DE19621320A1 - Anordnung zur Erfassung und Auswertung von Gierbewegungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erfassung und Auswertung von Gierbewegungen eines Kraftfahrzeuges, die als Eingangsgröße eines Kfz-Regelungssystems dienen, mit einem oder mehreren Gierratensensoren und mit elektronischen Schalt­ kreisen zur Aufbereitung und Auswertung der mit den Gierraten­ sensoren gewonnenen, die Gierbewegungen des Kraftfahrzeuges darstellenden Informationen und zur Erzeugung von Regelsigna­ len.

Das Messen und Auswerten von Gierbewegungen, nämlich von Win­ kelbewegungen und Giergeschwindigkeiten um die Hochachse eines Kraftfahrzeuges, besitzt im Zusammenhang mit Kfz-Regelungs­ systemen große Bedeutung. Dies gilt insbesondere für die so­ genannte Fahrstabilitätsregelung (FSR oder ASMS, d. h. automa­ tische Stabilitäts-Management-System).

Kraftfahrzeugregelungssysteme zur Kontrolle und Begrenzung unerwünschter Gierbewegungen um die Fahrzeughochachse sind bereits bekannt. Die Verbesserung und Verbilligung dieser Sy­ stem sind Gegenstand intensiver Entwicklungsarbeiten.

Bei solchen Systemen wird grundsätzlich mit Hilfe von Sensoren der Lenkwinkel, die Gaspedalstellung, der Bremsdruck und das Bewegungsverhalten der Fahrzeugräder ermittelt, und es wird aus diesen Größen die Soll-Gierbewegung des Fahrzeugs errech­ net. Gleichzeitig wird die auf das Fahrzeug wirkende Querbe­ schleunigung und die Giergeschwindigkeit gemessen. Aus der rechnerischen Verknüpfung dieser Größen wird der Ist-Gierzu­ stand des Fahrzeugs ermittelt. Zeigt sich oder droht eine un­ zulässige Abweichung der Ist-Bewegung von der Soll-Bewegung, greift die Regelung ein und begrenzt durch gezielten Bremsen­ eingriff die Gierbewegung auf zulässige, für die Fahrstabili­ tät ungefährliche Werte.

Derartige Fahrstabilitätsregelungssysteme müssen mit hoher Präzision und hoher Zuverlässigkeit funktionieren, damit das gewohnte, natürliche Fahrverhalten des Fahrzeugs erhalten bleibt und nicht etwa durch einen verfrühten Eingriff des Re­ gelungssystems eine Beeinträchtigung des Fahrkomforts oder gar eine gefährliche oder den Fahrer irritierende Situation her­ beigeführt wird.

Von hoher Bedeutung ist in diesem Zusammenhang die präzise, zuverlässige und fehlerfreie Bestimmung der Gierrate. Es muß sichergestellt sein, daß fehlerhafte Gierraten-Meßwerte er­ kannt werden, bevor sie sich nachteilig auf die Regelung aus­ wirken können. Die Messung der Gierbewegung und die Überwa­ chung der Meßsysteme werden insbesondere dadurch erschwert, daß sich keine definierten Fahrzeugbewegungen erzeugen lassen, an denen die Gierratensensoren und die zugehörige Auswerte­ schaltkreise überprüft oder kalibriert werden könnten. Es kann lediglich bei Fahrzeugstillstand die Nullpunktabweichung kor­ rigiert werden.

Bekannte Fahrstabilitätsregelungssysteme beruhen auf der Ver­ wendung eines einzelnen, relativ hochwertigen Gierratensen­ sors. Dieses Konzept hat den Nachteil, daß es nach dem Kali­ brieren des Sensors bei Fahrzeugstillstand nicht mehr möglich ist, eine langsam fortschreitende Meßabweichung direkt zu erkennen. Solche "schleichenden" Defekte können in Folge von bestimmten Bauteildefekten im Sensor oder in den Auswerteschaltkreisen, z. B. in Folge von fehlerhaften Konden­ satoren, offenen, hochohmigen Halbleitereingänge, Wackelkon­ takten etc. auftreten.

Die Erkennung solcher Fehler muß über den Umweg von Indizien geschehen, die aus Hilfsgrößen und durch logische Verknüpfun­ gen gewonnen werden und nur mittelbar mit der Gierbewegung im Zusammenhang stehen. Der Erkennungsmechanismus reagiert dabei mit relativ geringer Auflösung und mit größerer Trägheit oder Verzögerung als dies bei einem unmittelbaren Vergleichsverfah­ ren der Fall wäre.

Um diese Nachteile zu kompensieren, ist es in der Praxis er­ forderlich, entsprechend genauere Meßwerte zu erfassen. Dies macht es wiederum erforderlich, hochpräzise Gierratensensoren einzusetzen, die sowohl den Anforderungen nach großem Meßbe­ reich als auch nach hoher Auflösung und Präzision im Bereich kleiner bis mittlerer Gierraten erfüllen können. Die Relation von technischem Aufwand zu erreichbarer Genauigkeit steigt hierbei jedoch überproportional an.

Trotz des hohen Aufwands kann nicht sichergestellt werden, daß tatsächlich jede Kehlfunktion des Sensors zu erkennen ist. Deshalb muß aus Sicherheitsgründen bereits bei einer kurzzei­ tig auftretenden Erscheinung, die den Verdacht auf eine Fehl­ funktion des Systems erweckt, das Regelungssystem abgeschaltet werden. Tritt ein solcher Fehler oder Verdacht auf einen Feh­ ler während eines Regelungsvorganges auf, ist das Systemver­ halten unbestimmt. Um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Fehlfunktion auf ein vertretbares Maß zu reduzieren, müssen höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Bau­ teile und an die Selbsttestfunktionen der Sensorik und der zugehörigen Schaltkreise gestellt werden. Solche Anforderungen sind natürlich nur mit hohem Herstellungsaufwand zu erfüllen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die beschrie­ benen Nachteile bekannter Systeme und Sensoren zu überwinden und eine Anordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die es ermöglicht, die Gierbewegung eines Kraftfahrzeuges mit hoher Präzision und hoher Betriebssicherheit zu erfassen und den hierzu erforderlichen Aufwand im Vergleich zu bekannten Systemen gering zu halten. Eine schnelle und sichere Fehler­ erkennung sollte gewährleistet sein.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 beschriebene Anordnung gelöst werden kann, deren Besonderheit darin besteht, daß ein oder mehrere elektronische Kompaßsyste­ me vorgesehen sind, die unabhängig von den mit den Gierraten­ sensoren gewonnenen Informationen Gierbewegungen des Fahrzeugs erfassen, und daß durch Vergleich der von den Kompaßsystemen gelieferten Informationen mit den von den Gierratensensoren gelieferten Informationen die Funktion und Genauigkeit der voneinander unabhängigen Meßsysteme überwacht wird.

Nach einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung werden in Verbindung mit den Gierratensensoren zwei Kompaßsysteme, die räumlich getrennt an dem Fahrzeug angeord­ net sind, verwendet, wobei zur Erfassung der Gierbewegungen die von den beiden Kompaßsystemen gelieferten Informationen mit den von dem oder den Gierratensensoren gelieferten Infor­ mationen verglichen werden. Es ist besonders günstig, einen der beiden Kompaßsysteme am Bug des Fahrzeugs, das andere am Heck des Fahrzeugs anzuordnen. Aus dem zeitlichen Nacheinander des Auftretens der Kompaß-Ausgangssignale in Verbindung mit der Fahrzeugbewegung und Fahrtrichtung lassen sich dann, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird, besondere Informatio­ nen gewinnen.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Anordnung be­ steht darin, daß mehrere voneinander unabhängige Meßkanäle auf Basis der Gierratensensoren und der Kompaß-Systeme bestehen und Ausgangssignale bzw. Informationen liefern, die durch Ver­ gleich und logische Verknüpfung eine zuverlässige Überwachung der Funktionsweise der einzelnen Meßkanäle und das frühzeitige Erkennen unterschiedlicher Fehler, auch sogenannter schlei­ chender Fehler zulassen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Details anhand der beigefügten Abbildungen hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 in symbolischer, perspektivischer Darstellung ein Fahr­ zeug und dessen Hochachse, die Bezugsachse für die Gierbewegung ist, und

Fig. 2 in schematischer Darstellung die prinzipielle Anordnung der Meßkanäle in bezug auf die Fahrebene eines Kraft­ fahrzeugs.

Fig. 1 dient lediglich zur Veranschaulichung der Gierbewegung eines Fahrzeugs 1, die als eine Drehbewegung um die Hochachse Z des Fahrzeugs in Richtung des Pfeiles GR definiert ist. Gierbewegung, Giergeschwindigkeit, Gierbeschleunigung und Giermoment haben Einfluß auf die Fahrstabilität eines Kraft­ fahrzeuges und sind daher Eingangsgrößen von Kfz-Regelungs­ systemen.

Die vorliegende Erfindung beruht auf einem geänderten Konzept zur Gierratensensierung. Durch die Verwendung von Kompaßsystemen in Verbindung mit einem oder mehreren Gierratensensoren und Verwendung mehrerer voneinander unabhängiger Meßkanäle wird letztendlich eine wesentlichen Vereinfachung und Verbesserung der Gierratensensierung erreicht.

In Fig. 2 ist schematisch die Struktur eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer Anordnung der erfindungsgemäßen Art wiedergegeben. Mit einem Pfeil R ist die Fahrtrichtung des symbolisch dargestellten Fahrzeugs 1 bei Geradeausfahrt angedeutet. VL, VR bezeichnen die Vorderräder, HL, HR die Hinterräder eines Fahrzeugs.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die erfindungs­ gemäße Anordnung einen Gierratensensor GRS und zwei Kompaßsysteme KB, KH, von denen ein Kompaßsystem KB im Bug des Fahrzeugs, das andere Kompaßsystem KH im Heck des Fahrzeugs angeordnet sind.

Die (aufbereiteten) Ausgangssignale des Gierratensensors GRS und der beiden Kompaßsysteme werden in einem Prozessor, nämlich einem Mikrocomputer oder Mikrocomputersystem, verarbeitet und ausgewertet. Solche Regler oder Regelungs­ systeme auf Basis von komplexen Mikrocomputern oder Mikro­ computersystemen sind in der heutigen Kfz-Regelungstechnik gang und gäbe. In Fig. 2 ist eine Signalaufbereitungsstufe SCU dargestellt, die als Bestandteil der Elektronik eines Fahrstabilitätsregelungssystems aufzufassen ist.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Anordnung besteht in der zeitgleichen Verwendung mehrerer voneinander unabhängiger Meßkanäle. Im Beispiel nach Fig. 2 sind das die Meßkanäle mit den beiden Kompaßsystemen KB und KH und mit dem Gierratensensor GRS. Durch Kombination und Vergleich der Ausgangssignale bzw. der in den Ausgangssignalen enthaltenen Informationen des Gierratensensors mit einem Kompaßsystem KB oder KH ist eine Überwachung der Funktion der Meßkanäle gegeben. Die räumlich versetzte Anordnung der Kompaßsysteme KB und KH in Fahrtrichtung R - zum einen im Heck des Fahrzeugs (KH), zum anderen im Bug (KB) - läßt sich bei Berücksichtigung der Fahrtrichtung eine Kompaßmißweisung sicher erkennen.

Aus den Ausgangssignalen der Kompaßsysteme wird fortlaufend die Gierrate des Fahrzeugs berechnet und diese dann mit den zeitzugehörigen Meßwerten des Gierratensensors GRS verglichen.

Durch eine solche Verwendung mehrerer Meßkanäle auf Basis von Kompaßsystemen und Gierratensensoren werden - je nach Realisierungsart - unterschiedliche Vorteile erzielt und Informationen gewonnen. Die prinzipiellen Vorteile gegenüber der bekannten Art der Messung der Gierbewegung mit Hilfe eines einzigen, aufwendigen Gierratensensors sind jedoch stets gleich. Die Vorteile bestehen zunächst darin, daß der parallele Betrieb mehrerer Meßkanäle eine wechselseitige Überwachung der einzelnen Meßkanäle bzw. Kompaßsysteme und Sensoren und der zugehörigen Auswerteschaltungen ermöglicht. Dabei kann der Grad der Übereinstimmung der synchron erfaßten oder errechneten Gierratenwerte auf Basis der Kompaßsysteme KB, KH und des Gierratensensors GRS als direktes Maß für die Funktionssicherheit der Gierratensensorik genutzt genutzt werden.

Bei ständiger Überwachung der Meßkanäle ist eine unmittelbare und sichere Erkennung von Bauteilefehlern, insbesondere auch von langsam fortschreitenden oder "schleichenden" Fehlern in einem der beteiligten Sensoren oder Kompaßsysteme gegeben. Das Kraftfahrzeugregelungssystem kann daraufhin durch eine an sich bekannte und daher nicht dargestellte Überwachungs­ schaltung jederzeit rechtzeitig abgeschaltet werden.

Eine Variante besteht darin, daß bei einem während einer Regelung eintretenden Sensor-Totalausfall, der natürlich ebenfalls durch die Verwendung der parallelen, voneinander unabhängigen Meßkanäle erkannt wird, das Regelungssystem für eine Notlaufzeit auf Basis der Informationen und Signale, die der intakte Sensor oder das intakte Kompaßsystem liefern, allein weiterbetrieben werden kann.

Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt also Vorteile hinsichtlich der Betriebssicherheit infolge der Verwendung der zusätzlichen Kompaßsysteme. Gleichzeitig ist eine hohe Präzision der Gierratenmessung wegen der Verwendung des Gierratensensors gegeben; das Ganze wird mit relativ geringem technischen Aufwand und Herstellungsaufwand erreicht.

Durch die räumlich versetzte Anordnung der beiden Kompaßsysteme KB, KH gemäß der Ausführungsart der Erfindung nach Fig. 2 können auch Störungen des Erdmagnetfeldes, auf die ein Kompaß anspricht, daran erkannt werden, daß sowohl beim Einlaufen als auch beim Verlassen einer Störzone (z. B. eines Tunnels) zunächst das Kompaßsystem KB und dann das Kompaßsystem KH in gleicher Weise reagieren müssen. Bei Kenntnis der Fahrzeuggeschwindigkeit und damit der durch die Fahrzeuggeschwindigkeit gegebenen zeitlichen Phasenver­ schiebung zwischen den Ausgangssignalen der Systeme KB und KH läßt sich eine Kompaßmißweisung sicher bestimmen und auswerten sowie eine entsprechende Kalibrierung durchführen.

Claims (6)

1. Anordnung zur Erfassung und Auswertung von Gierbewegungen eines Kraftfahrzeugs als Eingangsgröße eines Kfz-Regelungssystems, mit einem oder mehreren Gierratensensoren und mit elektronischen Schaltkreisen zur Aufbereitung und Auswertung der mit den Gierratensensoren gewonnenen, die Gierbewegung des Kraftfahrzeuges darstellenden Informationen und zur Erzeugung von Regelsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere elektronische Kompaß­ systeme (KB, KH) vorgesehen sind, die unabhängig von den mit den Gierratensensoren (GRS) gewonnenen Informationen Gierbewegungen des Fahrzeugs erfassen, und daß durch Vergleich der mit den Kompaßsystemen (KB, KH) gelieferten Informationen mit den von den Gierratensensoren (GRS) gelieferten Informationen die Funktion und Genauigkeit der voneinander unabhängigen Meßsysteme oder Meßkanäle (KB, KH, GRS,) überwacht wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese zwei Kompaßsysteme (KB, KH) aufweist, die räumlich getrennt am Kraftfahrzeug angeordnet sind, und daß zur Erfassung der Gierbewegungen die von beiden Kompaß­ systemen (KB, KH) gelieferten Informationen mit den von den Gierratensensoren (GRS) gelieferten Informationen verglichen werden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kompaßsystem (KB) nahe dem Bug und das zweite nahe dem Heck (KH) des Kraftfahrzeugs angeordnet sind.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kompaßsysteme (KB, KH) an sich bekannte Fluxgate-Kompaßsysteme vorgesehen sind.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Gierratensensoren (GRS) ein Sensor auf Basis eines Stimmgabeloszillators aus Quarz vorgesehen ist.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Kompaßsysteme (KB, KH) weitere, auf physikalisch unterschiedliche Funktionsprinzipien beruhende, technisch-technologisch unterschiedlich aufgebaute Gierratensensoren (GRS) vorgesehen sind.