DE10346146A1

DE10346146A1 - Variables Lenkverhältnissteuersystem und Verfahren

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Publication number: DE10346146A1
Application number: DE10346146A
Authority: DE
Inventors: Gregory J. Ann Arbor Stout; Yixin Ann Arbor Yao
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: US20040064229A1; US6799105B2; GB0320774D0; DE10346146B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines variablen Lenkverhältnisses eines elektronischen Lenkungssystems eines Fahrzeuges. Im Rahmen des Verfahrens wird der momentane Lenkradwinkel (THETA¶s¶) des Fahrzeugs erfasst und in einem Fuzzifizierungsschritt in eine Fuzzy-Menge für den momentanen Lenkwinkel (THETA¶s¶) umgewandelt, wobei die Fuzzy-Menge auf einer oder mehreren auf Attributen basierenden Lenkradwinkel-Zugehörigkeitsfunktionen beruht. In einem Inferenzschritt wird ein Ausgabewert für den Fuzzy-Referenz-Radwinkel unter Anwendung von einer Regelbasis, die auf den Zugehörigkeitswerten des momentanen Lenkradwinkels (THETA¶s¶) basiert, ermittelt. Nachfolgend wird in einem Defuzzifizierungsschritt der Fuzzy-Referenz-Radwinkel in einen scharfen Referenz-Radwinkel (THETA¶r-ref¶) des Fahrzeuges umgewandelt. Schließlich wird für das elektronische Lenkungssystem ein Lenkverhältnis angewendet, welches auf dem scharfen Lenkradwinkel (THETA¶s¶) und dem scharfen Referenz-Randwinkel (THETA¶r-ref¶) basiert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung eines variablen Lenkverhältnisses eines elektronischen Fahrzeuglenksystems durch Verwendung von Fuzzy-Logik-Technologie.
Das Fahrzeuglenkverhältnis gehört zu den entscheidenden Kriterien eines Fahrzeuglenksystems. Typischerweise ist das Lenkverhältnis eines Fahrzeuges ein proportionaler Faktor zwischen dem Lenkradwinkel und dem Radwinkel. Bei einem Lenkverhältnis von beispielsweise 16, wird das Rad um 1° gedreht, wenn das Lenkrad um 16° gedreht wird. Die meisten existierenden Fahrzeuge mit konventionellen Lenksystemen haben ein festes Lenkverhältnis, wobei das Lenkverhältnis im Wesentlichen konstant bleibt, abgesehen von kleineren Abweichungen aufgrund der Aufhängungsgeometrie des Fahrzeuges.
Um die Lenkperformance zu verbessern und die Anforderungen an die Fertigkeiten des Fahrzeugführers zu reduzieren, sind einige Automobilhersteller dazu übergegangen, variable Verhältnisse des Zahnstangenlenksystems zu implementieren. Bei einem variablen Verhältnis des Lenkgetriebezahnsatzes sind der Bereich und die Einstellbarkeit des variablen Verhältnisses durch die mechanische Struktur der Zahnräder begrenzt. Diese Art von Zahn radsätzen ermöglicht nur ein variables Verhältnis als Funktion des Lenkradwinkels. Es werden spezielle Herstellungstechnologien benötigt, um ein variables Verhältnis einer Zahnstangenlenkung herzustellen, die die Produktionskosten und die Investitionsanforderungen erhöhen.
In einem Lenkungssystem, das nicht auf einer mechanischen Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Rädern basiert, ist es dagegen möglich, das Lenkverhältnis mit dem Lenkradwinkel, der Fahrzeuggeschwindigkeit und anderen Fahrzeugvariablen zu variieren, die das Lenkungsverhalten unter der Benutzung eines variablen Lenkverhältnisses verbessern können. Dabei kann mit einem elektronischen Lenksystem ein variables Lenkverhältnis ermöglicht werden. Die Möglichkeit eines variablen Lenkungsverhältnisses kann mittels einer Software in ein elektronisches Lenkungssystem implementiert werden, so dass die Produktionskosten, die Entwicklungszeiten und die Investition im Vergleich zu konventionellen Lenkungssystemen signifikant reduziert werden.
Es ist bekannt, dass ein vorteilhaftes Fahrzeuglenkverhalten aus einem höheren Lenkverhältnis in der Mitte für eine verbesserte Stabilität und einem niedrigeren Lenkverhältnis außerhalb der Mitte resultiert, wodurch die erforderlichen Umdrehungen des Lenkrads von Anschlag zu Anschlag für ein einfacheres Einparken reduziert werden. Außerdem ist es wünschenswert, die das Lenkverhältnis bei steigender Fahrzeuggeschwindigkeit zu erhöhen. Außerdem ist es bei einem Lenkungssystem möglich, das variable Lenkverhältnis in einem Fahrzeug einstellbar auszubilden, so dass es vom Fahrzeugfahrer oder auch automatisch, basierend auf dem Fahrverhalten bzw. auf Trends des Fahrverhalten, eingestellt werden kann.
Vor diesem Hintergrund ergibt sich die Aufgabe, ein elektronisches Lenksystem anzugeben, welches an die jeweilige Anwendungsumgebung angepasst werden kann, um eine variable Lenkverhältnissteuerung zu implementieren und oben erwähnte variable Lenkverhältnisfunktionen zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Allgemein gesprochen gibt die vorliegende Erfindung gibt im Allgemeinen ein System und ein Verfahren zur Steuerung eines variablen Lenkverhältnisses eines elektronischen Lenkungssystems eines Fahrzeuges unter Anwendung der Fuzzy-Logik-Technologie an. Das elektronische Fahrzeuglenkungssystem kann als ein integriertes Steuerungssystem betrachtet werden, das aus zwei verschiedenen Funktionseinheiten besteht: ein Lenkradsteuersystem und ein Radsteuersystem. Das Lenkradsteuerungssystem erzeugt ein Lenkgefühl für den Fahrzeugführer und das Lenkradwinkelsteuersignal. Das Radsteuersystem stellt den tatsächlichen Radwinkel ein, wobei dieser einem Referenz-Radwinkelsignal folgt. Das elektronische Lenksystem umfasst weiter eine Regeleinheit für das variable Lenkverhältnis, der ein Lenkradwinkelsignal von dem Lenkradsteuersystem und ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von dem Fahrzeug zugeführt werden. Die Regeleinheit für das variable Lenkverhältnis erzeugt den Referenz-Radwinkel, die dem Radsteuersystem zugeführt wird. Die Regeleinheit für das variable Lenkverhältnis erzeugt unter Anwendung der Fuzzy-Logik-Technologie einen unterschiedlichen Referenz-Radwinkel basierend auf den Veränderungen im Lenkradwinkel und in der Fahrzeuggeschwindigkeit. Als Ergebnis erhält man eine Lenkungs- und Handlingperformance des Fahrzeuges, die über einen breiten Bereich der Fahrbedingungen verbessert ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Regeleinheit für das variable Lenkverhältnis sowohl mit dem Lenkradsteuersystem als auch dem Radsteuersystem elektrisch verbunden. Das Lenkradsteuersystem und das Radsteuersys tem sind elektrisch miteinander verbunden, wobei die Regeleinheit für das variable Lenkverhältnis dazwischen geschaltet ist. Dies ermöglicht der Regeleinheit für das variable Lenkverhältnis ein Lenkradwinkelsignal von dem Lenkradsteuersystem und Signale vom Fahrzeug zu empfangen und ein LenkungsrichtungsReferenz-Radwinkel für das Radsteuersystem zu erzeugen. Dies ermöglicht dem Lenkradsteuersystem auch, das Lenkradreaktionsdrehmoment zu steuern, um ein realistisches Lenkungsgefühl für den Fahrzeugführer zu erzeugen. Weiterhin wird es dem Radsteuersystem ermöglicht, einem Referenz-Radwinkel zu folgen, der auf dem Lenkradeingangssignal des Fahrers basiert und die Ausrichtung der Räder des Fahrzeugs aus der Lenkradstellung sicherzustellen.
Die Regeleinheit für das variable Lenkungsverhältnis wendet die Fuzzy-Logik-Technologie an, um eine Steuerung des variablen Lenkverhältnisses zu implementieren und stellt weiter eine variable Lenkverhältnisauswahl bereit, die eine Fuzzy-Inferenz verwendet. Die Fuzzy-Logik-Technologie kann mehrere scharfe Eingangsinformationen verarbeiten, so z. B. den Lenkradwinkel und die Fahrzeuggeschwindigkeit, um eine optimale kontinuierliche Lösung für das variable Lenkverhältnis zu erhalten. Diese Erfindung beschreibt das auf Fuzzy-Logik basierende Lenkverhältnissteuerungsverfahren, das in der Regeleinheit für das variable Lenkungsverhältnis implementiert ist. Die auf Fuzzy-Logik basierende Lenkverhältnissteuerung arbeitet in drei Schritten: Fuzzifizierung, die Fuzzy-Inferenz (Schlussfolgerung) und Defuzzifizierung. Alle scharfen Eingangs- und Ausgabesvariablen einschließlich des Lenkradwinkels der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Referenz-Radwinkels werden durch ein Festlegen von linguistischen Termen und korrespondierenden Zugehörigkeitsfunktionen in Werte in Fuzzysets umgewandelt. Dann wird unter Verwendung der Markierungen und Zugehörigkeitsfunktionen, die bei der Fuzzifizierung definiert wurden, ein Satz von Regeln für die Fuzzy-Inferenzstufe angegeben, um ein optimales Referenz-RadwinkelAusgabessignal zu beschreiben, das auf den Systemanforderun gen und Entwicklungserfahrungen basiert. Der als linguistischer Wert erhaltene Referenz-Radwinkel wird schließlich bei der Defuzzifizierung in einen scharfen (Zahlen-)Wert umgewandelt.
Die vorliegende Erfindung beschreibt auch eine neue Entwicklung für eine variable Lenkverhältnissteuerung mit einer einstellbaren variablen Lenkverhältnisfunktion. Dabei wird das Lenkverhältnis nicht nur mit dem Lenkradwinkel und der Fahrzeuggeschwindigkeit variiert, sondern wird darüber hinaus auch in Abhängigkeit von Fahrstil und den Umgebungsbedingungen variiert. Die einstellbare variable Verhältnisfunktion kann in Abhängigkeit von Fahrstil und den Umgebungsbedingungen durch den Fahrzeugführer oder auch automatisch eingestellt werden. Die Fahrzeugvariablen, die Einfluss auf die Einstellung des Lenkverhältnisses haben, können von Sensoren erfasst und durch Verwendung weiterer Variablen geschätzt werden.
Weitere Aspekte, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden bei der Betrachtung der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlich, die anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines elektronischen Lenkungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockschaltbild eines elektronischen Lenkungssystems aus 1, in dem die Regeleinheit für das variable Lenkverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
3 ein Blockdiagramm der Regeleinheit für das variable Lenkverhältnis im elektronischen Lenkungssystem von 2;
4 eine grafische Darstellung einer Lenkwinkelzugehörigkeitsfunktion mit Markierungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine grafische Darstellung der Fahrzeuggeschwindigkeitszugehörigkeitsfunktion mit hörigkeitsfunktion mit Markierungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 eine grafische Darstellung einer Referenz-Radwinkelzugehörigkeitsfunktion mit Markierungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ein Ablaufdiagramm einer variablen Lenkverhältnissteuerung eines Fahrzeuges mit elektronischem Lenkungssystem, bei dem Fuzzy-Logik-Technologie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
8 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Regeleinheit für das variable Lenkverhältnis mit einer einstellbaren variablen Lenkverhältnisfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines elektronischen Lenkungssystems 10 eines Fahrzeuges mit einer elektronischen Lenksteuereinheit 12. Wie in 1 gezeigt, ist die elektronische Lenksteuereinheit 12 z. B. elektrisch mit der Lenkradeinheit 20 und der Radbaugruppeneinheit 23 verbunden. Die Steuereinheit 12 umfasst einen Lenkradcontroller 14, eine Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis und einen Radcontroller 18. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Lenkradcontroller 14 z. B. elektrisch mit dem Radcontroller 18 über die Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis verbunden. Die elektronische Lenksteuereinheit 12 führt die Steuerungsfunktion durch Steuerung der Lenkradeinheit 20 und der Radbaugruppeneinheit 23 aus. Dies wird im Allgemeinen durch die Verwendung von Mikroprozessoren erreicht. Es können ein oder mehrere Mikroprozessoren verwendet werden, ohne dass man den Bereich der vorliegenden Erfindung verlässt.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das elektronische Lenksystem 10 eine Lenkradeinheit 20 mit einem Lenkrad 26, das auf der Lenkwelle 27 befestigt ist. Die Lenkradeinheit 20 umfasst weiter einen Lenkradsensor 28, der an der Lenkwelle 27 oder am Aktuator 30 befestigt ist, zur Erfassung des Lenkradwinkels und anderer Variablen, z. B. einer Winkelgeschwindigkeit des Lenkrades 26. Der Lenkradwinkel wird im Allgemeinen auf die Mittelposition bezogen, von der aus das Lenkrad gedreht wird. Der Lenkradsensor 28 kann z. B. elektrisch mit dem Lenkradcontroller 14 verbunden sein, der Signale empfangen kann, die den Lenkradwinkel oder die Winkelgeschwindigkeit des Lenkrades angeben.
Die Lenkradeinheit 20 kann weiter ein Lenkradmotorverstärker 29 umfassen, der elektrisch mit dem Lenkradcontroller 14 verbunden ist. Darüber hinaus kann die Lenkradeinheit 20 einen Aktuator 30 umfassen, der elektrisch mit dem Motorverstärker 29 verbunden ist und an der Lenkwelle 27 befestigt ist. Der Aktuator 30 empfängt vom Motorverstärker 29 ein Motordrehmomentsteuersignal und übt ein Drehmoment auf das Lenkrad 26 aus, so dass die Lenkradeinheit 20 ein Lenkgefühl für den Fahrzeugführer erzeugt.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die Radbaugruppeneinheit 23 die Fahrzeugräder 31, wobei jedes an einer Spurstange 33 angelenkt ist. Jede Spurstange 33 ist mit der Lenkgetriebebaugruppe 36 verbunden. Die Radbaugruppeneinheit 23 umfasst weiter einen Radsensor 41, der zur Erfassung des Radwinkels an dem Aktuator 44 befestigt ist. Dabei können einer oder mehrere Radsensoren 41 verwendet werden. Alternativ kann der Radsensor 41 an der Radspurstange 33 befestigt sein, um den Versatz zu erfassen, so dass der Radwinkel erhalten wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Radsensor 41 elektrisch mit dem Radcontroller 18 verbunden, um Signale zu übermitteln, die die Radwinkel angeben. Die Radbaugruppeneinheit 23 kann auch einen Motorverstärker 43 umfassen, um Drehmomentensteuersignale von dem Radcontroller 18 zu empfangen. Die Radbaugruppeneinheit 23 umfasst weiter einen Aktuator 44, der elektrisch mit dem Motorverstärker 43 ver bunden ist. Der Aktuator 44 empfängt Motordrehmomentensteuersignale von dem Motorverstärker 43, um ein entsprechendes Drehmoment auf die Fahrzeugräder 31 anzuwenden.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Radbaugruppeneinheit 23 wenigstens einen Sensor, einen Verstärker und einen Aktuator für jedes Rad oder für beide Räder. Natürlich kann jede Anzahl von Sensoren, Verstärkern oder Aktuatoren für jedes Rad verwendet werden, ohne sich aus dem Bereich der vorliegenden Erfindung herauszubewegen.
Wie in 1 dargestellt, umfasst die elektronische Lenksteuereinheit 12 weiter die Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis ist elektrisch mit dem Lenkradcontroller 14 und mit dem Radcontroller 18 verbunden. Zur Illustration der Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis zeigt 2 ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm für ein elektronisches Lenkungssystem nach 1. Das auf einem geschlossenen Regelkreis basierende elektronische Lenkungssystem in 2 umfasst drei Blöcke, die das Lenkradregelsystem 14' mit der Lenkradeinheit 20 und dem Controller 14, das Radregelsystem 18' mit der Radbaugruppeneinheit 23 und dem Controller 18 und eine Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis darstellen.
In 2 ist dargestellt, dass die Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis ein Lenkradwinkelsignal θ_S von dem Lenkradregelsystem 14' und ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal V_s vom Fahrzeug empfängt. Die Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis wandelt den Lenkradwinkel unter vorbestimmter Berücksichtigung des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals, um ein Referenz-Radwinkelsignal θ_r-ref zu bestimmen, das ein Eingangsreferenzsignal für das Radregelsystem 18' ist. Das Radregelsystem 18' ist derart konstruiert, dass der tatsächliche Ausgabe-Radwinkel θ_r dem Referenzwinkel θ_r-ref folgt. Damit erzeugt die Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis ein variables Lenkverhältnis γ = θ_S/θ_r-ref zwischen dem Lenkradwinkel θ_S und dem Referenz-Radwinkel θ_r-ref.
Es können verschiedene Strategien verwendet werden, um das variable Lenkverhältnis zu implementieren, beispielsweise können mathematische Gleichungen oder eine Look up Table verwendet werden. Zum Beispiel kann das Fahrzeuglenkverhältnis den Wert 16 ergeben, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit geringer als 20 Meilen pro Stunde ist, wobei das Lenkverhältnis automatisch auf den Wert 20 erhöht werden kann, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit sich auf 70 Meilen pro Stunde erhöht. Die Räder würden sich somit bei der niedrigen Geschwindigkeit um ein Grad drehen, wenn das Lenkrad um 16° gedreht wird, wobei bei der höheren Geschwindigkeit eine Drehung von 20° am Lenkrad erforderlich wäre, um die Räder um 1° zu bewegen.
Um in der Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis ein Lenkverhältnis auszuwählen, wird erfindungsgemäß die Fuzzy-Logik-Technologie verwendet. Mit anderen Worten, die auf der Fuzzy-Logik basierende Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis bestimmt das gewünschte oder optionale Lenkverhältnis. In diesem Ausführungsbeispiel verwendet die Regeleinheit 16 die Fuzzy-Inferenz einschließlich einer Regelbasis, um einen Referenz-Radwinkel aus dem momentanen Lenkradwinkel und der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen.
3 zeigt ein Blockdiagramm der Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis, mittels der die Fuzzy-Logik-Technologie in einem elektronischen Lenkungssystem nach 2 implementiert wird. Die auf Fuzzy-Logik basierenden Anwendungen bestehen im Wesentlichen aus drei Elementen: der Fuzzifizierung, der Inferenz und der Defuzzifizierung. Wie in 3 gezeigt, umfasst die Regeleinheit 16 für das variable Lenkverhältnis einen Fuzzifizie rungsblock 46, einen auf einer Fuzzy-Regelbasis 53 basierenden Inferenzblock 50 und einem Defuzzifizierungsblock 56.
Bei der Anwendung von Fuzzy-Logik wird in einem ersten Schritt in der sog. Fuzzifizierung 46 der scharfe momentane Wert des Lenkradwinkels θ_S und der Fahrzeuggeschwindigkeit V_s in eine Fuzzy-Menge umgewandelt. Bei der Fuzzifizierung wird einem scharfen Wert einer numerischen Eingangsvariablen ein oder mehrere Attribute mit einer korrespondierenden Zugehörigkeitsfunktion zugeordnet und der jeweilige Zugehörigkeitswert der Attribute ermittelt. Die Menge der Zugehörigkeitswerte bildet die Fuzzy-Menge. Hierzu werden in einem ersten Schritt die Attribute und die korrespondierenden Zugehörigkeitsfunktionen für die Eingangsvariablen wie Lenkradwinkel und Fahrzeuggeschwindigkeit definiert. Gleichzeitig werden auch die Attribute und die korrespondierenden Zugehörigkeitsfunktionen für das Ausgabe-Signal der Referenz-Radwinkelvariable festgelegt.
Eine Zugehörigkeitsfunktion ist eine Datenkurve, die definiert, wie einem scharfen Eingangswert in Bezug auf ein bestimmtes Attribut ein Zugehörigkeitswert (Grad von Zugehörigkeit) z.B. zwischen 0 und 1 zugewiesen wird. Existieren mehrere Attribute, so gibt es für jedes Attribut eine eigene Zugehörigkeitsfunktion. In einem solchen Fall lässt sich ein scharfer Eingangswert in eine Mehrzahl von Zugehörigkeitswerten zu einzelnen Attributen zerlegen, wobei sich jeder einzelne Zugehörigkeitswert aus der Zugehörigkeitsfunktion des jeweiligen Attributs ergibt. Die Menge aller Zugehörigkeitswerte wird Fuzzy-Menge genannt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Zugehörigkeitswerte reelle Zahlen zwischen 0 und 1, so dass ein Übergang von einer Zugehörigkeit zu einer Nichtzugehörigkeit kontinuierlich vor sich geht und nicht abrupt stattfindet. Je höher der zwischen 0 und 1 liegende Zugehörigkeitswert ist, desto höher ist die Zugehörigkeit zu einem Attribut.
In diesem Ausführungsbeispiel sind mehrere Attribute für einen scharfen Eingangswert möglich, wobei jedes Attribut mit einem linguistischen Term benannt wird und mit einer Zugehörigkeitsfunktion verknüpft ist. Die Menge aller Zugehörigkeitsfunktionen deckt dabei den gesamten möglichen Wertebereich des Eingangswerts oder des Ausgabewerts ab.
Die 4 bis 6 zeigen die Zugehörigkeitsfunktionen für den Eingangslenkradwinkel θ_S, die Fahrzeuggeschwindigkeit v_s, und den Ausgabe-Referenz-Radwinkel θ_r-ref als Abfolge von Dreiecksfunktionen. Es wird jedoch angemerkt, dass die Zugehörigkeitsfunktionen auch jede andere Form aufweisen können und nicht auf eine trapezförmige, glockenförmige oder rechteckige Form beschränkt sind.
In diesem Ausführungsbeispiel werden zur Fuzzifizierung eines scharfen Wertes einer Eingangsvariablen zuerst die entsprechenden Attribute und die korrespondierenden Zugehörigkeitsfunktionen festgelegt. 4 zeigt die Fahrzeuglenkradwinkelzugehörigkeitsfunktionen für eine Vielzahl von Attributen für den Lenkradwinkel. Es sind neun dreieckige Kurven (die jeweiligen Zugehörigkeitsfunktionen zu einzelnen Attributen) definiert, um den erforderlichen Bereich einer Eingangsvariablen abzudecken. In diesem Beispiel werden die Attribute für den Lenkradwinkel mit linguistischen Termen gekennzeichnet, die auf 2-Buchstabencodes basieren. Hier stellt N negativ, P positiv, ZE ungefähr Null, S klein, M mittel, L groß und H sehr groß dar. Auf diese Weise werdend die Zugehörigkeitsfunktionen der einzelnen Attribute in 4 bezeichnet. Beispielsweise sind die Attribute des Lenkradwinkels in der Zugehörigkeitsfunktion und in dem Bereich der Lenkradwinkel wie folgt angegeben.
Die Fahrzeuggeschwindigkeitszugehörigkeitsfunktionen zu den korrespondierenden Attributen ist in 5 gezeigt. Das Attribut „Niedrig" wird verwendet, um eine niedrige Geschwindigkeit auszudrücken und „hoch" wird verwendet, um eine hohe Geschwindigkeit auszudrücken. Die Attribute für die Fahrzeuggeschwindigkeit in der Zugehörigkeitsfunktion werden wie folgt nach der Fahrzeuggeschwindigkeit unterteilt:
niedrig: geringe Fahrzeuggeschwindigkeit < 60 mph
hoch: hohe Fahrzeuggeschwindigkeit > 20 mph.
Die Referenz-Radwinkelzugehörigkeitsfunktion mit mehreren Attributen und zugeordneten Zugehörigkeitsfunktionen wird in 6 für die Ausgabevariable angegeben. Die Formen der Zugehörigkeitsfunktionen der einzelnen Attribute sind dreieckig wie beim Lenkradwinkel. Die Winkelbereiche des Referenz-Radwinkels für die einzelnen Attribute in der Zugehörigkeitsfunktion des Referenz-Radwinkels werden wie folgt angegeben:
NH: < –24°
NL: –32 bis –16°
NM: –24 bis –8°
MS: –16 bis 0°
ZE: –8 bis +8°
PS: 0 bis +16°
PM: +8 bis +24°
PL: +16 bis +32°
PH: > +24°.
Wie in den 4 und 5 gezeigt, wird in dem Fuzzifizierungsblock 46 ein Grad der Zugehörigkeit zwischen 0 und 1 für jeden scharfen Eingangswert innerhalb einer entsprechenden Zugehörigkeit zu einem bestimmten Attribut ermittelt. Jeder genaue Eingangswert kann nach mindestens zwei Attributen zerlegt werden, wobei jeweils Zugehörigkeitswerte zu jedem Attribut angegeben werden können. Zum Beispiel fällt ein genauer Lenkradwinkel von –250° in den Bereich zum Attribut NL mit einem Zugehörigkeitswert von 0,5 und in den Bereich zum Attribut NM mit einem Zugehörigkeitsgrad von 0,5. Somit wird der genaue Wert von –250° für einen Lenkradwinkel in 0,5 in der NL Zugehörigkeit und mit 0,5 in der NM Zugehörigkeit umgewandelt. Somit gehört der Lenkradwinkel von –250° zu der "negativ groß" Zugehörigkeit mit 50 % und ebenso zu der "negativ mittel" Zugehörigkeit mit 50 %. Ein genauer Fahrzeuggeschwindigkeitswert von 40 mph (Meilen pro Stunde) fällt in den Bereich „langsam" mit einem Zugehörigkeitswert von 0,25 und in einen Bereich „hoch" mit 0,75 Zugehörigkeitswert, wie in 5 dargestellt.
Basierend auf dem Ergebnis der Fuzzifizierung 46 folgert die Inferenzeinheit 50 den Fuzzy-Ausgabesvariablenwert durch das Festlegen des Grades der Zugehörigkeitsfunktion für den Referenz-Radwinkel. Das Inferenzverfahren verwendet dabei einen Satz von Fuzzy-Regeln oder eine Regelbasis 53. Unter Verwendung der oben beschriebenen Zugehörigkeitsfunktionen von Eingangs- und Ausgabevariablen werden die Regeln für die Fuzzy-Inferenz 50 bestimmt, die eine zur Entscheidungsfindung erforderliche Wissensbasis verkörpern. Die Regeln können verschiedene Variablen als auch Bedingungen und Schlussfolgerungen der Regeln verwenden. Die Regeln sind als „Wenn" „Dann" („If" – „Then") Ausdrücke dargestellt, z. B. WENN der Lenkradwinkel positiv klein (PS) ist und die Fahrzeuggeschwindigkeit low (niedrig) ist, DANN ist der Referenz-Radwinkel positiv klein (PS).
Die Regeln sind definiert, um die verschiedenen bei variablen Lenkverhältnissen auftretenden Situationen vom Lenkradwinkel zum Referenz-Radwinkel abzudecken. Die Gesamtheit von derartigen Regeln bildet eine Regelbasis in der Fuzzy-Inferenzeinheit 50 zur Bestimmung des Referenz-Radwinkels. Diese neun Regeln sind so ausgelegt, dass sie den möglichen Kombinationen des Lenkradwinkels und der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechen. Eine kurze Beschreibung zur Darstellung dieser neun Regeln ist in Tabelle 4 gegeben. Diese Regeln werden üblicherweise aus Systemanforderungen und Entwicklungserfahrungen abgeleitet, um somit eine gewünschte und optimale Auswahl des Lenkverhältnisses zu treffen.
In dem Verfahren der Inferenz unter Benutzung des Inferenzblocks 50 wird der ganze Satz von Regeln bewertet, wobei während dieses Prozesses einige Regeln aktiviert bzw. „fired up" werden. D.h. beispielsweise sind folgende Regeln insbesondere dann anwendbar:
Die folgenden Fuzzy-Logik-Regeln werden aktiviert oder „fired up", wenn der Lenkradwinkel –250° beträgt und die Fahrzeuggeschwindigkeit 40 Meilen pro Stunde beträgt:

1. WENN (Lenkradwinkel NL) und (Fahrzeuggeschwindigkeit niedrig), DANN (Referenz-Radwinkel NL);
2. WENN (Lenkradwinkel NM) und (Fahrzeuggeschwindigkeit niedrig), DANN (Referenz-Radwinkel NM);
3. WENN (Lenkradwinkel NL) und (Fahrzeuggeschwindigkeit hoch), DANN (Referenz-Radwinkel NM); und
4. WENN (Lenkradwinkel NM) und (Fahrzeuggeschwindigkeit hoch), DANN (Referenz-Radwinkel NS).

Der Zugehörigkeitswert der Zugehörigkeitsfunktion für das Ausgabesignal des Radwinkels wird abhängig vom Zugehörigkeitswert der Zugehörigkeits funktion für die Eingangssignale Lenkradwinkel und Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt. Da eine UND Verknüpfung für jede Regel verwendet wird, werden die Minimalkriterien für die Eingangssignale angewendet. Somit wird für die Eingangssignale Lenkradwinkel und Fahrzeuggeschwindigkeit ein kleinerer Zugehörigkeitsgrad als für das Ausgabesignal Referenz-Radwinkel ausgewählt. Beispielsweise kann bei einem oben erwähnten scharfen Lenkradwinkel von –250° und einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 40 mph ein Zugehörigkeitsgrad des Referenz-Radwinkels unter Benutzung der Minimalkriterien bestimmt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Zugehörigkeitswert der Ausgabevariable oder des Ausgabesignals wie folgt bestimmt:
Die obigen vier Ausgabeergebnisse überlappen sich und werden in der Defuzzifizierung 56 verarbeitet. In einem Defuzzifizierungsblock 56 müssen die Fuzzywerte in scharfe Referenz-Radwinkel umgewandelt werden. Die Defuzzifizierung ist ein Prozess, bei dem ein Fuzzywert in einen scharfen Wert umgewandelt wird. Dies kann durch jedes geeignete Verfahren erreicht werden, einschließlich der Maximalmethode, der maximierenden Entscheidungsmethode und einer Centroidal-Defuzzifizierung (Verfahren der Schwerpunktsmitte), wobei diese Aufzählung nicht beschränkend ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Centroidal-Defuzzifizierungmethode verwendet, diese lautet:
Hier wird der genaue Ausgabewert des Radwinkels θ_r anhand der Schwerpunktsmitte in der Fläche unter der Zugehörigkeitsfunktionskurve des Fuzzy-Ausgabesignals ermittelt, wobei μ(x_i) einen Zugehörigkeitswert von x_i darstellt. Somit kann mit der Schwerpunktmittenmethode ein genauer Wert für den Referenz-Radwinkel bestimmt werden.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein auf Fuzzy-Logik basierendem Verfahren 400 zur Steuerung eines variablen Lenkverhältnisses eines elektronischen Fahrzeuglenksystems. Das Verfahren 400 umfasst das Erfassen des momentanen Lenkradwinkels und der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit in Schritt 412, das Umwandeln des momentanen Lenkradwinkels in eine Fuzzy-Menge für den Lenkradwinkel basierend auf einer Mehrzahl von Lenkradwinkel-Zugehörigkeitsfunktionen von verschiedenen Attributen, die mit linguistischen Termen bezeichnet werden. Dabei werden für den momentanen Lenkradwinkel die Zugehörigkeitswerte zu allen Attributen mittels der einzelnen Zugehörigkeitsfunktionen in Schritt 414 ermittelt.
Das Verfahren 400 umfasst weiter das Umwandeln der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit in eine Fuzzy-Menge für die Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Fuzzy-Menge für die Fahrzeuggeschwindigkeit beruht auf mehreren Fahrzeuggeschwindigkeits-Zugehörigkeitsfunktionen, die mit verschiedenen Attributen korrespondieren, die wiederum mittels linguistischer Terme bezeichnet werden. In Schritt 416 werden die einzelnen Zugehörigkeitswerte zu den verschiedenen Attributen bestimmt, die in ihrer Gesamtheit die Fuzzy-Menge für die Fahrzeuggeschwindigkeit bilden.
Außerdem umfasst das Verfahren 400 in Schritt 418 das Schlussfolgern eines Ausgabewertes für einen Fuzzy-Referenz-Radwinkels durch das Bestimmen der Zugehörigkeitswerte für den Referenz-Radwinkel unter Benutzung der Fuzzy-Regeln, die auf den Zugehörigkeitswerten für den Lenkradwinkel und die Fahrzeuggeschwindigkeit basieren.
Schliesslich wird der Fuzzy-Referenz-Radwinkel in Schritt 420 in den tatsächlichen Radwinkel umgewandelt.
Dabei ist es auch möglich, dass die Eingangswerte für die auf der Fuzzy-Logik basierenden Regeleinheit 16 für das variable Lenkungsverhältnis in 2 andere zusätzliche Variablen umfassen können, um ein genaueres Lenkverhältnis zu bestimmten. In diesem Ausführungsbeispiel könnten auch neue Variablen und Regeln zu der Fuzzy-Inferenzeinheit hinzugefügt werden. Dazu könnte ein Systemdesigner einfach zusätzliche Variablen und Regeln einbauen, um Faktoren zu berücksichtigen, die das Verhalten des Lenkverhältnissteuerungssystems verbessern würden, wie z.B. die aktuellen Witterungsverhältnisse, die Straßenbeschaffenheit etc.
8 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Regeleinheit für das variable Lenkverhältnis in einem elektronischen Lenkungssystem gemäß 1 dar. Dabei wird von einer einstellbaren Regeleinheit 516 für das variable Lenkverhältnis in einem elektronischen Lenkungssystem 512 ein variables Lenkverhältnis mit der adaptiven Möglichkeit erzeugt, sich an Fahrstile und Umgebungssituationen anzupassen. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die einstellbare Regeleinheit 516 für das variable Lenkverhältnis eine einstellbare Faktoreinheit 532 mit einem einstellbaren Faktor A, der in einem Bereich von 0 bis 1 veränderlich ist. Dieser einstellbare Faktor A wird auch Wichtungskoeffizient in der Fuzzy-Logik-Technologie genannt. Der einstellbare Faktor A kann basierend auf der Art des Fahrens eingestellt werden. Die einstellbare Faktoreinheit 532 empfängt von einer Moduserzeugungseinheit 534 ein Modussignal M, um den einstellbaren Faktor A einzustellen und eine proportionale Veränderung in den Zugehörigkeitsfunktionen zu erreichen. Dadurch wird das Ausgabessignal der Fuzzy-basierten Regeleinheit 516 für das variable Lenkverhältnis angepasst, um somit ein (z.B. vom Fahrer) einstellbares Lenkverhältnis zu erhalten. In einer weiteren Ausführung dieser einstellbaren Faktor-Fuzzy-Logik-Technologie können mehrere einstellbare Faktoren A₁ (der auf den Lenkradwinkel bezogen ist) und A₂ (der auf die Fahrzeuggeschwindigkeit bezogen ist) verwendet werden.
Wie in 8 dargestellt erzeugt die Moduserzeugungseinheit 534 als Ausgabesignal einen variablen Modus M. Die Moduserzeugungseinheit 534 kann so entworfen sein, dass ebenfalls eine Fuzzy-Logik-Technologie verwendet wird, um den Modus M zu erzeugen. Das Modussignal M kann eine Art des Fahrens angeben und basiert auf einem Fahrstil und Umgebungssituationen.
Dabei kann der Fahrstil jeder geeignete Fahrstil sein, einschließlich luxuriös, sportlich, Geländefahrt, Bergfahrt, Stadtfahrt, Autobahnfahrt oder Fahrt auf kurviger Strecke. Natürlich kann dabei auch jeder andere geeignete Fahrstil eingebaut werden, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Auch die Umgebungssituation kann durch jede geeignete Umgebungssituation realisiert sein, einschließlich trocken, nass, vereist oder starker Wind. Natürlich kann darin auch jede andere Umweltsituation eingebaut werden, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Basierend auf dieser Strategie kann das einstellbare variable Lenkverhältnis vom Fahrzeugführer eingestellt werden oder automatisch gesetzt werden. In dem Fall, dass der Fahrzeugführer das Lenkverhältnis manuell einstellt, wird der variable Modus auf eine feste konstante Einheit geschaltet, sodass der einstellbare Faktor A nicht in seinem Wert variiert. Somit wird in diesem Szenario die variable Lenkverhältnis-Fuzzy-Inferenzeinheit nur von der festen konstanten Einstellung beeinflusst. In dem Fall der automatischen Moduseinstellung wird der Modus M mit der Art des Fahrens und den Umgebungssituationen variieren. Somit wird die Art des Fahrens und die Umgebungssituation vom Fahrer ausgewählt oder automatisch gesetzt, was in das elektronische Lenkungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut sein kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, da Modifikationen vom Fachmann im Licht der vorgehenden Lehre ausgeführt und vorgenommen werden können.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines variablen Lenkverhältnisses eines elektronischen Lenkungssystems eines Fahrzeuges, wobei das Verfahren umfasst: – Erfassen des momentanen Lenkradwinkels (θ_S) des Fahrzeugs; – Umwandeln des momentanen Lenkradwinkels (θ_S) in Werte einer Fuzzy-Menge für den momentanen Lenkwinkel (θ_S) in einem Fuzzifizierungsschritt, – Erschließen eines Ausgabewertes für den Fuzzy-Referenz-Radwinkel in einem Inferenzschritt; – Umwandeln des Fuzzy-Referenz-Radwinkels in einen scharfen Referenz-Radwinkel (θ_r-ref) des Fahrzeuges in einem Defuzzifizierungsschritt; und – Anwenden eines Lenkverhältnisses für das Fahrzeug, welches auf dem scharfen Lenkradwinkel (θ_S) und dem scharfen Referenz-Radwinkel (θ_r-ref) basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Fuzzy-Menge für den momentanen Lenkradwinkel ein oder mehrere mit linguistischen Termen verknüpfte Attribute für den momentanen Lenkradwinkel mit korrespondierenden Lenkradwinkel-Zugehörigkeitsfunktionen gebildet werden und die Zugehörigkeitswerte des momentanen Lenkradwinkels (θ_S) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelbasis auf den Zugehörigkeitswerten des momentanen Lenkradwinkels (θ_S) basiert.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Inferenzschritt unter Anwendung der Regelbasis Zugehörigkeitswerte für den Fuzzy-Referenz-Radwinkel bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: – Erfassen der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit (v_s) des Fahrzeugs; und – Umwandeln der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit (v_s) in Werte einer Fuzzy-Menge für die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit (v_s) in einem Fuzzifizierungsschritt, wobei die Fuzzy-Menge auf einer oder mehreren auf Attributen basierenden Fahrzeuggeschwindigkeits-Zugehörigkeitsfunktionen beruht, wobei die Attribute mit linguistischen Termen verknüpft sind;
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Erschließen eines Ausgabewertes für den Fuzzy-Referenz-Radwinkel im Inferenzschritt unter Anwendung von einer Regelbasis durchgeführt wird, die auf dem Zugehörigkeitswert des momentanen Lenkradwinkels (θ_S) und auf dem Zugehörigkeitswert der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit (v_s) basiert
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lenkradwinkel-Zugehörigkeitsfunktion auf einer auf Mehrzahl von Attributen beruht, die mit linguistischen Termen verknüpft sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lenkradwinkel (θ_S) in einem Winkelbereich zwischen –500° und +500° liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei folgende Winkelbereiche des Lenkradwinkels (θ_S) Attributen zugeordnet sind: von < –400° bis –300°, von –400° bis –200°, von –300° bis –100°, von –200° bis 0, von –100° bis +100°, von 0 bis 200°, von 100° bis 300° und von 200° bis > 400° liegen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Fuzzifizierungsschritt zur Umwandlung des momentanen Lenkradwinkels (θ_S) auf der Basis einer Zugehörigkeitsfunktion ausgeführt wird, die auf wenigstens zwei Attributen beruht, die mit linguistischen Termen verknüpft sind.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Zugehörigkeitswerte zu den wenigstens zwei Attributen Werte zwischen 0 und 1 annehmen können.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeits-Zugehörigkeitsfunktion auf einer auf Mehrzahl von Attributen beruht, die mit linguistischen Termen verknüpft sind.