WO2013127410A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des fahrzustandes eines fahrzeugs - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des fahrzustandes eines fahrzeugs Download PDF

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WO2013127410A1
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measurement sensor
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Pascal Munnix
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
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    • B60T2230/00—Monitoring, detecting special vehicle behaviour; Counteracting thereof
    • B60T2230/06—Tractor-trailer swaying

Definitions

  • the invention relates generally to devices and methods for detecting the driving condition of a vehicle, and more particularly to a method, kit or retrofit kit and vehicle control system for determining the driving condition of a vehicle.
  • 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 motion variables and driving state parameters are known, the better and more reliable can basically the driving state be determined and the more effective and safer can be counteracted unwanted 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.
  • wheel steering angle is the angle between a front wheel and the vehicle's longitudinal direction.
  • the rack stroke i. a transverse movement of the rack in the steering gear of a vehicle, or the Lenkgetrieberitzelwinkel, i. the steering angle at the steering gear input, or the driving steering angle measured.
  • the driving steering angle is the angle of rotation of the steering column, which in turn is identical to the pinion angle except for the steering column twisting by steering torque or control engagement of an active steering.
  • the measured steering angle can be converted into the wheel steering angle via a characteristic curve.
  • the vehicle control systems then take measures to reduce the actual yaw rate.
  • the vehicle control systems then take measures to increase the actual yaw rate or to reduce the target yaw rate, for example, by slowing the vehicle.
  • the sensors are designed in such a way that measurement errors can be reliably detected and, on the other hand, the steering angle values are sent to the control unit by means of saved messages, for example via CAN or FlexRay.
  • Retrofitting a steering angle sensor is usually very expensive.
  • Today's vehicles offer little room on the steering column to retrofit a steering angle sensor. Even if a seat is found, the limited space on the steering column usually results in a very special solution being developed for the vehicle involved.
  • steering angle sensors usually can not be transferred from one vehicle to another. For this reason, it is often complicated and expensive to retrofit ESP systems with a steering angle sensor accordingly.
  • the invention provides a method for determining the driving state of a vehicle, the method comprising the steps of: detecting first measurement signals of a first inertial measurement sensor system, wherein the first inertial measurement sensor system is arranged in a first region of the vehicle so that it does not perform a relative movement to the first region of the vehicle, and wherein the first measurement signals correspond to at least one acceleration component in three-dimensional space and / or at least one yaw rate component of the first inertial measurement sensor system in the first region of the vehicle in three-dimensional space; Detecting second measurement signals of a second inertial measurement sensor system, wherein the second inertial measurement sensor system is arranged in a second region of the vehicle, which is movable relative to the first region of the vehicle, wherein it is arranged such that that it does not perform a relative movement to the second area of the vehicle, and wherein the second measurement signals correspond to at least one acceleration component in three-dimensional space and / or at least one rotational rate component of the second inertial
  • the invention provides a kit for a vehicle for determining a relative orientation between a first and a second region of the vehicle, which are movable relative to each other, comprising: a first inertial measurement sensor for arranging in the first region of the vehicle, which is designed to output first measurement signals which correspond to at least one acceleration component in three-dimensional space and / or at least one yaw rate component of the first inertial measurement sensor system in the first area of the vehicle in three-dimensional space, wherein the first inertial measurement sensor system is attachable in the first area of the vehicle, that it does not make a relative movement to the first area of the vehicle; a second inertial measurement sensor system for arranging in the second region of the vehicle, the second region being movable relative to the first, wherein the second inertial measurement sensor is configured to output second measurement signals representing at least one acceleration component in three-dimensional space and / or at least one yaw rate component second inertial measurement sensor in the second region of the vehicle in three-dimensional space correspond,
  • the present invention provides a vehicle control system, comprising: a first inertial measurement sensor for arranging in a first region of the vehicle, which is configured to output first measurement signals, the at least one acceleration component in three-dimensional space and / or at least one yaw rate component of first inertial measurement sensor system in the first region of the vehicle in three-dimensional space correspond, wherein the first inertial measurement sensor in the first region of the vehicle is attachable so that it does not perform relative movement to the first region of the vehicle; a second inertial measurement sensor system for arranging in a second region of the vehicle, the second region being movable relative to the first, wherein the second inertial measurement sensor system is adapted to output second measurement signals, the at least one acceleration component in three-dimensional space and / or a yaw rate component of the second inertial measurement sensors in the second region of the vehicle in three-dimensional space correspond, wherein the second inertial measurement sensor in the second region of the vehicle is attachable so that it does not perform relative movement to
  • Figure 1 is a schematic representation of vehicle movement variables and inertial measurement systems in a vehicle
  • FIG. 2 is a flowchart of a method according to an embodiment
  • Figure 3 is a schematic representation of the components of a measuring sensor according to an embodiment.
  • Fig. 1 illustrates the driving condition of a vehicle.
  • vehicle dynamics control systems require the most accurate possible knowledge of the driving state of a vehicle.
  • Important quantities here are e.g. the vehicle longitudinal speed (for wheel slip control of ABS, ASR and ESP), the slip angle (for lateral dynamics control, for example for the ESP), the roll angle (for rollover prevention) or the road gradient (better ASR function).
  • vehicle dynamics control systems typically require the wheel steering angle as the input to the control, i. the angle between a front wheel and the vehicle's longitudinal direction. It is known that the wheel steering angle determined by the above-mentioned measurement of the rack stroke, the Lenkgetrieberitzelwinkels or the driver's steering angle. The measured steering angle can be converted into the wheel steering angle via a characteristic curve.
  • steering angle sensors are constructed so that measurement errors can be surely detected.
  • steering angle values can be sent to a control device in a vehicle using secured messages, for example via a CAN or FlexRay.
  • An inertial measuring system or an inertial measuring sensor system clamps a three-dimensional inertial system and can record measuring signals in the x, y and z directions and thereby measure accelerations, rotation rates or other quantities of motion in three-dimensional space.
  • a first inertial measuring system is firmly connected to the vehicle at a first location and can not perform any relative movement at the attachment point to the vehicle.
  • a second inertial measuring system is arranged at a second location of the vehicle so that it can not perform a relative movement to the second location of the vehicle. This second place is, for example, the steering wheel or the steering column.
  • the second location may also be, for example, in a trailer so that the angle between the trailer and a towing vehicle may be determined. If the first position of the vehicle moves relative to the second or the second position (eg trailer) to the first (eg towing vehicle), the two measuring sensor systems move accordingly and the relative movement in between can be determined. From a data comparison of the measurement signals supplied by both inertial measurement systems, a relative orientation, which can be described by one or more relative angles between the inertial measurement systems, can be determined. This then, for example, the steering angle can be determined.
  • a method for determining the driving condition of a vehicle includes a plurality of steps that are described below.
  • 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.
  • First measuring signals are detected by a first inertial measuring sensor.
  • the first inertial measurement sensor system is arranged (fixed) in a first region of the vehicle in such a way that it does not make any relative movement to the vehicle or to the first region of the vehicle.
  • This first area can be anywhere in the vehicle.
  • the measurement sensor (fixed) is attached to the vehicle body, e.g. screwed.
  • the first measurement signals comprise signals which correspond to at least one three-dimensional acceleration component and / or one three-dimensional angular rate component of the first inertial measurement sensor system in the first region of the vehicle.
  • the three-dimensional acceleration component corresponds to a component of a three-dimensional acceleration (rotation rate) in a three-dimensional space, which is defined, for example, by the coordinate system (inertial system) of the first inertial measurement sensor system.
  • the three-dimensional acceleration (rotation rate) of the first measurement sensor system can be completely described in the three-dimensional coordinate system of the first measurement sensor system.
  • the measured acceleration components and yaw rate components also correspond to those of the vehicle or the first area of the vehicle to which the first measurement sensor system is connected.
  • a transformation of the acceleration values that are output by the measurement sensor system, made in the coordinate system of the vehicle or a transformation is made to a specific point of the vehicle.
  • the coordinate system can, for example, have its origin at the point where the measuring sensor system is also connected to the vehicle.
  • the coordinate system can also be located elsewhere in the vehicle, for example on the steering column.
  • This transformation is required in some embodiments because, although the rotation rates determined with the measurement sensor system correspond exactly to the rotation rates of the vehicle, this is not the case for the acceleration values.
  • the acceleration value i. in this case, the centrifugal acceleration value
  • the acceleration value determined by the measuring sensor system also depends on how far away the sensor is from a rotation axis. Accordingly, in some embodiments where high result accuracy is required, conversion of the individual acceleration values (e.g., three-dimensional acceleration values) to a particular (common) point is required. This point can be located in the measurement sensor or in a corresponding area of the vehicle.
  • second measurement signals are detected by a second inertial measurement sensor.
  • the second inertial measurement sensor is arranged in a second region of the vehicle (fixed), which is movable relative to the first region of the vehicle.
  • the second inertial measuring sensor system can be attached in the second region in such a way that it can not perform a relative movement to the second region.
  • This second area is, for example, the steering column or the steering wheel of the vehicle.
  • the second area is, for example, a trailer and the first area is in a towing vehicle of the trailer.
  • the second area may be arranged on a wheel of a vehicle.
  • the second measurement signals correspond to at least one three-dimensional acceleration component and / or at least one three-dimensional yaw rate component of the second inertial measurement sensor system in the second region of the vehicle, such as the steering wheel, the steering column, the trailer or the wheel or the like.
  • the three-dimensional acceleration component corresponds to a component of a three-dimensional acceleration (rotation rate) in a three-dimensional space, which is defined, for example, by the coordinate system (inertial system) of the second inertial measurement sensor system.
  • the three-dimensional acceleration (rotation rate) of the second measurement sensor system can be described completely in the three-dimensional coordinate system of the second measurement sensor system.
  • first inertial measurement sensor system in the first region and the second one in the second region can be attached in such a way that they do not move relative to the first or second region of the vehicle, the first and second inertial measurement sensors move in the same relative to each other first and second areas of the vehicle move relative to each other.
  • the first / second measurement signals correspond to one, two, or three acceleration and / or yaw rate components.
  • the first measurement signals correspond to the (full) three-dimensional acceleration and / or the (complete) three-dimensional yaw rate of the first measurement sensor in the first area of the vehicle and / or the second measurement signals correspond to the (full) three-dimensional acceleration and / or the (full ) Three-dimensional rotation rate of the second measuring sensors in the second area of the vehicle.
  • the relative orientation can be described, for example, by one or more relative angles between the first and second measuring sensors or their inertial systems.
  • the relative angles are, for example, the angles with which the one inertial system can be rotated so that its x, y and z axes are parallel to the x, y or z axis of the other inertial system. Accordingly, in some embodiments, one, two, or more relative angles are determined to describe the relative orientation.
  • a functional relationship between the movement of the first inertial measurement sensor system and the movement of the second inertial measurement sensor system is determined.
  • This functional relationship is determined once in some embodiments and is then, for example, fixed in a procedure specified in which constantly the current relative orientation is determined.
  • the first and second measurement signals are evaluated, and based on this evaluation result, the relative orientation of the two inertial measurement sensor systems is determined relative to one another.
  • a relative angle such as a wheel steering angle, or multiple relative angles, such as wheel steering angle and pitch angle of a steering column, may be determined.
  • the wheel steering angle is determined from the relative angle via a vehicle-specific characteristic. As mentioned, the movements of the associated areas of the vehicle are measured in both inertial measuring sensor systems.
  • the determination of the functional relationship or Evaluation of the first and second measurement signals a transformation of the movement of the first inertial measurement sensor or the first region in the first coordinate system of the first inertial measurement sensor in the coordinate system of the second inertial measurement sensor or in the movement of the second region of the vehicle in the coordinate system of the second inertial measurement sensor ,
  • a first transformation as described above, in which the acceleration values of the (first) measuring sensor system are transformed to a specific (first) point, for example on the vehicle
  • a second transformation in which, as just described, the measuring signals of the (first) Measuring sensors are transformed into the coordinate system of the other (second) measuring sensors.
  • the corresponding motion equation systems for the first and the second inertial measurement sensors are set up and, for example, released on the basis of the respective measurement signals.
  • the degrees of freedom of movement of the first and / or second regions of the vehicle are determined. Together with the determined degrees of freedom of movement of the areas then a system of equations of motion is set up. This equation system is constructed as a filter in some embodiments. By solving the motion equation system based on the first and second measurement signals, one obtains, for example, the relative angle of the two measurement sensor systems.
  • the motion equation system can be overdetermined.
  • the integration despite standard design in a variety of vehicles is possible, for example, by very small dimensions. Furthermore, a provides a high quality - or at least sufficiently qualitative - signal that simultaneously fulfills the above-mentioned high safety requirements.
  • a vehicle speed and a wheelbase of the vehicle are determined, and a target yaw rate is determined based on the wheel steering angle, vehicle speed, and wheelbase.
  • the predetermined target yaw rate is compared to a measured actual yaw rate.
  • An oversteer of the vehicle is determined if the actual yaw rate is greater in magnitude than the desired yaw rate.
  • a vehicle control system can then, for example, intervene accordingly to counteract the oversteer.
  • Understeer is determined when the actual yaw rate is smaller in magnitude than the target yaw rate. In this case, the vehicle control system controls the sub-control accordingly.
  • the second area of the vehicle has only one degree of freedom of movement relative to the first area.
  • the step of determining the relative orientation comprises evaluating a, for example, overdetermined, motion equation system which is solved based on the first and second measurement signals.
  • a, for example, overdetermined, motion equation system which is solved based on the first and second measurement signals.
  • at least two relative angle values can be determined redundantly and these can be compared with one another and / or provide, for example, a higher accuracy of the relative angle value by averaging.
  • the steering column normally has only one degree of freedom relative to the vehicle, but in some embodiments, because of the existing measurement signals of the first and second inertial measurement sensor systems, several equations of motion can be set up, the equation of motion system is overdetermined in such cases.
  • the steering angle value thus, it can be determined from several equations of motion and is thus available redundantly for security checking.
  • a security check is made as to whether the determined relative orientation is faulty or not.
  • the individual equations of motion of the overdetermined motion equation system do not yield the same result, then in some embodiments this means that the measured values of the inertial measurement sensor systems are not compatible with one another and are therefore at least partially faulty. Because the steering angle can be determined redundantly with this method, a very high signal security is achieved.
  • all three orientation angles of the steering column are determined to check the steering angle and then it is checked whether all angles are within a valid range. For example, if the result of the computation reveals a steering column directed to the sky, then the result must be discarded because the vehicle's design data dictate that the steering column will point at a defined angle down to the front axle of the vehicle. If the steering column is adjustable, a corresponding angular range is defined in which the steering column may point in the direction of the front axle.
  • the measured quantities (measurement signals) and / or the relative angle (s) are used as input variables for a control system for the vehicle. If erroneous relative angles or measured variables were used for the regulation of the vehicle, this could lead to a faulty regulation and thus to a driving instability of the vehicle, which should be avoided. In some embodiments, just enough equations are used to determine the orientation, ie, the equation system is not overdetermined.
  • the measurement signals or measured values are transformed from one measurement sensor system (for example the second one) into the coordinate system of the other measurement sensor system (for example the first one) and then it is checked whether the measurement signals agree. If significant deviations are detected, the measurement signals and the relative angles determined from them are discarded, so that the erroneous values, as stated, do not lead to errors in the regulation of the vehicle.
  • any number of equations are set up or they are all used to transform the measurement signals from one coordinate system to another and to compare the measurement signals with one another.
  • the measurement signals are thus checked in terms of their quality in such embodiments in that all measurement signals of a sensor - are transformed - with the determined relative orientation - in the coordinate system of the other sensors. If the procedure worked without error, then there is agreement of all measured values. If there are significant deviations, then there is an error that leads to appropriate action, such as discarding the measurements.
  • the relative orientation between the two inertial measuring sensors is determined only once relative to one another.
  • the first measurement signals can be converted into the coordinate system of the second measurement sensor system and the first and second measurement signals can be compared with one another, without the relative angle having to be determined for each set of new measurement signals. For example, then the first and second measuring signals do not agree (within certain limits), the measuring signals and / or the associated relative angle are discarded.
  • the first and second measurement signals can be compared with one another.
  • the first and second measurement signals are redundant to each other and in case of deviations of the first and second measurement signals from each other beyond a tolerance threshold, for example, it can be determined that the measurement signals are faulty and consequently can no longer be used for a vehicle control system. Accordingly, they and variables derived therefrom, such as the relative orientation, are discarded.
  • these deviations can be compensated for (for example by long-term filters).
  • the deviations of the first and second measurement signals from each other are also compared with other available model sizes, which are known, for example, in the vehicle control system of the vehicle, to improve the safety and quality of the measurement signals and thus also the quality and safety of a vehicle control system ,
  • the measurement signals are calibrated so as to reduce the deviations of the first and second measurement signals from each other.
  • the signal profile of the first and / or second measurement signals or of the relative angle values is evaluated.
  • a sinusoidal curve can signal the swinging of a trailer. Due to the frequency, the amplitude and / or the phase position of the vibration then appropriate countermeasures can be taken for example by the vehicle control system (braking the towing vehicle, corresponding countersteer, warning signal, etc.).
  • a comparison of the at least two relative angle values determined from the equations of motion is generally performed. If the two relative angle values have a deviation from each other which is above a threshold value, an error condition is generally determined.
  • kits for a vehicle for determining a relative orientation, such as an angle or relative angle, between a first and a second region of the vehicle which are movable relative to each other.
  • the kit or retrofit kit can be retrofitted in existing vehicles to provide a corresponding angle measurement, such as the Radlenkwinkelwert or the like. (Subsequent) available.
  • the kit or retrofit kit is already in the production of the vehicle in the vehicle, for example. Built as part of an original equipment, installed in others only after completion of the vehicle.
  • the incorporation may also be done in some embodiments to assist and improve a measurement accuracy of a system that determines a relative orientation between two vehicle areas and, for example, determines a wheel steering angle, or added as redundancy to an already existing system, such as redundantly to a wheel steering angle determine and thus be able to detect errors or increase the accuracy of measurement.
  • the kit comprises a first inertial measurement sensor system for arranging in the first region of the vehicle, which is designed to output first measurement signals, the at least one acceleration component in three-dimensional space and / or at least one rotation rate component of the first inertial measurement sensor system in the first region of the vehicle in three-dimensional space wherein the first inertial measurement sensor in the first region of the vehicle is attachable so that it does not make a relative movement to the vehicle.
  • the kit has a second inertial measurement sensor system for arranging in the second region of the vehicle, wherein the second region is movable relative to the first, wherein the second inertial measurement sensor is adapted to output second measurement signals, the at least one acceleration component in three-dimensional space and / or at least one rotation rate component of the second inertial measurement sensor system in the second region of the vehicle in three-dimensional space, wherein the second inertial measurement sensor in the second region of the vehicle is attachable so that it does not perform relative movement to the second region of the vehicle.
  • An evaluation unit evaluates the signals of the first and second inertial measuring sensors and determines a relative orientation, in particular one or more relative angles, between the first and the second inertial measuring sensors, for example with the aid of the method steps described above.
  • the kit is, for example, designed for a steering system of a vehicle.
  • the first inertial measurement sensor system is, for example, designed to be attached to the body of the vehicle in such a way that it can not make any relative movement to the vehicle or to the body of the vehicle.
  • the second inertial measuring sensor is, for example, in a region of the steering system attachable and the evaluation determines a steering angle of the vehicle, as described above.
  • the second measuring sensor is, for example, attachable to a steering wheel or to a steering column of the steering system.
  • the kit is configured for a vehicle having a towing vehicle and a trailer.
  • the first measurement sensor is then attachable in the towing vehicle and the second inertial measurement sensor is attachable to the trailer.
  • the evaluation unit determines a bending angle between towing vehicle and trailer. In this case, for example, in the event of excessive bending angles or high vibration amplitude or strong variation of the bending angle, a warning signal can be output or a control intervention can be triggered by a control system of the vehicle.
  • the second inertial measurement sensor system can be attached to a wheel of the vehicle and the evaluation unit determines a track and / or camber angle.
  • the kit for an articulated vehicle is configured with a first and a second vehicle part.
  • the first inertial measuring sensor is attachable in the first vehicle part and the second inertial measuring sensor in the second vehicle part.
  • the evaluation unit determines a bending angle between the first and the second vehicle part. Again, a warning signal can be generated at a too high bending angle or a control intervention of the control system of the vehicle are triggered.
  • the kit described above is provided for a vehicle in which a (3D / 6D) measurement sensor system already exists.
  • the kit accordingly comprises only one measurement sensor, for example the first or second as described above, which is arranged in the first and second regions of the vehicle, respectively.
  • a higher-level existing vehicle control system (such as described below) updated so that it can perform the method described above for determining the driving condition of the vehicle at least partially, which it to that of the already in the vehicle existing measuring sensors and the measuring signals supplied by the measuring sensor of the kit used.
  • the vehicle control system in some embodiments, is configured to control the driving dynamics of the vehicle.
  • the vehicle control system has a first inertial measurement sensor system for arranging in the first region of the vehicle, which is designed to output first measurement signals that correspond to at least one acceleration component in three-dimensional space and / or at least one rotational-rate component of the first medial measurement sensor system in the first region of the vehicle in three-dimensional space the first inertial measurement sensor system is mountable in the first region of the vehicle such that it does not make any relative movement to the first region of the vehicle.
  • a second inertial measurement sensor system is designed for arranging in the second region of the vehicle, wherein the second region is movable relative to the first.
  • the second inertial measuring sensor system is further configured to output second measuring signals which correspond to at least one acceleration component in three-dimensional space and / or one rotational-rate component of the second inertial measuring sensor system in the second area of the vehicle in three-dimensional space, the second inertial measuring sensor system in the second area of the vehicle attachable is that it performs no relative movement to the second region of the vehicle.
  • the vehicle control system has a control that is designed to evaluate the signals of the first and second inertial measurement sensors and to determine a relative orientation between the first and second inertial measurement sensors, as also described above.
  • the vehicle control system is configured to perform one or more of the method steps described above.
  • the vehicle control system uses the particular relative orientation to stabilize the vehicle by, for example, correspondingly counteracts understeer or oversteer, etc.
  • the goal is to set up the associated motion equation system for each inertial measurement sensor system.
  • the motion quantities ie the accelerations and rotation rates, are measured in some embodiments by means of known sensors. For example, by means of lateral acceleration sensors, which are based on the principle of a bending beam coupled to a capacitor, while yaw rate sensors, for example for measuring the rotational movement, utilize the Coriolis effect.
  • the term sensor is understood in the functional sense, i. as a measurement unit having a motion amount, i. For example, a rate of rotation or acceleration, along a direction in space can measure.
  • the sensors used in the measuring sensor can be designed as individual sensor elements, each having an independent housing, control, etc.
  • these sensors are formed in a so-called sensor cluster which combines some or all of the sensors of the device in one unit, i.
  • the individual sensor elements are, for example, housed in a housing and can thus be installed and removed together.
  • a sensor cluster could comprise yaw rate, roll rate and pitch rate sensors as yaw rate sensors, and lateral acceleration sensors, vertical acceleration sensors and longitudinal acceleration sensors as acceleration sensors.
  • yaw rate the lateral acceleration, which leads to "yawing” of the vehicle, is measured
  • the roll rate that is, the rotation of the vehicle about its longitudinal axis
  • the vertical acceleration and for the rotation about the transverse axis that is, the "nod”
  • the longitudinal acceleration is measured.
  • the first and / or the second inertial measurement sensor system has a total of six sensors, namely three yaw rate sensors, namely a yaw rate sensor, a roll rate sensor and a pitch rate sensor.
  • Sensor, and in addition three acceleration sensors namely a longitudinal, lateral and vertical acceleration sensor.
  • the summary of these sensors is referred to in some embodiments as a whole inertial sensor or inertial measurement, whereby the complete detection of the acceleration and rotation rate values in an inertial system of the vehicle is expressed.
  • the three or six sensors can also be arbitrarily oriented or arranged. In this case, the individual measured values are then converted to arbitrary given points and given orientations in three-dimensional space, for example by means of transformation, as has already been described above.
  • the state of motion of the vehicle or of the area of the vehicle in which the respective measuring sensor system is arranged can be determined (completely).
  • a six-dimensional description of the state of motion of the respective areas in which the measurement sensor system is arranged to a certain Time available by detecting over a certain period of the first and second measurement signals, and thus, for example, the acceleration and rotation rate values in the three-dimensional space of the vehicle, a six-dimensional description of the state of motion of the respective areas in which the measurement sensor system is arranged to a certain Time 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 rotation rate of the respective region of the vehicle.
  • the individual measuring points ie the first and second measuring signals obtained over time, which are based on respective sensor signals which correspond to the three-dimensional acceleration of the vehicle area or the three-dimensional turning rate of the vehicle area, are integrated, for example summed up.
  • the "six-dimensional" equation of motion system can be solved through integration become.
  • a three-dimensional (vehicle) speed by integration of the acceleration values
  • a three-dimensional orientation of the vehicle by integration of the rotation rates
  • chips are used that include triaxial acceleration and yaw rate sensors. Such chips are available inexpensively. In some embodiments, however, measuring sensors are also used which have a smaller sensor circumference (for example, those which measure only accelerations or only rotation rates or, for example, have only a 2D or 1D sensor system). However, this reduces the redundancy in some embodiments. If the sensor size becomes too small, the redundancy may be completely lost.
  • not all equations of motion are always usable. If, for example, all three rotation rates are equal to 0, then the system of equations of the rotation rates can not give any results. Only when the vehicle is turning do the yaw rates (alone) enable a determination of the steering angle values. Thus, in some embodiments, the redundancy and quality of the result are dependent not only on the available sensors, but also on the vehicle motion.
  • the measuring signals of the measuring sensor systems can be transmitted to the evaluation unit or controller in a known manner. In some embodiments, they are fed into the vehicle bus, in others transmitted over their own lines.
  • the measurement signals may also be transmitted by radio, for example, when a measuring sensor is attached to a wheel, steering wheel or a rear vehicle part (trailer, rear part of a bus or the like) and thereby difficult to lay a cable for control and / or consuming.
  • an angle in particular a wheel steering angle
  • the above-described kit is intended to equip a vehicle to redundantly determine an angle value, in particular a Radlenkwinkelwert. In such vehicles, a system for (Radlenk-) angle determination is already present and the kit is designed to also determine this already existing angle. This makes it possible to more accurately determine the angle and / or provide an error check by comparing the angle values of the existing system with those of the kit.
  • the kit essentially corresponds to the embodiments already described above and comprises a first inertial measurement sensor system for arranging in the first region of the vehicle, which is designed to output first measurement signals, the at least one acceleration component in three-dimensional space and / or at least one rotation rate component of the first inertial measurement sensor in the first region of the vehicle in three-dimensional space correspond, wherein the first inertial measurement sensor in the first region of the vehicle is attachable so that it performs no relative movement to the first region of the vehicle.
  • It comprises a second inertial measurement sensor system for arranging in the second region of the vehicle, wherein the second region is movable relative to the first, wherein the second inertial measurement sensor is adapted to output second measurement signals representing at least one acceleration component in three-dimensional space and / or at least one Rate of rotation component of the second inertial measurement sensor in the second area of the vehicle in three-dimensional space correspond, the second inertial measurement sensor in the second region of the vehicle so attachable is that it performs no relative movement to the second area of the vehicle.
  • it comprises an evaluation unit which evaluates the signals of the first and second inertial measurement sensors and determines a relative orientation between the first and the second inertial measurement sensors. From the relative orientation, an angle value is determined which is compared with an angle value determined in the vehicle by an already existing system.
  • the comparison of the angle values can be carried out in the kit or in other embodiments in a central control of the vehicle, which is programmed accordingly. For example, if there is a difference above a predetermined threshold value, it can be determined from the comparison that the wheel steering angle determination is faulty. In addition, the measurement accuracy can be improved by means of the redundant angular value determination. Further, in case of failure or defectiveness of the already existing system, for example, the vehicle may be further controlled on the basis of the angle value supplied by the kit or the supplied angle values.
  • the methods and devices described above are also designed in some embodiments for determining the following relative orientations of vehicle parts: accelerator pedal position, clutch pedal position, brake pedal position, shift lever position, arbitrary lever position (eg, light lever, windscreen wiper lever, turn signal lever, etc.) and any tilted positions.
  • a measurement sensor system for example, attached to the area from which the orientation is to be determined (accelerator pedal, clutch pedal, etc., as stated), while the second measurement sensor is vehicle-mounted by, for example, attached to the vehicle body becomes.
  • the kit (or retrofit kit) is also designed modular.
  • a first module has the first inertial measurement sensor system
  • a second module has the second inertial measurement sensor system and the evaluation unit. Both the first and the second module are designed to communicate with one another via a bus system, for example a CAN bus of a vehicle.
  • the first or second module has to one appropriate interface for communication with the associated bus system.
  • the first and second modules have a CAN bus interface to communicate with and over the CAN bus.
  • the kit also includes a plurality of second modules.
  • the second module is adapted to be mounted anywhere on the vehicle on movable elements (such as various vehicle pedals, levers and switches as mentioned above).
  • the first module is typically arranged vehicle-mounted (for example, attached to the vehicle body). After the second module has determined the respective relative orientation or a variable derived therefrom, the second module transmits this result to the CAN bus and, for example, to a central vehicle control system (ESP control device or the like).
  • ESP control device central vehicle control system
  • the second module likewise receives the first measurement signals via the bus system, which in this case originate, for example, from the ESP control unit and calculates the relative orientation together with those of the second measurement sensor system and transmits the result via the CAN bus to a central vehicle control .
  • the first and / or second module is dimensioned so small in some embodiments that it can also be attached to corresponding areas of the vehicle that have little space for the module, such as switches, pedals, levers and the like.
  • a steering angle is determined according to the methods discussed above.
  • a first inertial measuring sensor 1 is fixed relative to the main axis 14 of a vehicle 10, so that it can not perform any relative movement to the main axis 14 of the vehicle.
  • a second inertial measuring sensor 2 is arranged on a steering column 11 of the vehicle 10.
  • the steering column 11 is connected to a front axle 12 of the vehicle.
  • the second inertial measuring sensor 2 is arranged on the steering column 11 so that it can not perform a relative movement to the steering column 11.
  • the first measuring sensor 1 forms an inertial system with the orthogonal coordinate axes X, Y and Z.
  • the steering column 11 forms an angle ⁇ to the main axis 14 of the vehicle.
  • the second inertial measuring sensor 2 can be rotated by a steering movement about the wheel steering angle or steering angle ⁇ to be determined.
  • the wheel steering angle can be easily calculated, for example, via a characteristic curve from the steering angle, so that a distinction is not made strictly below between the steering angle and the wheel steering angle determined therefrom.
  • Each measuring sensor system is constructed as a 6D sensor system and comprises an acceleration sensor and a yaw rate sensor, which respectively determines the three-dimensional acceleration and the three-dimensional yaw rate at the location at which it is arranged. That is, the measurement sensor 1 determines the three-dimensional acceleration of the vehicle 10 on the main axis 14, and the measurement sensor 2 determines the three-dimensional acceleration of the steering column 11 of the vehicle 10.
  • the three acceleration components at the position of the measuring sensor system 2 in the vehicle-mounted coordinate system can be determined by means of transformation as a function of the corresponding measured values of the measuring sensor system 1.
  • the yaw rates at position 2 in the vehicle-bound coordinate system are identical to those at position 1, if the orientation of the coordinate system remains the same. If a different orientation of the coordinate system is selected, both the acceleration values and the rotation rate values must be transformed.
  • a transformation of the acceleration components of the first measurement sensor system at the first position to the first position is performed first and / or a transformation of the acceleration components of the second measurement sensor system at the second position to the second position, as also stated above.
  • the three acceleration sensors of the measurement sensor are physically designed so small that they are arranged almost at the same place and thus such a transformation of the acceleration signals to the location of the measurement sensor is not necessary, but only the transformation of the acceleration values of a measurement sensor in the Coordinate system of the other measuring sensors. If the measured values of the inertial system 1 or 2 are denoted as follows:
  • a Y2 a Y i + (rxi 2 + r Z i 2 ) * L + L * dr Z i / dt - H * drxi / dt
  • a Z2 a Z i + (r x 2 + r Y1 2 ) * L + B * dr x1 / dt - L * dr Y / dt
  • the steering wheel or steering column-bound measuring sensor system 2 supplies accelerations and yaw rates in the xyz coordinate system: [a x2l a y 2, a Z 2] for the accelerations and [r x2 , r y2 , r z2 ] for the yaw rates .
  • the conversion of the values of the XYZ coordinate system at the position of the measuring sensor system 1 to the xyz coordinate system at the position of the measuring sensor system 2 takes place by means of the following transformation:
  • the inclination of the steering column ie the steering column angle ⁇ can be determined.
  • a deviation can be determined from which an error can be concluded, for example if the determined steering column angle is a right angle and the steering column would then project into the sky.
  • acceleration signals may have certain noise levels, the raw result of the steering angle may be noisy.
  • the signal quality in some embodiments can be improved at the expense of the phase angle.
  • the phase delay can be corrected because the yaw rate measurements provide the steering speed for correction.
  • the correction is done via Kalman filters or other filter methods known to those skilled in the art.
  • FIG. 2 illustrates a sequence of a method for the embodiment described above.
  • the vehicle is provided with a first and second measuring sensors, as described above, on the body or on the steering column, step 20.
  • the measuring sensor on the body is firmly connected and can not perform a relative movement to the body.
  • the second measuring sensor is fixed to the steering column and rotates with the steering movement.
  • the two measurement sensors measure the accelerations and the rotation rates that act on them, step 21.
  • the movement which is detected, for example, by the measuring sensor system on the body, is transformed into the coordinate system of the measuring sensor system on the steering column, step 22.
  • step 23 the number of degrees of freedom of movement is determined.
  • step 24 the system of equations of motion, which is overdetermined in this case, is set up, whereby the number of degrees of freedom of movement is also taken into account, step 24.
  • the steering angle ⁇ is determined, step 26 and the steering column inclination, step 27.
  • the ascertained steering column inclination is checked for plausibility by, for example, checking whether it is within a predetermined value range in which the steering column inclination can be constructional, step 28.
  • FIG. 3 schematically shows an embodiment of a measuring sensor system 100 for completely determining the state of motion of a vehicle area, e.g. the vehicle itself or the steering column, as used in the embodiments described above.
  • the measuring sensor system 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 or of the vehicle area in which the measuring sensor system is arranged 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 130.
  • 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 or the vehicle area in three-dimensional space.
  • the rotation rate sensor 120 also outputs the signals to the signal line 150.
  • the microprocessor ultimately processes the signals as described above and, for example, as in the embodiment of FIGS. 1 and 2.
  • a further sensor can additionally be provided for a rate of rotation and / or acceleration, which enables a redundancy with which any error of any sensor is detected.
  • the sensors 110, 120, 130 of the measurement sensor system 100 or the sensors of the inertial sensor system are installed almost at a single location or close to one another.
  • all signals are transformed so that they refer to a common position.
  • the above-described methods and embodiments are included in a vehicle control system or a (retrofit) kit, as already explained above.

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs umfasst die folgenden Schritte: Erfassen (21) von ersten Messsignalen einer ersten inertialen Messsensorik (1, 100), wobei die erste inertiale Messsensorik in einem ersten Bereich des Fahrzeugs so angeordnet ist, dass sie keine Relativbewegung zum ersten Bereich des Fahrzeugs ausführt, und wobei die ersten Messsignale wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der ersten inertialen Messsensorik (1, 100) im ersten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen; Erfassen (21) von zweiten Messsignalen einer zweiten inertialen Messsensorik (2, 100), wobei die zweite inertiale Messsensorik in einem zweiten Bereich des Fahrzeugs angeordnet ist, der relativ zum ersten Bereich des Fahrzeugs beweglich ist, wobei sie so angeordnet ist, dass sie keine Relativbewegung zum zweiten Bereich des Fahrzeugs ausführt, und wobei die zweiten Messsignale wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der zweiten inertialen Messsensorik (2, 100) im zweiten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen; Auswerten (22, 23, 24, 25) der ersten und zweiten Messsignale basierend auf dem funktionalen Zusammenhang zwischen der Bewegung der ersten inertialen Messsensorik und der Bewegung der zweiten inertialen Messsensorik; und Basierend auf dem Ergebnis der Auswertung der ersten und zweiten Messsignale, Bestimmen (26) der relativen Orientierung der beiden inertialen Messsensoriken zueinander.

Description

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 ein Verfahren, einen Bausatz oder Nachrüstbausatz und ein Fahrzeugregelsystem zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs.
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 Fahrzustandsparameter 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 sind 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. Die Gierrate beschreibt eine Winkelgeschwindigkeit der Drehung eines Fahrzeugs um seine Hochachse.
Ferner ist es bekannt, dass Fahrdynamikregelsysteme als Eingangsgröße für die Regelung den Radlenkwinkel des Fahrzeugs benötigen. Der„Radlenkwinkel" ist der Winkel zwischen einem Vorderrad und der Fahrzeuglängsrichtung.
In der Regel wird der Zahnstangenhub, d.h. eine Querbewegung der Zahnstange im Lenkgetriebe eines Fahrzeugs, oder der Lenkgetrieberitzelwinkel, d.h. der Lenkwinkel am Lenkgetriebeeingang, oder der Fahrlenkwinkel gemessen. Der Fahrlenkwinkel ist der Drehwinkel der Lenksäule, der wiederum identisch mit dem Ritzelwinkel bis auf die Lenksäulenverdrillung durch Lenkmoment oder Stelleingriff einer Aktivlenkung ist. Der gemessene Lenkwinkel kann über eine Kennlinie in den Radlenkwinkel umgerechnet werden.
Aus Radlenkwinkel, Fahrgeschwindigkeit und Radstand lässt sich, vereinfacht dargestellt, errechnen wie groß die „Soll-Gierrate" bei stabiler Fahrweise sein sollte. Aus einem Vergleich der berechneten Soll-Gierrate mit der gemessenen Ist- Gierrate wird die Fahrzeugstabilität bewertet.
Ist die Ist-Gierrate betragsmäßig größer als die Soll-Gierrate, dann handelt es sich um Übersteuern. Die Fahrzeugregelsysteme ergreifen dann Maßnahmen, um die Ist-Gierrate zu reduzieren.
Ist die Ist-Gierrate betragsmäßig kleiner als die Soll-Gierrate, dann handelt es sich um Untersteuern. Die Fahrzeug regelsysteme ergreifen dann Maßnahmen, um die Ist-Gierrate zu erhöhen oder die Soll-Gierrate zu reduzieren, bspw. durch Verlangsamung des Fahrzeugs.
Weil Systemfehlfunktionen zu schwer beherrschbaren Fahrsituationen führen könnten, sind die gestellten Sicherheitsanforderungen an Lenkwinkelsensoren sehr hoch. Zum einen werden die Sensoren so aufgebaut, dass Messfehler sicher erkannt werden können und zum anderen werden die Lenkwinkelwerte mittels gesicherter Botschaften zum Steuergerät versendet, zum Beispiel über CAN oder FlexRay.
Ein Nachrüsten eines Lenkwinkelsensors ist in der Regel sehr aufwändig. Heutige Fahrzeuge bieten kaum Raum an der Lenksäule, um einen Lenkwinkelsensor nachzurüsten. Selbst wenn ein Platz gefunden wird, dann führt der eingeschränkte Raum an der Lenksäule in der Regel dazu, dass eine ganz spezielle Lösung für das betroffene Fahrzeug entwickelt werden muss. Außerdem können Lenkwinkelsensoren in der Regel nicht von einem Fahrzeug ins andere übertragen werden. Aus diesem Grund ist es oftmals aufwändig und teuer, ESP-Systeme entsprechend mit einem Lenkwinkelsensor nachzurüsten. Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren, einen verbesserten Bausatz und ein verbessertes Fahrzeugregelsystem zur Verfügung zu stellen, die eine Bestimmung des Fahrzeugzustandes erlauben. KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erfassen von ersten Messsignalen einer ersten inertialen Messsensorik, wobei die erste inertiale Messsensorik in einem ersten Bereich des Fahrzeugs so angeordnet ist, dass sie keine Relativbewegung zum ersten Bereich des Fahrzeugs ausführt, und wobei die ersten Messsignale wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der ersten inertialen Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen; Erfassen von zweiten Messsignalen einer zweiten inertialen Messsensorik, wobei die zweite inertiale Messsensorik in einem zweiten Bereich des Fahrzeugs angeordnet ist, der relativ zum ersten Bereich des Fahrzeugs beweglich ist, wobei sie so angeordnet ist, dass sie keine Relativbewegung zum zweiten Bereich des Fahrzeugs ausführt, und wobei die zweiten Messsignale wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der zweiten inertialen Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen; Auswerten der ersten und zweiten Messsignale basierend auf dem funktionalen Zusammenhang zwischen der Bewegung der ersten inertialen Messsensorik und der Bewegung der zweiten inertialen Messsensorik; und Basierend auf dem Ergebnis der Auswertung der ersten und zweiten Messsignale, Bestimmen der relativen Orientierung der beiden inertialen Messsensoriken zueinander.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung einen Bausatz für ein Fahrzeug zum Bestimmen einer relativen Orientierung zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich des Fahrzeugs bereit, die relativ zu einander beweglich sind, umfassend: eine erste inertiale Messsensorik zum Anordnen in dem ersten Bereich des Fahrzeugs, die dazu ausgelegt ist, erste Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der ersten inertialen Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die erste inertiale Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum ersten Bereich des Fahrzeugs ausführt; eine zweite inertiale Messsensorik zum Anordnen in dem zweiten Bereich des Fahrzeugs, wobei der zweite Bereich relativ zum ersten beweglich ist, wobei die zweite inertiale Messsensorik dazu ausgelegt ist, zweite Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der zweiten inertialen Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die zweite inertiale Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum zweiten Bereich des Fahrzeugs ausführt; und eine Auswerteeinheit, die die Signale der ersten und zweiten inertialen Messsensorik auswertet und eine relative Orientierung zwischen der ersten und der zweiten inertialen Messsensorik bestimmt. Gemäß einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Fahrzeugregelsystem bereit, umfassend: eine erste inertiale Messsensorik zum Anordnen in einem ersten Bereich des Fahrzeugs, die dazu ausgelegt ist, erste Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der ersten inertialen Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die erste inertiale Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum ersten Bereich des Fahrzeugs ausführt; eine zweite inertiale Messsensorik zum Anordnen in einem zweiten Bereich des Fahrzeugs, wobei der zweite Bereich relativ zum ersten beweglich ist, wobei die zweite inertiale Messsensorik dazu ausgelegt ist, zweite Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder einer Drehratenkomponente der zweiten inertialen Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die zweite inertiale Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum zweiten Bereich des Fahrzeugs ausführt; und eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, die Signale der ersten und zweiten inertialen Messsensorik auszuwerten und eine relative Orientierung zwischen der ersten und der zweiten inertialen Messsensorik zu bestimmen.
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 beispielhaften Ausführungsformen und der beigefügten beispielhaften Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung von Fahrzeugbewegungsgrößen und inertialen Messsystemen in einem Fahrzeug;
Figur 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform;
Figur 3 eine schematische Darstellung der Komponenten einer Messsensorik gemäß einer Ausführungsform.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Fig. 1 veranschaulicht den Fahrzustand eines Fahrzeuges.
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 Schwimmwinkel (zur Querdynamikregelung, bspw. für das ESP), der Rollwinkel (zur Überschlagsvermeidung) oder die Fahrbahnsteigung (bessere ASR-Funktion).
Wie eingangs bereits erwähnt, benötigen Fahrdynamikregelsysteme als Eingangsgröße für die Regelung typischerweise den Radlenkwinkel, d.h. den Winkel zwischen einem Vorderrad und der Fahrzeuglängsrichtung. Dabei wird bekanntermaßen der Radlenkwinkel durch die eingangs erwähnte Messung des Zahnstangenhubs, des Lenkgetrieberitzelwinkels oder des Fahrerlenkwinkels bestimmt. Der gemessene Lenkwinkel kann in den Radlenkwinkel über eine Kennlinie umgerechnet werden.
Systemfehlfunktionen können zu schwer beherrschbaren Fahrsituationen führen und daher sind die gestellten Sicherheitsanforderungen an die Lenkwinkelsensoren sehr hoch. Dementsprechend werden die Lenkwinkelsensoren so aufgebaut, dass Messfehler sicher erkannt werden können. Außerdem können bei manchen Ausführungsformen Lenkwinkelwerte mittels gesicherter Botschaften bspw. an ein Steuergerät in einem Fahrzeug gesendet werden (bspw. über ein CAN oder FlexRay).
Insbesondere ältere Fahrzeuge ohne ESP verfügen oftmals nicht über einen Lenkwinkelsensor. Ein Nachrüsten eines Lenkwinkelsensors ist aber in der Regel sehr aufwändig. Heutige Fahrzeuge bieten kaum Raum an der Lenksäule, um einen Lenkwinkelsensor nachzurüsten. Wenn ein Platz gefunden wurde, dann führt der eingeschränkte Raum an der Lenksäule in der Regel dazu, dass eine ganz spezielle Lösung für das betroffene Fahrzeug entwickelt werden muss. Außerdem können Lenkwinkelsensoren in der Regel nicht von einem Fahrzeug ins andere übertragen werden. Aus diesem Grund gibt es in manchen Fällen auch keine Möglichkeit, ESP-Systeme mit vertretbaren Kosten nachzurüsten.
Der Erfinder hat nun erkannt, dass es möglich ist, bspw. den Lenkwinkel durch zwei inertiale Messsysteme zu bestimmen, die an unterschiedlichen Stellen im Fahrzeug angebracht sind. Ein inertiales Messsystem bzw. ein inertiale Messsensorik spannt dabei ein dreidimensionales Inertialsystem auf und kann in der x-, y-, und z-Richtung Messsignale aufnehmen und dadurch Beschleunigungen, Drehraten oder andere Bewegungsgrößen im dreidimensionalen Raum messen. Ein erstes inertiales Messsystem ist dabei an einer ersten Stelle fest mit dem Fahrzeug verbunden und kann keine Relativbewegung an der Befestigungsstelle zum Fahrzeug ausführen. Ein zweites inertiales Messsystem ist an einer zweiten Stelle des Fahrzeugs so angeordnet ist, dass es keine Relativbewegung zur zweiten Stelle des Fahrzeugs ausführen kann. Diese zweite Stelle ist bspw. das Lenkrad oder die Lenksäule. Bei anderen Ausführungsformen kann die zweite Stelle aber auch bspw. in einem Anhänger sein, sodass der Winkel zwischen Anhänger und einem Zugfahrzeug bestimmt werden kann. Bewegt sich nun die erste Stelle des Fahrzeugs relativ zur zweiten bzw. die zweite Stelle (z.B. Anhänger) zur ersten (z.B. Zugfahrzeug), so bewegen sich die beiden Messsensoriken entsprechend mit und die Relativbewegung dazwischen kann bestimmt werden. Aus einem Datenvergleich der von beiden inertialen Messsystemen gelieferten Messsignale kann eine relative Orientierung, die durch einen oder mehrere Relativwinkel zwischen den inertialen Messsystemen beschrieben werden kann, bestimmt werden. Daraus ist dann bspw. der Lenkwinkel bestimmbar.
Dementsprechend umfasst bei manchen Ausführungsformen ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs mehrere Schritte, die im Folgenden beschrieben werden. 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.
Es werden erste Messsignale von einer ersten inertialen Messsensorik erfasst. Die erste inertiale Messsensorik ist in einem ersten Bereich des Fahrzeugs so (fest) angeordnet, dass sie keine Relativbewegung zum Fahrzeug bzw. zum ersten Bereich des Fahrzeugs ausführt. Dieser erste Bereich kann dabei an beliebiger Stelle im Fahrzeug liegen. Bei manchen Ausführungsformen ist die Messsensorik (fest) an der Fahrzeugkarosserie angebracht, z.B. verschraubt. Die ersten Messsignale umfassen dabei Signale, die wenigstens einer dreidimensionalen Beschleunigungskomponente und/oder einer dreidimensionalen Drehratenkomponente der ersten inertialen Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs entsprechen. Die dreidimensionale Beschleunigungskomponente (Drehratenkomponente) entspricht dabei einer Komponente einer dreidimensionalen Beschleunigung (Drehrate) in einem dreidimensionalen Raum, der bspw. von dem Koordinatensystem (Inertialsystem) der ersten inertialen Messsensorik definiert ist. Dabei kann bei manchen Ausführungsformen mit drei dreidimensionalen Beschleunigungskomponenten (Drehratenkomponenten) die dreidimensionale Beschleunigung (Drehrate) der ersten Messsensorik vollständig im dreidimensionalen Koordinatensystem der ersten Messsensorik beschrieben werden.
Da die erste Messsensorik fest mit dem Fahrzeug verbunden ist und keine Relativbewegung zum Fahrzeug bzw. zum ersten Bereich des Fahrzeugs ausführt, entsprechen die gemessenen Beschleunigungskomponenten und Drehratenkomponenten auch denjenigen des Fahrzeugs bzw. des ersten Bereiches des Fahrzeugs, mit dem die erste Messsensorik verbunden ist. Bei manchen Ausführungsformen wird eine Transformation der Beschleunigungswerte, die von der Messsensorik ausgegeben werden, in das Koordinatensystem des Fahrzeugs vorgenommen bzw. es wird eine Transformation auf eine bestimmten Punkt des Fahrzeugs vorgenommen. Das Koordinatensystem kann dabei bspw. seinen Ursprung an der Stelle haben, wo auch die Messsensorik mit dem Fahrzeug verbunden ist. Das Koordinatensystem kann aber auch an anderer Stelle im Fahrzeug liegen, z.B. an der Lenksäule.
Diese Transformation ist bei manchen Ausführungsformen erforderlich, da zwar die Drehraten, die mit der Messsensorik bestimmt werden, exakt den Drehraten des Fahrzeuges entsprechen, dies ist aber für die Beschleunigungswerte nicht der Fall. Zum Beispiel hängt bei der Zentrifugalkraft der Beschleunigungswert, d.h. in diesem Fall der Zentrifugalbeschleunigungswert, vom Abstand zur Drehachse ab. Dementsprechend hängt auch der von der Messsensorik ermittelte Beschleunigungswert davon ab, wie weit der Sensor von einer Drehachse entfernt ist. Bei manchen Ausführungsformen, bei denen eine hohe Ergebnisgenauigkeit bzw. Ergebnisgüte verlangt wird, ist dementsprechend eine Umrechnung der einzelnen Beschleunigungswerte (z.B. dreidimensionalen Beschleunigungswerte) auf einen bestimmten (gemeinsamen) Punkt erforderlich. Dieser Punkt kann dabei in der Messsensorik oder in einem entsprechenden Bereich des Fahrzeugs liegen.
Außerdem werden zweite Messsignale von einer zweiten inertialen Messsensorik erfasst. Die zweite inertiale Messsensorik wird in einem zweiten Bereich des Fahrzeugs (fest) angeordnet, der relativ zum ersten Bereich des Fahrzeugs beweglich ist. Die zweite inertiale Messsensorik ist dabei so im zweiten Bereich anbringbar, dass sie keine Relativbewegung zum zweiten Bereich ausführen kann. Dieser zweite Bereich ist bspw. die Lenksäule oder das Lenkrad des Fahrzeuges. Bei anderen Ausführungsformen ist der zweite Bereich bspw. ein Anhänger und der erste Bereich liegt in einem Zugfahrzeug des Anhängers. Ferner kann der zweite Bereich an einem Rad eines Fahrzeugs angeordnet sein.
Die zweiten Messsignale entsprechen wenigstens einer dreidimensionalen Beschleunigungskomponente und/oder wenigstens einer dreidimensionalen Drehratenkomponente der zweiten inertialen Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs, wie zum Beispiel dem Lenkrad, der Lenksäule, dem Anhänger oder dem Rad oder dergleichen. Wie oben ausgeführt, entspricht die dreidimensionale Beschleunigungskomponente (Drehratenkomponente) dabei einer Komponente einer dreidimensionalen Beschleunigung (Drehrate) in einem dreidimensionalen Raum, der bspw. von dem Koordinatensystem (Inertialsystem) der zweiten inertialen Messsensorik definiert ist. Dabei kann bei manchen Ausführungsformen mit drei dreidimensionalen Beschleunigungskomponenten (Drehratenkomponenten) die dreidimensionale Beschleunigung (Drehrate) der zweiten Messsensorik vollständig im dreidimensionalen Koordinatensystem der zweiten Messsensorik beschrieben werden.
Dadurch, dass jeweils die erste inertiale Messsensorik im ersten Bereich und die zweite im zweiten Bereich so anbringbar sind, dass sie keine Relativbewegung zum ersten bzw. zweiten Bereich des Fahrzeugs ausführen, bewegen sich die erste und zweite inertiale Messsensorik genauso relativ zueinander, wie sich der erste und der zweite Bereich des Fahrzeugs relativ zueinander bewegen.
Bei manchen Ausführungsformen entsprechen die ersten/zweiten Messsignale einer, zwei oder drei Beschleunigungs- und/oder Drehratenkomponenten. Bei manchen Ausführungsformen entsprechen die ersten Messsignale der (vollständigen) dreidimensionalen Beschleunigung und/oder der (vollständigen) dreidimensionalen Drehrate der ersten Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs entsprechen und/oder die zweiten Messsignale entsprechen der (vollständigen) dreidimensionalen Beschleunigung und/oder der (vollständigen) dreidimensionalen Drehrate der zweiten Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs. Als Nächstes wird eine relative Orientierung zwischen der ersten und zweiten inertialen Messsensorik und damit auch eine relative Orientierung zwischen dem ersten und zweiten Bereich des Fahrzeuges bestimmt. Die relative Orientierung kann bspw. durch einen oder mehrere Relativwinkel zwischen der ersten und zweiten Messsensorik bzw. deren Inertialsystemen beschrieben werden. Die Relativwinkel sind dabei bspw. die Winkel, mit denen das eine Inertialsystem so gedreht werden kann, dass seine x-, y- und z-Achse parallel zur x-, y- bzw. z- Achse des anderen Inertialsystems sind. Dementsprechend wird bzw. werden bei manchen Ausführungsformen ein, zwei oder mehr Relativwinkel zur Beschreibung der relativen Orientierung ermittelt.
Dazu wird zunächst ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Bewegung der ersten inertialen Messsensorik und der Bewegung der zweiten inertialen Messsensorik bestimmt. Dieser funktionale Zusammenhang wird bei manchen Ausführungsformen einmalig bestimmt und ist dann bspw. fest in einem Verfahrensablauf vorgegeben, bei dem ständig die aktuelle relative Orientierung bestimmt wird.
Auf Grundlage dieses bestimmten funktionalen Zusammenhanges werden die ersten und zweiten Messsignale ausgewertet und auf Grundlage dieses Auswerteergebnisses wird die relative Orientierung der beiden inertialen Messsensoriken zueinander bestimmt.
Aus dieser relativen Orientierung kann bei manchen Ausführungsformen ein Relativwinkel, wie ein Radlenkwinkel, oder mehrere Relativwinkel, wie bspw. Radlenkwinkel und Neigungswinkel einer Lenksäule, bestimmt werden. Bei manchen Ausführungsformen wird der Radlenkwinkel aus dem Relativwinkel über eine fahrzeugspezifische Kennlinie bestimmt. Wie erwähnt, werden in beiden inertialen Messsensoriken die Bewegungen der zugehörigen Bereiche des Fahrzeugs gemessen. Nachdem jede Messsensorik ihr eigenes Koordinatensystem bzw. Inertialsystem besitzt, umfasst bei manchen Ausführungsformen die Bestimmung des funktionalen Zusammenhangs bzw. die Auswertung der ersten und zweiten Messsignale eine Transformation der Bewegung der ersten inertialen Messsensorik bzw. des ersten Bereiches in dem ersten Koordinatensystem der ersten inertialen Messsensorik in das Koordinatensystem der zweiten inertialen Messsensorik bzw. in die Bewegung des zweiten Bereiches des Fahrzeugs im Koordinatensystem der zweiten inertialen Messsensorik.
Bei manchen Ausführungsformen gibt es folglich mehrere Transformationen. Eine erste Transformation, wie oben ausgeführt, bei der die Beschleunigungswerte der (ersten) Messsensorik an einen bestimmten (ersten) Punkt, bspw. am Fahrzeug, transformiert werden und eine zweite Transformation, bei der, wie eben ausgeführt, die Messsignale der (ersten) Messsensorik in das Koordinatensystem der anderen (zweiten) Messsensorik transformiert werden. Bei manchen Ausführungsformen werden die entsprechenden Bewegungsgleichungssysteme für die erste und die zweite inertiale Messsensorik aufgestellt und bspw. auf Basis der jeweiligen Messsignale gelöst.
Bei manchen Ausführungsformen werden die Bewegungsfreiheitsgrade des ersten und/oder des zweiten Bereiches des Fahrzeugs ermittelt. Zusammen mit den zu ermittelnden Bewegungsfreiheitsgraden der Bereiche wird dann ein Bewegungsgleichungssystem aufgestellt. Dieses Gleichungssystem ist bei manchen Ausführungsformen als Filter aufgebaut. Durch Lösung des Bewegungsgleichungssystems basierend auf den ersten und zweiten Messsignalen erhält man bspw. den Relativwinkel der beiden Messsensoriken.
Dadurch, dass bei manchen Ausführungsformen der erste und/oder zweite Bereich nur eingeschränkte Bewegungsfreiheitsgrade hat, wie es bspw. bei der Lenksäule der Fall ist, kann das Bewegungsgleichungssystem überbestimmt sein.
Bei manchen Ausführungsformen ist die Integration trotz Standardbauweise in vielfältigen Fahrzeugen möglich, z.B. durch sehr kleine Ausmaße. Ferner wird ein hochqualitatives - oder zumindest ausreichend qualitatives - Signal bereitstellt, das gleichzeitig die oben genannten hohen Sicherheitsanforderungen erfüllt.
Bei manchen Ausführungsformen werden eine Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und ein Radstands des Fahrzeugs ermittelt und es wird, basierend auf dem Radlenkwinkel, der Fahrgeschwindigkeit und dem Radstand, eine Soll- Gierrate bestimmt.
Bei manchen Ausführungsformen wird die vorgegebene bzw. bestimmte Soll- Gierrate mit einer gemessenen Ist-Gierrate verglichen. Ein Übersteuern des Fahrzeugs wird bestimmt, wenn die Ist-Gierrate betragsmäßig größer ist als die Soll-Gierrate. Ein Fahrzeugregelsystem kann dann bspw. entsprechend eingreifen, um dem Übersteuern entgegenzuwirken. Ein Untersteuern wird bestimmt, wenn die Ist-Gierrate betragsmäßig kleiner ist als die Soll-Gierrate. In diesem Fall steuert das Fahrzeugregelsystem der Untersteuerung entsprechend entgegen.
Bei manchen Ausführungsformen hat der zweite Bereich des Fahrzeugs nur einen Bewegungsfreiheitsgrad relativ zum ersten Bereich. Der Schritt des Bestimmens der relativen Orientierung umfasst dabei das Auswerten eines, bspw. überbestimmten, Bewegungsgleichungssystems, das basierend auf den ersten und zweiten Messsignalen gelöst wird. Durch die Überbestimmung des Bewegungsgleichungssystems können wenigstens zwei Relativwinkelwerte redundant bestimmt werden und diese können miteinander verglichen werden und/oder bspw. durch eine Mittelwertbildung eine höhere Genauigkeit des Relativwinkelwertes bereitstellen.
Weil die Lenksäule normalerweise nur einen Freiheitsgrad relativ zum Fahrzeug aufweist, aber bei manchen Ausführungsformen aufgrund der vorhandenen Messsignale der ersten und zweiten inertialen Messsensoriken mehrere Bewegungsgleichungen aufgestellt werden können, ist das Bewegungsgleichungssystem in solchen Fällen überbestimmt. Der Lenkwinkelwert kann also aus mehreren Bewegungsgleichungen ermittelt werden und ist folglich zur Sicherheitsüberprüfung redundant vorhanden.
Bei manchen Ausführungsformen findet eine Sicherheitsüberprüfung statt, ob die ermittelte relative Orientierung fehlerhaft ist oder nicht.
Liefern bspw. die einzelnen Bewegungsgleichungen des überbestimmten Bewegungsgleichungssystems nicht dasselbe Ergebnis, dann bedeutet das bei manchen Ausführungsformen, dass die Messwerte der inertialen Messsensoriken nicht kompatibel zueinander sind und somit zumindest teilweise fehlerhaft sind. Weil der Lenkwinkel mit dieser Methode redundant ermittelt werden kann, wird eine sehr hohe Signalsicherheit erreicht.
Bei anderen Ausführungsformen werden zur Überprüfung des Lenkwinkels alle drei Orientierungswinkel der Lenksäule bestimmt und dann wird geprüft, ob alle Winkel in einem gültigen Bereich liegen. Wenn beispielsweise das Ergebnis der Berechnung eine in den Himmel gerichtete Lenksäule aufzeigt, dann muss das Ergebnis verworfen werden, weil die Konstruktionsdaten des Fahrzeugs festlegen, dass die Lenksäule mit einem definierten Winkel nach unten zur Vorderachse des Fahrzeugs zeigt. Ist die Lenksäule verstellbar, ist ein entsprechender Winkelbereich festgelegt, in dem die Lenksäule in Richtung Vorderachse zeigen darf.
Bei manchen Ausführungsformen wird nicht nur der bzw. werden nicht nur die ermittelten Relativwinkel, sondern auch alle Messgrößen, die von den Drehraten- und/oder Beschleunigungssensoren geliefert wurden, verworfen. Bei manchen Ausführungsformen werden die Messgrößen (Messsignale) und/oder der/die Relativwinkel für ein Regelsystem für das Fahrzeug als Eingangsgrößen verwendet. Würden für die Regelung des Fahrzeugs fehlerhafte Relativwinkel bzw. Messgrößen verwendet, so könnte dies zu einer fehlerhaften Regelung und damit zu einer Fahrinstabilität des Fahrzeugs führen, was zu vermeiden ist. Bei manchen Ausführungsformen werden gerade ausreichend viele Gleichungen, zur Bestimmung der Orientierung verwendet, d.h. das Gleichungssystem ist nicht überbestimmt. Dann werden auf Basis der ermittelten Orientierung die Messsignale bzw. Messwerte von der einen Messsensorik (zum Beispiel der zweiten) in das Koordinatensystem der anderen Messsensorik (zum Beispiel der ersten) transformiert (oder umgekehrt) und dann wird überprüft, ob die Messsignale übereinstimmen. Werden signifikante Abweichungen erkannt, werden die Messsignale und die aus ihnen ermittelten Relativwinkel verworfen, damit die fehlerhaften Werte, wie ausgeführt, nicht zu Fehlern bei der Regelung des Fahrzeugs führen.
Bei manchen Ausführungsformen zur Überprüfung ermittelter Relativwinkel bzw. zur Überprüfung, ob Messfehler vorliegen, wird eine beliebige Anzahl von Gleichungen aufgestellt oder es werden alle benutzt, um die Messsignale von einem Koordinatensystem zum anderen zu transformieren und die Messsignale miteinander zu vergleichen. Das Ergebnis, das heißt die Messsignale, werden hinsichtlich ihrer Qualität also bei solchen Ausführungsformen dadurch überprüft, dass alle Messsignale der einen Sensorik - mit der ermittelten relativen Orientierung - in das Koordinatensystem der anderen Sensorik transformiert werden. Wenn das Verfahren fehlerfrei gearbeitet hat, dann gibt es Übereinstimmung aller Messwerte. Wenn es signifikante Abweichungen gibt, dann ist ein Fehler gegeben, der zu entsprechenden Maßnahmen führt, wie bspw. verwerfen der Messwerte. Bei manchen Ausführungsformen, bspw. wenn die erste und zweite Messsensorik in einer festen Orientierung zueinander angeordnet sind, wird nur einmal die relative Orientierung zwischen den beiden inertialen Messsensoriken zueinander bestimmt. Ist diese einmal bekannt, so können die ersten Messsignale in das Koordinatensystem der zweiten Messsensorik umgerechnet werden und die ersten und zweiten Messsignale können miteinander verglichen werden, ohne dass bei jedem Satz neuer Messsignale der Relativwinkel bestimmt werden müsste. Stimmen dann bspw. die ersten und zweiten Messsignale nicht (innerhalb gewisser Grenzen) überein, so werden die Messsignale und/oder der zugehörige Relativwinkel verworfen.
Bei manchen Ausführungsformen können durch die Transformation der ersten Messsignale in das Koordinatensystem der zweiten Messsensorik, die ersten und zweiten Messsignale miteinander verglichen werden. Mit anderen Worten sind die ersten und zweiten Messsignale redundant zueinander und bei Abweichungen der ersten und zweiten Messsignale voneinander über eine Toleranzschwelle hinaus, kann bspw. festgestellt werden, dass die Messsignale fehlerhaft sind und folglich nicht mehr für ein Fahrzeugregelsystem verwendet werden können. Dementsprechend werden sie und daraus abgeleitete Größen wie die relative Orientierung verworfen.
Ferner können bei manchen Ausführungsformen, bspw. bei dauerhaften Abweichungen der ersten und zweiten Messsignale voneinander, diese Abweichungen kompensiert werden (z.B. durch Langzeitfilter). Bei manchen Ausführungsformen werden die Abweichungen der ersten und zweiten Messsignale voneinander auch mit anderen verfügbaren Modellgrößen, die bspw. in dem Fahrzeugregelsystem des Fahrzeugs bekannt sind, verglichen, um die Sicherheit und die Qualität der Messsignale zu verbessern und damit auch die Qualität und Sicherheit eines Fahrzeugregelsystems. Bei manchen Ausführungsformen werden durch eine Analyse der Abweichungen die Messsignale kalibriert, um so die Abweichungen der ersten und zweiten Messsignale voneinander zu verringern.
Bei manchen Ausführungsformen wird bspw. der Signalverlauf der ersten und/oder zweiten Messsignale bzw. der Relativwinkelwerte ausgewertet. So kann bspw. ein sinusförmiger Verlauf, das Schwingen eines Anhängers signalisieren. Aufgrund der Frequenz, der Amplitude und/oder der Phasenlage der Schwingung können dann bspw. von dem Fahrzeugregelsystem geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden (Abbremsen des Zugfahrzeugs, entsprechendes Gegensteuern, Warnsignal, etc.). Bei manchen Ausführungsformen wird allgemein ein Vergleich der wenigstens zwei Relativwinkelwerte miteinander durchgeführt, die aus den Bewegungsgleichungen bestimmt werden. Wenn die zwei Relativwinkelwerte eine Abweichung voneinander haben, die oberhalb eines Schwellwertes liegt, wird allgemein ein Fehlerzustand festgestellt.
Manche Ausführungsformen betreffen einen Bausatz, insbesondere einen Nachrüstbausatz, für ein Fahrzeug zum Bestimmen einer relativen Orientierung, bspw. eines Winkels oder Relativwinkels, zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich des Fahrzeugs, die relativ zu einander beweglich sind.
Der Bausatz bzw. Nachrüstbausatz kann dabei in bestehenden Fahrzeugen nachgerüstet werden, um einen entsprechenden Winkelmesswert, wie den Radlenkwinkelwert oder dgl. (nachträglich) zur Verfügung zu stellen. Bei manchen Ausführungsformen wird der Bausatz bzw. Nachrüstbausatz bereits bei der Produktion des Fahrzeugs in dem Fahrzeug, bspw. im Rahmen einer Erstausrüstung, eingebaut, bei anderen erst nach Fertigstellung des Fahrzeugs. Das Einbauen kann bei manchen Ausführungsformen auch zur Unterstützung und Verbesserung einer Messgenauigkeit eines Systems erfolgen, das eine relative Orientierung zwischen zwei Fahrzeugbereichen bestimmt und bspw. einen Radlenkwinkel ermittelt, oder als Redundanz zu einem bereits bestehenden System hinzugefügt werden, um bspw. einen Radlenkwinkel redundant zu bestimmen und so Fehler erkennen zu können bzw. die Messgenauigkeit erhöhen zu können.
Der Bausatz umfasst eine erste inertiale Messsensorik zum Anordnen in dem ersten Bereich des Fahrzeugs, die dazu ausgelegt ist, erste Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der ersten inertialen Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die erste inertiale Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum Fahrzeug ausführt. Außerdem hat der Bausatz eine zweite inertiale Messsensorik zum Anordnen in dem zweiten Bereich des Fahrzeugs, wobei der zweite Bereich relativ zum ersten beweglich ist, wobei die zweite inertiale Messsensorik dazu ausgelegt ist, zweite Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der zweiten inertialen Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die zweite inertiale Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum zweiten Bereich des Fahrzeugs ausführt.
Eine Auswerteeinheit wertet die Signale der ersten und zweiten inertialen Messsensorik aus und bestimmt eine relative Orientierung, insbesondere einen oder mehrere Relativwinkel, zwischen der ersten und der zweiten inertialen Messsensorik, bspw. mit Hilfe der oben beschriebenen Verfahrensschritte.
Bei manchen Ausführungsformen ist der Bausatz bspw. für ein Lenksystem eines Fahrzeugs ausgestaltet. Die erste inertiale Messsensorik ist bspw. dazu ausgelegt, so (fest) an der Karosserie des Fahrzeugs angebracht zu werden, dass sie keine Relativbewegung zum Fahrzeug bzw. zur Karosserie des Fahrzeugs ausführen kann. Die zweite inertiale Messsensorik ist bspw. in einem Bereich des Lenksystems anbringbar und die Auswerteeinheit ermittelt einen Lenkwinkel des Fahrzeugs, wie es oben beschrieben wurde. Die zweite Messsensorik ist bspw. an einem Lenkrad oder an einer Lenksäule des Lenksystems anbringbar.
Bei manchen Ausführungsformen ist der Bausatz für ein Fahrzeug ausgelegt, das ein Zugfahrzeug und einen Anhänger aufweist. Die erste Messsensorik ist dann im Zugfahrzeug anbringbar und die zweite inertiale Messsensorik ist an dem Anhänger anbringbar. Die Auswerteeinheit ermittelt einen Knickwinkel zwischen Zugfahrzeug und Anhänger. Dabei kann bspw. bei zu starken Knickwinkeln oder hoher Schwingamplitude bzw. starke Variation des Knickwinkels ein Warnsignal ausgegeben werden oder ein Regeleingriff durch ein Regelsystem des Fahrzeugs ausgelöst werden. Bei manchen Ausführungsformen ist die zweite inertiale Messsensorik an einem Rad des Fahrzeugs anbringbar und die Auswerteeinheit ermittelt einen Spur- und/oder Sturzwinkel. Der Spurwinkel beschreibt den Winkel zwischen der Längsachse des Fahrzeugs projiziert auf die Fahrbahn und der Schnittlinie zwischen Radmittelebene und Fahrbahnebene. Der Sturzwinkel beschreibt Neigung eines Rades, d.h. die Abweichung von der senkrechten Radstellung. Dies ist bspw. bei der Fahrzeugentwicklung hilfreich. Bei manchen Ausführungsformen ist der Bausatz für ein Gelenkfahrzeug mit einem ersten und einem zweiten Fahrzeugteil ausgelegt. Die erste inertiale Messsensorik ist im ersten Fahrzeugteil und die zweite inertiale Messsensorik im zweiten Fahrzeugteil anbringbar. Die Auswerteeinheit ermittelt einen Knickwinkel zwischen dem ersten und dem zweiten Fahrzeugteil. Auch hier kann bei einem zu starken Knickwinkel ein Warnsignal erzeugt werden oder ein Regeleingriff des Regelsystems des Fahrzeugs ausgelöst werden.
Bei manchen Ausführungsformen ist der oben beschriebe Bausatz für ein Fahrzeug vorgesehen, bei dem bereits eine (3D/6D) Messsensorik vorhanden ist. Bei solchen Ausführungsformen gibt es Ausführungsformen, bei denen der Bausatz dementsprechend nur eine Messsensorik umfasst, bspw. die erste oder zweite, wie oben beschrieben, die in dem ersten bzw. zweiten Bereich des Fahrzeugs angeordnet wird. Bei solchen Ausführungsformen wird dann bspw. ein übergeordnetes bereits vorhandenes Fahrzeug regelsystem (wie bspw. weiter unten beschrieben) so aktualisiert, dass es die oben beschrieben Verfahren zur Bestimmung des Fahrzustandes des Fahrzeugs wenigstens teilweise ausführen kann, wobei es dazu die von der im Fahrzeug bereits vorhandenen Messsensorik gelieferten Messsignale und die von der Messsensorik des Bausatzes gelieferten Messsignale verwendet.
Manche Ausführungsformen betreffen ein Fahrzeugregelsystem für ein Fahrzeug. Das Fahrzeugregelsystem ist bei manchen Ausführungsformen dazu ausgelegt, die Fahrdynamik des Fahrzeugs zu regeln. Das Fahrzeugregelsystem weist eine erste inertiale Messsensorik zum Anordnen in dem ersten Bereich des Fahrzeugs auf, die dazu ausgelegt ist, erste Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der ersten medialen Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die erste inertiale Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum ersten Bereich des Fahrzeugs ausführt.
Eine zweite inertiale Messsensorik ist zum Anordnen in dem zweiten Bereich des Fahrzeugs ausgelegt, wobei der zweite Bereich relativ zum ersten beweglich ist. Die zweite inertiale Messsensorik ist weiter dazu ausgelegt, zweite Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder einer Drehratenkomponente der zweiten inertialen Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die zweite inertiale Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum zweiten Bereich des Fahrzeugs ausführt.
Außerdem weist das Fahrzeugregelsystem eine Steuerung auf, die dazu ausgelegt ist, die Signale der ersten und zweiten inertialen Messsensorik auszuwerten und eine relative Orientierung zwischen der ersten und der zweiten inertialen Messsensorik zu bestimmen, wie es auch schon oben beschrieben wurde. Bei manchen Ausführungsformen ist das Fahrzeugregelsystem dazu ausgelegt, einen oder mehrere der oben beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen.
Wie oben mehrfach erwähnt, nutzt das Fahrzeugregelsystem die bestimmte relative Orientierung zur Stabilisierung des Fahrzeugs, indem es bspw. entsprechend bei Unter- oder Übersteuern gegenlenkt, etc. Bei manchen Ausführungsformen, wie sie oben beschrieben wurden, ist es das Ziel, für jede inertiale Messsensorik das zugehörige Bewegungsgleichungssystem aufzustellen. Die Bewegungsgrößen, d.h. die Beschleunigungen und Drehraten, werden bei manchen Ausführungsformen mit Hilfe bekannter Sensoren gemessen. Zum Beispiel mittels Querbeschleunigungssensoren, 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. Bei manchen Ausführungsformen können daher die verwendeten Sensoren der Messsensorik als einzelne Sensor-Elemente ausgebildet sein, die jeweils ein eigenständiges Gehäuse, Ansteuerung etc. aufweisen.
Bei anderen Ausführungsformen 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 Querbeschleunigungssensoren, Vertikalbeschleunigungssensoren und Längsbeschleunigungssensoren aufweisen. Für die Gierrate wird dabei die Querbeschleunigung, die zum„Gieren" des Fahrzeugs führt gemessen. Für die Rollrate, das heißt die Rotation des Fahrzeugs um seine Längsachse, wird die Vertikalbeschleunigung und für die Rotation um die Querachse, das heißt das „Nicken", wird die Längsbeschleunigung gemessen.
Bei manchen Ausführungsformen weist die erste und/oder die zweite inertiale Messsensorik insgesamt sechs Sensoren auf, nämlich drei Drehraten-Sensoren, 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 Inertialsensorik bzw. inertiale Messsensorik bezeichnet, wodurch die vollständige Erfassung der Beschleunigungs- und Dreh raten werte in einem Inertialsystem des Fahrzeugs zum Ausdruck gebracht wird. Generell können bei den Ausführungsformen die drei bzw. sechs Sensoren auch beliebig orientiert bzw. angeordnet sein. Dabei werden dann die einzelnen Messwerte auf beliebige vorgegeben Punkte und vorgegebene Orientierungen im dreidimensionalen Raum bspw. mittels Transformation umgerechnet, wie es auch schon oben beschrieben wurde.
Mit Hilfe der Beschleunigungen im dreidimensionalen Raum und der Drehraten des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum kann der Bewegungszustand des Fahrzeugs bzw. des Bereiches des Fahrzeugs, in dem die jeweilige Messsensorik angeordnet ist, (vollständig) bestimmt werden.
Bei manchen Ausführungsformen steht durch Erfassen über einen bestimmten Zeitraum der ersten und zweiten Messsignale, und damit bspw. der Beschleunigungs- und Drehratenwerte im dreidimensionalen Raum des Fahrzeugs, eine sechsdimensionale Beschreibung des Bewegungszustandes der jeweiligen Bereiche, in denen die Messsensorik angeordnet ist, 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 jeweiligen Bereiches des Fahrzeugs umfasst.
Bei manchen Ausführungsformen werden nun die einzelnen Messpunkte, d.h. die über die Zeit erhaltenen ersten und zweiten Messsignale, die auf jeweiligen Sensorsignalen basieren, die der dreidimensionalen Beschleunigung des Fahrzeugbereiches bzw. der dreidimensionalen Drehrate des Fahrzeugbereiches entsprechen, integriert, bspw. aufsummiert. Auf diese Art und Weise kann das „sechsdimensionale" Bewegungsgleichungssystem durch die Integration gelöst werden. Dadurch kann als Fahrzustandsgröße eine dreidimensionale (Fahrzeug-) Geschwindigkeit (durch Integration der Beschleunigungswerte) und eine dreidimensionale Orientierung des Fahrzeugs (durch Integration der Drehraten) im Raum ermittelt werden.
Bei manchen Ausführungsformen werden Chips verwendet, die dreiachsige Beschleunigungs- und Drehratensensoren beinhalten. Solche Chips sind preiswert verfügbar. Bei manchen Ausführungsformen werden aber auch Messsensoriken verwendet, die einen geringeren Sensorumfang haben (z.B. solche, die nur Beschleunigungen oder nur Drehraten messen oder bspw. nur eine 2D- oder 1 D- Sensorik besitzen). Dadurch verringert sich allerdings bei manchen Ausführungsformen die Redundanz. Wenn der Sensorumfang zu gering wird, kann es sein, dass die Redundanz völlig verloren geht.
Bei manchen Ausführungsformen sind nicht immer alle Bewegungsgleichungen verwertbar. Wenn bspw. alle drei Drehraten gleich 0 sind, dann kann das Gleichungssystem der Drehraten keine Ergebnisse liefern. Erst wenn das Fahrzeug sich dreht, ermöglichen die Drehraten (alleine) eine Bestimmung der Lenkwinkelwerte. Somit sind bei manchen Ausführungsformen die Redundanz und Qualität des Ergebnisses nicht nur von der verfügbaren Sensorik abhängig, sondern auch von der Fahrzeugbewegung. Die Messsignale der Messsensoriken können auf bekannte Art und Weise zur Auswerteeinheit bzw. Steuerung übertragen werden. Bei machen Ausführungsformen werden sie in den Fahrzeugbus eingespeist, bei anderen über eigene Leitungen übertragen. Bei manchen Ausführungsformen können die Messsignale auch per Funk übertragen werden, bspw. wenn eine Messsensorik an einem Rad, Lenkrad oder einem hinteren Fahrzeugteil (Anhänger, hinterer Busteil bei einem Gelenkbus oder dgl.) angebracht ist und dadurch eine Verlegung eines Kabels zur Steuerung schwierig und/oder aufwändig ist. Wie oben bereits angedeutet, kann bei manchen Ausführungsformen aus der relativen Orientierung ein Winkel, insbesondere ein Radlenkwinkel, ermittelt werden, der bspw. als redundanter Wert verwendet werden kann. So ist bspw. bei manchen Ausführungsformen der oben beschriebene Bausatz dazu vorgesehen, ein Fahrzeug auszurüsten, um einen Winkelwert, insbesondere einen Radlenkwinkelwert, redundant zu bestimmen. Bei solchen Fahrzeugen ist bereits ein System zur (Radlenk-)Winkelbestimmung vorhanden und der Bausatz ist dazu ausgestaltet, diesen bereits vorhandenen Winkel ebenfalls zu bestimmen. Dadurch ist es möglich, den Winkel genauer zu bestimmen und/oder eine Fehlerüberprüfung durch Vergleich der Winkelwerte des vorhandenen Systems mit denjenigen des Bausatzes bereitzustellen.
Dementsprechend betreffen manchen Ausführungsformen einen Bausatz für ein Fahrzeug bzw. ein Verfahren zur redundanten Bestimmen einer relativen Orientierung zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich des Fahrzeugs, die relativ zu einander beweglich sind, wobei das Fahrzeugs bereits dazu ausgelegt ist, eine entsprechende relative Orientierung zu bestimmen. Der Bausatz entspricht dabei im Wesentlichen den bereits oben beschriebenen Ausführungsformen und umfasst eine erste inertiale Messsensorik zum Anordnen in dem ersten Bereich des Fahrzeugs, die dazu ausgelegt ist, erste Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der ersten inertialen Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die erste inertiale Messsensorik im ersten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum ersten Bereich des Fahrzeugs ausführt. Er umfasst eine zweite inertiale Messsensorik zum Anordnen in dem zweiten Bereich des Fahrzeugs, wobei der zweite Bereich relativ zum ersten beweglich ist, wobei die zweite inertiale Messsensorik dazu ausgelegt ist, zweite Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der zweiten inertialen Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die zweite inertiale Messsensorik im zweiten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum zweiten Bereich des Fahrzeugs ausführt. Außerdem umfasst er eine Auswerteeinheit, die die Signale der ersten und zweiten inertialen Messsensorik auswertet und eine relative Orientierung zwischen der ersten und der zweiten inertialen Messsensorik bestimmt. Aus der relativen Orientierung wird ein Winkelwert ermittelt, der mit einem im Fahrzeug von einem bereits vorhandenen System ermittelten Winkelwert verglichen wird.
Der Vergleich der Winkelwerte kann dabei im Bausatz vorgenommen werden oder bei anderen Ausführungsformen in einer zentralen Steuerung des Fahrzeugs, die entsprechend programmiert ist. Aus dem Vergleich kann bspw. bei Vorliegen einer Differenz über einem vorbestimmten Schwellwert festgestellt werden, dass die Radlenkwinkelbestimmung fehlerhaft ist. Außerdem kann mittels der redundanten Winkelwertbestimmung die Messgenauigkeit verbessert werden. Ferner kann bspw. bei Ausfall oder Fehlerhaftigkeit des bereits vorhandenen Systems das Fahrzeug weiter auf Grundlage des vom Bausatz gelieferten Winkelwertes bzw. der gelieferten Winkelwerte gesteuert werden.
Die oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind bei manchen Ausführungsformen auch für die Ermittlung folgender relativer Orientierungen von Fahrzeugteilen ausgestaltet: Gaspedalstellung, Kupplungspedalstellung, Bremspedalstellung, Schalthebelstellung, beliebe Hebelstellung (bspw. Lichthebel, Scheibenwischerhebel, Blinkerhebel, etc.) und beliebige Kipphalterstellungen. Dazu wird, wie oben ausgeführt, eine Messsensorik bspw. an dem Bereich befestigt, von dem die Orientierung bestimmt werden soll (Gaspedal, Kupplungspedal, etc., wie ausgeführt), während die zweite Messsensorik fahrzeuggebunden ist, indem sie bspw. an der Fahrzeugkarosserie befestigt wird.
Bei manchen Ausführungsformen ist der Bausatz (bzw. Nachrüstbausatz) auch modulartig ausgestaltet. Ein erstes Modul weist die erste inertiale Messsensorik auf und ein zweites Modul weist die zweite inertiale Messsensorik und die Auswerteeinheit auf. Sowohl das erste als auch das zweite Modul sind dazu ausgelegt, über ein Bussystem, bspw. einen CAN-Bus eines Fahrzeugs, miteinander zu kommunizieren. Das erste bzw. zweite Modul weist dazu eine passende Schnittstelle zur Kommunikation mit dem zugehörigen Bussystem auf. Zum Beispiel haben das erste und zweite Modul eine CAN-Busschnittstelle, um mit und über den CAN-Bus kommunizieren zu können. Bei manchen Ausführungsformen umfasst der Bausatz auch mehrere zweite Module. Das zweite Modul ist dazu geeignet, an beliebigen Stellen im Fahrzeug an beweglichen Elementen (wie bspw. an verschiedenen Fahrzeugpedalen, Hebeln und Schaltern, wie oben erwähnt) angebracht zu werden. Es empfängt über das Bussystem die Messsignale der ersten Messsensorik und kann dann mittels der Auswerteeinheit und der Messsignale der zweiten Messsensorik selbständig die relative Orientierung bestimmen, wie oben ausgeführt. Das erste Modul ist dabei typischerweise fahrzeuggebunden angeordnet (bspw. an der Fahrzeugkarosserie befestigt). Nachdem das zweite Modul die jeweilige relative Orientierung oder eine daraus abgeleitete Größe bestimmt hat, überträgt das zweite Modul dieses Ergebnis an den CAN-Bus und bspw. an ein zentrales Fahrzeugregelsystem (ESP-Steuergerät oder dergleichen).
Bei manchen Ausführungsformen wird kein erstes Modul benötigt, sondern es werden die Messsignale der 6D-Sensorik verwendet, die bspw. zu einem fahrzeugeigenen ESP-Steuergerät gehören. In diesem Fall empfängt das zweite Modul ebenfalls die ersten Messsignale über das Bussystem, die in diesem Fall bspw. vom ESP-Steuergerät stammen und berechnet zusammen mit denjenigen der zweiten Messsensorik die relative Orientierung und überträgt das Ergebnis über den CAN-Bus an eine zentrale Fahrzeugregelung. Das erste und/oder zweite Modul ist bei manchen Ausführungsformen so klein dimensioniert, dass es auch an entsprechenden Bereichen des Fahrzeugs angebracht werden kann, die wenig Platz für das Modul aufweisen, wie bspw. Schalter, Pedale, Hebel und dergleichen. Zurückkommend zu Fig. 1 ist dort eine Ausführungsform gezeigt, bei der ein Lenkwinkel nach den oben erörterten Verfahren ermittelt wird. Eine erste inertiale Messsensorik 1 ist relativ zur Hauptachse 14 eines Fahrzeugs 10 fest angeordnet, sodass sie keine Relativbewegung zur Hauptachse 14 des Fahrzeugs ausführen kann.
Eine zweite inertiale Messsensorik 2 ist an einer Lenksäule 11 des Fahrzeugs 10 angeordnet. Die Lenksäule 11 ist mit einer Vorderachse 12 des Fahrzeugs verbunden. Die zweite inertiale Messsensorik 2 ist so an der Lenksäule 11 angeordnet, dass sie keine Relativbewegung zur Lenksäule 11 ausführen kann.
Die erste Messsensorik 1 bildet ein Inertialsystem mit den orthogonalen Koordinatenachsen X, Y und Z. Gleiches gilt für die zweite inertiale Messsensorik 2 an der Lenksäule 11 , die ein zweites Inertialsystem mit den orthogonalen Koordinatenachsen x, y und z bildet.
Die Lenksäule 11 bildet einen Winkel α zur Hauptachse 14 des Fahrzeugs. Außerdem kann die zweite inertiale Messsensorik 2 durch eine Lenkbewegung um den zu bestimmenden Radlenkwinkel bzw. Lenkwinkel δ verdreht werden. Wie oben erwähnt kann der Radlenkwinkel einfach bspw. über eine Kennlinie aus dem Lenkwinkel errechnet werden, sodass im Folgenden nicht streng zwischen Lenkwinkel und dem daraus ermittelten Radlenkwinkel unterschieden wird.
Jede Messsensorik ist als 6D-Sensorik aufgebaut und umfasst einen Beschleunigungssensor und einen Drehratensensor, die jeweils die dreidimensionale Beschleunigung und die dreidimensionale Drehrate an dem Ort bestimmt, an dem sie angeordnet ist. Das heißt, die Messsensorik 1 bestimmt die dreidimensionale Beschleunigung des Fahrzeugs 10 an der Hauptachse 14 und die Messsensorik 2 bestimmt die dreidimensionale Beschleunigung der Lenksäule 11 des Fahrzeugs 10.
Die drei Beschleunigungskomponenten an der Position der Messsensorik 2 im fahrzeuggebundenen Koordinatensystem können in Abhängigkeit der entsprechenden Messwerte der Messsensorik 1 mittels Transformation bestimmt werden. Die Drehraten auf Position 2 im Fahrzeuggebundenem Koordinatensystem sind identisch mit denen auf Position 1 , wenn die Orientierung des Koordinatensystems gleich bleibt. Wenn eine andere Orientierung des Koordinatensystems gewählt wird, müssen sowohl die Beschleunigungswerte als auch die Drehratenwerte transformiert werden. Wie auch oben bereits ausgeführt, werden die drei Beschleunigungskomponenten an der einen Position, hier an der Position der Messsensorik 1 , in die Position der anderen Messsensorik, hier der Position der Messsensorik 2, umgerechnet bzw. transformiert. Vor dieser Transformation wird bei manchen Ausführungsformen zunächst eine Transformation der Beschleunigungskomponenten der ersten Messsensorik an der ersten Position auf die erste Position vorgenommen und/oder eine Transformation der Beschleunigungskomponenten der zweiten Messsensorik an der zweiten Position auf die zweite Position, wie oben auch ausgeführt. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind allerdings die drei Beschleunigungssensoren der Messsensorik physikalisch so klein ausgestaltet, dass sie quasi am selben Ort angeordnet sind und somit eine derartige Transformation der Beschleunigungssignale an den Ort der Messsensorik nicht notwendig ist, sondern nur die Transformation der Beschleunigungswerte der einen Messsensorik in das Koordinatensystem der anderen Messsensorik. Wenn man die Messwerte des Inertialsystems 1 , bzw. 2 wie folgt bezeichnet:
Beschleunigungen in 1 : [axi , aYi , azi]
Drehraten in 1 : [rXi , rY1, rZi]
Beschleunigungen in 2: [ax2, aY2, aZ2]
Drehraten in 2: [rX2, rY2, rZ2] dann folgt: ax2 = axi + (Γγι2 + rZi2)*L + H*drY-i/dt - B*drZi/dt
aY2 = aYi + (rxi2 + rZi2)*L + L*drZi/dt - H*drxi/dt
aZ2 = aZi + (rx 2 + rY1 2)*L + B*drx1/dt - L*drY /dt
ΓΧ2 - Γχι Γγ2 - Γγι
Ι"Ζ2 = Γζΐ
Wobei die Variablen L, B und H wie in Fig. 1 gezeigt definiert sind.
Die lenkrad- bzw. lenksäulengebundene Messsensorik 2 liefert Beschleunigungen und Drehraten im xyz-Koordinatensystem: [ax2l ay2, aZ2] für die Beschleunigungen und [rx2, ry2, rz2] für die Drehraten. Die Umrechnung der Werte des XYZ-Koordinatensystems an der Position der Messsensorik 1 auf das xyz-Koordinatensystem an der Position der Messsensorik 2 erfolgt mittels der folgenden Transformation:
[3x2] [cos(a) 0 -sin(a)] [1 0 0 ] [aX2]
[ay2] = [ o 1 0 ] * [0 cos(6) +sin(5)] * [aY2]
[az2] [sin(a) 0 cos(cc) ] [0 -sin(5) 0 ] [aZ2]
[rx2] [cos(cc) 0 -sin(a)] [1 0 0 ] [ΓΧ2]
[ry2] = [ o 1 0 ] * [0 cos(5) +sin(5)] * [rY2]
[rz2] [sin(a) 0 cos(a) ] [0 -sin(5) 0 ] [rZ2]
Je nachdem, ob sich das Fahrzeug gerade mit Drehraten bewegt oder nicht, stehen entsprechend mehr oder weniger Gleichungen zur Verfügung, den Lenkwinkel δ zu bestimmen, wie es auch schon weiter oben beschrieben wurde.
Zur Überprüfung, ob die Bestimmung des Lenkwinkels δ korrekt ist, kann bei manchen Ausführungsformen noch zusätzlich die Neigung der Lenksäule, d.h. der Lenksäulenwinkel α bestimmt werden. Durch den Vergleich des ermittelten Lenksäulenwinkels α und dem aus der Fahrzeugkonstruktion bekannten Lenksäulenwinkel kann eine Abweichung festgestellt werden aus der auf einen Fehler geschlossen werden kann, bspw. wenn der ermittelte Lenksäulenwinkel ein rechter Winkel ist und die Lenksäule danach in den Himmel ragen würde. Weil Beschleunigungssignale bestimmte Rauschpegel aufweisen können, kann das rohe Ergebnis des Lenkwinkels verrauscht sein. Mittels Filterung kann die Signalqualität bei manchen Ausführungsformen auf Kosten der Phasenlage verbessert werden. Der Phasenverzug kann korrigiert werden, weil die Drehratenmesswerte die Lenkgeschwindigkeit zur Korrektur bereitstellen.
Bei anderen Ausführungsformen geschieht die Korrektur über Kaimanfilter oder andere dem Fachmann bekannte Filtermethoden.
In Fig. 2 ist ein Ablauf eines Verfahrens für die oben beschriebene Ausführungsform veranschaulicht. Zunächst wird das Fahrzeug mit einer ersten und zweiten Messsensorik, wie sie oben beschrieben wurden, an der Karosserie bzw. an der Lenksäule versehen, Schritt 20. Die Messsensorik an der Karosserie ist fest verbunden und kann keine Relativbewegung zur Karosserie ausführen. Die zweite Messsensorik ist fest an der Lenksäule und dreht sich mit der Lenkbewegung mit.
Dann messen die beiden Messsensoriken die Beschleunigungen und die Drehraten, die auf sie wirken, Schritt 21.
Als Nächstes wird die Bewegung, die bspw. von der Messsensorik an der Karosserie erfasst wird in das Koordinatensystem der Messsensorik an der Lenksäule transformiert, Schritt 22.
Außerdem wird die Zahl der Bewegungsfreiheitsgrade bestimmt, Schritt 23. Bei einer Lenksäule, die nicht in der Neigung verstellbar ist, gibt es nur den Freiheitsgrad der Drehung um einen Winkel δ. Ferner wird das - in diesem Fall überbestimmte - Bewegungsgleichungssystem aufgestellt, wobei dabei auch die Zahl der Bewegungsfreiheitsgrade berücksichtigt wird, Schritt 24. Mittels der in Schritt 21 erfassten Messsignale der ersten und zweiten Messsensorik wird in einem Schritt 25 das Bewegungsgleichungssystem gelöst.
Aus der Lösung des Bewegungsgleichungssystems wird der Lenkwinkel δ ermittelt, Schritt 26 und die Lenksäulenneigung, Schritt 27.
Die ermittelte Lenksäulenneigung wird auf Plausibilität geprüft, indem bspw. geprüft wird, ob sie in einem vorgegebenen Wertebereich liegt, in dem die Lenksäulenneigung konstruktionsbedingt sein kann, Schritt 28.
Wenn die Lenksäulenneigung außerhalb des Wertebereichs liegt, werden die Messwerte und das Ergebnis verworfen und das Verfahren beginnt von vorne.
In Fig. 3 ist schematisch eine Ausführungsform einer Messsensorik 100 zur vollständigen Bestimmung des Bewegungszustandes eines Fahrzeugbereiches, z.B. des Fahrzeugs selbst oder der Lenksäule gezeigt, wie sie auch in den oben beschriebenen Ausführungsformen zum Einsatz kommt.
Die Messsensorik 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 bzw. des Fahrzeugbereiches, in dem die Messsensorik angeordnet ist, im dreidimensionalen Raum. Die Signale werden von dem Beschleunigungssensor auf eine Signalleitung 150 gegeben, sodass diese von einem Mikroprozessor 130 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 bzw. des Fahrzeugbereiches im dreidimensionalen Raum. Auch der Drehratensensor 120 gibt die Signale an die Signalleitung 150. Der Mikroprozessor verarbeitet letztlich die Signale so, wie es weiter oben schon beschrieben wurde und wie es bspw. bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 geschieht. Bei Ausführungsformen mit extremen Qualitätsanforderungen an die Fahrzustandsbestimmung (z.B. augenblicklicher Fehlererkennung) kann zusätzlich für ein Drehrate und/oder Beschleunigung ein weiterer Sensor vorgesehen werden, der eine Redundanz ermöglicht mit der jeder Fehler eines beliebigen Sensors erkannt wird.
Bei manchen Ausführungsformen sind die Sensoren 110, 120, 130 der Messsensorik 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 sind die oben beschriebenen Verfahren bzw. Ausführungsformen in einem Fahrzeugregelsystem oder einem (Nachrüst- )Bausatz enthalten, wie es auch schon oben erläutert wurde.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Bestimmung des Fahrzustands eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Erfassen (21) von ersten Messsignalen einer ersten inertialen Messsensorik (1 , 100), wobei die erste inertiale Messsensorik in einem ersten Bereich des Fahrzeugs so angeordnet ist, dass sie keine Relativbewegung zum ersten Bereich des Fahrzeugs ausführt, und wobei die ersten Messsignale wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der ersten inertialen Messsensorik (1 , 100) im ersten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen;
Erfassen (21) von zweiten Messsignalen einer zweiten inertialen Messsensorik (2, 100), wobei die zweite inertiale Messsensorik in einem zweiten Bereich des Fahrzeugs angeordnet ist, der relativ zum ersten Bereich des Fahrzeugs beweglich ist, wobei sie so angeordnet ist, dass sie keine Relativbewegung zum zweiten Bereich des Fahrzeugs ausführt, und wobei die zweiten Messsignale wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der zweiten inertialen Messsensorik (2, 100) im zweiten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen;
Auswerten (22, 23, 24, 25) der ersten und zweiten Messsignale basierend auf dem funktionalen Zusammenhang zwischen der Bewegung der ersten inertialen Messsensorik und der Bewegung der zweiten inertialen Messsensorik; und
Basierend auf dem Ergebnis der Auswertung der ersten und zweiten Messsignale, Bestimmen (26) der relativen Orientierung der beiden inertialen Messsensoriken zueinander.
Verfahren nach Anspruch 1 , bei welchem die ersten Messsignale der dreidimensionalen Beschleunigung und/oder der dreidimensionalen Drehrate der ersten Messsensorik (1 , 100) im ersten Bereich des
Fahrzeugs entsprechen und/oder die zweiten Messsignale der dreidimensionalen Beschleunigung und/oder der dreidimensionalen
Drehrate der zweiten Messsensorik (2, 100) im zweiten Bereich des Fahrzeugs entsprechen.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem aus der Orientierung ein Relativwinkel, insbesondere ein Radlenkwinkel (δ), bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schritt des Auswertens der ersten und zweiten Messsignale eine Transformation (22) der Bewegung der ersten inertialen Messsensorik in das Koordinatensystem der zweiten inertialen Messsensorik umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schritt des Auswertens der ersten und zweiten Messsignale das Aufstellen (24) eines Bewegungsgleichungssystems für die Bewegung der ersten inertialen Messsensorik und die Bewegung der zweiten inertialen Messsensorik umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Bewegungsgleichungssystem überbestimmt ist. 7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der zweite Bereich des Fahrzeugs nur einen Bewegungsfreiheitsgrad hat und der Schritt des Bestimmens der relativen Orientierung das Bestimmen von wenigstens zwei Relativwinkeln umfasst. 8. Verfahren nach Anspruch 7, weiter die Schritte umfassend:
Vergleichen der wenigstens zwei Relativwinkelwerte miteinander; und Feststellen eines Fehlerzustandes, wenn die zwei Relativwinkelwerte eine Abweichung voneinander haben, die oberhalb eines Schwellwertes liegt. Bausatz für ein Fahrzeug zum Bestimmen einer relativen Orientierung zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich des Fahrzeugs, die relativ zu einander beweglich sind, umfassend:
eine erste inertiale Messsensorik (1 , 100) zum Anordnen in dem ersten Bereich des Fahrzeugs, die dazu ausgelegt ist, erste Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der ersten inertialen Messsensorik (1 , 100) im ersten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die erste inertiale Messsensorik (1 , 100) im ersten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum ersten Bereich des Fahrzeugs ausführt;
eine zweite inertiale Messsensorik (2, 100) zum Anordnen in dem zweiten Bereich des Fahrzeugs, wobei der zweite Bereich relativ zum ersten beweglich ist, wobei die zweite inertiale Messsensorik dazu ausgelegt ist, zweite Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der zweiten inertialen Messsensorik (2, 100) im zweiten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die zweite inertiale Messsensorik (2, 100) im zweiten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum zweiten Bereich des Fahrzeugs ausführt; und
eine Auswerteeinheit (130), die die Signale der ersten (1 , 100) und zweiten (2, 100) inertialen Messsensorik auswertet und eine relative Orientierung zwischen der ersten und der zweiten inertialen Messsensorik bestimmt.
Bausatz nach Anspruch 9, bei dem die Auswerteeinheit (130) dazu ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
11. Bausatz nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem das Fahrzeug ein Lenksystem aufweist und die zweite inertiale Messsensorik (2, 100) in einem Bereich des Lenksystems anbringbar ist und die Auswerteeinheit einen Lenkwinkel des Fahrzeugs ermittelt.
12. Bausatz nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem das Fahrzeug ein Zugfahrzeug und einen Anhänger aufweist und die zweite inertiale Messsensorik an dem Anhänger anbringbar ist und die Auswerteeinheit einen Knickwinkel zwischen Zugfahrzeug und Anhänger ermittelt.
13. Bausatz nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem die zweite inertiale Messsensorik an einem Rad des Fahrzeugs anbringbar ist und die Auswerteeinheit (130) einen Spur- und/oder Sturzwinkel ermittelt.
14. Bausatz nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem das Fahrzeug ein Gelenkfahrzeug mit einem ersten und einem zweiten Fahrzeugteil ist und die erste inertiale Messsensorik im ersten Fahrzeugteil und die zweite inertiale Messsensorik im zweiten Fahrzeugteil anbringbar ist und die Auswerteeinheit (130) einen Knickwinkel zwischen dem ersten und dem zweiten Fahrzeugteil ermittelt.
15. Bausatz nach einem der Ansprüche 9 bis 14, der weiter wenigstens ein erstes Modul umfasst, das die erste inertiale Messsensorik (1 , 100) aufweist und ein zweites Modul umfasst, das die zweite inertiale Messsensorik (1 , 100) und die Auswerteeinheit (130) aufweist, wobei sowohl das erste als auch das zweite Modul dazu ausgelegt sind, über ein Bussystem miteinander zu kommunizieren.
16. Fahrzeugregelsystem, umfassend:
eine erste inertiale Messsensorik (1 , 100) zum Anordnen in einem ersten Bereich des Fahrzeugs, die dazu ausgelegt ist, erste Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder wenigstens einer Drehratenkomponente der ersten inertialen Messsensorik (1 , 100) im ersten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die erste inertiale Messsensorik (1 , 100) im ersten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum ersten Bereich des Fahrzeugs ausführt;
eine zweite inertiale Messsensorik (2, 100) zum Anordnen in einem zweiten Bereich des Fahrzeugs, wobei der zweite Bereich relativ zum ersten beweglich ist, wobei die zweite inertiale Messsensorik dazu ausgelegt ist, zweite Messsignale auszugeben, die wenigstens einer Beschleunigungskomponente im dreidimensionalen Raum und/oder einer Drehratenkomponente der zweiten inertialen Messsensorik (2, 100) im zweiten Bereich des Fahrzeugs im dreidimensionalen Raum entsprechen, wobei die zweite inertiale Messsensorik (2, 100) im zweiten Bereich des Fahrzeugs so anbringbar ist, dass sie keine Relativbewegung zum zweiten Bereich des Fahrzeugs ausführt; und
eine Steuerung (130), die dazu ausgelegt ist, die Signale der ersten und zweiten inertialen Messsensorik auszuwerten und eine relative Orientierung zwischen der ersten und der zweiten inertialen Messsensorik zu bestimmen.
17. Fahrzeugregelsystem nach Anspruch 16, bei dem die Steuerung dazu ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
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