WO2010003437A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des fahrzustandes eines fahrzeugs - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des fahrzustandes eines fahrzeugs Download PDF

Info

Publication number
WO2010003437A1
WO2010003437A1 PCT/EP2008/005610 EP2008005610W WO2010003437A1 WO 2010003437 A1 WO2010003437 A1 WO 2010003437A1 EP 2008005610 W EP2008005610 W EP 2008005610W WO 2010003437 A1 WO2010003437 A1 WO 2010003437A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signals
vehicle
driving state
determined
sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/005610
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Pascal Munnix
Original Assignee
Pascal Munnix
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pascal Munnix filed Critical Pascal Munnix
Priority to US13/002,923 priority Critical patent/US8666589B2/en
Priority to PCT/EP2008/005610 priority patent/WO2010003437A1/de
Priority to EP08773937.1A priority patent/EP2303663B1/de
Publication of WO2010003437A1 publication Critical patent/WO2010003437A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • B60W40/00—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models
    • B60W40/10—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models related to vehicle motion
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
    • G01C21/1652—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments with ranging devices, e.g. LIDAR or RADAR
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
    • G01C21/1656—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments with passive imaging devices, e.g. cameras
    • 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
    • B60W2556/00—Input parameters relating to data
    • B60W2556/45—External transmission of data to or from the vehicle
    • B60W2556/50—External transmission of data to or from the vehicle for navigation systems

Definitions

  • the invention relates generally to devices and methods for detecting the driving state of a vehicle, and more particularly to an apparatus and method for determining the driving condition of a vehicle in three-dimensional space.
  • ABS anti-lock braking systems
  • ASR traction control systems
  • ESP Electronic Stability Program
  • ASR Active Front Steering
  • All driving dynamics control systems have in common that they must first determine the driving condition of the vehicle as accurately as possible, including, among other motion sensors are needed.
  • the more of these movement variables and driving state variables are known, the better and more reliable the driving state can be determined in principle and the more effective and reliable can be counteracted to an undesired behavior of the vehicle. For example. can be checked by additionally known motion variables, the plausibility of the determined driving condition.
  • exceptional driving situations such as in extreme steep curves without the use of such further movement variables, it may no longer be possible to ensure regulation and thus stabilization of the vehicle.
  • this usually requires further motion sensors that drive up the costs of a vehicle dynamics control system or safety system.
  • the GPS signal - and thus values derived from the GPS signal, such as the vehicle's absolute velocity - are subject to a certain time delay, and thus are poorly suited for vehicle dynamics control systems requiring driving state information every 5 to 25 milliseconds.
  • Accurate and fast GPS systems that use multiple antennas, for example, are not only expensive, but still have some time delay. Several antennas allow to determine the orientation of the vehicle. But this means a higher cost.
  • the invention provides a method for determining the driving state of a vehicle in three-dimensional space, the method comprising the steps of: detecting first signals over a certain period of time based on first sensor signals corresponding to the three-dimensional acceleration of the vehicle; Detecting second signals over the determined time period based on second sensor signals corresponding to the three-dimensional yaw rate of the vehicle; Determining the driving state variables three-dimensional speed and / or three-dimensional orientation of the vehicle by integration over the determined period of the first signals and the second signals according to the motion equation system for the corresponding driving state variables; Detecting one or more third signals based on one or more additional third sensor signals with which one or more Components of the determined driving state variables can be determined; and correcting the first and second signals of the determined period or the determined driving state variables such that the determined driving state variables correspond as closely as possible to the driving state variables determined from the third signals.
  • the invention provides an apparatus for determining the driving condition of a vehicle in three-dimensional space, comprising: an inertial sensor configured to output acceleration signals corresponding to the acceleration of the vehicle in three-dimensional space and to output yaw rate signals corresponding to the yaw rates of the vehicle Vehicle in three-dimensional space correspond; a means for determining the driving state variables three-dimensional speed and / or three-dimensional orientation of the vehicle by integration over a specific period of the acceleration signals and the rotation rate signals according to the motion equation system for the corresponding driving state variables; a means for outputting one or more additional sensor signals with which one or more components of the determined driving state variables can be determined; and a correction means for correcting the acceleration signals and yaw rate signals of the specific time period or the determined driving state variables such that the determined driving state variables correspond as closely as possible to the driving state variables determined from the additional sensor signals.
  • Figure 1 is a schematic representation of vehicle movement variables
  • Figure 2 is a schematic representation of a speed profile of a vehicle
  • FIG. 3 is a flowchart of a method according to a preferred embodiment
  • Figure 4 is a schematic representation of the components of a device according to a preferred embodiment.
  • Fig. 1 illustrates the driving condition of a vehicle and the slip angle of the vehicle.
  • determining the driving condition of a vehicle includes determining the three-dimensional speed of the vehicle and the orientation of the vehicle in three-dimensional space.
  • Vehicles are understood in some embodiments to mean all vehicles that can travel on land, in the water and / or in the air and not just motor vehicles.
  • the goal in some embodiments is to determine six unknowns, namely, the speed in a three-dimensional space coordinate system and the vehicle orientation in that space coordinate system, so that the driving condition of the vehicle can be almost completely described.
  • To solve the system at least six equations are necessary, which together give a system of equations of motion.
  • a multiplicity of parameters or measured variables can generally be used, of which only the rotational speeds or rotation rates of the motor vehicle about different axes in space, the acceleration, the steering angle, the four wheel speeds, the drive torque or the Brake pressure to be called, wherein a preferred embodiment, in particular deals with the measured variables representing movement quantities.
  • These are preferably the rate of rotation in three-dimensional space (vehicle-bound) and the acceleration of the vehicle in three-dimensional space (vehicle-bound) and - as a support variable - a vehicle speed or a component of the vehicle speed, for example.
  • Vehicle speed is determined in some embodiments by a wheel speed sensor, a wheel speed sensor, a radar, or a Global Positioning System (GPS) position or speed signal, where the vehicle speed is provided directly as a signal from the global positioning system resulting from the derivation of the position. It is also possible to use only individual components of the speed.
  • GPS speed signal is usually based on the evaluation of the Doppler effect.
  • the particular driving state variables, such as vehicle speed are preferably used in some embodiments for vehicle dynamics control systems or automotive safety systems, such as airbag systems or rollover detection systems.
  • the rotation rates are preferably rotational speeds about the main axes of the motor vehicle, ie about the longitudinal axis, the transverse axis and the
  • Vehicle and the pitch rate, a rotation about the vehicle transverse axis.
  • Transverse acceleration the longitudinal acceleration and the vertical acceleration according to the transverse, longitudinal and vertical axis of the motor vehicle.
  • motion quantities are measured in the preferred embodiments by means of known sensors.
  • lateral acceleration sensors based on the principle of a bending beam coupled to a capacitor are known, while yaw rate sensors e.g. exploit the Coriolis effect to measure the rotational movement.
  • the term sensor is understood in the functional sense, ie as a measuring unit, which can measure a movement quantity, ie for example a rate of rotation or an acceleration, along a direction in space.
  • the sensors used may be formed as individual sensor elements, each having an independent housing, control, etc.
  • these sensors are formed in a so-called sensor cluster, which summarizes some or all sensors of the device in one unit, ie the individual sensor elements are, for example, housed in a housing and can thus be installed and removed together.
  • a sensor cluster as yaw rate sensors yaw rate, roll rate and pitch rate sensors, and as acceleration sensors, lateral acceleration, vertical acceleration and acceleration sensors
  • such a sensor cluster also has a corresponding sensor for receiving signals of a global positioning system (also called GPS), so that an absolute speed and / or position of the vehicle can also be determined.
  • GPS global positioning system
  • a preferred embodiment accordingly has a total of six sensors, namely three yaw rate sensors along the main axes of the vehicle, namely a yaw rate sensor, a roll rate sensor and a pitch rate sensor, and additionally three acceleration sensors, namely a longitudinal speed sensor. , Lateral and vertical acceleration sensor.
  • the summary of these sensors is in some embodiments also referred to collectively as Intertialsensorik, whereby the complete detection of the acceleration and rotation rate values in an inertial system of the vehicle is expressed.
  • the lateral acceleration of the vehicle is important in order to be able to assess the current driving state with which the so-called float velocity of the vehicle may be calculated.
  • Size is important in some embodiments for assessing the stability of, for example, motor vehicles and thus an important parameter for
  • the slip angle ⁇ is usually defined as the difference between the yaw angle ⁇ and the course angle ⁇ , as illustrated for the illustration of the driving state of vehicles.
  • the yaw angle ⁇ represents the angle of rotation of the vehicle about the vertical axis, ie about a vertical axis through the vehicle center of gravity 2. corresponds, and the course angle ⁇ defines the direction of movement of the center of gravity of the motor vehicle.
  • the yaw angle ⁇ is measured with respect to a coordinate axis 10, ie the x-axis, and thus indicates the angular position of the vehicle longitudinal axis 8 with respect to this axis 10.
  • the course angle ⁇ describes the orientation of the velocity vector v of the center of gravity 2 of the motor vehicle, which is tangent to the course of the motor vehicle, with respect to the same coordinate axis 10.
  • the deviations of these two angles or their angular velocities are a measure of the drift or spin of the motor vehicle. Incidentally, they are independent of the choice of a specific coordinate system 10, 12.
  • the reference numerals 4 and 6 denote the wheel position of the rear or front wheels.
  • the slip angle on the rear axle is also a sensible control variable.
  • the driving condition of the vehicle can be (completely) determined.
  • relate to a method for determining the driving condition of a vehicle in three-dimensional space are therefore first Detects signals over a certain period of time based on first sensor signals corresponding to the three-dimensional acceleration of the vehicle, and detects second signals for a certain period based on second sensor signals corresponding to the three-dimensional turning rate of the vehicle.
  • the three-dimensional acceleration includes, for example, the lateral, longitudinal and vertical acceleration of the vehicle, which are obtained from corresponding sensor signals, ie the sensor signals are representative of the transverse, longitudinal and vertical acceleration of the vehicle.
  • the three-dimensional yaw rate includes the yaw rate, roll rate, and pitch rate of the vehicle, and the second sensor signals are thus representative of the yaw rate, roll rate, and pitch rate of the vehicle.
  • corresponding lateral acceleration or yaw rate components can be derived as first or second signals from the sensor signals, for example for each spatial direction of a corresponding coordinate system, such as the inertial system of the vehicle.
  • a six-dimensional description of the driving state at a given time is available. From this a corresponding (six-dimensional) equation of motion system can be derived, which comprises the three-dimensional components of the acceleration and the three-dimensional components of the rate of rotation of the vehicle.
  • the individual measuring points ie the first and second signals obtained over time, which are based on respective sensor signals which correspond to the three-dimensional acceleration of the vehicle or the three-dimensional yaw rate of the vehicle, are integrated, for example summed up, taking account of gravitational acceleration is the "six-dimensional" equation of motion system solved by the integration and thereby is a driving state variables, a three-dimensional (vehicle) speed (by integrating the Acceleration values) and a three-dimensional orientation of the vehicle (by integrating the rotation rates) in space.
  • the result is an example of the in Fig. 2, shown as a solid line, actual speed course in two-dimensional space.
  • the course obtained by the integration is shown as a non-solid line.
  • FIG. 2 there is a certain deviation between the actual and the determined course of the speed of the vehicle. This is due to the fact that measurement errors of the sensors accumulate during the course of the integration and thus the determined speed based on sensor signals no longer coincides with the actual one. The same applies to the orientation of the vehicle in the room.
  • an "objective" driving state quantity for example an "objective” value of the speed or an “objective” position of the vehicle, for example a speed component or position component of the vehicle.
  • a value provides, for example, the sensor signal of a global positioning system, which indicates an absolute position - or depending on the quality of the received signal - at least one direction of the vehicle or the absolute speed of the vehicle or a speed component.
  • the speed of the vehicle can also be determined from the derivative of the position represented by the sensor signal.
  • the "objective" vehicle speed can also be determined by means of a sensor signal of a wheel speed sensor, a wheel speed sensor, a radar or an optical sensor and used as a correction or correction quantity.
  • a third or several third signals are detected, which are based on one or more additional third sensor signals, with which one or more components of the determined driving state variables can be determined.
  • Total come
  • the crosses in the vicinity of the actual speed curve symbolize such "objective" measuring points as can be obtained, for example, from the GPS sensor signal.
  • the GPS sensor signals are, inter alia, due to the signal propagation time offset from the actual actual driving state of the vehicle, i. the time of measurement by the GPS is earlier than the time when you actually get the position or the speed value.
  • the speed component of the vehicle obtained by the solution of the equation of motion system is adjusted with the corresponding speed component obtained by detecting the sensor signals corresponding to at least one of a speed component and a position component of the vehicle.
  • the sensor errors that accumulate over time can be compensated, and the determined driving condition (e.g., three-dimensional vehicle speed and three-dimensional orientation of the vehicle in space) almost perfectly coincides with the actual one.
  • the determined driving condition e.g., three-dimensional vehicle speed and three-dimensional orientation of the vehicle in space
  • the driving state variables three-dimensional speed and / or three-dimensional orientation of the vehicle are newly determined by integration over the determined period of the corrected first and the corrected second signals according to the equation of motion system for the corresponding driving state variables. For example, so will the first and second signals are corrected or adjusted in such a way that the driving state variables determined from the solution of the equations of motion of the corresponding driving state variables correspond as closely as possible to the driving state variables determined from the third signals. This determines the offset error of the measured variables and thus makes it possible, inter alia, to correct the sensor offset.
  • the determined driving state variables are compared directly with the driving state variables determined from the third signals.
  • This alternative directly gives the corrected driving state quantities.
  • Yet another way to perform the correction is to first calculate the error of the driving state variables and to deduce therefrom the corrected driving state variables.
  • the driving state quantity speed can be directly corrected based on the driving state variables determined from the third signals, while for the driving state variable orientation first the orientation error is determined, from which then the corrected orientation is calculated.
  • the particular period of time over which the first and second signals are detected may be arbitrary, and in some embodiments, depends on a parameter.
  • a parameter is, for example, the availability of the third signal or the quality of the first and / or second signals, the quality requirement on the precision of the driving condition, etc.
  • the acceleration and yaw rate sensors provide greater values as the vehicle makes corresponding movements in the three-dimensional Performing space (eg cornering in the mountains).
  • the particular period may be shorter than for small accelerations or yaw rates of the vehicle (e.g., straight ahead), since in the former case the quality of the signals may be assumed to be higher than the quality of the signals in the second case.
  • the first and second signals obtained in the past and the resulting determined course of the determined driving state variables up to a certain time in the past corrected so that the determined driving state variables correspond to the driving state variables determined from the third signals, such as speed or position of the vehicle as closely as possible.
  • all three speed components or position components of the determined driving state variables required for a complete three-dimensional description are adjusted or corrected, so that even in the past there is an extremely precise description of the driving state in three-dimensional space. It follows that also for the past and the present time, not only the current vehicle speed, but the full speed vector of the vehicle and also the exact orientation of the vehicle in the room will be precisely known and known, because the sensors are well balanced and thus remain integrable for a long time. If, for example, there are no third signals temporarily for matching the ascertained driving state variables, then the driving state variables can still be determined by integration over time. Incidentally, the derived slip angle and the roll angle are precisely known, so that, for example, the relatively large inclination of a motorcycle can be precisely determined.
  • the GPS signal is available, this can be used in some embodiments again as support as a third signal to determine the driving condition.
  • the above method can also do without a GPS signal, for example by the vehicle speed through a Radfitiere- or wheel speed sensor is determined. While in such embodiments the vehicle speed is not as well known as those using the GPS signal. However, the driving state can be determined so accurately here as well, so that the determination of the vehicle state, for example, is sufficient for an ESP system.
  • the procedure of the method according to some embodiments can be summarized again as follows:
  • the inputs used are three accelerations, which are described in the space of the vehicle coordinate system, which are either measured directly or are available as derived quantities; furthermore, three rotation rates determined in the space of the vehicle coordinate system are used, which are either measured directly or available as derived quantities; and finally, a velocity in space (eg GPS earthbound coordinate system) or individual components of velocity in space (if eg only one or two satellites are available) or individual components of the velocity in the vehicle coordinate system or also the position is used, whereby the derivative of the position the speed delivers.
  • a velocity in space eg GPS earthbound coordinate system
  • individual components of velocity in space if eg only one or two satellites are available
  • individual components of the velocity in the vehicle coordinate system or also the position is used, whereby the derivative of the position the speed delivers.
  • the driving state is then described in three-dimensional space, as shown above, so that the following information is available or can be derived:
  • the driving state quantities may be determined at a first point, for example, the position of the sensors within the vehicle.
  • the relative position of the second point to the first point is calculated, ie the relative position of the sensors to the rear axle.
  • An advance application of the installation position of the control unit and the position of the rear axle is thus unnecessary.
  • the system thus finds the rear axle and applies itself to some extent itself. The same is also possible, for example, for determining the relative position of the front axle, if additionally the steering angle is known.
  • the derivation of GPS speed provides acceleration of the vehicle in three-dimensional space.
  • the vehicle orientation can thus be determined by matching the acceleration measured with the inertial sensor with the calculated acceleration.
  • the measurement of velocities in space also provides the history of accelerations in space by means of derivation.
  • the vehicle orientation (in space) at a particular time is determined so that the history of the vehicle motion integrated via the inertial sensor system provides a history of the acceleration that matches the acceleration history of the GPS measurement "best possible.”
  • the orientation becomes of the vehicle in space is determined so that the course of the speed determined by integration in accordance with the course of the measured GPS speed is brought.
  • a comparison with positions is also made.
  • Embodiments using vehicle-specific speeds solve the problem in the same way, but in a different coordinate system.
  • the time difference between the provision of the sensor signals from the Global Positioning System (GPS) and the measurement or measurement instant of the sensor signals is also taken into account. This can be done by assigning, for example, temporally related quantities in the solution of the equation of motion system to one another, i.
  • the third signals are assigned in time to the first and second signals. For example, if the signals belonging to the rotation rates in a certain period of time and the signals related to the accelerations were detected in the certain period, for example, in some embodiments, the end of the detection period coincides with the measurement timing of the GPS signal.
  • all driving state variables are transformed so that they are in a common position, for example within the
  • Vehicle relate. That is, the inertial systems or coordinate systems in which the driving state variables have been determined, for example, the same
  • an error of a first (eg acceleration sensor) and / or a second sensor (eg yaw rate sensor) from which the first or second signals originate is detected from the deviation between the determined driving state variable and the ascertained driving state variable.
  • a first eg acceleration sensor
  • a second sensor eg yaw rate sensor
  • the driving state quantities are determined at a stable driving condition, e.g. the motion equation system is solved in a stable driving condition.
  • a stable driving condition exists, for example, when the vehicle is not skidding, i. has a small slip angle.
  • Acceleration sensors larger and therefore more reliable values than when driving straight ahead so that this example.
  • a higher reliability in the solution of the motion equation system can be assigned (eg. By a corresponding weighting factor).
  • On the other hand is, for example, at the start of the
  • Vehicle's driving condition is also stable and well known. This information can also be used as a starting value when solving the equation of motion system or the integration of the first and second signals.
  • signals that are based on sensor signals that indicate the orientation of the vehicle relative to the geomagnetic field are detected in addition or as a sole third measured variable.
  • These sensor signals can, for example, come from a gyrocompass or magnetic compass, as it is anyway present in ships or aircraft, for example. This also makes it possible to completely determine the "driving condition" of an aircraft or ship.
  • Some embodiments relate to a device for determining the driving state of a vehicle in three-dimensional space.
  • Such an apparatus includes, for example, an inertial sensor configured to output acceleration signals indicative of the acceleration of the vehicle in three-dimensional space and to output rotation rate signals indicating the rotation rates of the vehicle in three-dimensional space.
  • Such an inertial sensor system may also be referred to as 6D sensor technology, since it detects six components of the driving state of the vehicle (three acceleration components and three yaw rate components, as already described above).
  • the device a means for determining the driving state variables three-dimensional speed and / or three-dimensional orientation of the vehicle by integration over a certain period of the acceleration signals and the rotation rate signals according to the motion equation system for the corresponding driving state variables.
  • the device comprises a means for outputting one or more additional sensor signals with which one or more components of the ascertained driving state variables can be determined, ie in some embodiments the device comprises a GPS sensor and / or a wheel speed sensor and / or a wheel speed sensor , and / or a radar and / or an optical sensor. And the device comprises a correction means for correcting the acceleration signals and yaw rate signals of the specific time period or the determined driving state variables such that the determined driving state variables correspond as closely as possible to the driving state variables determined from the additional sensor signals.
  • the device is configured such that the determined driving state variables correspond to at least one of the following variables: acceleration, speed, position, rate of rotation and / or orientation of the vehicle.
  • the particular driving state quantity may also be just a component of the enumerated size, as stated above.
  • the device is, in some embodiments, configured to perform all of the above-described features of embodiments. This is achieved in some embodiments by providing corresponding means designed to be able to carry out corresponding features of the above embodiments. Some embodiments include a microprocessor that may be programmed to execute the above features of the embodiments.
  • the device can be made very compact and in any vehicles at any point within the vehicle be positioned.
  • the driving state variables and / or the detected signals can then be transformed into the corresponding coordinate system, which, for example, has its origin in the installation location within the vehicle.
  • the sensors of the inertial sensor are located at different locations. In such embodiments, the corresponding transformations of the signal are then carried out, so that, for example, the first and second signals relate to the position of the installation location of the device within the vehicle, as has already been explained above.
  • the results provided by means of the above-mentioned methods or devices according to embodiments of the invention are not model sizes based on hypotheses (as in today's vehicle dynamics control systems), but they provide particularly accurate driving state quantities.
  • the driving condition description is comprehensive, i. almost complete (all directions, turning rates, angles, speeds of the vehicle).
  • the driving condition information is also time-synchronous in some embodiments, i. there is no time delay between the time allocation and the provision of driving state variables.
  • the sensor signals may be compensated without the use of further measures (or model sizes) (offset and sensitivity). In addition, an efficient monitoring of the sensors is ensured.
  • Some embodiments also function, as indicated above, in poor GPS reception: even if there are only a few satellites (e.g., only one), the embodiment is functional and provides corresponding driving state information.
  • the evaluation of the GPS signals can be improved because the speed in the room is already available in high quality.
  • GPS signals are disturbed by reflections, for example on the walls of skyscrapers, and can not be directly received. This will be a falsified component of the vehicle speed in space determined. Consequently, in some embodiments, each satellite signal is tested for goodness and, for example, only the best satellites are used to support the method and signals with reflection can be reliably detected and excluded. Thus, in some embodiments, tracking a high-quality speed in space allows it (eg, in poor GPS reception) to check whether the speed components provided by the GPS are plausible or not. If the GPS information about a measurement point is implausible, then in some embodiments it may be taken out of the calculation or provided with a very small weighting factor.
  • Some embodiments also allow reliable detection and control of oversteer and rollover situations without relying on a steering wheel angle since the six-dimensional driving condition is accurately determined.
  • the method includes the information of an extendable time range, i. of a certain period of time, measurement points may also be missing, i. it is also sufficient if only individual components of the speed can be provided by the GPS. This happens, for example, if the GPS reception is bad; i.e. is e.g. only one satellite is available, then only the velocity component in the satellite direction is known. If a sufficient number of measuring points are available over a certain period of time, then even with such an incomplete GPS measurement, sufficient information is available to solve the equation system. Accordingly, both temporal gaps in the GPS signal and component deficits of the 3D information of the GPS speed are harmless.
  • step 3 there is illustrated a method according to an embodiment of the present invention.
  • the method is initialized in step 1 in a stable driving state (eg stationary straight ahead driving), in which it can be assumed that the vehicle orientation with the Velocity vector matches.
  • step 3 the acceleration and the rotation rates of the vehicle, for example.
  • the angle of rotation about the vehicle's longitudinal axis is determined in step 5 by bringing the measured acceleration (including gravity) in accordance with the model lateral acceleration corresponding to a stable driving style.
  • the vehicle orientation in space and vehicle speed in space are known.
  • step 7 the three vehicle-related rotation rates are transformed into the earth-bound coordinate system.
  • the new orientation in space is determined in step 9.
  • step 11 Based on the entrained vehicle speed in space, this can be further determined by integration of the acceleration measurement in step 11 (after the acceleration measured in the vehicle coordinate system has been transformed into the spatial coordinate system). If the determined speed in space drifts slowly from the G PS measurement, the correction of the vehicle orientation in space is determined in step 13, which is necessary to achieve the best possible match of GPS speed and integration speed. The velocity and vehicle orientation in space now determined after correction can be transformed back into the vehicle-related coordinate system or any coordinate system (for example at the wheel contact points) by coordinate transformation in step 15. In step 17, the method would end, unless it is - as indicated by the corresponding compound 19 - loop-like executed, so that always the current, corrected driving condition is present.
  • the goal is to identify six unknowns, namely the speed in a space coordinate system and the vehicle orientation in that space coordinate system. Any information is sufficient for support on the speed or position of the vehicle, which may, for example, come from a GPS system or a sensor which directly or indirectly measures the speed of the vehicle.
  • at least six equations must be able to be established. Even if only one piece of support information is available, considering the larger time frame, it will be possible to set up an overdetermined system of equations.
  • the equation of motion system is overdetermined in this example. Taking the time range of the last seconds to construct the system of equations of motion, in some embodiments provides e.g. a LSq method (Least Squares Approximation) accurate speed information in space.
  • LSq method Least Squares Approximation
  • the time delay in the provision of the GPS measurement is taken into account in a further embodiment of the embodiment, for example, by the fact that temporally related variables are processed for the equations in the equation system.
  • the following example serves as an illustration: The system knows (or determines) the time delay of the GPS measurement and the time of the GPS deployment (eg once per second). If the GPS measurement has a delay in provision between measurement and provision of, for example, 0.7 seconds, then the value of the integrated speed is stored 0.3 seconds after the previous GPS transmission, and the equation system is set up 0.7 seconds later. Nevertheless, the exact speed is continuously available with great accuracy, because in the meantime, the movement of the vehicle in space based on a very accurate knowledge of vehicle orientation and speed is integrated.
  • FIG. 4 schematically shows an embodiment of a device 100 for completely determining the driving state of a vehicle in three-dimensional space.
  • the device 100 comprises an acceleration sensor 110 and a rotation rate sensor 120, which together form an inertial sensor system.
  • the acceleration sensor 110 includes a longitudinal, lateral, and vertical acceleration sensor 116, each of which outputs a signal representative of the lateral, longitudinal, and vertical acceleration of the vehicle, respectively.
  • the signals describe the acceleration of the vehicle in three-dimensional space.
  • the signals are applied by the acceleration sensor to a signal line 150 so that they can be processed by a microprocessor 140.
  • the yaw rate sensor includes a pitch 122, roll 124 and yaw rate sensor 126, each of which outputs a signal representative of the pitch, roll or yaw rate of the vehicle.
  • the signals describe the rate of rotation of the vehicle in three-dimensional space.
  • the rotation rate sensor 120 also outputs the signals to the signal line 150.
  • the device 100 comprises a GPS sensor 130, which can receive GPS signals and, for example, is connected to one (or more) antenna (s).
  • the GPS sensor 130 outputs a signal to the signal line 150 that is representative of the speed or position of the vehicle.
  • the microprocessor ultimately processes the signals as described above and, for example, as in the embodiment of FIG. 3.
  • the microprocessor 140 integrates the acceleration and yaw rate signals to solve the underlying equation of motion system and determine the corresponding driving condition quantities, namely three-dimensional vehicle speed and three-dimensional orientation in space. Then, the resulting vehicle speed is compared with the vehicle speed obtained from the GPS sensor 130 and corrected if necessary. The correction happens - as already explained above - For example, in that the magnitudes for the motion equation system, namely the acceleration and yaw rate signals, are adjusted so that the solution of the motion equation system, namely the new vehicle speed, coincides with that of the GPS module 130.
  • the device 100 can, for example, provide information about the driving state via the signal line 150 to the outside, for example to a vehicle dynamics control system in a car or, for example, to ESP, ACC, airbag, etc. systems.
  • a Kalman filter is used to determine the driving condition.
  • an adjustment of the sensors is possible by an analysis of the corrections, since, after receiving a new G PS measured value, a calculation of the correction of the orientation in the space of the vehicle is calculated.
  • a regular orientation correction about a certain vehicle axis means that the corresponding rotation rate has or has a certain offset. If corrections are necessary only at higher rotation rates, then in some embodiments the correction of a Scaling deviation are assigned and based on a corresponding scaling correction are made. Similarly, in some embodiments, compensation for the acceleration sensors may be made if regular corrections of velocities in dominant directions are observed.
  • Some embodiments are characterized by a high degree of intrinsic safety: if one of the inertial sensors has an error, then it will no longer be possible to determine an orientation of the vehicle in space in which the courses of integrated movement and measured movement can be made to coincide , whereby a corresponding sensor error can be detected.
  • another sensor in addition to a rate of turn and / or acceleration, another sensor may be provided which provides redundancy to detect any failure of any sensor.
  • a rotation rate sensor and an acceleration sensor covers the redundancy of all sensors.
  • the inertial sensor or device 100 may be installed at any location and orientation in the vehicle because the system is able to autonomously determine the orientation relative to the vehicle axles due to the available complete driving condition detection.
  • the measured GPS speed is transformed to the location of the mounting position of the inertial sensor in the vehicle.
  • all quantities are transformed to a common point of the vehicle.
  • the sensors 110, 120, 130 of the device 100 or the sensors of the inertial sensor system are installed almost in a single location or close to each other.
  • the sensors are further disassembled, based on the available rotation rates in space, all signals are transformed so that they refer to a common position.
  • no steering angle is more necessary to allow a robust description of the driving condition and a robust and safe lateral dynamics and rollover control without steering angle.
  • the steering angle is additionally used to better interpret the driver's request. Consequently, in some embodiments, it is possible to design the controller so that the controller is robust against errors in the steering angle when the steering angle is used as driver request information. In the previously known control systems, much effort is required to monitor the steering angle signal very efficiently. This expense is omitted, for example, in the embodiments that do not use a steering angle sensor.
  • Prior art ABS controllers must periodically brake wheels to allow for a safe determination of the vehicle's longitudinal speed. Disadvantage of the procedure is that the under braking of the wheels leads to an extension of the braking distance. This disadvantage is eliminated in some embodiments because the speed is consistently available in high quality. Thus, the wheel slip values can be set very accurately, so that the optimal deceleration and steerability of the vehicle is achieved.
  • Driving dynamics control systems are usually dependent on elaborate models to describe the driving condition can.
  • An appropriate driving condition description is therefore only possible if the vehicle parameters (model parameters) are available in sufficiently good quality.
  • the result is that, for example, in aging or conversion (keyword: "tuning") of the vehicle, the parameterization is no longer correct.
  • a holder of a vehicle mounts wheels of a different diameter
  • the calculated vehicle speed is out of line with reality, which degrades the control performance.
  • This difficulty is also circumvented in some embodiments because they do not require any model parameters or parameters directly dependent on the vehicle (such as the tire diameter) for determining the driving state.
  • vehicle parameters continue to be necessary for a governor, even the complete knowledge of the driving condition provides the opportunity to continuously update vehicle parameters (e.g., tire diameter) in vehicle life.
  • a more targeted control can take place by using GPS map material.
  • the controller may provide increased assistance that helps the driver to bring the vehicle back in the roadway direction.
  • the driver may be warned when the driving condition known in the room is no longer adapted to the road.
  • possible filter coefficients are designed according to the situation. For example, with good satellite availability of the GPS, the support can be boosted, i. the vehicle speed or position obtained by the GPS is particularly reliable and can therefore often be used for correction over time. Whereas, in the event that only very few satellites are available, the considered time period for the procedure is extended to collect more data and that
  • Base point eg speed directly or indirectly from the GPS signal
  • Radcordiere- or Rad Obersensorsignal derived can be introduced with an adjusted weighting in the calculation - depending on how reliable the corresponding information.
  • the starting process can be followed very closely, since with the inertial sensors, the direction of travel is available immediately, so that, for example, special wheel speed sensors with Radcardserkennung be superfluous.

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum umfasst die Schritte: Erfassen von ersten Signalen über einen bestimmten Zeitraum, die auf ersten Sensorsignalen basieren, die der dreidimensionalen Beschleunigung des Fahrzeugs entsprechen; Erfassen von zweiten Signalen über den bestimmten Zeitraum, die auf zweiten Sensorsignalen basieren, die den dreidimensionalen Drehraten des Fahrzeugs entsprechen; Ermitteln der Fahrzustandsgrößen dreidimensionale Geschwindigkeit und/oder dreidimensionale Orientierung des Fahrzeugs durch Integration über den bestimmten Zeitraum der ersten Signale und der zweiten Signale gemäß dem Bewegungsgleichungssystem für die entsprechenden Fahrzustandsgrößen; Erfassen von einem oder mehreren dritten Signalen, die auf einem oder mehreren zusätzlichen dritten Sensorsignalen basieren, mit denen eine oder mehrere Komponenten der ermittelten Fahrzustandsgrößen bestimmbar sind; und Korrigieren der ersten und zweiten Signale des bestimmten Zeitraums oder der ermittelten Fahrzustandsgrößen derart, dass die ermittelten Fahrzustandsgrößen den aus den dritten Signalen bestimmten Fahrzustandsgrößen möglichst genau entsprechen.

Description

SAMSON & PARTNER
PATENTANWÄLTE ■ EUROPEAN PATENT ATTORNEYS • EUROPEAN TRADE MARK ATTORNEYS
UNSER ZEICHEN/OUR REF DATUM/DATE
M2745-002-EPP00Aa 9. Juli 2008
Ts/29/mw
DIPL.-ING. PASCAL MUNNIX
Johannes-Neuhäusler-Str. 31
D-81929 München
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Fahrzustandes eines
Fahrzeugs
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen des Fahrzustands eines Fahrzeugs und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine wichtige Aufgabe von Fahrdynamikregelsystemen und Kraftfahrzeugsicherheitssystemen ist es, das Fahrzeug in kritischen Situationen, etwa wenn es ins Schleudern gerät, zu stabilisieren. Die ersten serienmäßig eingeführten Systeme zur Lösung dieser Aufgabe waren Antiblockierregelsysteme (ABS) und Antriebsschlupfregelsysteme (ASR), die primär auf das längsdynamische Verhalten des Kraftfahrzeugs wirken. Als grundlegende Erweiterung wurden Fahrdynamikregelsysteme entwickelt, die auch in querdynamisch kritischen Situationen durch geregelte Maßnahmen wie die aktive Bremsung einzelner Räder, Steuerung des Antriebsmoments zur Realisierung von Schlüpfen an den Rädern und/oder durch aktive Lenkung das Verhalten des Fahrzeugs stabilisierend beeinflussen. Solche Systeme sind bspw. das Electronic Stability Program (ESP) oder das Active Front Steering (AFS) zum geregelten Lenkeingriff von BMW.
Allen Fahrdynamikregelsystemen ist gemeinsam, dass sie zunächst den Fahrzustand des Fahrzeugs möglichst genau ermitteln müssen, wozu unter anderem Bewegungssensoren benötigt werden. Je mehr dieser Bewegungsgrößen und Fahrzustandsgrößen bekannt sind, desto besser und zuverlässiger kann grundsätzlich der Fahrzustand ermittelt werden und desto effektiver und sicherer kann einem ungewünschten Verhalten des Fahrzeugs entgegengesteuert werden. Bspw. kann durch zusätzlich bekannte Bewegungsgrößen die Plausibilität des ermittelten Fahrzustandes überprüft werden. Außerdem kann es in außergewöhnlichen Fahrsituationen wie etwa in extremen Steilkurven ohne Verwendung solcher weiterer Bewegungsgrößen gegebenenfalls nicht mehr möglich sein, eine Regelung und damit Stabilisierung des Fahrzeugs sicherzustellen. Hierzu sind jedoch in der Regel weitere Bewegungssensoren notwendig, die die Kosten eines Fahrdynamikregelsystems oder Sicherheitssystems in die Höhe treiben. Darin begründet sich ein grundsätzliches Bestreben der Hersteller solcher Systeme, die Zahl der benötigten Sensorelemente möglichst gering zu halten, zumal es teilweise aus Sicherheitsgründen zumindest für die wichtigsten Bewegungssensoren geboten erscheint, diese redundant auszulegen, so dass zur Messung jeder weiteren Bewegungsgröße zwei Sensorelemente zu den entsprechend erhöhten Kosten verbaut werden müssten.
Es ist bekannt, den Fahrzustand auf Basis von Modellen, wie Beobachter, Reifenmodelle usw., zu bestimmen. In DE 10 2007 047 337 A1 ist bspw. eine Vorrichtung und ein Verfahren offenbart, bei dem unter Verwendung eines Reifenmodells die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs aus der Messung der Querbeschleunigung ermittelt wird. Durch Hinzunehmen von Korrekturgrößen, wie bspw. der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und der Gierrate, kann die Genauigkeit der Berechnung der Quergeschwindigkeit weiter verbessert werden. Es ist weiterhin bekannt, die direkte Absolutgeschwindigkeit des Fahrzeugs durch ein G PS-Messsystem zu bestimmen, wie es bspw. in DE 101 48 667 C2 offenbart ist. Das GPS-Signal - und damit aus dem GPS-Signal ermittelte Werte, wie die Absolutgeschwindigkeit des Fahrzeugs - unterliegen einer gewissen Zeitverzögerung und sind folglich für Fahrdynamikregelsysteme, die Fahrzustandsinformationen alle 5 bis 25 Millisekunden benötigen, schlecht geeignet. Genaue und schnelle GPS-System, die bspw. mehrere Antennen verwenden, sind nicht nur teuer, sondern weisen trotzdem noch eine gewisse Zeitverzögerung auf. Mehrere Antennen erlauben es zwar, die Orientierung des Fahrzeugs zu bestimmen. Dies bedeutet aber einen höheren Aufwand.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die eine Optimierung, insbesondere hinsichtlich Genauigkeit, Sicherheit, Dynamik und Kosten, der Bestimmung des Fahrzustandes des Fahrzeugs erlauben.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erfassen von ersten Signalen über einen bestimmten Zeitraum, die auf ersten Sensorsignalen basieren, die der dreidimensionalen Beschleunigung des Fahrzeugs entsprechen; Erfassen von zweiten Signalen über den bestimmten Zeitraum, die auf zweiten Sensorsignalen basieren, die den dreidimensionalen Drehraten des Fahrzeugs entsprechen; Ermitteln der Fahrzustandsgrößen dreidimensionale Geschwindigkeit und/oder dreidimensionale Orientierung des Fahrzeugs durch Integration über den bestimmten Zeitraum der ersten Signale und der zweiten Signale gemäß dem Bewegungsgleichungssystem für die entsprechenden Fahrzustandsgrößen; Erfassen von einem oder mehreren dritten Signalen, die auf einem oder mehreren zusätzlichen dritten Sensorsignalen basieren, mit denen eine oder mehrere Komponenten der ermittelten Fahrzustandsgrößen bestimmbar sind; und Korrigieren der ersten und zweiten Signale des bestimmten Zeitraums oder der ermittelten Fahrzustandsgrößen derart, dass die ermittelten Fahrzustandsgrößen den aus den dritten Signalen bestimmten Fahrzustandsgrößen möglichst genau entsprechen.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum bereit, umfassend: eine Inertialsensorik, die ausgelegt ist, Beschleunigungssignale auszugeben, die der Beschleunigung des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, und Drehratensignale auszugeben, die den Drehraten des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen; ein Mittel zum Ermitteln der Fahrzustandsgrößen dreidimensionale Geschwindigkeit und/oder dreidimensionale Orientierung des Fahrzeugs durch Integration über einen bestimmten Zeitraum der Beschleunigungssignale und der Drehratensignale gemäß dem Bewegungsgleichungssystem für die entsprechenden Fahrzustandsgrößen; ein Mittel zum Ausgeben eines oder mehrerer zusätzlicher Sensorsignale, mit denen eine oder mehrere Komponenten der ermittelten Fahrzustandsgrößen bestimmbar sind; und ein Korrekturmittel zum Korrigieren der Beschleunigungssignale und Drehratensignale des bestimmten Zeitraums oder der ermittelten Fahrzustandsgrößen derart, dass die ermittelten Fahrzustandsgrößen den aus den zusätzliche Sensorsignalen bestimmten Fahrzustandsgrößen möglichst genau entsprechen.
Weitere Merkmale und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und den beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten, beispielhaften Ausführungsformen und der beigefügten beispielhaften Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung von Fahrzeugbewegungsgrößen;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Geschwindigkeitsverlaufes eines Fahrzeugs;
Figur 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
Figur 4 eine schematische Darstellung der Komponenten einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Fig. 1 veranschaulicht den Fahrzustand eines Fahrzeuges und den Schwimmwinkel des Fahrzeugs.
Vor einer detaillierten Beschreibung der Fig. 1 folgen zunächst allgemeine Erläuterungen zu den Ausführungsformen und deren Vorteile.
Für eine präzise und leistungsfähige Funktion benötigen Fahrdynamikregelsysteme (auch Sicherheitssysteme) eine möglichst genaue Kenntnis des Fahrzustands eines Fahrzeugs. Wichtige Größen sind hierbei z.B. die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (zur Radschlupfregelung von ABS, ASR und ESP), der weiter unten erklärte Schwimmwinkel (zur Querdynamikregelung, d.h. bspw. wichtig für das ESP), der Rollwinkel (zur Überschlagsvermeidung) oder die Fahrbahnsteigung (bessere ASR-Funktion). Folglich umfasst bei manchen Ausführungsformen die Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeuges die Bestimmung der dreidimensionalen Geschwindigkeit des Fahrzeugs und die (Aus-)Richtung bzw. Orientierung des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum. Unter Fahrzeugen sind in manchen Ausführungsformen alle Fahrzeuge zu verstehen, die sich zu Lande, im Wasser und/oder in der Luft fortbewegen können und nicht nur Kraftfahrzeuge.
Das Ziel bei manchen Ausführungsformen ist es, sechs Unbekannte zu ermitteln, nämlich die Geschwindigkeit in einem dreidimensionalen Raumkoordinatensystem und die Fahrzeugorientierung in diesem Raumkoordinatensystem, sodass der Fahrzustand des Fahrzeugs praktisch vollständig beschrieben werden kann. Zur Lösung des Systems sind mindestens sechs Gleichungen notwendig, die zusammen ein Bewegungsgleichungssystem ergeben.
Zur Bestimmung des Fahrzustands können allgemein bei manchen Ausführungsformen eine Vielzahl von Parameter bzw. Messgrößen dienen, von denen hier nur beispielhaft die Drehgeschwindigkeiten bzw. Drehraten des Kraftfahrzeugs um verschiedene Achsen im Raum, die Beschleunigung, der Lenkwinkel, die vier Radgeschwindigkeiten, das Antriebsmoment oder der Bremsdruck genannt werden, wobei eine bevorzugte Ausführungsform sich insbesondere mit den Messgrößen befasst, die Bewegungsgrößen darstellen. Diese sind bevorzugt die Drehrate im dreidimensionalen Raum (fahrzeuggebunden) und die Beschleunigung des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum (fahrzeuggebunden) und - als Stützgröße - eine Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. eine Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit, bspw. in einem erdgebundenen Koordinatensystem oder auch andere Stützgrößen wie: Beschleunigung, Geschwindigkeit, Position, Drehrate und/oder Orientierung des Fahrzeugs im Raum (erdgebunden oder fahrzeuggebunden). Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird bei manchen Ausführungsformen durch einen Raddrehzahlsensor, einen Radgeschwindigkeitssensor, ein Radar, oder anhand eines Positions- oder Geschwindigkeitssignals eines globalen Positionierungssystems (GPS) bestimmt, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit direkt als Signal von dem globalen Positionierungssystem bereitgestellt wird oder sich aus der Ableitung der Position ergibt. Es können auch nur einzelne Komponenten der Geschwindigkeit genutzt werden. Das GPS- Geschwindigkeitssignal basiert dabei in der Regel auf der Auswertung des Dopplereffekts. Die bestimmten Fahrzustandsgrößen, wie bspw. die Fahrzeuggeschwindigkeit werden bei manchen Ausführungsformen bevorzugt für Fahrdynamikregelsysteme oder Kraftfahrzeugsicherheitssysteme, wie bspw. Airbagsysteme oder Überschlagserkennungssysteme, verwendet.
Bei den Drehraten handelt es sich bevorzugt um Drehgeschwindigkeiten um die Hauptachsen des Kraftfahrzeugs, also um die Längsachse, die Querachse und die
Hochachse, die in der Regel durch den Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs verlaufen. Diese an dem orthogonalen Hauptachsen-Koordinatensystem des
Kraftfahrzeugs anknüpfenden Bewegungsgrößen können auch als kanonische
Bewegungsgrößen bezeichnet. Hinsichtlich der Drehraten beschreibt die sogenannte Gierrate eine Drehung des Kraftfahrzeugs um dessen Hochachse, die
Rollrate eine Drehung um die Fahrzeuglängsachse, also ein seitliches Kippen des
Fahrzeugs, und die Nickrate eine Drehung um die Fahrzeugquerachse.
Hinsichtlich der Beschleunigungswerte des Kraftfahrzeugs, sind dies die
Querbeschleunigung, die Längsbeschleunigung und die Vertikalbeschleunigung entsprechend entlang der Quer-, Längs- und Hochachse des Kraftfahrzeugs.
Diese Bewegungsgrößen werden bei den bevorzugten Ausführungsformen mit Hilfe bekannter Sensoren gemessen. Zum Beispiel sind Querbeschleunigungssensoren bekannt, die auf dem Prinzip eines mit einem Kondensator gekoppelten Biegebalkens beruhen, während Gierraten-Sensoren z.B. zur Messung der Drehbewegung den Corioliseffekt ausnutzen.
In der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff Sensor im funktionellen Sinne verstanden, d.h. als eine Messeinheit, die eine Bewegungsgröße, d.h. bspw. eine Drehrate oder eine Beschleunigung, entlang einer Richtung im Raum messen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform können daher die verwendeten Sensoren als einzelne Sensor-Elemente ausgebildet sein, die jeweils ein eigenständiges Gehäuse, Ansteuerung etc. aufweisen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind diese Sensoren in einem sogenannten Sensor-Cluster ausgebildet, das einige oder alle Sensoren der Vorrichtung in einer Einheit zusammenfasst, d.h. die einzelnen Sensor-Elemente sind bspw. in einem Gehäuse untergebracht und können damit auch gemeinsam ein- und ausgebaut werden. Bspw. könnte ein solches Sensor-Cluster als Drehratensensoren Gierraten-, Rollraten- und Nickraten-Sensoren, und als Beschleunigungssensoren Querbeschleunigungs-, Vertikalbeschleunigungs- und
Längsbeschleunigungssensoren aufweisen. Weiterhin weist ein solcher Sensor- Cluster bei manchen Ausführungsformen auch einen entsprechenden Sensor zum Empfang von Signalen eines globalen Positionierungssystems (auch GPS genannt) auf, sodass auch eine absolute Geschwindigkeit und/oder Position des Fahrzeugs bestimmt werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform weist demnach insgesamt sechs Sensoren auf, nämlich drei Drehraten-Sensoren entlang der Hauptachsen des Fahrzeugs auf, und zwar einen Gierraten-Sensor, einen Rollraten-Sensor und einen Nickraten- Sensor, und zusätzlich drei Beschleunigungs-Sensoren, nämlich einen Längs-, Quer- und Vertikalbeschleunigungssensor. Die Zusammenfassung dieser Sensoren wird bei manchen Ausführungsformen auch insgesamt als Intertialsensorik bezeichnet, wodurch die vollständige Erfassung der Beschleunigungs- und Dreh ratenwerte in einem Inertialsystem des Fahrzeugs zum Ausdruck gebracht wird.
Bei manchen Ausführungsformen ist die Querbeschleunigung des Fahrzeugs wichtig, um den aktuellen Fahrzustand beurteilen zu können, mit der ggf. die sogenannte Schwimmwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs berechnet wird. Diese
Größe ist bei manchen Ausführungsformen wichtig zur Beurteilung der Stabilität von bspw. Kraftfahrzeugen und damit ein wichtiger Parameter für
Fahrdynamikregelsysteme. Vereinfacht ausgedrückt entspricht die Schwimmwinkelgeschwindigkeit der Schleudergeschwindigkeit des
Kraftfahrzeugs. Üblicherweise wird der Schwimmwinkel ß wie zur Veranschaulichung des Fahrzustands von Fahrzeugen in Fig. 1 dargestellt als Differenz des Gierwinkels ψ und des Kurswinkels γ definiert, wobei der Gierwinkel ψ den Drehwinkel des Fahrzeugs um die Hochachse, also um eine vertikale Achse durch den Fahrzeugschwerpunkt 2, entspricht, und der Kurswinkel γ die Bewegungsrichtung des Schwerpunkts des Kraftfahrzeugs definiert. Der Gierwinkel ψ wird bezüglich einer Koordinatenachse 10, also der x-Achse, gemessen und gibt damit die Winkelstellung der Fahrzeuglängsachse 8 bezüglich dieser Achse 10 an. Der Kurswinkel γ dagegen beschreibt die Ausrichtung des Geschwindigkeitsvektors v des Schwerpunkts 2 des Kraftfahrzeugs, der tangential zum Kurs des Kraftfahrzeugs liegt, bezüglich derselben Koordinatenachse 10. Die Abweichungen dieser beiden Winkel bzw. ihrer Winkelgeschwindigkeiten sind ein Maß für das Driften bzw. Schleudern des Kraftfahrzeugs. Sie sind im Übrigen unabhängig von der Wahl eines speziellen Koordinatensystems 10, 12. Außerdem bezeichnen in Fig. 1 die Bezugszeichen 4 bzw. 6 die Radstellung der Hinter- bzw. Vorderräder.
Neben dem Schwimmwinkels stellt auch der Schräglaufwinkel an der Hinterachse eine sinnvolle Regelgröße dar.
Bisher werden im Stand der Technik, wie eingangs erwähnt, aufwendige Modelle, insbesondere zur Beurteilung der Querbeschleunigung bzw. der Quergeschwindigkeit und damit auch zur Bestimmung des Schwimmwinkels herangezogen. Bei manchen Ausführungsformen hingegen wird eine besonders hochqualitative und exakte Beschreibung des Fahrzustands erreicht, indem der Fahrzustand vollständig beschrieben wird, wodurch die Verwendung von Modellen nicht mehr notwendig ist.
Es wurde erkannt, dass mit Hilfe der Beschleunigungen im dreidimensionalen Raum und der Drehraten des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum der Fahrzustand des Fahrzeugs (vollständig) bestimmt werden kann. Bei manchen Ausführungsformen, die bspw. ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum betreffen, werden folglich erste Signale über einen bestimmten Zeitraum erfasst, die auf ersten Sensorsignalen basieren, die der dreidimensionalen Beschleunigung des Fahrzeugs entsprechen, und zweite Signale den bestimmten Zeitraum erfasst, die auf zweiten Sensorsignalen basieren, die der dreidimensionalen Drehrate des Fahrzeugs entsprechen. Die dreidimensionale Beschleunigung umfasst bspw. die Quer-, Längs- und Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugs, die aus entsprechenden Sensorsignalen erhalten werden, d.h. die Sensorsignale sind repräsentativ für die Quer-, Längs- und Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugs. Dementsprechend umfasst die dreidimensionale Drehrate die Gierrate, Rollrate und Nickrate des Fahrzeugs und die zweiten Sensorsignale sind folglich repräsentativ für die Gierrate, Rollrate und Nickrate des Fahrzeugs. Damit wird letztlich zum Ausdruck gebracht, dass bei manchen Ausführungsformen aus den Sensorsignalen entsprechende Querbeschleunigungs- bzw. Drehratenkomponenten als erste bzw. zweite Signale abgeleitet werden können, bspw. für jede Raumrichtung eines entsprechenden Koordinatensystems, wie zum Beispiel das Inertialsystem des Fahrzeugs.
Bei manchen Ausführungsformen steht folglich durch Erfassen über einen bestimmten Zeitraum der ersten und zweiten Signale und damit bspw. der Beschleunigungs- und Drehratenwerte im dreidimensionalen Raum des Fahrzeugs, eine sechsdimensionale Beschreibung des Fahrzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt zur Verfügung. Daraus lässt sich ein entsprechendes (sechsdimensionales) Bewegungsgleichungssystem ableiten, das die dreidimensionalen Komponenten der Beschleunigung und die dreidimensionalen Komponenten der Drehrate des Fahrzeugs umfasst. Werden nun die einzelnen Messpunkte, d.h. die über die Zeit erhaltenen ersten und zweiten Signale, die auf jeweiligen Sensorsignalen basieren, die der dreidimensionalen Beschleunigung des Fahrzeugs bzw. der dreidimensionalen Drehrate des Fahrzeugs entsprechen, unter der Berücksichtigung der Erdbeschleunigung integriert, bspw. aufsummiert, so wird das "sechsdimensionale" Bewegungsgleichungssystem durch die Integration gelöst und dadurch wird als Fahrzustandsgrößen eine dreidimensionale (Fahrzeug-)Geschwindigkeit (durch Integration der Beschleunigungswerte) und eine dreidimensionale Orientierung des Fahrzeugs (durch Integration der Drehraten) im Raum ermittelt.
Betrachtet man nun den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeitskomponenten eines Fahrzeugs in der x-Richtung und y-Richtung, die zueinander orthogonal sind, in einer Ebene, so ergibt sich beispielhaft der in Fig. 2, als durchgezogene Linie dargestellte, tatsächliche Geschwindigkeitsverlauf im zweidimensionalen Raum. Beispielhaft ist der durch die Integration erhaltene Verlauf als nicht durchgezogene Linie dargestellt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht eine gewisse Abweichung zwischen tatsächlichem und ermittelten Geschwindigkeitsverlauf des Fahrzeugs. Dies liegt daran, dass sich Messfehler der Sensoren im Laufe der Integration aufsummieren und somit die ermittelte, auf Sensorsignalen beruhende Geschwindigkeit mit der tatsächlichen nicht mehr übereinstimmt. Gleiches gilt auch für die Orientierung des Fahrzeugs im Raum.
Diesem Problem begegnen manche Ausführungsformen, indem sie eine "objektive" Fahrzustandsgröße, bspw. einen "objektiven" Wert der Geschwindigkeit oder eine "objektive" Position, des Fahrzeugs mit berücksichtigen, bspw. eine Geschwindigkeitskomponente oder Positionskomponente des Fahrzeugs. Einen derartiger Wert liefert bspw. das Sensorsignal eines globalen Positionierungssystems, das eine absolute Position - oder je nach Güte des empfangenen Signals - zumindest eine Richtung des Fahrzeugs angibt oder die absolute Geschwindigkeit des Fahrzeugs oder eine Geschwindigkeitskomponente. Selbstverständlich lässt sich auch aus der Ableitung der Position, die von dem Sensorsignal repräsentiert wird, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermitteln. Bei manchen Ausführungsformen kann auch die "objektive" Fahrzeuggeschwindigkeit mittels eines Sensorsignals eines Raddrehzahlsensors, eines Radegeschwindigkeitssensors, eines Radars oder eines optischen Sensors ermittelt werden und diese als Stütz- bzw. Korrekturgröße verwendet werden. Das heißt es wird ein drittes oder es werden mehrere dritte Signale erfasst, die auf einem oder mehreren zusätzlichen dritten Sensorsignalen basieren, mit denen eine oder mehrere Komponenten der ermittelten Fahrzustandsgrößen bestimmbar sind. Insgesamt kommen bei manchen Ausführungsformen "objektive" bestimmte Fahrzustandsgrößen oder Komponenten davon als Stütz- oder Korrekturgrößen in Betracht, die wenigstens einer der folgenden Größen entsprechen oder aus ihr abgeleitet sind: Beschleunigung, Geschwindigkeit, Position, Drehrate und/oder Orientierung des Fahrzeugs.
In Fig. 2 symbolisieren die Kreuze in der Nähe des tatsächlichen Geschwindigkeitsverlaufs derartige "objektive" Messpunkte, wie sie bspw. aus dem GPS-Sensorsignal gewonnen werden können. Die GPS-Sensorsignale sind unter anderem aufgrund der Signallaufzeit zeitlich versetzt zu dem tatsächlich aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs, d.h. der Messzeitpunkt durch das GPS ist früher als der Zeitpunkt, zu dem man tatsächlich die Position oder den Geschwindigkeitswert erhält. Bei manchen Ausführungsformen wird die durch die Lösung des Bewegungsgleichungssystems erhaltene Geschwindigkeitskomponente des Fahrzeugs mit der entsprechenden Geschwindigkeitskomponente, die durch Erfassung der Sensorsignale erhalten wird, die wenigstens einer Geschwindigkeitskomponente oder Positionskomponente des Fahrzeugs entsprechen, abgeglichen. Daher können die Sensorfehler, die sich im Laufe der Zeit aufsummieren, ausgeglichen werden und der ermittelte Fahrzustand (z.B. dreidimensionale Fahrzeuggeschwindigkeit und dreidimensionale Orientierung des Fahrzeugs im Raum) stimmt nahezu perfekt mit dem tatsächlichen überein. In Fig. 2 würde das bedeuten, dass die gestrichelte Linie auf der durchgezogenen verläuft.
Allgemein ausgedrückt bedeutet dies, dass die ersten und zweiten Signale des bestimmten Zeitraums oder die ermittelten Fahrzustandsgrößen derart korrigiert werden, dass die ermittelten Fahrzustandsgrößen den aus den dritten Signalen bestimmten Fahrzustandsgrößen möglichst genau entsprechen. Dabei werden bei manchen Ausführungsformen die Fahrzustandsgrößen dreidimensionale Geschwindigkeit und/oder dreidimensionale Orientierung des Fahrzeugs durch Integration über den bestimmten Zeitraum der korrigierten ersten und der korrigierten zweiten Signale gemäß dem Bewegungsgleichungssystem für die entsprechenden Fahrzustandsgrößen neu ermittelt. Zum Beispiel werden also die ersten und zweiten Signale derart korrigiert oder angepasst, dass die aus der Lösung der Bewegungsgleichungen der entsprechenden Fahrzustandsgrößen ermittelten Fahrzustandsgrößen möglichst genau den aus den dritten Signalen bestimmten Fahrzustandsgrößen entsprechen. Damit wird der Offsetfehler der Messgrößen bestimmt und ermöglicht somit u.a. eine Korrektur des Sensoroffsets.
Alternativ werden die ermittelten Fahrzustandsgrößen direkt mit den aus den dritten Signalen bestimmten Fahrzustandsgrößen abgeglichen. Diese Alternative ergibt direkt die korrigierten Fahrzustandsgrößen. Ein noch anderer Weg, die Korrektur durchzuführen, ist, zunächst den Fehler der Fahrzustandsgrößen zu berechnen und daraus auf die korrigierten Fahrzustandsgrößen zu schließen. Diese Alternativen können auch miteinander kombiniert werden. Zum Beispiel kann die Fahrzustandsgröße Geschwindigkeit anhand der aus den dritten Signalen bestimmten Fahrzustandsgrößen direkt korrigiert werden, während für die Fahrzustandsgröße Orientierung zunächst der Orientierungsfehler bestimmt wird, aus dem dann die korrigierte Orientierung berechnet wird.
Der bestimmte Zeitraum, über den die ersten und zweiten Signale erfasst werden, kann beliebig gewählt werden und hängt in manchen Ausführungsformen von einem Parameter ab. Ein derartiger Parameter ist bspw. die Verfügbarkeit des dritten Signals oder die Güte der ersten und/oder zweiten Signale, die Qualitätsanforderung an die Präzision des Fahrzustandes, usw. Zum Beispiel liefern die Beschleunigungs- und Drehratensensoren größere Werte, wenn das Fahrzeug entsprechende Bewegungen im dreidimensionalen Raum ausführt (z.B. Kurvenfahrten im Gebirge). Bei großen Beschleunigungen und Drehraten kann bspw. der bestimmte Zeitraum kürzer ausfallen als bei kleinen Beschleunigungen oder Drehraten des Fahrzeugs (z.B. Geradeausfahrt), da im ersteren Fall die Güte der Signale als höher angenommen werden kann als die Güte der Signale im zweiten Fall.
Bei manchen Ausführungsformen werden auch die in der Vergangenheit erhaltenen ersten und zweiten Signale und der sich daraus ergebende ermittelte Verlauf der ermittelten Fahrzustandsgrößen bis zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit so korrigiert, dass die ermittelten Fahrzustandsgrößen den aus den dritten Signalen bestimmten Fahrzustandsgrößen, wie zum Beispiel Geschwindigkeit oder Position des Fahrzeugs, möglichst genau entsprechen. Dadurch können die Fehler, die sich im Laufe der Zeit durch die Aufsummierung fehlerhafter Sensorsignale für die Beschleunigung und die Drehraten einschleichen, eliminiert werden.
Bei manchen Ausführungsformen werden alle drei Geschwindigkeitskomponenten bzw. Positionskomponenten der ermittelten Fahrzustandsgrößen, die für eine vollständige dreidimensionale Beschreibung erforderlich sind, abgeglichen oder korrigiert, so dass auch für die Vergangenheit eine äußerst präzise Beschreibung des Fahrzustands im dreidimensionalen Raum vorhanden ist. Daraus folgt, dass auch für die Vergangenheit und den gegenwärtigen Zeitpunkt nicht nur die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit, sondern der vollständige Geschwindigkeitsvektor des Fahrzeugs und zudem auch noch die genaue Orientierung des Fahrzeuges im Raum präzise bekannt sind und bekannt sein werden, weil die Sensoren hervorragend abgeglichen sind und somit lange integrierbar bleiben. Sind etwa vorübergehend keine dritten Signale zum Abgleich der ermittelten Fahrzustandsgrößen vorhanden, so können die Fahrzustandsgrößen dennoch durch Integration über die Zeit ermittelt werden. Im Übrigen sind auch der daraus abgeleitete Schwimmwinkel und der Rollwinkel präzise bekannt sind, sodass bspw. die relativ große Neigung eines Motorrads präzise bestimmt werden kann.
Außerdem ist es aufgrund der Erfassung des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Fahrzustandsgrößen, wie bspw. des Geschwindigkeitsverlaufes, des Fahrzeugs unschädlich, wenn bspw. GPS-Signale nur schlecht oder für eine gewisse Zeit nicht zur Verfügung stehen, da dann immer noch der Fahrzustand relativ präzise bekannt ist. Sobald dann wieder das GPS-Signal zur Verfügung steht, kann dieses bei manchen Ausführungsformen wieder als Stützung als drittes Signal zur Bestimmung des Fahrzustandes verwendet werden.
Das obige Verfahren kann bei manchen Ausführungsformen aber auch ohne GPS- Signal auskommen, indem bspw. die Fahrzeuggeschwindigkeit durch einen Raddrehzahl- oder Radgeschwindigkeitssensor bestimmt wird. Bei solchen Ausführungsformen ist die Fahrzeuggeschwindigkeit zwar nicht derart präzise bekannt wie bei solchen, die das GPS-Signal verwenden. Allerdings lässt sich auch hier der Fahrzustand so genau bestimmen, so dass die Bestimmung des Fahrzeugzustands zum Beispiel ausreichend für ein ESP-System ist.
Der Ablauf des Verfahrens gemäß manchen Ausführungsformen kann nochmals wie folgt zusammengefasst werden: Es werden als Eingangsgrößen drei Beschleunigungen, die im Raum des Fahrzeugkoordinatensystems beschrieben sind, verwendet, die entweder direkt gemessen werden oder als abgeleitete Größen zur Verfügung stehen; weiterhin werden drei Drehraten, die im Raum des Fahrzeugkoordinatensystems bestimmt sind, verwendet, die entweder direkt gemessen werden oder als abgeleitete Größen zur Verfügung stehen; und schließlich wird eine Geschwindigkeit im Raum (z.B. GPS erdgebundenes Koordinatensystem) bzw. einzelne Komponenten der Geschwindigkeit im Raum (wenn z.B. nur ein oder zwei Satelliten verfügbar sind) oder einzelne Komponenten der Geschwindigkeit im Fahrzeugkoordinatensystem oder auch die Position verwendet, wobei die Ableitung der Position die Geschwindigkeit liefert.
Der Fahrzustand wird dann - wie oben dargestellt - im dreidimensionalen Raum beschrieben, so dass folgende Informationen zur Verfügung stehen bzw. abgeleitet werden können:
- drei Drehraten,
- drei Geschwindigkeiten (Betrag und Orientierung) und daraus der Kurswinkel
- drei Winkel, und daraus die Orientierung des Fahrzeugs
- drei Beschleunigungen
- drei Positionen (wenn GPS als Referenz verwendet wird)
Alle Größen sind in beliebigen Achsen darstellbar (Fahrzeugkoordinaten, Erdkoordinaten), so dass eine exakte Kenntnis des Fahrzustands bereitgestellt werden kann. Alle Größen können natürlich auf beliebige Positionen innerhalb des Fahrzeugs umgerechnet werden, und stehen im Fahrzeugkoordinatensystem oder auch im erdgebundenen Koordinatensystem zur Verfügung. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass es in der Lage ist, selbst die Position der Hinterachse zu ermitteln und so einen Regelung beispielsweise des Schräglaufwinkels an der Hinterachse zu ermöglichen, ohne dass die Einbaulage der Hinterachse als Parameter bekannt sein muss. Ebenso ist - anders als bei anderen bekannten Methoden - die Kenntnis der Position des Schwerpunkts des Fahrzeugs nicht erforderlich. Bei manchen Ausführungsformen können nämlich die Fahrzustandsgrößen an einem ersten Punkt, beispielsweise der Position der Sensoren innerhalb des Fahrzeugs ermittelt werden. Basierend auf den für diesen ersten Punkt ermittelten Fahrzustandsgrößen und basierend auf bekannten Fahrzustandsgrößen eines zweiten Punktes, beispielsweise der Hinterachse des Fahrzeugs wird dann die relative Lage des zweiten Punktes zum ersten Punkt errechnet, also die relative Lage der Sensoren zur Hinterachse. Eine Vorabapplikation der Einbaulage des Steuergeräts und der Lage der Hinterachse erübrigt sich damit. Das System findet somit die Hinterachse und appliziert sich gewissermaßen selbst. Gleiches ist beispielsweise auch für die Bestimmung der relativen Lage der Vorderachse möglich, wenn zusätzlich noch der Lenkwinkel bekannt ist.
Natürlich können die physikalischen Größen auch ineinander umgerechnet werden. So liefert die Ableitung der GPS-Geschwindigkeit bei manchen Ausführungsformen die Beschleunigung des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum. Die Fahrzeugorientierung kann also bestimmt werden, indem die mit der Inertial-Sensorik gemessene Beschleunigung mit der berechneten Beschleunigung in Übereinstimmung gebracht wird. Die Messung der Geschwindigkeiten im Raum liefert auch mittels Ableitung die Historie der Beschleunigungen im Raum. Als Nächstes wird die Fahrzeugorientierung (im Raum) zu einem bestimmten Zeitpunkt so ermittelt, dass der Verlauf der über die Inertial-Sensorik integrierten Fahrzeugbewegung eine Historie der Beschleunigung liefert, die mit der Beschleunigungshistorie der GPS-Messung „bestmöglichst" übereinstimmt. Dann wird die Orientierung des Fahrzeugs im Raum so bestimmt, dass der durch Integration ermittelte Verlauf der Geschwindigkeit in Übereinstimmung mit dem Verlauf der gemessenen GPS-Geschwindigkeit gebracht wird. Bei manchen Ausführungsformen wird - wie bereits ausgeführt - auch ein Vergleich mit Positionen vorgenommen. Ausführungsformen, die fahrzeugspezifische Geschwindigkeiten verwenden (bspw. durch Raddrehzahlsensor oder Radgeschwindigkeitssensor ermittelt), lösen das Problem auf gleiche Art und Weise, jedoch in einem anderen Koordinatensystem.
Bei manchen Ausführungsformen wird auch der Zeitunterschied zwischen der Bereitstellung der Sensorsignale von dem globalen Positionsbestimmungssystem (GPS) und der Messung bzw. dem Messzeitpunkt der Sensorsignale berücksichtigt. Dies kann dadurch geschehen, dass bspw. zeitlich zusammenhängende Größen bei der Lösung des Bewegungsgleichungssystems einander zugeordnet werden, d.h. es werden bspw. die dritten Signale zeitlich den ersten und zweiten Signalen zugeordnet. Wenn zum Beispiel die zu den Drehraten gehörenden Signale in einem bestimmten Zeitraum und die zu den Beschleunigungen gehörenden Signale in dem bestimmten Zeitraum erfasst wurden, dann fällt bspw. bei manchen Ausführungsformen das Ende des Erfassungszeitraums mit dem Messzeitpunkt des GPS-Signals zusammen.
Bei manchen Ausführungsformen werden alle Fahrzustandsgrößen so transformiert, dass sie sich auf eine gemeinsame Position, bspw. innerhalb des
Fahrzeugs, beziehen. Das heißt die Inertialsysteme oder Koordinatensysteme in denen die Fahrzustandsgrößen ermittelt werden haben bspw. den gleichen
Ursprung oder fallen sogar zusammen. Dem Fachmann ist grundsätzlich bekannt, wie entsprechende physikalische Größen in unterschiedliche Koordinatensysteme mit unterschiedlichem Ursprung transformiert werden können.
Bei manchen Ausführungsformen wird aus der Abweichung zwischen der bestimmten Fahrzustandsgröße und der ermittelten Fahrzustandsgröße ein Fehler eines ersten (z.B. Beschleunigungssensor) und/oder eines zweiten Sensors (z.B. Drehratensensor), von dem die ersten bzw. zweiten Signale stammen, erkannt. Dies ist möglich, da bei richtiger Funktion der Sensoren bspw. normalerweise der ermittelte Geschwindigkeitsverlauf an die objektiven Geschwindigkeiten in einem erdgebundenen Koordinatensystem angepasst werden kann. Schlägt diese Anpassung fehl, kann daraus bspw. auf einen Fehler eines Sensors geschlossen werden.
Bei manchen Ausführungsformen werden die Fahrzustandsgrößen bei einem stabilen Fahrzustand ermittelt, z.B. wird das Bewegungsgleichungssystem bei einem stabilen Fahrzustand gelöst. Ein stabiler Fahrzustand liegt bspw. vor, wenn das Fahrzeug nicht schleudert, d.h. einen kleinen Schwimmwinkel aufweist.
Insbesondere bei Kurvenfahrten des Fahrzeugs liefern bspw. die
Beschleunigungssensoren größere und damit auch zuverlässigere Werte als bei Geradeausfahrt, sodass diesen bspw. eine höhere Zuverlässigkeit bei der Lösung des Bewegungsgleichungssystems zugeordnet werden kann (bspw. durch einen entsprechenden Gewichtungsfaktor). Dahingegen ist bspw. beim Start des
Fahrzeugs der Fahrzustand auch stabil und wohlbekannt. Auch diese Information kann als Startwert beim Lösen des Bewegungsgleichungssystem bzw. der Integration der ersten und zweiten Signale mit herangezogen werden.
Bei manchen Ausführungsformen werden zusätzlich oder als alleinige dritte Messgröße Signale erfasst, die auf Sensorsignalen basieren, die die Ausrichtung des Fahrzeugs relativ zum Erdmagnetfeld angeben. Diese Sensorsignale können bspw. von einem Kreiselkompass oder Magnetkompass stammen, wie er ohnehin bspw. in Schiffen oder Flugzeugen vorhanden ist. Dadurch ist es auch möglich den "Fahrzustand" eines Flugzeuges oder Schiffes vollständig zu bestimmen.
Manche Ausführungsbeispiele betreffen eine Vorrichtung zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum. Ein derartige Vorrichtung umfasst bspw. eine Inertialsensorik, die ausgelegt ist, Beschleunigungssignale auszugeben, die die Beschleunigung des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum angeben, und Drehratensignale auszugeben, die die Drehraten des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum angeben. Eine derartige Inertialsensorik kann auch als 6D-Sensorik bezeichnet werden, da sie sechs Komponenten des Fahrzustands des Fahrzeugs erfasst (drei Beschleunigungskomponenten und drei Drehratenkomponenten, wie oben bereits beschrieben). Weiterhin weist bei manchen Ausführungsformen die Vorrichtung ein Mittel zum Ermitteln der Fahrzustandsgrößen dreidimensionale Geschwindigkeit und/oder dreidimensionale Orientierung des Fahrzeugs durch Integration über einen bestimmten Zeitraum der Beschleunigungssignale und der Drehratensignale gemäß dem Bewegungsgleichungssystem für die entsprechenden Fahrzustandsgrößen auf. Weiterhin umfasst die Vorrichtung bei manchen Ausführungsformen ein Mittel zum Ausgeben eines oder mehrerer zusätzlicher Sensorsignale, mit denen eine oder mehrere Komponenten der ermittelten Fahrzustandsgrößen bestimmbar sind, d.h. das Mittel umfasst bei manchen Ausführungsformen einen GPS-Sensor und/oder einen Raddrehzahlsensor und/oder einen Radgeschwindigkeitssensor, und/oder ein Radar und/oder einen optischen Sensor. Und die Vorrichtung umfasst ein Korrekturmittel zum Korrigieren der Beschleunigungssignale und Drehratensignale des bestimmten Zeitraums oder der ermittelten Fahrzustandsgrößen derart, dass die ermittelten Fahrzustandsgrößen den aus den zusätzliche Sensorsignalen bestimmten Fahrzustandsgrößen möglichst genau entsprechen.
Bei manchen Ausführungsformen ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass die bestimmten Fahrzustandsgrößen wenigstens einer der folgenden Größen entspricht: Beschleunigung, Geschwindigkeit, Position, Drehrate und/oder Orientierung des Fahrzeugs. Natürlich kann die bestimmte Fahrzustandsgröße auch nur eine Komponente der aufgezählten Größe sein, wie oben bereits ausgeführt wurde.
Die Vorrichtung ist bei manchen Ausführungsformen derart ausgebildet, dass sie alle oben ausgeführten Merkmale von Ausführungsformen ausführen kann. Dies wird bei manchen Ausführungsformen dadurch erreicht, dass entsprechende Mittel vorgesehen sind, die so ausgelegt sind, dass sie entsprechende Merkmale der obigen Ausführungsformen ausführen können. Manche Ausführungsformen umfassen einen Mikroprozessor, der entsprechend programmiert werden kann, die obigen Merkmale der Ausführungsformen auszuführen.
Manche Ausführungsformen der Vorrichtung können sehr kompakt aufgebaut werden und in beliebige Fahrzeuge an beliebiger Stelle innerhalb des Fahrzeugs positioniert werden. Bei manchen Ausführungsformen können dann die Fahrzustandsgrößen und/oder die erfassten Signale in das entsprechende Koordinatensystem transformiert werden, das bspw. seinen Ursprung in dem Einbauort innerhalb des Fahrzeugs hat. Bei manchen Ausführungsformen befinden sich die Sensoren der Inertialsensorik an verschiedenen Stellen. Bei solchen Ausführungsformen werden dann die entsprechenden Transformationen der Signal durchgeführt, sodass bspw. die ersten und zweiten Signale sich auf die Position des Einbauortes der Vorrichtung innerhalb des Fahrzeugs beziehen, wie auch schon weiter oben ausgeführt wurde.
Die mit Hilfe der oben genannten Verfahren bzw. Vorrichtungen nach Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellten Ergebnisse sind nicht Modellgrößen die auf Hypothesen basieren (so wie bei heutigen Fahrdynamikregelsystemen), sondern sie liefern besonders genaue Fahrzustandsgrößen. Die Fahrzustandsbeschreibung ist umfassend, d.h. nahezu lückenlos (alle Richtungen, Drehraten, Winkel, Geschwindigkeiten des Fahrzeugs). Die Fahrzustandsinformation ist darüberhinaus bei manchen Ausführungsformen zeitsynchron, d.h. es existiert kein Zeitverzug zwischen der zeitlichen Zuordnung und der Bereitstellung der Fahrzustandsgrößen. Bei manchen Ausführungsformen können die Sensorsignale ohne Nutzung weiterer Messgrößen (oder Modellgrößen) kompensiert werden (Offset und Empfindlichkeit). Außerdem ist eine effiziente Überwachung der Sensoren gewährleistet.
Manche Ausführungsformen funktionieren, wie oben angedeutet, auch bei schlechtem GPS-Empfang: Selbst wenn nur wenige Satelliten vorhanden (z.B. nur einer), ist die Ausführungsform funktionsfähig und liefert entsprechende Fahrzustandsinformationen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Auswertung der GPS-Signale verbessert werden, da die Geschwindigkeit im Raum bereits in hoher Qualität zur Verfügung steht.
GPS-Signale werden z.B. durch Reflexionen, bspw. an Wänden von Hochhäusern, gestört und können dann nicht direkt empfangen werden. Dadurch wird eine verfälschte Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit im Raum ermittelt. Folglich wird bei manchen Ausführungsformen jedes Satellitensignal auf Güte geprüft und es werden bspw. nur die besten Satelliten verwendet, um das Verfahren zu stützen und Signale mit Reflexion können sicher erkannt und ausgeschlossen werden. So ermöglicht bei manchen Ausführungsformen die Nachführung einer hochqualitativen Geschwindigkeit im Raum es (z.B. bei schlechtem GPS- Empfang), zu prüfen, ob die vom GPS bereitgestellten Geschwindigkeitskomponenten plausibel sind oder nicht. Wenn die GPS- Information zu einem Messpunkt unplausibel ist, dann kann diese bei manchen Ausführungsformen aus der Berechnung genommen werden oder mit einem sehr geringen Gewichtungsfaktor versehen werden.
Manche Ausführungsformen ermöglichen auch eine zuverlässige Erkennung und Regelung von Übersteuer- und Überschlagsituationen ohne auf einen Lenkradwinkel angewiesen zu sein, da der sechsdimensionale Fahrzustand präzise ermittelt wird.
Weil bei manchen Ausführungsformen das Verfahren die Informationen eines ausdehnbaren Zeitbereiches, d.h. eines bestimmten Zeitraums, verwendet, können auch Messpunkte fehlen, d.h. es reicht auch aus, wenn nur einzelne Komponenten der Geschwindigkeit vom GPS bereitgestellt werden können. Dies passiert bspw., wenn der GPS-Empfang schlecht ist; d.h. steht z.B. nur ein Satellit zur Verfügung, dann ist nur die Geschwindigkeitskomponente in Satellitenrichtung bekannt. Stehen ausreichend viele Messpunkte über einen bestimmten Zeitraum zur Verfügung, dann sind auch bei einer solchen lückenhaften GPS-Messung ausreichend Informationen vorhanden, um das Gleichungssystem zu lösen. Dementsprechend sind sowohl zeitliche Lücken im GPS-Signal als auch Komponentendefizite der 3D-lnformation der GPS-Geschwindigkeit unschädlich.
Zurückkehrend zur Figur 3 ist dort ein Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Initialisiert wird das Verfahren im Schritt 1 bei einem stabilen Fahrzustand (z.B. stationäre Geradeausfahrt), bei dem angenommen werden kann, dass die Fahrzeugorientierung mit dem Geschwindigkeitsvektor übereinstimmt. Im Schritt 3 werden die Beschleunigung und die Drehraten des Fahrzeuges, bspw. mit einer 6D-Sensorik, gemessen, sodass drei Komponenten der Beschleunigung (Längs-, Quer- und Vertikalbeschleunigung) und drei Komponenten der Drehraten (Roll-, Nick- und Gierrate) vorliegen. Der Drehwinkel um die Fahrzeuglängsachse wird im Schritt 5 bestimmt, indem die gemessene Beschleunigung (inklusive Erdanziehung) in Übereinstimmung mit der einer stabilen Fahrweise entsprechenden Modellquerbeschleunigung gebracht wird. Somit sind an dieser Stelle die Fahrzeugorientierung im Raum und Fahrzeuggeschwindigkeit im Raum bekannt. Dann werden im Schritt 7 die drei fahrzeugbezogenen Drehraten ins erdgebundene Koordinatensystem transformiert. Durch Integration der Drehbewegung im Raum wird im Schritt 9 die neue Orientierung im Raum ermittelt.
Ausgehend von der mitgeführten Fahrzeuggeschwindigkeit im Raum kann diese durch Integration der Beschleunigungsmessung im Schritt 11 weiter bestimmt werden (nachdem die im Fahrzeugkoordinatensystem gemessene Beschleunigung ins Raumkoordinatensystem transformiert wurde). Wenn die ermittelte Geschwindigkeit im Raum langsam von der G PS-Messung abdriftet, wird im Schritt 13 die Korrektur der Fahrzeugorientierung im Raum bestimmt, die notwendig ist, um eine möglichst gute Übereinstimmung von GPS- Geschwindigkeit und Integrationsgeschwindigkeit zu erzielen. Die nun nach Korrektur ermittelte Geschwindigkeit und Fahrzeugorientierung im Raum kann durch Koordinatentransformation im Schritt 15 ins fahrzeugbezogenen Koordinatensystem oder ein beliebiges Koordinatensystem (z.B. an den Radaufstandspunkten) zurück transformiert werden. Im Schritt 17 würde das Verfahren enden, sofern es nicht - wie durch die entsprechende Verbindung 19 angedeutet - schleifenartig ausgeführt wird, sodass immer der aktuelle, korrigierte Fahrzustand vorhanden ist.
Letztendlich ist es das Ziel, sechs Unbekannte zu ermitteln, nämlich die Geschwindigkeit in einem Raumkoordinatensystem und die Fahrzeugorientierung in diesem Raumkoordinatensystem. Zur Stützung reichen beliebige Information über Geschwindigkeit oder Position des Fahrzeugs aus, die bspw. von einem GPS-System stammen können oder einem Sensor, der direkt oder indirekt die Geschwindigkeit des Fahrzeugs misst. Letztendlich müssen mindestens sechs Gleichungen aufgestellt werden können. Selbst wenn nur eine Information zur Stützung verfügbar ist, wird es aufgrund der Betrachtung des größeren Zeitbereichs möglich sein, ein überbestimmtes Gleichungssystem aufzustellen.
Wie bereits erläutert, sind zur Lösung des Systems mindestens sechs Gleichungen notwendig, die zusammen ein Bewegungsgleichungssystem ergeben. Selbst wenn bspw. ein GPS-Modul nur einmal pro Sekunde eine Geschwindigkeit im Raum liefert (V-north, V-east, V-height), dann stehen bereits nach zwei Sekunden ausreichend Daten zur Verfügung um das Bewegungsgleichungssystem lösen zu können, da dann sechs Geschwindigkeitsmesswerte zur Verfügung stehen.
Ab der dritten Sekunde ist das Bewegungsgleichungssystem in diesem Beispiel überbestimmt. Zieht man den Zeitbereich der letzten Sekunden heran, um das Bewegungsgleichungssystem aufzubauen, dann liefert bei manchen Ausführungsbeispielen z.B. ein LSq-Verfahren (Least Squares Approximation) genaue Geschwindigkeitsinformationen im Raum.
Der Zeitverzug in der Bereitstellung der GPS-Messung wird bei einer weiteren Ausgestaltung der Ausführungsform z.B. dadurch berücksichtigt, dass für die Gleichungen im Gleichungssystem zeitlich zusammengehörende Größen verarbeitet werden. Zur Veranschaulichung soll folgendes Beispiel dienen: Das System kennt (oder ermittelt) den Zeitverzug der GPS-Messung und den Zeitpunkt der GPS-Bereitstellung (z.B. einmal pro Sekunde). Hat die GPS-Messung einen Bereitstellungsverzug zwischen Messung und Bereitstellung von bspw. 0,7 Sekunden, dann wird 0,3 Sekunden nach der vorangegangenen GPS-Sendung der Wert der integrierten Geschwindigkeit abgespeichert und erst 0,7 Sekunden später das Gleichungssystem aufgestellt. Die exakte Geschwindigkeit steht trotzdem durchgehend mit großer Genauigkeit zur Verfügung, weil in der Zwischenzeit die Bewegung des Fahrzeugs im Raum auf Basis einer sehr genauen Kenntnis der Fahrzeugorientierung und -geschwindigkeit aufintegriert wird.
In Fig. 4 ist schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zur vollständigen Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Beschleunigungssensor 110 und einen Drehratensensor 120, die zusammen eine Inertialsensorik bilden. Der Beschleunigungssensor 110 enthält einen Längs- 112, Quer- 114 und Vertikalbeschleunigungssensor 116, die jeweils ein Signal ausgeben, das repräsentativ für die Quer-, Längs- bzw. Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugs ist. Somit beschreiben die Signale die Beschleunigung des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum. Die Signale werden von dem Beschleunigungssensor auf eine Signalleitung 150 gegeben, sodass diese von einem Mikroprozessor 140 verarbeitet werden können. Der Drehratensensor enthält einen Nick- 122, Roll- 124 und Gierratensensor 126, die jeweils ein Signal ausgeben, das repräsentativ für die Nick-, Roll- bzw. Gierrate des Fahrzeugs ist. Somit beschreiben die Signale die Drehrate des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum. Auch der Drehratensensor 120 gibt die Signale an die Signalleitung 150.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 100 einen GPS-Sensor 130, der GPS-Signale empfangen kann und bspw. mit einer (oder mehreren) Antenne(n) verbunden ist. Der GPS-Sensor 130 gibt bspw. ein Signal auf die Signalleitung 150, das repräsentativ für die Geschwindigkeit oder die Position des Fahrzeugs ist.
Der Mikroprozessor verarbeitet letztlich die Signale so, wie es weiter oben schon beschrieben wurde und wie es bspw. bei der Ausführungsform nach Fig. 3 geschieht. So integriert der Mikroprozessor 140 die Beschleunigungs- und Drehratensignale, um das zugrundeliegende Bewegungsgleichungssystem zu lösen und die entsprechenden Fahrzustandsgrößen, nämlich dreidimensionale Fahrzeuggeschwindigkeit und dreidimensionale Orientierung im Raum, zu ermitteln. Dann wird die daraus resultierende Fahrzeuggeschwindigkeit mit der von dem GPS-Sensor 130 erhaltenen Fahrzeuggeschwindigkeit verglichen und gegebenenfalls korrigiert. Die Korrektur geschieht - wie oben bereits ausgeführt - bspw. dadurch, dass die Größen für das Bewegungsgleichungssystem, nämlich die Beschleunigungs- und Drehratensignale, so angepasst werden, dass die Lösung des Bewegungsgleichungssystems, nämlich die neue Fahrzeuggeschwindigkeit, mit der des GPS-Moduls 130 übereinstimmen. Die Vorrichtung 100 kann bspw. Informationen über den Fahrzustand über die Signalleitung 150 nach außen geben, bspw. an ein Fahrdynamikregelsystem in einem Auto oder bspw. an ESP-, ACC-, Airbag-, usw. Systeme.
Natürlich gibt es Ausführungsformen der Vorrichtung 100, die jedes der weiter oben beschriebenen Merkmale der Ausführungsformen, die das Verfahren betreffen, umsetzen kann. Dies ist bspw. durch eine Programmierung oder entsprechende Ausgestaltung des Mikroprozessors 140 möglich.
Es existieren natürlich auch Ausführungsformen mit beliebiger Anordnung der Sensoren, z.B. kann sogar die gesamte Inertialsensorik im GPS-Modul untergebracht sein.
Bei manchen Ausführungsformen der Vorrichtung 100 wird ein Kaimanfilter zur Bestimmung des Fahrzustands verwendet.
Als Signale zur Korrektur bzw. Stützung können natürlich auch die anderen (oben erwähnten) Signale, wie bspw. die vom GPS gelieferte Position oder die Geschwindigkeit, die von einem Raddrehzahlsensor oder Radgeschwindigkeitssensor ermittelt wurde, verwendet werden.
Bei manchen Ausführungsformen der Vorrichtung 100 ist ein Abgleich der Sensoren durch eine Analyse der Korrekturen möglich, da nach Erhalt eines neuen G PS-Messwerts eine Berechnung der Korrektur der Orientierung im Raum des Fahrzeugs berechnet wird. In Zeitbereichen mit geringen Drehraten, wie bspw. bei der Geradeausfahrt, bedeutet eine regelmäßige Orientierungskorrektur um eine bestimmte Fahrzeugachse, dass die entsprechende Drehrate einen gewissen Offset aufweist bzw. aufweisen kann. Sind nur bei höheren Drehraten Korrekturen notwendig, dann kann bei manchen Ausführungsformen die Korrektur einer Skalierungsabweichung zugeordnet werden und darauf basierend eine entsprechende Skalierungskorrektur vorgenommen werden. Auf gleiche Art und Weise kann auch bei manchen Ausführungsformen eine Kompensation für die Beschleunigungssensoren erfolgen, wenn regelmäßige Korrekturen der Geschwindigkeiten in dominanten Richtungen beobachtet werden.
Manche Ausführungsformen zeichnen sich durch eine hohe Eigensicherheit aus: Wenn einer der Inertialsensoren einen Fehler aufweist, dann wird es nicht mehr möglich sein, eine Orientierung des Fahrzeugs im Raum zu bestimmen, bei der die Verläufe von integrierter Bewegung und gemessener Bewegung in Übereinstimmung gebracht werden können, wodurch ein entsprechender Sensorfehler erkannt werden kann.
Bei Ausführungsformen mit extremen Qualitätsanforderungen an die Fahrzustandsbestimmung (z.B. augenblicklicher Fehlererkennung) kann zusätzlich für eine Drehrate und/oder eine Beschleunigung ein weiterer Sensor vorgesehen werden, der eine Redundanz ermöglicht mit der jeder Fehler eines beliebigen Sensors erkannt wird. Beispielsweise deckt ein Drehratensensor und ein Beschleunigungssensor die Redundanz aller Sensoren ab.
Bei manche Ausführungsformen kann die Inertialsensorik bzw. die Vorrichtung 100 an einem beliebigen Ort und in einer beliebigen Orientierung im Fahrzeug eingebaut werden, da das System aufgrund der verfügbaren vollständigen Fahrzustandserfassung in der Lage ist, selbständig die Orientierung relativ zu den Fahrzeugachsen zu bestimmen. Bei manchen Ausführungsformen wird, um eine hochqualitative Funktion sicherzustellen, die gemessene GPS-Geschwindigkeit auf den Ort der Einbaulage der Inertialsensorik in dem Fahrzeug transformiert. Bei manchen Ausführungsformen werden alle Größen auf einen gemeinsamen Punkt des Fahrzeugs transformiert.
Bei manchen Ausführungsformen sind die Sensoren 110, 120, 130 der Vorrichtung 100 oder die Sensoren der Inertialsensorik nahezu an einem einzigen Ort bzw. nahe aneinander verbaut. Bei Ausführungsformen, bei denen aufgrund spezieller Randbedingungen die Sensoren weiter auseinander verbaut sind, werden basierend auf den verfügbaren Drehraten im Raum alle Signale so transformiert, dass sie sich auf eine gemeinsame Position beziehen.
Bei manchen Ausführungsformen ist, im Gegensatz zu bekannten Reglern der Querdynamik, kein Lenkwinkel mehr notwendig, um eine robuste Beschreibung des Fahrzustands und eine robuste und sichere Querdynamik- und Überschlagsregelung ohne Lenkwinkel zu ermöglichen. Bei manchen Ausführungsformen wird der Lenkwinkel zusätzlich verwendet, um den Fahrerwunsch besser interpretieren zu können. Folglich ist es bei manchen Ausführungsformen möglich, den Regler so auszulegen, dass der Regler robust gegen Fehler des Lenkwinkels ist, wenn der Lenkwinkel als Fahrerwunschinformation herangezogen wird. Bei den bisher bekannten Regelsystemen wird viel Aufwand betrieben, um das Lenkwinkelsignal sehr effizient zu überwachen. Dieser Aufwand entfällt bspw. bei den Ausführungsformen, die keinen Lenkwinkelsensor verwenden.
ABS-Regler nach dem Stand der Technik müssen in regelmäßigen Abständen Räder unterbremsen, um eine sichere Bestimmung der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit zu ermöglichen. Nachteil der Vorgehensweise ist, dass das Unterbremsen der Räder zu einer Verlängerung des Bremswegs führt. Dieser Nachteil fällt bei manchen Ausführungsformen weg, weil die Geschwindigkeit durchgehend in hoher Qualität zur Verfügung steht. Somit können die Radschlupfwerte sehr exakt eingestellt werden, so dass die optimale Verzögerung und Lenkbarkeit des Fahrzeugs erzielt wird.
Bei Allradfahrzeugen besteht speziell das Problem, dass im Antriebsfall alle Räder synchron durchdrehen können. Der ASR-Regler muss aber dafür sorgen, dass der Radschlupf nicht zu groß wird. Der ASR-Regler nach dem Stand der Technik hat jedoch das Problem, dass eine Geschwindigkeitsbestimmung auf Basis der Radgeschwindigkeiten nicht mehr die echte Fahrzeuglängsgeschwindigkeit bereitstellt; es handelt somit um eine Schätzgröße mit entsprechenden Unsicherheiten. Wird die Geschwindigkeit zu hoch geschätzt, dann wird der ASR Regler zu viel Schlupf zulassen, was sich negativ auf die Fahrzeugstabilität auswirkt. Wenn die Geschwindigkeit zu niedrig geschätzt wurde, dann wird zu weinig Radschlupf eingestellt werden, was dann zu Traktionsdefiziten führt. Auch diese Schwierigkeiten können wenigstens teilweise durch manche Ausführungsformen beseitigt werden, da die tatsächliche Fahrzuggeschwindigkeit präzise bspw. für den ASR-Regler zur Verfügung steht.
Fahrdynamikregelsysteme nach dem Stand der Technik, wie eingangs beschrieben, sind meistens von aufwendigen Modellen abhängig, um den Fahrzustand beschreiben zu können. Eine angemessene Fahrzustandsbeschreibung ist somit nur dann möglich, wenn die Fahrzeugparameter (Modellparameter) in ausreichend guter Qualität verfügbar sind. Die Folge ist, dass bspw. bei Alterung oder Umrüstung (Stichwort: "Tuning") des Fahrzeugs die Parametrisierung nicht mehr korrekt ist. Dies führt dazu, dass die Regelungsqualität schlechter wird. Wenn ein Halter eines Fahrzeugs zum Beispiel Räder mit einem anderem Durchmesser montiert, dann stimmt die berechnete Fahrgeschwindigkeit nicht mehr mit der Realität überein, wodurch die Regelgüte schlechter wird. Auch diese Schwierigkeit wird bei manchen Ausführungsformen umgangen, da sie keine Modellparameter bzw. von dem Fahrzeug direkt abhängige Parameter (wie den Reifendurchmesser) zur Bestimmung des Fahrzustandes benötigen. Bei manchen Ausführungsformen, bei denen Fahrzeugparameter weiterhin für einen Regler notwendig sind, besteht sogar aufgrund der vollständigen Kenntnis des Fahrzustandes die Möglichkeit, Fahrzeugparameter (z.B. den Reifendurchmesser) im Fahrzeuglebenslauf durchgehend zu aktualisieren.
Bei manchen Ausführungsformen bei denen der Fahrzustand nicht nur fahrzeugbezogen sondern auch im Erdkoordinatensystem zur Verfügung steht, kann durch hinzuziehen von GPS-Kartenmaterial eine gezieltere Regelung erfolgen. Zum Beispiel kann der Regler eine verstärkte Unterstützung bereitstellen, die den Fahrer hilft das Fahrzeug wieder in Straßenlängsrichtung zu bringen. Alternativ kann bei manchen Ausführungsformen der Fahrer gewarnt werden, wenn der im Raum bekannte Fahrzustand nicht mehr der Straßenführung angepasst ist.
Bei manchen Ausführungsformen werden mögliche Filterkoeffizienten (oder Verstärkungen) situationsabhängig ausgelegt. Zum Beispiel kann die Stützung bei guter Satellitenverfügbarkeit des GPS verstärkt werden, d.h. die vom GPS erhaltene Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. Position ist besonders zuverlässig und kann folglich zeitlich oft zur Korrektur verwendet werden. Wohingegen für den Fall, dass nur sehr wenige Satelliten verfügbar sind, der betrachtete Zeitraum für das Verfahren verlängert wird, um mehrer Daten zu sammeln und das
Bewegungsgleichungssystem stärker überzubestimmen. Jeder einzelne
Stützpunkt (bspw. Geschwindigkeit direkt oder indirekt aus dem GPS-Signal oder
Raddrehzahl- oder Radgeschwindigkeitssensorsignal abgeleitet) kann mit einer angepassten Gewichtung in die Berechnung eingebracht werden - je nach dem wie zuverlässig die entsprechende Information ist.
Bei manchen Ausführungsformen kann der Anfahrvorgang sehr genau verfolgt werden, da mit der Inertialsensorik die Fahrtrichtung sofort zur Verfügung steht, so dass bspw. spezielle Raddrehzahlsensoren mit Raddrehrichtungserkennung überflüssig werden.
Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, den Zeitverzug zwischen GPS- Messung und Inertialsensorik abzugleichen, bspw. wenn die GPS- Geschwindigkeit von außen bereitgestellt wird, z.B. über eine serielle Schnittstelle eines Navigationssystems.
Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, die Qualität der berechneten Fahrdynamikgrößen zu bestimmen und diese bspw. Fahrdynamikregelsystemen als Toleranz zur Verfügung zu stellen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Erfassen von ersten Signalen über einen bestimmten Zeitraum, die auf ersten Sensorsignalen basieren, die der dreidimensionalen Beschleunigung des Fahrzeugs entsprechen; Erfassen von zweiten Signalen über den bestimmten Zeitraum, die auf zweiten Sensorsignalen basieren, die den dreidimensionalen Drehraten des
Fahrzeugs entsprechen;
Ermitteln der Fahrzustandsgrößen dreidimensionale Geschwindigkeit und/oder dreidimensionale Orientierung des Fahrzeugs durch Integration über den bestimmten Zeitraum der ersten Signale und der zweiten Signale gemäß dem Bewegungsgleichungssystem für die entsprechenden
Fahrzustandsgrößen;
Erfassen von einem oder mehreren dritten Signalen, die auf einem oder mehreren zusätzlichen dritten Sensorsignalen basieren, mit denen eine oder mehrere Komponenten der ermittelten Fahrzustandsgrößen bestimmbar sind; und
Korrigieren der ersten und zweiten Signale des bestimmten Zeitraums oder der ermittelten Fahrzustandsgrößen derart, dass die ermittelten Fahrzustandsgrößen den aus den dritten Signalen bestimmten Fahrzustandsgrößen möglichst genau entsprechen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei welchem die aus den dritten Signalen bestimmten Fahrzustandsgrößen wenigstens einer der folgenden entspricht: Beschleunigung, Geschwindigkeit, Position, Drehrate und/oder Orientierung des Fahrzeugs.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die dritten Signale unter Verwendung eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) erfasst werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die dritten Signale unter Verwendung eines Raddrehzahlsensors, eines Radgeschwindigkeitssensors, eines Radars oder eines optischen Sensors erfasst werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, bei welchem der Zeitunterschied zwischen der Bereitstellung der dritten Sensorsignale und dem Messzeitpunkt der dritten Sensorsignale berücksichtigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Berücksichtigung des Zeitunterschieds die Zuordnung der dritten Signale zu den ersten und zweiten
Signalen umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Fahrzustandsgrößen an einem ersten Punkt des Fahrzeugs ermittelt werden und basierend auf den für diesen ersten Punkt ermittelten Fahrzustandsgrößen und basierend auf bekannten Fahrzustandsgrößen eines zweiten Punktes des Fahrzeugs die relative Lage des zweiten Punktes zum ersten Punkt errechnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem aus der Abweichung zwischen der bestimmten Fahrzustandsgröße und der ermittelten Fahrzustandsgröße, ein Fehler eines ersten und/oder zweiten Sensors, von dem die ersten bzw. zweiten Sensorsignale stammen, erkannt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Fahrzustandsgrößen bei einem stabilen Fahrzustand ermittelt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zusätzlich oder als alleinige dritte Messgröße Signale erfasst werden, die auf Sensorsignalen basieren, die der Ausrichtung des Fahrzeugs relativ zum Erdmagnetfeld entsprechen.
11. Vorrichtung zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum, umfassend: eine Inertialsensorik (110,120), die ausgelegt ist, Beschleunigungssignale auszugeben, die der Beschleunigung des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, und Drehratensignale auszugeben, die den Drehraten des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen; ein Mittel (140) zum Ermitteln der Fahrzustandsgrößen dreidimensionale Geschwindigkeit und/oder dreidimensionale Orientierung des Fahrzeugs durch Integration über einen bestimmten Zeitraum der Beschleunigungssignale und der Drehratensignale gemäß dem
Bewegungsgleichungssystem für die entsprechenden Fahrzustandsgrößen; ein Mittel (130) zum Ausgeben eines oder mehrerer zusätzlicher Sensorsignale, mit denen eine oder mehrere Komponenten der ermittelten Fahrzustandsgrößen bestimmbar sind; und - ein Korrekturmittel (140) zum Korrigieren der Beschleunigungssignale und Drehratensignale des bestimmten Zeitraums oder der ermittelten Fahrzustandsgrößen derart, dass die ermittelten Fahrzustandsgrößen den aus den zusätzlichen Sensorsignalen bestimmten Fahrzustandsgrößen möglichst genau entsprechen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , bei welcher die aus den zusätzlichen Sensorsignalen bestimmten Fahrzustandsgrößen wenigstens einer der folgenden entspricht: Beschleunigung, Geschwindigkeit, Position, Drehrate und/oder Orientierung des Fahrzeugs.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei welcher das Mittel (130) zum Ausgeben eines oder mehrer zusätzlicher Sensorsignale einen GPS-Sensor umfasst.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei welcher das Mittel (130) zum Ausgeben eines oder mehrerer zusätzlicher Sensorsignale einen Raddrehzahlsensor, einen Radgeschwindigkeitssensor, ein Radar oder einen optischen Sensor umfasst.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, die zusätzlich ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10 auszuführen.
PCT/EP2008/005610 2008-07-09 2008-07-09 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des fahrzustandes eines fahrzeugs WO2010003437A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/002,923 US8666589B2 (en) 2008-07-09 2008-07-09 Device and method for determining the driving state of a vehicle
PCT/EP2008/005610 WO2010003437A1 (de) 2008-07-09 2008-07-09 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des fahrzustandes eines fahrzeugs
EP08773937.1A EP2303663B1 (de) 2008-07-09 2008-07-09 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des fahrzustandes eines fahrzeugs

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2008/005610 WO2010003437A1 (de) 2008-07-09 2008-07-09 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des fahrzustandes eines fahrzeugs

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010003437A1 true WO2010003437A1 (de) 2010-01-14

Family

ID=39774897

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2008/005610 WO2010003437A1 (de) 2008-07-09 2008-07-09 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des fahrzustandes eines fahrzeugs

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8666589B2 (de)
EP (1) EP2303663B1 (de)
WO (1) WO2010003437A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140371990A1 (en) * 2011-09-12 2014-12-18 Continental Teves Ag & Co. Ohg Sensor system comprising a vehicle model unit

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9403415B2 (en) * 2009-10-12 2016-08-02 Ford Global Technologies GPS based pitch sensing for an integrated stability control system
US8630779B2 (en) 2010-04-09 2014-01-14 Navteq B.V. Method and system for vehicle ESC system using map data
JP6094026B2 (ja) * 2011-03-02 2017-03-15 セイコーエプソン株式会社 姿勢判定方法、位置算出方法及び姿勢判定装置
EP2583854B1 (de) * 2011-10-21 2017-06-21 Volvo Car Corporation Motoranordnung
US9846174B2 (en) * 2013-07-12 2017-12-19 Roy Schwartz Computer-implemented methods and computer systems/machines for identifying dependent and vehicle independent states
JP6409346B2 (ja) * 2014-06-04 2018-10-24 株式会社デンソー 移動距離推定装置
US9886040B1 (en) * 2014-09-24 2018-02-06 Rockwell Collins, Inc. System and method for platform alignment, navigation or targeting
JP6379943B2 (ja) * 2014-09-30 2018-08-29 富士通株式会社 移動経路統合方法、装置、及びプログラム
US9650039B2 (en) * 2015-03-20 2017-05-16 Ford Global Technologies, Llc Vehicle location accuracy
JP6455380B2 (ja) * 2015-09-15 2019-01-23 株式会社デンソー 車両の運転支援装置、及び運転支援方法
DE112016006304A5 (de) 2016-01-26 2018-10-04 Pascal Munnix Verfahren zum Bestimmen eines Kippzustandes eines Fahrzeugs und Computerprogramm
JP6502984B2 (ja) * 2017-03-16 2019-04-17 株式会社Ｓｕｂａｒｕ 車両の制御装置
US10525945B2 (en) 2017-04-18 2020-01-07 Goodrich Corporation Antiskid brake control system with axle-mounted inertial sensor
CN113619589B (zh) * 2021-07-22 2022-11-15 中汽创智科技有限公司 驾驶行为信息的确定方法、装置、电子设备及存储介质

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1096230A2 (de) * 1999-10-29 2001-05-02 Visteon Global Technologies, Inc. Verfahren und Gerät zur Inertialführung für ein Fahrzeugsnavigationssystem
US6421622B1 (en) * 1998-06-05 2002-07-16 Crossbow Technology, Inc. Dynamic attitude measurement sensor and method
DE10148667C2 (de) 2001-06-14 2003-06-18 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Bestimmung einer vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit
US20030216865A1 (en) * 2002-04-12 2003-11-20 Ensco, Inc. Inertial navigation system for mobile objects with constraints
US20050065727A1 (en) * 2003-09-20 2005-03-24 Guohui Hu Low cost multisensor high precision positioning and data integrated method and system thereof
US20050234644A1 (en) * 2004-04-17 2005-10-20 Ching-Fang Lin Positioning and navigation method and system thereof
US20080091351A1 (en) * 2006-10-17 2008-04-17 Takayuki Hoshizaki GPS accuracy adjustment to mitigate multipath problems for MEMS based integrated INS/GPS navigation systems

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6449559B2 (en) * 1998-11-20 2002-09-10 American Gnc Corporation Fully-coupled positioning process and system thereof
US7193559B2 (en) * 2003-01-21 2007-03-20 Novatel, Inc. Inertial GPS navigation system with modified kalman filter
US7239949B2 (en) * 2003-02-26 2007-07-03 Ford Global Technologies, Llc Integrated sensing system
ES2238936B1 (es) * 2004-02-27 2006-11-16 INSTITUTO NACIONAL DE TECNICA AEROESPACIAL "ESTEBAN TERRADAS" Sistema y metodo de fusion de sensores para estimar posicion, velocidad y orientacion de un vehiculo, especialmente una aeronave.

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6421622B1 (en) * 1998-06-05 2002-07-16 Crossbow Technology, Inc. Dynamic attitude measurement sensor and method
EP1096230A2 (de) * 1999-10-29 2001-05-02 Visteon Global Technologies, Inc. Verfahren und Gerät zur Inertialführung für ein Fahrzeugsnavigationssystem
DE10148667C2 (de) 2001-06-14 2003-06-18 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Bestimmung einer vektoriellen Fahrzeuggeschwindigkeit
US20030216865A1 (en) * 2002-04-12 2003-11-20 Ensco, Inc. Inertial navigation system for mobile objects with constraints
US20050065727A1 (en) * 2003-09-20 2005-03-24 Guohui Hu Low cost multisensor high precision positioning and data integrated method and system thereof
US20050234644A1 (en) * 2004-04-17 2005-10-20 Ching-Fang Lin Positioning and navigation method and system thereof
US20080091351A1 (en) * 2006-10-17 2008-04-17 Takayuki Hoshizaki GPS accuracy adjustment to mitigate multipath problems for MEMS based integrated INS/GPS navigation systems

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140371990A1 (en) * 2011-09-12 2014-12-18 Continental Teves Ag & Co. Ohg Sensor system comprising a vehicle model unit

Also Published As

Publication number Publication date
US20110246020A1 (en) 2011-10-06
EP2303663A1 (de) 2011-04-06
US8666589B2 (en) 2014-03-04
EP2303663B1 (de) 2014-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2303663B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des fahrzustandes eines fahrzeugs
EP1989086B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des rollwinkels eines kraftrades
EP1885586B1 (de) Bestimmung des aktuellen gierwinkels und des aktuellen schwimmwinkels eines landfahrzeugs
DE102011008608B4 (de) Verfahren zum überwachen der ausrichtung von rädern unter verwendung von gps
EP1692026B1 (de) Verfahren und anordnung zur überwachung einer in einem radfahrzeug angeordneten messeinrichtung
EP2755868B1 (de) Ausrichtungsmodell für ein sensorsystem
DE102017102269A1 (de) Neigungs- und fehlausrichtungsausgleich für 6-dof-imu unter verwendung von gnss-/ins-daten
DE112008004200B4 (de) Fahrtroutenschätzvorrichtung und Fahrtroutenschätzverfahren, das in dieser Vorrichtung verwendet wird
DE112009000920T5 (de) Kalibrierungsalgorithmus auf der Basis eines fahrzeuginternen Sensors für Gierratensensor-Kalibrierung
DE102013208735A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln und Kompensieren eines Dejustagewinkels eines Radarsensors eines Fahrzeugs
DE102008013102A1 (de) Verfahren zur Fahrzustandsbeobachtung
DE112009002094T5 (de) Method for correction of dynamic output signals of inertial sensors having mount
DE102013213067B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Zustandsgröße einer Eigenposition eines Fahrzeugs
DE102020107349A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur dynamischen gierratenabweichungsschätzung
WO2017129199A1 (de) Verfahren zum bestimmen eines kippzustandes eines fahrzeugs und computerprogramm
DE102011086490A1 (de) Verfahren zur Bestimmung des dynamischen Abrollradius' von Reifen
WO2013127410A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des fahrzustandes eines fahrzeugs
DE102017218487A1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Inertialsensorsystems, Inertialsystem und Fahrzeug mit Inertialsystem
EP3155454B1 (de) Verfahren und system zur anpassung eines navigationssystems
DE102014016121A1 (de) Verfahren zur Bestimmung eines Höhenprofils einer Fahrbahn und Verfahren zur Bestimmung einer Fahrzeugposition
WO2021058155A1 (de) Verfahren zum ermitteln eines umfangs eines fahrzeugrads sowie kraftfahrzeug
DE10221900A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs
DE102008040240A1 (de) Fahrzeug mit einem elektronischen Steuerungssystem und Verfahren zum aktiven Korrigieren fahrdynamischer Eigenschaften
DE10247994B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Fahrdynamikregelung
EP3583387B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum erkennen eines stillstands eines fahrzeugs

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08773937

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13002923

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008773937

Country of ref document: EP