EP4655193A1 - Verfahren zur erzeugung einer fahrbahnrückmeldung von niederfrequenter fahrbahnanregungen eines steer-by-wire-lenksystems für einen fahrzeugfahrer - Google Patents

Verfahren zur erzeugung einer fahrbahnrückmeldung von niederfrequenter fahrbahnanregungen eines steer-by-wire-lenksystems für einen fahrzeugfahrer

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Publication number
EP4655193A1
EP4655193A1 EP23820739.3A EP23820739A EP4655193A1 EP 4655193 A1 EP4655193 A1 EP 4655193A1 EP 23820739 A EP23820739 A EP 23820739A EP 4655193 A1 EP4655193 A1 EP 4655193A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
road
feedback
low
steer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23820739.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Schoelzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP4655193A1 publication Critical patent/EP4655193A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D6/00—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits
    • B62D6/008—Control of feed-back to the steering input member, e.g. simulating road feel in steer-by-wire applications
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/001—Mechanical components or aspects of steer-by-wire systems, not otherwise provided for in this maingroup
    • B62D5/005—Mechanical components or aspects of steer-by-wire systems, not otherwise provided for in this maingroup means for generating torque on steering wheel or input member, e.g. feedback
    • B62D5/006—Mechanical components or aspects of steer-by-wire systems, not otherwise provided for in this maingroup means for generating torque on steering wheel or input member, e.g. feedback power actuated

Definitions

  • the invention relates to a method for generating road feedback from low-frequency road excitations of a steer-by-wire steering system for a vehicle driver according to the preamble of claims 1 and 10.
  • So-called steer-by-wire steering systems for vehicles are already known in various forms from the state of the art. This differs from conventional steering systems in that the steering of the wheels is completely decoupled from the mechanical steering movement of the driver or only takes place via a purely electronic transmission.
  • the conventional mechanical transmission devices are no longer required; instead, the driver generates data through his steering movement on the so-called steering handle or steering wheel, which is fed into an electronic control unit.
  • This control module evaluates the data and converts it into corresponding steering commands. This controls the steering gear, which carries out the desired steering movement.
  • a steering wheel actuator or an actuation force simulator or a steering wheel motor or a feedback actuator is usually installed on the steering wheel module. Based on the available sensor data, control electronics calculate a control value for the feedback actuator, which then maps a steering wheel resistance to the steering wheel. Ideally, this should reflect the frictional connection between the tires and the road at an appropriate force level.
  • low-frequency Road excitations road surface excitations caused by low-frequency vibrations (known as low-frequency Road excitations) as road feedback on the steering wheel actuator.
  • low-frequency Road excitations the greatest energy is also fed into the steering gear.
  • a method for generating road feedback from low-frequency road excitations of a steer-by-wire steering system for a vehicle driver is proposed.
  • Such road feedback in this case haptic, is provided by a steering wheel actuator of the steer-by-wire steering system.
  • Such a steering wheel actuator also referred to as a feedback actuator, is an actuator arranged in particular on a steering handle for initiating a steering process by a driver of a vehicle, which, for example, generates the restoring force or the restoring torque for the steering handle or the steering wheel in order to provide a haptic feel familiar from conventional steering systems.
  • a steering wheel actuator generates feedback which is transmitted to the driver or the steering handle based on wheel-road forces. This feedback is referred to as road feedback in the further course of the application.
  • the steering handle or steering device that a driver operates to achieve wheel steering is completely mechanically decoupled from the steered wheels.
  • these are synthetically generated or simulated by the actuation simulator, for example in the form of torques on the steering handle.
  • a low-frequency road excitation is recorded.
  • Such recording can be carried out, for example, by suitable sensors or measurements, calculation or simulation methods or the like. In particular, such recording is carried out by a so-called rack force estimator.
  • low-frequency includes excitations or vibrations that are in the range between approximately 0.5 Hz and 3 Hz. Especially with low-frequency excitations, it is often difficult to give the driver suitable, haptic road feedback that is perceived as authentic and not disturbing.
  • the road feedback generated on the steering wheel actuator is generated depending on the frequency of the low-frequency road excitation on the steering wheel actuator. This means that, depending on the detected frequency of the road excitation, different levels of feedback are generated on the steering wheel actuator. The lower the frequency, for example, the more precisely or realistically the excitations on the steering wheel actuator can be implemented as feedback.
  • At least two frequency ranges are provided or defined in which a specific road feedback is generated with different levels of accuracy or precision on the steering wheel actuator.
  • a feedback on the steering wheel actuator from a detected excitation that lies in a frequency range between 0.5 - 1.5 Hz can be implemented more accurately or more authentically than a feedback from an excitation that lies in a higher frequency range, for example 1.5 - 3 Hz.
  • excitations in the higher frequency range have higher interference influences and can be perceived as disturbing for a driver if they are implemented exactly or authentically, as the steering wheel, for example, then makes permanent movements.
  • a first frequency range includes frequencies in the order of 0.5 to 1 Hz, a second frequency range 1 - 2 Hz and a third frequency range 2 - 3 Hz.
  • each frequency range is assigned a filter or a smoothing function that eliminates the respective interference and inaccuracies of the excitation so that no disturbing feedback is displayed or transmitted to the driver.
  • a filter for example a low-pass filter or similar, smoothes the respective frequency curve of the excitation in the frequency range before the excitation is transmitted to the steering wheel actuator.
  • the driver is thus provided with authentic feedback, free of interference.
  • the interference in the respective frequency ranges is absorbed by the respective filters so that appropriate feedback is set for the driver for each frequency range.
  • This frequency dependency means that low-frequency stimuli can be fed back to the driver.
  • a filter for the respective frequency ranges also means that authentic feedback is fed back to the driver, free from interference.
  • this threshold value is again designed to be frequency-dependent, so that, for example, the threshold value is set lower at a low frequency (e.g. 0.5 Hz) than at a higher frequency (e.g. 2.5 Hz).
  • the aim is always to achieve maximum elimination of disturbances with maximum authenticity of the simulation or feedback of the road excitations.
  • the respective frequency ranges or the respective filters or the respective threshold values are set depending on specific vehicle data or vehicle genes.
  • the ranges or values or filters can differ for comfortable vehicles, sporty vehicles, long and short vehicles, for vehicles with different roll behavior, axle kinematics, tires or steering ratios.
  • a steer-by-wire steering system of a vehicle for carrying out the method according to one of claims 1 to 8 is also proposed.
  • the steering system comprises at least one detection unit for detecting the low-frequency excitations.
  • a unit can be, for example, one or more sensor units and/or a control unit for estimating, calculating or simulating the excitation.
  • the detection unit is a rack force estimator as described above.
  • the steering system further comprises a steering wheel actuator that can be controlled by a control unit and is designed to generate synthetic, haptic road feedback to a vehicle driver.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Fahrbahnrückmeldung von niederfrequenter Fahrbahnanregungen eines Steer- By- Wire- Lenksystems für einen Fahrzeugfahrer, wobei eine niederfrequente Fahrbahnanregung erfasst wird und wobei anhand der erfassten Fahrbahnanregung eine haptische Fahrbahnrückmeldung an einem Lenkradaktuator des Steer-By-Wire-Lenksystems erzeugt wird, wobei die erzeuge Fahrbahnrückmeldung am Lenkradaktuator abhängig von der Frequenz der niederfrequenten Fahrbahnanregung erzeugt wird.

Description

Verfahren zur Erzeugung einer Fahrbahnrückmeldung von niederfrequenter Fahrbahnanregungen eines Steer-By-Wire-Lenksystems für einen Fahrzeugfahrer
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Fahrbahnrückmeldung von niederfrequenter Fahrbahnanregungen eines Steer-By-Wire-Lenksystems für einen Fahrzeugfahrer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 10. Zum Stand der Technik wird beispielshalber auf die DE 10 2014 211 815 A1 verwiesen.
Sogenannte Steer-By-Wire-Lenksysteme von Fahrzeugen sind aus dem Stand der Technik bereits in unterschiedlichen Weisen bekannt. Ein solches unterscheidet sich von den herkömmlichen Lenksystemen insofern, dass die Lenkung der Räder von der mechanischen Lenkbewegung des Fahrers vollkommen entkoppelt bzw. nur mehr durch eine rein elektronische Übertragung stattfindet. Die herkömmlichen mechanischen Übertragungseinrichtungen entfallen, stattdessen erzeugt der Fahrer durch seine Lenkbewegung an der sogenannten Lenkhandhabe bzw. am Lenkrad Daten, mit welchen eine elektronische Steuereinheit gespeist wird. Dieses Steuermodul wertet die Daten aus und setzt sie in entsprechende Lenkbefehle um. Damit wird das Lenkgetriebe angesteuert, welches die gewünschte Lenkbewegung ausführt.
Um dem Fahrzeugführer bei einem Steer-by-wire-Lenksystem wie er es von den herkömmlichen Lenkungen gewohnt ist, ein entsprechendes Lenkgefühl zu vermitteln, ist üblicherweise am Lenkradmodul ein Lenkradaktuator bzw. ein Betätigungskraftsimulator bzw. ein Lenkradmotor bzw. ein Feedback-Aktuator angeordnet. Entsprechend der vorliegenden Sensordaten errechnet eine Steuerelektronik dabei einen Stellwert für den Feedback-Aktuator, welcher am Lenkrad damit einen Lenkradwiderstand abbildet. Dieser sollte im Idealfall die Kraftschlussverhältnisse zwischen Reifen und Fahrbahn auf angemessenem Kraftniveau wiedergeben.
Ein solches Steer-By-Wire-Lenksystem ist in der DE 10 2014 211 815 A1 aufgezeigt.
Es stellt sich als besonders schwierig dar, Fahrbahnanregungen, die durch niederfrequente Schwingungen erzeugt werden (als niederfrequente Fahrbahnanregungen bezeichnet) als Fahrbahnrückmeldung am Lenkradaktuator anzuzeigen. In dem Bereich niederfrequenter Fahrbahnanregungen wird außerdem die größte Energie in das Lenkgetriebe eingespeist.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung einer Fahrbahnrückmeldung von niederfrequenter Fahrbahnanregungen eines Steer-By- Wire-Lenksystems für einen Fahrzeugfahrer bereitzustellen.
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Steer-By-Wire-Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Es wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Fahrbahnrückmeldung von niederfrequenter Fahrbahnanregungen eines Steer-By-Wire-Lenksystems für einen Fahrzeugfahrer vorgeschlagen.
Eine solche, in diesem Falle haptische, Fahrbahnrückmeldung erfolgt dabei an einem Lenkradaktuator des Steer-By-Wire-Lenksystems.
Ein solcher Lenkradaktuator, auch als Feedback-Aktuator bezeichnet, stellt dabei einen insbesondere an einer Lenkhandhabe zur Einleitung eines Lenkvorgangs durch einen Fahrer eines Fahrzeuges angeordneten Aktuator dar, welcher beispielsweise die Rückstellkraft bzw. das Rückstellmoment für die Lenkhandhabe bzw. des Lenkrads erzeugt, um eine von herkömmlichen Lenksystemen gewohnte Haptik bereitzustellen. Ein solcher Lenkradaktuator erzeugt eine Rückmeldung welche, basierend auf Rad- Fahrbahn-Kräften an den Fahrer bzw. an die Lenkhandhabe übertragen wird. Diese Rückmeldung wird im weiteren Verlauf der Anmeldung als Fahrbahnrückmeldung bezeichnet.
Denn in einem Steer-By-wire-Lenksystem ist die Lenkhandhabe bzw. das Lenkmittel, welches ein Fahrer betätigt um eine Radlenkung zu bewirken mechanisch vollkommen von den gelenkten Rädern entkoppelt. Um den Fahrer jedoch dennoch über die aktuellen Rad-Fahrbahn-Kräfte bzw. Fahrbahnrückmeldungen, wie dieser es gewohnt ist, zu informieren, werden diese beispielsweise in Form von Drehmomenten an der Lenkhandhabe synthetisch durch den Betätigungssimulator erzeugt bzw. simuliert. Es ist dabei vorgesehen, dass eine niederfrequente Fahrbahnanregung erfasst wird. Eine solche Erfassung kann beispielsweise durch geeignete Sensorik- bzw. Messungen, Berechnungs- bzw. Simulationsmethoden oder dgl. erfolgen. Insbesondere erfolgt eine solche Erfassung durch einen sog. Zahnstangenkraftschätzer. Durch eine Schätzung der aktuellen Zahnstangenkraft auf Basis von ermittelten Strömen im Servormotor des Lenkgetriebes und anderen physikalischen Größen kann dabei ermittelt werden, ob eine Fahrbahnanregungen bei einer herkömmlichen Lenkung zu einer Zahnstangenbewegung - und der damit verbundenen Lenkradbewegung - führen würde. Die damit verbundene Lenkradbewegung (also haptische Rückmeldung) kann dann auf Basis der Zahnstangenkraftschätzung durch den Lenkradaktuator am Lenkrad umgesetzt werden.
Dabei wird eine niederfrequente Fahrbahnanregung erfasst. Niederfrequent beinhaltet im Sinne dieser Erfindung, Anregungen bzw. Schwingungen, welche sich im Bereich zwischen ca. 0,5 Hz und 3 Hz befinden. Gerade bei niederfrequenten Anregungen ist es oft schwierig, eine geeignete, haptische Fahrbahnrückmeldung an den Fahrer zu geben, die als nicht störend authentisch für diesen empfunden wird.
Es ist ferner vorgesehen, dass die erzeugte Fahrbahnrückmeldung am Lenkradaktuator abhängig von der Frequenz der niederfrequenten Fahrbahnanregung am Lenkradaktuator erzeugt wird. Dies bedeutet, dass, je nach erfasster Frequenz der Fahrbahnanregung, unterschiedlich hohe Rückmeldungen am Lenkradaktuator erzeugt werden. Je niedriger die Frequenz beispielsweise, umso exakter bzw. echter können die Anregungen auf dem Lenkradaktuator als Rückmeldung umgesetzt werden.
Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass zumindest zwei Frequenzbereiche vorgesehen bzw. definiert sind, in welchen eine bestimmte Fahrbahnrückmeldung mit unterschiedlicher Genauigkeit bzw. Exaktheit am Lenkradaktuator erzeugt wird. So kann eine Rückmeldung am Lenkradaktuator von einer erfassten Anregung, die in einem Frequenzbereich zwischen 0,5 - 1 ,5Hz liegt, genauer bzw. echter umgesetzt sein, als eine Rückmeldung einer Anregung, die sich in einem höheren Frequenzbereich, von beispielsweise 1 ,5 - 3 Hz befindet. Denn Anregungen in dem höheren Frequenzbereich haben höhere Störeinflüsse und können dann, wenn sie exakt bzw. echt umgesetzt werden, für einen Fahrer als störend empfunden werden, da dann beispielsweise das Lenkrad permanente Bewegungen ausführt.
Besonders bevorzugt sind drei Frequenzbereiche vorgesehen, wobei ein erster Frequenzbereich Frequenzen in einer Größenordnung von 0,5 bis 1 Hz, ein zweiter Frequenzbereich 1 - 2 Hz und ein dritter Frequenzbereich 2 - 3 Hz beinhaltet.
Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass jedem Frequenzbereich ein Filter bzw. eine Glättungsfunktion zugeordnet ist, die jeweilige Störeinflüsse und Ungenauigkeiten der Anregung eliminiert, sodass dem Fahrzeugfahrer keine störenden Rückmeldung angezeigt bzw. übertragen werden. Ein solcher Filter, denkbar ist beispielsweise ein Tiefpassfilter oder dgl., glättet damit die jeweilige Frequenzkurve der Anregung in dem Frequenzbereich bevor die Anregung auf den Lenkradaktuator übertragen wird. Dem Fahrzeugfahrer wird somit eine authentische Rückmeldung, frei von Störeinflüssen bereitgestellt. Die Störeinflüsse in den jeweiligen Frequenzbereichen werden durch die jeweiligen Filter absorbiert, sodass für jeden Frequenzbereich eine passende Rückmeldung an den Fahrer eingestellt wird.
In einem sehr niederfrequenten Bereich, beispielsweise von 0,5 bis 1 Hz, benötigt man beispielsweise einen entsprechenden Filter, der nur wenig wegfiltert, da ein kleinerer Störeinfluss besteht. In einem etwas höherem Bereich, beispielsweise von 2 bis 3 Hz würden ohne einen entsprechenden Filter bzw. bei einem weniger hohem Filter evtl, zu viele Störanregungen in das Lenkrad übertragen werden, was wiederrum störend für den Fahrzeugfahrer empfunden werden kann.
Somit ermöglicht eine genannte Frequenzabhängigkeit, dass niederfrequente Anregungen überhaupt dem Fahrer rückgemeldet werden können. Ein genannter Filter zu den jeweiligen Frequenzbereichen ermöglicht darüber hinaus, dass dem Fahrer authentische Rückmeldungen frei von Störeinflüssen rückgemeldet werden.
Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass ein Schwellwert für die Amplituden der Fahrbahnanregung definiert ist, welcher erst überschritten werden muss, damit überhaupt eine Fahrbahnrückmeldung am Lenkradaktuator erzeugt wird. Dies ermöglicht zusätzlich, dass Anregungen mit sehr geringen Amplituden, welche wiederrum mit hohen Störeinflüssen einhergehen, garnicht erst rückgemeldet werden. Es ist dann möglich, dass dieser Schwellwert wiederrum frequenzabhängig gestaltet ist, sodass beispielsweise der Schwellwert bei einer geringen Frequenz (beispielsweise 0,5 Hz) geringer gesetzt wird, als bei einer höheren Frequenz (beispielsweise von 2,5 Hz).
Bei der Wahl der Filter, der Schwellwerte und der Frequenzbereiche und der damit verbundenen jeweiligen Rückmeldung am Lenkradaktuator wird stets eine maximale Störgrößeneliminierung bei maximaler Echtheit der Simulation bzw. Rückmeldung der Fahrbahnanregungen angestrebt.
So ist es ebenfalls bevorzugt, dass die jeweiligen Frequenzbereiche bzw. die jeweiligen Filter bzw. die jeweiligen Schwellwerte in Abhängigkeit von spezifischen Fahrzeugdaten bzw. Fahrzeug-Genen eingestellt werden. So können sich die Bereiche bzw. Werte bzw. Filter beispielsweise bei komfortablen Fahrzeugen, sportlichen Fahrzeugen, langen - und kurzen Fahrzeugen, bei Fahrzeugen mit unterschiedlichen Wankverhalten, Achskinematiken, Bereifung oder Lenkübersetzungen unterscheiden.
Es wird ferner ein Steer-By-Wire-Lenksystem eines Fahrzeuges zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 vorgeschlagen.
Das Lenksystem umfasst dabei zumindest eine Erfassungseinheit zur Erfassung der niederfrequenten Anregungen. Eine solche kann beispielsweise eine oder mehrere Sensoreinheiten und/oder ein Steuergerät zum Schätzen bzw. Berechnen oder Simulieren der Anregung sein. Insbesondere handelt es sich bei der Erfassungseinheit um einen bereits weiter oben beschriebenen Zahnstangenkraftschätzer.
Ferner umfasst das Lenksystem einen von einer Steuereinheit ansteuerbaren Lenkradaktuator, welcher eingerichtet ist, um synthetische, haptische Fahrbahnrückmeldungen an einen Fahrzeugführer zu erzeugen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung einer Fahrbahnrückmeldung von niederfrequenten Fahrbahnanregungen eines Steer-By-Wire-Lenksystems für einen Fahrzeugfahrer,
- wobei eine niederfrequente Fahrbahnanregung erfasst wird und
- wobei anhand der erfassten Fahrbahnanregung eine haptische Fahrbahnrückmeldung an einem Lenkradaktuator des Steer-By-Wire-Lenksystems erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeuge Fahrbahnrückmeldung am Lenkradaktuator abhängig von der Frequenz der niederfrequenten Fahrbahnanregung erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei zumindest zwei Frequenzbereiche definiert sind, in welchen eine bestimmte Fahrbahnrückmeldung am Lenkradaktuator erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei jedem Frequenzbereich ein Filter und/oder eine Glättungsfunktion zugeordnet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei ein Schwellwert für die Amplituden der Fahrbahnanregung definiert ist, ab welchem bei Überschreitung eine Fahrbahnrückmeldung am Lenkradaktuator erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schwellwert frequenzabhängig ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schwellwert in Frequenzbereiche unterteilt ist und jedem Frequenzbereich ein Filter zugeordnet ist.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 2 bis 6, wobei ein erster Frequenzbereich bei 0,5 bis 1 Hz, ein zweiter Frequenzbereich bei 1- 2 Hz und ein dritter Frequenzbereich bei 2 - 3 Hz liegt.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Frequenzbereiche abhängig von spezifischen Fahrzeugdaten eingestellt werden.
9. Steer-By-Wire-Lenksystems eines Fahrzeuges zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend zumindest eine Erfassungseinheit, welche die niederfrequente Fahrbahnanregung erfasst, sowie einen von einer Steuereinheit ansteuerbaren Lenkradaktuator welcher eingerichtet ist, um synthetische, haptische Fahrbahnrückmeldungen an einen Fahrzeugführer zu erzeugen.
10. Steer-By-Wire-Lenksystem nach Anspruch 9, wobei die Erfassungseinheit ein Zahnstangenkraftschätzer ist.
EP23820739.3A 2023-01-26 2023-11-13 Verfahren zur erzeugung einer fahrbahnrückmeldung von niederfrequenter fahrbahnanregungen eines steer-by-wire-lenksystems für einen fahrzeugfahrer Pending EP4655193A1 (de)

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