DE10348399B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern der Steuerbarkeit eines Fahrzeugs in einer fahrdynamischen Grenzsituation - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Verbessern der Steuerbarkeit eines Fahrzeugs (14) in einer fahrdynamischen Grenzsituation, in der ein Fahrdynamikregelungssystem (1-12) in den Fahrbetrieb eingreift, wobei
- eine Ist-Gierrate ermittelt wird,
- ein Differenzwert zwischen Soll- und Ist-Gierrate berechnet wird,
- dieser Differenzwert als Stabilitätskriterium zum Erkennen der fahrdynamischen Grenzsituation verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrdynamikregelungsalgorithmus basierend auf einer Soll-Gierrate (dΨ_soll/dt) durchgeführt wird, die sich mit zunehmender Dauer des Regeleingriffs, ausgehend von einem Startwert an eine durch das Lenkverhalten des Fahrers bestimmte Soll-Gierrate (dΨ_{soll_dr}/dt) annähert, wobei die zum Zeitpunkt des Erkennens der fahrdynamischen Grenzsituation gültige Soll-Gierrate als Startwert eingesetzt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Steuerbarkeit eines Fahrzeugs in einer fahrdynamischen Grenzsituation gemaß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine entsprechende Vorrichtung gemaß 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 ublicherweise der Fahrzeugbremsen oder der Motorsteuerung als Stellglieder. Lenkungsbasierte Fahrdynamikregelungssysteme, wie z.B. AFS (Active Front Steering) oder EAS (Electronic Active Steering), konnen aber auch in die Lenkung eingreifen und mittels eines Lenkstellers einen gewünschten Lenkwinkel einstellen.
• Ein Fahrdynamikregelungssystem ermittelt eine Ist-Gierrate (ublicherweise mit Hilfe eines Gierratensensors) und berechnet eine von den Fahrervorgaben, wie z.B. der vom Fahrer vorgegebenen Lenkradstellung, der Fahrpedalstellung, etc., abhangige Soll-Gierrate. Aus der Regelabweichung wird schließlich ein Giermoment berechnet, das benötigt wird, um die Ist-Zustandsgrößen den Soll-Zustandsgroßen 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 konnte.
• Aus der DE 195 15 046 A1 ist eine Vorrichtung zur Regelung des Giermomentes eines Fahrzeugs bekannt. Dieses ist mit einer Sensorik zur Erfassung von Informationen über die Gierwinkelgeschwindigkeit, die Querbeschleunigung und die Schwerpunktsgeschwindigkeit des Fahrzeugs ausgestattet. Dabei wird mittels einer mathematischen Gleichung anhand der Informationen der Sensorik die aktuelle Schwimmwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs kinematisch bestimmt. Der Schwimmwinkel wird durch Integration der Schwimmwinkelgeschwindigkeit ermittelt.
• 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 Stabilitatskriteriums 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, vollstandig die Kontrolle uber 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 gemaß 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 durchzufuhren, 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 unabhangig 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 vollstandig 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 Regeleingriffs immer mehr Kontrolle über das Fahrzeug erhält.
• Als Startwert wird erfindungsgemäß die zum Zeitpunkt des Erkennens der fahrdynamischen Grenzsituation gültige Soll-Gierrate eingesetzt.
• Das Uberblenden 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 Uberblendfunktion 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 zeitabhangig.
• 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 beigefugten 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 wahrend 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 Steuergerat 12 hinterlegte Regelalgorithmus eine Soll-Gierrate dΨ_soll/dt berücksichtigt, die sich ausgehend von einem Startwert an eine durch das Lenkverhalten des Fahrers bestimmte Soll-Gierrate dΨ_{soll_dr}/dt annähert. Diese vom Regelalgorithmus berücksichtige Soll-Gierrate dΨ_soll/dt wird z.B. anhand einer Uberblendfunktion 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 uberlagerte Regler 10 dem Schlupfregler 11 Sollwerte in Form von Sollschlupf λ_SO vor. Dabei ist der für die einzelnen Räder einzustellende Sollschlupf λ_SO eine Funktion der Regeldifferenz zwischen Ist- und Soll-Gierrate dΨ_ist/dt bzw. dΨ_soll/dt des Fahrzeugs. Die Soll-Gierrate dΨ_soll/dt ergibt sich aus den Signalen des Lenkradwinkelsensors 3 (Lenkwunsch), des Vordrucksensors 2 (Verzögerungswunsch) und des Motormanagements 7 (Antriebsmomentenwunsch). Daraus wird die Soll-Gierrate dΨ_soll/dt beispielsweise mittels des sogenannten „Einspurmodells“ berechnet. Die Ist-Gierrate dΨ_ist/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 uberschreitet, werden im Fahrdynamikregler 10 die erforderlichen Sollschlüpfe λ_SO für die einzelnen Rader ermittelt. Die berechneten Sollschlüpfe λ_SO 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. Tatsachlich handelt es sich dabei aber nur um einen Stabilisierungswunsch des Fahrers, wobei das Fahrzeug der Kurve weiter folgen sollte.
• Das Fahrdynamikregelungssystem ist in diesem Ausfuhrungsbeispiel 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 dΨ_soll/dt daher eine Überblendfunktion vorgegeben, mit der die Soll-Gierrate dΨ_soll/dt von einem festen Wert auf den Fahrerwunsch überblendet wird. Zur Uberblendung kann z.B. folgende Funktion verwendet werden: $$\text{d}{\mathrm{\Psi }}_{\text{soll}}\text{/dt}\left(\text{t}\right)=\text{d}{\mathrm{\Psi }}_{\text{soll\_fr}}\left(\text{t}\right)+\left(\text{d}{\mathrm{\Psi }}_{\text{soll\_dr}}\text{/dt}\left(\text{t}\right)-\text{d}{\mathrm{\Psi }}_{\text{soll\_fr}}\left(\text{t}\right)\right)*\left[1-\text{exp}(-\text{t/tau}\left(\text{t}\right)\right]$$

  
• Dabei ist:
  • - dΨ_soll/dt die vom Fahrdynamikregelungssystem berücksichtigte Gierrate,
  • - dΨ_{soll_fr}/dt ein Startwert für die Soll-Gierrate, der zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, z.B. kurz vor dem Regeleingriff der Fahrdynamikregelung, ermittelt wurde,
  • - dΨ_{soll_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 nahert sich die vom Fahrdynamikregelungssystem berücksichtigte Soll-Gierrate dΨ_soll/dt der vom Fahrerwunsch bestimmten Soll-Gierrate dΨ_{soll_dr}/dt an. Die Dauer dieses Angleichs kann uber eine entsprechende Wahl des Verlaufs der Zeitkonstante eingestellt werden.
• Das Überblenden zwischen einer festen (eingefrorenen) Soll-Gierrate dΨ_{soll_fr}/dt und der vom Fahrerwunsch bestimmten Soll-Gierrate dΨ_{soll_dr}/dt ist in den 2a und 2b nochmals veranschaulicht.
• 2a zeigt den Verlauf der Gierraten dΨ_soll/dt, dΨ_{soll_dr}/dt, dΨ_{soll_fr}/dt und dΨ_ist/dt. Die Zeitspanne zwischen Null und t1 beschreibt dabei eine Kurvenfahrt, bei der der Fahrer immer weiter in eine Kurve einlenkt (die Ist-Gierrate dΨ_ist/dt steigt). Aus dem Fahrerwunsch wird unter Berücksichtigung der vom Sensor 5 gemessenen Querbeschleunigung und weiterer Hilfsgrößen die Soll-Gierrate dΨ_{soll_dr}/dt berechnet. Ubersteuert das Fahrzeug, so nimmt die Ist-Gierrate dΨ_ist/dt schneller zu, als sie nach den Sollvorgaben dΨ_{soll_dr}/dt eigentlich sollte. D.h., das Fahrzeug 14 dreht sich bezuglich 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 dΨ_{soll_fr}/dt ermittelt und die Soll-Gierrate dΨ_soll/dt kurzzeitig eingefroren. Das sinusförmige Lenkverhalten des Fahrers (siehe dΨ_{soll_dr}/dt) wird zu Beginn des Regeleingriffs nicht bzw. nur gering von der Fahrdynamikregelung berücksichtigt. Mit zunehmender Dauer des Regeleingriffs nahert sich die Soll-Gierrate dΨ_soll/dt gemäß der Überblendfunktion der Fahrervorgabe dΨ_{soll_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 vollstandig zurückzugeben, ist darauf zu achten, dass die Zeitkonstante tau(t) am Ende gleich Null ist. Der Verlauf der Zeitkonstante bestimmt dabei die Dauer des Uberblendvorgangs.
• Bezugszeichenliste

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

dΨ_ist/dt

Ist-Gierrate

dΨ_soll/dt

Soll-Gierrate, vom Fahrdynamikregelungssystem berücksichtigt

dΨ_{soll_dr}/dt

Soll-Gierrate gemäß Fahrerwunsch

dΨ_{soll_fr}/dt

eingefrorene Soll-Gierrate

λ_so

Sollschlupf

tau

Zeitkonstante

Claims (6)

1. Verfahren zum Verbessern der Steuerbarkeit eines Fahrzeugs (14) in einer fahrdynamischen Grenzsituation, in der ein Fahrdynamikregelungssystem (1-12) in den Fahrbetrieb eingreift, wobei - eine Ist-Gierrate ermittelt wird, - ein Differenzwert zwischen Soll- und Ist-Gierrate berechnet wird, - dieser Differenzwert als Stabilitätskriterium zum Erkennen der fahrdynamischen Grenzsituation verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrdynamikregelungsalgorithmus basierend auf einer Soll-Gierrate (dΨ_soll/dt) durchgeführt wird, die sich mit zunehmender Dauer des Regeleingriffs, ausgehend von einem Startwert an eine durch das Lenkverhalten des Fahrers bestimmte Soll-Gierrate (dΨ_{soll_dr}/dt) annähert, wobei die zum Zeitpunkt des Erkennens der fahrdynamischen Grenzsituation gültige Soll-Gierrate als Startwert eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Gierrate (dΨ_soll/dt) als eine Funktion von 1-exp (-t/tau) berechnet wird, wobei tau eine Zeitkonstante ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Gierrate (dΨ_soll/dt) als Funktion einer Zeitkonstante (tau) berechnet wird, die wiederum selbst zeitabhängig ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Gierrate (dΨ_soll/dt) ausgehend von einem festen Startwert (dΨ_soll/dt(t1)) berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitabhängige Zeitkonstante (tau(t)) zunächst große Werte annimmt und nach einer vorgegebenen Dauer gegen Null geht.
6. Fahrdynamikregelungssystem mit mehreren Sensoren (1-5) und Aktoren (6,7) zum Durchführen einer Fahrdynamikregelung in einer fahrdynamischen Grenzsituation, wobei - eine Ist-Gierrate ermittelt wird, - ein Differenzwert zwischen Soll- und Ist-Gierrate berechnet wird, - dieser Differenzwert als Stabilitätskriterium zum Erkennen der fahrdynamischen Grenzsituation verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrdynamikregelungssystem (1-12) derart eingerichtet ist, dass eine Soll-Gierrate (dΨ_soll/dt) berechnet wird, die sich mit zunehmender Dauer des Regeleingriffs, ausgehend von einem Startwert (dΨ_soll/dt(t1)) an eine vom Lenkverhalten des Fahrers bestimmte Soll-Gierrate (dΨ_{soll_dr}/dt) annähert, wobei die zum Zeitpunkt des Erkennens der fahrdynamischen Grenzsituation gültige Soll-Gierrate als Startwert eingesetzt wird.

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