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Die Erfindung bezieht sich auf ein Servolenksystem eines Fahrzeugs und insbesondere auf die Berechnung der auf eine Zahnstange einer Servolenkung ausgeübten Reibung.
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Ein Lenksystem eines Fahrzeugs ermöglicht einem Fahrer, einen Fahrweg bzw. eine Trajektorie eines Fahrzeugs zu bestimmen, indem er Kräfte auf ein Lenkrad anwendet.
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Im Allgemeinen weist ein Lenksystem mehrere Elemente auf, die ein mit einer Lenksäule verbundenes Lenkrad, eine Zahnstange und zwei Räder umfassen, die jeweils mit einem Verbindungsglied verbunden sind. Die Zahnstange ist der Teil, der eine Verbindung des Lenkrads über die Lenksäule mit den Rädern über die Verbindungsglieder ermöglicht; das heißt, die Zahnstange transformiert die durch den Fahrer auf das Lenkrad ausgeübten Kräfte in eine Rotation der Fahrzeugräder.
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Ein elektrisches Servolenksystem eines Fahrzeugs nutzt einen von einem Lenkungs-Computer gesteuerten Hilfsmotor, um die vom Fahrer aufzubietenden Kräfte, um die Fahrzeugräder zu drehen, zu reduzieren. Je nach den auf das Lenkrad ausgeübten Kräften steuert der Hilfsmotor die Zahnstange, um so die Räder zu drehen.
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Die das elektrische Servolenksystem bildenden Elemente sind mechanische Elemente, die in Bezug aufeinander so eingestellt sind, dass sie in Kontakt sind. Toleranzen während der Produktion der Fahrzeuge implizieren, dass die Einstellung der mechanischen Elemente zwischen zwei Fahrzeugen der gleichen Serie, das heißt zwischen zwei Fahrzeugen mit ähnlichen Charakteristiken, nicht exakt gleich ist. Wenn zwei Fahrzeuge der gleichen Serie unter den gleichen Bedingungen eingesetzt werden, führt somit eine Schwankung bzw. Variation in der Einstellung der mechanischen Elemente zu einer Variation in den Reibungswerten, die mit dem Kontakt der mechanischen Elemente miteinander verbunden sind.
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Die auf das Servolenksystem ausgeübte Reibung hängt beispielsweise auch von einem Lenkradwinkel, einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Temperatur des Servolenksystems ab.
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Die Unterschiede in den auf das Servolenksystem ausgeübten Reibungswerten zwischen zwei Fahrzeugen der gleichen Serie können zu Unterschieden im Fahrgefühl des Fahrers zwischen den beiden Fahrzeugen führen.
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Fahrzeughersteller wollen, dass der Unterschied im Fahrgefühl zwischen zwei Fahrzeugen der gleichen Serie, die unter den gleichen Bedingungen eingesetzt werden, so gering wie möglich ist. Um sicherzustellen, dass das Fahrgefühl zwischen zwei, unter den gleichen Bedingungen eingesetzten Fahrzeugen der gleichen Serie nahe beieinanderliegt, haben die Hersteller bestimmt, dass der Wert einiger Kriterien wie etwa beispielsweise der Lenkradkraft oder der Hysterese am Lenkrad innerhalb eines vordefinierten Bereichs liegen sollte.
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Um sicherzustellen, dass diese Kriterien innerhalb des vordefinierten zulässigen Bereichs liegen, ist es notwendig, den Wert der auf das Servolenksystem des Fahrzeugs ausgeübten Reibung abzuschätzen.
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Anschließend wird die Schätzung der Zahnstangenkraft (RFe) als die Summe der durch das Lenkrad und durch den Hilfsmotor ausgeübten Kräfte auf die Zahnstange definiert.
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Es gibt eine bekannte Lösung, die in dem Patent
EP 3120124 im Namen des Anmelders beschrieben ist, die eine Abschätzung des Werts der auf das elektrische Servolenksystem eines Fahrzeugs ausgeübten Reibung mittels der Konstruktion eines empirischen Reibungsmodells aus einer Punktwolke ermöglicht, wobei jeder Punkt einen gemessenen Wert der RFe mit einem gemessenen Reibungswert assoziiert. Das Reibungsmodell ist eine Regressionsanalyse der Punktwolke gemäß einem Korrelationsgesetz, das vorher im Computer des Servolenksystems definiert wurde.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass sie eine Schätzung des Reibungswerts über einen weiten Bereich der RFe liefert. Dieser Schätzungsbereich muss jedoch nicht die Kriterien der Fahrzeughersteller erfüllen.
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Darüber hinaus besteht ein Nachteil der beschriebenen Lösung darin, dass das Reibungsmodell von dem vordefinierten Korrelationsgesetz abhängig ist. Dies kann zu inakzeptablen Fehlern, größer als +/-30 N, in der Abschätzung des Reibungswerts führen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, alle oder einen Teil der oben erwähnten Nachteile zu überwinden, indem ein Verfahren zum Abschätzen eines Werts der Reibung vorgeschlagen wird, die auf ein Servolenksystem eines Fahrzeugs während einer Drehung ausgeübt wird, die ein Passieren bzw. Kreuzen eines Geradeaus-Winkels zur Folge hat, wobei die Drehung mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Geschwindigkeit, die in einem vordefinierten Intervall liegt, und einem Winkel eines Lenkrads, der in einem vordefinierten Intervall liegt, ausgeführt wird, welches umfasst:
- - einen Schritt zum Erfassen einer Vielzahl von Fahrzeugdaten, die zumindest einen Wert einer Kraft eines Hilfsmotors auf eine Zahnstange und einen Wert einer Lenkrad-Kraft auf die Zahnstange enthalten,
- - einen Schritt zum Abschätzen des Reibungswerts, indem die Summe der Lenkrad-Kräfte und der Hilfsmotor-Kräfte auf die Zahnstange gemittelt wird.
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Ein Geradeaus-Winkel ist ein Lenkradwinkel, bei dem das Fahrzeug einer geradlinigen Trajektorie folgt.
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Der Begriff „Drehung, die ein Kreuzen eines Geradeaus-Winkels zur Folge hat“ meint eine Drehung, das heißt eine Rotation des Lenkrads, die eine Änderung des Werts des Lenkradwinkels auf beiden Seiten des Geradeaus-Winkels ermöglicht.
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Der Begriff „im Wesentlichen gleichmäßige Drehgeschwindigkeit“ meint eine im Wesentlichen konstante Rotationsgeschwindigkeit des Lenkrades, also mit einer Beschleunigung, die gleich Null oder geringer als ein vordefinierter Wert ist.
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Wenn somit die Drehung des Lenkrads das Kreuzen des Geradeaus-Winkels zur Folge hat, die besagte Drehung mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Geschwindigkeit, die in einem vordefinierten Intervall liegt, ausgeführt wird und der Lenkradwinkel in einem vordefinierten Intervall liegt, ermöglicht eine Bilanz der auf die Zahnstange ausgeübten Kräfte eine Abschätzung, dass die RFe gleich dem Reibungswert ist.
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Der Schritt zum Erfassen der Fahrzeugdaten ermöglicht, dem Schritt zum Abschätzen des Reibungswertes die Daten verfügbar zu machen, die erforderlich sind, um den Schätzschritt auszuführen.
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Da mehrere Parameter mitunter den Wert der RFe beeinflussen können, mittelt der Schritt zum Abschätzen des Reibungswerts die RFe, wenn die Bedingungen validiert sind. Folglich ermöglicht die Berechnung des Durchschnitts, einen Wert zu erhalten, der näher an der Realität als ein Punktwert liegt.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung liegt die Drehgeschwindigkeit zwischen 5 und 20°/s.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung liegt der Lenkradwinkel in Bezug auf den Winkel, bei dem das Fahrzeug einer im Wesentlichen geradlinigen Trajektorie folgt, zwischen +/-2°.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung beträgt ein Wert eines Winkelabstands in Bezug auf die letzte Drehrichtungsumkehr 5°.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist das Schätzverfahren einen Schritt zum Berechnen des nominalen Reibungswerts mittels Rekursion in Abhängigkeit vom Reibungswert auf.
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Der nominale Reibungswert ist eine Funktion des vorher berechneten nominalen Reibungswerts. Folglich ermöglicht die Berechnung des nominalen Reibungswerts ein Filtern von Variationen der berechneten Reibungswerte. Diese Variationen können sehr signifikant sein. In der Tat können, obgleich die Bedingungen erfüllt sind, viele andere unkontrollierbare externe Faktoren wie etwa beispielsweise eine besondere Beschichtung, eine Neigung oder ein verformter Belag die Daten beeinflussen.
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Der nominale Reibungswert ist realistischer als der Reibungswert.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist das Schätzverfahren nach dem Schritt zum Erfassen einer Vielzahl von Fahrzeugdaten einen Schritt zum Vergleichen der Daten, wobei zumindest eine Temperatur eines Computers verglichen wird, mit einem Bereich vordefinierter Werte auf.
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Beispielsweise liegt der Bereich vordefinierter Werte zwischen 0 und 60°C.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung sendet der Vergleichsschritt ein Validierungssignal aus, wenn die Daten im Bereich vordefinierter Werte liegen, und/oder sendet ein Invalidierungssignal aus, wenn zumindest ein Datenwert nicht im Bereich vordefinierter Werte liegt.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird der Schritt zum Abschätzen des Reibungswerts durchgeführt, wenn der Schritt zum Vergleichen der Daten das Validierungssignal aussendet und/oder wenn der Schritt zum Vergleichen der Daten das Invalidierungssignal nicht aussendet.
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Folglich ist der abgeschätzte Reibungswert genauer, da die Bedingungen zum Ausführen der Abschätzung des Reibungswerts zahlreicher sind.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist das Schätzverfahren einen Schritt zum Abschätzen eines Reliabilitäts-Koeffizienten der Fahrzeugdaten und des abgeschätzten Reibungswertes auf.
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Der Reliabilitäts-Koeffizient der Fahrzeugdaten und des geschätzten Reibungswerts ist ein aus vordefinierten Karten und Diagrammen für die einzelnen Daten abgeschätzter Wert.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Berechnung des nominalen Reibungswerts mit zumindest dem Reliabilitäts-Koeffizienten der Fahrzeugdaten und des geschätzten Reibungswerts gewichtet.
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Somit gibt es eine Gewichtung des nominalen Reibungswerts in Abhängigkeit vom Reliabilitäts-Koeffizienten. Je geringer der Reliabilitäts-Koeffizient ist, desto mehr erlaubt die Berechnung des nominalen Reibungswerts ein Filtern der Variationen der berechneten Reibungswerte.
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Die Gewichtung der nominalen Reibung mit dem Reliabilitäts-Koeffizienten erlaubt, den verlässlichsten Reibungswerten mehr Bedeutung beizumessen.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Berechnung des nominalen Reibungswerts mit einem Mittelungskoeffizienten gewichtet.
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Der Mittelungskoeffizient hat einen Filtereffekt auf die nominalen Reibungswerte. Dieser Koeffizient ist während einer Periode eines Fahrzeugbetriebs skalierbar. Dies erlaubt eine Änderung eines Kompromisses zwischen Geschwindigkeit und Stabilität der Berechnung des nominalen Reibungswerts in Abhängigkeit von der Periode des Fahrzeugbetriebs.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist der Schritt zum Erfassen einer Vielzahl von Fahrzeugdaten eine Phase zum Verarbeiten der Fahrzeugdaten auf.
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Die Verarbeitungsphase stellt somit eine Extraktion der Fahrzeugdaten aus den empfangenen Rohdaten sicher. Die Verarbeitungsphase entfernt insbesondere die dynamischen Komponenten aus den empfangenen Rohdaten, indem ein Tiefpassfilter verwendet wird.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Phase zum Berechnen des nominalen Reibungswerts durchgeführt, wenn der Schritt zum Vergleichen der Daten das Validierungssignal nicht aussendet und/oder wenn der Schritt zum Vergleichen der Daten das Invalidierungssignal aussendet.
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Somit wird die Schätzung des nominalen Reibungswerts ausgeführt, wenn die Bedingungen nicht länger validiert sind.
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Die Erfindung wird dank der folgenden Beschreibung besser verstanden, die sich auf eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht, wobei sie mittels eines nicht beschränkenden Beispiels gegeben und unter Bezugnahme auf die beigefügte 1 erläutert wird, welche eine schematische Darstellung der Schritte ist, die während des Verfahrens gemäß der Erfindung ausgeführt werden.
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1 veranschaulicht ein Verfahren gemäß der Erfindung, das einen Algorithmus implementiert, der auf einem Kräftegleichgewicht basiert, das auf ein Servolenksystem eines Fahrzeugs ausgeübt wird.
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Das Servolenksystem eines Fahrzeugs weist ein mit einer Lenksäule verbundenes Lenkrad, eine Zahnstange, einen Hilfsmotor, einen Lenkungs-Computer und zwei Räder auf, die jeweils mit einem Verbindungsglied verbunden sind.
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Das Fahrzeug folgt einer Trajektorie, die insbesondere von einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs, einer Rotationsgeschwindigkeit des Lenkrads und einem Lenkradwinkel abhängt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Lenkrads wird auch Drehgeschwindigkeit genannt.
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Im Servolenksystem übt der Hilfsmotor eine Kraft
auf die Zahnstange aus. Wenn ein Fahrer das Lenkrad dreht, um die Fahrzeugräder zu drehen, übt das Lenkrad ähnlich über die Lenksäule eine Kraft
auf die Zahnstange aus. Darüber hinaus ist die Zahnstange mit den Rädern mittels Verbindungsglieder verbunden, die eine Kraft
darauf ausüben. Schließlich wird die auf das Lenksystem ausgeübte Reibung in eine Trockenreibungskraft
und eine viskose Reibungskraft
getrennt.
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Die Trockenreibung ist die Reibung, die von den auf das Servolenksystem angewendeten Kräften abhängt. Sie ist die minimale Reibung, die auf das Servolenksystem ausgeübt wird. Die Trockenreibung wird anschließend zur Reibung f assimiliert bzw. integriert.
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Die viskose Reibung hängt von der Drehgeschwindigkeit des Lenkrads ab.
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Folglich schreibt sich das Kräftegleichgewicht in einem Benchmark der Zahnstange:
wobei M die Masse des Servolenksystems und a die Beschleunigung ist, die auf das Servolenksystem ausgeübt wird, das heißt, die Beschleunigung der Lenkradrotation.
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Indem man annimmt, dass die Drehgeschwindigkeit im Wesentlichen gleichmäßig ist, das heißt, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Lenkrads im Wesentlichen konstant ist, ist der Wert der Beschleunigung des Lenkrads, die auf das Servolenksystem ausgeübt wird, vernachlässigbar. Folglich gilt in der obigen Gleichung a = 0.
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Indem man außerdem annimmt, dass das Fahrzeug einer im Wesentlichen geradlinigen Trajektorie folgt, kann der Lenkradwinkel als gleich dem Geradeaus-Winkel betrachtet werden. Folglich ist der durch die Verbindungsglieder ausgeübte Kraftaufwand
auf die Zahnstange vernachlässigbar. Somit gilt in der obigen Gleichung F
verbindungsglied = 0.
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Darüber hinaus ist unter der Annahme einer niedrigen Drehgeschwindigkeit die viskose Reibungskraft
ebenfalls vernachlässigbar. Folglich gilt in der obigen Gleichung f
viskos = 0.
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Schließlich schreibt sich unter den obigen Annahmen das Kräftegleichgewicht:
Oder auch RFe = f
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Es wird gefolgert, dass, wenn die Drehgeschwindigkeit niedrig und im Wesentlichen gleichmäßig ist und das Fahrzeug einer im Wesentlichen geradlinigen Trajektorie folgt, eine Messung der RFe direkt eine Abschätzung des Werts der auf das Servolenksystem ausgeübten Reibung liefert.
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Diese Annahmen werden validiert, wenn das Lenkrad einen Geradeaus-Winkel mit einer niedrigen und konstanten Geschwindigkeit, um den Geradeaus-Winkel kreuzt bzw. passiert.
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Das Passieren des Geradeaus-Winkels kann eine Folge einer Drehung sein.
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1 repräsentiert das Verfahren gemäß der Erfindung basierend auf dem oben beschriebenen Algorithmus, das einen Schritt 1 zum Erfassen einer Vielzahl von Fahrzeugparametern d, einen Schritt 4 zum Abschätzen des Reibungswerts f, einen Schritt 5 zum Berechnen des nominalen Reibungswerts fn , einen Schritt 2 zum Vergleichen der Daten d, einen Schritt 3 zum Abschätzen eines Reliabilitäts-Koeffizienten p der Fahrzeugdaten d und des abgeschätzten Reibungswerts f implementiert.
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Der Schritt 1 zum Erfassen einer Vielzahl von Fahrzeugdaten d erlaubt es, den verschiedenen Schritten des Verfahrens die Daten d verfügbar zu machen, die erforderlich sind, um die Berechnung des Reibungswerts f des Servolenksystems auszuführen. Der Schritt 1 zum Erfassen einer Vielzahl von Fahrzeugdaten d weist eine Phase zum Verarbeiten der Fahrzeugdaten d auf. Die Verarbeitungsphase entfernt insbesondere die dynamischen Komponenten aus den empfangenen Rohdaten, indem ein Tiefpassfilter angewendet wird. Der Schritt 1 zum Erfassen einer Vielzahl von Fahrzeugdaten d empfängt Rohdaten und gibt Daten d aus. Die Rohdaten sind die Fahrzeuggeschwindigkeit, der Lenkradwinkel, die Drehgeschwindigkeit, die durch den Hilfsmotor auf die Zahnstange ausgeübte Kraft, die auf die Zahnstange ausgeübte Lenkradkraft und eine Temperatur des Lenkungs-Computers. Die Daten d sind die Fahrzeuggeschwindigkeit, der Lenkradwinkel, die Drehgeschwindigkeit, die durch den Hilfsmotor auf die Zahnstange ausgeübte Kraft, die auf die Zahnstange ausgeübte Lenkradkraft, die Temperatur des Lenkungs-Computers und auch die Lenkradbeschleunigung, die RFe und eine Winkelableitung der RFe.
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Der Schritt 2 zum Vergleichen der Daten d erlaubt eine Bestimmung von Perioden, in denen Bedingungen validiert werden. Der Schritt 2 zum Vergleichen der Daten d empfängt als Eingabe die Daten d und vergleicht die jeweiligen Daten d mit einem spezifischen vordefinierten Intervall. Zum Beispiel sollte die Drehgeschwindigkeit in einem Intervall von 5 bis 20°/s liegen, sollte der Lenkradwinkel in einem Intervall von +/-2° liegen, sollte die Temperatur des Computers zwischen 0°C und 60°C liegen und sollte ein Wert eines Winkelabstands in Bezug auf die letzte Drehrichtungsumkehr etwa 5° betragen. Wenn all diese Daten d in dem entsprechenden Intervall liegen, sendet der Schritt 2 zum Vergleichen der Daten d ein Validierungssignal v aus.
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Der Schritt 4 zum Abschätzen des Reibungswerts f berechnet den Reibungswert f, indem die RFe gemittelt wird, wenn der Vergleichsschritt 2 das Validierungssignal v aussendet. Der Schritt 4 zum Abschätzen des Reibungswerts f empfängt als Eingabe die Daten d und das Validierungssignal v und gibt den Reibungswert f aus.
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Der Schritt 3 zum Abschätzen des Reliabilitäts-Koeffizienten p der Fahrzeugdaten d und des geschätzten Reibungswerts f weist jedem Datenpunkt d und dem Reibungswert f in Abhängigkeit von einer Variation des Datenpunkts d und des Reibungswerts f ein Gewicht zu. Das Gewicht wird in Abhängigkeit von vordefinierten Karten und Diagrammen bestimmt. Der Reliabilitäts-Koeffizient p der Fahrzeugdaten d und des geschätzten Reibungswerts f wird dann aus den zugewiesenen Gewichten berechnet. Der Schritt 3 zum Abschätzen des Reliabilitäts-Koeffizienten p der Fahrzeugdaten d und des abgeschätzten Reibungswerts f empfängt als Eingabe die Daten d, den Reibungswert f und gibt den Reliabilitäts-Koeffizienten p der Fahrzeugdaten d und des abgeschätzten Reibungswerts f aus.
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Der Schritt 5 zum Berechnen des nominalen Reibungswerts fn führt eine Mittelung durch, die mit dem Reliabilitäts-Koeffizienten p der Fahrzeugdaten d gewichtet und mit einem Mittelungskoeffizienten w gefiltert wird.
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Der Mittelungskoeffizient w ist während einer Periode des Fahrzeugbetriebs skalierbar. Dies erlaubt ein Ändern eines Kompromisses zwischen Geschwindigkeit und Stabilität der Berechnung des nominalen Reibungswerts in Abhängigkeit von der Periode des Fahrzeugbetriebs.
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Der Schritt 5 zum Berechnen des nominalen Reibungswerts fn wird durchgeführt, wenn das Validierungssignal v verschwindet. Der Schritt 5 zum Berechnen des nominalen Reibungswerts fn empfängt als Eingabe das Validierungssignal v, den Reibungswert f, den Reliabilitäts-Koeffizienten p der Fahrzeugdaten d und des geschätzten Reibungswerts f und gibt den nominalen Reibungswert fn aus.
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Der nominale Reibungswert fn wird mittels Lernen des Verfahrens bestimmt, da sich jeder neu berechnete Wert auf den vorherigen Wert fn-1 bezieht. Folglich ist der nominale Reibungswert fn genauer als der Reibungswert f.
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Natürlich ist die Erfindung nicht auf die in der beigefügten Figur beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt. Änderungen sind insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Aufbaus der verschiedenen Elemente oder mittels Substitution technischer Äquivalente möglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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