WO2004083014A1 - System zur spurhaltelenkunterstützung in einem fahrzeug - Google Patents

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WO2004083014A1
WO2004083014A1 PCT/EP2004/000843 EP2004000843W WO2004083014A1 WO 2004083014 A1 WO2004083014 A1 WO 2004083014A1 EP 2004000843 W EP2004000843 W EP 2004000843W WO 2004083014 A1 WO2004083014 A1 WO 2004083014A1
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WO
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target
lane
driver
torque
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PCT/EP2004/000843
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Hans Fritz
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Mercedes Benz Group AG
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DaimlerChrysler AG
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/025—Active steering aids, e.g. helping the driver by actively influencing the steering system after environment evaluation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T2201/00—Particular use of vehicle brake systems; Special systems using also the brakes; Special software modules within the brake system controller
    • B60T2201/08—Lane monitoring; Lane Keeping Systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T2201/00—Particular use of vehicle brake systems; Special systems using also the brakes; Special software modules within the brake system controller
    • B60T2201/08—Lane monitoring; Lane Keeping Systems
    • B60T2201/087—Lane monitoring; Lane Keeping Systems using active steering actuation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2540/00—Input parameters relating to occupants
    • B60W2540/18—Steering angle

Definitions

  • the invention relates to a system for lane-keeping steering support in a vehicle according to the preamble of claim 1.
  • the disadvantage here is that non-linearities resulting from the steering actuator system are not taken into account in the control loops.
  • the double regulation also requires considerable effort in the implementation of the lane-keeping support.
  • the invention is based on the problem of creating a system for lane-keeping steering support in a vehicle, which is characterized by a high degree of variability with relatively little effort. Non-linearities of the steering device should also be taken into account expediently.
  • the position of the vehicle in relation to the lane is determined with the aid of a position detection device and the basis for determining a target steering angle in a lane controller.
  • a target steering torque is generated from the target steering angle and is to be supplied to a steering device for setting the actual steering angle.
  • the target steering torque can be superimposed on the driver steering torque generated by the driver.
  • the system comprises a lane controller and a separately designed and decoupled calculation unit downstream of the lane controller, in which an inverse steering actuator function is implemented, from which the target steering torque to be supplied to the steering device is determined from the target steering angle of the lane controller.
  • the decoupling of the lane controller and the downstream calculation unit with the inverse steering actuator function offers the advantage that the properties of the steering actuator system do not have to be taken into account in the lane controller design. In this way, standardized lane regulators can be used, each of which is followed by a vehicle-dependent calculation unit that contains the inverse steering actuator function. Among other things, this procedure offers the possibility of to combine lane control with the same, downstream calculation unit or, conversely, to combine a common controller type with different, downstream calculation units. Overall, the design effort for a large number of different lane control systems is reduced.
  • the inverse steering actuator function in the downstream calculation unit follows a known relationship from which the target steering torque is determined as a function of the target steering angle supplied by the upstream lane controller.
  • the relationship of the target steering torque as a function of the target steering angle can be either a mathematical, functional relationship or a stored map.
  • both a static component in the inverse steering actuator function, which is to be determined as a function of the target steering angle, and a dynamic component as a function of the first and / or the second derivative of the target steering angle can be taken into account.
  • the dynamic components in particular the mass inertia of the steering device acting on the steerable wheels and a damping component in the steering device can be taken into account.
  • this can be determined from measurements during test drives of a real vehicle. those in which the actual steering angle that is established at a given steering torque is determined as the stationary operating points.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a system for lane control of a vehicle, with the aid of which the tracking of a motor vehicle on a roadway can be supported and which comprises a lane controller and a further calculation unit separately formed by the lane controller with an inverse steering actuator function,
  • FIG. 2 is a block diagram with a detailed representation of the downstream calculation unit with the inverse steering actuator function
  • Fig. 3 is a schematic block diagram of an operating device for the lane control system.
  • the lane control system designated by reference numeral 100 in FIG. 1 serves to support the driver in keeping a motor vehicle in lane along a predetermined lane by adding a desired steering torque to the steering torque applied by the driver and feeding it to a steering device.
  • the lane control system 100 comprises a position detection device 1, a target lane sensor 2, a sensor 3 for detecting the current driving state and one Lane support control device 10, in which the desired steering torque is generated and then fed to the superimposed steering device 4.
  • the lane information and position information of the vehicle relative to the lane or lane determined by the position detection device 1 include, in particular, the lateral offset ⁇ y to the lane edge, the yaw angle ⁇ of the vehicle relative to the lane and the lane curvature C. These data are signaled as input variables by the position detection device 1 passed to the lane support control device 10.
  • the lane support control device 10 is supplied as input variables with data from the target lane sensor 2 about the lateral target offset ⁇ y so to be observed, relative to the roadway.
  • Information z about the current driving state of the vehicle is also passed as input variables from the driving state detection sensor system 3 to the lane support control device 10.
  • the information z from the sensor system 3 about the current driving state or vehicle operating state comprises at least one or more of the variables steering wheel angle, yaw rate, transverse speed, lateral acceleration and in particular the driving speed v.
  • the lane support control device 10 is constructed in three stages and comprises a lane controller 11, a calculation unit 12 connected downstream of the lane controller with an inverse steering actuator function and, as a further, downstream stage, a limiter 13.
  • a suitable lane control algorithm is stored in the first stage, the lane controller 11.
  • the calculation unit 12 determines from the target wheel steering angle ⁇ Rad so ii and taking into account the driving state information z supplied to it by the sensor system 3 in accordance with an inverse steering actuator function stored in the calculation unit 12 as a target quantity a target steering torque M Lenk .
  • Target steering torque M is to steering is subsequently supplied as an input variable to the limiter 13, in which the target steering torque to a predetermined, maximum permissible value ⁇ srf / is limited.
  • This maximum value M_ ⁇ . tt is finally fed to the superimposed steering device 4, in which the maximum value M__ soU for the target steering torque is additionally superimposed on the driver steering torque M steering driver , which it specifies via the steering wheel 5, and used to adjust the actual wheel steering angle to maintain the desired lane becomes.
  • the steering torque M Le als driver applied by the driver via the steering wheel and the steering wheel angular speed ⁇ steering driver generated by the driver on the steering wheel are supplied to the limiter 13 as additional input signals.
  • Input signals enable the lane-keeping steering assistance to be switched off by rapid steering movements by the driver and / or by the driver specifying large steering torques.
  • the steering torque M__ n given by the lane support control device 10 can be speed of the steering torque applied by the driver via the steering wheel M- steering driver and / or the applied steering wheel angular speed ⁇ steering driver are limited to the value zero.
  • M steering is herein represents the predetermined on the steering wheel steering torque, M Lenk> load the restoring acting on the steering wheel or load torque, which due to the lateral force S wheel acts on the steered wheels - in particular the front wheels - and M steering D the damping torque acting on the steering wheel side in the steering system, with J the moment of inertia of the steering system.
  • the mathematical integration twice provides the steering wheel angle ⁇ steering a -L s function of the specified actuating or steering torque:
  • the Lenkaktuatorfunktion which describes the relationship between the predetermined on the steering wheel steering torque M steering and the steering angle ⁇ wheel of the steered wheel, with the can in the
  • the inverse steering actuator function can be performed on the level of the target variables as a function of the target wheel steering angle ⁇ Rad soli according to the relationship
  • the calculation unit 12 is used as a gear size the desired wheel steering angle ⁇ wheel should be supplied.
  • the calculation unit comprises two subsystems: on the one hand a subsystem 20 with static components of the inverse steering actuator function, on the other hand a subsystem 30 with dynamic components of the inverse steering actuator function.
  • the target wheel steering angle ⁇ wheel target is supplied to both subsystems 20 and 30 as an input variable.
  • the subsystem 20 for calculating the static components provides the static component M L s k target of the target steering torque as an output variable; In a corresponding manner, a dynamic component M L dy n " k target of the target steering torque is calculated in the subsystem 30.
  • the two components M s nk soü and M ek target from the subsystems 20 and 30 are then added and as a common target steering torque M. Lenk is to be fed to the following calculation unit - the limiter 13 from FIG. 1.
  • the subsystem 20 for calculating the static proportions of the target steering torque comprises a first unit 21, in which a model for determining the target restoring torque or target load torque is stored.
  • the unit 21 delivers as an output variable an input to the steering linkage
  • Steering gear related target torque M R ⁇ dl which is fed as an input variable to the subsequent unit 22, in which an inverse model of the steering gear is stored.
  • the target torque M R s ⁇ d sol! the static target steering torque M L st nk referred to the steering wheel is calculated.
  • the unit 21 taking into account the information z about the current driving state, which is provided by the sensor system 3 (FIG. 1), and the target wheel steering angle ⁇ Sad u with the input variable driving speed v, the target torque M R s ad target according to relationship
  • the wheel side force S RadtS0ll is a function of the target slip angle. Simplified, this lateral force or the desired oblique angle can be linearized as a function of the desired wheel steering angle ⁇ wheel oll
  • C Ra (i denotes the lateral stiffness of the wheels, which is known from tire characteristics, l wheel the distance between the center of gravity of the vehicle and the wheel axis with the steered wheels, K ß the stationary angle of attack gain and K ⁇ the stationary yaw rate gain dependent on the speed v.
  • the subsystem 30 with the dynamic components of the inverse steering actuator function comprises in particular a differentiating unit 31, which is supplied as the input variable to the target wheel steering angle ⁇ Rad so ii and which, as the output variable, provides the target wheel steering angle speed ⁇ Rad and the target as a first and second time derivative -
  • the differentiating unit 31 contains a state variable filter which, in comparison to the numerical differentiation, supplies a smoother signal curve for the differentiated signals.
  • the target wheel steering angle acceleration ⁇ wheel target is fed to a downstream unit 32 as an input variable in which a model for determining the inertia-related target steering torque is stored.
  • a model for determining the inertia-related target steering torque is stored.
  • the dynamic component M steering, ⁇ which takes into account the moment of inertia J of the steering device , thus determines the target steering torque.
  • another unit 33 Parallel to the unit 32, another unit 33, in which a model for determining the damping-related target steering torque is stored, as a function of the target
  • Wheel steering angular velocity ⁇ wheel shall be according to the relationship
  • the dynamic torque components determined from the units 32 and 33 are in accordance with the relationship
  • M dyn Lenk, oll M Lenk, T, should + M Lenk, D, should
  • the limiter unit 13 enables the lane steering support to be switched off independently. This can be done, for example, by rapid steering movements by the driver and / or by the driver specifying large steering torques.
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of an exemplary embodiment of an operating device for the lane control system 100 according to the invention, with an operating unit 50 assigned to the lane control system, and a display unit 54.
  • the operating unit 50 (for example a multifunction steering wheel) has operating elements 50a, 50b for activation or deactivation of the lane control system.
  • An alternative control element 51 for activating or deactivating the lane control system is also shown.
  • the driver generates an activation signal S AKT or a deactivation signal S DEA ⁇ for activating or deactivating the lane control system via the control elements 50a and 50b designed as two buttons of a multifunction steering wheel.
  • This operating function can alternatively be implemented with a single operating lever 51 with opposite operating directions for the activation or deactivation of the lane control system.
  • the lane-keeping steering support can be canceled (deactivated) at any time by operating the control lever in the opposite direction or by pressing the opposite control button.
  • an emergency switch (not shown) which is conveniently placed and can be actuated by the driver in an emergency can also be provided.
  • the emergency switch When the emergency switch is actuated, the lane-keeping system is immediately stopped and the driver regains full control of the vehicle.
  • the steering device, the drive device and the braking device can be operated by the driver in the usual way.
  • the emergency switch function can also be coupled, for example, to the brake or accelerator pedal, so that the lane keeping joint support is interrupted by the driver in the event of sudden braking or accelerating.
  • the degree of lane-keeping steering support can also be set by the driver via the operating unit 50.
  • a signal S UG generated by the driver is transmitted to the lane control system 100 via an operating element, for example a rotary knob, the signal S UG being able to assume a value between 0% and 100% and the degree of lane-keeping steering support being set to a corresponding extent.
  • the maximum value M ⁇ J (III for the target Steering torque M steering is to be influenced by the driver in the limiter within predetermined limits.
  • the display unit 54 shows the driver the entire system and whether or not the lane-keeping steering support is activated.
  • the ready state is transmitted to the display unit 54 with the signal S BZ .
  • the display unit 54 contains a display element 54a, which shows the driver the current system status including the currently set degree of lane-keeping steering support.

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Abstract

Bei einem System (100) zur Spurhaltelenkunterstützung in einem Fahrzeug wird die Position des Fahrzeuges relativ zur Fahrspur mit Hilfe einer Lageerkennungseinrichtung ermittelt und der Bestimmung eines Soll-Lenkwinkels in einem Fahrspurregler zugrunde gelegt, aus dem ein Soll-Lenkmoment bestimmt wird, welches einem vom Fahrer erzeugten Fahrer-Lenkmoment überlagert und einer die lenkbaren Räder beaufschlagenden Lenkvorrichtung (4) zugeführt wird. Dem Fahrspurregler (11) ist eine weitere, separat ausgebildete Berechnungseinheit (12) mit einer inversen Lenkaktuatorfunktion nachgeschaltet, in der aus dem Soll-Lenkwinkel des Fahrspurreglers das Soll-Lenkmoment bestimmt wird.

Description

System zur SpurhaitelenkunterStützung in einem Fahrzeug
Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Spurhaltelenk- unterstützung in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein derartiges System wird in der Druckschrift EP 1 170 651 A2 beschrieben. Bei dem Spurhaltelenkunterstützungssystem wird die Position des Fahrzeugs relativ zur Fahrspur mit Hilfe einer Lageerkennungseinrichtung ermittelt und der Bestimmung eines Soll-Lenkwinkels zugrunde gelegt, aus dem der Strom für einen anzusteuernden Elektromotor ermittelt wird, über den der gewünschte Soll -Lenkwinkel in der Lenkeinrichtung eingestellt wird. In dem Spurhaltelenkunterstützungssys- tem werden zwei hintereinander geschaltete " Regelkreise verwendet, wobei aus dem ersten Regelkreis der Soll-Lenkwinkel ermittelt wird, aus dem im zweiten Regelkreis der Strom für den anzusteuernden Elektromotor bestimmt wird.
Nachteilig hierbei ist, dass Nichtlinearitäten, welche sich aus der Lenkaktuatorik ergeben, in den Regelkreisen nicht berücksichtigt werden. Die doppelte Regelung erfordert darüber hinaus einen erheblichen Aufwand bei der Realisierung der Spurhaltelenkunterstützung . Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein System zur Spurhaltelenkunterstützung in einem Fahrzeug zu schaffen, welches sich bei einem verhältnismäßig geringen Aufwand durch eine hohe Variabilität auszeichnet. Zweckmäßig sollen auch Nichtlinearitäten der Lenkungseinrichtung berücksichtigt werden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Bei dem erfindungsgemäßen Fahrspurregelungssystem wird die Position des Fahrzeuges in Bezug zur Fahrspur mit Hilfe einer Lageerkennungseinrichtung ermittelt und der Bestimmung eines Soll-Lenkwinkels in einem Fahrspurregler zugrunde gelegt. Aus dem Soll-Lenkwinkel wird ein Soll-Lenkmoment erzeugt, welches einer Lenkvorrichtung zur Einstellung des Ist-Lenkwinkels zuzuführen ist. Das Soll-Lenkmoment kann dem vom Fahrer erzeugten Fahrer-Lenkmoment überlagert werden.
Das System umfasst einen Fahrspurregler sowie eine dem Fahrspurregler nachgeschaltete, separat ausgebildete und entkoppelte Berechnungseinheit, in der eine inverse Lenkaktuatorfunktion realisiert ist, aus der aus dem Soll-Lenkwinkel des Fahrspurreglers das der Lenkvorrichtung zuzuführende Soll- Lenkmoment bestimmt wird. Die Entkopplung von Fahrspurregler und nachgeschalteter Berechnungseinheit mit der inversen Lenkaktuatorfunktion bietet den Vorteil, dass die Eigenschaften des Lenkaktuatorsystems nicht im Spurreglerentwurf berücksichtigt werden müssen. Auf diese Weise können standardisierte Fahrspurregier eingesetzt werden, denen jeweils eine fahrzeugabhängige, die inverse Lenkaktuatorfunktion enthaltende Berechnungseinheit nachgeschaltet wird. Diese Vorgehensweise bietet unter anderem die Möglichkeit, verschiedenartige Fahr- spurregier mit jeweils der gleichen, nachgeschalteten Berechnungseinheit zu kombinieren oder umgekehrt einen gemeinsamen Fahrreglertyp mit unterschiedlichen, nachgeschalteten Berechnungseinheiten zu kombinieren. Insgesamt wird der Auslegungs- aufwand für eine Vielzahl unterschiedlicher Fahrspurregelungssysteme reduziert .
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass Nichtlinearitä- ten in der Lenkaktuatorik über die inverse Lenkaktuatorfunktion kompensiert werden können. Die Spurhaltung wird hierdurch erheblich verbessert. Außerdem kann auf eine zweite unterlagerte Regelung verzichtet werden.
Die inverse Lenkaktuatorfunktion in der nachgeschalteten Berechnungseinheit folgt einer bekannten Beziehung, aus der das Soll-Lenkmoment in Abhängigkeit des vom vorgeschalteten Fahrspurregler gelieferten Soll-Lenkwinkels bestimmt wird. Die Beziehung des Soll-Lenkmoments in Abhängigkeit des Soll- Lenkwinkels kann hierbei entweder als mathematischer, funktionaler Zusammenhang oder als abgespeichertes Kennfeld vorliegen.
Im Falle eines mathematischen Zusammenhangs kann sowohl ein statischer Anteil in der inversen Lenkaktuatorfunktion, welcher in Abhängigkeit des Soll-Lenkwinkels zu bestimmen ist, als auch ein dynamischer Anteil in Abhängigkeit der ersten und/oder der zweiten Ableitung des Soll-Lenkwinkels berücksichtigt werden. In den dynamischen Anteilen können insbesondere die Massenträgheit der die lenkbaren Räder beaufschlagenden Lenkvorrichtung als auch ein Dämpfungsanteil in der Lenkvorrichtung berücksichtigt werden.
Im Falle eines abgespeicherten Kennfelds kann dieses aus Messungen bei Testfahrten eines realen Fahrzeugs ermittelt wer- den, bei denen als stationäre Arbeitspunkte der zu einem vorgegebenen Lenkmoment sich einstellende Ist-Lenkwinkel ermittelt wird.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Systems zur Fahrspurregelung eines Fahrzeuges, mit dessen Hilfe die Spurhaltung eines Kraftfah zeuges auf einer Fahrbahn unterstützt werden kann und das einen Fahrspurregler sowie eine weitere, vom Fahrspurregler separat ausgebildete Berechnungseinheit mit einer inversen Lenkaktuatorfunktion umfasst,
Fig. 2 ein Blockschaltbild mit einer detaillierten Darstellung der nachgeschalteten Berechnungseinheit mit der inversen Lenkaktuatorfunktion,
Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Bedieneinrichtung für das Fahrspurregelungssystem.
In den Figuren sind gleiche Baueinheiten mit gleichen Bezugs- zeichen versehen.
Das in Fig. 1 mit Bezugszeichen 100 bezeichnete Fahrspurregelungssystem dient zur Unterstützung des Fahrers bei der Spurhaltung eines Kraftfahrzeuges entlang einer vorgegebenen Fahrspur, indem zu dem vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoment ein Soll-Lenkmoment addiert und einer Lenkvorrichtung zugeführt wird. Das Fahrspurregelungssystem 100 umfasst eine Lageerkennungseinrichtung 1, einen Sollspurgeber 2, eine Senso- rik 3 zur Erkennung des momentanen Fahrzustandes sowie eine Spurunterstützungsregeleinrichtung 10, in welcher das Soll- Lenkmoment erzeugt und anschließend der Überlagerungslenkvor- richtung 4 zugeführt wird.
Die von der Lageerkennungseinrichtung 1 ermittelten Fahrspurinformationen und Positionsinformationen des Fahrzeugs relativ zur Fahrbahn bzw. Fahrspur umfassen insbesondere den lateralen Versatz Δy zum Fahrspurrand, den Gierwinkel Δψ des Fahrzeugs relativ zur Fahrspur sowie die Fahrbahnkrümmung C. Diese Daten werden in Signalform als Eingangsgrößen von der Lageerkennungseinrichtung 1 an die Spurunterstützungsregeleinrichtung 10 übergeben.
Des Weiteren werden der Spurunterstützungsregeleinrichtung 10 als Eingangsgrößen Daten von dem Sollspurgeber 2 über den einzuhaltenden, lateralen Soll-Versatz Δysoιι relativ zur Fahrbahn zugeführt. Aus der Fahrzustandserkennungssensorik 3 werden Informationen z über den aktuellen Fahrzustand des Fahrzeuges ebenfalls als Eingangsgrößen an die Spurunterstützungsregeleinrichtung 10 geleitet. Die Informationen z aus der Sensorik 3 über den momentanen Fahrzustand bzw. Fahrzeu - betriebszustand umfassen wenigstens eine oder mehrere der Größen Lenkradwinkel, Giergeschwindigkeit, Quergeschwindigkeit, Querbeschleunigung sowie insbesondere die Fahrgeschwindigkeit v.
Die Spurunterstützungsregeleinrichtung 10 ist dreistufig aufgebaut und umfasst einen Fahrspurregler 11, eine dem Fahrspurregler nachgeschaltete Berechnungseinheit 12 mit einer inversen Lenkaktuatorfunktion sowie als weitere, nachgeschaltete Stufe einen Begrenzer 13. In der ersten Stufe, dem Fahrspurregler 11, ist ein geeigneter Spurregelalgorithmus hinterlegt. Dem Fahrspurregier 11 werden die Signale bzw. Informationen aus der Lageerkennungseinrichtung 1, dem Sollspurge- ber 2 sowie der Fahrzustandserkennungssensorik 3 zugeführt, die im Spurregelalgorithmus verarbeitet werden und aus denen als Ausgangsgröße ein reglerinterner Soll -Radlenkwinkel δRad soü erzeugt wird, welcher als Eingangsgröße der nachgeschalteten Berechnungseinheit 12 zugeführt wird.
Die Berechnungseinheit 12 bestimmt aus dem Soll-Radlenkwinkel δ Rad soii sowie unter Berücksichtigung der ihr von der Sensorik 3 zugeführten Fahrzustandsinformation z entsprechend einer in der Berechnungseinheit 12 hinterlegten, inversen Lenkaktuatorfunktion als Ausgangsgröße ein Soll-Lenkmoment MLenk soll . Das
Soll-Lenkmoment MLenk soll wird nachfolgend als Eingangsgröße dem Begrenzer 13 zugeführt, in welcher das Soll-Lenkmoment auf einen vorgebbaren, zulässigen Maximalwert ^srf/ begrenzt wird. Dieser Maximalwert M_^. tt wird schließlich der Überlagerungslenkvorrichtung 4 zugeführt, in welcher der Maximalwert M__ soU für das Soll-Lenkmoment additiv mit dem Fahrer- Lenkmoment MLenk Fahrer , welches dieser über das Lenkrad 5 vorgibt, überlagert und zur Einstellung des tatsächlichen Radlenkwinkels zur Einhaltung der gewünschten Fahrspur herangezogen wird.
Dem Begrenzer 13 werden als zusätzliche Eingangssignale das vom Fahrer über das Lenkrad aufgebrachte Lenkmoment MLeΛ Fahrer sowie die vom Fahrer am Lenkrad erzeugte Lenkrad- Winkelgeschwindigkeit δLenk Fahrer zugeführt. Diese zusätzlichen
Eingangssignale ermöglichen das Ausschalten der Spurhalte- lenkunterStützung durch schnelle Lenkbewegungen des Fahrers und/oder durch Vorgabe von großen Lenkmomenten durch den Fahrer. Hierzu kann zum Beispiel das von der Spurunterstützungs- regeleinrichtung 10 abgegebene Lenkmoment M__ n in Abhängig- keit von dem vom Fahrer über das Lenkrad aufgebrachten Lenkmoment M- Lenk Fahrer und/oder der aufgebrachten Lenkrad- Winkelgeschwindigkeit δLenk Fahrer bis auf den Wert Null begrenzt werden.
Fig. 2 zeigt eine detaillierte Darstellung der Berechnungseinheit 12 mit der inversen Lenkaktuatorfunktion. Grundlage dieser Lenkaktuatorfunktion bildet der Zusammenhang zwischen dem am Lenkrad vorgegebenen Lenkmoment MLenk und dem sich ü- ber das Lenkgetriebe an den gelenkten Rädern des Fahrzeugs einstellenden Radlenkwinkel δRad gemäß der Beziehung
Figure imgf000009_0001
wobei mit FLenk ein bekannter, funktionaler Zusammenhang bezeichnet ist. Aus der Momentenbilanz am Lenkrad bzw. am lenk- radseitigen Eingang des Lenkgetriebes ergibt sich mit
JψL nk = ^ Lenk ~ ^ Lenk, Last ~ ■"* Lenk.D
der Zusammenhang zwischen der Radlenkwinkelbeschleunigung ienk un(^ den auf das Lenkrad bzw. das Lenkgetriebe wirkenden Momenten. MLenk stellt hierin das am Lenkrad vorgegebene Lenkmoment dar, MLenk>last das am Lenkrad wirkende Rückstell- bzw. Lastmoment, welches aufgrund der an den gelenkten Rädern - insbesondere den Vorderrädern - wirkenden Seitenkraft SRad entsteht, und M Lenk D das lenkradseitig wirkende Dämpfungsmoment in der Lenkung. Mit J ist das Trägheitsmoment der Lenkung bezeichnet. Die zweimalige mathematische Integration liefert den Lenkradwinkel φLenk a-Ls Funktion des vorgegebenen Stell- bzw. Lenkmomentes :
ΨLeiik ~ F Lenk
Figure imgf000010_0001
) •
Die Lenkaktuatorfunktion, welches den Zusammenhang zwischen dem am Lenkrad vorgegebenen Lenkmoment M Lenk und dem Lenkwinkel δRad am gelenkten Rad beschreibt, kann mit der sich im
Lenkgetriebe vorhandenen Lenkübersetzung iL gemäß der Beziehung
'Rad FLenk (MLenk ) = Ψ. Lenk
Figure imgf000010_0002
)
beschrieben werden. Die inverse Lenkaktuatorfunktion lässt sich auf der Ebene der Sollgrößen als Funktion des Soll- Radlenkwinkels δRad soli gemäß der Beziehung
-*™ Lenk,soll = ^ Lenk \° Rad, soll ) = ^ Lenk, soll \°Rad,soll ) "*" ^ Lenk.soll ° Rad, soll > ° ' Rad,soll )
bzw. allgemein als Funktion eines Soll-Lenkwinkels δsoll gemäß
-^ Lenk,soll = ^ Lenk \°Soll ) ~ "^ Lenk,soll ° Soll ) + -"* Lenk,soll ° 'soll ' "soll )
beschreiben, wobei jeweils zusätzlich zum Lenkwinkel auf Lageebene der jeweilige Geschwindigkeits- und Beschleunigungs- wert Eingang finden.
Fig. 2 zeigt im Einzelnen die diversen Einheiten, welche Bestandteil der Berechnungseinheit 12 mit der inversen Lenkaktuatorfunktion sind. Der Berechnungseinheit 12 wird als Ein- gangsgrδße der Soll-Radlenkwinkel δRad soll zugeführt. Die Berechnungseinheit umfasst zwei Subsysteme: Zum einen ein Subsystem 20 mit statischen Anteilen der inversen Lenkaktuatorfunktion, zum anderen ein Subsystem 30 mit dynamischen Anteilen der inversen Lenkaktuatorfunktion. Beiden Subsystemen 20 und 30 wird der Soll-Radlenkwinkel δRad soll als Eingangsgröße zugeführt. Das Subsystem 20 zur Berechnung der statischen Anteile liefert als Ausgangsgröße den statischen Anteil ML s k soll des Soll -Lenkmomentes; in entsprechender Weise wird im Subsystem 30 ein dynamischer Anteil ML dy n"k soll des Soll-Lenkmomentes berechnet. Die beiden Anteile Ms nk soü und M e k soll aus den Subsystemen 20 und 30 werden anschließend addiert und als gemeinsames Soll-Lenkmoment MLenk soll der nachfolgenden Berechnungseinheit - dem Begrenzer 13 aus Fig. 1 - zugeführt.
Das Subsystem 20 zur Berechnung der statischen Anteile des Soll-Lenkmoments umfasst eine erste Einheit 21, in welcher ein Modell zur Bestimmung des Soll -Rückstellmoments bzw. Soll-Lastmoments hinterlegt ist. Die Einheit 21 liefert als Ausgangsgröße ein auf den lenkgestangeseitigen Eingang des
Lenkgetriebes bezogenes Sollmoment MR^d l , welches als Eingangsgröße der nachfolgenden Einheit 22 zugeführt wird, in welcher ein inverses Modell des Lenkgetriebes abgelegt ist .
In der Einheit 22 wird aus dem Sollmoment MR s^d sol! das statische, auf das Lenkrad bezogene Soll-Lenkmoment ML st nk soll berechnet .
Gemäß einer einfachen Ausführung eines der Einheit 22 zugrunde liegenden, inversen Modells des Lenkgetriebes wird der statische Anteil ^so// in Abhängigkeit des Sollmomentes -^ a!ι soii gemäß der Beziehung M lvl Lentk,soll m M Rstaadt.soll iLKL
ermittelt, wobei mit KL die Lenkverstärkung des Lenkgetriebes und mit iL die Lenkübersetzung bezeichnet ist.
In der Einheit 21 wird unter Berücksichtigung der Informationen z über den aktuellen Fahrzustand, die von der Sensorik 3 (Fig. 1) geliefert werden, sowie des Soll-Radlenkwinkels δSad u mit der Eingangsgröße Fahrgeschwindigkeit v das Sollmoment MR s ad soll gemäß der Beziehung
IVI Rad,soll ~ " r Rad,soll
in Abhängigkeit des Reifennachlaufs nr und der Radseitenkraft SRad son ermittelt. Die Radseitenkraft SRadtS0ll ist eine Funktion des Soll-Schräglaufwinkeis . Vereinfacht kann diese Seitenkraft bzw. der Soll-Schräglau winkel als Funktion des Soll- Radlenkwinkels δRad oll linearisiert werden zu
Figure imgf000012_0001
In dieser Beziehung bezeichnet CRa(i die Seitensteifigkeit der Räder, welche aus Reifenkennlinien bekannt ist, lRad den Abstand zwischen Fahrzeugschwerpunkt zur Radachse mit den gelenkten Rädern, Kß die stationäre Schwimmwinkelverstärkung und Kψ die von der Geschwindigkeit v abhängige, stationäre Giergeschwindigkeitsverstärkung. Das Subsystem 30 mit den dynamischen Anteilen der inversen Lenkaktuatorfunktion umfasst im Einzelnen eine Differenziereinheit 31, welcher als Eingangsgröße der Soll-Radlenkwinkel δ Rad soii zugeführt wird und die als Ausgangsgröße als erste und zweite zeitliche Ableitung die Soll- Radlenkwinkelgeschwindigkeit δRad soll und die Soll-
Radlenkwinkelbeschleunigung δRad soll liefert. In einer vorteilhaften Ausführung beinhaltet die Differenziereinheit 31 einen Zustandsvariablenfilter, welcher im Vergleich zur numerischen Differenziation einen glätteren Signalverlauf für die differenzierten Signale liefert.
Die Soll -Radlenkwinkelbeschleunigung δRad soll wird einer nachgeschalteten Einheit 32 als Eingangsgröße zugeführt, in welcher ein Modell zur Bestimmung des trägheitsbedingten Soll- Lenkmomentes hinterlegt ist. In der Einheit 32 wird aus der
Eingangsgröße δRad soü gemäß der Beziehung
J
M Lenk.T.soll 'Rad, soll
der das Trägheitsmoment J der Lenkvorrichtung berücksichtigende, dynamische Anteil M Lenk,τ,soiι des Soll-Lenkmomentes ermittelt. Parallel zur Einheit 32 wird in einer weiteren Einheit 33, in welcher ein Modell zur Bestimmung des dämpfungsbedingten Soll -Lenkmomentes abgelegt ist, in Abhängigkeit der Soll-
Radlenkwinkelgeschwindigkeit δRad soll gemäß der Beziehung
DL
M Lenk, D, soll ~ . Tr ° Rad, soll KL der den Dämpfungsanteil berücksichtigende, dynamische Anteil MLenk,D soiι des Soll-Lenkmomentes berechnet. DL bezeichnet hierin die Dämpfungskonstante der Lenkung.
Die aus den Einheiten 32 und 33 ermittelten, dynamischen Momentenanteile werden gemäß der Beziehung
M dyn Lenk, oll = M Lenk,T,soll + M Lenk,D,soll
zum dynamischen Anteil ML dy e ktSOll des Soll-Lenkmomentes addiert.
Anschließend wird aus dem dynamischen und dem statischen Anteil gemäß der Beziehung
Figure imgf000014_0001
das resultierende Soll-Lenkmoment MLenk soll berechnet,
Die Begrenzereinheit 13 ermöglicht das selbständige Ausschalten der Spurhaitelenkunterstützung. Dies kann beispielsweise durch schnelle Lenkbewegungen des Fahrers und/oder durch Vorgabe von großen Lenkmomenten durch den Fahrer erfolgen.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Bedieneinrichtung für das erfindungsgemäße Fahrspurregelungssystem 100, mit einer dem Fahrspurregelungssystem zugeordneten Bedieneinheit 50, und einer Anzeigeeinheit 54. Die Bedieneinheit 50 (z.B. ein Multifunktions- lenkrad) besitzt Bedienelemente 50a, 50b zur Aktivierung bzw. Deaktivierung des Fahrspurregelungssystems. Ein alternatives Bedienelement 51 zur Aktivierung bzw. Deaktivierung des Fahrspurregelungssystems ist ebenfalls dargestellt. Über die als zwei Tasten eines Multifunktionslenkrades ausgebildeten Bedienelemente 50a und 50b erzeugt der Fahrer ein Aktivierungssignal SAKT bzw. ein Deaktivierungssignal SDEAκτ zur Aktivierung bzw. Deaktivierung des Fahrspurregelungssystems. Diese Bedienfunktion lässt sich alternativ mit einem einzigen Bedienhebel 51 mit entgegengesetzten Bedienrichtungen für die Aktivierung bzw. Deaktivierung des Fahrspurregelungssystems realisieren. Bei aktiviertem Fahrspurregelungssystem kann jederzeit durch Betätigen des Bedienhebels in entgegengesetzter Bedienrichtung bzw. durch Drücken der gegensätzlichen Bedientaste die Spurhaltelenkunterstützung abgebrochen (deaktiviert) werden.
Alternativ kann zusätzlich ein (nicht gezeigter) griffgünstig platzierter Notschalter vorgesehen sein, der vom Fahrer im Notfall betätigt werden kann. Bei Betätigung des Notschalters wird die Spurhaltelenkunterstützung sofort abgebrochen und der Fahrer erhält die volle Kontrolle über das Fahrzeug wieder zurück. Bei diesem Notfall ist die Lenkeinrichtung, die Antriebseinrichtung und die Bremseinrichtung durch den Fahrer in gewohnter Weise bedienbar. Die Notschalterfunktion kann auch beispielsweise mit dem Brems- oder Fahrpedal gekoppelt sein, so dass die Spurhaltelenkunterstützung bei plötzlichem Bremsen oder Gasgeben durch den Fahrer abgebrochen wird.
Über die Bedieneinheit 50 kann auch der Grad der Spurhaltelenkunterstützung vom Fahrer eingestellt werden. Hierzu wird über ein Bedienelement - beispielsweise einen Drehknopf - ein vom Fahrer erzeugtes Signal SUG an das Fahrspurregelungssystem 100 übermittelt, wobei das Signal SUG einen Wert zwischen 0 % und 100 % einnehmen kann und in einem entsprechenden Maße der Grad der Spurhaltelenkunterstützung eingestellt wird.
Beispielsweise kann der Maximalwert M^J(lll für das Soll- Lenkmoment M Lenk soll in dem Begrenzer innerhalb vorgegebener Grenzen vom Fahrer beeinflusst werden.
Die Anzeigeeinheit 54 zeigt dem Fahrer das Gesamtsystem an und ob die Spurhaltelenkunterstützung aktiviert ist oder nicht. Der Bereitschaftszustand wird mit dem Signal SBZ an die Anzeigeeinheit 54 übermittelt. Die Anzeigeeinheit 54 enthält ein Anzeigeelement 54a, das dem Fahrer den aktuellen Systemzustand einschließlich des aktuell eingestellten Grades der Spurhaltelenkunterstützung angezeigt.

Claims

Patentansprüche
1. System zur Spurhaltelenkunterstützung in einem Fahrzeug, bei dem die Position des Fahrzeugs relativ zur Fahrspur mithälfe einer Lageerkennungseinrichtung (1) ermittelt und der
Bestimmung eines Soll-Lenkwinkels (δsoll) in einem Fahrspurregler (11) zugrunde gelegt wird, aus dem ein Soll-Lenkmoment ( ^ ' Lenk soii^ bestimmt wird, welches einem vom Fahrer erzeugten Fahrer-Lenkmoment ( M Lenlc Fahm. ) überlagert und einer die lenkbaren Räder beaufschlagenden Lenkvorrichtung (4) zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Fahrspurregier (11) eine separat ausgebildete Berechnungseinheit (12) nachgeschaltet ist, in der gemäß einer inversen Lenkaktuatorfunktion (F_^nk) aus dem Soll-Lenkwinkel (δsoll) des Fahrspurreglers (11) das Soll-Lenkmoment (MLenk l) bestimmt wird, wobei die inverse Lenkaktuatorfunktion (F^nk) der Bestimmung des Soll-Lenkmoments {MLenksoll) gemäß der Beziehung
M- Lenk,soll = ^ Lenk ° soll )
zugrunde gelegt wird, wobei
^Lenk,oiι das Soll -Lenkmoment , δsoll den Soll-Lenkwinkel,
F^nk die inverse, bekannte Lenkaktuatorfunktion bezeichnen.
2. System nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die inverse Lenkaktuatorfunktion (F~^nk) als das inverse
Verhalten der Lenkaktuatorik beschreibendes, mathematisches Ersatzmodell realisiert ist.
3. System nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das aus der inversen Lenkaktuatorfunktion (FL ~ nk) zu bestimmende Soll -Lenkmoment ( M Lenk soll ) einen statischen Anteil {Ms"/lktSθU) und einen dynamischen Anteil {ML d ύtSθll) umfasst:
M Lenk,soll ~ ^ Lenk ° 'oll ) = M Lenk, soll ° sou ) + -M- Lenk,soll ("soll ' °oll ) '
4. System nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der dynamische Anteil des Soll-Lenkmoments (MLaΛsoll) das Trägheitsmoment (J) der Lenkvorrichtung (4) und die Soll- Lenkwinkelbeschleunigung (δsoll) berücksichtigt.
5. System nach Anspruch 3 oder 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der dynamische Anteil (Mζn"ksoll) des Soll-Lenkmoments (MLenktSott) einen Dämpfungsanteil (DL) in der Lenkvorrichtung
(4) und die Soll-Lenkwinkelgeschwindigkeit (δsoIl) berücksichtigt .
6. System nach Anspruch 4 und 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die das Trägheitsmoment und den Dämpfungsanteil berücksichtigenden, dynamischen Anteile additiv überlagert werden.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die inverse Lenkaktuatorfunktion (FL ~^nk) als Kennfeld in der nachgeschalteten Berechnungseinheit (12) vorliegt.
8. System nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kennfeld aus Messungen an einem realen Fahrzeug ermittelt wird.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Berechnungseinheit (12) mit der inversen Lenkaktuatorfunktion {Flnk) ein Begrenzer (13) nachgeschaltet ist, in welchem das Soll-Lenkmoment (MLenk>soll) auf einen Maximalwert (M nk,soiι) begrenzt wird.
10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Grad der Spurhaltelenkunterstützung vom Fahrer einstellbar ist.
11. System nach Anspruch 9 und 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Maximalwert (M™ksoll) für das Soll-Lenkmoment (MLenksoll) in dem Begrenzer (13) innerhalb vorgegebener Grenzen vom Fahrer beeinflussbar ist.
12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System ein- und ausschaltbar ausgebildet ist.
13. System nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System manuell vom Fahrer aktivierbar und deaktivierbar ist.
14. System nach Anspruch 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System deaktiviert wird, falls eine den Fahrzustand beschreibende Größe einen Grenzwert überschreitet.
15. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System deaktiviert wird, falls eine vom Fahrer erzeugte Lenkwinkelgeschwindigkeit einen Grenzwert überschreitet .
16. System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System deaktiviert wird, falls ein vom Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment einen Grenzwert überschreitet.
17. System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Anzeigeeinrichtung zur Darstellung des aktuellen Systemzustandes einschließlich der Darstellung des aktuell eingestellten Grades der Spurhaltelenkunterstützung vorgesehen ist.
18. System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Soll-Lenkwinkel (δsoll) der Soll-Radlenkwinkel (δRadsoU) herangezogen wird.
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