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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern halbaktiver Aufhängungen
von Motorfahrzeugen.
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Es
ist bekannt, dass der Aufbau von aktiven Aufhängungssystem darauf gerichtet
ist, einerseits die Kräfte
zu minimieren, die auf die Passagiere wirken, um den Komfort zu
erhöhen
(hauptsächlich
durch Eliminieren der Effekte von Beschleunigung) und andererseits
die Fahrsicherheit und das Fahrzeughandling zu maximieren, indem
ein Radhüpfer
verhindert wird.
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In
der Vergangenheit war es bei herkömmlichen Aufhängungssystemen
nicht möglich,
beide diese Erfordernisse zu erfüllen
und es war notwendig einen Kompromiss dazwischen zu wählen, welche
den Aspekt des Komforts oder der Sicherheit bevorzugt, und zwar
gemäß den gewünschten
Charakteristika des Fahrzeugs. Um diese Probleme zu überwinden,
wurden aktive Aufhängungssysteme
entwickelt, bei denen die Starrheit der Aufhängung variiert werden kann
durch pneumatische Pumpen, die durch jeweilige Motoren angetrieben
werden. Bei diesen Systemen moduliert die Pumpe gemäß dem erforderlichen
Verhaltenstyp den Druck der Luft oder des Gases, das sich in den
Aufhängungen
befindet, um ihren Dämpfungskoeffizienten
zu modifizieren. Auf diese Art und Weise ist es möglich, simultan
sowohl Komfort als auch Sicherheit zu verbessern.
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Die
DE-A-1970562 lehrt ein Verfahren zum Steuern aktiver Aufhängungen
unter Verwendung der Lufthakentheorie, wobei der Dämpfer gesteuert
wird, um einen Dämpfungskoeffizienten
C zu erhalten unter Verwendung von Gruppen von Tabellen, die unter
Verwendung eines genetischen Algorithmus berechnet werden.
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EP-A-622255
zeigt ein Steuersystem, bei dem zwei Steuerungen vorgesehen sind
für den
Komfort und die Stabilität
mit einem Supervisor, der die durch die zwei Steuerungen erzeugten
Signale auswertet, um ein Steuersignal zu erzeugen.
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Die
DE-A-4011976 beschreibt ein System zum Steuern der Dämpfungskraft
und arbeitet somit an aktiven Aufhängungen.
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Aktive
Aufhängungssysteme
sind jedoch sehr teuer und beinhalten hohe Verbrauchsniveaus. Demgemäß wurden
halbaktive Aufhängungssysteme
entwickelt, bei denen eine Modulation der Starrheit der Aufhängung erreicht
wird durch Modifizieren der Strömung
einer Flüssigkeit
(Öl) innerhalb
der Aufhängungsstoßdämpfer. Insbesondere
kontrolliert gemäß einer
bekannten Lösung
ein Steuersystem einen Schrittmotor, der graduell ein Ventil öffnet und
schließt,
das eine vorbestimmte Anzahl von voreingestellten Positionen besitzt, wie
beispielsweise 9, um den Querschnitt zu modifizieren, durch den
das Öl
hindurchgeht. Gemäß einer
weiteren bekannten Lösung
wirkt das Steuersystem auf die Viskosität des Öls, um es in geeigneter Weise
zu modifizieren, und zwar gemäß der gewünschten
Starrheit der Aufhängungen.
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Halbaktive
Aufhängungssysteme
sind weniger teuer als aktive Aufhängungssysteme und besitzen
einen geringeren Energieverbrauch. Demgemäß werden sie derzeit bevorzugt.
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Derzeitige
halbaktive Aufhängungssysteme
verwenden Steuerungen des Proportional-Integral-Ableitungstyps (PID
= proportional integral derivative) zum Regulieren der Öffnung des
Ventils und somit zum Regulieren des Systems.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung liegt im Vorsehen eines verbesserten
Steuersystem für
halbaktive Aufhängungen,
welche leicht an die Erfordernisse und Anforderungen des Verwenders
(Fahrzeugherstellers) angepasst werden können und die rasch auf spezielle
Fahrbedingungen ansprechen können.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern halbaktiver Aufhängungen
von Motorfahrzeugen vorgesehen, und zwar gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 10.
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Zum
Verständnis
der vorliegenden Erfindung werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
davon nachfolgend beschrieben, um nicht limitierende Beispiele vorzusehen.
Die Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen; in
den Zeichnungen zeigt:
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1 ein
vereinfachtes Diagramm eines Fahrzeugaufhängungsradsystems;
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2 die
Architektur eines Steuersystems für ein einzelnes Rad;
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3 ein
detailliertes Steuerdiagramm in dem Fall eines einzelnen Rades;
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4 ein
Flussdiagramm der Steuerung, die mit der Architektur gemäß 2 durchgeführt wird;
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5a und 5b:
Zugehörigkeitsfunktionen,
die durch die hier implementierte Fuzzy Logik verwendet werden;
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6 einen
Satz von Regeln, welche durch die hier implementierte Fuzzy-Logik verwendet werden;
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7 die
Architektur eines Steuersystems für vier Räder und
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8 die
Anordnung einer integrierten Steuervorrichtung, welche das vorliegende
System implementiert.
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1 zeigt
die vereinfachte äquivalente
Schaltung eines Fahrzeugs 1, das mit halbaktiven Aufhängungen
ausgerüstet
ist, die individuell an jedem Rad wirken. Demgemäß ist nur die Steuerung für ein Rad
gezeigt und die Steuerungen für
die anderen Räder
sind identisch zu der einen, die nachfolgend beschrieben wird.
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Gemäß 1 weist
das Fahrzeug 1 Folgendes auf: Einen Fahrzeugkörper 2 mit
einer Masse Mb; eine Achse 3, die an dem Fahrzeugkörper 2 befestigt
ist; und ein Rad 4, das durch die Achse 3 getragen
wird. Eine Aufhängung 5 eines
halbaktiven Typs ist zwischen der Achse 3 und dem Fahrzeugkörper 2 angeordnet.
Das Rad 3 ist durch einen Radkörper 6 mit einer äquivalenten
Masse Mus repräsentiert
und durch ein erstes elastisches Element 7 mit einem Elastizitätskoeffizienten
Kt (das die Elastizität des Reifens repräsentiert),
und zwar angeordnet zwischen dem Fahrkörper 6 und dem Boden 10.
Die halbaktive Aufhängung 5 ist
durch ein zweites elastisches Element 11 mit ei nem Elastizitätskoeffizienten
Ka und durch ein Dämpfungselement 12 repräsentiert
mit einem Dämpfungskoeffizienten
Ca, die parallel zueinander angeordnet sind.
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Das
Dämpfungselement 12 ist
des steuerbaren Typs und weist ein Ventil (nicht gezeigt) auf, das
die Strömung
von Öl
darinnen reguliert. Zu diesem Zweck besitzt das Dämpfungselement 12 einen
Steuereingang 12a, der mit einem Motor 14 verbunden
ist, zum Beispiel einem Schrittmotor, der wiederum durch ein Steuersignal
S1 gesteuert wird.
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Ein
Beschleunigungssensor 15 eines bekannten Typs, der nicht
im Detail dargestellt ist, ist an dem Fahrzeugkörper 2 angeordnet
und erzeugt als Ausgang ein Beschleunigungssignal S2; ein Potentiometer 16 ist
mit der Aufhängung
assoziiert und erzeugt einen Ausgang als ein Positionssignal S3,
das die Position des Rads bezüglich
des Fahrzeugkörpers 2 anzeigt.
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In
einem vereinfachten Fall gemäß 1 mit
separater Steuerung für
jedes Rad ist das Steuersystem 18 in dem Diagramm gemäß 2 repräsentiert.
Im Detail sind der Beschleunigungssensor 15 und das Potentiometer 16,
die innerhalb eines Abfühl-
und Betätigungsblocks 20,
der auch den Motor 14 umfasst, repräsentiert sind mit Eingängen 21a und 21b einer
Signalkonditionier- und
Treibereinheit 21 verbunden. Die Signalkonditionier- und
Treibereinheit 21 ist über
eine bidirektionale Leitung 22 mit einer Fuzzy-Control-Einheit 23 verbunden
und besitzt einen Ausgang 21c, der mit dem Motor 14 verbunden
ist und das Signal S1 liefert. Die Signalkonditionier- und Treibereinheit 21 besitzt,
wie in größerer Einzelheit
nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben
wird, den Zweck einer Vorbehandlung der Signale S1 und S2 vorzusehen,
um Steuergrößen (Geschwindigkeit
und Beschleunigung des Fahrzeugs, Geschwindigkeit und Beschleunigung
der Dämpfung)
zu erhalten, die notwendig sind zum Steuern der Position des Motors 12.
Diese Steuergrößen werden dann über die
bidirektionale Leitung 22 an die Fuzzy-Control-Einheit 23 geliefert,
welche einen theoretischen Wert der nachfolgenden Position des Motors 14 berechnet.
Dieser theoretische Positionswert wird dann wiederum über die
bidirektionale Leitung 22 an die Signalkonditionier- und
Treiberschaltung 21 geliefert, welche das Steuersignal
S1 erzeugt, das an den Motor 14 geliefert wird.
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Im
Einzelnen werden, wie in 3 dargestellt ist, das Beschleunigungssignal
S2 und das Positionssignal S3 zunächst in einem jeweiligen Tiefpassfilter 30a, 30b gefiltert
mit zum Beispiel einer Kappfrequenz von 50 Hertz. Als nächstes werden
sie durch einen jeweiligen Schieber 31a, 31b verschoben,
um Null herum zentriert zu sein (bei einer Ausführungsform werden sie um 2V
verschoben), und dann werden sie in jeweiligen Verstärkungsstufen 32a, 32b verstärkt; zum
Beispiel wird das Beschleunigungssignal S2, nachdem es gefiltert und
verschoben wurde, mit 5 multipliziert, während das Positionssignal S3
mit 10 multipliziert wird.
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Nachfolgend
werden die Signale S2 an eine arithmetische Einheit 34 geschickt,
welche zur Vereinfachung der Beschreibung in zwei Abschnitte aufgeteilt
dargestellt ist; einen Integrationsabschnitt 34a und einen Ableitungsabschnitt 34b.
Das Beschleunigungssignal S2 wird integriert in dem Integrationsabschnitt 34a,
um ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal Bv zu erhalten. Das Positionssignal
S3 wird stattdessen differenziert in dem Ableitungsabschnitt 34b,
um ein Dämpfungsgeschwindigkeitssignal
Dv zu erhalten. Zusätzlich
wird das Dämpfungsgeschwindigkeitssignal
Dv wiederum differenziert in dem Ableitungsabschnitt 34b,
um ein Dämpfungsbeschleunigungssignal
Da zu erhalten. Das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal Bv, das Dämpfungsgeschwindigkeitssignal
Dv, und das Dämpfungsbeschleunigungssignal
Da sowie das Fahrzeugbeschleunigungssignal Ba (Ausgangssignal von
der Verstärkungsstufe 32a)
werden dann an die Fuzzy-Control-Einheit 23 geliefert und
repräsentieren
die Eingangsvariabeln der Fuzzy-Regeln wie nachfolgend unter Bezugnahme
auf die 4 bis 6 beschrieben
wird.
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Der
Ausgang der Fuzzy-Control-Einheit 23 wird durch eine Ausgangsvariable
O repräsentiert
und der Wert davon kann zwischen 0 und 8 liegen und bildet den theoretischen
Wert der nachfolgenden Position des Motors 14, der als
ein Positionswert oder als ein Wert der assoziierten Steuerspannung
ausgedrückt
wird. Der theoretische nachfolgende Positionswert wird an eine Steuer-
und Treibereinheit 38 geliefert (in dem Diagramm gemäß 2 implementiert
durch die Signalkonditionier- und Treibereinheit 21), welche
die Funktion besitzt, das Treibersignal S1 für den Motor 14 zu
erzeugen.
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Die
Operationen für
die Berechnung für
die nachfolgende Position, welche durch die Fuzzy-Control-Einheit 23 und
die Steuer- und Treibereinheit 38 durchgeführt werden,
sind in 4 zusammengefasst. Im Detail
erfasst bzw. akquiriert die Fuzzy-Control-Einheit 23 zu
Beginn jedes Steuerzyklus, Block 40, möglicherweise nach einem Initialisierungsschritt,
Block 41, die Eingangsvariabeln (Werte der Signale Bv,
Ba, Dv und Da, Block 42). Auf der Basis der gespeicherten
Regeln (ein Beispiel von ihnen ist in 6 dargestellt)
und der Zugehörigkeitsfunktionen
der Eingangsvariabeln (welche in dem in 5a dargestellten
Beispiel dieselben sind für
alle Eingangsvariabeln) wird der Grad der Aktivierung jeder Regel
berechnet (Block 43). Dann wird gemäß dem Grad der Aktivierung
der Regeln und der Zugehörigkeitsfunktion
der Ausgangvariablen, die durch die Regel selbst spezifiziert ist,
der theoretische nachfolgende Positionswert O berechnet, Block 44.
Dann wird der derzeitige Positionswert des Motors (zuvor gespeichert)
erfasst bzw. akquiriert, Block 45. Der tatsächliche nachfolgende
Positionswert wird berechnet auf der Basis des derzeitigen Positionswerts
des Motors und des theoretischen nachfolgenden Positionswert (um
nur eine Einheitserhöhung
oder Verringerung der derzeitigen Position des Motors zu ermöglichen),
Block 46. Schlussendlich wird der tatsächlich nachfolgende Positionswert
an einem speziellen Ort innerhalb der Steuer- und Treibereinheit 38 oder
in einem speziellen externen Speicher gespeichert und verwendet
zum Erzeugen des Ausgangssignals S1, Block 47. Am Ende
des Zyklus beginnt der Zyklus wieder ausgehend von dem Ausgangsblock 40.
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Insbesondere
besitzen bei dem in Betracht gezogenen Ausführungsbeispiel die Eingangsvariablen
Bv, Ba, Dv, Da fünf
Zugehörigkeitsfunktionen,
die durch nb, ns, zo, ps, pb in 5a angezeigt
sind, bei denen die Eingangsva riabeln in digitaler Form sind und
zwischen 0 und 255 liegen, und die Ausgangsvariable AUS (deren Wert
gemäß den verwendeten
Regeln und wie in 6 gezeigt ist zwischen 0 und
8 liegen kann, was den neun möglichen
Positionen des Motors 14 entspricht, wie in 5b gezeigt
ist) besitzt eine Zugehörigkeitsfunktion
des Crisp-Typs, was sich auf einen einzelnen Wert reduzieren lässt, der
direkt durch jede Regel (Crisp-Wert Cj)
geliefert wird.
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Infolgedessen
besteht der Block 43 gemäß 4 im Berechnen
für jede
Regel des Vertrauensniveaus für
jede Eingangsvariable gemäß der Zugehörigkeitsfunktion
die in der Regel selbst angezeigt ist, und gemäß dem Wert der Variable und
im Definieren als Aktivierungsniveau μj für die Regel
j den kleinsten der vier so erhaltenen Vertrauenswerte.
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Nachfolgend
wird der Ausgangswert O (theoretischer nachfolgender Positionswert)
wie folgt berechnet:
wobei n die Anzahl der Regeln
ist, und C
j und μ
j die
oben beschriebenen Bedeutungen besitzen.
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7 zeigt
die Architektur des Steuersystems in dem Fall, wo für die halbaktive
Aufhängungssteuerung
jedes Rads des Fahrzeugs auch die Signale verwendet werden, welche
durch die Sensoren geliefert werden, die mit den anderen drei Rädern assoziiert
sind, um die Gesamtlage des Fahrzeugs in Betracht zu ziehen. Insbesondere
weist das Steuersystem 18a gemäß 7 vier Abfühl- und
Betätigungsblöcke auf: 20a für das linke
Vorderrad, 20b für
das rechte Vorderrad, 20c für das linke Hinterrad und 20d für das rechte
Hinterrad. Jeder Abfühl-
und Betätigungsblock 20a, 20b, 20c und 20d weist
seinen eigenen Beschleunigungssensor 15a bis 15d,
sein eigenes Potentiometer 16a bis 16d, und seinen
eigenen Motor 14a bis 14d zum Steuern einer jewei ligen
halbaktiven Aufhängung 5a bis 5d auf.
Die Signale, die durch die Beschleunigungssensoren 15a bis 15d und
durch die Potentiometer 16a bis 16d erzeugt werden,
werden an eine Signalfilter- und Konditioniereinheit 21a geliefert.
Die Signalfilter- und Konditioniereinheit 21a besitzt einen
Ausgang, der mit einer Fuzzy-Control-Einheit 23a verbunden
ist, die wiederum mit ihrem Ausgang mit einer Treibereinheit 21b verbunden
ist. Die zuletzt genannte Einheit liefert die Steuersignale S1 an
den Motor 14 von jedem der Abfühl- und Betätigungsblöcke 20a, 20b, 20c und 20d.
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In
der Praxis besitzt das Steuersystem 18a gemäß 7 für die Steuerung
des gesamten Fahrzeugs eine Struktur ähnlich zu der des Steuersystems 18 gemäß 2 mit
der Ausnahme der Konditionier- und Treibereinheit 21, die
in 7 in zwei separate Einheiten aufgeteilt ist und
eine unterschiedliche Anzahl von Variabeln managt. Demgemäß kann die
Signalfilter- und Konditioniereinheit 21a aus den Blöcken 30a, 30b, 31a, 31b, 32a, 32b und 34 gemäß 3 aufgebaut
sein und die Treibereinheit 21b entspricht der Treibereinheit 38 gemäß 3.
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Alternativ
können
sowohl in dem Steuersystem 18 gemäß 2 als auch
dem Steuersystem 18a gemäß 7 alle Operationen
der Signalfilterung und -konditionierung der Fuzzy-Verarbeitung
und des Antriebs durch einen Fuzzy-Mikrocontroller bzw. Mikroprozessor
durchgeführt
werden.
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Im
Unterschied zu dem Steuersystem
18 gemäß
2 verwendet
das Steuersystem
18a gemäß
7 darüber hinaus
zwei Eingangsvariabeln für
jedes Rad, das heißt
die Fahrzeuggeschwindigkeit Bv1, Bv2, Bv3, Bv4 und die Dämpfungsgeschwindigkeit
Dv1, Dv2, Dv3, Dv4, um eine übermäßige Komplizierung
der Fuzzy-Steuereinheit zu vermeiden. Zu demselben Zweck sind die
Zugehörigkeitsfunktionen
für die
Eingangsvariabeln nur drei für
jede Variable, wie durch nb, zo und pb dargestellt ist. Diese Zugehörigkeitsfunktionen,
die nicht gezeigt sind, entsprechen den Funktionen mit demselben
Namen gemäß
5a.
Zusätzlich
erzeugt die Fuzzy-Steuereinheit
23 gemäß
7 vier Ausgangsvariablen
O(i) eine für
jeden Motor
14a bis
14d, und zwar gemäß der folgenden
Beziehung:
wobei 1 = 1 ... 4 die Anzahl
der Ausgangsvariabeln ist; C
j(i) der Crisp-Wert
der i-ten Ausgangsvariable ist; und μ
j das
Aktivierungsniveau jeder Regel ist. Für den Rest arbeitet die Fuzzy-Steuereinheit
23a gemäß
7 in derselben
Art und Weise wie oben unter Bezugnahme auf
4 beschreiben;
und zu diesem Zweck verwendet sie Regeln (nicht vollständig gezeigt)
des folgenden Typs:
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Insbesondere
werden die Regeln experimentell ausgewählt, um den Effekt hinsichtlich
Komfort und Sicherheit beim Fahren des Fahrzeugs zu optimieren.
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Vorteilhafterweise
ist die Treibereinheit 21b in zwei Teile aufgeteilt: Ein
Teil wird durch eine Leistungsschaltung gebildet, die verwendet
wird zum Liefern des durch die Motoren 14a bis 14d benötigten Stroms,
und ein Teil wird gebildet durch eine Steuerschaltung, die die Steuerstrategie,
die in den Blöcken 45 bis 47 gemäß 4 implementiert
und die auch Energiesparstrategien hinsichtlich der Motoren 14a bis 14d implementieren, wenn
ihre Position nicht variiert werden soll.
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Hinsichtlich
der Implementierung können
das Steuersystem 18 oder 18a als eine integrierte
Schaltung auf einem einzelnen Chip hergestellt sein, wie in 8 dargestellt
ist. Die Vorteile des hier beschriebenen Verfahrens und des Systems
sind die Folgenden: Als erstes ermöglicht das vorliegende System,
dass der Dämpfungsfaktor
der Aufhängungen
kontinuierlich gemäß den derzeitigen
Fahrbedingungen gesteuert wird. Dies kann mit unterschiedlichen
Niveaus erfolgen durch Ermöglichen
der Steuerung jedes Rades unabhängig
von den anderen, aber unter Verwendung einer größeren Anzahl von variabeln
für jedes
Rad oder durch Ermöglichen
der koordinierten Steuerung aller vier Räder, wobei in diesem Fall die
Variablen, die für
jedes Rad überwacht
werden, weniger sind, aber das Gesamtverhalten des Fahrzeugs in
Betracht gezogen wird. Es ist ferner möglich, eine Zwischenlösung zu
implementieren durch separates Steuern der rechten Seite des Fahrzeugs und
der linken Seite des Fahrzeugs. In diesem Fall hängt die Steuerung jede Aufhängung von
den Variablen (Geschwindigkeit und Beschleunigung) ab, die nicht
nur an dem in Betracht gezogenen Rad überwacht werden, sondern auch
an dem Rad, das auf derselben Seite angeordnet ist. In demselben
Fall sind Neigungs-und-Schlinger-Gyrosensoren vorhanden, und die
Fuzzy-Control-Einheit kann als Eingangsvariable auch eines der Signale
verwenden, das durch diese Gyrosensoren geliefert werden (z.B. das
Neigungssignal).
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Schlussendlich
wird deutlich, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen an
dem hier beschriebenen und dargestellten Verfahren und der Vorrichtung
durchgeführt
werden können,
die alle in den Umfang des Erfindungskonzepts fallen, wie es in
den anhängenden
Ansprüchen
definiert ist.
