißt, wenn die Ebenheitsindizes nicht klein genug sind, werden die Querneigung und die Längsneigung bestimmt. Dafür werden die vorherberechneten Schätzwerte Γ ^₁ und Γ ^₂ verwendet, um die folgende gewöhnliche Differenzialgleichung zu formulieren.
Man erhält die folgenden Differenzialgleichungen, die von (1.1) abgeleitet sind.
Um die Differenzialgleichung (1.12) nach Θ_Querneigung und Θ_{Längsneigung} aufzulösen, wird Θ_{Längsneigung} eliminiert.
Wenn die Straßenquerneigung aus (1.13) berechnet wird, kann die Straßenlängsneigung ausgedrückt werden als
Der Gierwinkel Ω_t und die Zwischenebenheitsvariable werden definiert als
Dann kann der Straßenquerneigungswinkel, der (1.13) genügt, wie folgt ausgedrückt werden:
In der Praxis wird die numerische Darstellung der geschlossenen Lösung aus (1.16) verwendet. Der Gierwinkel der Fahrzeugkarosserie Ω_t, wie in (1.15) definiert, kann unter Verwendung des folgenden Integrationsschemas berechnet werden Ω(k + 1) = Ω(k) + ω_z(k + 1)ΔT (1.17) wobei ΔT die Abtastzeit des Steuersystems ist, Ω(k + 1) bzw. ω_z(k + 1) die Werte des Gierwinkels bzw. des Giergeschwindigkeitssensors zum Zeitpunkt t = (k + 1)ΔT sind. Wegen des möglichen Driftproblems kann (1.17) von dem tatsächlichen Gierwinkel abweichen. Ω(k + 1) tritt jedoch nur in sin, cos-Funktionen auf, so dass das Driften durch Verwenden der folgenden Kongruent-Mod-Operation eliminiert wird. Ω_g(k + 1) = Ω(k + 1) – 2πfloor{ Ω(k + 1) / 2π} (1.18)
Es sei bemerkt, dass Ω_g(k + 1) immer zwischen 0 und 2π fällt. floor (•) ist eine Funktion, die die größte natürliche Zahl darstellt, die durch die reelle Zahl • beschränkt wird. Das heißt, floor(Ω(k + 1)/2π) löscht immer den Anteil aus, der ein ganzzahliges Vielfaches von 2π aus Ω(k + 1) ist und gibt einen Wert aus, der zwischen 0 und 2π liegt. Diese Funktion ist aus der ”C”-Programmierung bekannt. Die folgenden Zwischenvariablen können berechnet werden. Γ_SI(k + 1) = c₁Γ_SI(k) – c₂Γ_SI(k – 1) + d[Γ(k + 1)sin(Ω_g(k + 1) – Γ(k – 1)sin(Ω_g(k – 1))] Γ_CI(k + 1) = c₁Γ_CI(k) – c₂Γ_CI(k – 1) + d[Γ(k + 1)cos(Ω_g(k + 1)) – Γ(k – 1)cos(Ω_g(k – 1))] (1.19)
Unter Verwendung des numerischen Schemas aus (1.13) kann die folgende Berechnung für den Straßenquerneigungswinkel und den Straßenlängsneigungswinkel zur Verfügung gestellt werden, wobei Ψ eine Zwischenvariable ist. Θ_Querneigung(k + 1) = sin(Ω(k + 1))Γ_SI(k + 1) + cos(Ω(k + 1))Γ_CI(k + 1) Ψ(k + 1) = Ψ(k) + ΔTΘ_Querneigung(k + 1) Θ_{Längsneigung}(k + 1) = Γ ^₂(k + 1) + ω_z(k + 1)Ψ(k + 1) (1.20)
Wie aus 5 ersichtlich ist eine Zusammenfassung des vorhergehend beschriebenen Verfahrens in einem Ablaufdiagramm gezeigt. In Schritt 70 werden die verschiedenen Sensoren gelesen. Im vorliegenden Beispiel bestimmt ein Wankgeschwindigkeitssensor die Wankgeschwindigkeit des Fahrzeugs, erzeugt ein Querbeschleunigungssensor ein Querbeschleunigungssignal der Fahrzeugkarosserie, erzeugt ein Längsbeschleunigungssensor ein Längsbeschleunigungssignal der Fahrzeugkarosserie, erzeugt ein Giergeschwindigkeitssensor ein Giergeschwindigkeitssignal. Eine Fahrzeuglängsgeschwindigkeit wird ebenfalls erfasst. In Schritt 72 wird eine Mehrzahl von Berechnungswerten aus den gemessenen Sensorsignalen bestimmt. Die Berechnungswerte können eine Nickgeschwindigkeit, einen Nickwinkel, eine Wankgeschwindigkeit, einen Wankwinkel, sonstige Zwischenberechnungsgrößen und globale Bezüge der Berechnungswerte aufweisen. In Schritt 74 wird ein erster Ebenheitsindex aus den Berechnungswerten berechnet. Diese Berechnung ist eine Abschätzung wie vorhergehend beschrieben. In Schritt 76 wird ein zweiter Ebenheitsindex aus den Berechnungswerten berechnet. Diese Berechnung ist ebenfalls eine Abschätzung wie vorhergehend beschrieben.
In Schritt 78, falls entweder der erste Index oder der zweite Index (oder beide) oberhalb eines Schwellenwertes sind, wird angezeigt, dass die Straße eine erhebliche Querneigung oder Längsneigung hat. Dann wird Schritt 80 durchgeführt. Die Querneigung und die Längsneigung werden aus den Ebenheitsindizes und verschiedenen Berechnungswerten wie vorhergehend beschrieben berechnet. In Schritt 82 wird ein Steuersystem als Funktion der Querneigung und der Längsneigung aktiviert. Wenn beispielsweise die Querneigung und die Längsneigung groß sind, kann dies einen Off-Road-Zustand anzeigen, und nicht einen Überroll-Zustand. Dies kann dem Überrollsteuersystem gestatten seine Überrollschwellenwerte entsprechend anzupassen.
Bezugnehmend auf Schritt 78, falls einer der Indizes nicht über dessen entsprechenden Schwellenwert ist, wird Schritt 70 ausgeführt.

Claims

Steuersystem (18) für ein Kraftfahrzeug (10) mit einer Fahrzeugkarosserie, mit: einem ersten Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein erstes Winkelgeschwindigkeitssignal entsprechend einer ersten Winkelbewegung der Fahrzeugkarosserie erzeugt, einem zweiten Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein zweites Winkelgeschwindigkeitssignal entsprechend einer zweiten Winkelbewegung der Fahrzeugkarosserie erzeugt, einem Querbeschleunigungssensor (32), der ein Querbeschleunigungssignal entsprechend einer Querbeschleunigung (a_y) des Schwerpunktes der Fahrzeugkarosserie erzeugt, einem Radgeschwindigkeitssensor (20), der ein Radgeschwindigkeitssignal entsprechend der Radgeschwindigkeit des Fahrzeugs erzeugt, und einer Steuereinrichtung (26), die mit dem ersten Winkelgeschwindigkeitssensor, dem zweiten Winkelgeschwindigkeitssensor, dem Querbeschleunigungssensor (32) und dem Radgeschwindigkeitssensor (20) gekoppelt ist, gekennzeichnet durch einen Längsbeschleunigungssensor (36), der mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist und der ein Längsbeschleunigungssignal entsprechend der Längsbeschleunigung (a_x) des Schwerpunktes der Fahrzeugkarosserie erzeugt, wobei die Steuereinrichtung (26) einen ersten Ebenheitsindex (FI₁) und einen zweiten Ebenheitsindex (FI₂) aus dem ersten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem zweiten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem Querbeschleunigungssignal, dem Längsbeschleunigungssignal und dem Radgeschwindigkeitssignal bestimmt, und wobei die Steuereinrichtung (26) einen Straßenlängsneigungswinkel (θ_{Längsneigung}) und einen Straßenquerneigungswinkel (θ_Querneigung) in Antwort auf den ersten Ebenheitsindex und den zweiten Ebenheitsindex bestimmt.
System gemäß Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Winkelgeschwindigkeitssensor aus der Gruppe ausgewählt sind, die einen Giergeschwindigkeitssensor (28), einen Nickgeschwindigkeitssensor (37) und einen Wankgeschwindigkeitssensor (34) umfasst, wobei der zweite Sensor ein anderer ist als der erste Sensor.
Steuersystem (18) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Winkelgeschwindigkeitssensor ein Gierwinkelgeschwindigkeitssensor (28) ist, der ein Gierwinkelgeschwindigkeitssignal entsprechend einer Gierbewegung (ω_z) der Fahrzeugkarosserie erzeugt, und wobei der zweite Winkelgeschwindigkeitssensor ein Wankwinkelgeschwindigkeitssensor (34) ist, der ein Wankwinkelgeschwindigkeitssignal entsprechend einer Wankbewegung (ω_x) der Fahrzeugkarosserie erzeugt, wobei die Steuereinrichtung (26) einen Nickwinkel (θ_yr) und einen Wankwinkel (θ_xr) als Funktion des Querbeschleunigungssignals, des Längsbeschleunigungssignals und des Wankgeschwindigkeitssignals bestimmt, den ersten Ebenheitsindex (FI₁) als Funktion des Wankwinkelgeschwindigkeitssignals, des Gierwinkelgeschwindigkeitssignals, des Wankwinkels (θ_xr) und des Nickwinkels (θ_yr) bestimmt, und den zweiten Ebenheitsindex (FI₂) als Funktion des Nickwinkels (θ_yr), der Giergeschwindigkeit, des Wankwinkels (θ_xr), der Radgeschwindigkeit und der Querbeschleunigung (a_y) bestimmt.
Steuersystem gemäß Anspruch 3, mit einem Sicherheitssystem (38), das mit der Steuereinrichtung (26) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (26) ein Steuersignal für das Sicherheitssystem (38) als Funktion des ersten Ebenheitsindex (FI₁) und des zweiten Ebenheitsindex (FI₂) erzeugt.
Steuersystem gemäß Anspruch 4, wobei das Sicherheitssystem (38) ein Aktivbremssteuersystem (41) aufweist.
Steuersystem gemäß Anspruch 4, wobei das Sicherheitssystem (38) ein Aktiv-Hecklenksystem (43) aufweist.
Steuersystem gemäß Anspruch 4, wobei das Sicherheitssystem (38) ein Aktiv-Frontlenksystem (42) aufweist.
Steuersystem gemäß Anspruch 4, wobei das Sicherheitssystem (38) ein Aktiv-Querstabilisatorsystem (45) aufweist.
Steuersystem gemäß Anspruch 4, wobei das Sicherheitssystem (38) ein Aktiv-Aufhängungssystem (44) aufweist.
Verfahren zur Steuerung eines Kraftfahrzeuges (10), mit Erzeugen eines ersten Winkelgeschwindigkeitssignals entsprechend einer ersten Winkelbewegung der Fahrzeugkarosserie, Erzeugen eines zweiten Winkelgeschwindigkeitssignals entsprechend einer zweiten Winkelbewegung der Fahrzeugkarosserie, Erzeugen eines Querbeschleunigungssignals entsprechend einer Querbeschleunigung (a_y) des Schwerpunktes der Fahrzeugkarosserie, Erzeugen eines Radgeschwindigkeitssignals entsprechend einer Radgeschwindigkeit des Fahrzeugs, gekennzeichnet durch Erzeugen eines Längsbeschleunigungssignals entsprechend einer Längsbeschleunigung (a_x) des Schwerpunkts der Fahrzeugkarosserie, Bestimmen eines ersten Ebenheitsindex (FI₁) und eines zweiten Ebenheitsindex (FI₂) aus dem ersten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem zweiten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem Querbeschleunigungssignal, dem Längsbeschleunigungssignal und dem Radgeschwindigkeitssignal, und Bestimmen eines Straßenlängsneigungswinkels (θ_{Längsneigung}) und eines Straßenquerneigungswinkels (θ_Querneigung) in Antwort auf den ersten Ebenheitsindex (FI₁) und den zweiten Ebenheitsindex (FI₂)
Verfahren gemäß Anspruch 10, mit dem Schritt des Steuerns einer Sicherheitseinrichtung (38) als Funktion des Querneigungswinkels (θ_{Längsneigung}) und des Längsneigungswinkels (θ_Querneigung) der befahrenen Straße.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Sicherheitseinrichtung ein Giersteuersystem aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Sicherheitseinrichtung ein Überrollstabilitätssteuersystem aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Bestimmen des Straßenlängsneigungswinkels (θ_{Längsneigung}) und des Querneigungswinkels (θ_Querneigung) in Antwort auf den ersten Ebenheitsindex (FI₁) und den zweiten Ebenheitsindex (FI2) ausgeführt wird, wenn der erste Ebenheitsindex (FI₁) und der zweite Ebenheitsindex (FI₂) über einem vorbestimmten Schwellenwert sind.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das erste Winkelgeschwindigkeitssignal und das zweite Winkelgeschwindigkeitssignal aus der Gruppe ausgewählt sind, die ein Wankwinkelgeschwindigkeitssignal, ein Gierwinkelgeschwindigkeitssignal, und ein Nickwinkelgeschwindigkeitssignal umfasst, wobei das erste und das zweite Winkelgeschwindigkeitssignal unterschiedlich sind.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das erste Winkelgeschwindigkeitssignal ein Gierwinkelgeschwindigkeitssignal ist, wobei das zweite Winkelgeschwindigkeitssignal ein Wankwinkelgeschwindigkeitssignal ist, wobei ein Nickwinkel (θ_yr) und ein Wankwinkel (θ_xr) als Funktion der Querbeschleunigung (a_y), der Längsbeschleunigung (a_x) und des Wankwinkelgeschwindigkeitssignals bestimmt werden, wobei der erste Ebenheitsindex (FI₁) als Funktion des Wankwinkelgeschwindigkeitssignal, des Gierwinkelgeschwindigkeitssignals, des Wankwinkels (θ_xr) und des Nickwinkels (θ_yr) bestimmt wird, und wobei der zweite Ebenheitsindex (FI₂) als Funktion des Nickwinkels (θ_yr), des Gierwinkelgeschwindigkeitssignals, des Wankwinkels (ω_x), der Radgeschwindigkeit (v_x), der Längsbeschleunigung (a_x), der Querbeschleunigung (a_y) und des Gierwinkelgeschwindigkeitssignals (ω_z) bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei eine Sicherheitseinrichtung in Abhängigkeit von dem Straßenquerneigungswinkel (θ_Querneigung) und dem Straßenlängsneigungswinkels (θ_{Längsneigung}) aktiviert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt des Aktivierens einer Sicherheitseinrichtung (38) ein Auswählen einer Sicherheitseinrichtung (38) aus der Gruppe aufweist, die aus einem Aktiv-Bremssteuersystem (41), einem Aktiv-Hecklenksystem (43), einem Aktiv-Frontlenksystem (42), einem Aktiv-Querstabilisatorsystem (45) und einem Aktiv-Aufhängungssystem (44) besteht.