WO2005073735A1 - Vorrichtung zur bestimmung einer drehgeschwindigkeit - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for determining a rotational speed according to the preamble of the independent claim.
  • the device according to the invention for determining a rotational speed by means of two acceleration sensors with the features of the independent patent claim has the advantage that the rotational speed is now determined directly from the measured values of the two acceleration sensors. This means that integration is avoided. This avoids numerical problems that the integration entails, in particular a double integration if the angle is also to be determined. These numerical problems can cause very large deviations. This has resulted in greater robustness compared to long integrations, which can be several seconds in the case of spinning processes.
  • the device according to the invention makes it possible to save special sensors for detecting the rotational speeds, such as a yaw rate sensor. Another advantage is the added benefit of others Sensors that are used here. Due to the implementation of the device, linear acceleration sensors can be used, which are standard in almost every vehicle today. This results in the additional benefit in that the information, in addition to, for example, side crash sensing, can be used to determine the yaw rate.
  • Vehicle tunnels are arranged. On the vehicle side, this can be, for example, the A, B or C pillar or the side parts of the vehicle.
  • the acceleration sensor will usually be arranged in the airbag control unit or also in the control unit for driving dynamics control. Different combinations are possible here, since acceleration sensors are possible that work in the same
  • the roll rate is also taken into account as the correction term. This improves the result for the rotation speed.
  • a roll rate sensor can usually be used, which is already present in the airbag control unit for rollover sensing, for example.
  • the yaw rate is advantageously determined as the rotational speed.
  • the yaw rate which thus indicates the skidding of the vehicle, is particularly important for estimating whether skidding is taking place on the grass strip next to the road, which increases the likelihood of rollover due to a soil trip. It is therefore particularly important to determine this parameter precisely and easily.
  • FIG. 1 shows a configuration of the sensors in the vehicle
  • Figure 2 is a block diagram of the device according to the invention
  • Figure 3 is a flow chart.
  • rollover sensing concepts have been developed that detect vehicle rollovers at an early stage. This ensures that safety devices or personal protection devices such as belt tensioners, head airbags and roll bars are activated in good time, thus reducing the risk of injury.
  • vehicle dynamics variables such as the yaw rate
  • a yaw rate sensor could be used for this.
  • An additional condition to be mentioned is that the two acceleration sensors only have an offset in their sensing direction, but no offset in the other spatial coordinates.
  • the movement variables In order to record the movement of a vehicle, the movement variables must be determined in the coordinate system fixed to the vehicle. In general, the following relationship applies to acceleration at any point S:
  • FIG. 1 illustrates the vehicle-fixed coordinate system Q, which is identified by the reference number 10, while the fixed coordinate system O is identified by reference number 16.
  • the sensor S is permanently mounted in the vehicle and therefore does not move relative to the vehicle coordinate system.
  • the vehicle can be treated as a rigid body.
  • the yaw rate C ⁇ Z is contained in the above equation, for example in the second dimension, ie the y direction.
  • the following system design is considered in order to determine the yaw rate.
  • Two sensors are selected that have the same sensing direction exhibit.
  • the y component or y acceleration should be considered here as an example, since the yaw rate is represented as the speed and not the acceleration.
  • the acceleration of the vehicle relative to the origin O is identical for both sensors. Also the rotation that both sensors experience. The difference is the spatial position of the sensors.
  • the vehicle 11 shows an acceleration sensor 14 and an acceleration sensor 13, which are at a dry distance from one another.
  • the acceleration sensor 14 is installed here, for example, in the B-pillar, while the acceleration sensor 13 is installed in the opposite B-pillar.
  • a control unit 12 with acceleration sensors in the x and y directions and a roll rate sensor are provided on the vehicle tunnel. This control device 12 is used to control the personal protection means.
  • the two y-acceleration sensors 13 and 14 are installed at the same height and in the same position with respect to the x-axis, which means that the distance between the two sensors 13 and 14 is reduced to a one-dimensional distance 15, ie the distance from Sensor 13 to sensor 14 in the z direction and in the x direction is zero. Only the distance in relation to the y-axis is not equal to zero and is called dry.
  • the detection of the angular velocity co z can thus be determined using two linear acceleration sensors.
  • a sensor in the door may be omitted, so that a total of two y sensors and a roll rate sensor are sufficient for the determination, the roll rate sensor being necessary here only for refining the result.
  • the roll rate c ⁇ is to be regarded as a disturbance variable, which is set to zero due to the fact that a vehicle generally moves in the plane.
  • a correction can also be made.
  • the yaw rate ⁇ > z obtained can be processed accordingly in order to be used in the case of expanded functions, such as for determining the swimming angle and thus the lateral speed.
  • the yaw angle can be inferred through an integration.
  • the entire design can be designed in such a way that the corresponding algorithms and data acquisitions and evaluations are carried out in the central airbag control unit. Since the rollover sensor is also integrated, a simple linking and correction of this method is possible.
  • FIG. 2 explains the device according to the invention in a block diagram.
  • Two sensors 20 and 21 are connected to a control unit, each of which is installed in the sides of the vehicle. These two sensors are connected to one in the airbag control unit 22
  • Data acquisition module 25 connected.
  • a roll rate sensor 24 and also a central airbag sensor 23 are also connected to this data acquisition module.
  • the central airbag sensor 23 can detect accelerations in one or more spatial directions.
  • the data acquisition module 25 is connected to a processor 26 which extracts the data from the data using the algorithms provided
  • the processor 26 is connected to a CAN module 27 in order to make the vehicle dynamics data, such as the yaw rate, which it has calculated, also available to other systems. Such systems are, for example, the vehicle dynamics control ESP.
  • the processor 26 is connected to personal protection means 28, which are intended to protect the person 29, via components (not shown here), such as an ignition circuit control.
  • the device determines the yaw rate from the signals or measured values of sensors 20 and 21 and can use the roll rate of roll rate sensor 24 for correction. This is done in processor 26.
  • the yaw rate ⁇ z can then be made available to other systems via the CAN bus 27.
  • the external sensors 20 and 21 instead of the external sensors 20 and 21, only internal sensors 23 can also be used. These must then be spaced apart from one another in order to realize the spacing dry. The appropriate configuration can then be selected depending on the design and robustness.
  • FIG. 3 once again explains the device according to the invention in a flow chart.
  • sensors 13 and 14 record accelerations a y] and a y .
  • a y ⁇ is then subtracted from a y2 in accordance with the last equation and by the distance dry, which is in the memory of the
  • Airbag control unit is stored, divided.
  • the roll rate sensor 24 detects the roll rate ⁇ x .
  • a difference is then formed from the results of method steps 301 and 302, the roll rate being squared.
  • the square root is then drawn from this result in method step 304.
  • the yaw rate ⁇ z is then present in method step 305 and is further processed.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit mittels zweier Beschleunigungssensoren (13, 14) vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung direkt aus den Messwerten der Beschleunigungssensoren (13, 14) die Drehgeschwindigkeit bestimmt, wobei die beiden Beschleunigungssensoren (13, 14) an einem fahrzeugfesten Koordinatensystem (10) lediglich einen Versatz (15) in der Sensierrichtung aufweisen.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
Aus DE 199 62 687 AI ist bereits eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit mittels zweier Beschleunigungssensoren, die die gleiche Sensierrichtung aufweisen, bekannt. Dabei wird zunächst eine Drehbeschleunigung bestimmt und dann durch Integration die Drehgeschwindigkeit.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit mittels zweier Beschleunigungssensoren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass nunmehr direkt aus den Messwerten der beiden Beschleunigungssensoren die Drehgeschwindigkeit bestimmt wird. D.h., die Integration wird vermieden. Damit werden numerische Probleme, die die Integration mit sich bringt, insbesondere eine zweifache Integration, wenn auch der Winkel bestimmt werden soll, vermieden. Diese numerischen Probleme können nämlich sehr starke Abweichungen hervorrufen. Damit ist eine größere Robustheit gegenüber langen Integrationen, die sich bei Schleudervorgängen durchaus um mehrere Sekunden handeln können, erreicht worden. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einsparung von spezieller Sensorik zur Erfassung der Drehgeschwindigkeiten, wie beispielsweise ein Gierratensensor, erreicht werden. Ein weiterer Vorteil ist der Mehrnutzen von anderen Sensoren, die hier Verwendung finden. Auf Grund der Realisierung der Vorrichtung lassen sich lineare Beschleunigungssensoren einsetzen, die heute fast in jedem Fahrzeug Standard sind. Daraus ergibt sich der Mehrnutzen dahingehend, dass die Information, neben zum Beispiel der Seitencrashsensierung, für die Bestimmung der Gierrate verwendet werden kann.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass die Beschleunigungssensoren entweder in der Fahrzeugseite oder im Bereich des
Fahrzeugtunnels angeordnet sind. In der Fahrzeugseite kann dies beispielsweise die A-, B- oder C-Säule oder die Seitenteile des Fahrzeugs ein. Im Bereich des Fahrzeugtunnels wird üblicher Weise der Beschleunigungssensor im Airbagsteuergerät oder auch im Steuergerät für die Fahrdynamikregelung angeordnet sein. Verschiedene Kombinationen sind hier möglich, da Beschleunigungssensoren möglich sind, die in die gleiche
Raumrichtung sensieren.
Es ist vorteilhaft, dass zusätzlich zu den Messwerten der Beschleunigungssensoren als Korrekturterm auch die Wankrate berücksichtigt wird. Dies verbessert das Ergebnis für die Drehgeschwindigkeit. Dazu kann üblicher Weise ein Wankratensensor verwendet werden, der beispielsweise im Airbagsteuergerät zur Überrollsensierung bereits vorhanden ist. Als Drehgeschwindigkeit wird vorteilhafter Weise die Gierrate bestimmt. Die Gierrate, die also das Schleudern des Fahrzeugs angibt, ist insbesondere für die Abschätzung wichtig, ob ein Schleudern auf dem Grünstreifen neben der Fahrbahn erfolgt, was die Erhöhung der Überrollwahrscheinlichkeit durch einen Soiltrip bedingt. Es ist also besonders wichtig, diesen Parameter genau und einfach zu bestimmen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine Konfiguration der Sensoren im Fahrzeug, Figur 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Figur 3 ein Flussdiagramm.
Beschreibung
Statistiken aus den USA belegen die Bedeutung der passiven Sicherheit bei Fahrzeugüberschlägen: im Jahre 1998 war die Hälfte aller tödlichen Einzelfahrzeugunfälle auf einen Überschlag zurückzuführen. Im gesamten Unfallgeschehen nimmt der Fahrzeugüberschlag einen Anteil von rund 20% ein.
Daher wurden Konzepte zur Überrollsensierung entwickelt, die Fahrzeugüberschläge bereits zu einem frühen Zeitpunkt erkennen. Dadurch ist es gewährleistet, dass Sicherheitsvorrichtungen oder Personenschutzmittel, wie Gurtstraffer, Kopfairbag und Überrollbügel rechtzeitig aktiviert werden und sich somit das Verletzungsrisiko verringert. Insbesondere kann dabei die Bestimmung von fahrdynamischen Größen, wie der Gierrate, von Vorteil sein. Dazu könnte beispielsweise ein Gierratensensor verwendet werden. Erfindungsgemäß wird jedoch vorgeschlagen, die Gierrate direkt aus Beschleunigungssignalen zweier Beschleunigungssenoren zu bestimmen, die die gleiche Sensierrichtung aufweisen. Als zusätzliche Bedingung ist zu nennen, dass die beiden Beschleunigungssensoren lediglich einen Versatz in ihrer Sensierrichtung aufweisen, aber keinen Versatz in den anderen Raumkoordinaten. Durch die Bestimmung der Drehgeschwindigkeit mit dieser einfachen Sensorik ist es möglich, auf die Integration der Drehbeschleunigung zu verzichten und somit Fehlerquellen zu eliminieren. Insgesamt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch schneller, da die Integration auch ein zeitintensives Verfahren ist.
Um die Bewegung eines Fahrzeugs zu erfassen, sind die Bewegungsgrößen im fahrzeugfesten Koordinatensystem zu bestimmen. Allgemein gilt für die Beschleunigung in einem beliebigen Punkt S folgender Zusammenhang:
K R rυs = Roo + KιXss + ω x rc)S + 2ώ> ros + ω x (ώ x ros)
Dabei ergeben sich folgende Bedeutungen: ω ist die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs, ώ die Ableitung der Winkelgeschwindigkeit nach der Zeit, das ist die Winkelbeschleunigung, und rQS der Lagevektor des Sensors S im fahrzeugfesten Koordinatensystem Q. Figur 1 verdeutlicht das fahrzeugfeste Koordinatensystem Q, das mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist, während das raumfeste Koordinatensystem O mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet ist.
Es werden nun folgende Annahmen getroffen:
1. Der Sensor S ist im Fahrzeug fest montiert und bewegt sich somit relativ zum Fahrzeugkoordinatensystem nicht.
2. Das Fahrzeug lässt sich in erster Näherung als ein starrer Körper behandeln.
Damit ergibt sich zum Punkt 1, dass die Relativbeschleunigung des Sensors S zum Fahrzeug Null ist. Zum Punkt 2 ergibt sich, dass die Coriolisbeschleunigung ebenfalls null wird. Damit reduziert sich die obige Gleichung a, os — a0C) + ω x rα, + ω x (ώ x ros )
Mit aQS als Beschleunigung des Sensors S relativ zum fahrzeugfesten Koordinatensystem 10 und a0Q als Beschleunigung des Fahrzeugs relativ zum Koordinatensystem 12. Dieses dreidimensionale nichtlineare Gleichungssystem ergibt bei entsprechender Ausmultiplikation folgenden Zusammenhang a QSx aoQx + (άyrz ~ ώ/y ) + i ύyωxry - ω)rx - ωxωzrz + ω rx ) a Q. Sy aooy + (ώΛ ~ >Λ ) + {-ωzωyr: + ω;ry - ωyωxrx + ω]ry ) a OSz aoQz + (Φxry - ώ x ) + {-ωxω:rx +
Figure imgf000006_0001
+ ωzωyry - ωy 2rz )
Am Beispiel der Gierrate wird das folgende Verfahren bzw. die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben:
Die Gierrate CÖZ ist in obiger Gleichung beispielsweise in der zweiten Dimension, also der y-Richtung, enthalten. Um die Gierrate zu ermitteln wird folgende Systemauslegung betrachtet. Es werden zwei Sensoren ausgewählt, die die gleiche Sensierrichtung aufweisen. Beispielhaft soll hier die y-Komponente bzw. y-Beschleunigung betrachtet werden, da die Gierrate als Geschwindigkeit vertreten ist und nicht die Beschleunigung. Die Beschleunigung des Fahrzeugs relativ zum Ursprung O ist bei beiden Sensoren identisch. Ebenfalls die Drehung, die beide Sensoren erfahren. Der Unterschied ist die räumliche Lage der Sensoren zueinander. In Figur 1 zeigt das Fahrzeug 11 einen Beschleunigungssensor 14 und einen Beschleunigungssensor 13, die zueinander den Abstand dry aufweisen. Der Beschleunigungssensor 14 ist hier beispielsweise in der B- Säule verbaut, während der Beschleunigungssensor 13 in der gegenüberliegenden B- Säule eingebaut ist. Am Fahrzeugtunnel ist ein Steuergerät 12 mit Beschleunigungssensorik in x- und y-Richtung sowie einem Wankratensensor vorgesehen. Dieses Steuergerät 12 dient zur Ansteuerung der Personenschutzmittel.
Ausgehend von dieser Konfiguration ergibt sich nun die folgende Möglichkeit für die Bestimmung der Giergeschwindigkeit ωz. Die beiden y-Beschleunigungssensoren 13 und 14 sind in gleicher Höhe, als auch in gleicher Lage bezüglich der x-Achse eingebaut, dadurch ergibt sich, dass der Abstand der beiden Sensoren 13 und 14 sich zu einem eindimensionalen Abstand 15 reduziert, d.h. der Abstand von Sensor 13 zu Sensor 14 in z-Richtung, als auch in x-Richtung ist Null. Lediglich der Abstand bezogen auf die y- Achse ist ungleich Null und wird mit dry bezeichnet. Damit reduziert sich die ay- Komponente aus obiger Gleichung zu αyl ^ lOOQPyvl\ + 2 + ^) - 7' yi a V2 =a00y2 + + *> ) ' ^ yl
Figure imgf000007_0001
ay2 - a yl = {ωx 2 x ω ) - dr
damit ω„ =
Figure imgf000007_0002
Die Erfassung der Winkelgeschwindigkeit coz kann somit über zwei lineare Beschleunigungssensoren bestimmt werden. Durch die Auslegung des obigen Systems derart, dass man einen zusätzlichen Beschleunigungssensor im Tunnel bzw. im Steuergerät verwendet, kann gegebenenfalls ein Sensor in der Türe entfallen, so dass insgesamt zwei y-Sensoren und ein Wankratensensor zur Bestimmung ausreichen, wobei der Wankratensensor hier nur zur Verfeinerung des Ergebnisses notwendig ist. In obiger Gleichung ist die Wankrate cθχ als Störgröße anzusehen, die sich auf Grund dessen, dass sich ein Fahrzeug in der Regel in der Ebene bewegt, zu Null gesetzt wird. Sollte die Vorrichtung jedoch über einen derartigen Sensor verfügen, wie es in der Regel bei Überrollsystemen der Fall ist, kann daraus auch eine Korrektur erfolgen.
Die erhaltene Gierrate α>z kann entsprechend weiterverarbeitet werden, um im Falle von erweiterten Funktionen, wie zur Bestimmung des Schwimmwinkels und damit der lateralen Geschwindigkeit, eingesetzt werden. Durch eine Integration lässt sich auf den Gierwinkel schließen. Die gesamte Auslegung kann derart gestaltet werden, dass die entsprechenden Algorithmen und Datenerfassungen und Auswertungen im zentralen Airbagsteuergerät durchgeführt werden. Da die Überrollsensierung ebenfalls mitintegriert ist, ist somit eine einfache Verknüpfung und Korrektur dieses Verfahrens möglich.
Figur 2 erläutert in einem Blockschaltbild die erfindungsgemäße Vorrichtung. An ein Steuergerät sind zwei Sensoren 20 und 21 angeschlossen, die jeweils in den Seiten des Fahrzeug eingebaut sind. Im Airbagsteuergerät 22 sind diese beiden Sensoren an einen
Datenerfassungsbaustein 25 angeschlossen. An diesen Datenerfassungsbaustein ist weiterhin ein Wankratensensor 24 und auch ein zentraler Airbagsensor 23 angeschlossen. Der zentrale Airbagsensor 23 kann Beschleunigungen in eine oder in mehrere Raumrichtungen erfassen. Der Datenerfassungsbaustein 25 ist an einen Prozessor 26 angeschlossen, der aus den Daten mittels der vorgesehenen Algorithmen die
Auslöseentscheidungen für Personenschutzmittel bildet. Darüber hinaus ist der Prozessor 26 mit einem CAN-Baustein 27 verbunden, um die fahrdynamischen Daten, die er berechnet hat, wie beispielsweise die Gierrate, auch anderen Systemen zur Verfügung zu stellen. Solche Systeme sind beispielsweise die Fahrdynamikregelung ESP. Der Prozessor 26 ist über hier nicht dargestellte Bausteine, wie eine Zündkreisansteuerung, mit Personenschutzmitteln 28 verbunden, die die Person 29 schützen sollen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermittelt, wie oben dargestellt, aus den Signalen bzw. Messwerten der Sensoren 20 und 21 die Gierrate und kann dabei die Wankrate des Wankratensensors 24 zur Korrektur verwenden. Dies wird im Prozessor 26 durchgeführt. Die Gierrate ωz kann dann über den CAN-Bus 27 anderen Systemen zur Verfügung gestellt werden. Anstatt der externen Sensoren 20 und 21 können auch nur interne Sensoren 23 verwendet werden. Diese müssen dann zueinander beabstandet sein, um den Abstand dry zu realisieren. Je nach Auslegung und Robustheit kann die entsprechende Konfiguration dann gewählt werden.
Figur 3 erläutert noch einmal in einem Flussdiagramm die erfindungsgemäße Vorrichtung. In Verfahrensschritt 300 erfassen die Sensoren 13 und 14 die Beschleunigungen ay] und ay . In Verfahrensschritt 301 wird dann gemäß der letzten Gleichung ayι von ay2 subtrahiert und durch den Abstand dry, der im Speicher des
Airbagsteuergeräts abgelegt ist, dividiert. In Verfahrensschritt 302 wird mit dem Wankratensensor 24 die Wankrate ωx erfasst. In Verfahrensschritt 303 wird dann eine Differenz aus den Ergebnissen der Verfahrensschritte 301 und 302 gebildet, wobei die Wankrate quadriert wird. Aus diesem Ergebnis wird dann die Quadratwurzel in Verfahrensschritt 304 gezogen. Somit liegt dann in Verfahrensschritt 305 die Gierrate ωz vor, die weiterverarbeitet wird.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit (ωz) mittels zweier Beschleunigungssenoren (13, 14, 20, 21), die die gleiche Sensierrichtung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass die Vorrichtung direkt aus Messwerten der Beschleunigungssensoren (13, 14, 20, 21) die Drehgeschwindigkeit (ωz) bestimmt, wobei die beiden Beschleunigungssensoren (13, 14, 20, 21) in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem (10) lediglich einen Versatz (dry) in der Sensierrichtung aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster der Beschleunigungssensoren (13) in einer ersten Fahrzeugseite oder im Bereich des Fahrzeugtunnels und ein zweiter der Beschleunigungssensoren (14) in einer zweiten Fahrzeugseite oder im Bereich des Fahrzeugtunnels angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass die Vorrichtung zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit zusätzlich eine Wankrate (α>χ) berücksichtigt.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit die Gierrate (ωz) ist.
PCT/DE2004/002538 2004-01-29 2004-11-18 Vorrichtung zur bestimmung einer drehgeschwindigkeit Ceased WO2005073735A1 (de)

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