DE19962687A1 - Determining angular acceleration of body, especially motor vehicle, about axis enables simple, reliable detection of vehicle rollover - Google Patents

Determining angular acceleration of body, especially motor vehicle, about axis enables simple, reliable detection of vehicle rollover

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Abstract

The method involves detecting two mutually parallel accelerations at two separate fixed vehicle points (P0,P1) with a separation distance having a component perpendicular to the rotation axis. The accelerations are also parallel to the rotation axis and to the separating line. The angular acceleration is derived from the difference between the linear accelerations and the distance component perpendicular to the rotation axis.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Winkelbeschleunigung eines um eine vorbestimmte Drehachse drehenden Körpers, insbesondere eines um seine Längsachse drehenden Kraftfahrzeugs.The invention relates to a method and a system for Determine the angular acceleration by a predetermined one Axis rotating body, especially one around its Longitudinal axis rotating motor vehicle.

Passive Sicherheitssysteme in Kraftfahrzeugen sind zunehmend so ausgelegt, daß bei einem Überschlag des Kraftfahrzeugs be­ stimmte Sicherheitsmittel ausgelöst werden, wie Überrollbü­ gel, Airbags für den Kopfbereich usw. Für eine möglichst gute Wirksamkeit dieser für eine Überschlag vorgesehenen Insassen­ schutzmittel ist eine sichere Erkennung eines Überschlags Voraussetzung. Dazu muß der Lagewinkel des Kraftfahrzeugs be­ kannt sein. Auch die Kenntnis der Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs, speziell die Winkelgeschwindigkeit, mit der es sich um seine Längsachse dreht, ist für die Erkennung eines Überschlags von Interesse.Passive safety systems in motor vehicles are increasing designed so that when the vehicle rolls over agreed security means are triggered, such as rollover gel, airbags for the head area etc. For the best possible Effectiveness of these inmates intended for a rollover protective means is a reliable detection of a rollover Requirement. For this, the position angle of the motor vehicle must be be known. Knowing the angular velocity of the Vehicle, specifically the angular velocity at which it rotates about its longitudinal axis is one for the recognition Rollover of interest.

Bisherige Systeme, z. B. zur Auslösung eines Überrollbügels, verwenden eine Art Pendelsensor zur Bestimmung der Fahrzeug­ neigung bzw. des Lagewinkels. Ein solcher Pendelsensor ist empfindlich gegenüber Querbeschleunigungen, wie z. B. Kurven­ fahrten, so daß ein Überschlag damit nicht in jedem Fall si­ cher erkannt werden kann.Previous systems, e.g. B. to trigger a roll bar, use a kind of pendulum sensor to determine the vehicle inclination or the position angle. Such a pendulum sensor is sensitive to lateral accelerations, such as. B. curves drove, so that a rollover is not in every case can be recognized.

Alternativ werden spezielle Winkelgeschwindigkeitssensoren in unterschiedlicher Technologie eingesetzt, die eine direkte Messung der Winkelgeschwindigkeit erlauben. Der Lagewinkel kann dann durch Integration der Winkelgeschwindigkeit ermit­ telt werden. Neben solchen Winkelgeschwindigkeitssensoren, bzw. Gyroskopen, deren Aufbau verhältnismäßig kompliziert ist, wird die zusätzliche Verwendung eines Sensors für die Fahrzeugquerbeschleunigung vorgeschlagen.Alternatively, special angular velocity sensors are used in different technologies used that are direct Allow measurement of angular velocity. The attitude angle can then mitit by integrating the angular velocity be communicated. In addition to such angular velocity sensors, or gyroscopes, the structure of which is relatively complicated  is the additional use of a sensor for the Proposed lateral acceleration.

Bekannt ist, zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung eines drehbaren Körpers an dem Körper lineare Beschleunigungssenso­ ren anzubringen und aus deren Ausgangssignalen die Winkelbe­ schleunigung um die jeweilige Drehachse zu errechnen. Eine solche vorbekannte Anordnung, die weiter unten anhand Fig. 3 erläutert werden wird, erfaßt insgesamt neun lineare Be­ schleunigungen und wäre bei einer Anwendung in einem Kraft­ fahrzeug beispielsweise zur Überschlagerkennung mit erhebli­ chem Montage- und Verkabelungsaufwand verbunden.It is known for determining the angular acceleration of a rotatable body to attach linear acceleration sensors to the body and to calculate the angular acceleration about the respective axis of rotation from their output signals. Such a known arrangement, which will be explained below with reference to FIG. 3, detects a total of nine linear accelerations Be and would be connected to erhebli chem assembly and wiring effort in an application in a motor vehicle for example for rollover detection.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zu schaffen, mit dem ein Fahrzeugüberschlag in einfacher Weise sicher sensiert werden kann.The invention has for its object a method and to create a system with which a vehicle rollover in can easily be sensed safely.

Der auf das Verfahren gerichtete Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The part of the invention task directed to the method is solved with the features of claim 1.

Danach kann mit lediglich zwei unidirektionalen Beschleuni­ gungssensoren die Winkelbeschleunigung für die Überschlager­ kennung bestimmt werden. Aus der Winkelbeschleunigung kann durch Integration die Winkelgeschwindigkeit und daraus wie­ derum durch Integration der Lagewinkel des Fahrzeugs bestimmt werden.After that, with only two unidirectional accelerations angular acceleration for the overlap identifier can be determined. From the angular acceleration can by integrating the angular velocity and how determined by integrating the position angle of the vehicle become.

Der Anspruch 2 ist auf eine Weiterbildung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens gerichtet, mit dem durch Messung von lediglich vier linearen Beschleunigungen die Winkelbeschleunigung sehr genau ermittelt werden kann.The claim 2 is a further development of the invention ß procedure directed by measuring only four linear accelerations the angular acceleration very much can be determined exactly.

Der Anspruch 3 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau eines ersten Systems zur Lösung des diesbezüglichen Teils der Er­ findungsaufgabe, das mit den Merkmalen der Ansprüche 4 und 5 weitergebildet wird. The claim 3 characterizes the basic structure of a first system to solve the relevant part of the Er invention task with the features of claims 4 and 5 is trained.  

Der Anspruch 6 kennzeichnet ein weiteres System zur Lösung des auf ein System gerichteten Teils der Erfindungsaufgabe.Claim 6 characterizes another system for the solution the system-oriented part of the object of the invention.

Die Erfindung kann überall dort eingesetzt werden, wo der La­ gewinkel eines um eine vorbestimmte Achse drehbaren Körpers erkannt werden muß. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für die Überschlag-Erkennung von Kraftfahrzeugen gemäß dem Anspruch 7 einsetzbar, aber auch für die Bestimmung eines Gierwinkels oder einer Gierwinkelgeschwindigkeit des Kraft­ fahrzeugs.The invention can be used wherever the La angle of a body rotatable about a predetermined axis must be recognized. The invention is particularly advantageous for rollover detection of motor vehicles according to the Claim 7 can be used, but also for the determination of a Yaw rate or a yaw rate of the force vehicle.

Der Einsatz im Kraftfahrzeug ist unter anderem deshalb beson­ ders vorteilhaft, weil bereits vorhandene Sensoren beispiels­ weise zur Crash-Erkennung, zur Fahrdynamik-Regelung oder zur Fahrwerk-Regelung verwendet werden können.The use in the motor vehicle is therefore special, among other things advantageous because existing sensors, for example as for crash detection, driving dynamics control or Chassis control can be used.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeich­ nungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläu­ tert.The invention is based on the schematic drawing for example and with further details tert.

Es stellen dar:They represent:

Fig. 1 ein Kraftfahrzeug zur Erläuterung von Bezugssyste­ men für Bewegungsgleichungen, Fig. 1 shows a motor vehicle for explaining Bezugssyste men for equations of motion,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Sicherheitseinrichtung, für die die Erfindung verwendbar ist, Fig. 2 is a block diagram of a safety device, for which the invention is useful

Fig. 3 eine an sich bekannte Sensoranordnung, Fig. 3 a known sensor arrangement,

Fig. 4 bis 6 verschiedene erfindungsgemäße Sensoranordnungen und FIGS. 4 to 6 different sensor arrangements according to the invention and

Fig. 7 bis 10 Kurven zur Erläuterung der Wirksamkeit der Erfin­ dung. Fig. 7 to 10 curves to explain the effectiveness of the inven tion.

Gemäß Fig. 1 ist in einem Kraftfahrzeug ein Kraftfahrzeug­ festes Koordinatensystem mit einer Achse xk in Fahrzeuglängs­ richtung, einer Achse yk in Fahrzeugquerrichtung und einer Achse zk in Fahrzeughochrichtung definiert. Außerhalb des Kraftfahrzeugs ist ein stationäres, erdfestes Bezugssystem mit dem Achsen xe, ye und ze definiert. Der Ursprung des fahr­ zeugfesten Koordinatensystems ist mit dem Ursprung des erd­ festen Koordinatensystems über einen Vektor verbunden. Ein fahrzeugfester Ort P ist mit dem Ursprung des fahrzeugfesten Koordinatenssystems über den Vektor verbunden.Referring to FIG. 1, a motor vehicle fixed coordinate system with one axis is in a motor vehicle x k in the vehicle longitudinal direction, an axis y k in the vehicle transverse direction and an axis z k in the vehicle vertical direction defined. Outside the motor vehicle, a stationary, earth-proof reference system with the axes x e , y e and z e is defined. The origin of the vehicle-fixed coordinate system is connected to the origin of the earth-fixed coordinate system via a vector. A vehicle-fixed location P is connected to the origin of the vehicle-fixed coordinate system via the vector.

Will man die Bewegung des Fahrzeugs erfassen, so sind die Be­ wegungsgrößen in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem zu bestimmen. Für die Beschleunigung an einem beliebigen Punkt P gilt allgemein:
If you want to record the movement of the vehicle, you have to determine the movement values in the vehicle-fixed coordinate system. The following generally applies to acceleration at any point P:

dabei bedeuten:
Erdbeschleunigung,
Beschleunigung des Ursprungs des fahrzeugfesten Koordi­ natensystems,
Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs, und
P Lagevektor des Punktes P im fahrzeugfesten Koordinaten­ system.mean:
Gravitational acceleration,
Acceleration of the origin of the vehicle-fixed coordinate system,
Angular velocity of the vehicle, and
P position vector of point P in the vehicle-fixed coordinate system.

Geht man davon aus, daß ein Sensor in dem Punkt P des Fahr­ zeugs fest montiert ist und daß sich das Fahrzeug näherungs­ weise wie ein starrer Körper verhält, so werden die Terme und annähernd Null. Mit dieser Annahme und der Abkürzung = + erhält man für die im Fahrzeug meßbaren Beschleu­ nigungen am Punkt P eines Sensors:
Assuming that a sensor in the point P of the vehicle is permanently mounted and that the vehicle behaves approximately as a rigid body, the terms and become almost zero. With this assumption and the abbreviation = + you get for the accelerations measurable in the vehicle at point P of a sensor:

Dabei handelt es sich um ein dreidimensionales, nicht linea­ res Differentialgleichungssystem, das weder analytisch noch numerisch allgemein lösbar ist.It is a three-dimensional, not linear res system of differential equations that is neither analytical nor is generally numerically solvable.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Fahrzeugsicherheits­ systems, für das die Erfindung verwendbar ist. Fig. 2 shows a block diagram of a vehicle safety system for which the invention can be used.

Gemäß Fig. 2 sind an verschiedenen Stellen eines Kraftfahr­ zeugs eingebaute Beschleunigungssensoren P1, P2, P3 und P4 mit einem Steuergerät 2 verbunden, das ein Insassenschutzmit­ tel 4, beispielsweise einen Überrollbügel, ansteuert. Dazu enthält das Steuergerät 2, das in an sich bekannter Weise ei­ nen Mikroprozessor mit zugehörigen Speichereinrichtungen um­ faßt, funktional eine Auswerteeinheit 6, die die Ausgangssig­ nale der Beschleunigungssensoren auswertet. Mit dem Steuerge­ rät 2 können mehrere unterschiedliche Insassenschutzmittel verbunden sein, beispielsweise in dem Fahrzeug angeordnete Airbags, Gurtstraffer usw.According to Fig. 2, at various locations of a motor driving zeugs built acceleration sensors P1, P2, P3, and P4 connected to a control unit 2, the tel 4, for example, a roll bar drives a Insassenschutzmit. For this purpose, the control unit 2 , which includes a microprocessor with associated memory devices in a manner known per se, functionally includes an evaluation unit 6 which evaluates the output signals of the acceleration sensors. With the Steuerge advises 2 several different occupant protection devices can be connected, for example airbags arranged in the vehicle, belt tensioners etc.

Die Ausgangssignale der Beschleunigungssensoren P1 bis P4 werden nach vorbestimmten Algorithmen verarbeitet, um daraus Steuersignale zum Ansteuern des Insassenschutzmittels zu er­ rechnen.The output signals of the acceleration sensors P1 to P4 are processed according to predetermined algorithms to get from it Control signals to control the occupant protection means to he count.

Im folgenden wird zunächst eine an sich bekannte Anordnung von Sensoren zusammen mit einem Auswertealgorithmus erläu­ tert:
Gemäß Fig. 3 ist ein Sensor P0 derart ausgebildet und im Fahrzeug angeordnet, daß er für lineare Beschleunigungen emp­ findlich ist und an seinem Ausgang Beschleunigungssignale liefert, die einer Beschleunigung ax0 in Fahrzeuglängsrich­ tung, einer Beschleunigung ay0 in Fahrzeugquerrichtung und einer Fahrzeugbeschleunigung az0 in Fahrzeughochrichtung ent­ spricht. Der Beschleunigungssensor P0 kann dazu drei unidi­ rektionale Sensoren mit entsprechenden Empfindlichkeitsrich­ tungen haben; die drei Signale können auch von einem einzigen tridirektionalen Sensor erzeugt werden, der drei Ausgänge hat oder mit einem elektronischen Baustein versehen ist, der die Ausgangssignale als digitale Daten liefert. Als Sensoren kön­ nen beispielsweise mikromechanische oder piezoelektrische Sensoren verwendet werden, wie sie als Crash-Sensoren in Kraftfahrzeugen im Einsatz sind.In the following, an arrangement of sensors known per se is first explained together with an evaluation algorithm:
Referring to FIG. 3, a sensor P0 is arranged so formed and in the vehicle that he emp for linear accelerations is insensitive and provides at its output acceleration signals tung an acceleration a x0 in the vehicle longitudinal Rich, an acceleration a y0 in the vehicle transverse direction and a vehicle acceleration a z0 speaks in the vehicle vertical direction. For this purpose, the acceleration sensor P0 can have three unidirectional sensors with corresponding sensitivity directions; the three signals can also be generated by a single tridirectional sensor which has three outputs or is provided with an electronic module which supplies the output signals as digital data. For example, micromechanical or piezoelectric sensors such as are used as crash sensors in motor vehicles can be used as sensors.

In Querrichtung um die Strecke r1 von dem Beschleunigungssen­ sor P0 entfernt ist ein Beschleunigungssensor P1 angeordnet, der ein Beschleunigungssignal ax1 bezüglich einer Beschleuni­ gung in Fahrzeuglängsrichtung und ein Beschleunigungssignal az1 bezüglich einer Beschleunigung in Fahrzeughochrichtung liefert.In the transverse direction by the distance r 1 from the acceleration sensor P0, an acceleration sensor P1 is arranged, which delivers an acceleration signal a x1 with respect to an acceleration in the vehicle longitudinal direction and an acceleration signal a z1 with respect to an acceleration in the vehicle vertical direction .

In Fahrzeuglängsrichtung in einem Abstand r2 von dem Be­ schleunigungssensor P0 entfernt ist ein Beschleunigungssensor P2 angeordnet, der ein Querbeschleunigungssignal ay2 und ein Hochbeschleunigungssignal az2 liefert.In the longitudinal direction of the vehicle at a distance r 2 from the acceleration sensor P0, an acceleration sensor P2 is arranged, which delivers a lateral acceleration signal a y2 and a high acceleration signal a z2 .

Über dem Beschleunigungssensor P0 ist im Abstand r3 ein Be­ schleunigungssensor P3 angeordnet, der ein Beschleunigungs­ signal ax3 liefert, das einer Beschleunigung in Fahrzeuglängs­ richtung entspricht, und ein Beschleunigungssignal ay3 lie­ fert, das einer Fahrzeugbeschleunigung in Fahrzeugquerrich­ tung entspricht.Above the acceleration sensor P0, an acceleration sensor P3 is arranged at a distance r 3 , which delivers an acceleration signal a x3 , which corresponds to an acceleration in the longitudinal direction of the vehicle, and an acceleration signal a y3, which corresponds to a vehicle acceleration in the transverse direction of the vehicle.

Wie ersichtlich, befinden sich die Beschleunigungssensoren P0, P1 und P3 in einer auf der Fahrzeuglängsrichtung senk­ recht stehenden Ebene, die Beschleunigungssensoren P0, P1 und P2 in einer quer zur Hochrichtung verlaufenden Ebene, und die Beschleunigungssensoren P0, P2 und P3 in einer quer zur Brei­ tenrichtung verlaufenden Ebene.As can be seen, the acceleration sensors are located Lower P0, P1 and P3 in a vehicle longitudinal direction right standing plane, the acceleration sensors P0, P1 and P2 in a plane perpendicular to the vertical direction, and the Acceleration sensors P0, P2 and P3 in one across the slurry direction extending plane.

Für die Anordnung der Beschleunigungssensoren gemäß Fig. 3 ergibt sich durch Einsetzen der Sensorpositionen in die Glei­ chung 1 folgender Zusammenhang:
For the arrangement of the acceleration sensors according to FIG. 3, the following relationship is obtained by inserting the sensor positions in equation 1:

Wie ersichtlich, können durch Messung der linearen Beschleu­ nigungen a mit den bekannten Abständen r1, r2 und r3 die Dreh­ beschleunigungen x, y und z um die drei Achsen des fahr­ zeugfesten Koordinatensystems x, y und z bestimmt werden.As can be seen, the rotational accelerations x , y and z about the three axes of the vehicle-fixed coordinate system x, y and z can be determined by measuring the linear accelerations a with the known distances r 1 , r 2 and r 3 .

Voraussetzung für eine ausreichend genaue Bestimmung ist al­ lerdings eine exakte Montage, vor allem bezüglich der lotge­ rechten Ausrichtung der Sensoren.A prerequisite for a sufficiently precise determination is al but an exact assembly, especially with regard to the lotge right alignment of the sensors.

Durch Integration der Winkelbeschleunigungen können die Win­ kelgeschwindigkeiten und durch deren Integration wiederum die Winkel berechnet werden, so daß, ausgehend von einer vorbe­ kannten Lage des Fahrzeugs, dessen jeweilige Lage bestimmt werden kann und ein Insassenschutzmittel, beispielsweise ein Überrollbügel, ausgelöst werden kann, wenn beispielsweise ein vorbestimmter Lagewinkel erreicht wird und gleichzeitig die Winkelgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert hat.By integrating the angular accelerations, the Win velocities and, through their integration, the Angles are calculated so that, starting from a vorbe known position of the vehicle, the respective position of which determines can be and an occupant protection device, for example a Roll bar, can be triggered if, for example, a predetermined position angle is reached and at the same time the Angular velocity has a predetermined value.

Die Erfindung macht sich zunutze, daß bei einem Überschlag bzw. einem Rollover eines Fahrzeugs in erster Linie eine Dre­ hung um die Fahrzeuglängsachse (x-Achse) relevant ist. Im folgenden wird nur die Drehung um die x-Achse als Drehachse betrachtet:
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäß vereinfachte Sensoranord­ nung, bei der der Beschleunigungssensor P2 der Fig. 3 völlig fehlt, der Beschleunigungssensor P0 nur Ausgangssignale lie­ fert, die einer Fahrzeugbeschleunigung az0 in Hochrichtung und einer Fahrzeugbeschleunigung ay0 in Querrichtung entspre­ chen, der Beschleunigungssensor P1 nur ein Ausgangssignal liefert, das der Fahrzeugbeschleunigung az1 in Hochrichtung entspricht, und der Beschleunigungssensor P3 nur ein Aus­ gangssignal liefert, das der Fahrzeugbeschleunigung ay3 in Querrichtung entspricht.The invention makes use of the fact that, in the event of a rollover or rollover of a vehicle, primarily a rotation around the vehicle's longitudinal axis (x-axis) is relevant. In the following only the rotation around the x-axis is considered as the axis of rotation:
Fig. 4 shows a simplified sensor arrangement according to the invention, in which the acceleration sensor P2 of FIG. 3 is completely absent, the acceleration sensor P0 only delivers output signals that correspond to a vehicle acceleration a z0 in the vertical direction and a vehicle acceleration a y0 in the transverse direction, the acceleration sensor P1 only provides an output signal which corresponds to the vehicle acceleration a z1 in the vertical direction, and the acceleration sensor P3 only provides an output signal which corresponds to the vehicle acceleration a y3 in the transverse direction.

Die Sensoren der Fig. 4 können somit gegenüber den entspre­ chenden der Fig. 3 vereinfacht ausgebildet sein, oder bei einzelnen Sensorelementen kann deren Anzahl entsprechend ver­ ringert sein. In jedem Fall ist der Bauaufwand erheblich ver­ mindert. Die Sensoren sind beispielsweise piezoelektrische Sensoren, wie sie unter der Bezeichnung Kistler Ty8636C10 im Handel angeboten werden.The sensors of FIG. 4 can thus be simplified compared to the corre sponding of FIG. 3, or the number of individual sensor elements can be reduced accordingly ver. In any case, the construction effort is considerably reduced. The sensors are, for example, piezoelectric sensors, as are commercially available under the name Kistler Ty8636C10.

Aus dem vorstehenden Gleichungssystem (2) bezüglich der Fig. 3 ergibt sich unmittelbar bezüglich der Fig. 4 die folgende Gleichung:
From the above system of equations (2) with respect to FIG. 3, the following equation results directly with respect to FIG. 4:

Somit ist es möglich, die Winkelbeschleunigung ωx um die Längsachse x des Fahrzeugs mit Hilfe eines entsprechenden, in der Auswerteeinheit 2 abgelegten Algorithmus zu berechnen.It is thus possible to calculate the angular acceleration ω x about the longitudinal axis x of the vehicle with the aid of a corresponding algorithm stored in the evaluation unit 2 .

Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Drehung um die x-Achse ergibt sich daraus, daß in die Vektorgleichung (1) ωy = ωz = 0 eingesetzt wird. Für die eindimensionale Bewegung ergibt sich daraus, komponentenweise geschrieben, das folgen­ de Gleichungssystem:
Another possibility for determining the rotation about the x-axis results from the fact that ω y = ω z = 0 is used in the vector equation (1). For the one-dimensional movement, the following system of equations results, written in components:

Wählt man nun erfindungsgemäß die Sensorpositionen derart, daß rPz = 0 oder rPy = 0, so kann eine Information über die Drehung um die x-Achse aus x oder aus ω2 x erhalten werden. Soll die Richtungsinformation bewahrt bleiben, muß x be­ stimmt werden. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von zwei Sensoren P0 und P1 mit Empfindlichkeiten nur in z-Richtung, die gemäß Fig. 5 angeordnet sind, kann az durch die Diffe­ renzbildung eliminiert werden und man erhält:
If, according to the invention, the sensor positions are selected such that r Pz = 0 or r Py = 0, information about the rotation about the x axis can be obtained from x or from ω 2 x . If the direction information is to be preserved, x must be determined. By using two sensors P0 and P1 according to the invention with sensitivities only in the z direction, which are arranged according to FIG. 5, a z can be eliminated by the difference formation and one obtains:

az1 - az0 = x.r1 (5)a z1 - a z0 = x .r 1 (5)

Wenn dagegen die Voraussetzung ωy = ωz = 0 nicht erfüllt ist, erhält man aus dem Gleichungssystem (1) allgemein:
If, on the other hand, the requirement ω y = ω z = 0 is not fulfilled, the following results from the system of equations (1):

az1 - az0 = (x + ωyωz).r1 (6)a z1 - a z0 = ( x + ω y ω z ) .r 1 (6)

Man erkennt, daß das Produkt aus Nick- und Gierrate ωy.ωz als Störterm für die Berechnung von x auftritt. In der Pra­ xis ist jedoch ωy eine annähernd mittelwertfreie Größe, so daß der Fehler durch diesen Produktterm klein ist.It can be seen that the product of pitch and yaw rate ω y .ω z occurs as a disturbance term for the calculation of x . In practice, however, ω y is an approximately mean-free variable, so that the error caused by this product term is small.

Für eine eindimensionale Drehung um die x-Achse lassen sich dann die Winkelgeschwindigkeit und der Lagewinkel durch In­ tegration von x bestimmen, d. h.:
For a one-dimensional rotation around the x-axis, the angular velocity and the position angle can then be determined by integrating x , ie:

Bei der Integration von x werden auch überlagerte Fehler mit aufintegriert, so daß Fehler in der x-Bestimmung mög­ lichst vermieden werden müssen.When integrating x , superimposed errors are also integrated, so that errors in the x determination must be avoided as far as possible.

In der Praxis wird durch die aufkummulierten Fehler keine langzeitstabile Schätzung von ωx und Φ möglich sein. Da die Bestimmung von ωx und Φ jedoch nur während kritischer Fahr­ situationen, in denen eine Überschlaggefahr besteht, von In­ teresse ist, ist eine solche Langzeitstabilität bzw. lang­ zeitstabile Schätzung nicht notwendig. Es ist vielmehr mög­ lich, die Schätzung auf kurze relevante Zeitbereiche zu be­ schränken, in denen auch die aufintegrierten Fehler be­ schränkt bleiben.In practice, the accumulated errors will not make it possible to estimate ω x and Φ with long-term stability. However, since the determination of ω x and nur is only of interest during critical driving situations in which there is a risk of rollover, such long-term stability or long-term stable estimation is not necessary. Rather, it is possible to limit the estimate to short relevant time periods in which the integrated errors remain limited.

Aus den vorstehend genannten Gründen müssen Fehler bei der x-Bestimmung möglichst vermieden werden. Die Ursache dieser Fehler liegt beispielsweise in der Montage der Sensoren im Fahrzeug, deren Genauigkeit begrenzt ist. In der Praxis ist es kaum möglich, die Sensoren im Fahrzeug mit exakt vorgege­ bener Ausrichtung zu montieren. Die daraus resultierenden Folgen für die x-Bestimmung sind in Fig. 7 dargestellt.For the reasons mentioned above, errors in the x determination must be avoided as far as possible. The cause of these errors is, for example, the mounting of the sensors in the vehicle, the accuracy of which is limited. In practice, it is hardly possible to mount the sensors in the vehicle with a precisely specified orientation. The resulting consequences for the x determination are shown in FIG. 7.

Die linke Ordinate zeigt die Winkelbeschleunigung in Grad/s2; die rechte Ordinate die lineare Beschleunigung in m/s2. Die Abszisse zeigt die Zeit in Sekunden.The left ordinate shows the angular acceleration in degrees / s 2 ; the right ordinate is the linear acceleration in m / s 2 . The abscissa shows the time in seconds.

Die oberste Kurve gibt die Beschleunigung in y-Richtung ay; die mittlere Kurve stellt den geschätzten bzw. errechneten Wert der Winkelbeschleunigung x dar. Die unterste Kurve stellt die tatsächliche bzw. Referenzbeschleunigung x dar. Wie ersichtlich, führt die Querbeschleunigung ay zu einem deutlichen Fehler in x geschätzt bzw. berechnet, was zu ei­ nem erheblichen Fehler in der errechneten bzw. geschätzten Rollwinkelgeschwindigkeit ωx und des Rollwinkels Φ führen würde. Die Ursache für diese Fehler liegt in einer nicht ex­ akten Ausrichtung der Empfindlichkeitsachsen der Sensoren zu der gewünschten Empfindlichkeitsrichtung. Als Folge dieser Fehlausrichtung besitzt beispielsweise ein in z-Richtung emp­ findlicher bzw. montierter Beschleunigungssensor eine Quer­ empfindlichkeit bezüglich Beschleunigungen in x- und y-Richtung.The top curve gives the acceleration in the y direction a y ; the middle curve represents the estimated or calculated value of angular acceleration is x. The bottom curve represents the actual or reference acceleration is x. As can be seen, the lateral acceleration a y leads to a significant error in x estimated or calculated, resulting egg nem would lead to considerable errors in the calculated or estimated roll angle speed ω x and the roll angle Φ. The cause of these errors is an inexact alignment of the sensitivity axes of the sensors to the desired direction of sensitivity. As a result of this misalignment, for example, an acceleration sensor that is sensitive or installed in the z direction has a cross sensitivity with respect to accelerations in the x and y directions.

Dabei handelt es sich um einen systematischen Fehler, der durch geeignete Maßnahmen kompensiert werden kann. Eine Kor­ rektur des Fehlers ist beispielsweise über je einen zusätzli­ chen linearen Beschleunigungssensor möglich, von denen einer in x- und der andere in y-Richtung empfindlich ist.It is a systematic error that can be compensated for by suitable measures. A cor The error is corrected, for example, by an additional one  Chen linear acceleration sensor possible, one of which is sensitive in the x and the other in the y direction.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine entsprechende erfindungs­ gemäße Sensoranordnung. Der Sensor P0 unterscheidet sich von dem der Fig. 5 dadurch, daß er auch Ausgangssignale bezüglich einer Beschleunigung in x-Richtung ax0 und in y-Richtung ay0 liefert. Fig. 6 shows an example of an appropriate fiction, modern sensor array. The sensor P0 differs from that of FIG. 5 in that it also delivers output signals relating to an acceleration in the x-direction a x0 and in the y-direction a y0 .

Eventuell vorhandene Empfindlichkeitsfehler der nur in eine Richtung empfindlichen Sensorelemente sind bei dieser Anord­ nung für die x-Bestimmung unproblematisch, da Beschleuni­ gungen in z-Richtung näherungsweise mittelwertfreie Größen darstellen. In z-Richtung treten nämlich keine langandauern­ den, großen Beschleunigungen auf.Possibly existing sensitivity errors of the sensor elements, which are only sensitive in one direction, are unproblematic in this arrangement for the x determination, since accelerations in the z direction are approximately mean-free variables. There are no long-term, large accelerations in the z direction.

Statische Einflüsse, z. B. die Änderung der Komponente der Erdbeschleunigung in Sensorrichtung, können durch Differenz­ bildung az1 - az0 eliminiert werden.Static influences, e.g. B. the change in the component of gravitational acceleration in the sensor direction can be eliminated by difference a z1 - a z0 .

Die Position der Kompensationssensorelemente der Fig. 6 mit den Ausgangssignalen ax0 und ay0 ist frei wählbar. Sie kann an die verfügbaren Sensortypen (uniaxial, biaxial oder triaxial) angepaßt werden. In Fig. 6 wird ein uniaxialer Sensor P1 und ein triaxialer Sensor P0 verwendet.The position of the compensation sensor elements of FIG. 6 with the output signals a x0 and a y0 is freely selectable. It can be adapted to the available sensor types (uniaxial, biaxial or triaxial). In FIG. 6, a uniaxial sensor and a triaxial sensor P1 P0 is used.

Bei der Kompensation wird wie folgt vorgegangen:
Wenn mit die aufgrund nicht exakter Ausrichtung der in z-Richtung empfindlichen Sensoren oder sonstige Fehler gemesse­ ne fehlerhafte Winkelbeschleunigung bezeichnet wird und x die wahre Winkelbeschleunigung ist, gilt:
The compensation is carried out as follows:
If the faulty angular acceleration measured due to the inaccurate alignment of the sensors sensitive in the z direction or other errors is denoted and x is the true angular acceleration, the following applies:

= x + cx.ax + cy.ay.= x + c x .a x + c y .a y .

Während der Fahrt des Fahrzeugs werden in Zeitintervallen, in denen der Mittelwert von x Null ist, , ax und ay gemessen und die Konstanten cx und cy, beispielsweise nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, berechnet.While the vehicle is traveling, a x and a y are measured at time intervals in which the mean value of x is zero, and the constants c x and c y are calculated, for example using the method of least squares.

Aus den errechneten Konstanten cx, cy und den gemessenen Grö­ ßen , ax und ay kann dann x errechnet werden.SEN from the calculated constants c x, c y and the measured large, a x and a y can then x is calculated.

Fig. 8 zeigt das Ergebnis der ωx-Schätzung bzw. -Berechnung für eine Rechteckfahrt (abwechselnd Geraden und 90°-Kurven). Die Ordinate zeigt ωx in Grad/s. Die Abszisse gibt die Zeit an. Deutlich sichtbar ist die Drift der geschätzten bzw. be­ rechneten Winkelgeschwindigkeiten ωx ohne die Korrektursen­ soren (obere Kurve). Werden die Korrektursensorelemente der Fig. 6 eingeführt, so stimmt der geschätzte bzw. berechnete Wert ωx mit dem tatsächlichen Wert ωx-Referenz auch über ei­ nen langen Zeitbereich gut überein. Fig. 8 shows the result of ω x -Schätzung or calculation for a square drive is (alternating straight and 90 ° curves). The ordinate shows ω x in degrees / s. The abscissa indicates the time. The drift of the estimated or calculated angular velocities ω x without the correction sensors is clearly visible (upper curve). If the correction sensor elements of FIG. 6 are introduced, then the estimated or calculated value ω x agrees well with the actual value ω x reference even over a long time range.

Fig. 9 zeigt für einen tatsächlichen Rollover bzw. Überschlag die gute Übereinstimmung der tatsächlichen Winkelbeschleuni­ gung ωx-Referenz mit der geschätzten bzw. berechneten Win­ kelbeschleunigung bei der Anordnung gemäß Fig. 6. Fig. 9 shows for an actual rollover or rollover the good agreement of the actual angular acceleration ω x reference with the estimated or calculated angular acceleration in the arrangement according to FIG. 6.

Fig. 10 zeigt die gute Übereinstimmung des tatsächlichen mit dem geschätzten bzw. berechneten Rollwinkel. Die Werte stim­ men jeweils, insbesondere in der Anfangsphase (bis zum Errei­ chen des statischen Kippwinkels), sehr gut überein. Im weite­ ren Verlauf eines Überschlags, beispielsweise beim Aufschla­ gen auf die Fahrzeugseite oder das Dach, kann es zu Fehlern kommen. Der Term ωx.ωz in Gleichung (6) kann beispielswei­ se bei auf dem Dach liegenden Fahrzeug merklich in Erschei­ nung treten. In Fig. 10 ist der Bereich bis zu t = 2,8 s von Interesse, da das Fahrzeug dann bereits einen Rollwinkel von Φ = 80° erreicht hat. Fig. 10 shows the good correspondence of the actual and estimated or calculated roll angle. The values match each other very well, especially in the initial phase (until the static tilt angle is reached). Errors can occur in the course of a rollover, for example when hitting the side of the vehicle or the roof. The term ω x .ω z in equation (6) can, for example, noticeably appear in the vehicle lying on the roof. In Fig. 10 the range up to t = 2.8 s is of interest since the vehicle has already reached a roll angle of Φ = 80 °.

Es versteht sich, daß die Sensoren vorteilhafterweise mög­ lichst weit von der Längswinkelachse des Fahrzeugs entfernt angeordnet werden; dies ist jedoch nicht zwingend, da vorwie­ gend Differenzsignale verarbeitet werden.It is understood that the sensors are advantageously possible As far as possible from the longitudinal axis of the vehicle to be ordered; however, this is not mandatory as before Differential signals are processed.

Claims (7)

1. Verfahren zum Bestimmen der Winkelbeschleunigung eines um eine vorbestimmte Drehachse drehenden Körpers, insbesonde­ re eines um seine Längsachse drehenden Kraftfahrzeugs, bei welchem Verfahren an zwei mit einer Komponente senkrecht zur Drehachse voneinander entfernten körperfesten Orten in einem körperfesten Koordinatensystem zueinander parallele sowie zu der Drehachse und der Entfernung der Orte senkrechte lineare Beschleunigungen erfaßt werden, aus deren Differenz und der zur Drehachse senkrechten Entfernungskomponente die Winkel­ beschleunigung errechnet wird.1. Method for determining the angular acceleration of a body rotating about a predetermined axis of rotation, in particular re of a motor vehicle rotating about its longitudinal axis, at which method on two with a component perpendicular to Body-fixed locations distant from each other in one body-fixed coordinate system parallel to each other as well perpendicular to the axis of rotation and the distance of the locations Accelerations are recorded from their difference and the the angles perpendicular to the axis of rotation acceleration is calculated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlich zwei zuein­ ander und zu den einander parallelen Beschleunigungen senk­ rechte lineare Beschleunigungen erfaßt werden und zur Korrek­ tur der Beeinflussung der Ausgangssignale von Beschleuni­ gungssensoren zur Erfassung der zueinander parallelen Be­ schleunigungen durch die darauf senkrecht stehenden Beschleu­ nigungen verwendet werden.2. The method according to claim 1, wherein in addition two to one different and lower to the parallel accelerations right linear accelerations are detected and corrected ture of influencing the output signals of acceleration gation sensors for detecting the parallel Be accelerations due to the vertical acceleration be used. 3. System zum Bestimmen der Winkelbeschleunigung eines um eine vorbestimmte Drehachse drehenden Körpers, insbesondere eines um seine Längsachse drehenden Kraftfahrzeugs, enthal­ tend
zwei an räumlich mit einer Komponente senkrecht zur Drehachse entfernten körperfesten Orten angebrachte Beschleunigungssen­ soren (P0, P1) zum Erfassen paralleler linearer Beschleuni­ gungen az0, az1 in einer senkrecht auf einer die Drehachse und die Beschleunigungssensoren enthaltenden Ebene stehenden Richtung und eine Auswerteeinrichtung (6), die aus der Diffe­ renz der Ausgangssignale der Beschleunigungssensoren und de­ ren Entfernungskomponenten r1 senkrecht zur Drehachse die Winkelbeschleunigung des Körpers um die Drehachse errechnet.3. System for determining the angular acceleration of a body rotating about a predetermined axis of rotation, in particular of a motor vehicle rotating about its longitudinal axis, containing tend
two acceleration sensors (P0, P1) attached to a body-fixed location spatially distant with a component perpendicular to the axis of rotation for detecting parallel linear accelerations a z0 , a z1 in a direction perpendicular to a plane containing the axis of rotation and the acceleration sensors , and an evaluation device ( 6 ), which calculates the angular acceleration of the body around the axis of rotation from the difference between the output signals of the acceleration sensors and their distance components r 1 perpendicular to the axis of rotation. 4. System nach Anspruch 3, wobei zwei weitere Beschleuni­ gungssensoren zum Erfassen von zwei aufeinander senkrecht stehenden und zu der parallelen Beschleunigungen az0, az1 senkrechten weiteren linearen Beschleunigungen ax0, ay0 vorge­ sehen sind und die Ausgangssignale der weiteren Beschleuni­ gungssensoren in der Auswerteeinrichtung zur Korrektur des Einflusses der weiteren Beschleunigungen auf die Ausgangssig­ nale der weiteren Beschleunigungssensoren (P0, P1) zum Erfas­ sen linearer Beschleunigungen in einer senkrecht auf einer die Drehachse und diese Beschleunigungssensoren enthaltenden Ebene verwendet werden.4. System according to claim 3, wherein two further acceleration sensors for detecting two mutually perpendicular and perpendicular to the parallel accelerations a z0 , a z1 further linear accelerations a x0 , a y0 are provided and the output signals of the further acceleration sensors in the Evaluation device for correcting the influence of the further accelerations on the output signals of the further acceleration sensors (P0, P1) for detecting linear accelerations in a plane perpendicular to a plane containing the axis of rotation and these acceleration sensors. 5. System nach Anspruch 3 oder 4, wobei alle Beschleuni­ gungssensoren in einer zur Drehachse senkrechten Ebene ange­ ordnet sind.5. System according to claim 3 or 4, wherein all accelerations tion sensors in a plane perpendicular to the axis of rotation are arranged. 6. System zum Bestimmen der Winkelbeschleunigung eines um ei­ ne vorbestimmte Drehachse drehenden Körpers, insbesondere ei­ nes um seine Längsachse drehenden Kraftfahrzeugs, enthaltend
einen ersten körperfesten Beschleunigungssensor (P0) zum Er­ fassen einer ersten und einer zweiten linearen Beschleunigung ay0, az0, die zueinander und zur Drehachse senkrecht sind,
einen zweiten körperfesten Beschleunigungssensor P3 zum Er­ fassen einer dritten, zur ersten parallelen linearen Be­ schleunigung ay3, der von dem ersten Beschleunigungssensor in Richtung der zweiten Beschleunigung entfernt ist,
einen dritten körperfesten Beschleunigungssensor (P1) zum Er­ fassen einer vierten, zur zweiten Beschleunigung parallelen Beschleunigung az1, der vom ersten Beschleunigungssensor in Richtung der ersten Beschleunigung entfernt ist,
wobei alle Beschleunigungssensoren in einer zur Drehachse senkrechten Ebene angeordnet sind und
mit einer Auswerteeinrichtung (2) verbunden sind, die aus den Bewegungsgleichungen der Orte der Beschleunigungssensoren und den erfaßten linearen Beschleunigungen die Winkelbeschleuni­ gung des Körpers um die Drehachse errechnet.6. System for determining the angular acceleration of a body rotating about a predetermined axis of rotation, in particular including a motor vehicle rotating about its longitudinal axis
a first body-fixed acceleration sensor (P0) for detecting a first and a second linear acceleration a y0 , a z0 , which are perpendicular to one another and to the axis of rotation,
a second body-fixed acceleration sensor P3 for detecting a third linear acceleration a y3 parallel to the first, which is distant from the first acceleration sensor in the direction of the second acceleration,
a third body-fixed acceleration sensor (P1) for detecting a fourth acceleration a z1 parallel to the second acceleration, which is distant from the first acceleration sensor in the direction of the first acceleration,
wherein all acceleration sensors are arranged in a plane perpendicular to the axis of rotation and
are connected to an evaluation device ( 2 ) which calculates the angular acceleration of the body about the axis of rotation from the equations of motion of the locations of the acceleration sensors and the detected linear accelerations. 7. System nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Kör­ per ein Kraftfahrzeug ist, die Drehachse die Längsachse des Fahrzeugs ist und die Beschleunigungen in Hoch- und/oder Quer- und/oder Längsrichtung des Fahrzeugs erfaßt werden, und die ermittelte Winkelbeschleunigung zur Überschlagerkennung verwendet wird.7. System according to any one of claims 3 to 6, wherein the Kör by a motor vehicle, the axis of rotation is the longitudinal axis of the Vehicle is and the accelerations in high and / or Transverse and / or longitudinal direction of the vehicle are detected, and the determined angular acceleration for rollover detection is used.
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