DE4140239A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines fuer die querbewegung eines fahrzeugs repraesentativen signals - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines fuer die querbewegung eines fahrzeugs repraesentativen signals

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem System nach der Gattung des Haupt­ anspruchs.
Die möglichst genaue Kenntnis der Bewegungen eines Fahrzeugs sind von elementarer Bedeutung für jede Art von Steuerung oder Regelung, die diesen Bewegungen im Sinne einer Erhöhung des Fahrkomforts und der Fahrsicherheit entgegenwirkt.
Solch eine Entgegenwirkung kann, wie es in der DE-OS 35 29 178 beschrieben wird, durch ein aktives Federungs- und/oder Dämpfungs­ system erreicht werden, dessen Federungs- und/oder Dämpfungsver­ halten steuerbar oder regelbar ausgelegt ist.
Weiterhin kann solch eine Einflußnahme auf die Fahrzeugbewegungen durch Steuer- oder regelbare Kraftzumessung auf die einzelnen Antriebsräder und/oder durch Steuer- oder regelbare Lenkvorgänge erfolgen. Beispielhaft sei hierzu auf eine bekannte Vortriebsregel­ einrichtung verwiesen (PCT/EP89/00953) und auf ein Kurvenerkennungs­ verfahren im Zusammenhang mit einem Antiblockierregelsystem (DE-OS 37 39 558). Ein Verfahren zur Lenkungssteuerung wird in der DE-OS 39 30 445 vorgestellt.
Die Ursachen der Bewegungen des Fahrzeugs sind im wesentlichen
  • - Beschleunigungs- und/oder Bremsvorgänge,
  • - Lenkvorgänge und/oder
  • - Fahrbahnunebenheiten.
Wichtige Meßgrößen, die die Fahrdynamik, insbesondere die Querdyna­ mik des Fahrzeugs, repräsentieren und wesentliche Eingangsgrößen der obenbeschriebenen Steuerungen bzw. Regelungen darstellen, sind der Lenkwinkel bzw. die mit dem Lenkwinkel ursächlich zusammenhängende Fahrzeugquerbeschleunigung. Hierbei ist als Lenkwinkel der Ein­ schlagwinkel der lenkbaren Räder gemeint.
Der Lenkwinkel bzw. die Fahrzeugquerbeschleunigung können entweder durch geeignete Sensoren (Lenkwinkelsensoren bzw. Beschleunigungs­ sensoren) "direkt" gemessen werden oder aus anderen Sensorsignalen "indirekt" abgeleitet werden. Im Hinblick auf die Minimierung der Anzahl der Sensoreinrichtungen sind die "indirekten" Meßmethoden den "direkten" vorzuziehen.
In der EP-OS 03 53 995 wird ein Lenkwinkeldetektorsystem beschrieben, bei dem der Lenkwinkel aus den bei Lenkvorgängen unterschiedlichen Raddrehzahlen bzw. Radfrequenzen bestimmt wird.
Gerade die möglichst genaue Bestimmung der Querbewegungen eines Fahrzeugs, beispielsweise die Querbeschleunigung, ist für eine optimale Ausgestaltung eines Fahrwerk- und/oder Lenkungssystems von großer Wichtigkeit.
In der deutschen Patentanmeldung P 41 12 170.8 wird ein System zur Auswertung von Raddrehzahlsignalen beschrieben, bei der mit mög­ lichst geringem Aufwand an Bauteilen die Raddrehzahldifferenz be­ stimmt wird. Darüber hinaus wird hier vorgeschlagen die Fahrzeug­ querbeschleunigung proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit und zur Raddrehzahldifferenz zu ermitteln. Dies hat sich als nicht optimal erwiesen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Signal ausgehend von den Raddrehzahldifferenzen zu ermitteln, das die Querbewegung des Fahrzeugs, insbesondere die Querbeschleunigung, optimal repräsen­ tiert.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. Anspruch 8 gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren geht aus von Signalen delta _w, die die Drehzahldifferenz wenigstens zweier Räder wenigstens einer Achse repräsentieren, und Signalen V, die die Fahrzeuggeschwindigkeit re­ präsentieren. Durch die Verknüpfung dieser Signale durch ein nicht­ lineares Kennfeld gelangt man zu Signalen, die die Querbewegungen, insbesondere die Querbeschleunigung, des Fahrzeugs wiedergeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß durch die Be­ rücksichtigung der nichtlinearen Zusammenhänge zwischen der Querbe­ schleunigung und der Raddrehzahldifferenz einerseits und der Fahr­ zeuggeschwindigkeit andererseits beispielsweise die Reifeneinfede­ rung bei Kurvenfahrten infolge der Wankmomentenabstützung berück­ sichtigt werden können.
Weiterhin hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß sich die Querbeschleunigung bei sich ändernder Fahrzeuggeschwindigkeit stetig verhält. Insbesondere kann der Verstärkungsfaktor zwischen dem die Querbeschleunigung repräsentierenden Signal aq00 und dem die Raddrehzahldifferenz repräsentierende Signal delta_w als nicht­ lineare Kennlinie über der Geschwindigkeit abgelegt werden.
Die nichtlinearen Effekte wie die Ausfederung der kurveninneren Reifen und die Einfederung der kurvenäußeren Reifen infolge der Wankmomentenabstützung können insbesondere durch empirisch ermittel­ te Kennwerte berücksichtigt werden. Weiterhin kann das Verfahren empirisch auf jedes Fahrzeug appliziert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, das, wie oben beschrieben ermittelte, Signal aq00 in einem Filter zweiter Ordnung zu bearbeiten. Dies hat den Vorteil, daß das Signal aq00, das die Querbeschleunigung des Fahrzeugs bei stationären Kurvenfahrten (Lenkwinkel ist konstant) beschreibt, in dem Filter zweiter Ordnung dynamisiert wird. Hierbei kann die Ge­ schwindigkeitsabhängigkeit der Dynamik durch fahrgeschwindigkeitsab­ hängig umschaltbare Filterkoeffizienten berücksichtigt werden.
Vorteilhaft ist die Verwendung der durch das erfindungsgemäße Ver­ fahren ermittelten Signale aq00 und/oder aq zur Fahrwerksregelung und/oder zur Ansteuerung eines Lenkungssystems.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei erste Mittel 13 vor­ gesehen sind, mittels der nach einem abgespeicherten nichtlinearen Kennfeld ein erstes Signal aq00 aus zweiten Signalen delta_w, die die Drehzahldifferenz wenigstens zweier Räder repräsentieren, und dritten Signalen V, die die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentieren, ermittelt wird.
Ferner sind in einer weiteren Ausgestaltung zweite Mittel 14 mit dem Übertragungsverhalten eines Filters zweiter Ordnung vorgesehen mittels der die ersten Signal aq00 verarbeitet werden.
Zeichnungen
Anhand der Fig. 1, 2 und 3 soll im folgenden ein Ausführungsbei­ spiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung be­ schrieben werden.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Bevor auf das Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 1 und 2 einge­ gangen wird, sollen im folgenden zunächst anhand der Fig. 3 einige Ausführungen allgemeiner Art getätigt werden.
Die Differenzdrehzahl der Räder einer Achse eines zweispurigen Fahr­ zeugs 31 ist in erster Näherung proportional zur Giergeschwindigkeit psip, das heißt zur Drehgeschwindigkeit um die Fahrzeughochachse. Die Giergeschwindigkeit psip tritt bei Kurvenfahrten auf und hängt mit der Fahrzeuggeschwindigkeit V und dem Kurvenradius R (Fig. 3) wie folgt zusammen:
psip = V/R (1)
Im Falle einer seitenkraftfreien Kurvenfahrt, das heißt bei ver­ schwindenden Schräglaufwinkeln, rollen die äußeren Räder auf einem Kreisbogen mit dem Radius R+b mit der Drehkreisfrequenz
omega_a = 1/r * [psip * (R+b)] (2),
während die inneren Räder auf einem Kreisbogen mit dem Radius R-b mit der Drehkreisfrequenz
omega_i = 1/r * [psip * (R-n)] (3)
laufen, wobei mit r der Abrollradius der Räder und mit 2*b die Spur­ weite der Räder einer Achse bezeichnet ist.
Als Differenzfrequenz delta_w zwischen den Drehkreisfrequenzen der kurvenäußeren und kurveninneren Räder erhält man
delta_w = omega_a - omega_i = 2/r * [psip *b] (4).
Die Gierwinkelgeschwindigkeit psip ergibt somit zu
psip = [r/(2 *b)] * delta_w (5).
Aus dem Stand der Technik (Zomotor, A.: Fahrwerktechnik: Fahrverhal­ ten, Würzburg, Vogel-Buchverlag, 1987) ist das lineare Einspurmodell für die Querdynamik eines Fahrzeugs bekannt. Hieraus folgt für die Querbeschleunigung aq
aq = (psip+betap) * V (6),
wobei V die Fahrzeuggeschwindigkeit und betap die Zeitableitung des Schwimmwinkels ist. Dabei wird der Zusammenhang zwischen dem Lenk­ winkel delta und der Gierwinkelgeschwindigkeit psip bzw. der Schwimmwinkelgeschwindigkeit betap durch die Übertragungsfunktionen
Gpsip(s) = Zpsip(s)/N(s) = psip(s)/delta(s) (7)
bzw.
Gbetap(s) = Zbetap(s)/N(s) = betap(s)/delta(s) (8)
hergestellt wird, wobei mit s die Laplace-Variable bezeichnet ist.
Beide Übertragungsfunktionen Gpsip(s) bzw. Gbetap(s) unterschei­ den sich offensichtlich nur durch ihr Zählerpolynom Zpsip(s) bzw. Zbetap(s), während das Nennerpolynom N(s) in beiden Fällen das charakteristische Polynom des Einspurmodells ist.
Durch Einsetzen der Gleichung (7) und (8) in Gleichung (6) ergibt sich für die Übertragungsfunktion zwischen der Querbeschleunigung aq und der Gierwinkelgeschwindigkeit psip
aq(s)/psip(s) = [1+betap(s)/psip(s)] * V
= [1+Zbetap(s)/Zpsip(s)] * V
= 1/Zpsip(s) * [Zpsip(s)+Zbetap(s)] * V (9).
Da die Nennerordnung der Übertragungsfunktion eins, die Zählerord­ nung jedoch zwei ist, ist zu der rechentechnischen Realisation der Gleichung (9) als Filter ein zusätzlicher Pol einzufügen. Die Ver­ stärkung und die Dynamik sind von Fahrzeugparametern und von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig.
Ausgehend von der Differenzfrequenz zwischen dem kurveninneren und dem kurvenäußeren Rad kann nun nach Gleichung (5) die Gierwinkelge­ schwindigkeit psip berechnet werden. Da im Falle einer stationären Kurvenfahrt, bei der der Lenkwinkel delta konstant ist, die Schwimm­ winkelgeschwindigkeit betap Null ist [Übertragungsfunktion (8) hat differenzierenden Charakter], ist nach Gleichung (5) und (6) die Querbeschleunigung aq00 bei stationärer Kurvenfahrt direkt propor­ tional zur Fahrzeuggeschwindigkeit und zur Differenzdrehzahl delta_w
aq₀₀ = [r/(2 * b)] * delta_w * V (10)
Nach Gleichung (10) erwartet man, wie im Stand der Technik beschrie­ ben, einen einfachen linearen Zusammenhang zwischen der Differenz­ drehzahl delta_w, der Fahrzeuggeschwindigkeit V und der zu ermittelnden Querbeschleunigung aq.
Der einfache lineare Zusammenhang gibt aber die Querbeschleunigung nur unzureichend gut wieder. Ein Grund hierfür ist beispielsweise darin zu sehen, daß die Reifeneinfederungen bei Kurvenfahrten in­ folge der Wankmomentenabstützung nicht berücksichtigt werden. Bei Kurvenfahrten tritt nämlich der Effekt auf, daß die kurveninneren Reifen ausfedern, während die kurvenäußeren Reifen einfedern. Über­ lagernd zu der durch die Kurvenfahrt bewirkten Differenzfrequenz tritt also eine Differenzfrequenz auf, die durch eine Radiusver­ kleinerung bzw. Radiusvergrößerung der Räder infolge der obenbe­ schriebenen Wankmomentenabstützung bewirkt wird.
Der nichtlineare Zusammenhang zwischen der Querbeschleunigung, der Raddrehzahldifferenz und der Fahrzeuggeschwindigkeit wird durch empirisch ermittelte Kennwerte, beispielsweise in Form eines nicht­ linearen Kennfeldes oder einer nichtlinearen Kennlinie, berücksich­ tigt. Hierdurch kann die Ermittelung der Querbeschleunigung an jedes Fahrzeug angepaßt werden. Dies kann beispielsweise dadurch gesche­ hen, daß ein Fahrzeug einer zu applizierenden Typenreihe neben Mitteln zur Ermittelung der Raddrehzahldifferenzen und Fahrgeschwin­ digkeit mit Querbeschleunigungssensoren ausgestattet wird. Durch Messung der Querbeschleunigung bei verschiedenen Kurvenfahrten mit unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten gelangt man zu den obenge­ nannten Kennwerten. Aus diesen Kennwerten kann dann bei gleicharti­ gen Fahrzeugen ohne Querbeschleunigungssensoren die Querbeschleuni­ gung aus der Differenzfrequenz und der Fahrgeschwindigkeit ermittelt werden.
Dieser, wie oben beschrieben ermittelte, Wert der Querbeschleunigung entspricht dem statischen Wert der Querbeschleunigung aq00, da nur bei stationären Kurvenfahrten (Lenkwinkel delta ist konstant) die Schwimmwinkelgeschwindigkeit betap [Gleichung (6) und (8)] Null ist. Die bei nicht-stationären Kurvenfahrten (Lenkwinkel delta ist nicht konstant) von Null verschiedene Schwimmwinkelgeschwindigkeit betap sind gemäß der Gleichung (9) zu berücksichtigen. Aus der Gleichung (6) folgt für den statischen Wert der Querbeschleunigung aq00 im Fall der stationären Kurvenfahrt (Schwimmwinkelgeschwindigkeit betap ist Null)
aq₀₀ = psip * V (6′).
Dies eingesetzt in Gleichung (9) ergibt
aq/aq₀₀ = 1/Zpsip(s) * [Zpsip(s)+Zbetap(s)] (9′).
Die Berücksichtigung der nicht verschwindenden Schwimmwinkelge­ schwindigkeit betap bei nichtstationären Kurvenfahrten kann also nach Gleichung (9′) durch die Bearbeitung des stationären Wertes der Querbeschleunigung aq00 in einem Filter zweiter Ordnung geschehen. Hierbei kann die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Dynamik durch fahrgeschwindigkeitsabhängig umschaltbare Filterkoeffizienten be­ rücksichtigt werden.
In der Fig. 1 ist eine Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels zu sehen. Mit dem Bezugszeichen 11 und 12 sind Mittel zur Erfassung der Raddrehzahldifferenzen delta_w und der Fahrzeuggeschwindigkeit V be­ zeichnet. Erste Mittel 13 sind zur Bearbeitung der Ausgangssignale der Mittel 11 und 12 vorgesehen. Die Ausgangssignale aq00 der ersten Mittel 13 liegen eingangsseitig der zweiten Mittel 14. Optional werden den zweiten Mitteln die Ausgangssignale V der Mittel 12 zugeleitet. Darüber hinaus können weitere Größen, insbesondere Fahrzeugparameter, in den zweiten Mitteln 14 verarbeitet werden. Mit dem Bezugszeichen 15 ist ein Fahrwerkregelungs- und/oder Lenksystem zu sehen, dem die Ausgangssignale aq der zweiten Mittel 14 und/oder die Ausgangssignale aq00 der ersten Mittel 13 zugeführt werden.
Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels soll im folgenden be­ schrieben werden:
Durch die Mittel 11 und 12 werden die zweiten Signale delta_w, die die Drehzahldifferenz wenigstens zweier Räder wenigstens einer Achse repräsentieren, und die dritten Signalen V, die die Fahrzeugge­ schwindigkeit repräsentieren, erfaßt. Dies kann insbesondere durch die Raddrehzahlsensoren geschehen, die bei einem Antiblockierbrems­ system (ABS) verwendet werden. Hierdurch sind die Raddrehzahlen einzelner Räder sowie die mittlere Raddrehzahl mehrerer Räder als Fahrzeuggeschwindigkeit bekannt.
In den ersten Mitteln 13 sind die obenbeschriebenen Kennwerte abge­ legt, die die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen der Querbeschleu­ nigung, der Raddrehzahldifferenz und der Fahrzeuggeschwindigkeit wiedergeben. Dies kann in Form eines nichtlinearen Kennfeldes abge­ legt sein.
Ein Ausführungsbeispiel der ersten Mittel 13 ist in der Fig. 2 zu sehen. Hier werden die zweiten Signale delta_w, die die Drehzahl­ differenz repräsentieren, den Mitteln 21 zugeführt. Die Mittel 21 weisen das durch die Gleichung (5) beschriebene Übertragungsverhal­ ten auf, so daß ausgangsseitig der Mittel 21 ein Signal psip anliegt, das die Gierwinkelgeschwindigkeit im Falle einer stationären Kurven­ fahrt mit konstantem Abrollradius der Reifen repräsentiert. Durch eine nichtlineare Kennlinie wird das Signal psip mit dem die Fahr­ zeuggeschwindigkeit repräsentierenden Signal V zum ersten Signal aq00 der statischen Querbeschleunigung verknüpft. Hierbei wird vorausgesetzt, daß im stationären Fall (Lenkwinkel ist konstant) nach Gleichung (6) die statische Querbeschleunigung aq00 proportio­ nal zur Gierwinkelgeschwindigkeit ist. Deshalb genügt es, das nicht­ lineare Verhalten in Form einer nichtlinearen Kennlinie abzu­ speichern.
Die obenerwähnte Dynamisierung des stationären Wertes der Querbe­ schleunigung geschieht durch die Bearbeitung des entsprechenden ersten Signals aq00 in den zweiten Mitteln 14 (Fig. 1), deren Über­ tragungsverhalten durch die Gleichung (9′) beschrieben wird. Hierbei kann sich die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Dynamik durch fahrge­ schwindigkeitsabhängig umschaltbare Filterkoeffizienten berücksich­ tigt, wozu optional die Fahrgeschwindigkeit neben weiteren Fahrzeug­ parametern den zweiten Mitteln 14 zugeführt wird.
Ausgangsseitig der zweiten Mittel 14 liegt somit das vierte Signal aq an, das die Querbeschleunigung des Fahrzeugs repräsentiert. Dieses Signal aq kann nun einem System, das die Fahrdynamik des Fahrzeugs beeinflußt, zur weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Solche Systeme sind beispielsweise Fahrwerkregelungs- oder Lenksysteme.

Claims (9)

1. Verfahren zur Erzeugung eines für die Querbewegung eines Fahr­ zeugs repräsentativen Signals, wozu die Drehzahlen wenigstens zweier Räder wenigstens einer Achse herangezogen werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein die Querbewegung des Fahrzeugs repräsentierendes erstes Signal (aq00) mittels eines vorgegebenen Kennfeldes aus zweiten Signalen (delta_w), die die Drehzahldifferenz wenigstens zweier Räder repräsentieren, und dritten Signalen (V), die die Fahr­ zeuggeschwindigkeit repräsentieren, ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorge­ gebene Kennfeld nichtlinear ermittelt ist.
3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Kennfeld derart ausge­ legt ist, daß wenigstens zwischen zwei der drei Signale (aq00, delta_w, V) eine nichtlineare Abhängigkeit besteht.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor zwischen dem die Querbeschleunigung repräsentierenden Signal (aq00) und dem die Raddrehzahldifferenz repräsentierenden Signal (delta_w) als nicht­ lineare Kennlinie über der Fahrzeuggeschwindigkeit (V) abgelegt wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal (aq00) zusätzlich in einem Filter (4) zweiter Ordnung zu einem vierten Signal (aq) ver­ arbeitet wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Übertragungsverhalten des Filters (4) zweiter Ordnung von der Fahrzeuggeschwindigkeit (V), insbeson­ dere durch fahrgeschwindigkeitsabhängiges Umschalten der Filter­ koeffizienten, und/oder von Fahrzeugparametern abhängt.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das erste Signal (aq00) und/oder das vierte Signal (aq) zur Fahrwerkregelung und/oder zur Ansteuerung eines Lenkungssystems herangezogen wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste Mittel (13) vorgesehen sind, mittels der nach einem abgespeicherten nichtlinearen Kennfeld ein erstes Signal (aq00) aus zweiten Signalen (delta_w), die die Dreh­ zahldifferenz wenigstens zweier Räder repräsentieren, und dritten Signalen (V), die die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentieren, er­ mittelt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Mittel (14) mit dem Übertragungsverhalten eines Filters zweiter Ordnung vorgesehen sind, mittels der die ersten Signale (aq00) ver­ arbeitet werden.
DE4140239A 1991-12-06 1991-12-06 Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines fuer die querbewegung eines fahrzeugs repraesentativen signals Withdrawn DE4140239A1 (de)

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