-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Steuerbarkeit
eines Fahrzeugs in einer fahrdynamischen Grenzsituation gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 6.
-
Fahrdynamikregelungen,
wie z.B. ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm), erhöhen die
Kontrollierbarkeit von Kraftfahrzeugen in Grenzsituationen, wie
beispielsweise beim Übersteuern
in Kurvenfahrten. Dabei bedient sich die Fahrdynamikregelung üblicherweise
der Fahrzeugbremsen oder der Motorsteuerung als Stellglieder. Lenkungsbasierte
Fahrdynamikregelungssysteme, wie z.B. AFS (Active Front Steering)
oder EAS (Electronic Active Steering), können aber auch in die Lenkung
eingreifen und mittels eines Lenkstellers einen gewünschten
Lenkwinkel einstellen.
-
Ein
Fahrdynamikregelungssystem ermittelt eine Ist-Gierrate (üblicherweise
mit Hilfe eines Gierratensensors) und berechnet eine von den Fahrervorgaben,
wie z.B. der vom Fahrer vorgegebenen Lenkradstellung, der Fahrpedalstellung,
etc., abhängige
Soll-Gierrate. Aus der Regelabweichung wird schließlich ein
Giermoment berechnet, das benötigt wird,
um die Ist-Zustandsgrößen den
Soll-Zustandsgrößen anzugleichen.
Unterlagerte Regler berechnen aus der Abweichung von Soll- und Ist-Gierrate
einen erforderlichen Stabilisierungseingriff, insbesondere einen
Rad individuellen Radschlupf oder einen Lenkwinkel. Der Radschlupf
oder der Lenkwinkel wird derart geregelt, dass das Fahrzeug ein
möglichst
genau an den Fahrerwunsch (Kurvenfahrt, Beschleunigen, Bremsen,
etc.) angepasstes Fahrverhalten zeigt und sich möglichst schnell wieder stabilisiert.
-
In
einer fahrdynamischen Grenzsituation, in der das Fahrzeug beispielsweise übersteuert
und der Fahrer versucht, gegenzulenken, stellt sich für die Fahrdynamikregelung
folgende Problematik: In einer instabilen Fahrsituation, die vom
Fahrer durch Gegenlenken versucht wird zu stabilisieren, würde dies vom
Fahrdynamikregelungssystem als Wunsch des Fahrers interpretiert
werden, in eine entgegengesetzte Kurve zu lenken (z.B. eine Rechtskurve,
falls zuvor eine Linkskurve gefahren wurde u.u.). Tatsächlich befindet
sich das Fahrzeug aber weiterhin in derselben Kurve, der es weiterhin
folgen sollte. Das Fahrzeug sollte in dieser Kurve nur stabilisiert
werden.
-
Es
ist daher erforderlich, dass das Fahrdynamikregelungssystem das
Gegenlenken nicht als Fahrerwunsch interpretiert, wodurch sich die
Situation noch verschlimmern könnte.
-
Eine
Möglichkeit,
das Fahrdynamikregelungssystem gegen das Gegenlenken des Fahrers unempfindlich
zu machen, besteht darin, eine zu Beginn eines Regeleingriffs vorliegende
Soll-Gierrate einzufrieren
(d.h. auf einem festen Wert zu halten) und diese Soll-Gierrate erst
bei Vorliegen eines bestimmten Stabilitätskriteriums an die tatsächliche, durch
den Fahrerwunsch (Lenkradstellung, Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, Bremsstellung,
etc.) bestimmte Soll-Gierrate anzugleichen. Der feste Sollwert wird
zu Beginn der Regelung bestimmt, da zu Beginn der Grenzsituation
noch davon auszugehen ist, dass das Lenkverhalten des Fahrers dem
eigentlichen Richtungswunsch entspricht und keine Gegenreaktion
auf einen instabilen Zustand des Fahrzeugs ist. Dies hat jedoch
den wesentlichen Nachteil, dass dem Fahrer während des gesamten Regeleingriffs der
Fahrdynamikregelung, vom Beginn bis zur Stabilisierung des Fahrzeugs,
vollständig
die Kontrolle über
die Sollwertbildung und damit das Regelverhalten der Fahrdynamikregelung
genommen wird, mit der Folge, dass die Fahrdynamikregelung versucht, einen
möglicherweise
nicht mehr gewünschten
Richtungswunsch einzuregeln. Die Fahrdynamikregelung richtet sich
in diesem Fall wie erwähnt
nur nach einem festen Wert der Soll-Gierrate und nicht nach dem
Fahrerwunsch.
-
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zum Verbessern der Steuerbarkeit eines Fahrzeugs
in einer fahrdynamischen Grenzsituation zu schaffen.
-
Gelöst wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 6 angegebenen
Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
-
Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die Fahrdynamikregelung
nicht basierend auf einer statischen Soll-Gierrate, sondern basierend auf
einer Soll-Gierrate durchzuführen,
die sich ausgehend von einem vorgegebenen Wert (Startwert) mit zunehmender
Dauer des Regeleingriffs an eine durch das Lenkverhalten des Fahrers
vorgegebene Soll-Gierrate annähert.
Es wird daher vorgeschlagen, eine „Überblendfunktion" vorzusehen, mit
der die Soll-Gierrate ausgehend von einem Startwert an die durch
den Fahrerwunsch vorgegebene Soll-Gierrate angenähert wird. Dies hat zur Folge,
dass die Fahrdynamikregelung zu Beginn des Regeleingriffs nahezu
unabhängig
vom Lenkverhalten des Fahrers arbeitet (den Fahrerwunsch im wesentlichen
ignoriert) und das Lenkverhalten des Fahrers mit zunehmender Dauer
immer mehr berücksichtigt,
bis sich die Fahrdynamikregelung schließlich wieder vollständig nach
dem Fahrerwunsch richtet. Dies hat den Vorteil, dass das Gegenlenken
des Fahrers zu Beginn eines Regeleingriffs im wesentlichen ignoriert
wird und der Fahrer mit zunehmender Dauer des Pegeleingriffs immer
mehr Kontrolle über
das Fahrzeug erhält.
-
Das Überblenden
der Soll-Gierrate von dem festen Wert auf die Fahrervorgabe erfolgt
vorzugsweise mittels einer Überblendfunktion.
Die Dauer des Angleichs kann z.B. mittels einer Zeitkonstante (tau) vorgegeben
werden. Die Überblendfunktion
ist vorzugsweise eine stetige Funktion.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung berechnet sich die Soll-Gierrate während eines Regeleingriffs
vorzugsweise als eine Funktion von exp(t/tau), insbesondere als
eine Sättigungsfunktion
von 1-exp(-t/tau).
-
Die
Zeitkonstante (tau) nimmt zu Beginn eines Regeleingriffs vorzugsweise
hohe Werte an und geht nach einer vorgegebenen Zeitdauer gegen Null. Wenn
die Zeitkonstante gleich Null ist, sollte die vom Fahrdynamikregelungssystem
berücksichtigte Soll-Gierrate
gleich der durch den Fahrerwunsch vorgegebenen Soll-Gierrate sein.
-
Die
Zeitkonstante (tau) ist vorzugsweise wiederum selbst zeitabhängig.
-
Ein
Fahrdynamikregelungssystem umfaßt neben
den zum Erkennen einer fahrdynamischen Grenzsituation notwendigen
Sensoren und den zur Stabilisierung erforderlichen Aktuatoren eine
Elektronik, die eine Soll-Gierrate berechnet, die sich ausgehend
von einem Startwert mit zunehmender Dauer des Regeleingriffs an
die durch das Lenkverhalten des Fahrers vorgegebene Soll-Gierrate
annähert. Diese Überblendfunktion
ist dabei vorzugsweise in einem Steuergerät hinterlegt.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten
Fahrdynamikregelungssystems zur Schwimmwinkel- und Giergeschwindigkeitsregelung;
-
2a den
Verlauf verschiedener Soll-Gierraten und einer Ist-Gierrate während eines
Regeleingriffs der Fahrdynamikregelung; und
-
2b den
zeitlichen Verlauf eines Zeitparameters.
-
1 zeigt
das Gesamtregelsystem einer Fahrdynamikregelung (ESP) zur Durchführung einer Schwimmwinkel-
und Giergeschwindigkeitsregelung, wie sie im wesentlichen aus dem
Stand der Technik bekannt ist. Das hier dargestellte Fahrdynamikregelungssystem
unterscheidet sich von bekannten Systemen dadurch, dass der im Steuergerät 12 hinterlegte
Regelalgorithmus eine Soll-Gierrate dΨsoll/dt
berücksichtigt,
die sich ausgehend von einem Startwert an eine durch das Lenkverhalten
des Fahrers bestimmte Soll-Gierrate dΨsoll_dr/dt
annähert.
Diese vom Regelalgorithmus berücksichtige
Soll-Gierrate dΨsoll/dt wird z.B. anhand einer Überblendfunktion
im Steuergerät 12 berechnet.
-
Das
Gesamtsystem umfaßt
das Fahrzeug 14 als Regelstrecke, die Sensoren 1–5 zur
Bestimmung der Reglereingangsgrößen, die
Stellglieder 6,7 zur Beeinflussung der Brems-
und Antriebskräfte,
sowie einen hierarchisch strukturierten Regler 12, bestehend
aus einem überlagerten
Fahrdynamikregler 10 und einem unterlagerten Schlupfregler 11.
Die Reglerfunktionen sind im Steuergerät 12 implementiert.
-
Zur
Regelung der Giergeschwindigkeit gibt der überlagerte Regler 10 dem
Schlupfregler 11 Sollwerte in Form von Sollschlupf λSO vor.
Dabei ist der für
die einzelnen Räder
einzustellende Sollschlupf λSO eine Funktion der Regeldifferenz zwischen
Ist- und Soll-Gierrate dΨist/dt bzw. dΨsoll/dt
des Fahrzeugs. Die Soll-Gierrate dΨsoll/dt
ergibt sich aus den Signalen des Lenkradwinkelsensors 3 (Lenkwunsch),
des Vordrucksensors 2 (Verzögerungswunsch) und des Motormanagements 7 (Antriebsmomentenwunsch).
Daraus wird die Soll-Gierrate dΨsoll/dt beispielsweise mittels des sogenannten "Einspurmodells" berechnet. Die Ist-Gierrate
dΨist/dt ergibt sich z.B. aus dem Signal des
Gierratensensors 4.
-
In
einer fahrdynamischen Grenzsituation, in der die Regeldifferenz
zwischen Soll- und Ist-Gierrate einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, werden
im Fahrdynamikregler 10 die erforderlichen Sollschlüpfe λSO für die einzelnen
Räder ermittelt.
Die berechneten Sollschlüpfe λSO werden
dann in entsprechende Anweisungen für die Stellglieder "Bremshydraulik" 6 und "Motormanagement" 7 umgerechnet,
die die erforderlichen Brems- bzw. Antriebskräfte für die einzelnen Räder einstellen,
um das Fahrzeug zu stabilisieren.
-
Der
Erfolg der Fahrdynamikregelung wird durch das Fahrverhalten des
Fahrers stark beeinflußt.
Versucht der Fahrer in einer Übersteuersituation
beispielsweise durch Gegenlenken das Fahrzeug zu stabilisieren,
wird dies von einer herkömmlichen Fahrdynamikregelung
als Lenkwunsch interpretiert, in eine andere Richtung zu fahren.
Tatsächlich
handelt es sich dabei aber nur um einen Stabilisierungswunsch des
Fahrers, wobei das Fahrzeug der Kurve weiter folgen sollte.
-
Das
Fahrdynamikregelungssystem ist in diesem Ausführungsbeispiel daher so eingerichtet,
dass es den Stabilisierungswunsch des Fahrers zu Beginn eines Regeleingriffs
im wesentlichen ignoriert und mit zunehmender Dauer des Regeleingriffs
das Lenkverhalten des Fahrers zunehmend berücksichtigt.
-
Zu
diesem Zweck ist für
die Soll-Gierrate dΨsoll/dt daher eine Überblendfunktion vorgegeben,
mit der die Soll-Gierrate dΨsoll/dt von einem festen Wert auf den Fahrerwunsch überblendet
wird. Zur Überblendung
kann z.B. folgende Funktion verwendet werden: dΨsoll/dt(t) = dΨsoll_fr(t)
+ (dΨsoll_dr/dt(t) – dΨsoll_fr(t))∙[1–exp( – t/tau(t)]
-
Dabei
ist:
- – dΨsoll/dt die vom Fahrdynamikregelungssystem berücksichtigte
Gierrate,
- – dΨsoll_fr/dt ein Startwert für die Soll-Gierrate,
der zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, z.B. kurz vor dem Regeleingriff
der Fahrdynamikregelung, ermittelt wurde,
- – dΨsoll_dr/dt die durch den Fahrerwunsch, insbesondere
die Lenkradstellung, vorgegebene Soll-Gierrate und
- – tau
eine Zeitkonstante.
-
Die „Zeitkonstante" tau(t) ist selbst
wiederum eine zeitabhängige
Größe, die
mit zunehmender Dauer des Regeleingriffs abnimmt. Dadurch nähert sich
die vom Fahrdynamikregelungssystem berücksichtigte Soll-Gierrate dΨsoll/dt der vom Fahrerwunsch bestimmten Soll-Gierrate
dΨsoll_dr/dt an. Die Dauer dieses Angleichs
kann über
eine entsprechende Wahl des Verlaufs der Zeitkonstante eingestellt werden.
-
Das Überblenden
zwischen einer festen (eingefrorenen) Soll-Gierrate dΨsoll_fr/dt
und der vom Fahrerwunsch bestimmten Soll-Gierrate dΨsoll_dr/dt
ist in den 2a und 2b nochmals
veranschaulicht.
-
2a zeigt
den Verlauf der Gierraten dΨsoll/dt, dΨsoll_dr/dt,
dΨsoll_fr/dt und dΨist/dt.
Die Zeitspanne zwischen Null und t1 beschreibt dabei eine Kurvenfahrt,
bei der der Fahrer immer weiter in eine Kurve einlenkt (die Ist-Gierrate
dΨist/dt steigt). Aus dem Fahrerwunsch wird
unter Berücksichtigung
der vom Sensor 5 gemessenen Querbeschleunigung und weiterer
Hilfsgrößen die
Soll-Gierrate dΨsoll_d r/dt berechnet. Übersteuert
das Fahrzeug, so nimmt die Ist-Gierrate dΨi st/dt schneller zu, als sie nach den Sollvorgaben
dΨsoll_dr/dt eigentlich sollte. D.h., das Fahrzeug 14 dreht
sich bezüglich
des eigentlichen Fahrerwunsches zu schnell um die Hochachse.
-
Zum
Zeitpunkt t1 gerät
das Fahrzeug 14 in eine fahrdynamische Grenzsituation,
die sich dadurch auszeichnet, dass die Regelabweichung einen vorgegebenen
Schwellenwert überschreitet.
-
Zu
diesem Zeitpunkt t1 oder kurz vorher wird ein Wert dΨsoll_fr/dt ermittelt und die Soll-Gierrate
dΨsoll/dt kurzzeitig eingefroren. Das sinusförmige Lenkverhalten
des Fahrers (siehe dΨsoll_dr/dt) wird zu Beginn des Regeleingriffs
nicht bzw. nur gering von der Fahrdynamikregelung berücksichtigt.
Mit zunehmender Dauer des Regeleingriffs nähert sich die Soll-Gierrate
dΨsoll/dt gemäß der Überblendfunktion der Fahrervorgabe
dΨsoll_dr/dt an.
-
Bereits
nach relativ kurzer Zeit wird das Lenkverhalten des Fahrers bei
der Fahrdynamikregelung berücksichtigt
und der Fahrer erhält
die Kontrolle über
die Sollwertbildung und damit das Regelverhalten der Fahrdynamikregelung
zunehmend zurück.
-
2b zeigt
den Verlauf der zeitabhängigen Zeitkonstante
tau(t), die die Dauer des Angleichs an die Soll-Gierrate bestimmt.
Wie zu erkennen ist, hat die Zeitkonstante zu Beginn der Regelphase
relativ hohe Werte und nimmt mit zunehmender Dauer gegen Null ab.
Um dem Fahrer die Kontrolle vollständig zurückzugeben, ist darauf zu achten,
dass die Zeitkonstante tau(t) am Ende gleich Null ist. Der Verlauf der
Zeitkonstante bestimmt dabei die Dauer des Überblendvorgangs.
-
- 1
- Raddrehzahlsensoren
- 2
- Vordrucksensor
- 3
- Lenkradwinkelsensor
- 4
- Giergeschwindigkeitssensor
- 5
- Querbeschleunigungssensor
- 6
- Druckmodulation
- 7
- Motormanagement
- 8
- Sensorsignale
für ESP
- 9
- Servomotor
- 10
- Fahrdynamikregler
- 11
- Schlupfregler
- 12
- Steuergerät
- 13
- Lenkrad
- dΨist/dt
- Ist-Gierrate
- dΨsoll/dt
- Soll-Gierrate,
vom Fahrdynamikregelungssystem
-
- berücksichtigt
- dΨsoll_dr/dt
- Soll-Gierrate
gemäß Fahrerwunsch
- dΨsoll_fr/dt
- eingefrorene
Soll-Gierrate
- λSO
- Sollschlupf
- tau
- Zeitkonstante