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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Lenkungssteuersysteme,
mit denen Kraftfahrzeuge und insbesondere, aber nicht ausschließlich, Nutzfahrzeuge,
wie Lastwagen, ausgestattet werden. Sie betrifft insbesondere Lenkungssysteme,
bei denen der Einschlag der Räder
nicht durch ein mechanisches Getriebe, sondern mittels einer oder
mehrerer Vorrichtungen erhalten wird, die hydraulische, elektrohydraulische
oder elektrische Kreise einsetzen. Dieser Lenkungstyp ist unter
der Bezeichnung "Steer by
Wire" bekannt.
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Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Lenkungssteuerung
mittels dieses Systemtyps, das darauf abzielt, die Dynamik des Einschlagwinkels
in Abhängigkeit
von den vom Fahrer auf das Lenkungssteuerteil ausgeübten Bewegungen
zu optimieren.
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Stand der Technik
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Im
Allgemeinen wirken die „Steer-by-Wire"-Lenkungssysteme
auf den Einschlagwinkel mittels eines oder mehrerer Stellglieder,
die abhängig von
der Winkelposition des Lenkrads oder eines Manipulators in Form
eines Knüppels
oder Hebels, und also allgemein eines Lenkwinkelsteuerteils, gesteuert
werden.
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Das
Fehlen einer mechanischen Verbindung bei dem Lenkungssystem erlaubt
eine relativ direkte Steuerung und erlaubt es, dass die Amplitude
der Bewegungen des Fahrers wesentlich reduziert ist. Das Lenkungssteuerteil
kann äußerst mühelos und
mit einer begrenzten Amplitude gehandhabt werden. Aufgrund dieser
geringen Amplitude und folglich der relativ hohen Sensibilität dieses
Steuerungstyps ist es jedoch erforderlich, dass der Fahrer besonders
aufmerksam ist und dass er seine Bewegungen perfekt kontrolliert,
um zu verhindern, dass zu abrupte Bewegungen auf das Fahrzeug übertragen
werden.
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Diese
zu abrupten Bewegungen bewirken nicht nur Abweichungen von der Fahrstrecke
sondern auch eine Abnutzung der Reifen, mechanische oder hydraulische
Belastungen für
die verschiedenen Stellglieder sowie einen unnötigen Energieverbrauch.
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Zur
Lösung
dieses Problems wurde in der
US
5 944 137 , die im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben
ist, vorgeschlagen, eine Filterung des vom Lenkungssteuerteil in
Richtung der für
den Einschlag der gelenkten Räder
zuständigen
Stellglieder ausgehenden Signals zu gewährleisten. Genauer gesagt handelt
es sich dabei um eine Tiefpassfilterung, deren Grenzfrequenz abhängig von
verschiedenen Betriebsfaktoren dynamisch modifiziert werden kann. So
kann sich die Grenzfrequenz dieser Filterung verringern, wenn sich
entweder die Geschwindigkeit oder der Untersetzungsfaktor erhöht (d.h.
das Verhältnis
zwischen dem Einschlagwinkel und dem Winkel, der an das Lenkrad
angelegt werden muss, um diesen Einschlagwinkel zu erhalten) oder
aber auch mit der Amplitude der Reifenbewegung oder aber auch einer
Kombination von mehreren dieser Faktoren. Es ist festzustellen,
dass dieser Filterungstyp den Verlust aller Hochfrequenzinformationen
herbeiführt.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich folglich auf ein Steuerungsverfahren für die Steuerung
des Einschlagwinkels eines Fahrzeuglenkungssystems. Ein derartiges
Verfahren ermöglicht
es, die an ein Stellglied oder an mehrere Stellglieder, das/die
auf den Einschlagwinkel der Räder
wirkt/wirken, anzulegende Stellgröße aus einem Steuersignal zu
erarbeiten, das von dem Lenkungssteuerteil abgegeben wird, das ein
Lenkrad oder ein Manipulator vom Typ Ministeuerknüppel sein
kann.
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Erfindungsgemäß umfasst
die an das Stellglied anzulegende Stellgröße mindestens zwei Komponenten,
nämlich:
- – eine
erste Komponente, die sich aus einer Verarbeitung des ganzen oder
eines Teils des Signals ergibt, das vom Lenkungssteuerteil abgegeben wird;
- – eine
zweite Komponente, die aus der ersten Komponente und aus dem vom
Lenkungssteuerteil abgegebenen Signal erarbeitet wird. Diese zweite
Komponente wird so erarbeitet, dass nach einer vorbestimmten Zeitdauer
eine globale Stellgröße erhalten
wird, die für
einen gleichen vom Lenkungssteuerteil abgegebenen Signalwert identisch
ist.
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Anders
ausgedrückt
besteht die Erfindung darin, das vom Lenkungssteuerteil abgegebene
Signal zu verwenden, es einer Behandlung zu unterziehen, die eine
Frequenzfilterung, eine Filterung durch Sättigung oder aber eine Scheitelwertbegrenzung sein
kann, um einen Teil bestimmter Phänomene zu beseitigen, die als
ein abruptes oder unbeabsichtigtes Manöver seitens des Fahrers interpretiert
werden können.
Dieses verarbeitete Signal wird anschließend verwendet, um einen Teil
der auf das Stellglied anzulegenden Stellgröße zu bilden.
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Diese
Stellgröße berücksichtigt
auch eine zweite Komponente, die ausgehend von dem behandelten Anteil
sowie von dem direkt vom Lenkungssteuerteil abgegebenen Signal,
eventuell mit einer spezifischen Verarbeitung, erarbeitet wird.
Diese zweite Komponente entspricht einem Anteil der Stellgröße, die
vorübergehend
gespeichert und dann nach und nach in die globale Stellgröße integriert wird,
wodurch die Auswirkungen von zu abrupten Veränderungen in dem vom Lenkungssteuerteil
abgegebenen Signal begrenzt werden.
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Diese
zweite Komponente kann also so erarbeitet werden, dass sie eine
vorbestimmte maximale Amplitude aufweist, wodurch das Anlegen einer
zu erheblichen Stellgröße an das
für den
Einschlag zuständige
Stellglied verhindert wird. Zusätzlich
kann auch eine Begrenzung der Differentiale beliebiger Ordnung dieser
zweiten Komponente vorgesehen werden.
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Jedenfalls
wird diese zweite Komponente der Stellgröße derart berechnet, dass der
erhaltene Einschlagwinkel nach einer bestimmten Zeit für eine gegebene
Winkelposition des Lenkrads oder des Knüppels des Manipulators immer
der gleiche ist und das unabhängig
von der Weise, d.h. von der Geschwindigkeit oder der Winkelbeschleunigung,
mit der der Fahrer das Lenkrad betätigt.
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Da
ein Teil der Stellgröße verzögert ist,
bewirkt die Erfindung, dass, falls der Fahrer schnelle und unbeabsichtigte
Bewegungen ausführt,
das Stellglied nicht schnell und aufeinanderfolgend in zwei verschiedene
Richtungen gesteuert wird.
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In
der Praxis erfolgt die zum Erhalt der ersten Komponente der Stellgröße durchgeführte Verarbeitung
für den
vom Lenkungssteuerteil abgegebenen Winkelwert oder auch seines Diffe rentials,
d.h. die Drehgeschwindigkeit des Lenkrads, oder auch, falls erforderlich,
für ein
beliebiges Differential höherer Ordnung.
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Die
auf das Stellglied angelegte Stellgröße kann auch eine zusätzliche
Komponente umfassen, die direkt einem Teil des vom Lenkungssteuerteil
abgegebenen Signals entspricht und die also keiner besonderen Verarbeitung
unterliegt. Die Verhältnisse dieser
verschiedenen Komponenten können
an das gewünschte
Verhalten angepasst sein, und insbesondere an die Notwendigkeit,
dem System die Fähigkeit
zu verleihen, unbeabsichtigte Bewegungen zu dämpfen.
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Dadurch
ist es auch möglich,
die verschiedenen Komponenten so zu parametrieren, dass die Lenkung
direkter ist, indem also die spezifischen Verarbeitungen gemäß den Fahrzeugcharakteristika, des
Streckentyps, der Fahrzeugbeladung oder anderer Parameter gedämpft werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
Art und Weise der Umsetzung der Erfindung sowie die sich aus ihr
ergebenden Vorteile werden aus der Beschreibung der folgenden Ausführungsform
mit Bezug auf die beigefügten
Figuren besser ersichtlich, in denen
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1 ein
allgemeines und vereinfachtes Übersichtsschaubild
eines Lenkungssteuersystems ist und
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2 ein
vereinfachtes Blockschaltbild ist, das die verschiedenen Funktionen
darstellt, die im Rahmen der Erarbeitung der Stellgröße, die
auf das für
den Einschlag der Räder
zuständige
Stellglied anzulegen ist, ausgeführt
werden.
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Art der Ausführung der
Erfindung
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Ein
Lenkungssteuersystem vom Typ „Steer by
wire" kann, wie
in 1 schematisch dargestellt ist, durch ein Lenkungssteuerteil
(1) verwirklicht sein, das bei der dargestellten Form einem
Lenkrad gleichzusetzen ist. Der Winkel α wird durch einen Sensor (2)
gemessen, der ein Signal (3) erzeugt, das an einen Rechner
(4) weitergeleitet wird. Dieser Rechner (4) erzeugt
ein Stellgrößensignal
(5), das an ein für den
Einschlag der Räder
(7) zuständiges
Stell glied (6) angelegt wird, und Änderungen des Winkels θ, den jedes
der Räder
mit der Rich tung, in der das Fahrzeug in der Geraden ist, beschreibt.
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Natürlich kann
das Stellglied (6) in sehr vielen verschiedenen Bauweisen
ausgeführt
sein, insbesondere hydraulisch, elektrohydraulisch oder auch vollständig elektrisch.
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Das
Stellgrößensignal
(5) wird dann je nach dem verwendeten Stellgrößentyp angepasst.
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2 stellt
ein besonderes Beispiel der Verarbeitungsweise des von dem Lenkungssteuerteil abgegebenen
Signals (3) dar. Dieses Schaltbild wird natürlich nur
zur Veranschaulichung angegeben und jedes der Elemente, die es enthält, kann
entweder als Software oder als Hardware ausgeführt sein, ohne den Rahmen der
Erfindung zu verlassen.
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Bestimmte
Elemente können
darüber
hinaus auch auf kombinierte Weise ausgeführt sein, wobei das Schaltbild
nur zu Erklärungszwecken
angegeben ist.
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So
wird das durch Messung des Winkels des Lenkrads (1) erarbeitete
Signal (3) an den Rechner (4) übermittelt und von ihm verarbeitet,
wobei in einem ersten Schritt (10) ein Teil (11)
dieses Signals nicht verarbeitet wird und direkt an das Stellglied
weitergeleitet werden soll. Der andere Anteil (12) dieses Signals
soll im Bereich des Blocks (14) verarbeitet werden.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
entspricht das Signal (3) und damit der behandelte Anteil (12)
dem Drehwinkel des Lenkrads, der anschließend im Bereich des Blocks
(15) differenziert wird, um ein Signal (16) zu
bilden, das der Geschwindigkeit des Einschlags des Lenkrads entspricht.
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Wie
bereits ausgeführt,
kann es sich um ein Differential höherer Ordnung handeln, wenn
nicht eine Verarbeitung aufgrund der Geschwindigkeit sondern aufgrund
der Beschleunigung oder aufgrund von Differentialen höherer Ordnung
des Drehwinkels des Lenkrads gewünscht
ist,
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Im
Bereich des Blocks (14), kann diese Einschlaggeschwindigkeit
auf verschiedene Weise behandelt werden, durch Frequenzbehandlung,
beispielsweise des Typs PID, oder aber auch indem Sättigungs-
oder Scheitelwertbegrenzungs-Funktionen gewährleistet werden. Die dieser
Behandlung entnommene Geschwindigkeit (18) wird anschließend im
Bereich des Integrators (19) integriert, um ein Signal
(20) zu definieren, das einem Winkelwert entspricht, der
selbst wiederum an den Block (21) weitergeleitet wird,
der einen Teil der Rekombination der künftigen Stellgröße des Stellglieds
gewährleistet.
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Der
nicht gefilterte Teil (23) der Einschlaggeschwindigkeit
wird anschließend
an einen Pufferspeicher (24) weitergeleitet, der insbesondere
den Integrationsvorgang im Hinblick darauf gewährleistet, ein Signal (25)
zu erarbeiten, das einem Winkelversatz entspricht.
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Der
Block (27) gewährleistet
die Erarbeitung eines Signals (29), das einem Nachstellwinkel
entspricht, der mit der ersten Komponente der Stellgröße (28)
kombiniert werden soll. Dieser Nachstellwinkel (29) entspricht
einer Leerung des Pufferspeichers (24). Dieses Leeren berücksichtigt
bei der dargestellten Ausführungsform
eine maximale Einschlaggeschwindigkeit (30) sowie die erste
Komponente (28) der an das Stellglied angelegten Stellgröße.
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Die
erste Komponente (28) und die zweite Komponente (29)
des Stellwerts werden anschließend
kombiniert, beispielsweise durch Addition im Bereich des Blocks
(32), um die globale Stellgröße (5) zu erarbeiten,
die an das Stellglied angelegt wird. Das Anlegen des Nachstellwinkels
(29) erlaubt es, die Gesamtheit der von dem Fahrer auf
das Lenkrad angelegten Stellgröße zu berücksichtigen,
wobei aber die Behandlungsdynamik geglättet wird und ein Teil dieser
Stellgröße nach
und nach verteilt wird.
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Selbstverständlich kann
dieses Prinzip auch umgesetzt werden, indem andere als die in 2 beschriebenen
Funktionen und Anordnungen verwendet werden, solange ein Teil des
vom Steuerteil abgegebenen Signals behandelt wird, während der
andere Teil vorübergehend
gespeichert und dann nach und nach „destilliert" wird, um einen Teil
der auf das Stellglied angelegten Stellgröße zu bilden.
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Dem
Vorstehenden ist zu entnehmen, dass das erfindungsgemäße Verfahren
ein Glätten
der Raddynamik erlaubt, indem es die Auswirkungen von abrupten und
unbeabsichtigten Lenkradbewegungen abmildert. Daraus ergibt sich
eine Verbesserung der Sicherheit und eine Verringerung des Verschleißes der
verschiedenen Elemente der Einschlagsteuerungskette.