VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BESTIMMEN EINER FAHRZEUGMASSE UND EINER FAHRBAHNSTEIGUNG DURCH EINEN REKURSIVEN ZUSTANDSSCHÄTZALGORITHMUS
Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeugmasse m und einer Fahrbahnsteigung α
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeugmasse m und einer Fahrbahnsteigung α.
Die Masse eines Fahrzeugs ist für viele Mess-, Steuer- und Regelverfahren ein sehr wichtiger Parameter. Bei bekannten Lösungen zur Bestimmung der Fahrzeugmasse wird meist eine nominelle Masse, beispielsweise die zu erwartende Masse bei mittlerer Beladung, zugrunde gelegt. Da die tatsächliche Masse des Fahrzeugs im Betrieb deutlich von dieser nominellen Masse abweichen kann, müssen alle auf der nominellen Masse basierenden Berechnungen sehr robust in Bezug auf Masseunge- nauigkeiten ausgelegt werden. Diese Vorgehensweise beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit von Mess-, Steuer- und Re- gelverfahren, die eine nominelle Masse als Parameter verwenden. Die Bestimmung der Fahrzeugmasse ist insbesondere für Transporter und Lastkraftwagen von großer Bedeutung, da es bei derartigen Fahrzeugen zu beträchtlichen Massenunterschieden zwischen leerem und vollbeladenem Fahrzeug kommt. Aus der DE 199 18 563 AI ist es bereits bekannt, die Fahrzeugmasse mit einem rekursiven Verfahren zu schätzen. In dieser Druckschrift wird jedoch nicht auf die Fahrbahnsteigung eingegangen, die ebenfalls für viele Mess-, Steuer- und Regelverfahren ein wichtiger Parameter ist. Vielmehr entnimmt der Fach- mann der erwähnten DE 199 18 563 AI, dass dort von einer ebenen Fahrbahn ausgegangen wird, d.h. einer Fahrbahnsteigung von 0.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen derart weiter zu bilden, dass eine effiziente und im Vergleich zum Stand der Technik genau-
ere Bestimmung der Fahrzeugmasse und der Fahrbahnsteigung möglich wird.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die Fahrzeugmasse m und die Fahrbahnsteigung α gleichzeitig durch einen rekursiven Zustandsschätzalgorithmus bestimmt werden. Rekursive Zu- standsschätzalgorithmen liefern hinreichend genaue Ergebnis- se, wobei die Verwendung von einem gemeinsamen rekursiven
Zustandsschätzalgorithmus zur Bestimmung der Fahrzeugmasse m und der Fahrbahnsteigung α es vermeidet, dass der tatsächliche Wert des einen Parameters die Bestimmung des anderen Parameters nachteilig beeinflusst.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der rekursive Zustandsschätzalgorithmus auf der Grundlage des folgenden Zusammenhangs durchgeführt wird:
ΔF = FA - Fw = m-a + Fs,
wobei ΔF ein von dem rekursiven Zustandsschätzalgorithmus gelieferter Wert, FA die bekannte Fahrzeugantriebskraft, F die bekannte Fahrwiderstandskraft, m die gesuchte Fahrzeugmasse, a die bekannte Fahrzeugbeschleunigung und Fs die durch die Fahrbahnsteigung α hervorgerufene Steigungskraft ist, die über den Zusammenhang
Fs = m-g-sin(α)
mit der gesuchten Fahrbahnsteigung α, der Fahrzeugmasse m und der Erdbeschleunigung g zusammenhängt. Dabei setzt sich die Fahrzeugsantriebskraft FA aus dem Motordrehmoment und/oder dem Getriebeübersetzungsverhältnis und/oder dem dynamischen Radradius und so weiter zusammen beziehungsweise wird durch diese Größen beeinflusst. Die auf das Fahrzeug wirkende Widerstandskraft F wird insbesondere durch den Luftwiderstand und die Reibungsverluste beeinflusst. Sowohl die Fahrzeugsantriebskraft- FA als auch die auf das Fahrzeug wirkende Kraft F werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als bekannt vorausgesetzt, da diese Größen mit bekannten Verfahren im Fahrzeug bestimmbar sind. Beispielsweise kann die Fahrzeugantriebskraft FA über ein Motormomentenmodell, das eine moderne Motorsteuerung zur Verfügung stellt, die Getriebeübersetzun- gen und den dynamischen Radradius bestimmt werden. Bei automatischen Getrieben mit Drehmomentwandler wird auch dessen Verstärkung berücksichtigt. Die Fahrwiderstandskraft Fw wird beispielsweise entweder gemessen oder aus physikalischen Überlegungen berechnet und anschließend in einem geschwindig- keitsabhängigen Kennfeld abgelegt. Andere Vorgehensweisen, diese benötigten Signale zu ermitteln, können selbstverständlich ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Die durch die Fahrbahnsteigung hervorgerufene Kraft Fs nimmt bei Bergauffahrt, das heißt bei positiver Fahrbahnsteigung positive Werte an, während sie bei Bergabfahrt, das heißt bei negativer Fahrbahnsteigung, negative Werte annimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Fahrzeugbeschleunigung a und/oder die Fahrwiderstandskraft Fw über die gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt werden. Die Fahrzeugbeschleunigung a kann beispielsweise über die gegebenenfalls gefilterte Differentiation der FahrZeuggeschwindigkeit v bestimmt werden. Die Fahrzeugge- schwindigkeit v kann beispielsweise aus einem gemessenen
Raddrehzahlsignal berechnet werden. Die Fahrwiderstandskraft Fw kann beispielsweise über vorher bereitgestellte Tabellen in
Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit v bestimmt werden.
Eine erste bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der rekursive Zustandsschätzalgorithmus der Kleinste-Quadrate-Algorithmus ist, insbesondere der zeitdiskrete Kleinste-Quadrate-Algorithmus. Der Kleinste- Quardrate-Algorithmus ist dem Fachmann an sich bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert. Eine nähere Beschreibung des Kleinste-Quadrate-Algorithmus findet sich beispielsweise in Isermann R. : "Identifikation dynamischer Systeme", Band 1 & 2, Springer, Berlin, 1992 oder Nel- les, 0. : "Nonlinear System Identification", Springer, Berlin, 2001.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der rekursive Zustandsschätzalgorithmus der Kalman-Filter-Algorithmus ist (der teilweise auch als Kalman-Bucy-Filter-Algorithmus be- zeichnet wird) , insbesondere der zeitdiskrete Kalman-Filter- Algorithmus. Auch der Kalman-Filter-Algorithmus ist dem Fachmann gut bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Eine nähere Beschreibung dieses Algorithmus findet sich ebenfalls in Isermann R. : "Identifikation dynamischer Systeme", Band 1 & 2, Springer, Berlin, 1992 oder Nelles, 0.: "Nonlinear System Identification", Springer, Berlin, 2001.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der rekursive Zustandsschätzalgo- rithmus ein erweiterter rekursiver Zustandsschätzalgorithmus ist, der die unterschiedliche Dynamik des Parameters Fahrzeugmasse m und des Parameters Fahrbahnsteigung berücksichtigt. Dieser bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Fahr- zeugmasse nur relativ langsam und insbesondere nach dem Halten des Fahrzeugs ändert. Im Gegensatz hierzu verändert sich die Fahrbahnsteigung relativ schnell.
In diesem Zusammenhang sieht das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise weiterhin vor, dass der erweiterte rekursive Zustandsschätzalgorithmus der erweiterte Kalman-Filter- Algorithmus, insbesondere der erweiterte zeitdiskrete Kalman- Filter-Algorithmus ist. Auch der erweiterte Kalman-Filter- Algorithmus ist dem Fachmann gut bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert. Für eine genauere Beschreibung dieses Algorithmus wird auch an dieser Stelle auf Isermann R. : "I- dentifikation dynamischer Systeme", Band 1 & 2, Springer,
Berlin, 1992 oder Nelles, 0. : "Nonlinear System Identification", Springer, Berlin, 2001 verwiesen. Bei dem erweiterten Kalman-Filter-Algorithmus ist es möglich, die Adaptionsgeschwindigkeit parameterindividuell vorzugeben. Dies erlaubt eine schnelle Adaption der Fahrbahnsteigung und eine langsame, dafür jedoch stark geglättete und robuste Adaption der Fahrzeugmasse .
Vorzugsweise ist im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass als Startwerte zur Durchführung des rekursiven Zustandsschätzalgorithmus für die Fahrzeugmasse m und die Fahrbahnsteigung α vorgegebene im Rahmen der jeweils zu erwartenden Wertebereiche liegende Startwerte verwendet werden.
In diesem Zusammenhang kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin vorgesehen sein, dass als Startwerte zur Durchführung des rekursiven Zustandsschätzalgorithmus für die Fahrzeugmasse m die bekannte Masse des halbbeladenen Fahr- zeugs und für die Steigungskraft beziehungsweise die Fahrbahnsteigung α ein 0° entsprechender Wert verwendet werden. Insbesondere für die Fahrzeugmasse m können gegebenenfalls jedoch auch andere Startwerte verwendet werden, beispielsweise der bei der letzen Durchführung des rekursiven Schätzalgo- rithmus bestimmte beziehungsweise geschätzte Wert der Fahrzeugmasse m.
Jede Vorrichtung, die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, fällt in den Schutzbereich der zugehörigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung baut auf den gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass sie Mittel aufweist, die die Fahrzeugmasse m und die Fahrbahnsteigung gleichzeitig durch einen rekursiven Zustandsschätzalgorithmus bestimmen. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Mittel sind vorzugsweise durch geeignete Hard- und Software gebildet, wobei die Hardware gegebenenfalls zumindest teilweise durch ohnehin im Fahrzeug vorhandene Hardware gebildet sein kann. Im Übrigen ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei bezüg- lieh der durch diese Ausführungsform erzielbaren Vorteile auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen wird.
Ähnlich wie beim erfindungsgemäßen Verfahren sieht auch eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die Mittel den rekursiven Zustandsschätzalgorithmus auf der Grundlage des folgenden Zusammenhangs durchführen:
ΔF = FA - Fw = m- a + Fs,
wobei ΔF ein von dem rekursiven Zustandsschätzalgorithmus gelieferter Wert, FA die bekannte Fahrzeugantriebskraft, Fw die bekannte Fahrwiderstandskraft, m die gesuchte Fahrzeug- masse, a die bekannte Fahrzeugbeschleunigung und Fs die durch die Fahrbahnsteigung α hervorgerufene Steigungskraft ist, die über den Zusammenhang
FΞ = m- g - sin ( )
mit der gesuchten Fahrbahnsteigung α, der Fahrzeugmasse m und der Erdbeschleunigung g zusammenhängt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Mittel die Fahrzeugbeschleunigung a und/oder die Fahrwiderstandskraft Fw über die gemesse- ne Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmen.
Auch bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der rekursive Zustandsschätzalgorithmus der Kleinste-Quadrate-Algorithmus ist, insbesondere der zeitdiskrete Kleinste-Quadrate- Algorithmus .
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der rekursive Zustandsschätzalgo- rithmus der Kalman-Filter-Algorithmus ist, insbesondere der zeitdiskrete Kalman-Filter-Algorithmus ist.
Ähnlich wie im Fall des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht auch eine besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungs- gemäßen Vorrichtung vor, dass der rekursive Zustandsschätzalgorithmus ein erweiterter rekursiver Zustandsschätzalgorithmus ist, der die unterschiedliche Dynamik des Parameters Fahrzeugmasse und des Parameters Fahrbahnsteigung α berücksichtigt .
In diesem Zusammenhang ist auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass der erweiterte rekursive Zustandsschätzalgorithmus der erweiterte Kalman-Filter-Algorithmus, insbesondere der erweiterte zeit- diskrete Kalman-Filter-Algorithmus ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Mittel als Startwerte zur Durchführung des rekursiven Zustandsschätzalgorithmus für die Fahrzeugmasse m und die Fahrbahnsteigung vorgegebene im Rahmen der jeweils zu erwartenden Wertebereiche liegende Startwerte verwenden .
In diesem Zusammenhang ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die Mittel als Startwerte zur Durchführung des rekursiven Zustandsschätzalgorithmus für die Fahrzeugmasse m die bekannte Masse des halbbeladenen Fahrzeugs und für die Fahrbahnsteigung α einen 0° entsprechenden Wert verwenden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 ein Flussdiagramm, dass eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht, und
Figur 2 ein Blockschaltbild, dass die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht.
Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird als rekursiver Zustandsschätzalgorithmus der zeitdiskrete erweiterte Kalman-Filter-Algorithmus eingesetzt, der sich mathematisch wie folgt formulieren lässt:
Θ(K) = θ(k - 1) + γ(k)e(k) , e(k) = Y(k) - xτ(k)θ(k - 1)
,, . P(k- l)x(k) 35 γ(k) = — xτ(k)P(k - l)x(k) + 1
P( k) = (i - γ( k)xτ (k))p( k - 1 ) + V
θ = [m Fs
x = [a l]τ
y = ΔF
dabei ist θ der Parametervektor, der die gesuchte Fahrzeugmasse m und die gesuchte Steigungskraft Fs enthält, über die die Fahrbahnsteigung α bestimmt werden kann, x ist der Regressionsvektor, der die bekannte Fahrzeugbeschleunigung a enthält, y ist der von dem Kaiman-Filter gelieferte Ausgangswert. P ist die Kovarianzmatrix der Parameterschätzungen, die die Genauigkeit der jeweiligen Schätzung festlegt. V ist die vorgegebene Rausch-Kovarianzmatrix, die die Vergessgeschwindigkeit für die Fahrzeugmasse m und die Steigungskraft Fs unabhängig voneinander festlegt. Vorzugsweise ist die Vergessgeschwindigkeit für die Fahrzeugmasse m langsam, während sie für die Steigungskraft Fs hoch ist.
Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beginnt beim Schritt S10. Beim Schritt Sll werden die Startwerte für die Fahrzeugmasse m und die Steigungskraft Fs eingelesen. Diese Startwerte werden geeignet gewählt, wobei der Startwert für die Fahrzeugmasse m beispielsweise die Masse des halbbeladenen Fahrzeugs sein kann, währen der Startwert für die Steigungskraft Fs beispielsweise 0 sein kann. Beim Schritt S12 wird die Kovarianzmatrix V belegt, die die Vergessgeschwindigkeiten für die Fahrzeugmas- se m und die Steigungskraft Fs unabhängig' voneinander fest-
legt. Dadurch kann die unterschiedliche Dynamik der Parameter Fahrzeugmasse m und Steigungskraft Fs beziehungsweise Fahrbahnsteigung berücksichtigt werden. Wie erwähnt ändert sich die Fahrzeugmasse m im Vergleich zur Fahrbahnsteigung α nur relativ langsam. Beim Schritt S13 wird die Fahrzeugbeschleunigung a die Fahrzeugantriebskraft FA und die Fahrwiderstandskraft F bestimmt. Üblicherweise werden diese Signale nicht direkt gemessen sondern beispielsweise wie folgt berechnet. Die Fahrzeugbeschleunigung a wird durch gegebenen- falls gefilterte Differentiation der Fahrzeuggeschwindigkeit v bestimmt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit v wird aus einer gemessenen Raddrehzahl berechnet. Die Fahrzeugantriebskraft FA wird aus einem Motormomentenmodell, wie es eine moderne Motorsteuerung zur Verfügung stellt, den Getriebeübersetzun- gen und dem dynamischen Radradius bestimmt. Bei automatischen Getrieben mit Drehmomentwandler muss auch dessen Verstärkung mit einbezogen werden. Die Fahrwiderstandskraft Fw wird entweder gemessen oder auf der Grundlage von physikalischen Überlegungen berechnet und anschließend in einem geschwindig- keitsabhängigen Kennfeld abgelegt. Andere Vorgehensweisen, die benötigten Signale zu erhalten, sind denkbar und können im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls eingesetzt werden.
Im Schritt S14 wird das Kalman-Filter-Problem in dem Fachmann bekannter Weise gelöst, um die Fahrzeugmasse m und die Steigungskraft Fs zu bestimmen. Beim Schritt S15 wird die Fahrbahnsteigung α über den Zusammenhang Fs = m-g-sin(α) bestimmt. Beim Schritt S16 wird überprüft, ob der rekursive Algorithmus beendet werden soll. Ist dies der Fall, so wird zum Schritt S17 verzweigt, bei dem die dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens endet. Anderenfalls wird zurück zum Schritt S13 verzweigt, in dem die Fahrzeugbeschleunigung a, die Fahrzeugantriebskraft FA und die Fahrwiderstandskraft Fw erneut bestimmt werden. Für den Fall, dass die Fahrzeugbeschleunigung a den Wert 0 hat, mu^s nur die Steigungskraft FΞ bestimmt werden und das Problem verein-
facht sich zu einem ein-Paramter-Problem. Gleiches gilt, wenn die Fahrbahnsteigung α und damit die Steigungskraft Fs den Wert 0 hat und somit nur die Fahrzeugmasse m bestimmt werden muss .
Figur 2 zeigt in Blockschaltbildform den Einsatz einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In Figur 2 ist der physikalische Prozess mit dem Bezugszei- chen 12 versehen, während die erfindungsgemäß vorgesehenen
Mittel mit 10 bezeichnet sind. Diese Mittel 10 sind vorzugsweise durch geeignete Hard- und Software gebildet. Von dem Prozess 12 werden in geeigneter und an sich bekannter Weise die Fahrzeugbeschleunigung a, die Fahrzeugantriebskraft FA und die Fahrwiderstandskraft Fw abgeleitet, wobei aus den beiden zuletzt genannten Größen die Differenz FA ~FW gebildet wird. Die Ausgangsgröße ΔF des zeitdiskreten erweiterten Kaiman-Filters 14 wird von der Differenz FA-FW abgezogen. Dieses Ergebnis wird dem zeitdiskreten erweiterten Kalman- Filter 14 wieder zugeführt. Weiterhin wird dem zeitdiskreten erweiterten Kaiman-Filter 14 auch die Führungsgröße des Prozesses zugeführt. Die Startwerte für die Fahrzeugmasse m und die Steigungskraft Fs sowie die geeignet belegte Kovarianzmatrix V wird dem zeitdiskreten erweiterten Kaiman-Filter 14 ebenfalls zugeführt, wobei die Kovarianzmatrix V gegebenenfalls von der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder anderen Größen abhängig sein kann. Das zeitdiskrete erweiterte Kaiman-Filter 14 liefert Schätzwerte für die Fahrzeugmasse m und die Steigungskraft Fs. Aus Letzterer wird im Berechnungsblock 16 über die Beziehung aresin (Fs /mg) die Fahrbahnsteigung α berechnet .
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.