DE69012133T2

DE69012133T2 - Steuervorrichtung für kraftfahrzeuge.

Info

Publication number: DE69012133T2
Application number: DE69012133T
Authority: DE
Inventors: David Norfolk Nr16 1Ad Burke; David Allen Milton Keynes Bedfordshire Mk11 1Bn Williams; Peter Godfrey Norfolk Nr14 8Ez Wright
Original assignee: Group Lotus PLC
Current assignee: Group Lotus PLC
Priority date: 1989-06-08
Filing date: 1990-05-08
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2010-05-09
Also published as: CA2057871C; JP2955015B2; ES2063355T3; JPH04505737A; CA2057871A1; WO1990014980A1; EP0487529A1; DE69012133D1; US5348111A; GB8913212D0; EP0487529B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Radfahrzeug-Lenksystem. Der Ausdruck "Radfahrzeug" schließt Kraftwagen, Busse, Lastwagen und Anhänger, Traktoren, Sattelschlepper und Halbketten- Landfahrzeuge ein.
Das erfindungsgemäße System eignet sich besonders für die Verwendung in Radfahrzeugen, wie Kraftwagen, bei denen sowohl die Vorder- als auch die Hinterräder lenkbar sind.
Bei konventionellen Kraftwagen werden die Vorderräder gelenkt, und die Hinterräder sind bezüglich des Fahrzeugkörpers nicht lenkbar. Derartige Kraftwagen leiden unter einer Erscheinung, die als Lenkwinkelschlupf bekannt ist, bei welcher der Winkel, um den das Fahrzeug gelenkt wird, kleiner ist als der als Lenkwinkel bekannte Winkel, um welchen die lenkbaren Räder gedreht wurden, wenn das Fahrzeug eine Kurve fährt. Der Winkel, um welchen das Fahrzeug einlenkt, und der Lenkwinkel werden in Bezug auf eine Längsachse des Fahrzeuges gemessen, die parallel zur Fahrzeugtangente zu dem vom Fahrzeug gefahrenen Weg ist.
Der Lenkwinkelschlupf ergibt sich aus dem Umstand, daß die Drehachse des konventionellen Kraftwagens nicht mit seinem Schwerpunkt übereinstimmt. Der Kraftfahrer muß den Lenkwinkel ständig korrigieren, um zu gewährleisten, daß das Fahrzeug dem von ihm beabsichtigten Weg folgt. Das Lenksystem des Fahrzeuges ist also ein rückführungsloses mechanisches System.
Es besteht deshalb ein Bedarf an einem Radfahrzeug-Lenksystem mit höherer Genauigkeit als die von bekannten Lenksystemen mit einer rückführungslosen Steuerung.
Die mit dem Lenkwinkelschlupf und der Ungenauigkeit der konventionellen Lenksysteme verbundenen Probleme lassen sich mildern, wenn bei einem Fahrzeug mit Vorder- und Hinterrädern nicht nur die Vorderräder, sondern auch die Hinterräder gelenkt werden.
Derartige Systeme sind allgemein bekannt und wurden als mechanische und hydraulische Systeme gebaut. Zum Beispiel offenbaren die EP-A-0225773 und US-A-4770264 ein hydraulisches System zur Lenkung der Hinterräder eines Vierrad- Fahrzeuges mit Vorder- und Hinterrädern.
Das EP-A-0150856 beschreibt einige Radfahrzeugsteuersysteme zur Steuerung der Vorder- oder Hinterräder eines Fahrzeuges. Die dargestellten Steuersysteme sind Systeme mit Rückführung, bei denen die vom Fahrer des Fahrzeuges verlangte Lenkwinkeleingabe mit der gemessenenen Reaktion des Fahrzeuges verglichen wird. Die verlangte Lenkwinkeleingabe wird durch Messung des Einschlagwinkels des Lenkrades gemessen. Die Fahrzeugreaktion wird durch ein Gyrometer für die Kursabweichung oder durch einen Beschleunigungsmesser für die seitliche Bewegung ermittelt. Das Lenkwinkelsignal wird in eine solche Form gebracht, daß es direkt mit der ermittelten Größe der Kursabweichung bzw. der seitlichen Beschleunigung verglichen werden kann. Aus der Differenz zwischen dem modifizierten Lenkwinkelsignal und der gemessenen Größe der Kursabweichung bzw. dem seitlichen Beschleunigungssignal wird ein Differenzsignal erzeugt. Das Differenzsignal wird verwendet, um ein Rad des Fahrzeuges so zu lenken, daß die Differenz gegen Null geht. Das gelenkte Rad kann ein Vorderrad oder ein Hinterrad des Fahrzeuges sein. Bei einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele wird in dem Regelsystem zusätzlich zur Geschwindigkeit der Kursabweichung auch die Gierbeschleunigung verwendet.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß einem Aspekt ein Radfahrzeuglenksystem vor mit:
einem einstellbaren Lenkwinkeleingabemittel;
Mitteln zur Erzeugung eines ersten elektrischen Signals, das der über das Lenkwinkeleingabemittel angeforderten Eingabe proportional ist;
einer Vorrichtung zur Lenkung eines Fahrzeugrades in Reaktion auf das erste elektrische Signal;
einem Mittel zum Erfassen der Reaktion des Fahrzeuges;
Mitteln zum Bereitstellen eines zweiten elektrischen Signals, das der erfaßten Reaktion proportional ist;
einer Vergleichseinrichtung zum Vergleich des ersten mit dem zweiten elektrischen Signal und zur Erzeugung eines Differenzsignals aus dem Vergleich;
sowie einer Einrichtung zum Lenken eines Fahrzeugrades in Reaktion auf das Differenzsignal,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Filtereinrichtung vorgesehen ist, um das erste elektrische Signal zu filtern, bevor dieses durch die Vergleichseinrichtung mit dem zweiten elektrischen Signal verglichen wird.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß einem zweiten Aspekt ein Lenksystem für ein Radfahrzeug mit mindestens einem lenkbaren Vorderrad und mindestens einem lenkbaren Hinterrad vor, bestehend aus:
einem Lenkrad, das mechanisch mit dem lenkbaren Vorderrad verbunden ist, um das Vorderrad zu lenken;
einer Einrichtung zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals, das dem eingeschlagenen Winkel des Lenkrades proportional ist;
einer Meßeinrichtung zum Erfassen der Reaktion des Fahrzeuges;
einem Mittel zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals, das der erfaßten Reaktion proportional ist;
einer Vergleichseinrichtung zum Vergleich des ersten mit dem zweiten elektrischen Signal und zum Erzeugen eines Differenzsignals aus dem Vergleich;
sowie einer Einrichtung zum Lenken des Hinterrades in Reaktion auf das Differenzsignal,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Filtereinrichtung vorgesehen ist, um das erste elektrische Signal zu filtern, bevor dieses durch die Vergleichseinrichtung mit dem zweiten elektrischen Signal verglichen wird.
Beide Aspekte der Erfindung besitzen einen gemeinsamen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Bei den Steuerungen, die in dem EP-A-150856 beschrieben werden, wird das gemessene Lenkwinkelsignal nicht gefiltert, bevor es zur Erzeugung eines Differenzsignals mit dem gemessenen Fahrzeugreaktionssignal kombiniert wird. Dies kann zu Systemen führen, welche während des normalen Fahrens auf der Straße zu empfindlich auf den Fahrer reagieren. Die Verwendung eines Filters gestattet es, die Reaktion des Fahrers auf die Fahrereingabe nach den Ansprüchen des Fahrers einzurichten, ohne die Leistung das Regelsystems zu beeinflussen.
Das erfindungsgemäße System ist besonders zur Lenkung eines Hinterrades bei einem Fahrzeug mit Vorder- und Hinterrädern geeignet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, von denen:
Fig. 1a, 1b, 1c, 1d schematische Darstellungen und ein Diagramm zeigen, welche das bekannte Prinzip der rückführungslosen Steuerung eines Lenksystems für ein Radfahrzeug erläutern;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht des Lenksystems für den Einsatz der Erfindung in einem Straßenfahrzeug mit lenkbaren Vorder- und Hinterrädern darstellt;
Fig. 3a, 3b, 3c schematische Darstellungen zeigen, die den Einsatz des Regelprinzips bei einem Lenkystem gemäß Fig. 2 veranschaulichen;
Fig. 4 das Blockschaltbild eines Regelsystems für den Einsatz in dem Lenksystem der Fig. 2 und 3 darstellt;
Fig. 5 ein Diagramm darstellt, das die Veränderung der Lenkverstärkung im Ruhezustand bei seitlicher Beschleunigung als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit bei einer Variante des Regelsystems nach Fig. 4 zeigt;
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Regelsystems für den Einsatz in einem Lenksystem gemäß Fig. 2 darstellt;
Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Regelsystems mit einem Eingabefilter entsprechend der Erfindung darstellt; und
Fig. 8 und 9 Blockschaltbilder von Einzelheiten des Eingabefilters nach Fig. 7 darstellen.
Entsprechend den Fig. 1a, 1b, 1c und 1d werden schematische Darstellungen und ein Diagramm gezeigt, welche die Anordnung und die Kennlinien eines bekannten rückführungslosen Steuersystems zur Steuerung der Lenkung eines Radfahrzeuges veranschaulichen. Bei dem in den Fig. 1a bis 1d gezeigten Beispiel ist ein Fahrzeug 10 mit lenkbaren Vorderrädern 11 und 12 und lenkbaren Hinterrädern 13 und 14 dargestellt.
Fig. 1a veranschaulicht das Prinzip der rückführungslosen Steuerung, wobei der hintere Lenkwinkel eine feststehende Funktion des eingeschlagenen mittleren vorderen Lenkwinkels darstellt. Der hintere Lenkwinkel wird durch die Reaktion des Fahrzeuges nicht beeinflußt, und der Regler 110 muß auf das individuelle Fahrzeug, die Bereifung und die Straßenverhältnisse zugeschnitten sein. Fig. 1b zeigt ein Diagramm des Lenkverhältnisses (d.h. hinterer Lenkwinkel : vorderer Lenkwinkel) als Funktion der Geschwindigkeit.
Fig. 1c veranschaulicht die Stellungen der Hinterräder 13, 14, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit größer als eine bestimmte Geschwindigkeit Vc ist, und Fig. 1d zeigt ihre Stellung, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner als Vc ist.
Die Fig. 1c und 1d sind also schematische Darstellungen des durch Fig. 1b festgelegten Verhaltens des Fahrzeuges 10. Obwohl durch den Einsatz der in Fig. 1a gezeigten Anordnung insofern ein gewisser Vorteil gewonnen wird, als das Drehzentrum des Fahrzeuges näher am Schwerpunkt 21 des Fahrzeuges liegt, ergibt das System gemäß den Fig. 1a bis 1d jedoch keine völlig exakte Steuerung des Fahrzeuges, da keine Prüfung der Gesamtreaktion des Fahrzeuges 10 auf den eingeschlagenen vorderen Lenkwinkel (βf) erfolgt.
In Fig. 2 wird nun ein Radfahrzeuglenksystem unter Verwendung eines Filters entsprechend der Erfindung gezeigt.
Wie schon in Fig. 1 dargestellt, besitzt das Fahrzeug 10 lenkbare Vorderräder 11, 12 und lenkbare Hinerräder 13, 14.
An der Lenksäule 16 ist eine einstellbare Einrichtung zur Lenkwinkeleingabe in Form eines Lenkrades 15 angebracht. Zur Messung des Einschlags des Lenkrades 15 ist an der Lenksäule 16 eine Einrichtung zur Erzeugung eines ersten elektrischen Steuersignals in Form einer Abtasteinrichtung 17 angebracht, wie z.B. ein Meßwandler, ein optischer Sensor oder ein anderes geeignetes Mittel. Dieses liefert den verlangten Lenkwinkel (βf), d.h. den Winkel, um welchen der Fahrer das Lenkrad 15 einschlägt. Das Ausgangssignal der Abtasteinrichtung 17 wird einer Steuereinheit 18, z.B. einem Mikroprozessor zugeführt.
Die Räder 11, 12, 13, 14 werden durch hydraulische Betätigungsorgane 19 gelenkt.
Die Betätigungsorgane 19 sind von bekannter Art, mit doppelwirkenden hydraulischen Zylindern und Kolben. Die eine Seite des Kolbens ist durch eine Öffnung in der Zylinderstirnwand mit der Spurstange des Rades verbunden und bewirkt so entsprechend der Kolbenstellung die mechanische Übertragung der Lenkkraft auf die Räder 11, 12, 13, 14. Die Steuerung der Hydraulikflüssigkeit von einer geeigneten Hydraulikdruckquelle auf die beiden Seiten des Kolbens, um den geforderten Lenkeinschlag zu bewirken, erfolgt durch ein auf die Steuersignale von der Steuereinheit 18 ansprechendes Hilfsventil.
Die Vorderräder 11, 12 können wenn gewünscht, in bekannter Weise mechanisch gesteuert werden, durch mechanische Kopplung mit dem Lenkrad 15.
Vorzugsweise wird zur Steuerung jedes Rades 11, 12, 13, 14 ein separates Betätigungsorgan 19 verwendet, obwohl bei geeigneten Anpassungen der Betätigungsorgane 19 auch jedes Radpaar 11, 12 bzw. 13, 14 durch ein einziges Betätigungsorgan 19 gesteuert werden kann.
So nahe wie möglich am Schwerpunkt 21 des Fahrzeuges 10 ist am Fahrzeug 10 eine Abtasteinrichtung zur Erfassung der Reaktion des Fahrzeuges in Form eines Sensors für die Größe der Kursabweichung 20 befestigt, wie z.B. ein Gyrometer oder eine andere geeignete Einrichtung, um die Gierrate (r) des Fahrzeuges 10 zu messen. Die Gierrate (r) ist die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugkörpers 10 um die vertikale Achse durch seinen Schwerpunkt 21. Das Ausgangssignal des Gyrometers 20 wird ebenfalls der Steuereinheit 18 zugeführt.
An dem Fahrzeug 10 ist ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 22 befestigt, wie z.B. ein optischer Sensor, und sein Ausgangssignal wird in die Steuereinheit 18 eingespeist.
Außerdem ist am Fahrzeug 10 ein Beschleunigungssensor 23 eines geeigneten Typs befestigt, um die Querbeschleunigung des Fahrzeuges 10 zu messen, und sein Ausgangssignal wird ebenfalls in die Steuereinheit 18 eingespeist.
Die Vorderräder 11, 12 werden durch Steuersignale von der Steuereinheit 18 gelenkt, indem sie die Hilfsventile und Betätigungsorgane 19 entsprechend dem eingeschlagenen Lenkwinkel (βf) ansteuern, der durch die Lenkwinkelabtasteinrichtung 17 an der Lenksäule 16 gemessen wird.
Die Hinterräder 13, 14 werden ebenfalls durch Steuersignale von der Steuereinheit 18 in gleicher Weise wie oben beschrieben gelenkt, die Steuereinheit 18 kann jedoch unter Nutzung der Ausgangssignale von einer oder mehreren der unterschiedlichen Abtasteinrichtungen 17, 20, 22, 23 eine Vielzahl von Steuerprogrammen realisieren, um die Betätigungsorgane 19 zur Lenkung der Hinterräder 13, 14 zu steuern.
Es können auch rückführungslose Steuerungen zur Lenksteuerung der Hinterräder 13, 14 verwendet werden, jedoch liegt der Hauptnachteil derartiger Systeme im Fehlen der Rückkopplung vom Fahrzeug 10 selbst, so daß die Lenkung die Fahrzeugreaktion auf die vordere und hintere Lenkwinkeleingabe nicht berücksichtigt.
Die Verwendung von Regelungs- bzw. rückgekoppelten Systemen zur Steuerung der Lenkung der Hinterräder 13, 14 ist gegenüber den rückführungslosen Steuerungen der bessere und schnellere Weg zur Steuerung der Manövrierchrakteristik des Fahrzeuges 10.
Ein rückgekoppeltes Steuerungssystem ist ein Steuerungssystem, welches darauf abzielt, die vorgegebene Beziehung einer Systemvariablen zu einer anderen einzuhalten, indem es Funktionen dieser Variablen miteinander vergleicht und die Differenz als Mittel der Steuerung benutzt.
Der Unterschied zwischen einer rückführungslosen und einer rückgekoppelten Regelung wird durch Vergleich zwischen den Fig. 1a, 1b, 1c, 1d und den Fig. 3a, 3b und 3c deutlich.
Fig. 3a zeigt das Regelungsprinzip, bei dem die Vorgabe durch den Fahrer zu der verlangten Fahrzeugreaktion führt, unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Der hintere Lenkwinkel (βr) ist eine Funktion der Abweichung zwischen der verlangten und der tatsächlichen Fahrzeugreaktion, wobei das System zur Modifizierung der Fahrzeugreaktion verwendet werden kann. Mit dem Regelungsalgorithmus für den hinteren Lenkwinkel (βr) kann sowohl das Übergangsverhalten als auch der eingeschwungene Zustand der Fahrzeugreaktion gesteuert werden. Die Stabilität und damit die Sicherheit können erhöht werden, wenn das System auf äußere Störungen reagiert, wodurch sich die Belastung des Fahrers reduziert.
Fig. 3b zeigt die Stellung, bei der die verlangte Reaktion geringer ist als die tatsächliche Reaktion (Übersteuerung), und Fig. 3c zeigt die Stellung, bei der die verlangte Reaktion größer als die tatsächliche Reaktion ist (Untersteuerung). Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Steuersystems verwendet einen Gierraten-(r)-Regelkreis.

Gierraten-(r)-Fehlerregelkreis

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der verlangte Lenkwinkel (βf) durch die Lenkabtasteinrichtung 17 gemessen, und diese Information wird an den Mikroprozessor 18 übertragen. Über das Programm des Mikroprozessors 18 werden als Funktion des eingeschlagenen vorderen Lenkwinkels (βf), Steuersignale zur Steuerung der Bewegung der an den Hinterrädern 13, 14 angebrachten hydraulischen Betätigungsorgane 19 erzeugt, und die Giergröße (r), die durch den Giergrößensensor 20 gemessen wird, wird verwendet, um den Prozeß zu steuern. Die Hinterräder 13, 14 werden um den erforderlichen hinteren Lenkwinkel (βr) bewegt. Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild des Regelungssystems, dessen Algorithmus wie folgt lautet:
βr = KyG * (βf * Ky1 - r * (Ky2 + Kdr * f(R))) .... (1)
Ky1 = Verstärkung im stationären Zustand, stellt die verlangte Gierrate dar und ist eine Funktion des speziellen Algorithmus, der gerade gültig ist.
Ky2 = Verstärkung der Gierratenrückkopplung. Dies ist ein Multiplikator der Gierratenrückkopplung und dient zur Maßstabfestlegung.
KyG = Verstärkung des Gierratenfehler-Regelkreises. Ein höheres KyG vergrößert die maximal erreichbare Reaktion des Systems und verringert den Fehler zwischen der geforderten Gierrate und der erreichten Gierrate im stationären Zustand. Es wird jedoch außerdem die Wahrscheinlichkeit des Überschwingens oder von Schwingungen der Gierrate erhöhen.
Kdr = Verstärkung der Rückkopplungsschleife für die Gierbeschleunigung. Die Gierbeschleunigung wird zur Verbesserung der Stabilität des Systems verwendet. Das Signal läßt sich entweder von 2 Achsen- Beschleunigungssensoren oder durch Differenzieren des Gierratensignals gewinnen.
f(R) = Differenzierglied (zur Ableitung der Beschleunigung).
Somit entsteht aus dem verlangten vordere Lenkwinkel (βf) nach Multiplikation mit dem Verstärkungsterm Ky1 der Sollwert für die Gierrate.
Der Gierratensensor 20 mißt die Gierrate des Fahrzeuges 10 als Ganzes, um festzustellen, ob die tatsächliche Reaktion des Fahrzeuges der geforderten Reaktion (welche eine Funktion von βf ist) entspricht, und die Differenz wird durch den Mikroprozessor 18 zu weiteren Berechnungen benutzt.
Es hat sich gezeigt, daß durch Einbeziehung einer Rückkopplungsschleife für die Gierbeschleunigung (Kdr) die Stabilität des Systems verbessert wird, wenn kritische Werte für die Verstärkung des Gierratenfehler-Regelkreises (KyG) verwendet werden.
Das Gierraten-Regelsystem kann auf verschiedene Arten verwendet werden, von denen zwei im Folgenden beschrieben werden. Eine dritte Art ist die Giergeschwindigkeitsabweichung. Bei diesen drei gelten unterschiedliche Regelungs- Algorithmen. Das Ausgangssignal der Gierfehlerschleife (Kyl) ist die Summe der drei Algorithmen. Die Algorithmen können deshalb getrennt aufgerufen werden, indem die zugehörigen Verstärkungen auf Null gesetzt werden; oder es läßt sich ein Sollwert für die Größe der Kursabweichung bilden, welcher die Kombination der drei darstellt.

(i) Vorgabe konstanter Weg

Bei diesem System der Gierratenfehler-Steuerung bilden die Gierrate (r) und die Fahrzeuggeschwindigkeit (V), die durch den Geschwindigkeitssensor 22 gemessen wird, die Eingangssignale des Regelkreises. Die Systemgleichung vereinfacht sich zu:
βr = KyG + (rdem - r * Kyl) .... (2)
mit rdem = βf * V * Ky1.
rdem = Sollgröße der Kursabweichung
r = gemessene Gierrate
V = Fahrzeuggeschwindigkeit
Kyl = Wegverstärkung im eingeschwungenen Zustand.
Bei diesem System wird der Sollwert für den vorderen Lenkwinkel (βf) so modifiziert, daß er einen Sollwert für den Weg repräsentiert, d.h. durch Multiplikation des Sollwertsignals für den vorderen Lenkwinkel (βf) mit dem Verstärkungsausdruck (Ky1) und der Fahrzeuggeschwindigkeit wird ein Sollwert für die Gierrate (rdem) erzeugt, welcher den Sollwert für den verlangten konstanten Fahrzeugweg repräsentiert.

(ii) Vorgabe konstante Querbeschleunigung

Dieser Algorithmus verlangt eine solche Gierrate (r), daß die Querbeschleunigung bei hoher Geschwindigkeit konstant bleibt, um die Fahrzeugstabilität zu verbessern.
Bei diesem System der Gierratenfehler-Steuerung ist das Eingangssignal der Regelschleife wiederum die Größe der Kursabweichung (r), der vordere Lenkwinkel (βf) wird jedoch so modifiziert, daß daraus ein Sollwert für die Querbeschleunigung entsteht. Die Querbeschleunigung des Fahrzeugs (ny) wird von dem Beschleunigungsmesser 23 gemessen. Geht man also von dem System aus, welches durch Gleichung (1) gekennzeichnet ist, erhält man die folgende Systemgleichung:
βr = KyG * (rdem - r * Kyl) .... (3)
mit rdem = βf * Kyl/V
und r = ny/V.
rdem = Sollwert der Gierrate
r = gemessene Gierrate
ny = Querbeschleunigung
V = Fahrzeuggeschwindigkeit
Ky1 = gewünschte Lenkverstärkung der Querbeschleunigung im stationären Zustand (Beschleunigung pro Lenkwinkeleinheit).
In diesem Fall ist der Sollwert der Kursabweichung (rdem) umgekehrt proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit (V), und deshalb bei der Geschwindigkeit Null unendlich. Da diese Bedingung in der Steuereinheit 18 nicht festgestellt werden kann und bei niedrigen Geschwindigkeiten (V) heftige Änderungen des hinteren Lenkwinkels verursachen würde, wird die Beziehung von Ky1 zur Geschwindigkeit (V) vorzugsweise so gewählt, wie die durchgezogene Linie des Diagramms der Fig. 5 zeigt, d.h. der Wert der Lenkverstärkung für die Querbeschleunigung (Ky1) wird für sehr kleine Fahrzeuggeschwindigkeiten auf einen vorgegebenen Maximalwert (Kypg1) begrenzt.
Alternativ zur Verwendung der Gierrate als Mittel der Regelung ist es möglich, auf Basis des Regelkreises für die Querbeschleunigung eine Steuerstrategie abzuleiten. Im Folgenden wird ein derartiges Steuersystem beschrieben.

Regelkreis für die Querbeschleunigung

Die Steuerstrategie für diese Variante wird im Blockschaltbild Fig. 6 gezeigt, in dem gilt:
βr = KIG * (βf * K11 - ny * K12) .... (4)
K11 = Verstärkung im stationären Zustand
K12 = Verstärkung der Rückkopplung für die Querbeschleunigung
KIG = Verstärkung der Regelschleife für die Querbeschleunigung
ny = Fahrzeugquerbeschleunigung
Sobald eine geeignete Schleifenverstärkung (KIG) festgelegt ist, läßt sich mit dieser Strategie eine Vielzahl von Steuerungsformen realisieren, indem eine geeignete Beziehung zwischen dem eingeschlagenen vorderen Lenkwinkel (βf) und der verlangten Querbeschleunigung (ny) abgeleitet wird.
Das Regelsystem für die Querbeschleunigung läßt sich zum Beispiel als ausfallsicheres Reservesteuersystem in einem Fahrzeug einsetzen, das sowohl ein Gierraten-Gyrometer als auch einen Querbeschleunigungsmesser besitzt.
Obwohl alle hier beschriebenen Systeme den eingeschlagenen vorderen Lenkwinkel (βf) aus dem Winkel-Meßwert der Lenkabtasteinrichtung 17 ableiten, kann man sich auch vorstellen, daß als Abtasteinrichtung 17 ein Drehmomentübertrager eingesetzt wird, der das Drehmoment mißt, das auf das Lenkrad 15 aufgebracht wird, oder ein Sensor, der die Bewegung oder Stellung des Lenkrades 15 mißt. Mit entsprechenden Einstellungen am Mikroprozessor 18 können die Regelungssysteme auch mit Drehmomenten-, Positions- oder Bewegungseingangssignalen anstatt mit Winkelsignalen arbeiten.
Es ist bekannt, daß sich die Fahrqualität eines Motorfahrzeugs verbessert, wenn sich bei angenommener Vorwärtsfahrt des Motorfahrzeuges jedes Rad beim Auftreffen auf eine Unebenheit rückwärts bewegen kann, wobei die deutlichste Verbesserung hinsichtlich der Aufprallhärte oder des Abhebens der Federung beim zweiten Anfahren eintritt.
Eine derartige Radbewegung läßt sich durch den Einsatz von in Längsrichtung nachgiebigen Gliedern in der Aufhängung des Motorfahrzeuges realisieren, es ist aber unbedingt erforderlich zu gewährleisten, daß eine derartige Radbewegung nicht zu einer Lenkbewegung des Rades führt, da jede derartige Lenkbewegung des Rades die Stabilität und die Steuereigenschaften des Motorfahrzeuges ungünstig beeinflussen kann.
Bekannte Aufhängesysteme sind mehrgliedrige Anordnungen mit genau konstruierten Drehpunkten, um die geforderten kinematischen Eigenschaften und die gewünschte longitudinale (und seitliche) Nachgiebigkeit zu erreichen, und sind demzufolge relativ aufwendig in der Fertigung.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Lenksystems besteht darin, daß alle unerwünschten Bewegungen eines Rades korrigiert werden können, da die Bewegung jedes Rades kontinuierlich abgetastet und gesteuert wird, so daß auf diese Weise auch Nachgiebigkeiten, wie oben beschreiben, in das System einbezogen werden können, ohne daß bei der Herstellung des Aufhängesystems des Fahrzeuges sehr hohe Genauigkeiten eingehalten werden müssen. Ein Rad darf sich also bei einem Aufprall rückwärts bewegen, damit sich die Fahrqualität verbessert, während alle Fehler in der Radbewegung, zum Beispiel eine unerwünschte Lenkbewegung, durch das Lenksystem korrigiert werden.

Eingabefilterung

Entsprechend der vorliegenden Erfindung läßt sich das Steuersystem durch das Hinzufügen eines "Eingangsfilters", wie in den Fig. 7 - 9 gezeigt wird, aufwerten. Es hat sich gezeigt, daß das vorher beschriebene System während der Fahrt auf normalen Straßen zu empfindlich auf den Fahrer reagiert. Das Filter verringert die Ansprechzeiten auf Aktionen des Fahrers und externe Störungen und gestattet es, das Fahrereingabesignal auf die gewünschte Fahrzeugreaktion auszurichten.
Das Eingabefilter beschreibt das geforderte Fahrzeugverhalten, und es kann, je nach System, so aufgebaut werden, daß es empfindlich auf das Zusammenwirken von Fahrzeug und Reifen reagiert, jedoch entsprechend den Bedürfnissen des Fahrers weniger empfindlich auf Veränderungen der Betriebsbedingungen oder der Straßenverhältnisse.
Das Eingabefilter ist im Prinzip ein Filter zweiter Ordnung mit Vorhalt und Dämpfung. Man kann es sich als einfaches Fahrzeugmodell denken, welches die gewünschte Gierreaktion in Form eines Frequenz-Dämpfungsverhältnisses beschreibt. Das Filter wird auf die Meßwerte für den vorderen und hinteren Steuerwinkel im direkten Pfad des Steueralgorithmus angewendet, und man kann mit ihm die gewünschte Fahrzeugreaktion programmieren, ohne die Leistungsfähigkeit des Regelkreises zu beeinflussen. Das Eingangsfilter gibt dem Fahrer/der Fahrerin die Möglichkeit, die Fahrzeugreaktion auf seinen bzw. ihren Fahrstil abzustimmen, und muß deshalb individuell bewertet werden. Allgemein hat sich gezeigt, daß Fahrer auf befestigten Straßen eine Frequenz von etwa 4 Hertz bei einem Dämpfungsverhältnis von 0,9 und auf unbefestigten Straßen eine Frequenz von 5 - 6 Hertz bei einem Dämpfungsverhältnis von 0,65 bevorzugen. Diese Werte schwanken jedoch von Fahrer zu Fahrer. In Tests wurde auch festgestellt, daß ein bestimmter Fahrer danach strebt, die Steuerparameter so zu optimieren, daß sich bei allen Geschwindigkeiten dieselbe Fahrzeugreaktion einstellt.
Wenden wir uns Fig. 8 zu. Wenn die Frequenz des Eingabefilters (IFKc) nicht gleich Null und die Dämpfung des Eingabefilters (IFCc) nicht gleich Null sind, ist ein zweipoliges Filter mit Vorhalt und Dämpfung gemäß Fig. 8 zu bevorzugen. Wenn die Dämpfung des Eingabefilters (IFCc) gleich Null ist, die Frequenz des Eingabefilters (IFKc) jedoch nicht gleich Null ist, dann kann das einpolige Filter nach Fig. 9 mit einer Zeitkonstante eingesetzt werden.
Bei Verwendung dieser Filtereinheit gilt in dem Diagramm aus Fig. 5 für Geschwindigkeiten (V) unter 1 Vmin die gepunktete Linie. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist 1V eine lineare Funktion der Geschwindigkeit. Der Anstieg läßt sich durch Einstellung von Kmin verändern, was dazu benutzt wird, den Umgang mit dem Fahrzeug bei niedrigen Geschwindigkeiten zu verändern. Damit wird sichergestellt, daß die Hinterräder niemals weiter einlenken als die Vorderräder und daß der Lenkeffekt hinten niemals größer als vorne ist, was, wenn es möglich wäre, unerwünschte Fahrzeugbewegungen in Reaktion auf die Lenkwinkeleingaben an den Vorderrädern begünstigen würde.
Ein Regelungssystem mit hoher Schleifenverstärkung sollte in der Lage sein, auf externe Störungen, die auf das Fahrzeug einwirken, z.B. bei Seitenwind oder geteiltem My zu reagieren und sie zu korrigieren. Bei Tests, die an einem mit ABS ausgerüstetem Fahrzeug mit dem oben beschriebenen System auf einer Oberfläche mit geteiltem My aus glattem Eis (My weniger als 0,1) und Schnee (My größer oder gleich 0,45) durchgeführt wurden, zeigte sich, daß sich im Fall einer Vierradlenkung die Fahrerbelastung und die Fahrzeugunruhe erheblich verringert, und damit die tatsächliche Stabilität des Fahrzeuges verbessert. In einer derartigen Situation kompensiert das Fahrzeugsteuersystem die Differenz zwischen der vom Fahrer gewünschten Reaktion, z.B. daß das Fahrzeug in einer geraden Linie weiterfährt, und dem Einfluß der Oberfläche mit geteiltem My auf die Räder, etwa während des Bremsens, wenn sich das Fahrzeug drehen will, und gewährleistet so, daß das Fahrzeug in gerader Linie weiterfährt. Diese Art des Systems kann in Verbindung mit einem ABS-System verwendet werden, um die Notwendigkeit für ein Select-Low-System zu reduzieren, da die Hinterradlenkung auf jedes Giermoment reagieren kann, das durch das Bremssystem verursacht wird.
Die Anwendung einer Regelungsstrategie kann also zu einer besseren Fahrzeugreaktion über die normalen Bedürfnisse des Fahrers hinaus führen; zu einem gleichbleibenden Bedienverhalten des Fahrzeuges über den gesamten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeuges; und zu besserer Fahrzeugstabilität und Steuerbarkeit bei externen Störungen und bei der Wechselwirkung mit anderen Systemen, wie z.B. einer aktiven Aufhängung oder einem ABS-System, um die Fahrzeugsicherheit unter extremen Bedingungen zu erhöhen.

Claims

1. Lenksystem für Radfahrzeuge mit:

einem einstellbaren Lenkeingabemittel (15);

Mitteln (17) zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals, das einer angeforderten Eingabe des Lenkeingabemittels proportional ist;

einer Vorrichtung (19) zur Lenksteuerung eines Fahrzeugrades in Abhängigkeit vom ersten elektrischen Signal;

einer Meßeinrichtung (20, 23) zum Detektieren der Reaktion des Fahrzeugs;

Mitteln (20) zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signals, das der detektierten Reaktion proportional ist;

einer Vergleichseinrichtung (18), die das erste und zweite elektrische Signal vergleicht und ein Differenzsignal aus dem Vergleich erzeugt; und

einer Vorrichtung (19) zur Lenksteuerung eines Fahrzeugrades in Abhängigkeit vom Differenzsignal, dadurch gekennzeichnet , daß eine Filtereinrichtung vorgesehen ist zum Filtern des ersten elektrischen Signales, bevor dieses durch die Vergleichseinrichtung (18) mit dem zweiten elektrischen Signal verglichen wird.

2. Ein Lenksystem für Radfahrzeuge nach Anspruch 1, bei dem die Filtereinrichtung einen Filter zweiter Ordnung enthält.

3. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach Anspruch 1, bei dem die Filtereinrichtung einen Einzelpolfilter enthält.

4. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Filtereinrichtung durch den Fahrer einstellbar ist, wobei der Fahrer die Ansprechfrequenz des Fahrzeugs auf Anforderungseingaben des Fahrers abstimmen kann.

5. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Lenkeingabemittel (15) drehbar ist, und die Vorrichtung (17) zum Erzeugen des ersten elektrischen Signals Mittel zum Messen des Drehwinkels des Lenkeingabemittels (15) umfaßt.

6. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Meßvorrichtung (20) zum Detektieren der Reaktion des Fahrzeuges Mittel (20) zum Messen der Gierrate des Fahrzeuges und zum Erzeugen eines ihr proportionalen elektrischen Steuersignales umfaßt.

7. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach Anspruch 6, mit Mitteln zum Verarbeiten des der Gierrate proportionalen elektrischen Signales, um einen Vergleich in der Vergleichseinrichtung (18) mit dem ersten elektrischen Signal zu ermöglichen, und Mitteln zur Erzeugung eines Differenzsignales entsprechend dem Vergleich.

8. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit Mitteln (22) zum Messen der Fahrzeuggeschwindigkeit und zum Erzeugen eines ihr proportionalen elektrischen Steuersignals.

9. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach Anspruch 8, mit Mitteln zur Signalverarbeitung des ersten elektrischen Signals, wobei das Mittel das erste elektrische Signal um einen Verstärkungsfaktor (Ky1) verändert, der mit der Fahrzeuggeschwindigkeit veränderbar ist.

10. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Meßvorrichtung zum Detektieren der Reaktion des Fahrzeugs Mittel (23) zur Messung der lateralen Beschleunigung des Fahrzeugs und zur Erzeugung eines ihr proportionalen elektrischen Signales umfaßt.

11. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach Anspruch 10, mit Mitteln zur Signalverarbeitung, um den Vergleich in der Vergleichseinrichtung (18) des zu der lateralen Beschleunigung des Fahrzeuges proportionalen elektrischen Signals mit dem ersten elektrischen Steuersignal zu ermöglichen, und Mitteln (18) zur Erzeugung eines Differenzsignals entsprechend dem Vergleich.

12. Lenksystem für Radfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Meßvorrichtung zum Detektieren der Reaktion des Fahrzeugs Mittel (23, 28) zur Messung der Gierbeschleunigung des Fahrzeugs und zur Erzeugung eines ihr proportionalen elektrischen Signales umfaßt.

13. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach Anspruch 12, mit Mitteln zur Signalverarbeitung, um den Vergleich in der Vergleichseinrichtung (18) des zu der Gierbeschleunigung des Fahrzeugs proportionalen elektrischen Signales mit dem ersten elektrischen Signal zu erlauben, und Mitteln (18) zur Erzeugung eines Differenzsignals aus dem Vergleich.

14. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lenksystem betreibbar ist, um Hinterräder (13, 14) eines Fahrzeuges zu lenken, das wenigstens ein Vorderrad (11; 12) und wenigstens einem Hinterrad (13, l4) aufweist.

15. Lenksystem für ein Radfahrzeug mit

wenigstens einem lenkbaren Vorderrad (11, 12) und wenigstens einem lenkbaren Hinterrad (13, 14):

mit einem Lenkrad (15), das mechanisch mit dem lenkbaren ersten Rad (11, 12) verbunden ist, um das Vorderrad (11, 12) zu lenken;

Mitteln (17) zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signales, das der Drehstellung des Lenkrades proportional ist;

einer Meßvorrichtung (20, 23) zum Detektieren der Reaktion des Fahrzeuges;

Mitteln (20, 23) zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals, zu der detektierten Reaktion proportional ist;

einer Vergleichseinrichtung (18), um das erste und zweite elektrische Signal zu vergleichen und ein Differenzsignal aus dem Vergleich zu erzeugen; und

einer Vorrichtung (19) zum Lenken des Hinterrades in Abhängigkeit von dem Differenzsignal;

dadurch gekennzeichnet , daß eine Filtereinrichtung vorgesehen ist zum Filtern des ersten elektrischen Signales, bevor das erste elektrische Signal durch die Vergleichseinrichtung mit dem zweiten elektrischen Signal verglichen wird.

16. Lenksystem für ein Radfahrzeug nach Anspruch 15, bei dem die Filtereinrichtung einen Filter zweiter Ordnung enthält.

17. Ein Lenksystem für ein Radfahrzeug nach Anspruch 15, bei dem die Filtereinrichtung einen Einzelpolfilter enthält.

18. Ein Lenksystem für ein Radfahrzeug nach einem der An-Sprüche 15, 16 oder 17, bei dem die Filtereinrichtung durch den Fahrer einstellbar ist, wobei der Fahrer die Ansprechfrequenz des Fahrzeuges auf Anforderungseingaben des Fahrers abstimmen kann.