DE10327593A1 - System zum Erfassen von Fahrzeug-Global-Lage und Fahrzeug-Relativ-Lage unter Verwendung von Aufhängungshöhensensoren - Google Patents

System zum Erfassen von Fahrzeug-Global-Lage und Fahrzeug-Relativ-Lage unter Verwendung von Aufhängungshöhensensoren Download PDF

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Abstract

System zum Erfassen von Fahrzeug-Globallage und Fahrzeug-Relativlage unter Verwendung von Aufhängungshöhensensoren, aufweisend: einen Lateralbeschleunigungssensor (32), einen Giergeschwindigkeitssensor (28), einen Longitudinalbeschleunigungssensor (36) und Aufhängungshöhensensoren (50a-50d). Die Steuereinheit (26) bestimmt eine Wankcharakteristik von dem ersten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem Aufhängungshöhensignal und dem Lateralbeschleunigungssignal und bestimmt eine Nichtcharakteristik von dem ersten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem Aufhängungshöhensignal und dem Longitudinalbeschleunigungssignal.

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein einen Steuerapparat zum Steuern eines Systems eines Kraftfahrzeugs als Antwort auf ein abgetastetes Dynamikverhalten, und insbesondere ein Verfahren und einen Apparat zum Steuern des Systems des Kraftfahrzeugs durch Bestimmen der Fahrzeuglage unter Verwendung von Aufhängungshöhensensoren.
  • In modernen Fahrzeugsteuersystemen für Kraftfahrzeuge beeinflussen die Fahrzeuglagesteuersysteme direkt den Komfort, die Handhabung und die Sicherheit des Fahrzeugs. Zum Beispiel verlangt der Fahrkomfort eines Fahrzeugs das Regulieren der Dynamikvariation der Fahrzeugkarosserie-Nicklage und -Wanklage; die Überschlagsprävention (Aktivsicherheit) verlangt das Regulieren der Wanklage zwischen der Fahrzeugkarosserie und der mittleren Straßenfläche; der Airbag verlangt das Bestimmen von sowohl der Fahrzeugglobalwanklage als auch der Fahrzeuggeschwindigkeit, bevor er entfaltet wird; ein Aktivdrehstabstabilisator kann basierend auf der Fahrzeugwanklage aktiviert werden; eine Fahrzeugnicklage kann verwendet werden, um eine Fahrzeuglastverlagerung zwischen Vorderachse und Hinterachse vorherzusagen. Das Steuersystem verwendet die verfügbaren Aktuatoren, um die aktuelle Fahrzeuglage basierend auf der erfassten oder vorhergesagten Fahrzeugkarosserielage zu ändern.
  • Zwei Arten von Fahrzeuglagen müssen unterschieden werden. Eine ist die Globallage, welche relativ ist zu einem Erdachsenkreuz (auch Inertialachsenkreuz genannt), Meeresspiegel, oder einer flachen und horizontalen Straße. Die Globallage kann direkt auf Messungen bezogen werden, welche von Inertialbeschleunigungssensoren oder GPS-basierten Winkelgeschwindigkeitssensoren aufgenommen werden. Die andere ist die Relativlage, welche die Winkelpositionen des Fahrzeugs bezüglich der Straßenfläche definiert, auf welcher das Fahrzeug gefahren wird. Weil die Relativlage des Fahrzeugs bezüglich der Straßenfläche gemessen werden muss, auf welcher sich das Fahrzeug zu irgendeinem gegebenen Moment befindet, wobei sich der Winkel und die Neigung der Straßenfläche kontinuierlich ändern, kann die Relativlage nicht direkt auf den Ausgabewert des Inertialbeschleunigungssensors oder GPS-Beschleunigungssensors bezogen werden.
  • Um das gewünschte Fahrzeuglagensteuerziel wie oben erwähnt erfolgreich zu erreichen, ist das Vorhersagen der oben erwähnten Relativlage und Globallage mit hoher Genauigkeit von den verfügbaren Sensorsignalen von großer Bedeutung.
  • Ein Fahrzeuglageerfassungsverfahren ist in der US-Patentschrift 5408411 vorgeschlagen worden. Gemäß diesem Patent wird ein Sensormodul, welches sechs Linear-Beschleunigungssensoren verwendet, auf das Fahrzeug montiert, um Fahrzeuglageinformation zu bekommen. Obgleich es mit diesem Verfahren möglich ist, eine Fahrzeuglage zu erfassen, schafft der Sensorsatz vermutlich nur einen geringen Vorteil im Hinblick auf Leistung und Kosten.
  • Es wäre daher wünschenswert, ein Lagesteuersystem zu schaffen, um einen Lagewinkel für eine Fahrzeugdynamiksteuerung vorherzusagen, welcher die Wechselbeziehung zwischen der Wankbewegung, Nickbewegung, und Gierbewegung aufweist, wobei Langzeitmanöver kompensiert werden.
  • Die Erfindung ist besonders geeignet für ein Kraftfahrzeug, welches mit einem Gierstabilitätssteuersystem und einem steuerbaren Aufhängungssystem ausgestattet ist. Der Sensorsatz, welcher in einem Gierstabilitätssteuersystem verwendet wird, weist typischerweise auf: Fahrzeug-Lateralbeschleunigungssensor, Fahrzeug-Longitudinalbeschleunigungssensor, und einen Giergeschwindigkeitssensor. Das hier verwendete steuerbare Aufhängungssystem ist mit vier Aufhängungshöhensensoren ausgerüstet, welche an den vier Ecken des Fahrzeugs montiert sind. Das Gierstabilitätssteuersystem hat zum Ziel, ein Fahrzeug daran zu hindern, während des Fahrens auszubrechen, und den Fahrzeugseitenschlupfwinkel zu regulieren (was gedacht werden könnte als eine Relativgierlage mit Bezug auf den gewünschten Fahrzeugkurs). Das gesteuerte Aufhängungssystem hat zum Ziel, den Fahrzeugfahrkomfort zu verbessern und eine Nivellierfunktion zu schaffen. Die Aufhängungshöhensensoren werden verwendet, um Rückkopplungssignale zu schaffen, so dass Fahrzeugnivellieren und Aufhängungssteuerung durchgeführt werden können. Gemäß der Erfindung werden die Aufhängungshöhensensoren verwendet, um die Nickcharakteristik und die Wankcharakteristik des Fahrzeuges zu erlangen. Das heißt, gemäß der Erfindung wird erfasst: eine Fahrzeugrelativlage mit Bezug auf die mittlere Straßenfläche unterschiedlichen Geländes, und Fahrzeugabsolutlage mit Bezug auf Meeresniveau für Fahrzeuglagensteueranwendungen. Vorteilhafterweise kann das System verwendet werden für Wankstabilitätssteuerung, steuerbare Aufhängungen, Aktivdrehstabstabilisatoren, und andere Fahrzeugdynamiksteuersysteme.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist ein Steuersystem für ein Kraftfahrzeug auf: einen Lateralbeschleunigungssensor, einen Giergeschwindigkeitssensor, vier Aufhängungshöhensensoren, welche vier Aufhängungshöhensignale erzeugen, und einen Longitudinalbeschleunigungssensor. Die Steuereinheit bestimmt von den Aufhängungshöhensignalen und dem Lateralbeschleunigungssignal eine Wankcharakteristik, und bestimmt von den vier Aufhängungshöhensignalen und dem Longitudinalbeschleunigungssignal eine Nickcharakteristik.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Steuern einer Sicherheitsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Karosserie auf: Messen einer Lateralbeschleunigung der Fahrzeugkarosserie; Messen einer Longitudinalbeschleunigung der Fahrzeugkarosserie; Messen einer Giergeschwindigkeit der Fahrzeugkarosserie; Messen von vier Aufhängungshöhensignalen korrespondierend zu den vier Aufhängungshöhen der vier Ecken des Fahrzeugs; bestimmen einer Wankwinkelgeschwindigkeit der Fahrzeugkarosserie von den Aufhängungshöhensignalen und dem Lateralbeschleunigungssignal; Bestimmen einer Nickwinkelgeschwindigkeit der Fahrzeugkarosserie von den Aufhängungshöhensignalen und dem Longitudinalbeschleunigungssignal; Bestimmen des Globalwanklagewinkels und Globalnicklagewinkels, basierend auf dem vorhergesagten Wankwinkelgeschwindigkeitssignal und Nickwinkelgeschwindigkeitssignal; Bestimmen des Relativwanklagewinkels und Relativnicklagewinkels der Fahrzeugkarosserie mit Bezug auf die mittlere Straßenfläche, basierend auf den vier Aufhängungshöhensignalen; und Aktivieren einer Sicherheitsvorrichtung als Antwort auf den geschätzten Relativwankwinkel, den geschätzten Relativnickwinkel, den geschätzten Globalwankwinkel und den geschätzten Globalnickwinkel.
    •
  • Die Erfindung hat zum Ziel, die Fahrzeuglage zu schätzen und vorherzusagen, welche in Fahrzeuglagesteuersystemen verwendet wird, wie zum Beispiel einem steuerbaren Aufhängungssystem, einem Wankstabilitätssteuersystem, einem Gierstabilitätssteuersystem, einem Aktivdrehstabstabilisatorsystem und anderen Fahrzeugdynamiksteuersystemen. Die geschätzten und vorhergesagten Variablen werden verwendet zum Setzen des Rückkopplungs-Aktions-Merkers und als die Rückkopplungs-Signale, um den gewünschten Steuerbefehl auszuführen, um die Aktuatoren zu aktivieren.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine schematische Zeichnung eines Fahrzeugs mit variablen Vektoren und Koordinatenachsenkreuzen gemäß der Erfindung,
  • 2 ein Blockdiagramm eines Stabilitätssystems gemäß der Erfindung,
  • 3 eine schematische Ansicht, welche den Versatz (relativ zur Straßenfläche) der vier Ecken der Fahrzeugkarosserie entlang der karosseriefesten Vertikalachse zeigt,
  • 4 eine schematische Ansicht, welche die zwei Komponenten des Relativeckenversatzes zeigt, welcher in 3 dargestellt ist,
  • 5 ein Flussdiagramm zum erfindungsgemäßen Bestimmen.
  • In den folgenden Figuren werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um die gleichen Komponenten zu identifizieren. Die Erfindung hat das Ziel, die Fahrzeuglage zu schätzen und vorherzusagen, welche in Fahrzeuglagesteuersystemen verwendet wird, wie zum Beispiel einem steuerbaren Aufhängungssystem, einem Wankstabilitätssteuersystem, einem Gierstabilitätssteuersystem, einem Aktivdrehstabstabilisatorsystem und anderen Fahrzeugdynamiksystemen. Die gewünschten und vorhergesagten Variablen werden zum Setzen des Rückkopplungssteueraktionsmerkers verwendet, und, wenn die Rückkopplung signalisiert, den gewünschten Steuerbefehl auszuführen, um die Aktuatoren zu aktivieren.
  • In 1 ist ein Kraftfahrzeug 10 gezeigt mit einem erfindungsgemäßen Sicherheitssystem mit daran angreifenden unterschiedlichen Kräften und Momenten während eines Überschlagszustandes. Das Fahrzeug 10 hat einen rechten Vorderreifen 12a und einen linken Vorderreifen 12b und einen rechten Hinterreifen 13a und einen linken Hinterreifen 13b. Das Fahrzeug 10 kann auch eine Anzahl unterschiedlicher Arten von Front-Lenksystemen 14a und Heck-Lenksystemen 14b haben, wobei jedes Vorder- und Hinterrad mit einem jeweiligen steuerbaren Aktuator konfiguriert ist, wobei die Vorder- und Hinterräder ein konventionelles System haben, bei dem die beiden Vorderräder zusammen gesteuert und die beiden Hinterräder zusammen gesteuert werden, wobei ein System eine konventionelle Front-Lenkung und eine unabhängig steuerbare Heck-Lenkung für jedes der Räder, oder umgekehrt, hat. Allgemein hat das Fahrzeug ein Gewicht, welches mit Mg im Schwerpunkt des Fahrzeugs repräsentiert ist, wobei g=9,8m/s2 und M die Gesamtmasse des Fahrzeugs ist.
  • Wie oben erwähnt kann das System auch verwendet werden mit Aktiv-/Semiaktivaufhängungssystemen, Drehstabstabilisatoren oder anderen Sicherheitssystemen, welche nach dem Erfassen von vorbestimmten Dynamikzuständen des Fahrzeugs aufgebracht oder aktiviert werden.
  • Das Erfassungssystem 16 ist an ein Steuersystem 18 gekoppelt. Das Erfassungssystem 16 verwendet vorzugsweise einen Standard-Gierstabilitätssteuersensorsatz (aufweisend Lateralbeschleunigungssensor, Giergeschwindigkeitssensor, Lenkwinkelsensor und Radgeschwindigkeitssensor) zusammen mit einem Longitudinalbeschleunigungssensor. Die unterschiedlichen Sensoren werden unten weiter beschrieben. Die Radgeschwindigkeitssensoren 20 sind an jeder Ecke des Fahrzeugs montiert, und die restlichen Sensoren des Erfassungssystems 16 sind vorzugsweise direkt im Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie montiert, entlang in 1 gezeigten Richtungen x, y und z. Wie für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, wird das Achsenkreuz aus b1, b2 und b3 als ein Karosserieachsenkreuz 22 bezeichnet, dessen Ursprung sich im Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie befindet, mit b1 korrespondierend zur nach vorn gerichteten x-Achse, b2 korrespondierend zur von der Fahrtrichtung zur Seite weisenden y-Achse (nach links), und b3 korrespondierend zur nach oben gerichteten z-Achse. Die Winkelgeschwindigkeiten der Fahrzeugkarosserie sind um ihre jeweiligen Achsen mit ωx für die Wankgeschwindigkeit, ωy für die Nickgeschwindigkeit und ωz für die Giergeschwindigkeit bezeichnet. Die Berechnungen gemäß der Erfindung sind vorzugsweise auf ein Inertialachsenkreuz 24 bezogen, welches vom Karosserieachsenkreuz 22 wie unten beschrieben abgeleitet werden kann.
  • Der Giergeschwindigkeitssensor wird verwendet, und der Wankgeschwindigkeitssensor und der Nickgeschwindigkeitssensor sind für das System nicht notwendig. Jedoch können sie als eine Kontrolle in einer kommerziellen Ausführungsform verwendet werden. Der Winkelgeschwindigkeitssensor und die Beschleunigungssensoren sind an der Fahrzeugkarosserie entlang der Karosserieachsenkreuzrichtungen b1, b2 und b3 montiert, welche die x-y-z-Achsen der gefederten Masse des Fahrzeuges sind.
  • Der Longitudinalbeschleunigungssensor ist an der Fahrzeugkarosserie im Schwerpunkt mit seiner Erfassungsrichtung entlang der b1-Achse montiert, wobei seine Ausgabegröße mit ax bezeichnet ist. Der Lateralbeschleunigungssensor ist an der Fahrzeugkarosserie im Schwerpunkt mit seiner Erfassungsrichtung entlang der b2-Achse montiert, wobei seine Ausgabegröße mit ay bezeichnet ist.
  • Das andere Achsenkreuz, welches in der nachfolgenden Diskussion verwendet wird, weist das Straßenachsenkreuz auf, wie in 1 gezeigt ist. Das Straßenachsenkreuzsystem r1r2r3 ist fest mit der befahrenen Straßenfläche, wobei die r3-Achse entlang der mittleren Straßen-Normalenrichtung verläuft, welche von den Normalenrichtungen der vier Reifen/Straßenkontaktstellen berechnet wird.
  • In der folgenden Diskussion werden die Eulerwinkel des Karosserieachsenkreuzes mit Bezug auf das Straßenachsenkreuz r1r2r3 mit qxbr, gybr und gzbr bezeichnet, welche auch als die Relativ-Eulerwinkel bezeichnet werden.
  • Gemäß der Erfindung werden die Relativ-Eulerwinkel qxbr und qybr geschätzt, basierend auf den verfügbaren Sensorsignalen und den Signalen, welche von den gemessenen Werten berechnet werden.
  • In 2 ist ein Steuersystem 18 genauer gezeigt, mit einer Steuereinheit 26, welche verwendet wird zum Empfangen von Informationen von einer Anzahl von Sensoren, welche aufweisen können einen Giergeschwindigkeitssensor 28, einen Geschwindigkeitssensor 20, einen Lateralbeschleunigungssensor 32, einen Lenkwinkelsensor 35, einen Longitudinalbeschleunigungssensor 36, einen Lenkwinkelpositionssensor 39 und Aufhängungshöhensensoren 50a, 50b, 50c und 50d. Es ist zu beachten, dass Wankgeschwindigkeitssensor 34 und Nickgeschwindigkeitssensor 37 für das System nicht notwendig sind, weil deren Signale von den Aufhängungshöhensensorsignalen und dem Longitudinalbeschleunigungssensorsignal und dem Lateralbeschleunigungssensorsignal geschätzt werden.
  • In der bevorzugten Ausführungsform sind die Sensoren im Fahrzeugschwerpunkt angeordnet. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass die Sensoren auch außerhalb des Schwerpunktes angeordnet und äquivalent dazu übersetzt werden können.
  • Lateralbeschleunigung, Wankorientierung und Wankgeschwindigkeit können erlangt werden, indem ein Globalpositioniersystem (GPS) verwendet wird. Basierend auf Eingabegrößen von den Sensoren kann die Steuereinheit 26 eine Sicherheitsvorrichtung 38 steuern. In Abhängigkeit von der gewünschten Sensitivität des Systems und unterschiedlichen anderen Faktoren brauchen nicht alle Sensoren 28–39 in einer kommerziellen Ausführungsform verwendet werden. Die Sicherheitsvorrichtung 38 kann aufweisen: einen Airbag 40, ein Aktivbremssystem 41, ein Aktiv-Frontlenksystem 42, ein Aktiv-Hecklenksystem 43, ein Aktiv-Aufhängungssystem 44, und ein Aktiv-Drehstabstabilisatorsystem 45 oder Kombinationen dieser Systeme. Jedes dieser Systeme 40–45 kann seine eigene Steuereinheit zur jeweiligen Aktivierung haben. Außerdem können andere Fahrzeugkomponenten wie zum Beispiel ein Aktiv-Aufhängungssystem 44, verwendet werden, um die Aufhängung einzustellen, um die Wankstabilität zu verbessern. Wie oben erwähnt, ist das Sicherheitssystem 38 vorzugsweise mindestens das Aktiv-Bremssystem 41.
  • Ein Aktiv-Aufhängungssystem 44 kann verwendet werden, um die Aufhängung einzustellen, um einen Überschlag zu verhindern. Jede Ecke des Fahrzeugs kann einen unabhängig steuerbaren Aktuator haben (Vorne-rechts-Aktuator 49a, Vorne-links-Aktuator 49b, Hinten-links-Aktuator 49c, Hinten-rechts-Aktuator 49d) welcher verwendet wird, um die relative Höhe anzuheben oder abzusenken als Antwort auf Höhensensoren 50a, 50b, 50c und 50d, welche an jeweiligen Ecken angeordnet sind und mit der Steuereinheit 26 gekoppelt sind. Wie unten beschrieben wird, messen Höhensensoren 50a–50d den Abstand zwischen oder die Änderung des Abstandes zwischen der Fahrzeugkarosserie und dem Rad. Die Höhensensoren können auch durch Erfassen der Kraft oder des Drehmomentes wirken, welche assoziiert sind mit dem Lastzustand einer oder mehrerer Aufhängungs- oder Chassis-Komponenten, aufweisend: einen Druckmesswandler in einer Aktiv-Luftaufhängung, einen Stoßfängersensor, wie zum Beispiel eine Kraftmessdose, einen Dehnmesssutreifen, die Lenksystem-Absolutmotorlast oder Lenksystem-Relativmotorlast, der Lenksystemdruck der Hydraulikleitungen, einen Reifen-Lateralkraftsensor oder Reifen-Lateralkraftsensoren, einen Reifen-Longitudinalkraftsensor, einen Reifen-Vertikalkraftsensor oder einen Reifenseitenwand-Torsionssensor.
  • Der Wankgeschwindigkeitssensor 34 und der Nickgeschwindigkeitssensor 37 können den Wankzustand des Fahrzeugs erfassen, basierend auf dem Erfassen der Höhe von einem oder mehrerer Punkte auf dem Fahrzeug relativ zur Straßenfläche. Sensoren, welche verwendet werden können, um dies zu erreichen, weisen auf: einen radarbasierten Annäherungssensor, einen laserbasierten Annäherungssensor, und eine sonarbasierten Annäherungssensor.
  • Der Wankgeschwindigkeitssensor 34 und der Nickgeschwindigkeitssensor 37 können auch vorgesehen sein, um den Wankzustand zu erfassen, basierend auf dem Erfassen des Relativ-Linear- oder Drehversatzes oder der Versatzgeschwindigkeit von einer oder mehreren der Aufhängungs-Chassiskomponenten, welche aufweisen können: einen Höhen- oder Hub-Linearsensor, einen Höhen- oder Hub-Drehsensor, einen Radgeschwindigkeitssensor, welcher verwendet wird, um eine Geschwindigkeitsänderung zu registrieren, einen Lenkradpositionssensor, einen Lenkradgeschwindigkeitssensor und eine fahrergesteuerte Befehlseingabe von einer elektronischen Komponente, welche ein "Steer-by-wire" unter Verwendung eines Handrades oder eines Steuerknüppels aufweisen kann.
  • Der Wankzustand des Fahrzeugs kann auch ermittelt werden durch eine oder mehrere der folgenden Translations- oder Rotationspositionen, Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen des Fahrzeugs, mit einem Wankgyrometer, dem Wankgeschwindigkeitssensor 34, dem Giekgeschwindigkeitssensor 28, dem Lateralbeschleunigungssensor 32, einem Vertikal-Beschleunigungssensor, einem Vertikal-Longitudinalbeschleunigungssensor, Lateral- oder Vertikalgeschwindigkeitssensor, aufweisend einen radbasierten Geschwindigkeitssensor, eine radarbasierten Geschwindigkeitssensor, einen sonarbasierten Geschwindigkeitssensor, einen laserbasierten Geschwindigkeitssensor oder eine optobasierten Geschwindigkeitssensor.
  • Basierend auf den Eingabegrößen von den Sensoren 28–39 bestimmt die Steuereinheit 26 einen Wankzustand und steuert irgendeine oder mehrere der Sicherheitsvorrichtungen 40–45.
  • Der Geschwindigkeitssensor 20 kann einer aus einer Vielzahl von Geschwindigkeitssensoren sein, welche einem Durchschnittsfachmann bekannt sind. Zum Beispiel kann ein geeigneter Geschwindigkeitssensor einen Sensor an jedem Rad aufweisen, welcher von der Steuereinheit 26 gemittelt wird. Vorzugsweise wandelt die Steuereinheit die Radgeschwindigkeiten in die Fahrzeuggeschwindigkeit um. Giergeschwindigkeit, Lenkwinkel, Radgeschwindigkeit und möglicherweise eine Schlupfwinkelschätzung an jedem Rad können auf die Fahrzeugschwerpunktsgeschwindigkeit rückumgewandelt werden. Unterschiedliche andere Algorithmen sind einem Durchschnittsfachmann bekannt. Wenn zum Beispiel die Geschwindigkeit bestimmt wird, während um eine Kurve beschleunigt oder abgebremst wird, darf die niedrigste oder höchste Radgeschwindigkeit wegen ihres Fehlers nicht verwendet werden.
  • Fslf, Fsrf, Fslr, Fsrr, sind die Vertikalkräfte, welche an den vier Aufhängungen an den vier Ecken des Fahrzeugs 10 entwickelt sind. Fslf, Fsrf, Fslr, Fsrr können berechnet werden von den Ausgabegrößen der Aufhängungshöhensensoren 50a–50d als slf, srf, slr, srr (welche die Relativversätze zwischen der Fahrzeugkarosserie und einem Rad an den Ecken links vorne, rechts vorne, links hinten und rechts hinten messen), der Aufhängungsparameter und Charakteristiken, und der Steuerbefehle uslf, usrf, uslr, usrr, welche für steuerbare Aufhängungen verwendet werden, wie in 2 gezeigt. Wenn eine Tabelle innerhalb des Aktiv-Aufhängungssystems 44 für die steuerbaren Aufhängungscharakteristiken verfügbar ist, können die Gesamtaufhängungskräfte berechnet werden zu:
    Figure 00130001
  • Es ist zu beachten, dass die verwendeten Tabellen drei Eingabegrößen haben: die Aufhängungshöhe, die Aufhängungshöhengeschwindigkeit und den Aufhängungsaktivsteuerbefehl oder Aufhängungssemiaktivsteuerbefehl. Die Kräfte können auch ausgedrückt werden als die Passivaufhängungskräfte plus die Aktiv- oder Semiaktivaufhängungskräfte:
    Figure 00130002
    wobei Kf die Frontpassivaufhängungsfederrate und Kr die Heck-Passiv-Aufhängungsfederrate mit der Einheit Newton pro Meter sind. Es ist zu beachten, das Kf und Kr Funktionen des Aufhängungshubes anstelle konstanter Werte sein können, um die Nichtlinearität der Passivaufhängungsfederrate zu reflektieren. Das gleiche gilt für die Aufhängungsdämpfungsrate Df und Dr.
  • Es gibt Drehmomente entlang der Wankrichtung, welche von dem Drehstabstabilisator erzeugt werden. Wenn solche Drehmomente mit τarf, τarr, bezeichnet werden, welche auf das Fahrzeug aufgebracht werden, können sie wie folgt berechnet werden:
    Figure 00140001
    wobei Karf die Steifigkeit des Front-Drehstabstabilisators und Karr die Steifigkeit des Heck-Drehstabstabilisators ist, mit der Einheit Nm/rad.
  • Wenn die Fahrzeugkarosserie von der Aufhängung um die oberen Enden der Aufhängung herum getrennt ist, gibt es Longitudinal- und Lateralkräfte, welche von den Aufhängungen auf die Fahrzeugkarosserie aufgebracht werden. Die Gesamtkräfte werden auf die Fahrzeugkarosserie entlang der Karosserielongitudinalrichtung als Fx aufgebracht, die auf die Fahrzeugkarosserie von den Aufhängungen entlang der Karosserielateralrichtung aufgebrachte Gesamtkraft ist Fy, Fx und Fy werden auf die Unterseite der Fahrzeugkarosserie aufgebracht, wo sich die Aufhängungen mit der Fahrzeugkarosserie kreuzen. Es ist zu beachten, dass sowohl Fx als auch Fy basierend auf den gemessenen Beschleunigungen berechnet werden können zu:
    Figure 00140002
    wobei Ms die gefederte Fahrzeugmasse oder die Fahrzeugkarosseriemasse ist.
  • Die Wankwinkelgeschwindigkeit der Fahrzeugkarosserie wird mit ωx bezeichnet, und die Nickwinkelgeschwindigkeit wird mit ωy, bezeichnet, und sie werden aus den gemessenen Signalen in unserem System nicht gemessen, sondern geschätzt. Im Folgenden wird ein Verfahren geschaffen, um dies zu erreichen. Indem die mit den Gleichungen (1), (2) oder (3) und (4) berechneten Kräfte und Newtons Gesetze verwendet werden, können die folgenden Dynamikbeziehungen, welche von der Fahrzeugkarosserie um ihren Schwerpunkt herum befolgt werden, für die unbekannten ωX und ωy entwickelt werden:
    Figure 00150001
    wobei Ix das Trägheitsmoment der Fahrzeugkarosserie bezüglich der x-Achse und Iy das Trägheitsmoment der Fahrzeugkarosserie bezüglich der y-Achse ist, Ms die gefederte Masse ist (die Masse der Fahrzeugkarosserie), tf der Abstand vom Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie zur Vorderachse ist, tr der Abstand vom Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie zur Hinterachse ist, h der Abstand zwischen dem Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie und der Unterseite der Fahrzeugkarosserie ist.
  • Von der Gleichung (5) können die Winkelwankbeschleunigung und die Winkelnickbeschleunigung berechnet werden von dem Aufhängungshöhensensor und der Longitudinalbeschleunigung und der Lateralbeschleunigung:
    Figure 00150002
  • Somit können die Fahrzeugwankgeschwindigkeit und Fahrzeugnickgeschwindigkeit durch Integrieren der Winkelbeschleunigungen von Gleichung (6) berechnet werden.
  • Um die potentielle Niederfrequenzdrift zu eliminieren, wird eine digitale Integration mit Hochpassfiltern verwendet, um die digitalen Werte von ^ x(k) und ^ y(k) im k-ten Zeitaugenblick zu erlangen, welche wie folgt summiert werden können:
    Figure 00160001
    wobei ΔT die Abtastzeit ist, α und β zwei Koeffizienten mit einer Größe kleiner als 1 sind und
    Figure 00160002
  • Durch die Eulertransformation können der Fahrzeugglobalwankwinkel und der Fahrzeugglobalnickwinkel bezogen werden auf die geschätzte Wankgeschwindigkeit ^ x und die geschätzte Nickgeschwindigkeit ^ y aus den folgenden nichtlinearen Differentialgleichungen:
    Figure 00160003
  • Eine digitale Berechnung der obigen Winkel kann wie folgt durch eine Hochpassintegration erzielt werden, basierend auf den vorherigen Werten des Wankwinkels und des Nickwinkels:
    Figure 00170001
    wobei
  • Figure 00170002
  • und die Koeffizienten χ und δ basierend auf spezifischen Anwendungsanforderungen gewählt sind.
  • Wird ein Vektor mit x-y-z Koordinaten als xb, yb, zb mit seinem Endpunkt im Karosserieachsenkreuz berücksichtigt, so kann die z-Koordinate des Endpunktes des im Straßenachsenkreuz gemessenen gleichen Vektors von der Eulertransformation berechnet werden zu:
    Figure 00170003
  • Es sei l die Hälfte der Radspur; tf der Abstand vom Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie zur Vorderachse, tr der Abstand vom Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie zur Hinterachse; h der Abstand zwischen der Unterseite der Fahrzeugkarosserie und dem Schwerpunkt des Fahrzeugs entlang der Karosserie-z-Achse. Dann haben im Karosserieachsenkreuz die vier Ecken der Fahrzeugkarosserie, wo die jeweilige Aufhängung mit dem jeweiligen Rad verbunden ist, die folgenden Koordinaten:
    Figure 00180001
  • Es sei zlf der relative Versatz der Fahrzeugecke an der Ecke links vorne, zrf der relative Versatz der Fahrzeugecke an der Ecke rechts vorne, zlr der relative Versatz der Fahrzeugecke an der Ecke links hinten, und zrr der relative Versatz der Fahrzeugecke an der Ecke rechts hinten, welche entlang der Richtung senkrecht zur Straßenfläche gemessen werden. Indem die Transformationengleichung (8) verwendet wird, können jene Eckenversätze relativ zur Straßenfläche als die Funktion des Relativwankwinkels θx r und des Relativnickwinkels θy r ausgedrückt werden zu:
    (10)
    wobei zcg der Relativversatz des Schwerpunktes des Fahrzeugs bezüglich der Straßenfläche ist, aber entlang der Karosserie-z-Achse gemessen ist. Indem in Gleichung (10) zcg eliminiert wird, kann der folgende Ausdruck für θxr und θyr unter Verwendung von zlf, zrf, zlr, zrr erlangt werden:
    Figure 00180002
  • Weil zlf, zrf, zlr, zrr nicht direkt gemessen werden, können Sensorsignale verwendet werden, um diese zu schätzen. Wie in 4 gezeigt, kann zlf ferner ausgedrückt werden als die Summe von zwei Teilen: dem Aufhängungshub slf, welcher von dem Aufhängungshöhensensor 50b gemessen ist, und dem Radversatz wlf mit Bezug auf die Straßenfläche entlang der Richtung senkrecht zur Straßenfläche. Das gleiche gilt für die restlichen Ecken. Die vier Höhensensorsignale können bezeichnet werden als slf, srf, slr und srr, und die vier Radvertikalversätze als wlf, wrf, wlr, und wrr, wobei
    Figure 00190001
  • Der Relativwankwinkel und der Relativnickwinkel (Lage) kann gemäß der Aufhängungsbewegung und der Radvertikalbewegung in Teile aufgeteilt werden. Die Wanklage und die Nicklage aufgrund der Aufhängungsbewegungen slf, srf, slr, und srr können definiert sein als:
    Figure 00190002
    und der Wankbeitrag und der Nickbeitrag aufgrund der Rad-Vertikalbewegung können definiert sein als
    Figure 00190003
  • Dann ist θyr ≈ θyr-susp + θyr-whl θxr ≈ θxr-susp + θxr-whl (15)
  • Es ist zu beachten, dass, wenn das Fahrzeug alle vier Räder in Kontakt mit der Straßenfläche hat, dann sind wlf, wrf, wlr und wrr gleich dem Wankradius jedes Rades plus der korrespondierenden Reifendurchfederung. Weil die Reifendurchfederungen üblicherweise sehr klein sind, und die Wankradien kleine Unterschiede zwischen den vier Rädern haben, gilt die folgende Gleichung näherungsweise:
    Figure 00200001
  • Der Straßenquerneigungswinkel kann nun wie folgt durch den geschätzten Globalwankwinkel und den Relativwankwinkel berechnet werden:
    Straßenquerneigungswinkel = θx–θxr
  • Der Straßenlängsneigungswinkel kann ähnlich berechnet werden durch den berechneten Globalnickwinkel und den Relativnickwinkel als
    Straßenlängsneigungswinkel = θy–θyr
  • Mit Bezug auf 5 wird nun eine Zusammenfassung des obigen Prozesses gezeigt. In Schritt 70 werden der Giersensor, der Lateralbeschleunigungssensor und Longitudinalbeschleunigungssensor von dem Fahrzeuggierstabilitätssteuersystem und/oder dem Wankstabilitätssteuersystem gelesen. In Schritt 72 werden die Aufhängungshöhensensoren gelesen, um die vier Aufhängungshöhen zu bestimmen. In Schritt 74 werden die Winkelnickbeschleunigung und die Winkelwankbeschleunigung bestimmt von der Lateralbeschleunigung, der Longitudinalbeschleunigung und den Aufhängungshöhensensoren. In Schritt 76 werden die Fahrzeugwankgeschwindigkeit und Fahrzeugnickgeschwindigkeit bestimmt von der Nickbeschleunigung und der Wankbeschleunigung, wobei unterschiedliche Integrationsschemen verwendet werden, einschließlich einer hochpassgefilterten Integration, Antidriftintegration oder zusammen mit einer Konstantverzögerungsfilterung. In Schritt 78 werden der Globalwankwinkel und der Globalnickwinkel bestimmt, wobei die Giergeschwindigkeit von Schritt 70 und die Fahrzeugwankgeschwindigkeit und Fahrzeugnickgeschwindigkeit von Schritt 76 verwendet werden. In Schritt 80 werden die Relativwankwinkel und Relativnickwinkel bestimmt als eine Funktion der Aufhängungshöhen, wie oben in Gleichung (11) beschrieben. In Schritt 82 werden der Globalwankwinkel und der Globalnickwinkel und der Relativwankwinkel und der Relativnackwinkel verwendet, um die Straßenquerneigung und die Straßenlängsneigung zu bestimmen. Die Straßenquerneigung und die Straßenlängsneigung werden verwendet, um ferner die Steuerschwellen für das Gierstabilitätssteuersystem oder Wankstabilitätssteuersystem zu setzen.
  • Die unterschiedlichen Steuersysteme des Fahrzeugs können einen oder mehrere der Nickcharakteristiken oder Wankcharakteristiken verwenden, welche oben in den Schritten 74, 76, 78 oder 82 bestimmt sind. Eines oder mehrere der Systeme können, basierend auf diese Charakteristiken, aktiviert werden.

Claims (22)

  1. Steuersystem (18) für ein Kraftfahrzeug (10) mit einer Fahrzeugkarosserie, aufweisend: einen ersten Winkelgeschwindigkeitssensor, welcher ein erstes Winkelgeschwindigkeitssignal korrespondierend zu einer ersten Winkelbewegung der Fahrzeugkarosserie erzeugt; einen Aufhängungshöhensensor, welcher ein Aufhängungshöhensignal korrespondierend zur Aufhängungshöhe des Fahrzeugs erzeugt; einen Lateralbeschleunigungssensor (32), welcher ein Lateralbeschleunigungssignal korrespondierend zu einer Lateralbeschleunigung eines Fahrzeugkarosserieschwerpunktes erzeugt; einen Longitudinalbeschleunigungssensor (36), welcher ein Longitudinalbeschleunigungssignal korrespondierend zur Longitudinalbeschleunigung des Fahrzeugkarosserieschwerpunktes erzeugt; und eine Steuereinheit (26), welche gekoppelt ist mit dem ersten Winkelgeschwindigkeitssensor, dem Aufhängungshöhensensor, dem Lateralbeschleunigungssensor (32), dem Longitudinalbeschleunigungssensor (36), wobei die Steuereinheit (26) eine Wankcharakteristik bestimmt von: dem ersten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem Aufhängungshöhensignal, und dem Lateralbeschleunigungssignal, und eine Nickcharakteristik bestimmt von: dem ersten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem Aufhängungshöhensignal und dem Longitudinalbeschleunigungssignal.
  2. Steuersystem (18) nach Anspruch 1, wobei die Wankcharakteristik aufweist: eine Wankwinkelbeschleunigung, Globalwanklage, Fahrzeugrelativwanklage oder Straßenflächenquerneigung.
  3. Steuersystem (18) nach Anspruch 1, wobei die Nickcharakteristik aufweist: eine Nickwinkelbeschleunigung, Globalnicklage, Fahrzeugrelativnicklage oder Straßenflächenlängsneigung.
  4. System (18) nach Anspruch 1, wobei der erste Winkelgeschwindigkeitssensor ein Sensor ist, welcher aus der Gruppe eines Giergeschwindigkeitssensors (28), eines Nickgeschwindigkeitssensors (37) und eines Wankgeschwindigkeitssensors (34) ausgewählt ist.
  5. System (18) nach Anspruch 1, wobei der Aufhängungshöhensensor vier Aufhängungshöhensensoren (50a, 50b, 50c, 50d) aufweist, welche vier Aufhängungshöhensignale erzeugen, wobei die Steuereinheit (26) eine Wankcharakteristik als Antwort auf die vier Aufhängungshöhensignale bestimmt.
  6. Steuersystem (18) für ein Kraftfahrzeug (10) mit einer Fahrzeugkarosserie, aufweisend: einen Aufhängungshöhensensor, welcher ein Aufhängungshöhensignal korrespondierend zur Aufhängungshöhe des Fahrzeugs erzeugt; einen Lateralbeschleunigungssensor (32), welcher ein Lateralbeschleunigungssignal korrespondierend zu einer Lateralbeschleunigung eines Fahrzeugkarosserieschwerpunktes erzeugt; und eine Steuereinheit (26), welche gekoppelt ist mit einem Giergeschwindigkeitssensor (28), dem Aufhängungshöhensensor und dem Lateralbeschleunigungssensor (32), wobei die Steuereinheit eine Aufhängungskraft bestimmt als Antwort auf das Aufhängungshöhensignal und einen Steuerbefehl, wobei die Steuereinheit eine Wankwinkelbeschleunigung von dem Aufhängungshöhensignal und dem Lateralbeschleunigungssignal bestimmt.
  7. System (18) nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit (26) ein Aufhängungsgeschwindigkeitssignal von dem Aufhängungshöhensignal bestimmt, wobei die Steuereinheit eine Aufhängungskraft bestimmt als Antwort auf das Aufhängungshöhensignal, das Aufhängungsgeschwindigkeitssignal und einen Steuerbefehl.
  8. System (18) nach Anspruch 6, welches ferner aufweist einen Giergeschwindigkeitssensor (28), welcher ein Giergeschwindigkeitssignal korrespondierend zu einer Gierwinkelbewegung der Fahrzeugkarosserie erzeugt.
  9. Vorrichtung (18) nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit (26) eine Globalwanklage bestimmt von der Wankwinkelbeschleunigung, dem Gierwinkelsignal, und einer Globalnicklage.
  10. System (18) nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit (26) eine Relativwanklage als Antwort auf das Aufhängungshöhensignal bestimmt.
  11. System (18) nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit (26) einen Straßenquerneigungswinkel bestimmt als Antwort auf die Globalwanklage und die Relativwanklage.
  12. Steuersystem (18) für ein Kraftfahrzeug (10) mit einer Fahrzeugkarosserie, aufweisend: einen Aufhängungshöhensensor, welcher ein Aufhängungshöhensignal korrespondierend zur Aufhängungshöhe des Fahrzeugs erzeugt; einen Longitudinalbeschleunigungssensor (36), welcher ein Longitudinalbeschleunigungssignal korrespondierend zur Longitudinalbeschleunigung des Fahrzeugkarosserieschwerpunktes erzeugt; und eine Steuereinheit (26), welche gekoppelt ist mit einem Giergeschwindigkeitssensor (28), dem Aufhängungshöhensensor, und dem Longitudinalbeschleunigungssensor (36), wobei die Steuereinheit (26) eine Aufhängungskraft bestimmt als Antwort auf das Aufhängungshöhensignal und einen Steuerbefehl, wobei die Steuereinheit (26) eine Nickwinkelbeschleunigung bestimmt von dem Aufhängungshöhensignal und dem Longitudinalbeschleunigungssignal.
  13. System (18) nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit (26) ein Aufhängungsgeschwindigkeitssignal bestimmt von dem Aufhängungshöhensignal, wobei die Steuereinheit (26) eine Aufhängungskraft bestimmt als Antwort auf das Aufhängungshöhensignal, das Aufhängungsgeschwindigkeitssignal und einem Steuerbefehl.
  14. System (18) nach Anspruch 12, welches ferner aufweist einen Giergeschwindigkeitssensor (28), welcher ein Giergeschwindigkeitssignal korrespondierend zu einer Gierwinkelbewegung der Fahrzeugkarosserie erzeugt.
  15. System (18) nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit (26) eine Globalnicklage bestimmt von der Nickwinkelbeschleunigung, dem Giergeschwindigkeitssignal und einer Globalwanklage.
  16. System (18) nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit (26) eine Relativnicklage als Antwort auf das Aufhängungshöhensignal bestimmt.
  17. System (18) nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit (26) einen Straßenlängsneigungswinkel als Antwort auf die Globalnicklage und die Relativnicklage bestimmt.
  18. Steuersystem (18) nach Anspruch 17, welches ferner aufweist ein Sicherheitssystem (38), welches gekoppelt ist mit der Steuereinheit (26), wobei die Steuereinheit (26) ein Steuersignal an das Sicherheitssystem (38) als Antwort auf die Nickwinkelbeschleunigung erzeugt.
  19. Steuersystem (18) nach Anspruch 17, wobei das Sicherheitssystem mindestens eines ist, welches ausgewählt ist aus einem Aktiv-Bremssteuersystem (41), einem Aktiv-Hecklenksystem (43), einem Aktiv-Frontlenksystem (42), einem Aktiv-Drehstabstabilisatorsystem (45), und einem Aktiv-Aufhängungssystem (44).
  20. Verfahren zum Steuern einer Sicherheitsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug (10) mit einer Karosserie, aufweisend: Messen einer Lateralbeschleunigung der Fahrzeugkarosserie; Messen einer Longitudinalbeschleunigung der Fahrzeugkarosserie; Messen einer Giergeschwindigkeit der Fahrzeugkarosserie; Erzeugen eines Aufhängungshöhensignals korrespondierend zur Aufhängungshöhe des Fahrzeugs; Bestimmen einer Wankcharakteristik von dem ersten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem Aufhängungshöhensignal und dem Lateralbeschleunigungssignal; Bestimmen einer Nickcharakteristik von dem ersten Winkelgeschwindigkeitssignal, dem Aufhängungshöhensignal und dem Longitudinalbeschleunigungssignal; und Aktivieren einer Sicherheitsvorrichtung als Antwort auf den Relativwankwinkel, den Relativnickwinkel, den Globalwankwinkel und den Globalnickwinkel.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Aktivieren einer Sicherheitsvorrichtung ein System aufweist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aufweist ein Aktiv- Bremssteuersystem (41), ein Aktiv-Hecklenksystem (43), ein Aktiv-Frontlenksystem (42), ein Aktiv-Drehstabstabilisatorsystem (45) und ein Aktiv-Aufhängungssystem (44).
  22. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Messen einer Aufhängungshöhe aufweist: Messen von vier Aufhängungshöhen an einer jeweiligen Ecke des Fahrzeugs, und wobei das Bestimmen einer Wankcharakteristik das Messen der Wankcharakteristik von den vier Aufhängungshöhensignalen aufweist, und wobei das Bestimmen einer Nickcharakteristik das Messen einer Nickcharakteristik von den vier Aufhängungshöhensignalen aufweist.
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