DE112009002028B4

DE112009002028B4 - Verfahren zum Steuern einer Lenkvorrichtung eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE112009002028B4
Application number: DE112009002028.3T
Authority: DE
Inventors: Daniel E. Williams; Anthony G. Gillam
Original assignee: TRW Automotive US LLC
Current assignee: ZF Active Safety and Electronics US LLC
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2020-11-05
Anticipated expiration: 2029-09-15
Also published as: WO2010033456A2; US8483910B2; DE112009002028T5; WO2010033456A3; US20100070136A1

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Lenkvorrichtung (10) eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:(i) Liefern eines Lenksignals, das eine Anzeige für ein Lenkmanöver bildet, das durchgeführt werden soll;(ii) Berechnen eines ersten, erwünschten Parameters der Lenkvorrichtung (10) während des Lenkmanövers, wenn keine äußere Kraft auf ein Handrad (14) des Fahrzeugs aufgebracht wird;(iii) Messen eines zweiten Parameters mit einem Sensor (94, 98) während des Lenkmanövers;(iv) Erzeugen eines Modus-Signals (182) durch Vergleichen des ersten, erwünschten Parameters mit dem zweiten Parameter;(v) Versetzen des Fahrzeugs in einen autonomen Fahrmodus oder einen manuellen Fahrmodus basierend auf dem Modus-Signal (182), gekennzeichnet durch die Schritte:(vi) Berechnen einer erwünschten Handradposition, basierend auf dem Lenksignal, nachdem das Lenkmanöver durchgeführt wurde;(vii) Bestimmen der aktuellen Handradposition, bevor das Lenkmanöver durchgeführt wird;(viii) Drehen des Handrades (14) mittels eines Elektromotors (88) zu der erwünschten Handradposition hin, wenn sich das Fahrzeug im autonomen Fahrmodus befindet,(ix) wobei für das Drehen des Handrads (14) im autonomen und manuellen Fahrmodus derselbe Elektromotor (88) verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Servolenkvorrichtung für ein Fahrzeug.
Bei einem autonomen Fahrzeugbetrieb muss das Fahrzeug nicht manuell von einem Fahrer bedient werden. Die Lenk- und Geschwindigkeitssteuerung wird automatisch von dem Fahrzeug durchgeführt. Während des autonomen Betriebs kann jedoch ein Insasse in dem Fahrzeug wünschen, das Fahrzeug, manuell zu steuern. Somit wäre es in dieser Situation wünschenswert, das Fahrzeug in einen manuellen Lenkmodus zu versetzen, damit der Insasse das Fahrzeug manuell steuern kann.
Aus der Druckschrift DE 10 2004 057 262 A1 ist ein Verfahren bekannt zur Deaktivierung eines die Lenkung beeinflussenden Fahrerassistenzsystems, bei dem durch das Fahrerassistenzsystem eine fahrerunabhängige Systemlenkgröße auf das Lenkrad angewandt wird, bei dem der Wert einer durch den Fahrer auf das Lenkrad angewandten Fahrerlenkgröße ermittelt wird und abhängig von der Fahrerlenkgröße das Fahrerassistenzsystem deaktiviert wird. Die fahrerunabhängige Systemlenkgröße wird mittels Aktormitteln auf das Lenkrad angewandt.
Die Druckschrift DE 10 2008 002 669 A1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Lane Keeping Support Systems (LKS), wobei ein normaler Regelbetrieb stattfindet, falls kein Fahrereingriff vorliegt und der Regelbetrieb umgeschaltet wird, wenn der Fahrer einen Lenkeingriff vornimmt, indem die Regelparameter verändert werden, ohne die Regelung und/oder eine Rückkopplung zu deaktivieren.
Die Druckschrift DE 10 2007 008 494 A1 zeigt eine elektrische Servolenkungssteuervorrichtung mit einem Motor zum Generieren eines Unterstützungsdrehmomentes zum Ergänzen eines Lenkungsdrehmomentes; einen Lenkungsdrehmomentdetektor zum Erfassen des Lenkungsdrehmomentes; einen Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektor zum Erfassen einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs; einen Additionsbefehlsdreh-moment-Empfangsabschnitt zum Empfangen eines Additionsbefehlsdrehmomentes; einen Lenkungsunterstützungsdrehmoment-Kalkulationsabschnitt zum Kalkulieren eines Lenkungsunterstützungsdrehmomentes zum Ergänzen des Lenkungsdrehmomentes; einen Zielunterstützungsdrehmoment-Kalkulations-abschnitt zum Addieren miteinander des Lenkungsunterstützungsdrehmomentes und des Additionsbefehlsdrehmomentes, um ein Zielunterstützungsdrehmoment zu kalkulieren; und einen Motoransteuerabschnitt zum Ansteuern des Motors basierend auf dem Zielunterstützungsdrehmoment, worin der Lenkungsunterstützungsdrehmoment-Kalkulationsabschnitt einen addierten Wert des Lenkungsdrehmomentes und des Additionsbefehlsdrehmomentes kalkuliert, und den addierten Wert mit einer Verstärkung entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit multipliziert, um das Lenkungsunterstützungsdrehmoment zu kalkulieren.
Die Druckschrift DE 10 2007 039 332 A1 betrifft ein Verfahren zur Detektion des Kontaktzustands von mindestens einer Hand eines Fahrers an die Lenkhandhabe eines Fahrzeugs. Hierbei werden die Lenkbewegungen der Lenkhandhabe mit einem Momentsensor und einem Winkelsensor erfasst, die freie Lenkbewegung der Lenkhandhabe unter Berücksichtigung nichtlinearer Reibungseffekte anhand von experimentellen Messdaten modelliert und das Fahrerlenkmoment mit eine Zustandsbeobachter als ein Zustand beobachtet, wobei ein Zustandsbeobachter für die Schätzung des Fahrlenkmoments eingesetzt und anhand des geschätzten Fahrerlenkmoments der Kontaktzustand zwischen den Händen und der Lenkhandhabe detektiert wird.
Aus der Druckschrift EP 1 645 454 A1 ist eine Vorrichtung bekannt zum Erkennen des Einwirkens eines Fahrers auf das Lenkrad eines Lenksystems eines Motorfahrzeugs. Die Vorrichtung beinhaltet einen ersten Sensor zum Bereitstellen von Signalen die den Lenkwinkel angeben, einen zweiten Sensor, zum Bereitstellen von Signalen, die das Gesamtdrehmoment auf die Lenksäule angeben und eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist um aus den Sensordaten Signale bereitzustellen, die das durch den Fahrer auf das Lenkrad aufgebrachte Drehmoment sowie dessen zeitlich Ableitung anzeigen und diese Werte mit Schwellen werten für das Drehmoment bzw. die zeitliche Ableitung zu vergleichen. Für den Fall, dass beide Signale gleichzeitig für eine vorbestimmte Zeit unterhalb der jeweiligen Schwellenwerte bleiben, erzeugt die Datenverarbeitungseinheit ein Anzeige- bzw. Warnsignal.
Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 10 2007 052 258 A1 ein Fahrerassistenzsystem bekannt zur Querführung eines Kraftfahrzeugs mit einer Querregelungs-Vorrichtung und einem Lenkrad. Eine Erfassungsvorrichtung erfasst, dass mindestens eine Hand an das zuvor nicht berührte Lenkrad des Fahrzeugs gebracht wird und die Querregelungs-Vorrichtung wechselt vom aktiven Zustand in den deaktivierten Zustand.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein verbessertes Steuern von Fahrzeuglenkvorrichtungen vorzusehen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern einer Lenkvorrichtung eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungen der Erfindung. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Beschreibung mit eingeschlossen sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien der Erfindung. In den Zeichnungen stellen die Figuren folgendes dar:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die verwendet wird, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchzuführen;
2 eine Ansicht entlang der Linie 2-2 der 1;
3 ein Prozessdiagramm eines Steuerverfahrens für die Vorrichtung der 1; und
4 ein Prozessdiagramm eines weiteren Steuerverfahrens für die Vorrichtung der 1.

1 zeigt eine Vorrichtung 10, die verwendet wird, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen. Die Vorrichtung 10 ist ein Fahrzeug-Servolenksystem zum Verschwenken lenkbarer Räder 12 eines (nicht gezeigten) Fahrzeugs, ansprechend auf die Drehung eines Lenk- bzw. Handrades 14 des Fahrzeugs.
Die Vorrichtung 10 weist ein hydraulisch angetriebenes Lenkgetriebe 16 auf. Das Lenkgetriebe 16 weist ein Gehäuse 18 und einen Antriebsmechanismus 20 auf. Der Antriebsmechanismus 20 wird ansprechend auf die Drehung des Handrades 14 des Fahrzeugs bewegt. Die Bewegung des Antriebsmechanismus 20 führt zu einem Verschwenken der lenkbaren Räder 12 des Fahrzeugs.
Der Antriebsmechanismus 20 weist einen Zahnbogen 22 mit einer Vielzahl von Zähnen 24 auf. Der Zahnbogen 22 ist an einer Abtriebs- bzw. Ausgangswelle 26 befestigt, die sich nach außen durch eine Öffnung in dem Gehäuse 18 erstreckt. Die Ausgangswelle 26 ist in der Regel mit einem Lenkhebel verbunden, der mit dem Lenkgestänge des Fahrzeugs verbunden ist. Die gestrichelten Linien in 1 repräsentieren den Lenkhebel und das Lenkgestänge. Somit wird die Ausgangswelle 26 gedreht, wenn sich der Zahnbogen 22 dreht, um das Lenkgestänge zu betätigen. Als eine Folge werden die lenkbaren Räder 12 des Fahrzeugs verschwenkt.
Das Lenkgetriebe 16 umfasst ferner einen hydraulischen Motor 28 zum Bewegen des Antriebsmechanismus 20. Der Hydraulikmotor 28 ist innerhalb des Gehäuses 18 des Lenkgetriebes 16 angeordnet. Das Gehäuse 18 des Lenkgetriebes 16 hat eine innere zylindrische Oberfläche 30, die eine Kammer 32 definiert. Ein Kolben 34 ist innerhalb der Kammer 32 angeordnet und teilt die Kammer 32 in gegenüberliegende Kammerteile 36 und 38. Ein Kammerteil 36 ist auf einer ersten Seite des Kolbens 34 und der andere Kammerteil 38 ist auf einer zweiten Seite des Kolbens 34 gelegen. Der Kolben 34 erzeugt eine Dichtung zwischen den jeweiligen Kammerteilen 36 und 38 und ist zu einer axialen Bewegung innerhalb der Kammer 32 fähig. Diese axiale Bewegung des Kolbens 34 führt zu einer Erhöhung des Volumens eines Kammerteils 36 oder 38 und einer entsprechenden Verringerung des Volumens des anderen Kammerteils 36 oder 38.
Eine Reihe von Zahnstangenzähnen 40 ist auf der Peripherie des Kolbens 34 ausgebildet. Die Zahnstangenzähne 40 wirken als ein Ausgang für den Hydraulikmotor 28 und treten mit den Zähnen 24 in Eingriff, die auf dem Zahnbogen 22 des Antriebsmechanismus 20 gebildet sind.
Eine Pumpe 42 pumpt hydraulisches Strömungsmittel aus einem Vorratsbehälter bzw. Reservoir 44 zu dem Hydraulikmotor 28. Der Motor des Fahrzeugs treibt die Pumpe 42 an. Allerdings könnte die Pumpe 42 auch anders angetrieben werden, beispielsweise durch einen Elektromotor. Die Pumpe 42 drückt das Hydraulikströmungsmittel in einen Einlass 46 des Gehäuses 18. Der Einlass 46 lenkt die Strömung des Strömungsmittels zu einem Richtungssteuerventil bzw. Wegeventil 48.
Das Wegeventil 48 leitet das Strömungsmittel zu einem entsprechenden Kammerteil 36 oder 38 des Hydraulikmotors 28. Die Strömung des Hydraulikströmungsmittels zu einem der Kammerteile 36 oder 38 hin erhöht den Druck innerhalb dieses Kammerteils 36 oder 38. Wenn sich der Druck eines Kammerteils 36 oder 38 gegenüber dem Druck des anderen Kammerteils 36 oder 38 erhöht, bewegt sich der Kolben 34 axial und das Volumen des Kammerteils 36 oder 38 mit höherem Druck vergrößert sich. Das Volumen des Kammerteils 36 oder 38 mit höherem Druck erhöht sich bis der Druck innerhalb jedes Kammerteils 36 und 38 gleich ist. Während das Volumen eines Kammerteils 36 oder 38 zunimmt, nimmt das Volumen des anderen Kammerteils 36 oder 38 ab. Der abnehmende Kammerteil 36 oder 38 wird abgelassen, damit ein Teil des Strömungsmittels in dem abnehmenden Kammerteil 36 oder 38 entweichen kann. Das austretende Strömungsmittel tritt aus dem Gehäuse 18 über einen Rücklauf 52 aus und wird in das Reservoir 44 geleitet.
Ein Ausführungsbeispiel des Wegeventils 48 ist in 2 dargestellt. Das Wegeventil 48 enthält einen Ventilkernteil 54 und einen Ventilhülsenteil 56. Ein Teil des Ventilkemteils 54 ist in dem Ventilhülsenteil 56 enthalten und ist gegenüber diesem drehbar.
Der Ventilhülsenteil 56 weist drei radial gerichtete Durchlässe 58 auf, die sich von einem äußeren Umfang des Ventilhülsenteils 56 zu einem inneren Umfang des Ventilhülsenteils 56 erstrecken. Jeder dieser radialen Durchlässe 58 wird mit Hydraulikströmungsmittel gespeist bzw. beliefert, welches durch den Einlass 46 in das Gehäuse 18 eintritt. Zwei axial verlaufende Nuten 60 und 62 sind mit jedem radialen Durchlass 58 assoziiert. Die axial verlaufenden Nuten 60 und 62 sind am inneren Umfang des Ventilhülsenteils 56 gelegen. Wie in 2 gezeigt, ist eine Nut 62 im Uhrzeigersinn und eine Nut 60 entgegen dem Uhrzeigersinn von jedem radialen Durchlass 58 gelegen. Die Nuten 60 und 62 sind in einem gleichen Abstand von dem jeweiligen radialen Durchlass 58 beabstandet. Jede Nut 60 führt zu einem Durchlass 64, der sich radial nach außen durch den Ventilhülsenteil 56 erstreckt. Jede Nut 62 führt zu einem Durchlass 66, der sich radial nach außen durch den Ventilhülsenteil 56 erstreckt. Jede Nut 60 und 62 und der assoziierte Durchlass 64 und 66 sind mit einem bestimmten Kammerteil 36 und 38 des hydraulischen Motors 28 assoziiert. Mit Bezug auf 2, wird beispielsweise jede Nut 62 und der assoziierte Durchlass 66, die unmittelbar im Uhrzeigersinn von einem radialen Durchlass 58 gelegen sind, Hydraulikströmungsmittel zu dem Kammerteil 36 liefern, während jede Nut 60 und der damit verbundene Durchlass 64, die unmittelbar gegen den Uhrzeigersinn von einem radialen Durchlass 58 gelegen sind, Hydraulikströmungsmittel an den Kammerteil 38 liefern wird.
Sechs Nuten 68 sind um den äußeren Umfang des Ventilkernteils 54 herum gelegen. Der Ventilkemteil 54 weist auch sechs Vorsprünge 70 auf. Ein Vorsprung 70 trennt benachbarte Nuten 68 auf dem Außenumfang des Ventilkemteils 54. Seitenwände des Vorsprungs 70 bilden Seitenwände der Nuten 68.
Wenn der Ventilkernteil 54 bezogen auf den Ventilhülsenteil 56 derart angeordnet ist, dass jeder Vorsprung 70 des Ventilkemteils 54 relativ zu einem jeweiligen Durchlass 64 und 66 des Ventilhülsenteils 56 zentriert ist, befindet sich das Wegeventil 48 in einer neutralen Position. 2 zeigt das Wegeventil 48 in der neutralen Position. In dieser neutralen Position ist der Druck innerhalb jedes Kammerteils 36 und 38 des Hydraulikmotors 28 gleich, so dass der Kolben 34 stationär ist. Wenn der Ventilkernteil 54 relativ zu dem Ventilhülsenteil 56 gedreht wird, wird der Zugang zu einer der beiden zugehörigen Nuten 60 und 62 des Ventilhülsenteils 56 durch einen Vorsprung 70 eingeschränkt, während der Zugang zu den anderen der beiden zugehörigen Nuten 60 und 62 erhöht wird. Dies ermöglicht, dass eine größere Menge des Hydraulikströmungsmittels in die offene Nut 60 und 62 fließt, was zu einem Unterdrucksetzen des entsprechenden Kammerteils 36 oder 38, der mit dieser Nut 60 bzw. 62 assoziiert ist, führt. Als eine Folge wird der Kolben 34 des hydraulischen Motors 28 bewegt, was einen Anstieg des Volumens des jeweiligen Kammerteils 36 oder 38 bewirkt. Wenn beispielsweise der Ventilkernteil 54 im Uhrzeigersinn gedreht wird, wird die Nut 60 des Ventilhülsenteils 56, die auf der Seite gegen den Uhrzeigersinn des radialen Durchlasses 58 angeordnet ist, blockiert und die Nut 62, die auf der im Uhrzeigersinn gelegenen Seite des radialen Durchlasses 58 angeordnet ist, wird geöffnet. Auf diese Weise fließt eine größere Menge des Hydraulikströmungsmittels in die offene Nut 62 und fließt zu dem Kammerteil 36 des Hydraulikmotors 28, der mit der offenen Nut 62 assoziiert ist. Das in den Kammerteil 36 fließende vermehrte Hydraulikströmungsmittel erhöht den Druck innerhalb des Kammerteils 36 und zwingt den Kolben 34, sich in einer axialen Richtung zu bewegen, um das Volumen des Kammerteils 36 zu vergrößern. Als eine Folge dreht der Kolben 34 den Zahnbogen 22 und die lenkbaren Räder 12 werden in die entsprechende Richtung verschwenkt.
Der Kolben 34 des Hydraulikmotors 28 weist eine Bohrung 72 auf, die teilweise in 1 gezeigt ist, welche zu dem Wegeventil 48 hin offen ist. Der Ventilhülsenteil 56 und ein Follow-up- bzw. Nachfolgeglied 74, bilden eine integrale einstückige Einheit, die für die Drehung relativ zu dem Kolben 34 durch eine Vielzahl von Kugeln 76 getragen wird. Der Außenumfang 78 des Nachfolgeglieds 74 ist mit einem Gewinde versehen. Die Vielzahl von Kugeln 76 verbindet den mit Gewinde versehenen Außenumfang 78 des Nachfolgeglieds 74 mit einem Innengewinde 80, welches in der Bohrung 72 des Kolbens 34 gebildet ist. Als eine Folge der verbindenden Vielzahl von Kugeln 76, bewirkt die axiale Bewegung des Kolbens 34, dass sich das Nachfolgeglied 74 und der Ventilhülsenteil 56 drehen. Die Drehung des Nachfolgeglieds 74 und des Ventilhülsenteils 56 bringt das Wegeventil 48 zu der neutralen Position zurück.
Der Ventilkernteil 54 des Wegeventils 48 ist fest mit einer Antriebs- bzw. Eingangswelle 82 (1) verbunden. Wie schematisch durch gestrichelte Linien in 1 gezeigt ist, ist die Eingangswelle 82 fest mit dem Handrad 14 des Fahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Handrades 14 resultiert in einer Drehung der Eingangswelle 82 und in einer Drehung des Ventilkernteils 54.
Der Drehstab bzw. Torsionsstab 50 hat ein erstes Ende 84 und ein zweites Ende 86. Das erste Ende 84 des Torsionsstabs 50 ist relativ zu der Eingangswelle 82 und dem Ventilkernteil 54 fixiert. Das zweite Ende 86 des Torsionsstabs 50 ist relativ zu dem Ventilhülsenteil 56 und dem Nachfolgeglied 74 fixiert. Zumindest ein Teil des Torsionsstabs 50 erstreckt sich durch eine axial verlaufende Bohrung 72 in dem Ventilkernteil 54, wie in den 1 und 2 dargestellt.
Wenn der Widerstand gegenüber dem Verschwenken der lenkbaren Räder 12 des Fahrzeugs unterhalb einem vorgegebenen Niveau liegt, wird die Drehung des Handrades 14 durch den Torsionsstab 50 übertragen und bewirkt eine Drehung des Nachfolgeglieds 74. Als eine Folge bleibt das Wegeventil 48 in der neutralen Position. Eine Drehung des Nachfolgeglieds 74 bewirkt eine Bewegung des Kolbens 34 und resultiert in dem Verschwenken der lenkbaren Räder 12. Wenn der Widerstand gegenüber dem Verschwenken der lenkbaren Rädern 12 des Fahrzeugs auf oder oberhalb des vorgegebenen Niveaus liegt, wird der Rotation des Nachfolgeglieds 74 Widerstand entgegengesetzt. Als eine Folge dreht die Drehung des Handrades 14 das erste Ende 84 des Torsionsstabes 50 relativ zu dem zweiten Ende 86 des Torsionsstabes 50. Die Drehung des ersten Endes 84 des Torsionsstabes 50 relativ zu dem zweiten Ende 86 des Torsionsstabes 50 übt ein Drehmoment auf den Torsionsstab 50 aus und bewirkt, dass sich der Ventilkernteil 54 relativ zu dem Ventilhülsenteil 56 dreht.
Wie oben besprochen, wird, wenn sich der Ventilkernteil 54 relativ zum Ventilhülsenteil 56 dreht, Hydraulikströmungsmittel zu einem der Kammerteile 36 oder 38 geleitet. Als eine Folge bewegt sich der Kolben 34 innerhalb der Kammer 32. Die Bewegung des Kolbens 34 resultiert in dem Verschwenken der lenkbaren Räder 12 des Fahrzeugs, sowie in einer Drehung des Nachfolgeglieds 74. Wie oben erwähnt, dreht die Drehung des Nachfolgeglieds 74 den Ventilhülsenteil 56, bis sich das Wegeventil 48 wieder in der neutralen Position befindet. Wenn sich das Wegeventil 48 in der neutralen Position befindet, wird das Drehmoment an dem Torsionsstab 50 entfernt und das erste Ende 84 des Torsionsstabs 50 wird nicht mehr gegenüber dem zweiten Ende 86 des Torsionsstabes 50 gedreht.
Die Vorrichtung 10 weist auch einen elektrischen Motor 88 auf. Der Elektromotor 88 kann jede herkömmliche Bauart besitzen. Der Elektromotor 88 empfängt elektrische Leistung von einer Leistungsquelle 90, vorzugsweise der Fahrzeugbatterie. Eine (nicht dargestellte) Ausgangswelle des Elektromotors 88 ist mit der Eingangswelle 82 verbunden. Bevorzugt wird eine Getriebeanordnung 92 verwendet, um die Ausgangswelle des Elektromotors 88 mit der Eingangswelle 82 zu verbinden. Wenn der Elektromotor 88 elektrische Leistung empfängt, dreht die Ausgangswelle des Elektromotors 88 die Eingangswelle 82. Somit heißt es, dass sich der Elektromotor 88 „in Reihenschaltung“ mit dem hydraulischen Motor 28 befindet.
Die Vorrichtung 10 weist auch einen Drehmoment-Sensor 94 zum Abfühlen des Lenksäulendrehmoments und zum Ausgeben eines Signals auf, welches eine Anzeige für das Lenksäulendrehmoment bildet. Das Lenksäulendrehmoment ist das Drehmoment an dem Torsionsstab 50. Der Drehmoment-Sensor kann die Drehbewegung des ersten Endes 84 des Torsionsstabs 50 relativ zu dem zweiten Ende 86 des Torsionsstabes 50 messen. Die Bewegung des Ventilkemteils 54 relativ zu dem Ventilhülsenteil 56 wird auch die relative Drehung zwischen dem ersten Ende 84 und dem zweiten Ende 86 des Torsionsstabes 50 anzeigen. Das Lenksäulendrehmoment kann anhand der Materialeigenschaften des Torsionsstabes 50 und der relativen Drehung an dem Torsionsstab 50 bestimmt werden.
Wie in 1 dargestellt, weist die Vorrichtung 10 auch eine Vielzahl von Fahrzeugzustandssensoren 96, 98 und 100 und eine Steuervorrichtung 102 auf. Vorzugsweise umfassen die Zustandssensoren einen Querbeschleunigungssensor 96, einen Handrad-Drehsensor 98 und einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 100. Jeder Sensor 96, 98 und 100 ist elektrisch mit der Steuervorrichtung 102 verbunden.
Der Querbeschleunigungssensor 96 fühlt kontinuierlich die Querbeschleunigung des Fahrzeugs ab und erzeugt ein elektrisches Signal, das eine Anzeige für die abgefühlte Querbeschleunigung bildet. Der Handrad-Drehsensor 98 fühlt kontinuierlich die Größe, Rate und Beschleunigung der Drehung des Fahrzeughandrads 14 ab und erzeugt elektrische Signale, die eine Anzeige für diese Parameter bilden. Die Handrad-Drehgröße ist der Drehwinkel des Handrades 14 relativ zu einer Geradeaus-Stellung des Handrades 14. Die Drehung des Handrades 14 in eine erste Richtung kann als ein positiver Wert bezeichnet werden und Drehung des Handrades 14 in eine zweite Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, kann als ein negativer Wert bezeichnet werden. Der Handrad-Drehsensor 98 oder die Steuervorrichtung 102 können die Drehrate des Handrades 14 bestimmen, indem sie eine Zeitdifferenz der Drehgröße messen, und können die Handradbeschleunigung bestimmen, indem sie eine Zeitdifferenz der Drehrate messen. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 100 fühlt kontinuierlich die Fahrzeuggeschwindigkeit ab und erzeugt ein elektrisches Signal, das eine Anzeige für die Geschwindigkeit bildet.
Die Steuervorrichtung 102 empfängt die Signale, die von dem Querbeschleunigungssensor 96, dem Handrad-Drehsensor 98 und dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 100 erzeugt werden. Darüber hinaus empfängt die Steuervorrichtung 102 das Lenksäulen-Drehmomentsignal vom Drehmomentsensor 94. Die Steuervorrichtung 102 analysiert die jeweiligen Signale und erzeugt ein Fehlersignal zur Steuerung des Elektromotors 88. 3 stellt den Steuerprozess der Steuervorrichtung 102 dar, wenn das Fahrzeug im normalen Fahrbetrieb durch einen Insassen im Fahrzeug gefahren wird.
Wie schematisch in 3 dargestellt, empfängt ein Teil der Steuervorrichtung 102, der als Drehmomentanforderungsberechnungselement bzw. Drehmomentanforderungsrechner 104 bezeichnet wird, das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 106, das Querbeschleunigungssignal 108, und das Handrad-Drehgrößensignal 110. Der Drehmomentanforderungsrechner 104 folgt vorzugsweise einem Algorithmus oder einer Nachschlagtabelle bzw. einem Kennfeld, das in einem Speicher der Steuervorrichtung 102 gespeichert ist. Wenn das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 106, das Querbeschleunigungssignal 108, und das Handrad-Drehgrößensignal 110 von der Steuervorrichtung 102 empfangen werden, wird entweder der Algorithmus auf einem Prozessor der Steuervorrichtung 102 ausgeführt oder das Kennfeld wird konsultiert, um ein erwünschtes Betreiber-Drehmoment 112 zu bestimmen, welches auf das Handrad 14 des Fahrzeugs aufgebracht werden soll. Das erwünschte Betreiber-Drehmoment 112 entspricht der Drehmomentgröße, die ein Betreiber von dem Fahrzeug auf das Handrad 14 ausüben soll, um das erwünschte Lenkmanöver auszuführen. Das erwünschte Betreiber-Drehmoment 112 wird in einen ersten Summationsblock 114 eingegeben.
Die Trägheit 116 des Handrades 14 des Fahrzeugs wird ermittelt. Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung der Trägheit 116 des Handrades 14 ist es, das Parallelachsentheorem (Steiner'scher Satz) zu verwenden. Die Trägheit 116 des Handrads 14 wird in dem Speicher der Steuervorrichtung 102 gespeichert.
Die Trägheit 116 des Handrades 14 wird verwendet, um ein Handrad-Drehmoment 118 zu berechnen. Das Handrad-Drehmoment 118 ist das Drehmoment, das der Betreiber des Fahrzeugs auf das Handrad 14 ausüben muss, um die Trägheit 116 des Handrades 14 zu überwinden. Wie oben erwähnt, wird die Beschleunigung des Handrades auch bestimmt. Das Handradbeschleunigungssignal wird bei 120 in 3 angezeigt. Zur Berechnung des Handrad-Drehmoments 118 wird das Handrad-Beschleunigungssignal 120 mit der Trägheit 116 des Handrades 14 multipliziert. Das Handrad-Drehmoment 118 wird ebenfalls in den ersten Summationsblock 114 eingegeben.
In dem ersten Summationsblock 114 wird ein Wert für das Handrad-Drehmoment 118 von dem erwünschten Betreiber-Drehmoment 112 subtrahiert. Der Ausgang des ersten Summationsblocks 114, angezeigt bei 122 in 3, wird in einen zweiten Summationsblock 124 eingegeben. Das Lenksäulen-Drehmomentsignal 126 von dem Drehmomentsensor 94 wird ebenfalls in den zweiten Summationsblock 124 eingegeben. In dem zweiten Summationsblock 124 wird das Lenksäulen-Drehmomentsignal 126 von dem Ausgang 122 des ersten Summationsblocks 114 subtrahiert. Der Ausgang des zweiten Summationsblocks 124 ist das Fehlersignal, wie bei 128 angezeigt. Da sowohl das Handrad-Drehmoment 118 als auch das Lenksäulen-Drehmoment 126, wie am Torsionsstab 50 abgefühlt, von dem erwünschten Betreiber-Drehmoment 112 subtrahiert werden, um das Fehlersignal 128 zu erzeugen, würde es ein gleichwertiges Verfahren sein, das Handrad-Drehmoment 118 zu dem Lenksäulen-Drehmoment 126 in einem ersten Summationsblock zu addieren, um ein tatsächliches Betreiber-Drehmoment zu erzeugen, das erforderlich ist, um das Lenkmanöver auszuführen. Das tatsächliche Betreiber-Drehmoment wird dann von dem erwünschten Betreiber-Drehmoment 112 in einem zweiten Summationsblock subtrahiert, um das Fehlersignal 128 zu erzeugen.
Das Fehlersignal 128 wird in einen Teil der Steuervorrichtung 102 eingegeben, der als ein Drehmomentschleifenkompensator 130 bezeichnet wird. Der Drehmomentschleifenkompensator 130 ist ein Lead-Lag-Kompensator, der das Fehlersignal 128 empfängt und basierend auf dem Fehlersignal eine Ausgangsgröße für die elektrische Leistung für den Elektromotor 88 bestimmt Der Ausgang des Drehmomentschleifenkompensator 130 ist mit einer Motorantriebsschaltung 132 der Steuervorrichtung 102 verbunden. Die Motorantriebsschaltung 132 regelt die elektrische Leistung von der Leistungsquelle 90 zu dem Elektromotor 88.
Die Vorrichtung 10 ist in 3 als das Lenksystem 134 dargestellt. Wenn der Elektromotor 88 die elektrische Leistung empfängt, dreht die Ausgangswelle des Elektromotors 88 durch die Getriebeanordnung 92 die Eingangswelle 82. Als eine Folge unterstützt der Elektromotor 88 den Betreiber bei der Steuerung des hydraulischen Motors 28 durch Anpassen des Drehmoments an dem Torsionsstab 50. Indem der Elektromotor 88 verwendet wird, um beim Steuern des Hydraulikmotors 28 zu helfen, liefert die Vorrichtung 10 eine erwünschte Lenkhilfe und führt zu einem erwünschten Lenkgefühl bei dem Betreiber.
Der Steuerprozess wird kontinuierlich während des Betriebs des Fahrzeugs wiederholt. Als eine Folge wird das Fehlersignal 128 kontinuierlich aktualisiert, um die Veränderungen in den Fahrzeugzuständen widerzuspiegeln.
4 zeigt einen Steuerprozess der Steuervorrichtung 102 während eines Lenkmanövers, wenn sich das Fahrzeug in einem autonomen Fahrzeugmodus befindet. Während des autonomen Betriebs des Fahrzeugs, muss das Fahrzeug nicht manuell von einem Fahrer bedient werden. Die Lenk- und Geschwindigkeitssteuerung werden automatisch durchgeführt. Alternativ kann nur die Lenksteuerung automatisch durchgeführt werden, ohne dass es nötig ist, dass das Handrad 14 durch einen Bediener gedreht werden muss. Eingaben in die Steuervorrichtung 102 umfassen Signale von einem autonomen System 140 (1), welches bestimmt, wann ein Lenkmanöver durchgeführt werden muss. Das autonome System 140 könnte von der Art sein, die aufgemalten Linien auf der Straße oder eine magnetische Monoschiene oder Leitschiene, die in der Straße eingebettet ist, abfühlt, oder von der Art, die ein GPS-System nutzt. Jedes geeignete autonome System könnte verwendet werden. Ein Schalter 142 (1) ist elektrisch mit dem autonomen System 140 gekoppelt, um es dem Fahrzeugfahrer oder einem anderen Benutzer zu ermöglichen, das autonome System 140 manuell zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Wenn das Fahrzeug im autonomen Modus betrieben wird, dreht ein Elektromotor 168 (1) das Handrad 14, um die lenkbaren Rädern 12 zu verschwenken. Der Betrieb des Elektromotors 168 wird im Folgenden näher erläutert werden.
Der in 4 dargestellte Steuerprozess ist in erste und zweite Steuerschleifen 150, 152 unterteilt. Jede der ersten und zweiten Steuerschleifen 150, 152 erhält ein erwünschtes bzw. Soll-Handrad-Drehgrößensignal 154 von der Steuervorrichtung 102. Das erwünschte Handrad-Drehgrößensignal 154 repräsentiert die Position des Handrades 14 nach der Durchführung eines erwünschten bzw. Soll-Lenkmanövers, wie es durch das autonome System 140 bestimmt wird.
In der ersten Steuerschleife 150, wird das erwünschte Handrad-Drehgrößensignal 154 in einen dritten Summationsblock 156 eingegeben. Das Handrad-Drehgrößensignal 110 wird ebenfalls in den dritten Summationsblock 156 eingegeben. Das Handrad-Drehgrößensignal 110 wird durch den Handrad-Positionssensor 98 abgefühlt. Der Handrad-Positionssensor 98 fühlt die Handrad-Drehgröße ab und damit die aktuelle Lenkposition des Handrades 14. Wie bereits erwähnt, ist die Handrad-Drehgröße der Winkel der Drehung des Handrades 14 relativ zu einer Geradeaus-Position des Handrades 14. Die Drehung des Handrades 14 in eine erste Richtung kann als ein positiver Wert und Drehung des Handrades 14 in eine zweite Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, kann als ein negativer Wert ausgewiesen werden.
Das erwünschte Handrad-Drehgrößensignal 154 wird von der Handrad-Drehgröße 110 des Handrades 14 in dem dritten Summationsblock 156 abgezogen. Der Ausgang bzw. die Ausgangsgröße des dritten Summationsblocks 156 wird in einen Positionsschleifenkompensator 160 eingegeben. Der Positionsschleifenkompensator 160 bestimmt ein kompensiertes Positionsfehlersignal 162. Das Positionsfehlersignal 162 wird in einen Schalter 164 für den autonomen Modus eingegeben. Der Schalter 164 für den autonomen Modus weist einen Drehmoment-Fehlergrenzenentscheidungsblock 166 auf, der bestimmt, ob sich das Fahrzeug in einem autonomen Modus oder einem normalen Fahrmodus befindet.
Wenn der Drehmoment-Fehlergrenzenentscheidungsblock 166 in dem Schalter 164 für den autonomen Modus bestimmt, dass sich das Fahrzeug in dem autonomen Modus befindet, wird das Positionsfehlersignal 162 zu einer Motorantriebsschaltung 170 der Steuervorrichtung 102 gesendet. Die Motorantriebsschaltung 170 regelt die elektrische Leistung von der Stromquelle 90 zu dem Elektromotor 168 (1). Der Motor 168 besitzt eine (nicht gezeigte) Ausgangswelle, die mit der Eingangswelle 82 gekoppelt ist. Der Motor 168 empfängt elektrische Leistung von der Leistungsquelle 90. Der Betrieb des Motors 168 dreht die Eingangswelle 82, die ihrerseits das Handrad 14 dreht. Die Drehung der Eingangswelle 82 verschwenkt die lenkbaren Räder 12. Die Motorantriebsschaltung 170 empfängt das Positionsfehlersignal 162 von dem Schalter 164 für den autonomen Modus und betreibt den Motor 168, um das Handrad 14 zu der erwünschte Position zu drehen, so dass die Differenz zwischen der erwünschten bzw. Soll-Handrad-Drehgröße und der aktuelle bzw. Ist-Handrad-Drehgröße Null ist. Der Prozess wird während des Betriebs des Fahrzeugs in dem autonomen Modus kontinuierlich in der ersten Steuerschleife 150 wiederholt. Als eine Folge wird das Positionsfehlersignal 162 kontinuierlich aktualisiert, um die Veränderungen in den Fahrzeugzuständen widerzuspiegeln.
Während des Prozesses in der ersten Steuerschleife 150, wird das erwünschte Handrad-Drehgrößensignal 154 auch an die zweite Steuerschleife 152 gesendet. Das erwünschte Handrad-Drehgrößensignal 154 wird in einen Doppeldifferenziererblock 167 der Steuervorrichtung 102 gesendet. Der Doppeldifferenziererblock 167 nimmt eine zeitliche Ableitung des erwünschten Handrad-Drehgrößensignals 154, um die Drehzahl des Handrades 14 zu erhalten, und nimmt dann eine zeitliche Ableitung von der Drehzahl des Handrades 14, um ein erwünschtes Handrad-Beschleunigungssignal 169 zu erhalten. Das erwünschte Handrad-Beschleunigungssignal 169 wird dann in das Drehmomentmodell 178 eingegeben. Das Drehmomentmodell 178 berechnet ein erwünschtes Handrad-Drehmomentsignal 171 durch Multiplizieren der gespeicherten Handrad-Trägheit 116 mit dem erwünschten Handrad-Beschleunigungssignal 169. Im Wesentlichen berechnet das Drehmomentmodell 178, was das Lenksäulen-Drehmoment sein sollte, wenn sich das Handrad 14 frei drehen kann, und zwar ohne irgendeine äußere Kraft auf das Handrad 14 während des Lenkmanövers. Dieses erwünschte Lenksäulen-Drehmoment entspricht dem erwünschten Handrad-Drehmoment, da keine andere äußere Kraft auf das Handrad 14 aufgebracht wird.
Das Drehmomentmodell 178 könnte auch die Drehgröße und Drehzahl des Handrades 14 zusammen mit der Trägheit und Beschleunigung des Handrades 14 verwenden, um das erwünschte Handrad-Drehmoment 171 genauer zu berechnen. Das Drehmomentmodell 178 könnte auch eine positionsabhängige Unausgewogenheitsfunktion aufweisen, die in die Steuervorrichtung 102 programmiert ist und die ein Korrektur-Drehmoment liefert, um ein unausgewogenes Handrad 14 auszugleichen.
Das erwünschte Handrad-Drehmomentsignal 171 wird dann in einen vierten Summationsblock 174 eingegeben. Ein Lenksäulen-Drehmomentsignal 176 aus dem Drehmomentsensor 94 wird auch in den vierten Summationsblock 174 eingegeben. Das erwünschte Handrad-Drehmomentsignal 171 wird von dem Lenksäulen-Drehmomentsignal 176 subtrahiert. Die Ausgangsgröße des vierten Summationsblocks 174 ist ein Modussignal 182, welches eine Anzeige für die Differenz zwischen dem erwünschten Handrad-Drehmoment 171 und dem gemessenen Lenksäulen-Drehmoment 176 bildet. Das Modussignal 182 wird in den Schalter für den autonomen Modus 164 eingegeben und läuft durch den Drehmoment-Fehlergrenzenentscheidungsblock 166. Der Drehmoment-Fehlergrenzenentscheidungsblock 166 vergleicht das Modussignal 182 mit einem vorgegebenen Wertebereich. Wenn die Differenz innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt und der autonome Modus aktiviert ist, dann versetzt der Schalter 164 für den autonomen Modus das Fahrzeug in den autonomen Modus. Eine Differenz, welche nicht innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, liefert eine Anzeige dafür, dass eine äußere Kraft auf das Handrad 14 aufgebracht wird, und zwar von einem Bediener, der das Handrad 14 dreht, um das Fahrzeug zu lenken. Somit würde in diesem Fall das Fahrzeug in den normalen Fahrbetrieb versetzt werden, um es dem Insassen zu gestatten, sofort die lenkbaren Räder 12 des Fahrzeugs zu verschwenken. Der Betreiber würde keinen zusätzlichen Schritt benötigen, den Schalter 142 manuell betätigen zu müssen, um das autonome System 140 zu deaktivieren, um das Fahrzeug in den normalen Fahrbetrieb zu versetzen.
Andere Parameter der Lenkvorrichtung als das Lenksäulen-Drehmoment könnten auch genutzt werden, um zu bestimmen, ob eine äußere Kraft auf das Handrad aufgebracht wird, wie die Drehzahl des Handrades und die Handradbeschleunigung. Auch kann, wenn erwünscht, der autonome Schalter bzw. Schalter 142 für den autonomen Modus selektiv deaktiviert werden, um das Fahrzeug in den normalen Fahrbetrieb zu versetzen, und zwar unabhängig davon, ob eine externe Kraft auf das Handrad aufgebracht wird. Der Schalter 142 für den autonomen Modus kann auch selektiv aktiviert werden, um das Fahrzeug in den autonomen Modus zu versetzten, und zwar unabhängig von dem äußeren Drehmoment an dem Lenkrad. Der Steuerprozess der 4 kann an einer anderen Lenkvorrichtung verwendet werden als die, die in den 1-3 gezeigt ist, wie beispielsweise einer elektrisch angetriebenen Lenkvorrichtung. Auch kann der Motor 88 verwendet werden, um das Handrad 14 zu drehen, wenn das Fahrzeug in dem autonomen Modus betrieben wird. Wenn der Motor 88 das Handrad 14 dreht, wenn sich das Fahrzeug in dem autonomen Modus befindet, ist der Motor 168 nicht erforderlich.
Aus der obigen Beschreibung der Erfindung werden Fachleute Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen erkennen. Solche Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Fachkönnens sollen durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt werden.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Lenkvorrichtung (10) eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (i) Liefern eines Lenksignals, das eine Anzeige für ein Lenkmanöver bildet, das durchgeführt werden soll; (ii) Berechnen eines ersten, erwünschten Parameters der Lenkvorrichtung (10) während des Lenkmanövers, wenn keine äußere Kraft auf ein Handrad (14) des Fahrzeugs aufgebracht wird; (iii) Messen eines zweiten Parameters mit einem Sensor (94, 98) während des Lenkmanövers; (iv) Erzeugen eines Modus-Signals (182) durch Vergleichen des ersten, erwünschten Parameters mit dem zweiten Parameter; (v) Versetzen des Fahrzeugs in einen autonomen Fahrmodus oder einen manuellen Fahrmodus basierend auf dem Modus-Signal (182), gekennzeichnet durch die Schritte: (vi) Berechnen einer erwünschten Handradposition, basierend auf dem Lenksignal, nachdem das Lenkmanöver durchgeführt wurde; (vii) Bestimmen der aktuellen Handradposition, bevor das Lenkmanöver durchgeführt wird; (viii) Drehen des Handrades (14) mittels eines Elektromotors (88) zu der erwünschten Handradposition hin, wenn sich das Fahrzeug im autonomen Fahrmodus befindet, (ix) wobei für das Drehen des Handrads (14) im autonomen und manuellen Fahrmodus derselbe Elektromotor (88) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug in den autonomen Fahrmodus versetzt wird, wenn das Modus-Signal (182) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug in den manuellen Fahrmodus versetzt wird, wenn das Modus-Signal (182) nicht innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, erwünschte Parameter der Lenkvorrichtung (10) ein erwünschtes Handrad-Drehmomentsignal (171) ist; und dass der zweite Parameter der Lenkvorrichtung (10) ein Lenksäulen-Drehmomentsignal (176) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, , dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug in den autonomen Fahrmodus versetzt wird, wenn das Modus-Signal (182) innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Bestimmen einer Handrad-Trägheit (116) des Fahrzeugs, - Bestimmen eines erwünschten Handrad-Beschleunigungssignals (169) basierend auf dem Lenksignal, - Multiplizieren der Handrad-Trägheit (116) mit dem erwünschten Handrad-Beschleunigungssignal (169), um ein erwünschtes Lenksäulen-Drehmoment zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksignal ein erwünschtes Handrad-Drehgrößensignal (154) ist, und wobei der Schritt des Bestimmens des erwünschten Handrad-Drehbeschleunigungssignals (169) des Fahrzeugs folgende Schritte umfasst: - Bilden einer zeitlichen Ableitung des erwünschten Handrad-Drehgrößensignals (154), um die Handrad-Drehzahl zu bestimmen; und - Bilden einer zeitlichen Ableitung der Handrad-Drehzahl.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Messens des Lenksäulen-Drehmomentsignals (176) während des Lenkmanövers durch einen Lenksäulen-Drehmomentsensor (94) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während des Fahrzeugbetriebs kontinuierlich wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dass das Fahrzeug sofort automatisch in den manuellen Fahrmodus versetzt wird, wenn sich das Modus-Signal (182) nicht mehr innerhalb des vordefinierten Wertebereiches befindet.