WO1998056631A1 - Vorrichtung mit redundanten kanälen zwischen einer sensoreinrichtung und einer auswerteeinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gesicherten Auswertung von sensierten Meßergebnissen. Das wesentliche Kennzeichen der Erfindung besteht in der zeitgleichen Verwendung mehrerer voneinander unabhängiger Meßbereichskanäle (10, 11) mit voneinander unterschiedlichen Meßbereichen, die von einem gemeinsamen Gierratenmeßelement signaltechnisch gespeist werden. Aus der Erfindung resultieren im wesentlichen folgende Vorteile: Es ist nur noch ein einziges teures Gierratensensorelement erforderlich, welches unterschiedliche Fahrzeugsysteme parallel mit Meßdaten speist. Im Überschneidungsbereich der Meßbereiche können die Meßbereiche unterschiedlicher Systeme gleichzeitig zur gegenseitigen Überwachung (Redundanzfunktion) genutzt werden. Schließlich können gleiche Meßkanäle zusätzlich oder ausschließlich redundant ausgeführt werden und so die Betriebssicherheit des Fahrzeugsystems erhöhen.

Description

Vorrichtung mit redundanten Kanälen zwischen einer Sensoreinrichtung und einer Auswerteeinrichtung.

Die Erfindung betrifft eine sensorische Vorrichtung zur Erfassung von Winkelbewegungen, insbesondere Winkelgeschwindigkeiten im Bereich der Kfz. -Industrie vorwiegend im Anwendungsbereich geregelter Systeme zur Kontrolle von Fahrzeugeigenbewegungen um die Hochachse mit Hilfe elektronisch gesteuerter Brems- und/oder Lenkvorgänge zur Ausregelung unerwünschter Gierbewegungen um die Fahrzeughochachse und gleichzeitiger intelligenter Tempomatfunktion (Intelligent Cruise Control) und/oder Hindernisdetektion (Collision Avoi- dance) .

Verfahren und Vorrichtungen zur Kontrolle und Begrenzung unerwünschter Gierbewegungen um die Fahrzeughochachse sind bekannt. Bei derartigen Systemen wird über Sensoren für der. Lenkwinkel, die Gaspedalstellung, den Bremsdruck und die vier Raddrehzahlen auf den Fahrerwunsch geschlossen und die Soll-Gierbewegung des Fahrzeugs berechnet. Gleichzeitig wird die auf das Fahrzeug wirkende Querbeschleunigung gemessen, ebenso die Giergeschwindigkeit und aus deren rechnerischer Verknüpfung der Ist-Gierzustand des Fahrzeugs erkannt. Beginnt die Ist-Bewegung von der Soll-Bewegung unzulässig abzuweichen, regelt das System über einen gezielten Bremseneingriff auf die zulässige Gierbewegung zurück. Laser- oder radargestützte Verfahren und Vorrichtungen zur intelligente.n Kurskontrolle bzw. Hinderniserkennung sind ebenfalls bekannt. Hierbei wird die Gierbewegung des Fahrzeugs erfaßt, um den Fahrkurs zu verfolgen bzw. den Radius von Fahrkurver. zu berechnen.

Die Erfindung geht daher aus von einer Vorrichtung der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung. Die Anwendung der Erfindung liegt hauptsächlich auf dem Gebiet der Regelung der Fahrzeugdynamik. Derartige Regelungssysteme für Fahrzeuge müssen präzise und absolut sicher arbeiten, damit die gewohnten natürlichen Fahreigenschaften des Kraftfahrzeugs nicht durch fehlerhaften Eingriff der Regelung unangenehm verfälscht werden oder u.U. sogar eine Fahrerge- fährdung eintritt. Hierbei konzentrieren sich die höchsten technischen Anforderungen auf eine präzise Bestimmung der Gierrate. Die Gierratensensorik, durch welche die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt sein kann, muß gleichzeitig sicherstellen, daß jede sensorbedingte Mißweisung unmittelbar mit ihrem Auftreten detektiert werden kann. Dies wird dadurch erschwert, daß keine definierte Fahrzeugbewegung erzeugt werden kann, an der die Gierratensensorik kalibriert werden könnte. Lediglich bei Fahrzeugstillstand kanr. einmalig die Nullpunkt-Abweichung korrigiert werden. Um die Sicherheit des Regelungssystems oder allgemeiner der gattungsgemäßen Vorrichtung zu erhöhen, sind eine Reihe von Konzepten erarbeitet worden, die sich in redundant arbeitende Konzepte und nicht redundant arbeitende Konzepte unterteilen lassen. Das letztere Konzept hat den Nachteil, daß es nach dem Kalibrieren bei Fahrzeugstillstand keine direkte Detektionsmöglichkeit mehr gibt, an der eine langsam fortschreitende Meßabweichung erkannt werden kann, die durch bestimmte Bauteiledefekte in der Sensoreinrichtung oder dem Kanal auftreten können, der die Sensoreinrichtung mit der Verarbeitungseinrichtung verbindet. Solche Defekte können z.B. fehlerhafte Kondensatoren, offene hochohmige Halbleitereingänge, Wackelkontakte und ähnliches in der Sensoreinrichtung und/oder dem Kanal sein. Da keine redundanten Bau- gruppen vorliegen, deren Ausgangssignale miteinander verglichen werden können, muß die Erkennung dieser Fehler über den Umweg von Indizien geschehen, die aus Hilfsgrößen und Kausalitäten gewonnen werden, die mit dem Giervorgang in mehr oder weniger mittelbarem Zusammenhang stehen. Der Erkennungsmechanismus reagiert daher mit relativ geringer Auflösung und größerer Trägheit als bei einem unmittelbaren Vergleichsverfahren. Um diesen Nachteil zu kompensieren, ist es erforderlich, entsprechend feiner zu messen. Das führt zur Notwendigkeit, einen hochpräzisen Gierratensensor einzusetzen, der sowohl den Anforderungen nach großem Meßbereich als auch nach erhöhter Auflösung und Präzision im Bereich kleinerer bis mittlerer Gierraten genügen muß. Die Relation von technischem Aufwand zu erreichbarer Genauigkeit und Sicherheit steigt hierbei jedoch überproportional.

Weitere Sicherheitskonzepte beschäftigen sind mit der Anwer - düng der Redundanz, also der Verwendung mehrerer parallel betriebener Baugruppen und dem Vergleich von deren Ausgangε.- signalen. Sicherheitsmaßnahmen werden dann eingeleitet, wern die Ausgangssignale einander zugeordneter parallel arbeiter- der Baugruppen hinreichend weit abweichen. Redundante Baugruppen sind hier insbesondere hinsichtlich der Sensoreinrichtungen vorgeschlagen worden. Da die Sensoreinrichtunger. aber insbesondere bei Regelungssystemen der Fahrzeugdynamik, also insbesondere Gierratensensoren, sehr aufwendig und teuer sind, stößt dieses Konzept bald an seine Grenzen. Aus der DE-OS 42 14 642 ist ein Konzept bekannt, bei dem der redundante Sensor vergleichsweise einfach aufgebaut ist und nur die Aufgabe hat, starke Meßwertabweichungen gegenüber dem mit der Verarbeitungseinheit verbundenen Sensor erkennen ZL können. An dem Prinzip, daß mehrere Sensoren verwendet werden, ändert sich hieran nichts. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung ein neuartiges Konzept zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und Meßsicherheit vorzuschlagen. Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, auf den mehrfachen parallelen Einsatz von Sensoreinrichtungen zu verzichten und nur mit einer einzigen Sensoreinrichtung auszukommen, gleichzeitig aber eine für viele Zwecke hinreichende Redundanz in der Arbeitsweise der nachgeschalteten Vorrichtung vorzusehen. Dies geschieht genauer gesagt dadurch, daß bei den hinter der Sensoreinrichtung angeschlossenen Baugrupper , also im Prinzip bei den Meßkanälen und/oder innerhalb der Auswerteeinrichtung eine parallele Verarbeitung der von der Sensoreinrichtung gemessenen Meßgrößen und ein Vergleich dieser Meßgrößen an geeigneter Stelle stattfindet. Auf diese Weise lassen sich mit vergleichsweise preiswerten Mitteln in neuartiger Weise redundante Vorrichtungen schaffen, über welche die im Zusammenhang mit der oben beschriebenen Mißweisung geschilderten Bauteildefekte erkannt und daraufhin entsprechende Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden können.

Dabei ist es denkbar, daß ein Vergleich über den gesamten Meßwertbereich stattfindet. Die Erfindung ist aber auch dann wirksam einsetzbar, wenn innerhalb der Verarbeitungseinric - tung voneinander abweichende Meßbereiche der Meßergebnisse parallel ausgewertet werden. Im einfachsten Fall mag es aber genügen, nur zwei oder mehr parallele Kanäle redundant vorzusehen und die über die Kanäle gelangenden Meßergebnisse miteinander zu vergleichen. Im Effekt bedeutet dies eine redundante Überwachung der Übertragungskanäle.

Gegenüber diesem einfachsten Konzept schlägt die Erfindung insbesondere vor, auch die Verarbeitung der parallel in die Verarbeitungseinrichtung eingespeisten Meßgrößen parallel vorzunehmen, so daß abhängig von der Wahl der miteinander zu vergleichenden Größen auch die Verarbeitung selbst mehr oder weniger redundant geschieht und dementsprechend überwacht werden kann. Bei dieser in der Erfindung vorgeschlagenen Arbeitsweise ergeben sich eine Reihe von Vorteilen, die weiter unten noch erläutert werden.

Wählt man eine parallele Verarbeitung innerhalb der Verarbeitungseinrichtung, so empfehlen sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmale nach Anspruch 2. Im Prinzip besagen diese Merkmale, daß zwar die gleichen Meßwerte in der Verarbeitungseinrichtung voneinander unabhängig verarbeitet werden. Die Verarbeitung muß dabei aber nicht in allen Teilen übereinstimmend erfolgen, wie weiter unten noch erläutert wird. Vielmehr können die einzelnen Verarbeitungseinheiten innerhalb der Verarbeitungseinrichtung die gemessenen Größen mit unterschiedlichen Parametern verknüpfen, in anderer Weise verstärken oder Zwischenergebnisse herausfiltern usw. Wesentlich ist nur, daß an vorgegebenen geeigneten Stellen Verarbeitungsergebnisse oder deren vergleichbare Zwischenwerte miteinander verglichen werden, wobei die Wahl der Vergleichspunkte innerhalb der Verarbeitungseinheiten davon abhängt, daß ein Vergleich der Werte an diesen Meßpunkten eine Aussage über die korrekte parallele Arbeitsweise der vorangegangenen Baugruppen ermöglicht. Für die Sensoreinrichtung selber ist dies nach dem vorliegenden Konzept nicht möglich, da sie nur einmal vorhanden ist, wohl aber für die parallel betriebenen Kanäle und die voranliegenden Abschnitte der Verarbeitungseinheiten. Die Meßpunkte können selbstverständlich auch an dem Eingang der Verarbeitungseinheiten, also an den Ausgängen der entsprechenden zugeordneten Kanäle liegen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Diese Ausführungsform der Erfindung schafft insbesondere den Vorteil, daß die mit der teuren Sensoreinrichtung gemessenen Meßwerte zueinander parallel nach unterschiedlichen Gesichtspunkten und Zielrichtungen bearbeitet werden können, so daß praktisch die Verarbeitungseinheiten als zwei getrennte Verarbeitungseinrichtungen durch die gleiche Sensoreinrichtung gespeist werden und dabei zusätzlich noch vergleichende Meßverfahren möglich sind, die Schlüsse auf eine korrekte Arbeitsweise der Kanäle und/oder der Verarbeitungseinheiten selbst zulassen.

Bei dieser Betriebsweise ist es besonders günstig, wenn man die nach Anspruch 3 vorgegebene Merkmalskombination anwendet. Es wird hierdurch erreicht, daß zwei getrennte Verarbeitungseinheiten voneinander unabhängig die Meßgrößen der Sensoreinrichtung verarbeiten können. Das ist aber selbst dann möglich, wenn die zu erarbeitenden parallelen Ausgangsgrößen sich auf voneinander unterscheidende Meßwertbereiche der von der Sensoreinheit gewonnenen Meßgrößen beziehen. Ein Beispiel hierfür wird weiter unten angegeben.

Die Erfindung ist aber nicht nur dann wirksam anwendbar, wenn die Übertragungskanäle der Meßgrößen identisch sind. Vielmehr kann auch die Merkmalskombination nach Anspruch 4 Verwendung finden, indem zur Vergrößerung der Übertragungs- Sicherheit die über die parallelen Kanäle übertragenen Meßgrößen dort in unterschiedlicher Weise verstärkt werden. Eine derartige Maßnahme ist beispielsweise dann ratsam, wenn die Eingänge der zueinander unabhängig und parallel arbeitenden Verarbeitungseinheiten unterschiedliche Meßwertbereiche verarbeiten sollen, die größten Eingangswerten bei beiden Verarbeitungseinheiten aber in etwa gleich sein sollen, um den Rauschabstand des Meßergebnisses möglichst groß zu halten. Weiter oben war schon erläutert worden, daß bei der Dynamikregelung von Fahrzeugen die verschiedenen Systeme auf unterschiedliche Gierratenbereiche ansprechen sollen. Bisher wurden für solche Fälle getrennte Gierratensensoren mit entsprechenden Meßbereichen eingesetzt, die auf den jeweils spezifischen Anwendungsfall geeicht waren. So ist für die Stabilitätskontrolle ein etwa lOfach größerer Meßbereich f r die Gierrate erforderlich (ca. 80°/s) als für die intelligente Kurskontrolle (ca. 8°/s) bei etwa gleicher prozentualer Auflösung. Die Erfindung ermöglicht nun, die redundant arbeitenden parallelen Verarbeitungseinheiten gleichzeitig für mehrere unterschiedliche Einrichtungen zur Dynamikregelung von Kraftfahrzeugen einzusetzen. So kann beispielsweise die erste Auswerteeinheit zur Stabilitätskontrolle eines Fahrzeugs und die zweite Auswerteeinheit zur intelligenten Kurskontrolle eines Fahrzeugs eingesetzt werden, ohne die weiter oben beschriebenen Vorteile der Erfindung in Frage zu stellen. In umgekehrter Betrachtungsweise nutzt die vorliegende Erfindung den Einsatz unterschiedlicher Dynamikregelsysteme dazu aus, zusätzlich noch eine Fehlerkontrolle durchzuführen, wie sie durch redundante Systeme möglich ist, wobei darüber hinaus noch ein teurer Gierratensensor eingespart wird.

Die Erfindung ist nicht auf den parallelen Einsatz nur zweier Kanäle oder den parallelen Betrieb zweier Verarbeitungseinheiten beschränkt. Die Zahl der Kanäle und der Verarbeitungseinheiten kann jeweils kleiner oder größer gewählt unc eine unterschiedliche Anzahl von Kanälen kann mit einer variierenden Anzahl von Verarbeitungseinheiten kombiniert werden. So kann beispielsweise nur ein einziger Kanal vorgesehen werden, während drei voneinander unabhängig und unterschiedlich arbeitende Verarbeitungseinheiten einander durch Vergleich geeigneter Meßwerte auf ihre korrekte Arbeitsweise überwachen. Entsprechendes kann für die Zahl der gewählten Übertragungskanäle oder einer Kombination dieser Baugrupper. gelten. Das erfinderische Prinzip ist selbst dann noch anwendbar, wenn in dem Fahrzeug ein zweiter oder zusätzliche Gierratensensoren für andere Meßzwecke eingesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 bei einem symbolhaft dargestellten Fahrzeug den Verlauf der Gierbewegung des Giermoments um dessen Hochachse und

Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines Gier- ratensensorelementes auf der Basis einer vibrierenden Quarzstruktur.

Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 1, das eine Gierbewegung mit der Gierrate GR um die Hochachse Z ausführt.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweikanalige Anordnung zur Erfassung der Gierrate mit zwei unterschiedli* chen Meßbereichsausgängen S1,S2, die von einer gemeinsamen Sensoreinrichtung abgeleitet werden. Diese Anordnung kann wie weiter oben schon erläutert, auf mehr als zwei Meßbereichsausgänge mit der entsprechenden Anzahl von Übertragungskanälen erweitert werden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt schematisch die Verwendung eines Gierratensensorelementes auf Basis einer vibrierenden Quarzstruktur 2, z.B. in Form einer Stimmgabel Die Quarzstruktur 2 wird in an sich bekannter Weise durch ein Oszillatorsignal 3 über eine Einkoppelstelle 4 elektro- mechanisch angeregt. Ein unter Einfluß der Corioloskraft entstehendes, räumlich versetztes Vibrationssignal wird an einer Auskoppelstelle 5 an der gleichen Quarzstruktur abge- griffen und in einer Aufbereitungsschaltung 6 signaltechnisch aufbereitet (Ladungsverstärker).

Das aufbereitete Signal gelangt auf zwei parallele Kanäle 10,11 mit gleicher prinzipieller Struktur. Diese bestehen aus einem Vorverstärker 7a, 7b, einem Mischer 8a, 8b und einem Verstärker mit Tiefpaßfilter 9a, 9b. Das Signal des Oszillators 3 wird synchron beiden Mischern 8a, 8b zugeführt und durch Synchrondemodulation entstehen an den Ausgängen Ausgangssignale Sl und S2, die der Gierrate entsprechen, jedoch eine andere Meßbereichsspreizung aufweisen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Verstärkungsfaktoren in den Verstärkern 7a, 7b unterschiedlich ausgeführt werden. Im Fall der zweikanaligen Anwendung für Fahrstabilitätssysteme in Kombination mit einer intelligenten Kurskontrolle unterscheiden sich die Verstärkungsfaktoren etwa um den Faktor 10. Im Extremfall der reinen Redundanzanwendung für Fahrstabilitätssysteme sind die Verstärkungsfaktoren beider Kanäle gleich. An die Ausgänge Sl, S2 sind in nicht dargestellter Form zwei voneinander getrennt arbeitende Verarbeitungseinheiten angeschlossen, die zusammen die durch die Kanäle 10,11 gespeiste Verarbeitungseinrichtung ergeben. Zusammenfassend läßt sich folgendes sagen. Das wesentliche Kennzeichen der Erfindung besteht in der gleichzeitigen Verwendung mehrerer voneinander unabhängiger Meßbereichskanäle mit einander unterschiedlichen Meßbereichen, die von einem gemeinsamen Gierratensensor signaltechnisch gespeist werden. Hierdurch ergeben sich folgende prinzipielle Vorteile: Es ist nur noch ein einziger (kostenintensiver) Gierratensenscr erforderlich, der mehrere unterschiedliche Fahrzeugregelsysteme parallel betreibt. Im Überschneidungsbereich der Meßbereiche können die Meßkanäle unterschiedlicher Systeme gleichzeitig zur gegenseitigen Überwachung genutzt werden (Redundanzfunktion). Es können gleiche Meßkanäle zusätzlich oder ausschließlich redundant ausgeführt werden, was die Betriebssicherheit des Regelsystems des Fahrzeugs erhöht.

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Erfassung und Auswertung einer SicherheitStechnischen Meßgröße (GR), bei dem diese Meßgröße (GR) von einer Sensoreinrichtung (2 bis 6) erfaßt und über mindestens einen Übertragungskanal (10,11) zu einer Auswerteeinrichtung übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung mindestens zwei parallele Kanäle (10,11) vorgesehen sind, daß die übertragene, ggf. in den Kanälen (10,11) umgeformte Meßgröße in der Verarbeitungseinrichtung im wesentlichen parallel verarbeitet wird und die Verarbeitungswerte zumindest innerhalb eines bestimmten Meßbereichs miteinander verglichen werden und daß in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses sicherheitstechnische Maßnahmen eingeleitet werden.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung aus mindestens zwei Verarbeitungseinheiten gebildet ist, die jeweils einem Kanal (10,11) zugeordnet sind und die in dem Kanal ggf. umgewandelten Meßgrößen (GR) voneinander getrennt verarbeiten und daß eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, die die unverarbeiteten und/oder zum Teil verarbeiteten und/oder die verarbeiteten und/oder die über den Kanal gelangenden, ggf. dort umgeformten Meßergebnisse miteinander innerhalb eines definierten Meßbereichs vergleicht und bei hinreichender Abweichung sicherheitstechnische Maßnahmen einleitet. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung zwei voneinander unabhängig arbeitende Verarbeitungseinheiten besitzt, die über der. Verarbeitungseinheiten zugeordnete Kanäle (10,11) mit der Sensoreinrichtung (2 bis 6) verbunden sind, daß die Meßwerte von der ersten Verarbeitungseinheit (Sl) innerhalb eines ersten Meßwertebereichs und von der zweiten Verarbeitungseinheit (S2) innerhalb eines zweiten Meßwertbereichs verarbeitet werden und daß der zweite Meßwertbereich sehr viel kleiner als der erste Meßwertbereich ist und vorzugsweise Meßwerte mit einem kleine t Absolutwert der Meßwerte umfaßt.

Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßergebnisse in den Kanälen (11,12) und/oder in den Verarbeitungseinheiten (S1,S2) unterschiedlich verstärkt werden und die unverarbeiteten und/oder teilweise unverarbeiteten und/oder verarbeiteten Meßergebnisse nur in dem gemeinsam ausgewerteten Meßwertebereich verglichen werden.

Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verarbeitungseinheit (Sl) zur Stabilitätskontrolle eines Fahrzeugs und die zweite Verarbeitungseinheit (S2) zur intelligenten Kurskontrolle eines Fahrzeugs dient.