DE4014561A1 - Regelsystem fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Regelsystem fuer kraftfahrzeuge

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DE4014561A1
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Hans-C Klein
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Alfred Teves GmbH
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Description

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem für Kraftfahrzeuge. Es sind bereits viele verschiedene Regelsysteme für Kraft­ fahrzeuge bekannt, beispielsweise ABS- und/oder ASR-Ein­ richtungen, Fahrwerksregelungen oder Servolenkungen. Diese Systeme arbeiten in der Praxis recht zuverlässig, jedoch nicht optimal, da ein Fahrzeug sehr komplizierte Bewegungs­ abläufe erfährt, die nicht vollständig mathematisch be­ schrieben werden können und deswegen jedes Regelsystem ein Kompromiß darstellt.
Außerdem ist bekannt, für das Fahrzeugverhalten rech­ nerische Modelle zu verwenden und diese Modelle in die Re­ gelsysteme einzubeziehen. Die Verwendung eines solchen Mo­ dells bei einem aktiven Fahrwerk bzw. zur Spurführung hat H. Wallentowitz in seinem Vortrag bei der VII. Iff-Tagung vorgeschlagen. Dort ist auch der "Beobachter" als ein System beschrieben, bei dem "ein Regler mit berechneten Be­ wegungsgrößen versorgt wird" (in: Vortragsausdrucke der VII. Iff-Tagung, Braunschweig, Mai 1989).
In der Europäischen Patentanmeldung 02 75 664 ist eine Beobachtungskontrolleinrichtung für Aufhängungssysteme be­ schrieben, bei der ständig die Auswirkungen von weicher und harter Dämpfereinstellung berechnet werden und dann der je­ weils günstigere Zustand eingestellt wird.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Regel­ system für Kraftfahrzeuge zu schaffen, das einfach im Auf­ bau und dennoch besonders wirkungsvoll ist, wobei vorhan­ dene Daten optimal ausgenutzt werden.
Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merk­ male gelöst. Vor allem durch den Datenaustausch in beiden Richtungen zwischen dem Zustandsbeobachter und den elektronischen Schaltkreisen ist einerseits eine Über­ wachung von beispielsweise ABS-Anlage oder Servolenkung möglich, aber andererseits auch eine Funktionsverbesserung dieser Anlagen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Anspruch 2 angege­ ben. Er soll anhand eines Beispiels erläutert werden. So­ fern Fahr- und Verkehrssituation es zulassen, kann der Zu­ standsbeobachter Signale aussenden, die eine Betätigung von Vorderrad- oder Hinterradbremsen für sich allein bewirken. Auf diese Weise kann die Bremskonstante für jede Achse er­ mittelt werden. Werden die so gewonnenen Daten, wie im An­ spruch 3 angegeben, den elektronischen Schaltkreisen zum Erzeugen von Steuersignalen zur Verfügung gestellt, so ist - im Beispiel - eine optimale Bremskraftverteilung gewähr­ leistet.
Hierzu ist es nicht notwendig, daß der Zustandsbeobachter mit den schnellen Zeittakten der elektronischen Schalt­ kreise arbeitet, sondern für die Aktualisierung der Fahr­ zeugkonstanten genügen wesentlich längere Zeitabstände. Dies ist im 4. Anspruch wiedergegeben.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn - wie im Anspruch 5 an­ gegeben - der Zustandsbeobachter die Teilsysteme ko­ ordiniert. Das heißt, wenn beim Bremsen die Stoßdämpfer so eingestellt werden, daß möglichst keine Rückkopplung an die Bremse erfolgt oder wenn ein Wankausgleich beim Einschlagen des Lenkrades, d. h. Kurvenfahrt, erfolgt.
Anspruch 6 erläutert die Möglichkeit, weitere Funktionen in das Regelsystem zu integrieren. Denkbar wäre etwa ein Werk­ stattservice, bei dem alle aufgetretenen Systemfehler ge­ speichert werden und später in der Werkstatt abgerufen wer­ den können.
Eine mögliche Erweiterung des bisher beschriebenen Systems ist in den Ansprüchen 7 und 8 beschrieben. Einerseits kann auf die angegebene Weise die momentane Anregungsfrequenz ermittelt und die dazu passende optimale Stoßdämpferein­ stellung gewählt werden, andererseits kann auch ein beson­ deres Signal abgegeben werden, wenn das Fahrzeug in ein Schlagloch fällt oder über eine Bodenwelle fährt. Dieses Signal, das nur 1 bit benötigt, kann zwischen den anderen Informationen gesendet und empfangen werden, d. h. als Un­ terbrechung der üblichen Routine und ermöglicht so eine ex­ trem schnelle Reaktion, also eine kurzfristige Stoßdämpfer­ härtenverstellung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 9 sieht vor, daß das Regelsystem aus der Häufigkeitsverteilung der Stoß­ dämpferstellungen innerhalb eines Zeitintervalls die mitt­ lere Fahrzeughöhe über dem Boden ermittelt. Durch diese Maßnahme ist eine Niveauregelung besonders einfach mit ver­ stellbaren Stoßdämpfern zu kombinieren. Die gleiche Wirkung ist mit den in den Ansprüchen 10 bis 12 angegebenen Maßnah­ men erreichbar. In diesem Fall wird jedoch nur die - besonders leicht meßbare - Stoßdämpferbeschleunigung be­ nötigt und daraus die Zeitfunktion bzw. deren Mittelwert der Stoßdämpferstellung berechnet. Die zur Ermittlung der lntegrationskonstanten zur Verfügung stehenden Randbedin­ gungen sind die Stoßdämpferstellungen, für die jeweils die Beschleunigung gemessen wird sowie der Grundsatz, daß die Beschleunigungsfunktion einen Extremwert hat, wenn die Ge­ schwindigkeitsfunktion einen Nulldurchgang aufweist.
In vorteilhafter Weise sind gemäß Anspruch 13 nicht alle Bauelemente zentral angeordnet, sondern teilweise de­ zentral. So können beispielsweise Teilfunktionen direkt am Signalentstehungsort bei den Sensoren wahrgenommen und die daraus berechneten Steuersignale sofort wieder an die ent­ sprechenden Ventile abgegeben werden. Man erspart damit un­ nötig lange Datenwege und Verarbeitungszeiten.
Als weitere Vereinfachung bietet sich dann ein Ringbus zwi­ schen allen Elementen an; dies ist in Anspruch 14 erläu­ tert. Ein solcher Ringbus erspart weitere Verbindungen und gewährleistet dennoch, daß alle Elemente im Multiplex-Be­ trieb direkt miteinander kommunizieren können. Anspruch 15 beschreibt den inneren Aufbau des Zustandsbeobachters und wird im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert.
Mögliche Ausführungsformen sind schematisch in den beilie­ genden Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen
Fig. 1 ein Verbindungsschema zwischen verschiedenen Elementen eines Regelsystems,
Fig. 2 den inneren Aufbau des Zustandsbeobachters,
Fig. 3 ein Beispiel mit Ringbus und teilweise de­ zentraler Datenverarbeitung,
Fig. 4a ein Fahrzeugrad mit Stoßdämpfer und Datenfluß so­ wie
Fig. 4b eine der dezentralen Datenverarbeitungseinheiten.
In Fig. 1 sind schematisch die Elemente des Regelsystems und die Verbindungen zwischen ihnen dargestellt. Der inter­ aktive Zustandsbeobachter empfängt von den Teilsystemen die laterale, longitudinale und vertikale Fahrzeugbewegungen kontrollieren, Signale und gibt an diese auch wieder Signale ab. Die lateralen Bewegungen werden etwa von einer Servolenkung oder von einer Reifendrucküberwachung kon­ trolliert bzw. beeinflußt. Servobremse, Bremskraftvertei­ lung und ABS- bzw. ASR-Anlage kontrollieren und beeinflus­ sen die longitudinale Bewegung, Kontrolle und Beeinflussung der vertikalen Bewegung erfolgt durch Dämpfkraft- oder Niveauregelung. Alle Systeme, die die drei Bewegungsarten kontrollieren, tauschen auch untereinander und mit einer weiteren Einheit, die einen Wartungsservice und eine zu­ sätzliche Funktionsüberwachung beinhaltet, Daten aus.
Fig. 2 zeigt die wesentlichen Teile des Zustands­ beobachters. Die Kommunikation mit den elektronischen Schaltkreisen anderer Teilsysteme wird von dem mit STOBS 2 bezeichneten externen Operationscontroller gesteuert. Die­ ser ist durch einen internen zentralen Controllerbus mit den anderen Teilen verbunden, der diese auch untereinander verbindet. Daten werden zunächst im Datenpuffer RAM 1 abge­ legt. Weiterhin ist eine Datenbank mit Expertenwissen ROM 1 sowie - als ROM 2 bezeichnet - eine Datenbank mit Fahrzeug­ basisdaten und eine Bibliothek mit einfachen Programmen vorhanden. Zur Kontrolle der internen Operationen dient der interne Operationscontroller STOBS 1. Eine Einheit, in der ein einfaches Vier-Rad-Fahrzeug Simulationsmodell gespei­ chert ist, ermittelt aus dem in RAM 1 sowie ROM 1 und 2 ab­ gelegten Informationen jeweils die aktuellen Fahrzeugkon­ stanten. Letztere werden als aktive Parameterverbesserung für Bremse, Lenkung und Fahrwerk in RAM 2 abgelegt und die­ sen Systemen zur Ermittlung der Steuersignale zur Verfügung gestellt.
Im in Fig. 3 dargestellten Beispiel findet ein Teil der Da­ tenverarbeitung dezentral statt. An einen Ringbus VDB sind die vier lokalen Controller LC 1-4 sowie die gestrichelt angedeutete Zentraleinheit angeschlossen. Die Anschlüsse erfolgen jeweils über eine Multiplex-Übergabe und -Empfangseinheit MUX T & R. In Fig. 4b, die einen der lokalen Controller LC 1-4 darstellt, ist dieser Anschluß auch zu erkennen. Die gestrichelte Zentraleinheit besteht aus dem Zustandsbeobachter einer ABS- und Schlupfkontrolleinheit ABS & TC, einer Einheit zur Bremskraftverteilung BFD, einer Bremsbetätigungseinheit SBA, die mit der Pedalkraft FP betätigt wird, sowie einer Einheit zur Dämpfkraft­ kontrollierung SDC und einer Einheit zur Kontrolle von Fahrzeugroll- und -stampfbewegungen sowie dem Fahrzeug­ niveau SLC. Dem Zustandsbeobachter werden neben den Fahr­ zeugbasisdaten und den Drehgeschwindigkeiten der vier Räder vR1 bis vR4 auch die an der Multiplex-Übergabe und -Empfangseinheit MUX T & R eingehenden Daten und der Zustand der Bremsbetätigungseinheit SBA mitgeteilt. Dies ist durch auf den Zustandsbeobachter weisende Pfeile dargestellt. Auch der Fluß der übrigen Daten ist durch Pfeile sym­ bolisiert. Der Zustand der Bremsbetätigungseinheit SBA wird auch der Einheit zur Bremskraftverteilung BFD mitgeteilt, die gleichzeitig vom Zustandsbeobachter angesteuert wird. Von der Einheit zur Bremskraftverteilung BFD verläuft der Informationsfluß weiter zur ABS- und Schlupfkontrolleinheit ABS & TC. Auch diese erhält zusätzlich Information vom Zu­ standsbeobachter. Von der ABS- und Schlupfkontrolleinheit ABS & TC werden nach außen Steuersignale zur Regelung des Bremsdrucks p1 bis p4 in den nicht dargestellten Rad­ bremsen abgegeben.
Der Zustandsbeobachter gibt weitere Signale direkt an die Multiplex-Übergabe- und -Empfangseinheit MUX T & R ab und an die Einheit zur Dämpfkraftkontrollierung SDC sowie die Ein­ heit zur Kontrolle des Fahrzeugniveaus SLC. Die beiden letztgenannten Einheiten erhalten außerdem direkt Daten von der Multiplex-Übergabe- und -Empfangseinheit MUX T & R und geben direkt Daten an diese ab.
Fig. 4 zeigt im Teil 4a ein Fahrzeugrad 1 mit einem an der Achse 2 angebrachten Stoßdämpfer 3, dessen anderes Ende an einem nicht gezeigten Fahrzeugaufbau befestigt ist. Sensoren ermitteln einige Größen des Fahrzeugrads 1 bzw. des Stoßdämpfers 3. Im folgenden werden diese Sensorsignale immer als S mit der Größe, für die sie stehen, als Index geschrieben. Diese Sensorsignale sind als Pfeile vom Rad weg dargestellt. Es sind dies die Signale für die vertikale Aufbaubeschleunigung S2, einen bestimmten Schwellwert STP der Stoßdämpferstellung, die vertikale Radbeschleuni­ gung S1 und die Schwingungsfrequenz Sω des Stoßdämpfers 3. Zugeführt werden der in Fig. 4a dargestellten Einheit die Signale für den Bremsdruck pBA, den Druck im Stoß­ dämpfer pLA, um das Fahrzeugniveau einzustellen, und die Härte des Stoßdämpfers pSV. Alle von der Einheit in Fig. 4a wegführenden und zu ihr hinführenden Signale werden über einen lokalen Controller, wie er in Fig. 4b gezeigt ist, gesteuert.
Dieser lokale Controller hat, wie oben erläutert, einen An­ schluß (MUX T & R) an den Ringbus VDB. Informationen erhält der lokale Controller einerseits über Signaleingangsstufen und andererseits über die Multiplex-Übergabe- und -Empfangseinheit MUX T & R. Diese Informationen werden ent­ sprechend den Pfeilen den Funktionsblocks SP1 bis SP4, der lokalen Dämpfkraftkontrolleinheit LDC und der lokalen Niveaukontrolleinheit LLC zugeleitet und dort verarbeitet. Aufgaben und Funktionsweise der Blocks und Einheiten werden im folgenden kurz erläutert.
Der Block SP1 dient der Raddrehzahl- und -geschwindigkeits­ ermittlung und eliminiert durch Kreuzkorrelation Rad­ lastschwankungen. Im Block SP2 werden die Beschleunigungs­ signale durch Bildung von Effektivwerten in kompakt über­ tragbare Größen umgewandelt. Außerdem wird bei Erkennen eines Schlaglochs ein 1-bit-Signal abgegeben. In der Stufe SP3 werden die momentanen Radaufstandskräfte ermittelt und der Block SP4 errechnet den kinematischen Reifenradius so­ wie die dynamische Variation der Radaufstandskraft. Die Einheiten LDC und LLC generieren Stellsignale zur lokalen Dämpfkrafteinstellung und Niveauregelung.
Bezugszeichenliste
RAM 1 Datenpuffer
RAM 2 aktive Parameterverbesserung
ROM 1 Datenbank mit Expertenwissen
ROM 2 Datenbank mit Fahrzeugbasisdaten und einfachen Programmen
STOBS 1 interner Operationscontroller
STOBS 2 externer Operationscontroller
VDB Ringbus
LC 1-4 lokaler Controller
MUX T Multiplex-Übergabe- und Empfangseinheit
ABS & TC ABS- und Schlupfkontrolleinheit
BFD Einheit zur Bremskraftverteilung
SBA Bremsbetätigungseinheit
Fp Pedalkraft
SDC Einheit zur Dämpfkraftkontrollierung
SLC Einheit zur Kontrolle von Fahrzeugroll- und -stampfbewegungen sowie dem Fahrzeugniveau
vR1-vR4 Drehgeschwindigkeit der Räder
1 Fahrzeugrad
2 Achse
3 Stoßdämpfer
₁ vertikale Radbeschleunigung
₂ vertikale Aufbaubeschleunigung
TP Schwellwert
ω Schwingungsfrequenz
PBA Bremsdruck
PLA Druck im Stoßdämpfer
PSV Härte des Stoßdämpfers
SP1-SP4 Funktionsblock
LDC lokale Dämpfkraftkontrolleinheit
LLC lokale Niveaukontrolleinheit

Claims (15)

1. Regelsystem für Kraftfahrzeuge, bestehend aus Sensoren, die Zustände, Geschwindigkeiten und/oder Be­ schleunigungen von Fahrzeugteilen erfassen und Signale an elektronische Schaltkreise abgeben, aus den elektronischen Schaltkreisen, die Sensorsignale empfangen, verarbeiten und Steuersignale abgeben, wo­ bei durch die Steuersignale ein Blockieren beim Brem­ sen verhindert wird oder Stoßdämpfer und Federn in ihrer Härte verändert werden oder die Aufbaustellung, eine Servolenkung oder der Schräglaufwinkel eines be­ stimmten Rades geregelt wird, und aus einem Zustands­ beobachter, der Signale von den elektronischen Schalt­ kreisen erhält, verarbeitet und der Signale an die elektronischen Schaltkreise abgibt.
2. Regelsystem nach Anspruch 1, bei dem der Zustands­ beobachter in zeitlichen Abständen Signale abgibt, die bewirken, daß das Fahrzeug in einen definierten Zu­ stand versetzt wird, und es somit ermöglichen, aus den in diesem Zustand erfaßten Sensorsignalen und deren Änderungen Fahrzeugkonstanten rechnerisch zu ermitteln.
3. Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die aktualisierten Fahrzeugkonstanten in einem Speicher (RAM 2) abgelegt werden, auf den die elektronischen Schaltkreise zum Erzeugen von Steuersignalen zurück­ greifen.
4. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Überprüfung der Fahrzeugkonstanten in we­ sentlich längeren Zeitabständen erfolgt als den Zeit­ takten der elektronischen Schaltkreise.
5. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Zustandsbeobachter die Teilsysteme abhän­ gig von den aktualisierten Fahrzeugkonstanten ko­ ordiniert, z. B. Dämpferhärte, -symmetrie und Nickaus­ gleich beim Bremsen, Wankausgleich bei Kurvenfahrt.
6. Regelsystem nach Anspruch 1, das weitere elektronische Schaltkreise zur Kontrolle und/oder Regelung von Fahr­ zeugfunktionen aufweist.
7. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Stoßdämpfern, deren Beschleunigungen in vorgege­ benen Stellungen mit Hilfe von je mindestens einem Sensor feststellbar sind, wobei dieses aus den Abstän­ den der Zeitpunkte, bei denen die vertikale Radbe­ schleunigung gleich Null ist, die Anregungsfrequenz durch die Fahrbahn ermittelt.
8. Regelsystem nach Anspruch 7, wobei ein 1-bit-Signal an den Zustandsbeobachter abgegeben wird, wenn für länger als die halbe Periodendauer der zuletzt ermittelten Anregungsfrequenz eine bestimmte extreme Stoßdämpfer­ stellung sensiert wurde.
9. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem Stoßdämpfer, wobei mehrere ver­ schiedene Stoßdämpferpositionen digital sensierbar sind, das aus der Häufigkeitsverteilung der Stoß­ dämpferstellungen in einem Zeitintervall die mittlere Höhe des Fahrzeugaufbaues über dem Boden ermittelt.
10. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem Stoßdämpfer, bei dem die Be­ schleunigung des Stoßdämpferkolbens gegenüber dem zu­ gehörigen Stoßdämpferzylinder in einer bestimmten Stellung sensiert wird, dessen elektronische Schalt­ kreise die Beschleunigungsdifferenz von je zwei Mes­ sungen zweimal zeitlich integrieren, aus den Randbe­ dingungen die Integrationskonstanten bestimmen und da­ durch die Stoßdämpferstellung als Zeitfunktion berech­ nen.
11. Regelsystem nach Anspruch 10, bei dem die elektronischen Schaltkreise die Zeitfunktion der Stoß­ dämpferstellung integrieren und zeitlich mitteln, um den stationären Wert der Einfederung des Stoßdämpfers zu ermitteln.
12. Regelsystem nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die jeweils maximale Stoßdämpferstellung ermittelt und zur Berech­ nung einer gleitenden Mittelwertbildung von den elektronischen Schaltkreisen verwendet wird.
13. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einzelelemente nicht zentral angeordnet sind, sondern teilweise direkt bei den ihnen zugeord­ neten Sensoren angeordnet und durch Datenleitungen verbunden sind.
14. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Einzelelemente über einen Ringbus (VDB) im Multiplex-Betrieb miteinander bzw. mit dem Zu­ standsbeobachter kommunizieren.
15. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Zustandsbeobachter folgende Elemente aufweist:
  • - einen inneren zentralen Controllerbus,
  • - einen internen und einen externen Operationscontroller,
  • - mindestens ein RAM als Datenpuffer und zum Ablegen der aktuellen Fahrzeugkonstanten,
  • - mindestens ein ROM für Fahrzeugbasisdaten, einfache Programme sowie eine Datenbank mit Expertenwissen und
  • - eine Einheit, die die Berechnung von Konstanten mit Hilfe eines einfachen Vier-Rad-Fahrzeug-Simulations-Modells ermöglicht.
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