DE19709319A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugs - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugs.

Ein derartiges Steuerungsverfahren bzw. eine derartige Steuerungsvorrichtung ist beispielsweise aus der DE-A 41 11 023 (US-Patent 5,351,776) bekannt. Dort wird eine Steuerung des Gesamtfahrzeugs wenigstens bezüglich Antriebs­ strang und Bremse vorgeschlagen, welche eine hierarchische Auftragsstruktur für die Steuerungsaufgaben aufweist. Die dort beschriebene Steuerungsstruktur umfaßt Koordinationse­ lemente, welche einen aus einer höheren Hierarchieebene aus­ gehenden Befehl in Befehle (Aufträge) für Elemente einer nachgeordneten Hierarchieebene umsetzen. Die Inhalte der von oben nach unten in der Hierarchiestruktur weitergegebenen Befehle stellen physikalische Größen dar, die die Schnitt­ stellen zwischen den einzelnen Hierarchieebenen bestimmen. Dabei erfolgt der Befehlsfluß (Auftragsfluß) nur von einer höheren zu einer tieferen Hierarchieebene. Die höchste Hier­ archieebene nimmt der Fahrer ein. Er tritt somit als allei­ niger zentraler Befehls- bzw. Auftragsgeber auf. Unter Fah­ rer werden dabei neben dem Fahrer selbst auch Assistenz-, Navigations- und Verkehrsleitsysteme verstanden. Der Fahrer­ wunsch wird daher ggf. noch korrigiert (z. B. durch eine An­ triebsschlupfregelung) immer mit höchster Priorität umge­ setzt. Daher wirkt der Fahrer über Aufträge immer auf die Systeme und Stellglieder des Systems ein. Bei einer derarti­ gen Gestaltung des Fahrzeugsteuerungssystems können sich bei der Strukturierung des Systems und damit auch bei der Funk­ tion des Systems Probleme ergeben. Als Beispiel sei hier ei­ ne Fahrdynamikregelung genannt, die, obwohl der Fahrer das Fahrpedal zur Äußerung seines Vortriebswunsches betätigt, das Fahrzeug über einen Motoreingriff zur Reduzierung der Motorleistung und über einen Bremseneingriff zum Aufbau ei­ nes Giermoments fahrdynamisch stabilisiert. Dieses Beispiel zeigt, daß der Fahrerwunsch bezüglich des Fahrzeugvortriebs vollständig zugunsten des Wunsches nach Fahrstabilität über­ steuert wird. Der Fahrerwunsch besitzt demnach nicht den Charakter eines Auftrags bzw. Befehls für die Stellsysteme, der einen Anspruch auf seine Durchführung (Erfüllung) be­ sitzt. Daraus ergibt sich, daß der Fahrer nicht mit sämtli­ chen Bedienelementen auf der höchsten Hierarchieebene stehen kann und daß er ebensowenig der einzige zentrale Auftragge­ ber im Gesamtfahrzeug ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Auftragsvergabe in einem hierarchischen Auftragsfluß zu optimieren.

Dies wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprü­ che erreicht.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Auftragsvergabe in einem hierarchischen Auftragsfluß klar strukturiert.

Besonders vorteilhaft ist dabei, daß innerhalb des hierar­ chischen Auftragsflusses eine koordinierte Beauftragung von mehreren Komponenten immer nur durch genau eine Komponente erlaubt ist. Nur diese Komponente ist Auftraggeber dieser Komponenten, so daß innerhalb der Struktur des Gesamtfahr­ zeugs ausschließlich Auftragsbäume mit einer Wurzel entste­ hen. In vorteilhafter Weise werden dadurch Auftragskonflikte vermieden und eine klare Zuordnung von Kompetenzen und Ver­ antwortungen zu den einzelnen Komponenten geliefert.

Ferner wird in vorteilhafter Weise die Möglichkeit zu einer übergeordneten Optimierung des durch die Gesamtheit aller Fahrzeugsysteme beeinflußten Betriebsverhaltens des Fahr­ zeugs eröffnet unter Gesichtspunkten wie Kraftstoffver­ brauch, Umweltverträglichkeit, Sicherheit, Komfort, etc.

Besonders vorteilhaft ist, daß die erfindungsgemäße Lösung die Übersichtlichkeit und das Verständnis der Fahrzeugstruk­ tur erleichtert, da aufallen Betrachtungsebenen die glei­ chen Strukturierungsvorgaben für die Auftragsvergabe Anwen­ dung finden.

Besonders vorteilhaft ist ferner, daß voneinander weitestge­ hend unabhängige Komponenten mit für die Auftragsvergabe bzw. den Auftragsempfang definierten Schnittstellen geschaf­ fen werden können. Daraus ergibt sich eine eigenständige flexible Entwicklung und Testbarkeit der Komponenten, eine erhöhte Flexibilität bei der Entwicklung, kürzere Entwick­ lungszeiten und verbesserte Austauschbarkeit der einzelnen Komponenten.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. 1 zeigt an einem Beispiel eine Hardware-Konfiguration eines vernetzten Steuerungssystems für ein Fahrzeug. Die Fig. 2 bis 6 stellen die erfindungsgemäße Auftragsstruktur und die Struktur der Rückmeldungen der Auftragnehmer an den Auf­ traggeber in allgemeiner Form dar. Fig. 7 zeigt anhand ei­ nes bevorzugten Ausführungsbeispiels die Auftragsstruktur. In Fig. 8 ist in Gegenüberstellung dazu die aus dem Stand der Technik bekannte Auftragsstruktur dargestellt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Im Stand der Technik ist ein Ausführungsbeispiel für ein Steuerungssystem für ein Fahrzeug mit hierarchischem Auf­ tragsfluß dargestellt. Fig. 8 zeigt diese aus dem Stand der Technik bekannte Ausführung. Dabei sind sechs Hierarchieebe­ nen vorgesehen, wobei die erste Hierarchieebene vom Fahrer, von Assistenzsystemen (z. B. Fahrgeschwindigkeitsregler, Ab­ standsregler, etc.), Verkehrsleitsystemen und/oder Navigati­ onssystemen gebildet wird. Diese einzelnen Komponenten geben Aufträge an eine zweite Hierarchieebene, welcher ein Koordi­ nationselement für das Fahrzeug zugeordnet ist. Dieses bil­ det aus den zugeführten Aufträgen weitere Aufträge für Len­ kung, ein Koordinationselement "Triebstrang und Bremse" und ggf. für eine Fahrwerksregelung, wobei diese drei Elemente in einer dritten Hierarchieebene angeordnet sind. Das Koor­ dinationselement "Triebstrang und Bremse" setzt den ihm zu­ geführten Auftrag um in Aufträge für eine vierte Hierar­ chieebene, in der je ein Koordinationselement für den Trieb­ strang und die Bremsensteuerung angeordnet ist. Das Koordi­ nationselement für den Triebstrang in der vierten Hierar­ chieebene setzt den zugeführten Auftrag um in Aufträge für die fünfte Hierarchieebene, in der Kupplungs- und Getriebe­ steuerungen sowie ein Koordinationselement für den Motor vorgesehen sind. Letzteres setzt den vom Koordinationsele­ ment Triebstrang zugeführten Auftrag um in Aufträge für eine sechste Hierarchieebene, in der die Steuerungselemente für die Luftzufuhr, Einspritzung und Zündung eines Verbrennungs­ motors angeordnet sind.

Eine derartige Steuerungsstruktur weist dem Fahrer und den fahreräquivalenten Systemen die höchste Hierarchieebene zu, so daß hier die eingangs genannte Problematik auftreten kann.

Die zukünftige Entwicklung im Kraftfahrzeugbereich geht da­ hin, daß eine zunehmende Anzahl von Funktionen, die über die Basisfunktionen hinausgehen, in die Fahrzeugsteuerung einzu­ binden sind. Mit einer anwachsenden Anzahl von Funktionen steigt die Komplexität der Fahrzeugstrukturen. Zur Minimie­ rung der damit verbundenen Kosten, zur Beherrschung der Kom­ plexität, zur Maximierung der Funktionalität und der Zuver­ lässigkeit sind zukünftige Steuergeräte in einem Systemver­ bund zu integrieren und in eine Gesamtstruktur des Fahrzeugs und seiner Umgebung einzubetten. Diese Anforderungen betref­ fen in zunehmendem Maße auch die Softwarestrukturierung und -entwicklung. Eine Strukturierung der Software muß vorsehen, daß eine modulare Entwicklung und Testbarkeit der Einzel­ funktionen in Form von Komponenten möglich ist. Vorausset­ zung für eine derartige modulare Gestaltung der Einzelfunk­ tionen und eine einfache Austauschbarkeit der Komponenten einer Gesamtstruktur ist die eindeutige Festlegung der Schnittstellen dieser Komponenten. Eine Schnittstelle der Komponente dient der Auftragsvergabe. Eine eindeutige Auf­ tragsvergabe, die klar den Auftraggeber und Auftragnehmer sowie die zwischen diesen Komponenten erlaubten Wechselwir­ kungen beschreibt, ergibt eine übersichtliche und verständ­ liche Struktur mit ansonsten voneinander unabhängigen Kompo­ nenten. Die Verknüpfung der Komponenten über die Kommunika­ tionsbeziehung der Auftragsvergabe soll auf ein vertretbares Mindestmaß reduziert werden und nur bei einer Koordination von Komponenten Anwendung finden. Für eine solche Koordina­ tion sind explizite Aufträge notwendig. Es hat sich gezeigt, daß für die Auftragsvergabe und die an den Auftrag gekoppel­ te Rückmeldungsbeziehung die folgenden Strukturierungsvorga­ ben am geeignetsten sind:

• - Jede Komponente erhält mindestens einen Auftrag (d. h., entweder durch eine andere Komponente oder die Komponente besitzt einen inhärenten Auftrag).
• - jede Komponente hat genau einen Auftraggeber.
• - genau eine Komponente ist Auftragnehmer der Aufträge an ihr System. Diese Komponente heißt Eingangskomponente und erhält keine weiteren Aufträge von Komponenten des Sy­ stems.
• - Komponenten mit einem inhärenten Auftrag können keine Auf­ träge vergeben.
• - Ist die Komponente Zielkomponente einer Auftragsvergabe, dann ist bei einer Verfeinerung dieser Komponente (Subsystem) die Eingangskomponente der nächsten Detail­ lierungsebene die Zielkomponente der Auftragsbeziehung.
• - Ist die Komponente Quellkomponente einer Auftragsvergabe, dann ist bei einer Verfeinerung dieser Komponente (Subsystem) genau eine beliebige Komponente der nächsten Detaillierungsebene die Quellkomponente der Auftragsbe­ ziehung.
• - Jede Rückmeldungsbeziehung ist an einen Auftrag gekoppelt.

Eine Rückmeldungsbeziehung ist entgegengesetzt zu der Auftragsvergabe, das heißt die Quell- und Zielkomponenten der Auftragsvergabe sind von ihrer Funktion her ver­ tauscht.

Unter Auftrag wird in diesem Zusammenhang eine Vorgabe von Zielen und Randbedingungen, unter deren Berücksichtigung die Ziele zu erreichen sind, verstanden. Die Auftragserteilung erfolgt durch den Auftraggeber an den Auftragnehmer. Mit der Erteilung eines Auftrags ist die Pflicht zur Ausführung ver­ bunden oder, falls dies nicht möglich ist, muß eine Rückmel­ dung erfolgen. Eine Rückmeldung ist eine Information, die eine Komponente (Auftragnehmer) einer anderen Komponente (Auftraggeber) in Bezug zu dem konkreten Auftrag mitteilt. Bei Rückmeldungen kann es sich um Statusrückmeldungen, Kon­ fliktmeldungen oder Ergebnisrückmeldungen handeln, die neben einem Wert auch noch mit einem Hinweis zur Weiterverarbei­ tung versehen sein können.

Neben einer Auftragsschnittstelle gibt es auch Informations­ schnittstellen, über die sich eine Komponente von einer an­ deren Komponente Daten beschaffen kann. Über eine Informa­ tionsschnittstelle können Auskunftsabfragen oder Anforde­ rungsbeziehungen bestehen. Zwischen einem Auftrag und einer Anforderung von Daten muß deutlich unterschieden werden. An einen Auftrag ist per obiger Definition die Pflicht zur Aus­ führung gekoppelt. Der Auftragnehmer hat nur einen Auftrag­ geber und erhält von diesem auch nur koordinierte Aufträge. Für die Anforderung gilt dies nicht zwingend, da in der Re­ gel mehrere Anforderungen an eine Komponente gestellt wer­ den, die anschließend in der Komponente noch koordiniert werden müssen. Für die Koordinationsaufgabe und den Anstoß der komponentenspezifischen Aufgabe ist dann noch ein expli­ ziter Auftrag erforderlich. Die Anforderung wird in den Strukturierungsvorgaben derart behandelt, daß eine Komponen­ te einen Auftrag zur Berücksichtigung der Anforderungen, die an sie gestellt werden, bekommt. Mehrere Anforderungen an eine Komponente erfordern eine Koordination durch die Kompo­ nente selbst und im Falle von disjunkten Anforderungen eine Konfliktlösung durch eine übergeordnete Komponente. Die Kon­ fliktlösung kann nicht durch die Komponente, an die die An­ forderungen gestellt werden, selbst durchgeführt werden, da sie die Hintergründe nicht kennt, die zu diesen Anforderun­ gen geführt haben.

Die obengenannten allgemeinen Strukturierungsvorgaben werden im folgenden verdeutlicht.

Zunächst sei in Fig. 1 anhand eines Blockschaltbildes ein Beispiel für eine Hardware-Konfiguration eines Steuerungssy­ stems für ein Fahrzeug dargestellt. Mit 100 ist ein soge­ nannter Mastercontroller bezeichnet, der u. a. ein Interface 102 (Gateway) umfaßt, an dem verschiedene BUS-Systeme ange­ schlossen sind. Die Aufteilung dieser BUS-Systeme ist dabei beispielhaft. Das erste BUS-System 104 stellt die Kommunika­ tion zwischen dem Master 100 und den das Abtriebsmoment steuernden Elementen her. Der BUS 104 verbindet den Master mit einem Steuergerät 106 zur Motorsteuerung und einer Steuerung 108 zur Getriebesteuerung. Andererseits ist der BUS 104 über entsprechende Leitungen 114 bis 116 mit Meßein­ richtungen 110 bis 112 verbunden. Diese Meßeinrichtung er­ fassen die zur Steuerung des Abtriebsmoments auszuwertenden Betriebsgrößen des Motors und/oder des Fahrzeugs, beispiels­ weise Fahrzeuggeschwindigkeit, Motordrehzahl, zugeführte Luftmenge bzw. -masse, Last, Abgaszusammensetzung, Motortem­ peratur, Getriebeübersetzung, Schaltzustand eines Wandlers, Klopfneigung, etc. . Ein zweiter BUS 118 verbindet den Ma­ stercontroller 100 bzw. sein Interface 102 mit Elementen zur Bremsensteuerung 120, Lenkung 122 und/oder zur Fahrwerkrege­ lung 124. Analog zum oben Gesagten werden von den Meßein­ richtungen 126 bis 128 über entsprechende Verbindungsleitun­ gen 130 bis 132 dem BUS 118 Betriebsgrößen des Motors und/oder des Fahrzeugs wie Raddrehzahlen, Fe­ der/Dämpfer-Wege, Bremskräfte, etc. zugeführt. Ferner sind noch weitere BUS-Systeme 134 und 136 vorgesehen, die vor­ zugsweise mit einer anderen Übertragungsrate als die Systeme 104 und 118 arbeiten. Diese BUS-Systeme verbinden den Ma­ stercontroller mit Geräten 138 der Karosserieelektronik (Generator, Licht, Sitzverstellung, Fensterheber, Schiebe­ dachantrieb, etc.) am BUS 134 und ggf. mit Geräten 140 zur Telekommunikation am BUS 136. Die zur Beeinflussung von Mo­ tor, Bremsanlage, etc. notwendigen Stellelemente und Stell­ glieder sind entweder an der jeweiligen Steuereinheit oder an dem jeweiligen BUS angeschlossen.

Die in Fig. 1 dargestellte Konfiguration stellt ein Bei­ spiel dar, welches in anderen Ausführungsbeispielen bei­ spielsweise unter Verzicht auf den Mastercontroller 100 an­ ders ausgestaltet sein kann. Wesentlich ist, daß die erfin­ dungsgemäße Lösung der Auftragsvergabe unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Steuerungssystems auf Hardwaree­ bene ist und eine nach Platz, Störungsanfälligkeit oder der­ gleichen optimierte Konfiguration der einzelnen Elemente des Steuerungssystems erlaubt. Umgekehrt erlaubt die erfindungs­ gemäße Auftragsvergabe aber auch eine angepaßte Hardwarekon­ figuration, wenn beispielsweise im konkreten Anwendungsfall die Steuerung der Quellen mechanischer Leistung (Motor und Getriebe) sowie die Steuerung für die Fahrzeugbewegung (Triebstang und Bremse) durch jeweils eine Steuerungseinheit gesteuert werden, während der zuständige übergeordnete Koor­ dinator im Mastercontroller 100 plaziert wird.

Im folgenden werden die oben aufgeführten Strukturierungs­ vorgaben näher erläutert.

Jede Komponente erhält mindestens einen Auftrag entweder durch eine andere Komponente oder durch die Komponente selbst (inhärenter Auftrag). Komponenten, die keinen Auftrag von einer anderen Komponente erhalten, an die allerdings Auskunftsabfragen gestellt werden (zur Informationsbereit­ stellung, z. B. Meßwerte), benötigen für die Bereitstellung der Information einen sogenannten inhärenten Auftrag. In diesem Fall ist die Komponente formal ihr eigener Auftragge­ ber. Diese Strukturierungsvorgabe stellt sicher, daß keine Komponente im hierarchischen Auftragsfluß als Auftragnehmer unberücksichtigt bleibt, sondern in diesen eingebunden ist. Ebenso kann eine Komponente nur Auftraggeber sein, wenn sie zuvor einen Auftrag von einer anderen Komponente erhalten hat. Jede Komponente hat eine Aufgabe, ansonsten ist sie überflüssig. Die Komponenten erledigen die gestellten Aufga­ ben weitestgehend autark unter den definierten Randbedingun­ gen. Die Aufträge (Aufgaben) sind durch Zielvorgaben und Randbedingungen zu spezifizieren. Bei den Randbedingungen kann zwischen generellen und auftragsbezogenen Randbedingun­ gen unterschieden werden. Die auftragsbezogenen Randbedin­ gungen geben beispielsweise bei der Übergabe von Werten de­ ren Quantisierung sowie die notwendige Zeitanforderung (timing) an.

Ferner besitzt jede Komponente nur einen Auftraggeber, von dem sie allerdings mehrere Aufträge erhalten kann. Damit verbunden ist eine eindeutige Konfliktlösung ausschließlich durch den Auftraggeber. Konkurrierende Aufträge an eine Kom­ ponente müssen daher von dem Auftraggeber koordiniert wer­ den. Innerhalb des hierarchischen Auftragsflusses läßt sich für jede Komponente im Konfliktfall, wenn beispielsweise ein Auftrag unter den gegebenen Randbedingungen nicht ausgeführt werden kann, eindeutig der Auftraggeber benennen und damit der für die Komponente zuständige Konfliktlöser angeben. Zur Konfliktlösung ist es möglich, den Auftrag entsprechend der hierarchisch angeordneten Auftraggeber zurückzuverfolgen. Üblicherweise wird der Koordinator für die Aufträge dort an­ zusiedeln sein, wo sich der Auftragsfluß verzweigt. Die gra­ phische Darstellung des Auftragsflusses führt dann zu einem Auftragsbaum mit einer Wurzel (Eingangskomponente).

Komponenten mit einem inhärenten Auftrag können keine Auf­ träge vergeben. Innerhalb eines Systems soll zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nur ein Auftragsbaum existieren. Jeder Auftrag innerhalb eines Systems muß Bestandteil des von der Eingangskomponente ausgehenden Auftragsflusses sein. Ausge­ nommen hiervon sind inhärente Aufträge. Durch diese Regeln lassen sich Auftragszyklen und weitere Auftragsbäume vermei­ den.

Dies ist für die Auftragsvergabe innerhalb eines Systems in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Fig. 2 zeigt ein System A (z. B. System zur Steuerung der Fahrzeugbewegung), welches aus den Komponenten a, b, c, d, e und f besteht. Der Auf­ tragsfluß von der Komponente a (Eingangskomponente) des Sy­ stems führt zur Komponente b und über die Komponente c zu den Komponenten e und d. Die Komponente f besitzt einen in­ härenten Auftrag. Durch die Anwendung der Strukturierungs­ vorgaben werden die oben skizzierten Ziele erreicht.

Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 3 eine Auftragsstruktur inner­ halb des Systems A, die nicht mit den obengenannten Vorgaben zu vereinbaren und daher nicht erlaubt ist. Das System A weist die Komponenten g, h, i, j und k auf, wobei die Kompo­ nenten k, j und i durch einen zyklischen Auftragsfluß ver­ bunden sind, während die Komponenten g und h einen weiteren Auftragsbaum darstellen. Die dargestellte Auftragsstruktur ist unübersichtlich, die Komponenten beispielsweise wegen ihrer gegenseitigen Abhängigkeiten (vgl. i, j und k) nicht einfach austauschbar.

Gehen die Aufträge über Systemgrenzen hinweg (z. B. System A, Steuerung der Fahrzeugbewegung, zu System B, Quelle mechani­ scher Leistung), gilt, daß genau eine Komponente des Systems Auftragnehmer der Aufträge an ihr System ist (Eingangskomponente). Diese Komponente heißt Eingangskompo­ nente und erhält keine weiteren Aufträge von Komponenten des Systems. Der hierarchische Auftragsfluß ermöglicht ein über­ sichtliches Konzept zur koordinierten Auftragsvergabe und zur Konfliktlösung, da die Aufträge an ein System aus­ schließlich über die Eingangskomponente in das System gelan­ gen. Über die Eingangskomponente des Systems kann dann rück­ wirkend auf den Koordinator geschlossen werden, der für die Konfliktlösung verantwortlich ist. Der Auftrag an das System endet immer bei der Eingangskomponente. Von dort werden mit Ausnahme der inhärenten Aufträge alle Aufträge für die Kom­ ponenten des Systems abgeleitet.

Ist die Komponente Zielkomponente einer Auftragsvergabe, dann ist bei einer Verfeinerung dieser Komponente (Subsystem) die Eingangskomponente der nächsten Detaillie­ rungsebene die Zielkomponente der Auftragsbeziehung. Bei der Verfeinerung einer Komponente muß ein Auftrag immer bei der Eingangskomponente der nächsten Detaillierungsstufe enden, da sonst eine Komponente des Systems zwei Auftraggeber haben kann. Per Definition kann der Auftragsfluß innerhalb eines Systems an die anderen Komponenten nur von der Eingangskom­ ponente ausgehen. Entsprechend ist genau eine Komponente der nächsten Detaillierungsebene Quellkomponente der Auftragsbe­ ziehung, wenn die Komponente Quellkomponente einer Auftrags­ vergabe ist und verfeinert wird (Subsystem). Die Zuordnung der Quellkomponenten einer Auftragsvergabe erfolgt unter dem Gesichtspunkt der Entlastung der Eingangskomponente des Sub­ systems und wird allerdings über die Auftragsvergabe inner­ halb des Subsystems koordiniert.

Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Dort sind zwei Systeme A und B mit den Komponenten a, b, c bzw. d, e, f dargestellt. Zwischen den beiden Systemen besteht eine Auftragsbeziehung. Entsprechend der obengenannten Regeln ist eine der Komponen­ ten a, b oder c Quellkomponente der Auftragsbeziehung (angedeutet sind die möglichen Quellkomponenten; in einer konkreten Umsetzung wird nur genau eine der Möglichkeiten realisiert), während eine der Komponenten d, e, f (hier d) Eingangskomponente und damit Auftragnehmer des Systems B ist.

Der Auftrag von A nach B geht für den Fall, daß c Auftragge­ ber in der Verfeinerung A ist, direkt von c nach B. Dies ist durch den Auftragspfeil, der bei c beginnt und bei B endet, dargestellt. Der Auftrag an B wird dann in der Verfeinerung von B an die Eingangskomponente d weitergeleitet. Durch die­ se Vorgehensweise ist eine semipermeable Strukturierung rea­ lisierbar, die die Austauschbarkeit und Wiederverwendbarkeit unterstützt.

Entsprechendes gilt auch für die Rückmeldungsbeziehungen. Jede Rückmeldungsbeziehung ist an einem Auftrag gekoppelt. Sie ist entgegengesetzt zur Auftragsvergabe, das heißt Quell- und Zielkomponente sind in ihrer Funktion vertauscht (vgl. Fig. 5 und 6). Die Rückmeldungsbeziehung erlaubt eine Kommunikation in Bezug auf einen vorhandenen Auftrag und muß daher der Auftragsvergabe entgegengesetzt gerichtet sein. Mögliche Inhalte der Rückmeldungsbeziehung sind Sta­ tusrückmeldungen, Konfliktmeldungen oder Ergebnisrückmeldun­ gen, die neben einem Wert auch noch mit einem Hinweis zur Weiterverarbeitung versehen werden können. Fig. 5 zeigt die Rückmeldungen innerhalb eines Systems A mit den Komponenten a, b, c, d. Die Auftragsvergabe (ausgefüllter Pfeil) führt von der Komponente a zu den Komponenten b, c und d. Entspre­ chend entgegengesetzt findet die Rückmeldungsbeziehung zur Komponente a zurück statt (offener Pfeil). Über die System­ grenzen hinweg gilt das oben Gesagte. Fig. 6 zeigt ein Sy­ stem A mit den Komponenten a, b, c und ein System B mit den Komponenten d, e, f. Die Rückmeldungsbeziehung von System B nach System A ist dargestellt. Dabei ist der Auftragnehmer (System B, Komponente d) Quellkomponente der Rückmeldungsbe­ ziehung, während der Auftraggeber (System A, Komponente c) Zielkomponente der Rückmeldungsbeziehung ist.

Die obigen Strukturierungsvorgaben beziehen sich also nicht nur auf die Komponenten eines Systems sondern gelten auch für die Verfeinerung von Komponenten (Subsysteme), die Auf­ traggeber und Auftragnehmer sind. Neben den eindeutigen Strukturierungsvorgaben zur Auftragsvergabe in einem hierar­ chischen Auftragsfluß ist für eine übersichtliche und leicht verständliche Struktur des Gesamtfahrzeugs ebenso die Art der Aufträge von Bedeutung. Dabei soll eine kleine Anzahl von Auftragsarten unterschieden werden, da dann die Art der vorkommenden Schnittstellen auf eine kleine Anzahl reduziert und die Übersichtlichkeit der Struktur weiter erhöht werden kann. Wie oben erwähnt hat jede Komponente bestimmte Aufga­ ben, für deren Erfüllung sie zuständig ist. Dabei werden Ziele und Randbedingungen als Aufträge oder Aufgaben vorge­ geben. Aufgaben, die von der Komponente autark bearbeitet werden können, werden in deren Spezifikation beschrieben und erfordern keine Aufträge in detaillierter Form von außen. Aufgaben, die übergeordnete Koordination erfordern, werden vom Auftraggeber in Form von Zielwerten und Randbedingungen vorgegeben. Die Ergebnisse der Erledigung der Aufgaben ste­ hen in beiden Fällen für andere Komponenten zur Verfügung. Der Weg der Aufgabenerfüllung ist außerhalb der Komponente nicht bekannt.

Zur Auslösung der Aufgabenbearbeitung entsprechend der Spe­ zifikation erhält die Komponente einen impliziten Auftrag der Form: "Erledige die Aufgaben der Spezifikation unter Be­ rücksichtigung der dort angegebenen Randbedingungen!".

Aufgaben, die die Komponente nicht autark erledigen kann, da sie beispielsweise eine Koordination und/oder Abstimmung mit anderen Komponenten erfordert, werden aus der Komponenten­ spezifikation herausgelöst und über eine detailliertere Auf­ tragsvergabe durch den Auftraggeber, der auch den impliziten Auftrag zur Erledigung der Spezifikation erteilt, über einen expliziten Auftrag initiiert. Dadurch ergeben sich konkrete Schnittstellen, über die der Auftraggeber nun situationsab­ hängig die Ziele und Randbedingungen eines Auftrags an die Komponente per explizitem Auftrag mitteilt. Ein Beispiel für einen derartigen Auftrag lautet: "Stelle die mechanische Leistung × Watt mit hoher Dynamik in y Sekunden bereit!". Die Angaben zur Zeit, Quantisierung und Einheit einer zu überge­ benden Größe sind notwendig, wenn sie die Eigenschaften des Systems beeinflussen. Die genaue Beschreibung der Anforde­ rungen an eine Komponente unterstützt deren Austauschbar­ keit.

Zur Ausführung eines Auftrags ist unter Umständen ein Wert und eine Zeitangabe nicht ausreichend. Zur Beeinflussung der Zielerreichung werden dann weitere Randbedingungen benötigt. Als Beispiel hierfür soll ein Auftrag bezüglich einer mecha­ nischen Leistung an einen Verbrennungsmotor, die dieser an einer Kurbelwelle bereitstellt, betrachtet werden. Für die­ sen Auftrag sind primär die folgenden Randbedingungen von Bedeutung:

• - Ein einzuhaltendes Drehzahlintervall, da der Verbraucher über einer Mindest- und unterhalb einer Höchstdrehzahl betrieben werden kann;
• - die Anforderungen an die Dynamik der Leistungsbereitstel­ lung, da der Verbraucher sich mit der Verbrauchscharakte­ ristik auf den Verbrennungsmotor oder dieser an den Ver­ braucher anpassen muß. Es wird kein Wert übermittelt, wenn sich der Verbraucher nach der normalen Dynamik rich­ ten kann, ansonsten steht als eine Randbedingung neben dem Auftrag ein die geforderte Dynamik ausdrückender Gra­ dient bereit;
• - eine Logikinformation zum einzuhaltenden Selbstschutz des Verbrennungsmotors. Es ist denkbar, daß in kritischen Verkehrssituationen der Komponentenschutz gegenüber der allgemeinen Sicherheit in den Hintergrund tritt;
• - eine Information über den Kraftschluß zwischen Verbren­ nungsmotor und Getriebe. Diese Information gibt an, ob der Kraftschluß im Antrieb unterbrochen werden darf oder ob dies nicht zulässig ist.

Unter Beachtung der Strukturierungsvorgaben zur hierarchi­ schen Auftragsvergabe und der dargestellten Auftragsarten kann das im Stand der Technik gezeigte bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiel wie in Fig. 7 dargestellt werden.

Es werden verschiedene Systeme (Quelle mechanische Leistung und Fahrzeugbewegung) dargestellt, deren Komponenten (Motor bzw. Triebstrang und Bremse) weiter verfeinert wurden und sogenannte Subsysteme bilden. In einer ersten Hierarchieebe­ ne des Gesamtsystems ist der Koordinator für das Gesamtfahr­ zeug angeordnet. Dieser hat Auftragsbeziehungen in eine zweite Hierarchieebene, in der die Systeme Quelle mechani­ sche Leistung und Fahrzeugbewegung angeordnet sind. Empfän­ ger der Aufträge des Koordinators Gesamtfahrzeug ist die Eingangskomponente der Systeme, die in der ersten Hierar­ chieebene des jeweiligen Systems angeordnet sind. Für das System Quelle mechanische Leistung ist dies der Koordinator der Quelle, während für die Fahrzeugbewegung der Koordinator der Fahrzeugbewegung Eingangskomponente des Systems ist. In der zweiten Hierarchieebene des Systems Quelle mechanische Leistung sind die Komponenten Kupplung, Motor und Getriebe angeordnet. Zwischen diesen Komponenten und dem Koordinator der Quelle in der ersten Hierarchieebene besteht eine Auf­ tragsbeziehung. Entsprechend sind in der zweiten Hierar­ chieebene im System Fahrzeugbewegung die Komponenten Len­ kung, Triebstrang und Bremse sowie Fahrwerk angeordnet. Zwi­ schen diesen Komponenten und dem Koordinator der Fahrzeugbe­ wegung besteht ebenfalls eine Auftragsbeziehung. Die Kompo­ nente Motor des Systems Quelle mechanische Leistung in der zweiten Hierarchieebene ist weiter verfeinert. Entsprechende Verfeinerungen ergeben sich auch für die beiden anderen Kom­ ponenten. Die Komponente Motor weist eine erste Hierarchiee­ bene auf, in der die Eingangskomponente als Auftragnehmer des Koordinators der Quelle angeordnet ist. Dieser Koordina­ tor für den Motor hat Auftragsbeziehungen zu einer zweiten Hierarchieebene des Subsystems, in welcher Komponenten zur Steuerung der Luftzufuhr, der Einspritzung und der Zündung angeordnet sind. Auch diese Komponenten können weiter ver­ feinert werden. Entsprechend ist die Komponente Triebstrang und Bremse im System Fahrzeugbewegung weiter verfeinert. Die erste Hierarchieebene des Subsystems bildet ein Momentenver­ teiler, der Eingangskomponente des Subsystems ist und Auf­ tragnehmer des Auftraggebers Koordinator der Fahrzeugbewe­ gung. Der Momentenverteiler besitzt Auftragsbeziehungen in eine zweite Hierarchieebene des Subsystems, welches die Kom­ ponenten Triebstrang und Bremse umfaßt. Auch hier gilt, daß die nicht verfeinert dargestellten Komponenten Lenkung und Fahrwerk eine entsprechende Verfeinerung erfahren können, ebenso die Komponenten des Subsystems Triebstrang und Brem­ se. Die Komponente Triebstrang enthält in ihrer Verfeinerung nicht die Komponenten Motor, Kupplung und Getriebe. Vielmehr enthält sie Komponenten, die beispielsweise die Vortriebs­ radmomente und unter Berücksichtigung des Differentials das Getriebeausgangsmoment nach den Anforderungen der Bedienele­ mente, der Fahrstabilitäts- und der Assistenzsysteme bestim­ men. Im Vergleich zu Fig. 8 ist auffallend, daß Komponenten (z. B. Luftzufuhr, Einspritzung, Zündung) zusammen mit einem Koordinator (Koordinator Motor) einen Systemverbund (Motor) bilden, der dann auf einer höheren Betrachtungsebene (Quelle mechanische Leistung) als Komponente Motor neben den Kompo­ nenten Kupplung und Getriebe auftaucht. Ebenso ist auffal­ lend, daß im Gegensatz zu Fig. 8 die Quelle der mechani­ schen Leistung aus dem Auftragsfluß über den Triebstrang und die Bremse herausgelöst worden ist. Die Schnittstellen wer­ den in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wie im Stand der Technik definiert. So beschreibt die Schnittstelle zwi­ schen dem Koordinator Gesamtfahrzeug und dem Koordinator Quelle mechanischer Leistung das Abtriebsmoment, die Schnittstelle zwischen dem Koordinator Quelle und der Kupp­ lung, Getriebe und Motorkoordinator Kupplungsstellung, Ge­ triebeübersetzung und Motormoment. Entsprechend ist die Schnittstelle zwischen dem Koordinator Gesamtfahrzeug und dem Koordinator Fahrzeugbewegung durch die Fahrzeugbewe­ gungssollwerte in Richtung der drei Freiheitsgrade (z. B. in Längsrichtung Beschleunigung oder Fahrzeuggeschwindigkeit) beschrieben, die Schnittstelle zwischen dem Koordinator und dem Momentenverteiler durch das Radmoment, zwischen dem Ko­ ordinator und der Lenkung durch den Lenkwinkel und zwischen Koordinator und dem Fahrwerk z. B. durch den Federweg. Die Schnittstelle zwischen Momentenverteiler und Bremse wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel durch das Bremsmoment, zwi­ schen Momentenverteiler und dem Triebstang durch das Vor­ triebsmoment beschrieben.

Innerhalb der Betrachtungsebenen finden sich die Hierar­ chieebenen wieder. Allerdings existiert hier keine durchge­ hende Auftragshierarchie von einer zentralen Komponente Fah­ rer bis zum Stellglied. Die Verteilung der Bedienelemente (Fahrer, Assistenzsystem, Verkehrsleitsystem und Navigati­ onssystem) über die gesamte Struktur des Fahrzeugs ist durch die Herauslösung der Komponenten Fahrer, Assistenzsystem, Verkehrsleitsystem und Navigationssystem aus der in Bild 7 dargestellten Struktur angedeutet. Für die Anordnung dieser Komponenten oder Teilen dieser Komponenten in der Ge­ samtstruktur des Fahrzeugs gilt der Grundsatz, daß jede Kom­ ponente in der Auftragshierarchie immer nur so hoch wie nö­ tig und dabei so tief wie möglich angeordnet wird. Bei­ spielsweise wird das Fahrpedal, mit dem der Fahrer seinen Vortriebswunsch formuliert, sinnvollerweise in der Komponen­ te Triebstrang angeordnet. Ein Bremspedal wird sinnvoller­ weise im System Fahrzeugbewegung, dort in der zweiten Hier­ archieebene der Komponente Triebstrang und Bremse bei der Komponente Bremse angeordnet. Bedienelemente, die in einer höheren Hierarchieebene anzuordnen sind, sind Bedienelemen­ te, die auf mehrere Systeme einwirken (z. B. zündschloß). Dieses wäre beispielsweise in der ersten Hierarchieebene der Gesamtstruktur dem Koordinator Gesamtfahrzeug zuzuordnen.

Im Vergleich zu Fig. 8 existiert für jede Komponente nur ein Auftraggeber. Ferner wird die Komponente Fahrer nicht mehr als zentraler Auftragsgeber auf der höchsten Hierar­ chieebene angeordnet. Einzelne Hierarchieebenen werden nur innerhalb eines konkreten Systemverbundes angegeben. Die Struktur besteht aus Komponenten, die als Systemverbund wie­ derum Subsysteme oder Komponenten enthalten. Damit ist auf einer Betrachtungsebene nicht der gesamte Auftragsfluß bzw. die an ihm beteiligten Komponenten sichtbar. Die dadurch er­ zielte Komponentenkapselung unterstützt die Austauschbarkeit und flexible Entwicklung von voneinander unabhängigen Syste­ men.

Die Funktionsweise des in Fig. 7 dargestellten Steuerungs­ systems sei am Beispiel eines Beschleunigungsvorgangs, bei dem wenigstens ein Antriebsrad zum Durchdrehen neigt, darge­ stellt. Zunächst betätigt der Fahrer das Fahrpedal und gibt an den Koordinator Triebstrang seinen Beschleunigungswunsch. Der Koordinator Gesamtfahrzeug in der ersten Hierarchieebene fragt beim Koordinator Quelle die zur Zeit von der Quelle mechanischer Leistung bereitzustellende mechanische Leistung (z. B. Drehmoment) ab. Entsprechend fragt der Koordinator Ge­ samtfahrzeug beim Koordinator Fahrzeugbewegung eine Größe ab, die der Koordinator Fahrzeugbewegung aus seinem Subsy­ stem Triebstrang und Bremse bereitstellt. Dort ermittelt der Momentenverteiler bei unzulässigem Antriebsschlupf eine ent­ sprechende Reduzierung der vom Fahrer gewünschten mechani­ schen Leistung für den Vortrieb. Die eigentliche Antriebs­ schlupfregelung liegt somit in der Fahrzeugbewegung. Hier erfolgt die Überwachung des Verhaltens der Räder. Dies be­ deutet, daß weder der Koordinator Gesamtfahrzeug noch die Quelle mechanischer Leistung und damit der Motor den Grund für eine reduzierte Abtriebsmomentenanforderung kennen. Die­ ses Wissen ist für die genannten Komponenten für die Erledi­ gung ihrer Aufgaben auch nicht notwendig. Der Koordinator Gesamtfahrzeug bildet aus den zugeführten Informationen nach einer bekannten Strategie Aufträge an die Quelle mechani­ scher Leistung, mit der diese die notwendige, für einen sta­ bilen Vortrieb maximale Motorleistung zur Verfügung gestellt. Im speziellen Fall gibt der Koordinator Gesamtfahrzeug der Koordinator Quelle einen Auftrag, daß ein vom System Fahr­ zeugbewegung ermittelter Abtriebsmomentenwert eingestellt wird. Der Koordinator Quelle bildet entsprechende Aufträge zur Einstellung dieses Vorgabewertes für die Komponenten Kupplung, Motor und Getriebe, die dann der Koordinator Mo­ tor in Stellbefehle für die Luftzufuhr, Einspritzung und Zündung umsetzt. Der Bremseneingriff während der Antriebs­ schlupfregelung wird allein in der Komponente Triebstrang und Bremse vom Koordinator der Momentenverteilung bewerk­ stelligt.

Claims (12)

1. Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs, wobei innerhalb eines Systems mehrere Komponenten zur Fahrzeugsteuerung vor­ gesehen sind, welche zusammen im Rahmen einer Auftragshier­ archie angeordnet sind, wobei Aufträge nur von einer höheren zu einer niedrigeren Hierarchieebene fließen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für jede Komponente nur ein Auftraggeber existiert und daß in der obersten Ebene ein Koordinationse­ lement für das System angeordnet ist, welches die Funktion der ihm untergeordneten Komponenten über Aufträge koordi­ niert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten wiederum Komponenten enthalten und als Sub­ systeme ausgebildet sein können.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bedienelemente des Fahrers in der Auftragshierarchie so hoch wie nötig, so tief wie mög­ lich angeordnet sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß für ein System aus mehreren Kompo­ nenten genau eine Komponente Auftragnehmer der Aufträge aus der übergeordneten Abstraktionsebene an das System ist (Eingangskomponente).

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Komponenten mit inhärenten Aufträ­ gen existieren, die keine Aufträge nach außen vergeben.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Rückmeldungsbeziehungen zwischen den Komponenten vorgesehen sind, die an einen Auftrag gekop­ pelt sind und über die Informationen über die Ausführung des Auftrags an den Auftraggeber geführt werden, wobei die Rück­ meldungsbeziehung immer entgegengesetzt zur Auftragsvergabe ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aufträge entweder als implizi­ ter Auftrag, nach dem eine Komponente die in ihrer Spezifi­ kation angegebenen Aufgaben ausführt, oder als expliziter Auftrag ausgebildet sind, bei dem detailliertere Ziele sowie beispielsweise zeitliche und weitere Randbedingungen über­ mittelt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß auf einer hohen Abstraktionsebene in der ersten Hierarchieebene ein Koordinator für das Ge­ samtfahrzeug angeordnet ist, der die in einer zweiten Hier­ archieebene angeordneten Systeme (z. B. Quelle mechanischer Leistung, Fahrzeugbewegung) koordiniert.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das System Quelle mechanischer Leistung in einer ersten Hierarchieebene einen Koordinator für die Quelle aufweist, in einer zweiten Hierarchieebene Komponenten wie Motor, Getriebe und Kupplung.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Komponente Motor weiterverfei­ nert ist, wobei in einer ersten Hierarchieebene ein Koordi­ nator für den Motor vorgesehen ist, der beispielsweise Auf­ träge an die Komponenten zur Einstellung der Luftzufuhr, Einspritzung und Zündung in einer zweiten Hierarchieebene des Subsystems abgibt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das System Fahrzeugbewegung in ei­ ner ersten Hierarchieebene einen Koordinator für die Fahr­ zeugbewegung aufweist, der Aufträge beispielsweise an die in einer zweiten Hierarchieebene des Systems angeordneten Kom­ ponenten Lenkung, Fahrwerk und Triebstrang und Bremse ab­ gibt.

12. Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugs, mit mehreren Komponenten, die in einer Auftragshierarchie angeordnet sind, wobei die Aufträge immer von einer höheren zu einer niederen Abstraktionsebene und von einer höheren zu einer niederen Hierarchieebene fließen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Komponente nur einen Auftraggeber aufweist und daß in einer hohen Abstraktionsebene ein Koordinationselement für das Gesamtfahrzeug angeordnet ist, welches die Funktion der ihm untergeordneten Komponenten über Aufträge koordi­ niert.