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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung
der Dämpfung
bei einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1 und 4.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
41 38 171 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Dämpfungskraft
von steuerbaren Schwingungsdämpfern
bei einem semiaktiven Fahrwerk bekannt. Bei diesem Verfahren ist
jedes Rad mit Sensoren zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit
und der Beschleunigung des Rads gegenüber dem Aufbau des Kraftfahrzeugs versehen.
Ein Regler erkennt die Beschaffenheit des Fahrweges anhand der von
den Sensoren erfaßten Radbewegung
und regelt daraufhin die Dämpfungskraft
des Fahrwerks. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß eine Regelung
nur aufgrund von bereits an dem Rad aufgetretenen Fahrbahneigenschaften
erfolgen kann.
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Aus
der Druckschrift
DE
195 40 722 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes
bzw. der Beschaffenheit einer Oberfläche bekannt. Zur Bestimmung
der Fahrbahnbeschaffenheit wird in dieser Druckschrift ein Millimeterwellen-Dopplerradarsensor
eingesetzt. Die reflektierten Radarsignale werden in einer Frequenzdarstellung
analysiert. Hierzu ist eine Transformation der Signale aus der Zeitdarstellung,
in welcher sie gemessen werden, in eine geeignete Frequenzdarstellung
erforderlich. Zur Analyse des Spektrums schlägt die Druckschrift vor, Hidden-Markov-Modelle – also im
wesentlichen probabilistische Modelle – einzusetzen und deren Ergebnisse
durch einen Viterbi-Algorithmus klassifizieren zu lassen. Auf diese
Weise werden klassifizierte Ergebnisse über die Fahrbahnbeschaffenheit
gewonnen. Die Druckschrift schlägt
ferner vor, diese Ergebnisse für
ein Anti-Blockierregelsystem (ABS) oder ein Anti-Schlupfregelsystem (ASR) zu verwenden
oder sie dem Fahrer des Fahrzeugs direkt anzuzeigen. Nachteilig
an diesem Verfahren ist, daß der
betriebene Aufwand für
die Analyse sehr große
Unsicherheiten über
den Fahrbahnzustand mit sich bringt. Ferner ist die Analyse zeitaufwendig,
so daß keine
individuellen Fahrbahnbeschaffenheiten ermittelt werden können, sondern
sich ausschließlich
in Klassen unterteilte Fahrbahnzustände ermitteln lassen. Hinzu
kommt, daß durch
die Analyse der Daten in der Frequenzdarstellung eine präzise örtliche
Auflösung
der Fahrbahnbeschaffenheit nicht mehr möglich ist.
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Ferner
ist im Stand der Technik aus der Druckschrift
DE 195 49 083 A1 ein Sicherheitssystem für Kraftfahrzeuge
bekannt. Bei diesem Verfahren wird durch ein oder zwei am Rad angeordnete
Sensoren der aktuelle Fahrbahnzustand erfaßt. Die Sensoren erfassen Sensorgrößen, welche
die Fahrwerkdynamik widerspiegeln. Aus diesen Sensorgrößen wird
ein Signal gebildet, das zur Ansteuerung von Aktuatoren herangezogen
wird, welche die Fahrwerkdynamik bestimmen. Nachteilig an diesem
Sicherheitssystem ist ebenfalls, daß lediglich auf bereits aufgetretene
Fahrbahneigenschaften im nachhinein reagiert werden kann.
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Aus
der gattungsbildenden
DE
41 30 877 A1 ist ein Verfahren zur Einstellung der Dämpfung eines Kraftfahrzeuges
bekannt, wo Kenngrößen für die Beschaffenheit
des Fahrweges in einem vor dem Kraftfahrzeug beabstandeten Bereich
gemessen werden, aus den gemessenen Kenngrößen ein Steuersignal für die Dämpfung des
Kraftfahrzeuges generiert und an eine Steuereinrichtung für die Dämpfung des Fahrwerks
geleitet wird. Die Steuereinheit stellt abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit
die Stärke der
Dämpfung
mit einer zeitlichen Verzögerung
ein, wobei die zeitliche Verzögerung
abhängig
von der Fahrzeuggeschwindigkeit so gewählt wird, dass die während der
Fahrt eingestellte Dämpfungsstärke der aktuellen
Fahrwegbeschaffenheit entspricht. Als Messeinrichtung zur Erfassung
der Kenngrößen werden
dort Ultraschallsensoren oder optische Sensoren vorgeschlagen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Ausgabe zugrunde,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung der Dämpfungskraft
zu schaffen, die unabhängig
von den Sichtverhältnissen
zuverlässig
arbeitet.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren zur Einstellung der Dämpfung eines Kraftfahrzeuges
mit den nachfolgenden Verfahrensschritte gelöst: Kenngrößen für die Beschaffenheit des Fahrweges
werden in einem von dem Kraftfahrzeug beabstandeten Bereich gemessen,
aus den gemessenen Kenngrößen wird
ein Steuersignal für
die Dämpfung
des Kraftfahrzeuges generiert und an eine Steuereinrichtung für die Dämpfung des
Fahrwerks geleitet, die Steuereinheit stellt abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit
die Stärke
der Dämpfung mit
einer zeitlichen Verzögerung
ein, wobei die zeitliche Verzögerung
abhängig
von der Fahrzeuggeschwindigkeit so gewählt wird, daß die während der Fahrt
eingestellte Dämpfungskraft
der aktuellen Fahrwegbeschaffenheit entspricht. Die Messung erfolgt
durch eine Radareinrichtung, wobei die gemessenen Signale als Funktion
der Zeit zur Bestimmung der Fahrwegbeschaffenheit analysiert werden
und Unregelmäßigkeiten
im Fahrweg durch Knicke und Unstetigkeitsstellen im zeitlichen Verlauf
der gemessenen Signale festgestellt werden. Mit der Verwendung einer
Radareinrichtung aus Sender und Empfänger mit Antenne können Hindernisse
und Fahrbahnunebenheiten auf der Fahrbahn gemessen und erkannt werden.
Die durch die Verwendung einer Radareinrichtung meßbare Kenngröße der Fahrbahn besteht
in deren abrupten Unebenheit, wie sie beispielsweise bei einem Schlagloch,
einer Bordsteinkante und dergleichen, auftritt. Ebenfalls können periodische
Unebenheiten, wie sie beispielsweise Bodenwellen, Kopfsteinpflaster
u. ä. im
Fahrweg verursachen, durch ein Radar gemessen werden. Die Messung
der Kenngröße erfolgt
durch Messung der reflektierten Signale mit der Antenne in einer
an sich bekannten Weise. Ein wichtiger Vorteil an der Verwendung
eines Radars gegenüber
anderen Meßeinrichtungen
besteht darin, daß es
unabhängig
von den Sichtverhältnissen
und anderen Außeneinflüssen zuverlässig arbeitet.
Ferner ist an der Verwendung einer Radareinrichtung vorteilhaft,
daß die
zugehörige Technik
ausgereift ist und einer Miniaturisierung zugänglich ist. Zur besonders einfachen
und zuverlässigen
Analyse der gemessenen Signale werden diese als Funktion der Zeit
zur Bestimmung der Fahrwegbeschaffenheit analysiert. Entgegen anderen Methoden
bietet dieses Verfahren den besonderen Vorteil, daß die Aufbereitung
der Signale für
die Analyse wenig aufwendig ist, wodurch sie schnell und zuverlässig erfolgen
kann. Ferner kann unter Berücksichtigung
der Fahrzeuggeschwindigkeit direkt eine Beziehung zwischen Zeit
und Ort hergestellt werden. Hierdurch können auftretende Hindernisse
schneller erkannt und lokalisiert werden. Zur Analyse bieten sich
eine Reihe von unterschiedlichen Verfahren aus dem Bereich der Radartechnik
oder aus der Nachrichtentechnik an.
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Dabei
lassen sich Unregelmäßigkeiten
im Fahrweg, insbesondere Fahrbahndiskontinuitäten und/oder Fahrbahnunebenheiten,
durch Steigungsänderungen
und Unstetigkeitsstellen im zeitlichen Verlauf der gemessenen Signale
festzustellen. Diese einfache und direkte Analyse der gemessenen
Daten ist zuverlässig
und kann bereits mit relativ geringen Anforderungen an die Auswerteeinrichtung
umgesetzt werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß eine solche Analyse vergleichsweise
einfach durchführbar
ist, so daß ein
solches Analyseverfahren ohne großen Aufwand bei einer Vielzahl
von unterschiedlichen Fahrzeugen mit unterschiedlicher Bauweise
eingesetzt werden kann. Auch ist dieses Analyseverfahren sehr robust
gegen Störungen
von außen.
Eine sich im zeitlichen Verlauf der gemessenen Signale abzeichnende
Steigungsänderung
oder eine Unstetigkeitsstelle ist unabhängig von dem Rauschen oder
sonstigen die Qualität
der reflektierten Signale beeinflussenden Maßnahmen. Auch ist eine Erkennung
einer Fahrbahndiskontinuität
in dem zeitlichen Verlauf der Signale, beispielsweise durch eine
Schwellwertdetektion, besonders einfach und zuverlässig möglich.
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Für eine wirkungsvolle
vorausschauende Steuerung der Dämpfung
ist es vorteilhaft, daß die Messung
der Kenngrößen kontinuierlich
oder zeitdiskret vorgenommen wird. Der zeitliche Abstand zwischen
den Meßvorgängen bei
der zeitdiskreten Messung kann sich nach der Fahrzeuggeschwindigkeit richten.
Je schneller das Fahrzeug fährt,
umso größer ist
der räumliche
Abstand zwischen zwei Messungen, wenn der zeitliche Abstand konstant
ist. Um bei einer zeitdiskreten Messung also einen gleichen räumlichen
Abstand zwischen den Messungen zu erzielen, ist es also erforderlich,
den zeitlichen Abstand zwischen den Messungen zu verkürzen.
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Günstiger
Weise werden zur Messung Signale aus einem Zwischenfrequenzbereich
ausgewählt.
Die Messung erfolgt nicht im hochfrequenten Bereich (RF), sondern
auf der Ausgangsseite des Quadraturmischers im Zwischenfrequenzbereich (IF).
Die Amplitude der dort gemessenen Spannung hängt von der Entfernung zwischen
reflektierendem Objekt und Radareinrichtung ab. Die Amplitude ist umgekehrt
proportional zur vierten Potenz der Entfernung.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Einstellung der Dämpfung in
einem Kraftfahrzeug gelöst
einer Meßeinrichtung für die Beschaffenheit
des Fahrweges in einem von dem Kraftfahrzeug beabstandeten Bereich,
einem Generator, der mit der Meßeinrichtung
verbunden aus der Messung ein Steuersignal generiert und mit einer
auf das Steuersignal ansprechenden Steuereinrichtung für die Dämpfung des
Fahrwerks verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung ein Verzögerungselement
aufweist, das die Einstellung der Dämpfung abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit
derart verzögert,
daß die
eingestellte Dämpfung der
aktuellen Fahrbahnbeschaffenheit entspricht.
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Die
Meßeinrichtung
weist eine Radareinrichtung auf, wobei die gemessenen Signale als
Funktion der Zeit zur Bestimmung der Fahrwegbeschaffenheit analysiert
werden und Unregelmäßigkeiten
im Fahrweg durch Knicke und Unstetigkeitsstellen im zeitlichen Verlauf
der gemessenen Signale festgestellt werden. Die Radareinrichtung
beinhaltet einen Sender und einen darauf abgestimmten Empfänger. Dabei
wird die Fahrwegbeschaffenheit durch den Empfang der reflektierten
Strahlen mit der Antenne des Empfängers gemessen.
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Bevorzugt
wird die Radareinrichtung in einem vorderen Bereich des Kraftfahrzeuges
angeordnet. Hierdurch wird senden und empfangen des Radarsignals
wenig durch das Kraftfahrzeug selber gestört.
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Insbesondere
kann bei einer im vorderen Bereich angeordneten Radareinrichtung
diese an einem vorderen Stoßfänger angeordnet
sein. Eine solche Befestigung der Radareinrichtung ist leicht zugänglich und
kann auch ohne großen
Aufwand nachgerüstet
werden.
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Zweckmäßigerweise
ist die Radareinrichtung, deren Richtcharakteristik eine Hauptstrahlungskeule
aufweist, so angeordnet, daß die
Längsrichtung
der Hauptstrahlungskeule gegenüber
der Fahrzeuglängsachse
zur Fahrwegoberfläche
hin geneigt ist. Hierdurch wird verstärkt ein Bereich auf der Fahrwegoberfläche erfaßt, wodurch
Einflüsse,
beispielsweise von Hindernissen am Fahrwegrand, Leitplanken oder
dergleichen, weitestgehend ausgeschaltet werden.
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Bei
der rechtzeitigen Einstellung der Dämpfung hat es sich als besonders
vorteilhaft erwiesen, wenn die Hauptstrahlungskeule den Fahrweg
in einem Bereich erfaßt,
der in Fahrtrichtung vor dem Kraftfahrzeug liegt und soweit von
dem Kraftfahrzeug beabstandet ist, daß bei einer vorgegebenen maximalen
Fahrzeuggeschwindigkeit die Zeitspanne bis zum Erreichen dieses
Bereichs größer als
die zur Verarbeitung und zum Einstellen der Dämpfungskraft erforderliche
Zeitspanne ist. Die Zeitspanne zum Einstellen der Dämpfungskraft
ist durch die Art der verwendeten Dämpfung vorbestimmt; ebenfalls
ist sie durch die Verarbeitungszeit des gemessenen Signals zu einem
Steuersignal bestimmt. Je schneller die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges
umso kürzer
die Zeitspanne die zum Einstellen der Dämpfung verbleibt. Die Ausrichtung
der Hauptstrahlungskeule erfolgt demnach zweckmäßigerweise so, daß ein Bereich
des Fahrweges erfaßt
wird, der weit genug vom Fahrzeug beabstandet ist. Mit zunehmendem
Abstand wird jedoch die Auflösung
schlechter, so daß es
sich als vorteilhaft erwiesen hat, eine vorgegebene Maximalgeschwindigkeit
zu wählen
und eine Ausrichtung der Radareinrichtung anhand dieser vorzunehmen.
Diese vorgegebene Maximalgeschwindigkeit kann von der mit dem Kraftfahrzeug
erreichbaren Maximalgeschwindigkeit unabhängig sein, insbesondere kann
sie deutlich geringer als diese sein.
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Die
Zeichnung veranschaulicht eine im vorderen Bereich eines Kraftfahrzeuges
angeordnete Radareinrichtung, hierbei zeigt:
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1 den
vorderen Bereich eines Kraftfahrzeuges in einer Seitenansicht und
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2 den
vorderen Bereich eines Kraftfahrzeuges in einer Ansicht von oben.
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Als
Radar-Frontend dient eine planare phased-array Antenne, die beliebig
an den Oberflächen
im vorderen und unteren Bereich 1 des Fahrzeuges 2 positioniert
werden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese im
vorderen Bereich angeordnet. Bei der Anordnung der Antenne ist deren
Position im Bezug auf die y-Achse beliebig. Die Hauptstrahlungskeule
der Richtcharakteristik der Antenne ist durch eine amplituden- und
phasenrichtige Ansteuerung sämtlicher
Einzelstrahlen auf die Fahrbahn gerichtet. Dabei ist die Antenne
so ausgerichtet, daß das
Maximum der Hauptstrahlungskeule im Abstand x den Fahrweg vor dem
Fahrzeug berührt.
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Der
Abstand x hängt
dabei u. a. von der Rechengeschwindigkeit des Radar-Frontends ab.
Dabei gilt, daß je
schneller die gemessenen Signale durch das Radar-Frontend ausgewertet
werden und daß je kleiner
die Fahrzeuggeschwindigkeit ist, desto kleiner kann x gewählt werden.
Die Höhe
H des Radar-Frontends über
dem Fahrweg 3, also in z-Richtung der 1,
und der Neigungswinkel a der Längsrichtung
der Hauptstrahlungskeule sind mit dem Abstand x über die trigonometrische Gleichung:
H = x tan a verknüpft.
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Die
Erkennung der Fahrwegbeschaffenheit erfolgt anhand der Stärke des
durch den Fahrweg reflektierten Signals. Das reflektierte Signal
wird gemessen. Die Messung erfolgt nicht im hochfrequenten Bereich
RF des Radar-Frontends. Vielmehr werden die Signale in einem Zwischenfrequenzbereich IF
gemessen. Die Messung erfolgt auf der Ausgangsseite des Quadraturmischers.
Dort wird durch die Antenne die Amplitude der Spannung UIF gemessen. Je höher UIF um
so näher
das reflektierende Objekt. Die Spannung UIF wird über die
Zeit aufgezeichnet, so kann aus den Sprüngen und Unregelmäßigkeiten
im UIF-Zeitdiagramm auf Fahrwegdiskontinuitäten oder -unebenheiten
geschlossen werden. Hierzu können verschiedene
im Stand der Technik bekannte Auswertealgorithmen eingesetzt werden.
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Die
Dauer der Fahrbahnerkennung hängt von
den Kennwerten des Radars, insbesondere Frequenz, Impulswiederholrate,
Entfernungsauflösung und
Eindeutigkeitsbereich, ab. Hinzu kommt die Geschwindigkeit, die
zum Auswerten und Generieren der Steuersignale erforderlich ist
und die von der Rechengeschwindigkeit abhängt. Typische Reaktionszeiten,
die mit heutiger Standardtechnolgie für die Auswertung erzielt werden
können,
liegen bei 10 bis 20 ms. In dieser Zeitspanne legt ein Kraftfahrzeug
bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h eine Strecke von ungefähr 3 bis
6 cm zurück.
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Die
Bewegung des Fahrzeugs wirkt sich dabei in mehreren Punkten auf
die Erkennung und die Dämpfung
aus. Zunächst
gilt: Je höher
die Fahrzeuggeschwindigkeit, desto geringer ist die Anzahl der Meßpunkte
pro Wegstrecke. Ein weiterer Aspekt ist, daß die Fahrwerkdynamik, insbesondere
das Ein- und Ausfedern der Radaufhängungen, zu einem unterschiedlichen
Abstand von der Fahrwegoberfläche führt. Eine
solche Veränderung
bewirkt, eine veränderte
Signalstärke
des reflektierten Signals. Durch die Relativbewegung des Radars
gegenüber
der Fahrwegoberfläche
auftretende Schwankungen müssen
bei der Analyse der Daten mitberücksichtigt werden.
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Die
Steuerung der Dämpfung
kann im wesentlichen elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch in
an sich bekannter Weise erfolgen werden. Lediglich einzuhalten ist
dabei eine kurze Reaktionszeit der Dämpfung auf die Steuersignale.
Dabei ist es erstrebenswert Dämpfungen
und Steuereinrichtungen für
die Dämpfung
mit Regelzeiten von 30 ms zu verwenden. Beim Einstellen der Dämpfungskraft
ist ebenfalls die Fahrzeuggeschwindigkeit und die damit verbundenen
Anforderungen an die Dämpfung
zu berücksichtigen.