WO2010046166A1 - Fahrdynamikregler mit schräglaufwinkelbasiertem lenkeingriff - Google Patents

Fahrdynamikregler mit schräglaufwinkelbasiertem lenkeingriff Download PDF

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WO2010046166A1
WO2010046166A1 PCT/EP2009/061028 EP2009061028W WO2010046166A1 WO 2010046166 A1 WO2010046166 A1 WO 2010046166A1 EP 2009061028 W EP2009061028 W EP 2009061028W WO 2010046166 A1 WO2010046166 A1 WO 2010046166A1
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slip angle
vehicle
dynamics controller
calculated
angle
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PCT/EP2009/061028
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Inventor
Frank Niewels
Peter Ziegler
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D6/00—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits
    • B62D6/002—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits computing target steering angles for front or rear wheels
    • B62D6/003—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits computing target steering angles for front or rear wheels in order to control vehicle yaw movement, i.e. around a vertical axis

Definitions

  • the invention relates to a method for performing a steering intervention in a vehicle oversteer or understeer according to the preamble of patent claim 1, as well as a vehicle dynamics controller according to the preamble of patent claim 7.
  • Known driving dynamics controllers are used to assist the driver in critical driving situations in which the vehicle oversteer or understeer, for example, and to stabilize the vehicle.
  • a large part of the driving dynamics controller on the market uses the vehicle brakes for this purpose.
  • Other vehicle dynamics controllers can also intervene in the steering of the vehicle.
  • yaw-rate based systems typically do not achieve the maximum possible cornering force.
  • FIG. 1 shows a typical lateral force curve of a tire as a function of the slip angle ⁇ and the wheel slip ⁇ .
  • the slip angle is the angle between the longitudinal axis and the direction of movement of the tire.
  • the maximum cornering force at a slip angle of ⁇ is about 10 degrees (greater than about 0.1 for wheel slip).
  • the aim of a driving dynamics controller is now to adjust the slip angle to the value of the maximum cornering force in order to stabilize the vehicle as optimally as possible.
  • Known vehicle dynamics controllers usually estimate the slip angle using a model. However, this model-based estimate is relatively inaccurate, so that optimal stabilization of the vehicle is not possible. Lack of knowledge of the exact slip angle, the driving behavior by the
  • An essential aspect of the invention is to measure the longitudinal and lateral speeds of a vehicle by means of a sensor, and to calculate the slip angle ⁇ based on these measurements. This results in a very accurate value of the current slip angle, which can be used by the vehicle dynamics controller in the event of intervention as an actual value. In a critical driving situation, it is now possible to set the slip angle precisely to the desired setpoint. The calculated slip angle serves as a reference.
  • Velocity measured values first calculated the float angle of the vehicle and then determined on the basis of the slip angle ß the slip angle.
  • the sensors for measuring the longitudinal and transverse speeds preferably comprise three acceleration and yaw rate sensors, from whose signals the movement of the vehicle in space can be completely mapped.
  • the slip angle ⁇ of the steered wheels is preferably calculated as a function of the slip angle ⁇ , the yaw rate (d ⁇ / dt) and the steering angle ⁇ .
  • the variables mentioned are preferably measured or estimated by means of appropriate sensors.
  • l v is the distance of the vehicle center of gravity to the front axle.
  • a driving dynamics controller can now be used e.g. in a driving situation in which the vehicle is understeering, adjust the steered wheels so that their cornering force is maximally possible.
  • the drive or brake slip of the steered wheels is preferably taken into account, since the slip angle characteristic curve (FIG. 1) strongly depends on the wheel slip.
  • the wheel slip can z. B. derived from the wheel speeds in relation to the vehicle speed.
  • a safety margin is added to the optimum target skew angle. This ensures that the desired slip angle is never smaller than the slip angle with maximum cornering force.
  • z. B a warning to the driver, such. B: an optical or audible signal to be output.
  • Figure 1 shows a typical course of the cornering force of a tire as a function of the slip angle and the wheel slip.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a vehicle dynamics controller with steering intervention
  • FIG. 3 shows a flowchart with the essential method steps of a method for calculating the slip angle of the wheels.
  • Fig. 2 shows a schematic block diagram of a vehicle dynamics controller, which can intervene by means of a steering actuator 4 in the steering of the vehicle.
  • the vehicle dynamics controller can be used both for electric steering systems with mechanical coupling between the steering wheel and the steered wheels, z. EPS, as well as electrically controlled superposition steering systems, e.g. AFS, used in which the steering angle can be changed regardless of the steering wheel position.
  • AFS electrically controlled superposition steering systems
  • the overall system comprises a control unit 1, in which the actual control algorithm 3 is stored as software.
  • the control unit 1 is connected to a sensor 2 for measuring the longitudinal and transverse speed of the vehicle.
  • the sensor 2 may, for example, comprise an optical or radar-based sensor which directly measures the speed over ground.
  • a GPS-based system that determines the vehicle speed from GPS data would also be possible.
  • a particularly simple and cost-effective solution comprises three acceleration and rotation rate sensors, from whose signals the movement of the vehicle in the room can be completely mapped.
  • the FDR algorithm 3 processes the sensor signals (step 5 of FIG. 3) and calculates the slip angle of the vehicle from the longitudinal vx and lateral velocity vy (step 6).
  • Beta arctan (vy / vx).
  • the slip angle ⁇ of the wheels can now be calculated.
  • For the slip angle ⁇ is simplified:
  • d ⁇ / dt is the measured yaw rate
  • Iv the distance of the vehicle center of gravity to the front axle
  • V x the distance of the vehicle center of gravity
  • Cornering force is maximum.
  • the vehicle dynamics controller 3 would engage in the steering and reset the steered wheels so far that the cornering force of the tires is as high as possible.
  • the slip angle is preferably not set to the actually optimal value at maximum cornering force, but to an angle which is slightly greater than the optimum value in the characteristic curve of FIG the slip angle is too small and the tire may unnecessarily lose cornering power.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines Lenkeingriffs bei einem über- oder untersteuernden Fahrzeug. Der Schräglaufwinkel der gelenkten Räder kann sehr genau berechnet werden, wenn die Längs- und Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs mittelsentsprechender Sensoren (2) gemessen und der Schräglaufwinkel basierend auf den Messwerten berechnet wird. In einer kritischen Fahrsituation nutzt ein Fahrdynamikregler den berechneten Wert, um abhängig davon einen Soll-Schräglaufwinkel einzustellen.

Description

Beschreibung
Titel
Fahrdynamikreqler mit schräglaufwinkelbasiertem Lenkeingriff
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines Lenkeingriffs bei einem über- oder untersteuernden Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie einen Fahrdynamikregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Bekannte Fahrdynamikregler dienen dazu, den Fahrer in kritischen Fahrsituationen, in denen das Fahrzeug beispielsweise über- oder untersteuert, zu unterstützen und das Fahrzeug zu stabilisieren. Ein großer Teil der auf dem Markt befindlichen Fahrdynamikregler nutzt hierzu die Fahrzeugbremsen. Andere Fahrdynamikregler können zusätzlich in die Lenkung des Fahrzeugs eingreifen. Um ein untersteuerndes Fahrzeug, das der Lenkvorgabe des Fahrers nicht mehr folgen kann, wieder zu stabilisieren, ist es z. B. bekannt, die gelenkten Räder in eine Stellung zu bringen, in der sie eine höhere Seitenführungskraft aufnehmen können als dies ohne Korrektur der Fall wäre. Allerdings wird bei gierratenbasierten Systemen üblicherweise nicht das mögliche Maximum an Seitenführungskraft erreicht.
Figur 1 zeigt einen typischen Seitenkraftverlauf eines Reifens in Abhängigkeit vom Schräglaufwinkel α und dem Radschlupf λ. Der Schräglaufwinkel ist dabei der Winkel zwischen der Längsachse und der Bewegungsrichtung des Reifens. Wie zu erkennen ist, liegt in diesem Beispiel das Maximum der Seitenführungskraft bei einem Schräglaufwinkel von α ungefähr 10 Grad (bei einem Radschlupf größer als etwa 0,1 ). Ziel eines Fahrdynamikreglers ist es nun, den Schräglaufwinkel auf den Wert der maximalen Seitenführungskraft einzustellen, um das Fahrzeug möglichst optimal stabilisieren zu können. Bekannte Fahrdynamikregler schätzen den Schräglaufwinkel üblicherweise mit Hilfe eines Modells. Diese modellbasierte Schätzung ist jedoch relativ ungenau, so dass eine optimale Stabilisierung des Fahrzeugs nicht möglich ist. Mangels Kenntnis des genauen Schräglaufwinkel kann das Fahrverhalten durch den
Lenkeingriff des Fahrdynamikreglers u. U. sogar negativ beeinflusst werden. Bei einem untersteuernden Fahrzeug, bei dem der Fahrer die Lenkung zu stark eingeschlagen hat, ist es z. B. sehr kritisch, den Lenkwinkel im Rahmen einer Fahrdynamikregelung zu reduzieren, da die Räder möglicherweise so weit zurückgelenkt werden könnten, dass die Seitenführungskraft unnötig abnimmt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fahrdynamikregler zu schaffen, der eine genauere Einstellung des Lenkwinkels der Räder ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 sowie im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die Längs- und Quergeschwindigkeit eines Fahrzeugs mit Hilfe einer Sensorik zu messen, und den Schräglaufwinkel α basierend auf diesen Messwerten zu berechnen. Daraus ergibt sich ein sehr genauer Wert des aktuellen Schräglaufwinkels, der vom Fahrdynamikregler im Falle eines Eingriffs als Istwert genutzt werden kann. In einer kritischen Fahrsituation ist es nun möglich, den Schräglaufwinkel präzise auf den gewünschten Sollwert einzustellen. Der berechnete Schräglaufwinkel dient dabei als Referenzgröße.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aus den
Geschwind ig keits-Messwerten zunächst der Schwimmwinkel des Fahrzeugs berechnet und dann auf Basis des Schwimmwinkels ß der Schräglaufwinkel bestimmt. Der Schwimmwinkel ß wird vorzugsweise gemäß DIN 70.000 : Beta = arctan (vy/vx) bestimmt, wobei vy die Quergeschwindigkeit und vx die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs sind. Die Sensorik zum Messen der Längs- und Quergeschwindigkeit umfasst vorzugsweise drei Beschleunigungs- und Drehratensensoren, aus deren Signalen die Bewegung des Fahrzeugs im Raum vollständig abgebildet werden kann.
Der Schräglaufwinkel α der gelenkten Räder wird vorzugsweise in Abhängigkeit vom Schwimmwinkel ß, der Gierrate (dψ/dt) und dem Lenkwinkel δ berechnet. Die genannten Größen werden vorzugsweise mittels entsprechender Sensoren gemessen oder geschätzt. Für den Schräglaufwinkel oc gilt beispielsweise:
α = ß + -^ - δ
"x
Dabei ist lv der Abstand des Fahrzeugschwerpunkts zur Vorderachse.
Mit Kenntnis des Schräglaufwinkels α kann nun ein Fahrdynamikregler z.B. in einer Fahrsituation, in der das Fahrzeug untersteuert, die gelenkten Räder so einstellen, dass deren Seitenführungskraft möglichst maximal ist.
Bei der Wahl des optimalen Schräglaufwinkels wird vorzugsweise der Antriebsoder Bremsschlupf der gelenkten Räder berücksichtigt, da die Schräglaufwinkel- Kennlinie (Fig. 1 ) stark vom Radschlupf abhängt. Der Radschlupf kann z. B. aus den Raddrehzahlen im Verhältnis zur Fahrzeuggeschwindigkeit abgeleitet werden.
Da der Schräglaufwinkel auch mit Hilfe der Geschwindigkeitsmessung nie ganz genau bestimmt werden kann und außerdem der optimale Schräglaufwinkel nicht exakt bekannt ist, wird zu dem optimalen Soll-Schräglaufwinkel vorzugsweise ein Sicherheitszuschlag hinzu addiert. Damit ist sichergestellt, dass der Soll- Schräglaufwinkel nie kleiner ist als derjenige Schräglaufwinkel mit maximaler Seitenführungskraft.
Um den Fahrer darauf aufmerksam zu machen, dass der aktuell gewählte Lenkradwinkel für die gegebene Fahrsituation zu groß ist, kann z. B. eine Warnung an den Fahrer, wie z. B: ein optisches oder akustisches Signal, ausgegeben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen typischen Verlauf der Seitenführungskraft eines Reifens in Abhängigkeit vom Schräglaufwinkel und dem Radschlupf;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild eines Fahrdynamikreglers mit Lenkeingriff; und
Fig. 3 ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Berechnen des Schräglaufwinkels der Räder.
Ausführungsformen der Erfindung
Bezüglich der Erläuterung von Fig. 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Fahrdynamikreglers, der mit Hilfe eines Lenkstellers 4 in die Lenkung des Fahrzeugs eingreifen kann. Der Fahrdynamikregler kann sowohl für elektrische Lenksysteme mit mechanischer Kopplung zwischen Lenkrad und den gelenkten Rädern, z. B. EPS, als auch für elektrisch gesteuerte Überlagerungslenksysteme, z.B. AFS, verwendet werden, bei denen der Lenkwinkel unabhängig von der Lenkradstellung verändert werden kann.
Das Gesamtsystem umfasst ein Steuergerät 1 , in dem der eigentliche Regelalgorithmus 3 als Software hinterlegt ist. Das Steuergerät 1 ist mit einer Sensorik 2 zum Messen der Längs- und Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs verbunden. Die Sensorik 2 kann beispielsweise einen optischen oder radarbasierten Sensor umfassen, der direkt die Geschwindigkeit über Grund misst. Möglich wäre auch ein GPS-basiertes System, das aus GPS-Daten die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt. Eine besonders einfache und kostengünstige Lösung umfasst drei Beschleunigungs- und Drehratensensoren, aus deren Signalen die Bewegung des Fahrzeugs im Raum vollständig abgebildet werden kann. Der FDR-Algorithmus 3 verarbeitet die Sensorsignale (Schritt 5 von Fig. 3) und berechnet aus der Längs- vx und Quergeschwindigkeit vy den Schwimmwinkel des Fahrzeugs (Schritt 6). Für den Schwimmwinkel ß gilt: Beta = arctan (vy/vx). Aus dem Schwimmwinkel ß und weiteren Größen kann nun der Schräglaufwinkel α der Räder berechnet werden. Für den Schräglaufwinkel α gilt vereinfacht:
α = ß + ^ - δ V
Dabei ist dψ/dt die gemessene Gierrate, δ ein gemessener Lenkwinkel, Iv der Abstand des Fahrzeugschwerpunkts zur Vorderachse und Vx die
Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Der Schräglaufwinkel α der Räder kann somit in Schritt 7 relativ genau bestimmt werden.
Mit Kenntnis des Schräglaufwinkels α ist es nun möglich, die gelenkten Räder in einer kritischen Fahrsituation in eine Position zu stellen, in der die
Seitenführungskraft maximal ist. In einer Fahrsituation, in der das Fahrzeug beispielsweise untersteuert, würde der Fahrdynamikregler 3 in die Lenkung eingreifen und die gelenkten Räder so weit zurückstellen, dass die Seitenführungskraft der Reifen möglichst hoch ist.
Wegen der starken Abhängigkeit der Reifenkennlinien vom Radschlupf λ wird der Schräglaufwinkel vorzugsweise nicht auf den eigentlich optimalen Wert bei maximaler Seitenführungskraft eingestellt, sondern auf einen Winkel, der etwas größer ist als der optimale Wert in der Kennlinie von Fig. 1. Dadurch wird verhindert, dass der Schräglaufwinkel zu klein ist und der Reifen ggf. unnötig an Seitenführungskraft verliert.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Durchführen eines Lenkeingriffs bei einem über- oder untersteuernden Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Längs- und Quergeschwindigkeit eines Fahrzeugs mit Hilfe einer Sensorik (2) gemessen und der Schräglaufwinkel (α) basierend auf diesen Messwerten berechnet wird, und dass ein Fahrdynamikregler (3) unter Berücksichtigung des berechneten Schräglaufwinkel (α) einen Soll-Schräglaufwinkel an den gelenkten Rädern einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Schräglaufwinkel der Räder auf einen Wert eingestellt wird, bei dem die Seitenführungskraft im Wesentlichen maximal ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schräglaufwinkel der Räder auf einen Wert eingestellt wird, der etwas größer ist als ein theoretisch optimaler Wert, bei dem die Seitenführungskraft der Räder maximal ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Geschwind ig keits-Messwerten ein Schwimmwinkel (ß) berechnet wird, und der Schräglaufwinkel (α) der Räder basierend auf dem Schwimmwinkel (ß) berechnet wird.
5. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmwinkel (ß) gemäß Beta = arctan (vy/vx) bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schräglaufwinkel (α) basierend auf dem Schwimmwinkel (ß), der Gierrate (dψ/dt) und dem Lenkwinkel (δ) berechnet wird.
7. Fahrdynamikregler, der in einer kritischen Fahrsituation einen Lenkeingriff ausführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrdynamikregler (3) mit einer Sensorik (2) zum Messen der Längs- und Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs verbunden ist und basierend auf den Geschwind ig keits-Messwerten einen Schräglaufwinkel (α) berechnet, und dass der Fahrdynamikregler (3) unter Berücksichtigung des berechneten Schräglaufwinkels (α) einen SoII- Schräglaufwinkel an den gelenkten Rädern einstellt.
8. Fahrdynamikregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll- Schräglaufwinkel ein Wert ist, bei dem die Seitenführungskraft im Wesentlichen maximal ist.
9. Fahrdynamikregler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Schräglaufwinkel ein Wert ist, der etwas größer ist als ein theoretisch optimaler Wert, bei dem die Seitenführungskraft maximal ist.
10. Fahrdynamikregler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik einen Radarsensor, GPS-basierte Sensoren und/oder Drehraten- und Beschleunigungssensoren umfasst.
11. Fahrdynamikregler nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrdynamikregler (3) Drehraten- und
Beschleunigungssensoren umfasst, mit denen Drehbewegungen und Beschleunigungen des Fahrzeugs in sämtlichen Raumachsen gemessen werden können.
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