DE4428347A1

DE4428347A1 - Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE4428347A1
Application number: DE19944428347
Authority: DE
Inventors: Gregor Dipl Ing Probst; Stephan Zink; Armin Dipl Ing Dais
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1994-08-10
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2014-08-11
Also published as: DE4428347C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem Oberbe griff von Anspruch 6.

Derartige Schaltungsanordnungen und Verfahren dienen zum Er mitteln der Längsgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs, die unter anderem dazu dient, den zwischen der Fahrbahn und den Rädern auftretenden Schlupf zu ermitteln. Dieser Schlupf wird in Antiblockiersystemen (ABS) und in Antriebsschlupfsteuerun gen (ASR) benötigt.

Bei einem bekannten Verfahren wird die durch Radsensoren er mittelte Raddrehgeschwindigkeit rechnerisch korrigiert, indem Differenzen, Mittelwerte und Korrekturfaktoren gebildet wer den (EP-B 0391 943). Die Ermittlung erfolgt nach fest vorge gebenen Formeln und kann Einflußgrößen, die nicht exakt rech nerisch erfaßbar sind nicht berücksichtigen. Weitere Möglich keiten der Auswertung und Korrektur der Signale von Raddreh zahlsensoren sind aus den US-Patentschriften 4 072 364 und 4 184 203 und aus der DE-A 35 43 058 bekannt.

Außerdem ist eine ABS-Steuerung bekannt, bei der eine größere Anzahl von Eingangssignalen und davon abgeleitete Größen aufbereitet und in einer Fuzzy-Inferenzschaltung ein Aus gangssignal erzeugt wird, das den Bremsdruck steuert. Mit herkömmlichen ABS-Steuergeräten gelingt es aber nicht immer, den Radschlupf in dem Bereich zwischen 20 und 40% zu halten, der für die Kraftübertragung zwischen Reifen und Fahrbahn am günstigsten ist. Dies liegt vor allem darin, daß dem Steuer gerät nicht immer die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit genau bekannt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan ordnung zu schaffen, der zu jeden Zeitpunkt einen möglichst genauen Wert der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaltungsanord nung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 6 ge löst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 ein Schema für die Berechnung einer Geschwindigkeit mit einem Fuzzy-System;

Fig. 3 ein in dem Schema nach Fig. 2 verwendetes regelba siertes Fuzzy-System;

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Definition der lingui stischen Terme einer linguistischen Variable, die in dem Fuzzy-System nach Fig. 3 verwendet werden;

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Definition der lingui stischen Terme einer anderen linguistischen Varia ble;

Fig. 6 ein regelbasiertes Fuzzy-System mit einem zusätzli chen Beschleunigungssensor, und

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 abgearbeiteten Programms.

Ein Kraftfahrzeug 1 (Fig. 1) enthält eine Schaltungsanord nung 2 zum Ermitteln seiner Längsgeschwindigkeit. Die Schal tungsanordnung 2 ist Bestandteil eines elektronischen Steuer geräts 3, das z. B. ein ABS-, ein ASR- oder ein FSR (Fahrsta bilitätsregelungs)-Steuergerät ist, in dem die ermittelte Geschwindigkeit zu Steuer- und Regelzwecken verwendet wird. Vier Raddrehzahlsensoren 4, 5, 6 und 7 messen die Drehzahlen oder Winkelgeschwindigkeiten der vier Räder - vorderes rechtes Rad v_r, vorderes linkes Rad v_l hinteres rechtes Rad h_r und hinteres linkes Rad h₁ - des Kraftfahrzeugs und senden entsprechende Drehzahlsignale an das Steuergerät 3 und die Schaltungsanordnung 2.

Weitere Sensoren, die mit dem Steuergerät 3 und der Schal tungsanordnung 2 verbunden sein können, sind: ein Lenkwinkel sensor 8, der mit der Lenksäule 9 verbunden ist und den Lenk winkel mißt, ein Querbeschleunigungssensor 10, ein Längsbe schleunigungssensor 11 und ein Giergeschwindigkeitssensor 12.

Die Raddrehzahlsensoren 4 bis 7 liefern Winkelgeschwindigkei ten ω, aus denen durch Multiplikation mit dem Reifenradius r (z. B. r = 30,8 cm) die zugehörigen translatorischen oder Umfangsgeschwindigkeiten v_i berechnet werden:

v_i = r_*·ω_i (Gl. 1)

Dabei nimmt der Index i die Werte v_l, v_r, h_l und h_r für die er wähnten vier Fahrzeugräder an.

Aus Fig. 2 ist das Schema eines Berechnungs- oder Schätzal gorithmus ersichtlich, mit dem die gewünschte Fahrzeuglängs geschwindigkeit v_fuz ermittelt wird. Es enthält ein regelba siertes Fuzzy-System (auch als Fuzzy-Logikschaltung bezeich net) 14, einen Mittelwertbildner 15 und ein in einem Rück kopplungszweig 17 von dem Ausgang des Mittelwertbildners 15 zu dem Eingang des Fuzzy-Systems 14 liegendes Zeitglied 16. Den Eingängen des Fuzzy-Systems 14 werden die von den Rad drehzahlsensoren gelieferten Radgeschwindigkeiten und - über den Rückkopplungszweig 17 - der für den vorhergehenden Ab tastzeitpunkt ermittelte oder geschätzte Wert der Fahrzeugge schwindigkeit zugeführt. Aufgrund dieser Eingangsgrößen ent scheidet das Fuzzy-System 14, welche der Radgeschwindigkeiten einen plausiblen Schätzwert für die aktuelle Fahrzeugge schwindigkeit liefert und sie berechnet daraus Gewichtungs faktoren k_i für jedes der Raddrehzahlwerte oder -sensorsi gnale. Mit diesen Gewichtungsfaktoren wird durch den Mittel wertbildner 15 die gesuchte Fahrzeuggeschwindigkeit v_fuz als gewichteter Mittelwert der Radgeschwindigkeiten nachfolgender Beziehung berechnet:

Stellt das Fuzzy-System 14 fest, daß keine der Radgeschwin digkeiten einen zuverlässigen Schätzwert der Fahrzeugge schwindigkeit liefern, kann es in besonderen Fällen vorkom men, daß alle Radgewichtungsfaktoren gleich null gesetzt werden. In diesem Fall kann die Fahrzeuggeschwindigkeit mit Hilfe eines Beschleunigungssensors ermittelt werden (vgl. Beschreibung zu Fig. 6). Um aber bei der vorliegenden Be rechnung eine Division durch null zu vermeiden, wird vorweg abgefragt, ob die Summe aller Radgewichte gleich null ist und ggf. eine Ersatzlösung berechnet. Im Falle einer Beschleuni gung basiert diese Lösung auf der maximalen Geschwindigkeit der nicht angetriebenen Räder, im Falle einer Bremsung auf der maximalen Geschwindigkeit aller vier Räder.

Um die aktuellen Meßwerte der Radgeschwindigkeiten durch das Fuzzy-System 14 zu bewerten, werden als Eingangsgrößen rela tive Differenzen gebildet, d. h. für jedes Rad wird der aktu elle Meßwert mit der zum vorhergehenden Abtastschritt ermit telten Fahrzeuggeschwindigkeit verglichen und auf diese bezo gen:

Da die Werte delta_v_i die prozentuale Änderung der momentanen Raddrehzahlen in Bezug auf die Fahrzeuggeschwindigkeit des vorangegangen Abtastzeitpunktes beschreiben, stellen sie eine der Beschleunigung verwandte Größe dar. Ihre Größenordnung kann wie folgt abgeschätzt werden:

Beschleunigung a ≈ 1g = 9,81 m/s²
Abtastzeit ΔT = 16 ms

Anhand der Eingangsgrößen delta_v_i werden in einer Regelbasis 18 des Fuzzy-Systems 14 (Fig. 3) die einzelnen Radgeschwin digkeiten bewertet und die entsprechenden Gewichtungsfaktoren k_i gebildet.

Die Definition von linguistischen Termen zur Charakteri sierung der Eingangsgrößen delta_v_i und der Ausgangsgrößen k_i des Fuzzy-Systems 14 wird an dem Beispiel der linguistischen Variablen delta_v_vl und k_vl erläutert (Fig. 4 und Fig. 5). Die Definition der restlichen Eingangs- und Ausgangsgrößen erfolgt analog.

Die linguistische Variable "delta_v_vl" wird durch die vier lin guistischen Terme "negativ", "null", "positiv" und "stark_positiv" charakterisiert, die wiederum durch die ent sprechenden Zugehörigkeitsfunktionen µ_negativ, µ_null, µ_positiv und stark_positiv beschrieben werden. Die Defini tion der Zugehörigkeitsfunktionen erfolgt durch die Angabe der Mengen der (x/µ (x))-Wertepaare der Eckpunkte:

Die linguistische Variable k_vl wird durch die drei linguisti schen Terme "minimal", "mittel" und "maximal" charakteri siert, die jeweils durch ihre Zugehörigkeitsfunktion be schrieben werden.

M_minimal = {(-25/0), (0/1), (25/0)}
M_mittel = {(0/0), (25/1), (s0/0)}
M_maximal = {(25/0), (50/1), (75/0)}.

Die Regelbasis 18 des Fuzzy-Systems 14 wird folgendermaßen definiert:
Mit vier Eingangsgrößen, die jeweils vier Werte annehmen können, lassen sich maximal 64 verschiedene Regelprämissen formulieren. Es hat sich aber gezeigt, daß vierzehn Regeln ausreichen, um die unterschiedlichen Fahrsituationen zu er kennen und die Gewichtungsfaktoren richtig zu ermitteln.

Regel 1: WENN delta_v_vl = stark_positiv DANN k_vl = minimal

"delta_v_vl = stark positiv" bedeutet, daß die aktuelle Vor derraddrehzahl sehr viel größer ist, als die zuletzt ge schätzte Fahrzeuggeschwindigkeit. Dies kann eigentlich bei den nicht angetriebenen Vorderrädern nur ein Meßfehler sein.

Fuzzy-Regeln:

Da die Regeln für Vorder- und Hinterräder symmetrisch aufge baut sind, genügt es, für jeweils ein Vorder- bzw. Hinterrad zu überprüfen, ob für jede denkbare Situation am Eingang die Ausgänge einen definierten Wert annehmen.

Linkes Vorderrad
deltav_vl
aktive Regeln
stark positiv
Regel 1
	falls gleichzeitig deltav_hl=
	stark positiv: Regel 2
positiv	Regel 5
null	Regel 7
negativ	Regel 9

Rechtes Hinterrad
deltav_hr
aktive Regeln
stark positiv
Regel 14
positiv	Regel 14
null	Regel 12
negativ	Regel 14

Steht zusätzlich zu den Raddrehzahlsensoren 4 bis 7 ein Längsbeschleunigungssensor (11 in Fig. 1) zur Verfügung, mit dem die Beschleunigung in Fahrzeuglängsrichtung α_l gemessen werden kann, so kann aus diesem Signal nicht direkt ein Schätzwert für die Fahrzeuggeschwindigkeit gewonnen werden. Man muß den Meßwert zuerst um einen durch die Geländesteigung verursachten Fehler a_g korrigieren.

a_g=g·sinα (Gl. 4)

worin g die Erdbeschleunigung und α der Steigungswinkel der Fahrbahn sind, um dann durch Integration einen Schätzwert v_a zu erhalten.

Das Fuzzy-Berechnungsschema entspricht hier weitgehend dem von Fig. 2 - es ist deshalb nicht erneut dargestellt - wobei als Eingangsgrößen zusätzlich zu den vier Radgeschwindig keiten v_i das korrigierte Beschleunigungsintegral v_a in das Fuzzy-Systems eingegeben werden. Entsprechend wird ein zu sätzlicher Gewichtungsfaktor k_a für die Beschleunigung be rechnet. Die Fahrzeuggeschwindigkeit v_fuz wird dann auch hier wie anhand von Fig. 2 beschrieben durch den Mittelwertbild ner 15 als gewichtetes Mittel der Eingangsgrößen berechnet.

Zur Bewertung der Meßgrößen durch das Fuzzy-System 14 werden für die vier Räder Werte delta_v_i wie beschrieben berechnet, für den Beschleunigungssensor wird zusätzlich eine relative Differenz definiert

Durch den Beschleunigungssensor wird die Ermittlung der Fahr zeuggeschwindigkeit durch das regelbasierte Fuzzy-System im Bereich von Bremsvorgängen verbessert. Da in diesem Bereich keine der Raddrehzahlen einen plausiblen Schätzwert der Fahr zeuggeschwindigkeit liefert, wurden die Gewichtungsfaktoren der Räder bislang meist zu null gesetzt. Es wird hier nun das regelbasierte Fuzzy-System um eine zweite Regelbasis erwei tert, die den Gewichtungsfaktor k_a des Beschleunigungssensors aus den Gewichtungsfaktoren der Räder und dem Wert delta_v_a bestimmt. Um eventuelle Meßfehler der Radsensoren zu erken nen, wird der Wert delta_v als zusätzliche Eingangsgröße der Regelbasis 1 auch zur Bestimmung der Radgewichtungsfaktoren verwendet (Fig. 6).

Die Definition der linguistischen Terme zur Charakterisierung der linguistischen Variablen delta_v_vl, delta_v_vr, delta_v_hl, delta_v_hr, delta_v_a sowie der linguistischen Variablen k_vl, k_vr, k_hl, k_hr und k_a erfolgt analog zu der vorstehend beschrie benen Definition der Werte delta_v_vl und k_vl.

Eine erste Regelbasis 1 enthält die bereits aufgeführten Regeln und einige weitere Regeln, die die zusätzlichen Werte v_a und delta_v_a berücksichtigen. Es werden hier als Beispiele folgende Regeln aufgeführt

Da die Regeln für Vorder- und Hinterräder wiederum symme trisch aufgebaut sind, genügt es, für jeweils ein Vorder- und ein Hinterrad zu überprüfen, ob für jede denkbare Situation am Eingang die Ausgangsgrößen einen definierten Wert anneh men.

Der vorstehend beschriebenen Methoden zur Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit wurden für die praktische Erprobung in einem Fahrzeug-Steuergerät entwickelt. Der in dem Fahrzeug zur Verfügung stehende 8051 Mikroprozessor ist ein 8-Bit- Prozessor mit nur begrenzter Rechen- und Speicherkapazität. Daher spielte bei der Auswahl des Inferenzschemas die Größe des von einem im Handel erhältlichen Fuzzy-C Compilers (TIL- Shell)erzeugten C-Codes eine wesentliche Rolle. Beim einem Inferenzschema nach der bekannten MAX-MIN-Methode werden die Zugehörigkeitsfunktionen als Arrays definiert, in denen für alle möglichen Werte der Eingangsgrößen die entsprechenden Werte der Zugehörigkeitsfunktionen abgelegt sind. Bei Verwen dung der ebenfalls bekannten MAX-PROD-Inferenz werden die Zugehörigkeitsfunktionen lediglich durch die Angabe ihrer Eckpunkte definiert, z. B. bei einer trapezförmigen Zugehörig keitsfunktion durch vier (x/µ (x)) Wertepaare. Wegen diesem geringeren Bedarf an Speicherplatz wird hier die MAX-PROD- Inferenz verwendet. Zur Defuzzifizierung wird das ebenfalls bekannte Flächenschwerpunktsverfahren verwendet.

Die beschriebene Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit in der Schaltungsanordnung 2 erfolgt mit einem Unterprogramm eines in dem Steuergerät 3 ablaufenden Hauptprogramms - zum Beispiel eine ABS-Steuerprogramms - , und es wird von diesem Hauptprogramm nach dessen Initialisierungsphase als soge nannte Task aufgerufen. Es läuft wie folgt ab (Fig. 7):

Nach dem Start werden in einem Schritt S1 die Signale (z. B. die vier Raddrehzahlen, die Längsbeschleunigung, der Gierwin kel, usw.) gemessen und aufbereitet (z. B. Filterung der Rad drehzahlen, Längsbeschleunigung, Gierwinkel, usw.).

In einem Schritt S2 werden die Fuzzy-Input-Daten aus den aufbereiteten Eingangssignalen (delta_v_vl, . . .) berechnet und die Fahrzeuggeschwindigkeit aus der Beschleunigung unter Beach tung des Fahrzeugzustandes durch Integrieren berechnet.

In einem Schritt S3 wird die Fuzzy-Regelbasis abgearbeitet. Dazu werden die Eingangssignale fuzzifiziert (d. h. eine phy sikalische Zustandsvariable auf eine linguistische Zustands variable abgebildet), die Fuzzy-Regeln abgearbeitet und die Ausgangssignale aus der Regelbasis defuzzifiziert (d. h. eine linguistische Zustandsvariable auf eine physikalische Varia ble abgebildet).

Mit "Ende" ist das Unterprogramm beendet.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs (1), die Raddrehzahlsensoren (4 bis 7) und ein Steuergerät (3) aufweist, in dem die Signale der Raddrehzahlsensoren ausgewertet, Mittelwerte gebildet und die Radgeschwindigkeiten berechnet werden, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Steuergerät ein Fuzzy-System (14) enthält, dem als Eingangsgrößen relative Differenzwerte der Radgeschwin digkeiten eingegeben werden und in der Gewichtsfaktoren (k_i) für die einzeln Radgeschwindigkeiten (v_i) berechnet werden, und
- daß durch das Steuergerät die Geschwindigkeit (v_fuz) des Kraftfahrzeugs (1) als gewichteter Mittelwert der vier Radgeschwindigkeiten berechnet wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs (1) nach folgender Formel berechnet wird: worin
v_fuz die zu ermittelnde Geschwindigkeit,
k_i die Gewichtsfaktoren für die Radgeschwindigkeiten und
v_i die einzeln Radgeschwindigkeiten sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die relativen Differenzwerte (delta_v_i(k)) der Radge schwindigkeiten gegenüber der zu einem vorherigen Abtastzeit punkt ermittelten Geschwindigkeit (v_fuz (k-1)) wie folgt gebildet werden

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß als weitere Eingangsgröße des Fuzzy-Systems die re lative Differenz (delta_v_a) des von einem Beschleunigungs sensor gelieferten Signals gegenüber dem zu dem vorherigen Abtastzeitpunkt ermittelten Wert eingegeben wird.

5. Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Kraft fahrzeugs durch Auswerten der Signale von Raddrehzahlsenso ren, dadurch gekennzeichnet, daß relative Differenzwerte der Radgeschwindigkeiten gegenüber der zu einem vorherigen Abta stzeitpunkt ermittelten Geschwindigkeit als Eingangsgrößen in ein Fuzzy-System eingegeben und in diesem Gewichtsfaktoren für die einzelnen Radgeschwindigkeiten berechnet werden, und daß durch das Steuergerät die Geschwindigkeit als gewichteter Mittelwert der vier Radgeschwindigkeiten berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Differenz des von einem Beschleunigungssensor ge lieferten Signals gegenüber dem zu dem vorherigen Abtast zeitpunkt ermittelten Wert als weitere Eingangsgröße in das Fuzzy-System eingegeben wird.