DE4123053A1 - Verfahren zur bestimmung wenigstens einer bewegungsgroesse eines fahrzeugs - Google Patents

Verfahren zur bestimmung wenigstens einer bewegungsgroesse eines fahrzeugs

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Description

Stand der Technik
Die Giergeschwindigkeit ω und/oder die Quergeschwindigkeit vy im Fahrzeug sowie die Schräglaufwinkel α und die Querkräfte Fy sind schwer bzw. nur mit teueren Sensoren meßbar. In der älteren Patentmeldung P 40 30 653.4 ist die Ermittlung kleiner Schräglaufwinkel mit Hilfe eines teueren Gier­ sensors bekannt.
Solche Größen spielen aber bei der Fahrwerksregelung eine wichtige Rolle.
Vorteile der Erfindung
Bei der Erfindung werden mit preiswerten Sensoren die Querbeschleunigungen des Fahrzeugs vor und hinter dem Schwerpunkt sowie die Lenkwinkel der beiden Achsen gemessen, wobei der Hinterachslenkwinkel auch 0 sein kann (keine Hinterachslenkung). Es ergeben sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zuerst einmal die Quergeschwindigkeit und die Giergeschwindigkeit. Hieraus lassen sich dann in einfacher Weise die Schräglaufwinkel α, die Reifenkräfte Fy und die Schwimmwinkel β ableiten.
Figurenbeschreibung
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die Reifendynamik bei bisherigen Betrachtungen durch eine lineare Gleichung mit konstantem Parameter Cα angenähert:
fy = Cα · α (1)
Dieser Ansatz gilt nur für sehr kleine Schräglaufwinkel. Mit wachsendem Schräglaufwinkel stimmen die tatsächliche und die durch (1) modellierte Seitenkraft nicht mehr überein.
Es war daher die Aufgabe der Erfindung, zuerst einmal einen Ansatz für die Seitenkraft Fy zu liefern, der den ganzen Schräglaufbereich abdeckt. Mit Hilfe dieses Ansatzes wird dann ein technisch realisierbares Verfahren gefunden, das on-line aus den Meßgrößen δv, δh, ayv, ayh durch eine Kombination von adaptiven äquivalenten Kalman-Filtern zuerst die Giergeschwindigkeit ω und die Quergeschwindigkeit vy und schließlich die Schräglaufwinkel α und die Seitenkräfte Fy bestimmt.
Der erste Teil dieser Aufgabe wird durch den in Fig. 2 skizzierten Ansatz gelöst, der besagt, daß die Reifendynamik durch einen linearen Ansatz
Fy(α) = ky(α) · α + hy(α) (2)
mit veränderlichen Parametern ky(α) und hy(α) beschrieben werden kann.
Ein Vergleich zu dem Ansatz in (1) zeigt, daß
  • - der Schräglaufbereich vollständig beschreibbar ist und
  • - das Reifenverhalten durch unterschiedliche Parameter ky(α) und hy(α) in Abhängigkeit von α realitätsnäher beschrieben wird.
Die Schwierigkeit liegt darin, diese Parameter mit einfachen Mitteln zu bestimmen. Dies gelingt durch die in Fig. 3 gezeigte Anordnung. Liegen die Werte von α, ky(α) und hy(α) vor, dann läßt sich Fy einfach aus (2) berechnen. Die Anordnung der Fig. 3 ist technisch realisierbar, es wird eine Schätzung von ky, hy und α wie folgt vorgenommen.
Eingangsgrößen des Schätzers sind die gemessene Querbeschleunigung ayv vor dem Schwerpunkt, die gemessene Querbeschleunigung ayh hinter dem Schwerpunkt, der Lenkwinkel vorne δv und der Lenkwinkel hinten δh, die später benötigt werden.
Die Querbeschleunigungen werden einmal als Summe (Fig. 3, oberer Strang) und ein anderes Mal als Differenz (Fig. 3, unterer Strang) zusammengefaßt (Blöcke 1 und 2) und so weiterverarbeitet. So gliedert sich die Gesamtstruktur des Schätzers in zwei Subsysteme, wobei die Subsysteme identische Strukturen beinhalten und sich nur durch die Eingangsgrößen unterscheiden. Im weiteren soll daher nur noch ein Subsystem betrachtet werden.
Das Subsystem besteht aus zwei adaptiven äquivalenten Kalman-Filtern 3 und 4, wobei das Filter 3 die Seitenkraft nach Gleichung (1) annähert und das zweite erweiterte Filter 4 (E-) die Seitenkraft mit Hilfe der Gleichung (2) beschreibt. Jeder Filter liefert einen "Schätzwert der Eingangsgröße". Durch die Differenzbildung beider Schätzwerte (Differenzbildner 5) werden eine Funktion g (hyv, hyh) im oberen Subsystem und eine Funktion h (hyv, hyh) im unteren Subsystem von hyv und hyh gewonnen. Damit liegt ein lösbares Gleichungssystem mit zwei Gleichungen und zwei Unbekannten vor (Block 6). Zudem liefert die Schätzung mit dem Filter 4 die Parameter kyv(α) und kyh(α) aus den Beziehungen
Mit der Erfindung können also die Parameter kyv, kyh, hyv und hyh explizit bestimmt werden. Aus dem Parametervektor des Filters 4 können die Zustandsgrößen Quergeschwindigkeit vy und Giergeschwindigkeit ω rekonstruiert werden (Ableitung siehe später). Aus diesen beiden Bewegungsgrößen läßt sich gemäß der folgenden Beziehung
der Schräglaufwinkel α berechnen, so daß nun alle Größen zur Berechnung der Querkräfte nach Gleichung (2) zur Verfügung stehen.
Im Filter 3 wird von der Basisgleichung für AkF ausgegangen:
wobei
y(k) = ay(k) = ayv(k) ± ayh (k)
u₁(k) = δv(k)
u₂(k) = δh(k)
sind.
Der Parametervektor
p = [py1 py2 | pu11 pu12 pu13 | pu21 pu22 pu23]T
kann aus dem Datenvektor m(k-1)
m(k-1) = [y(k-2) y(k-3) u₁(k-1) u₁(k-2) u₁(k-3) u₂(k-1) u₂(k-2) u₂(k-3)]T
und einem Fehler
e(k) = y(k) - (k) = y(k) - m T(k-1) · (k-1)
mit Hilfe eines Schätzalgorithmus rekursiv berechnet werden:
(k) = (k-1) + r(k) · e(k),
wobei r(k) bei "stöchiometrischer Approximation" z. B. wie folgt gewählt wird:
Der Zustandsrektor
X = [ω vy]T
kann dann wie folgt gewonnen werden:
(k) = M*(k-1) · *(k),
wobei die Matrizen M*(k-1) aus dem Datenvektor m T(k-1) und der Parameter­ vektor *(k) aus dem Schätzvektor (k) abgelesen werden können:
In Filter 4 wird von der Basisgleichung für E-AkF ausgegangen:
wobei
y(k) = ay(k) = ayv(k) ± ayh(k),
u₁(k) = δv(k),
u₂(k) = δh(k) und
u₃(k) = γ(k)
(γ(k) ist eine frei wählbare Funktion) sind.
Der Parametervektor
p = [py1 py2 | pu11 pu12 pu13 | pu21 pu22 pu23 | pu31 pu32 pu33]T
kann aus dem Datenvektor m(k-1)
m(k-1) = [y(k-2) y(k-3) | u₁(k-1) u₁(k-2) u₁(k-3) | u₂(k-1) u₂(k-2) u₂(k-3) | u₃(k-1) u₃(k-2) u₃(k-3)]
und dem Fehler
e(k) = y(k) - (k) = y(k) = y(k) - m T(k-1) · (k-1)
mit Hilfe eines Schätzalgorithmus rekursiv berechnet werden:
(k) = (k-1) + r(k) · e(k),
wobei z. B. r(k) bei "stochastischer Approximation" wie folgt gewählt wird:
Der Zustandsrektor
x = [ω vy]T
kann dann wie folgt gewonnen werden
(k) = M*(k-1) · *(k),
wobei die Matrizen M*(k-1) aus dem Datenvektor m T(k-1) und der Parameter­ vektor *(k) aus dem Schätzvektor (k) abgelesen werden können:
Daraus können neben ω und vy die anderen Bewegungsgrößen abgeleitet werden

Claims (1)

  1. Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Bewegungsgröße (wie z. B. die Quer­ geschwindigkeit vy, die Giergeschwindigkeit ω, der Schwimmwinkel β, die Schräglaufwinkel αv, αh und die Seitenkräfte Fyv, Fyh) eines Kraftfahr­ zeuges, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgrößen Querbeschleunigung ayv vor und die Querbeschleunigung ayh hinter dem Schwerpunkt bestimmt werden, daß diese Querbeschleunigung in Form einer Summe (ayv+ayh) parallel zwei ersten adaptiven äquivalenten Kalman-Filtern (1. Filterpaar) und in Form einer Differenz (ayv-ayh) parallel zwei weiteren adaptiven äquiva­ lenten, gleich aufgebauten Kalman-Filtern (2. Filterpaar) zugeführt werden, daß ein Filter jedes Filterpaars (AkF) so ausgestaltet ist, daß es die Seitenkräfte Fy der Reifen nach Maßgabe der Beziehung Fy = Cα · αannähert, wobei α der Schräglaufwinkel und Ca eine Konstante ist, daß das andere erweiterte Filter (E-AkF) jedes Filterpaars so ausgestaltet ist, daß es die Seitenkräfte Fy der Reifen nach Maßgabe der BeziehungFy = ky (α) · α + hy (α)annähert, wobei ky (α) und hy (α) von α abhängig veränderlich sind, daß aus den von den Filtern jedes Filterpaars abgegebenen Schätzwerten der Eingangs­ größen die Differenz gebildet wird, wodurch zwei Funktionen g(hyv; hyh) bzw. h(hyv; hyh) gewonnen werden, daß aus dem damit vorliegenden Gleichungssy­ stem mit zwei Unbekannten hyv und hyh diese bestimmt werden und zudem wenig­ stens eine Größe der folgenden Größen kyv, kyh und ω, vy als Schätzwert aus den zuletzt genannten Filter (E-AkF) entnommen werden und daß gegebenen­ falls aus diesen Werten schließlich die anderen Bewegungsgrößen (wie z. B. der Schwimmwinkel β, die Schräglaufwinkel αv, αh und die Seitenkräfte Fyv, Fyh) rekonstruiert werden.
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