WO2022012874A1

WO2022012874A1 - Verfahren zur prüfung der eignung einer solltrajektorie für eine trajektorienregelung eines fahrzeugs

Info

Publication number: WO2022012874A1
Application number: PCT/EP2021/066820
Authority: WO
Inventors: Roland Werner; Florian Bastien Dumas; Christoph Dörr; Stefan SELLHUSEN
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: CN115768673B; KR20230013262A; JP2023527590A; DE102020118706B4; JP7336051B2; US12263855B2; US20230286523A1; CN115768673A; DE102020118706A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Eignung einer Solltrajektorie für eine Trajektorienregelung eines Fahrzeugs (1), wobei die Solltrajektorie Streckeninformationen über den Verlauf einer abzufahrenden Strecke und Dynamikinformationen über die Dynamik, mit der die Strecke abgefahren werden soll, enthält, wobei eine Steigung (λ), eine Querneigung (η) und ein Reibwert (µmax) einer Fahrbahn entlang der Solltrajektorie sensorisch oder aus Kartendaten ermittelt oder geschätzt werden, wobei basierend auf Modellgleichungen des Fahrzeugs (1) aus den Strecken- und Dynamikinformationen der Solltrajektorie und aus der ermittelten Steigung (λ) und Querneigung (η) zum Abfahren der Solltrajektorie erforderliche Sollwerte einer Sollzugkraft, einer Sollzugleistung, einer Solllenkleistung und horizontaler Sollreifenkräfte an einzelnen Rädern des Fahrzeugs (1) berechnet werden, wobei die Solltrajektorie als für die Trajektorienregelung geeignet bewertet wird, wenn: - die Sollzugkraft und Sollzugleistung unterhalb einer vorgegebenen Zugkraftkennlinie beziehungsweise Zugleistungskennlinie liegen, - die Solllenkleistung unterhalb eines vorgegebenen Leistungslimits der Lenkung liegt und - die horizontalen Sollreifenkräfte an jedem Rad innerhalb der durch den Reibwert (µmax) bestimmten Reibwertgrenzen liegen, wobei die Solltrajektorie anderenfalls als ungeeignet bewertet wird.

Description

Verfahren zur Prüfung der Eignung einer Solltrajektorie für eine Trajektorienregelung eines Fahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Eignung einer Solltrajektorie für eine Trajektorienregelung eines Fahrzeugs gemäß Anspruch 1.

In manuell geführten Fahrzeugen übernimmt der Fahrer die Aufgabe der Trajektorienplanung, das heißt er bestimmt auf welchem Pfad er sich wann und mit welcher Geschwindigkeit bewegen möchte. Bei der Trajektorienplanung berücksichtigt der Fahrer dabei die Eigenschaften der Fahrbahn vor dem Fahrzeug so wie das erlernte Wissen über die zu erwartende Fahrzeugreaktion. Mit dieser Information plant der Fahrer eine Trajektorie, welcher das Fahrzeug erfahrungsgemäß folgen wird, das heißt die Trajektorie ist fahrbar.

Die DE 10050421 A1 offenbart ein Fahrdynamik-Regelverfahren eines insbesondere vierrädrigen Kraftfahrzeuges, wobei das zwischen Rädern und Fahrbahn zur Verfügung stehende Kraftschluss-Potential ermittelt und durch Vergleich mit der ebenfalls ermittelten momentanen Kraftschluss-Ausnutzung einer Kraftschluss-Reserve bestimmt wird. Erfindungsgemäß werden neben den in der Horizontalebene wirkenden Kräften zusätzlich die Vertikalbewegungen des Kraftfahrzeug-Aufbaus gegenüber den Rädern bei der Bestimmung der Kraftschluss-Reserve berücksichtigt. Bevorzugt wird durch Multiplikation der in Vertikalrichtung orientierten Radlast mit einem geschätzten oder mittels eines Sensors ermittelten Reibwert zwischen Radreifen und Fahrbahn die vom Radreifen maximal übertragene Horizontalkraft ermittelt, woraus mit den geeignet geschätzten aktuellen Werten für die in der Horizontalebene wirkende Längskraft und Seitenkraft die Kraftschluss-Reserven in Fahrzeug-Längsrichtung und in Fahrzeug-Querrichtung und in Vertikalrichtung ermittelt werden. Dann können die ermittelten Kraftschluss-Reserven einem sog. Kraftschlussregler übermittelt werden, der unter Berücksichtigung des gewünschten Fahrmanövers eine günstige Nutzung des aktuellen Kraftschlussangebotes veranlasst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Prüfung der Eignung einer Solltrajektorie für eine Trajektorienregelung eines Fahrzeugs anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Prüfung der Eignung einer Solltrajektorie für eine Trajektorienregelung eines Fahrzeugs gemäß Anspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Prüfung der Eignung einer Solltrajektorie für eine Trajektorienregelung eines Fahrzeugs enthält die Solltrajektorie Streckeninformationen über den Verlauf einer abzufahrenden Strecke und Dynamikinformationen über die Dynamik, mit der die Strecke abgefahren werden soll. Erfindungsgemäß werden eine Steigung, eine Querneigung und ein Reibwert einer Fahrbahn entlang der Solltrajektorie sensorisch und/oder aus Kartendaten ermittelt und/oder geschätzt. Falls einige Werte nicht sensorisch ermittelt werden können, werden diese beispielsweise aus Kartendaten entnommen. Falls die Werte weder direkt gemessen noch direkt aus Kartendaten entnommen werden können, werden die Werte geschätzt, beispielsweise anhand von Sensorinformationen oder Kartendaten. Basierend auf Modellgleichungen des Fahrzeugs werden aus den Strecken- und Dynamikinformationen der Solltrajektorie und aus der ermittelten Steigung und Querneigung zum Abfahren der Solltrajektorie erforderliche Sollwerte einer Sollzugkraft, einer Sollzugleistung, einer Solllenkleistung und horizontaler Sollreifenkräfte an einzelnen Rädern des Fahrzeugs berechnet, wobei die Solltrajektorie als für die Trajektorienregelung geeignet bewertet wird, wenn:

- die Sollzugkraft und Sollzugleistung unterhalb einer vorgegebenen Zugkraftkennlinie beziehungsweise Zugleistungskennlinie liegen,

- die Solllenkleistung unterhalb eines vorgegebenen Leistungslimits der Lenkung liegt und

- die horizontalen Sollreifenkräfte an jedem Rad innerhalb der durch den Reibwert bestimmten Reibwertgrenzen liegen, wobei die Solltrajektorie anderenfalls als ungeeignet bewertet wird.

In einer Ausführungsform wird das Verfahren auf jede Solltrajektorie aus einer vorgegebenen Schar von Solltrajektorien angewendet. In einer Ausführungsform wird jede als ungeeignet bewertete Solltrajektorie als ungültig verworfen.

In einer Ausführungsform werden die Zugkraftkennlinie und die Zugleistungskennlinie aus jeweiligen Look-up-Tabellen entnommen.

In einer Ausführungsform berücksichtigen die Zugkraftkennlinie und die Zugleistungskennlinie Degradationserscheinungen eines Antriebsstrangs.

In einer Ausführungsform erfolgt eine quantitative Bewertung der Ausnutzung des Reibwertpotentials.

In einer Ausführungsform werden auch Degradationserscheinungen einer Lenkungsaktorik berücksichtigt.

In einer Ausführungsform beruhen die Modellgleichungen des Fahrzeugs auf einem quasistationären Modellansatz.

In einer Ausführungsform erfolgt in einem ersten Schritt eine Umrechnung von Größen der Solltrajektorie sowie der Steigung und Querneigung in Fahrzeuggrößen mittels der Modellgleichungen.

In einer Ausführungsform werden die Sollzugkraft und die Sollzugleistung für ein Schwerkraftzentrum des Fahrzeugs berechnet.

Die vorgeschlagene Erfindung löst das Problem der Fahrbarkeitsbestimmung für autonome Fahrzeuge.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Eignung einer Solltrajektorie für eine Trajektorienregelung eines Fahrzeugs, wobei die Solltrajektorie Streckeninformationen über den Verlauf einer abzufahrenden Strecke (Sollposition, Sollkrümmung, Sollkrümmungsänderung) und Dynamikinformationen über die Dynamik (Sollgeschwindigkeit, Sollbeschleunigung), mit der die Strecke abgefahren werden soll, enthält. Erfindungsgemäß werden die Steigung l, die Querneigung h und der Reibwert m_b der Fahrbahn entlang der Solltrajektorie (sensorisch oder aus Kartendaten) ermittelt oder geschätzt. Weiterhin werden, basierend auf Modellgleichungen des Fahrzeugs, aus den Strecken- und Dynamikinformationen der Solltrajektorie und aus der ermittelten Steigung l und Querneigung h die zum Abfahren der Solltrajektorie erforderlichen Sollwerte der Antriebskraft (Sollzugkraft F_{traction,demand}), der Antriebsleistung (Sollzugleistung P_{traction,demand}), der Lenkleistung (Solllenkleistung P_steering,max) und der horizontalen Sollreifenkräfte an den einzelnen Rädern (Längs-Sollreifenkräfte F_XT,i, Quer- Sollreifenkräfte F_YT,i) berechnet. Die Solltrajektorie wird als für die Trajektorienregelung geeignet bewertet, wenn eine Prüfung ergibt, dass

- die Sollzugkraft und Sollzugleistung unterhalb einer vorgegebenen Zugkraftkennlinie bzw. Zugleistungskennlinie liegen,

- die horizontalen Sollreifenkräfte an jedem Rad innerhalb der durch den Reibwert p_max bestimmten Reibwertgrenzen (maximales zur Verfügung stehendes Kraftschlusspotential, Kraftschlussellipse) liegen.

Andernfalls wird die Solltrajektorie als für die Trajektorienregelung ungeeignet bewertet. Vorteilhafterweise wird das Verfahren auf jede Solltrajektorie aus einer vorgegebenen Schar von Solltrajektorien angewendet. Jede als ungeeignet bewertete Solltrajektorie wird als ungültig verworfen. Die Zugkraftkennlinie und Zugleistungskennlinie werden vorteilhafterweise aus einer Look-up-Tabelle entnommen und berücksichtigen eventuelle Degradationserscheinungen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, die eingerichtet ist, ein Verfahren wie oben beschrieben auszuführen. Insbesondere kann die Vorrichtung eine Datenverarbeitungseinrichtung umfassen, beispielsweise ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs mit verschiedenen Achsensystemen, Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs von hinten mit verschiedenen Achsensystemen,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs mit verschiedenen Achsensystemen,

Fig. 4 schematisch Rotationen von Achsensystemen,

Fig. 5 eine schematische Ansicht des Fahrzeugs, wobei die Rollachse, das vordere Rollzentrum und das hintere Rollzentrum dargestellt sind,

Fig. 6 eine schematische Ansicht des Fahrzeugs,

Fig. 7 eine schematische Ansicht des Fahrzeugs mit Vorder- und Hinterachskräften und -momenten,

Fig. 8 eine schematische Ansicht der Vorderachse mit Reifenkräften, Chassis- Reaktions-Kräften und dem Chassis-Reaktions-Moment,

Fig. 9 schematische Ansichten von Look-up-Tabellen,

Fig. 10 eine schematische Ansicht einer Reifenkräfte-Ellipse, und

Fig. 11 eine schematische Detailansicht einer funktionalen Architektur einer Vorrichtung zur modellbasierten Fahrbarkeitsprüfung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die vorliegende Erfindung betrifft die Einschätzung der Fahrbarkeit aller gewünschten Trajektorien aus einer Anzahl von Trajektorienkandidaten, die als horizontale Trajektorien in erdfesten Koordinaten angegeben sind, wobei Fahrbarkeitslimits für Trajektorien typischerweise in Fahrzeug- und Fahrbahngrößen angegeben werden. Beispiele sind das Reibungspotential, das die maximal erreichbaren horizontalen Reifenkräfte begrenzt und die Antriebskräfte und Leistungsgrenzen im Antriebsstrang, die die mögliche Beschleunigung begrenzen. Zur Überprüfung gegenüber diesen Grenzen ist es erforderlich, die zugeordneten Fahrzeuggrößen aus den gewünschten Trajektorien zu berechnen. Vorliegend wird ein quasistationärer (QSS) Modellansatz gewählt, um sowohl Reifenkräfte als auch Antriebskraft und Leistungsanforderungen aus einer gegebenen, gewünschten Trajektorie zu berechnen. Vorliegend wurde beispielhaft eine Anzahl von 1000 gewünschten Trajektorienkandidaten von 10 s Länge verwendet, die alle 100 ms evaluiert wurden. Daher ist die Laufzeit ein wichtiger Punkt und der Hauptgrund für die Wahl eines quasistationären Modellansatzes anstatt beispielsweise eines dynamischen Modells, welches genaueres Sampling und Lösen der gewöhnlichen Differentialgleichungen dieses Modells erfordert.

Die im Folgenden verwendeten Achsensysteme folgen ISO 8855:2011. Die wichtigsten Achsensystems sind unten angegeben. Eine graphische Übersicht über relevante orthogonale Achsensysteme, kinematische Eigenschaften, Kräfte und Momente ist in Figuren 1, 2 und 3 gezeigt.

Das Fahrzeugachsensystem (X_v, Yv, Z_v) ist ein Achsensystem, dass im Referenzrahmen der gefederten Fahrzeugmasse verankert ist, so dass die X_v-Achse im Wesentlichen horizontal und nach vorn ausgerichtet (wenn das Fahrzeug 1 im Stillstand ist) und parallel zur Symmetrie-Längsebene des Fahrzeugs 1 ist. Die Yv-Achse ist rechtwinklig zur Symmetrie-Längsebene des Fahrzeugs 1 und zeigt nach links, wobei die Z_v-Achse nach oben zeigt. Der Ursprung des zugehörigen Fahrzeug-Koordinatensystems (x_v, yv, z_v) befindet sich bei statischer Referenzlastbedingung in der Mitte der Vorderachse.

Das erdfeste Achsensystem (X_E, Y_E, Z_e) ist ein Achsensystem, das im Trägheitsreferenzrahmen festgelegt ist. X_E und Y_E sind parallel zur Ebene des Untergrunds. Z_E zeigt nach oben und ist am Schwerkraftvektor ausgerichtet. Das zugeordnete erdfeste Koordinatensystem (x_E, y_E, z_E) hat seinen Ursprung in der Ebene des Untergrunds.

Das zwischengeschaltete horizontierte Achsensystem (X, Y, Z) ist ein Achsensystem, dessen X- und Y-Achsen parallel zur Ebene des Untergrunds sind, wobei die X-Achse auf die vertikale Projektion der Xv-Achse auf die Ebene des Untergrunds ausgerichtet ist. Der Ursprung des zugeordneten Koordinatensystems (x, y, z) fällt mit dem Ursprung des Fahrzeug-Koordinatensystems zusammen.

Das Fahrbahn-Ebenen-Achsensystem (X_R, Y_R, Z_R) ist ein Achsensystem, dessen X_R- und Y_R-Achsen parallel zur Fahrbahn-Ebene liegen, wobei die X_R-Achse auf die vertikale Projektion der X_v-Achse auf die Fahrbahn-Ebene ausgerichtet ist. Der Ursprung des zugeordneten Fahrbahn-Koordinatensystems (x_R, y_R, z_R) fällt mit dem Ursprung des Fahrzeug-Achsensystems zusammen. Die Fahrbahnebene ist ein Best-Fit durch die vier Kontaktstellen der Reifen.

Das Reifen-Achsensystem (X_T,1R, Y_T,1R ,Z_T,1R) für das rechte Vorderrad 1 R, das Reifen- Achsensystem (X_{T,1 L}, Y_{T,1 L}, Z_T,_{1 L}) für das linke Vorderrad 1L, das Reifen-Achsensystem (XT,2R, YT,2R,Z_T,2R) für das rechte Hinterrad 2R und das Reifen-Achsensystem (X_T,2L, Y_T,2L, Z_T,2L) für das linke Hinterrad 2L sind Achsensysteme, deren X_T- und Y_T-Achsen parallel zur Fahrbahnebene liegen, wobei die Z_T-Achse normal zur Fahrbahnebene ausgerichtet ist, wobei die Ausrichtung der X_T-Achse durch den Schnitt der Radebene und der Fahrbahnebene definiert ist, wobei die positive Z_T-Achse nach oben zeigt. Figur 1 zeigt ferner den Neigungswinkel Q (negativ dargestellt) und den Fahrbahn-Steigungswinkel l (negativ dargestellt) gemäß ISO 8855:2011. F_{X R,Cg}, F_{Y R,Cg} und F_{Z R,cg} sind beliebige Kraftvektor-Komponenten, die mit dem Fahrbahn-Achsensystem ausgerichtet und am Schwerkraftzentrum des Fahrzeugs 1 wirksam sind. M_{X R,Cg}, M_{Y R,cg}, M_{Z R,cg} sind beliebige Drehmoment-Vektoren-Komponenten, die mit dem Fahrbahn-Achsensystem ausgerichtet sind.

Figur 2 zeigt ferner einen Wankwinkel φ (positiv dargestellt, Rotation um die X_v-Achse), den Fahrzeug-Wankwinkel φ _v (positiv dargestellt, Rotation um die X-Achse) und den Fahrbahnebenen-Sturzwinkel h (positiv dargestellt, Rotation um die X-Achse) gemäß ISO 8855:2011.

Figur 3 zeigt ferner den Gierwinkel y (positiv dargestellt, von der X_E-Achse zur X-Achse, um Z_E) und die linken und rechten vorderen Lenkwinkel σ_1L, σ_1R (positiv dargestellt, Winkel von der Xv-Achse zur Radebene, um die Z_v-Achse) gemäß ISO 8855:2011.

Beschleunigung und Geschwindigkeit von Trajektorienkandidaten, die durch die Trajektionorienplanung bereitgestellt sind, werden als Projektionen der gewünschten Hinterachsbewegung in die zwischengeschaltete X-Y-Ebene angegeben. Damit sie als Eingangsgrößen eines Modells nutzbar sind, müssen diese Eigenschaften zu Beschleunigungen und Geschwindigkeiten konvertiert werden, die die Bewegung des Schwerkraftzentrums in der durch X_R-Y_R gegebenen Fahrbahnebene beschreiben. Die zugehörigen Koordinatentransformationen zwischen den Koordinatensystemen (x, y, z) and (x_R, y_R, z_R) werden in diesem Abschnitt abgeleitet. Figur 1 zeigt die zugehörigen Rotationen. Man beachte, dass die als Eingangsgrößen bereitgestellten Winkel Fahrbahnebenen-Steigung l (Gefälle) und Fahrbahnebenen- Sturzwinkel h (Querneigung) sind, die nicht gleich den Rotationswinkeln sind, die für die Achsenrotationen benötigt werden. Aus Figur 1 können die folgenden Merkmale entnommen werden:

Figur 4 zeigt die Rotationen der Achsen, die den Fahrbahnebenen-Steigungswinkel l und den Fahrbahnebenen-Sturzwinkel h ins Verhältnis setzen:

1. Das Rotieren des zwischengeschalteten horizontierten Achsensystems (X, Y, Z) um den Winkel η_{x R} um X führt zu einem Hilfs-Achsensystem (X‘, Y‘, Z‘).

2. Das Rotieren des Hilfs-Achsensystems (X‘, Y‘, Z‘) um Y (!) um den Winkel l ergibt das Fahrbahn-Achsensystem (X_R, Y_R, Z_R). Man bemerke, dass die Rotation um die originale Y-Achse erfolgt, nicht um Y‘, was anders ist als die üblichen Euler- Winkel- oder Tait- Bryan-Winkel-Rotationen, die Rotationen um die resultierenden Achsensysteme hervorrufen. l und h sind die Winkel zwischen X_R, Y_R und deren jeweiliger Projektion in der horizontalen Ebene. Diese Projektionen bilden kein orthogonales Paar von Vektoren.

Um Koordinatentransformationen (oder passive Transformationen wie in M.J.

Benacquista, J.D. Romano, Classical Mechanics, Springer, Cham, CH, 2018, pp. 193) zwischen (x, y, z) und (x_R, y_R, z_R) zu definieren, ist es möglich zwischen intrinsischen und extrinsischen Rotations-Matrizen zu unterscheiden (siehe M.J. Benacquista, J.D.

Romano, Classical Mechanics, Springer, Cham, CH, 2018, pp. 200), welche entweder mit relativ zum rotierten Körper (intrinsisch) oder mit im Raum festgelegten Achsen (extrinsisch) definiert sind. Die Rotationen in Figur 4 sind als eine Abfolge extrinsischer Rotationen angegeben:

1. Rotieren um X um den Winkel η_{X R}.

2. Rotieren um Y um den Winkel λ.

Unter Anwendung von M.J. Benacquista, J.D. Romano, Classical Mechanics, Springer, Cham, CH, 2018 ist dies äquivalent zu den intrinsischen Rotationen:

1. Rotieren um Y um den Winkel λ,

2. Rotieren um X₀ (!) um den Winkel η_{X R}.

Daher kann die Koordinatentransformation T _IR von (x, y, z) nach (x_R, y_R, z_R) unter Verwendung von zwei Rotationsmatrizen für intrinsische Rotationen angegeben werden, zum Beispiel:

Durch Kombination beider Transformationsmatrizen ist T _IR gegeben durch:

Das Ersetzen von η_{X R} durch Gleichung (12) ergibt:

Die Koordinatentransformation T_ER von erdfesten Koordinaten (x_E, Y_E, z_E) Zu Fahrbahnebenen-Koordinaten (x_R, y_R, z_R) kann durch Erweiterung von Gleichung (14) gefunden werden:

Hierbei bezeichnet T_ZE die Matrix in Rechts-Rotation um Z_E um den Winkel y (vergl.

Figur 3) verbunden mit einer Koordinatentransformation von erdfesten Koordinaten (x_E, y_E, z_E) zu Zwischenkoordinaten (x, y, z), wie es in D.T. Greenwood, Principles of Dynamics, Prentice Hall, Upper Saddle River, US-NJ, 2nd edition, 1988, pp. 357 zu finden ist. Mit der Kombination aller Transformationsmatrizen ist T_ER gegeben durch:

Die Matrix in Gleichung (18) enthält zur besseren Lesbarkeit einen Zeilenumbruch, wobei die erste Spalte vor dem Zeilenumbruch und die zweite und dritte Spalte nach dem Zeilenumbruch dargestellt sind.

Für die quasistationären Fahrzeugbeschreibungen wird als Modellannahme ein Doppelspurmodell in Bewegung angenommen. hie folgenden Aspekte werden berücksichtigt:

• Seitenbeschleunigung in Kurven

• Längsbeschleunigung infolge von Fahren und Bremsen

• aerodynamischer Zug

• aerodynamischer Auftrieb

• Rollmomentverteilung zwischen Vorderachse und Hinterachse

• stationärer Einfluss von Querneigung und Gefälle

• Rollwiderstand (nur der Einfluss des erforderlichen Motormoments)

Die folgenden Aspekte werden vernachlässigt:

• Roll- und Nickbewegung der Aufhängung

• Schnelle Veränderungen von Querneigung und Gefälle

• Unterschiede zwischen Gesamtmasse und gefederter Masse

• asymmetrische seitliche Lastbedingungen

• Einfluss von ABS, ASR und ESP (das heißt das Modell ist eine leicht konservative Beschreibung der Fahrzeugfähigkeiten)

• Unterschiede in linken und rechten Antriebs- und Bremskräften (das heißt kein Torque Vectoring und kein m-split)

• Langsame Kurvenfahrt und Parkmanöver

Figur 5 ist eine schematische Ansicht des Fahrzeugs 1 in der X_R-Z_R-Ebene, wobei die Rollachse RA, das vordere Rollzentrum FRC und das hintere Rollzentrum RRC dargestellt sind. h_cg bezeichnet die Höhe des Schwerkraftzentrums, l_f den Abstand des Schwerkraftzentrums zur Vorderachse und I den Radstand. F_{X R,f}, F_{Z R,f}, F_{X R r}, F_{Z R,r} sind Achskräfte und F_{x R,R, 1} , F_{Z R,R, 1}, F_{X R,L1}, F_{Z R,L1}, F_{X R,R2}, F_{Z R,R2}, F_{X R,L2,} F_{Z R,L2} sind Reifenkräfte. F_{X R,cg} und F_{Z R,cg} sind beliebige Kraftvektor-Komponenten, die mit dem Fahrbahnebenen- Achssystem am Schwerkraftzentrum des Fahrzeugs 1 ausgerichtet sind. M_{Y R,cg} ist eine beliebige Drehmomenten-Vektor-Komponente, die mit dem Fahrbahnebenen-Achssystem ausgerichtet ist.

Aus Figur 5 ist ersichtlich, dass die Gleichgewichtskräfte in Z_R-Richtung sich wie folgt ergeben: F_{Z R,r} + F_{Z R,r} + F_{Z R,cg} = 0. (19)

Das Gleichgewicht der Momente um Y_R an der Vorderachse auf Bodenniveau ist:

Fz R,r · I + F_{Z R,cg}· If + F_XR,cg·h +Mg _{R c}g — 0. (20) Aus (20) folgt:

(21)

und Einsetzen in Gleichung (19) führt zu:

(22)

Die Plausibilität kann leicht gesehen werden durch Einsetzen von zum Beispiel F_{Z R,cg} = -m g und F_{X R,cg} = -m a_{X R}.

Hinweis: Radlastübergang während Beschleunigung und Bremsen wird wegen Symmetrie als gleichförmig auf das linke und rechte Rad verteilt angenommen. Daher muss in (21) und (22) kein Nickzentrum und keine Nickmomentverteilung berücksichtigt werden. Allerdings wird die Rollmomentverteilung in den folgenden Abschnitten berücksichtigt.

Figur 6 zeigt eine schematische Ansicht des Fahrzeugs 1 in der X_R-Y_R-Ebene.

F_{X R,f} , F_{Y R,f} , F_{X R,r}, F_{Y R,r} sind Achskräfte. F_{X R,Cg}, F_{Y R,Cg} und F_{Z R,Cg} sind beliebige Kraftvektorkomponenten, die mit dem Fahrbahnebenen-Achssystem ausgerichtet und am Schwerkraftzentrum des Fahrzeugs 1 wirksam sind. M_{X R,cg}, M_{Y R,Cg}, M_{Z R,cg} sind beliebige Drehmomenten-Vektor-Komponenten, die mit dem Fahrbahnebenen-Achssystem ausgerichtet sind.

Aus Figur 6 ist ersichtlich, dass die Gleichgewichtskräfte in Y_R-Richtung sich wie folgt ergeben:

(23)

Das Momentengleichgewicht um Z_R an der Vorderachsmitte ist:

(24)

Linke und rechte Brems- und Antriebskräfte werden als gleich angenommen und tragen daher nicht zum Momentengleichgewicht um Z_R bei. Daher folgt aus (24), dass

(25)

und das Einsetzen dieser Gleichung in (25) führt zu

In X_R-Richtung gilt:

F_XR,r + F_{x R,r} + Fx _R,cg = 0. (27)

F_XR,r und F_XR,f werden durch Antriebs- und Bremsmomentverteilung bestimmt.

Figur 7 ist eine schematische Ansicht des Fahrzeugs 1 in der Y_R-Z_R-Ebene mit den Vorder- und Hinterachskräften F_{Y R,f} , F_YR,r und -momenten M_XR,f , M_XR,r. F_YR,Cg, und F_ZR,cg sind beliebige Kraftvektorkomponenten, die mit dem Fahrbahnebenen-Achssystem ausgerichtet und am Schwerkraftzentrum des Fahrzeugs 1 wirksam sind. M_XR,Cg ist eine beliebige Drehmomenten-Vektor-Komponente, die mit dem Fahrbahnebenen-Achssystem ausgerichtet ist. h_cg bezeichnet die Höhe des Schwerkraftzentrums und h_rcg ist die Höhe des Rollzentrums RC_cg an der x_R-Position des Schwerkraftzentrums.

Das Momentengleichgewicht um die X_R-Achse kann aus Figur 7 entnommen werden, welche die Vorder- und Hinterachskräfte F_YR,f , F_YR,r und -momente M_XR,f , M_XR,r sowie auch beliebige Kräfte und Momente, die am Schwerkraftzentrum wirksam sind, darstellt. Wenn das Rollzentrum RC_cg an der x_R-Position des Schwerkraftzentrums verwendet wird, um das Momentengleichgewicht um X_R auszudrücken, dann folgt, dass:

Mit der Einführung von M_XRf+r kann dies umgestellt werden als:

Mx_R,f+r = (h_cg ^_ h_rcg) F_YR,cg ^_ M_{X R,cg} . (29)

Figur 8 ist eine schematische Ansicht der Vorderachse in der Y_R-Z_R-Ebene mit den Reifenkräften F_{YR, L}, F_ZR,1L, F_YR,1R, F_ZR,1R, Chassis-Reaktions-Kräften F_YR,1, F_ZR,1 und dem Chassis-Reaktions-Moment M_XR,1. h_rf bezeichnet die Höhe des Rollzentrums der Vorderachse FRC und b_f ist die Spurweite der Vorderachse. Man beachte, dass die Reifenkräfte F_YR,1L und F_YR,1R immer noch als Vektorkomponenten in Fahrbahnebenen- Koordinaten angegeben sind, die nicht mit F_{Y T,1 L} und F_{Y T,1R} in Reifenkoordinaten übereinstimmen.

Wenn man eine Rollmomentenverteilung einführt, die den Einfluss der Steifheiten der Aufhängung und des Stabilisators zusammenfasst, ist es möglich, die Rollmomente der Vorder- und Hinterachse zu erhalten, die durch den Versatz zwischen dem Schwerkraftzentrum und der Rollachse verursacht werden:

Da die Rollmomentverteilung und die Achskräfte verfügbar sind, ist es möglich, die vertikalen Reifenkräfte zu berechnen wie in Figur 8 dargestellt.

Das Kräftegleichgewicht in Z_R- und Y_R-Richtung ergibt:

Das Momentengleichgewicht um die Symmetrieachse auf Fahrbahnebenen-Niveau ergibt:

Mit Newtons drittem Gesetz werden die Chassis-Reaktions-Kräfte und die Achskräfte wie folgt ins Verhältnis gesetzt:

Die Anwendung dessen und (32) bis (37) führt zu:

Die Lösung von (41) und (43) sowohl für F_ZR,1L, F_ZR,1R als auch für F_ZR,2L, F_ZR,2R und das anschließende Einsetzen der Ergebnisse in (45) und (46) ergibt:

Einsetzen von (22), (26) und (30) in (49) und (52) ergibt:

Einsetzen von (21), (25) und (31) in (55) und (58) ergibt:

F_{Z R},_{1 L}, F_{Z R,1 R}, F_{Z R,2L,} F_{Z R,2R} in den oben angegebenen Gleichungen müssen auf Werte >= 0 begrenzt werden, da negative Kräfte infolge des Anhebens des Rads nicht möglich sind.

Um die seitliche Reifenkraftverteilung und die maximalen horizontalen Reifenkräfte zu berechnen wird das Konzept der effektiven Radlasten eingeführt. Maximale horizontale Reifenkräfte erhöhen sich nicht linear mit der Radlast, sondern zeigen ein leicht degressives Verhalten. Das bedeutet, dass zwei gleichförmig belastete Räder zusammen eine höhere maximale horizontale Reifenkraft aufbringen als zwei ungleichförmig belastete Räder, auch wenn sie dieselbe Summe vertikaler Kräfte aufweisen. Es gibt verschiedene Ansätze dieses Verhalten zu modellieren. Hier wird ein Ansatz nach R. Orend, Modelling and Control ofa vehicle with single-wheel Chassis actuators, IFAC Proceedings Volume 38, Issue 1, Pages 79-84, 2005 verwendet, der die effektiven Radlasten F_ZT,eff,i wie folgt einführt:

wobei 0 ≤ k_FZ ≤ 1 einen empirischen Radlast-Degressions-Faktor und F_ZT,N,i die nominale Radlast bezeichnet.

Wenn nur longitudinale oder nur seitliche Reifenkräfte vorausgesetzt werden, können die jeweiligen Spitzenkräfte wie folgt modelliert werden:

wobei μ_max das Reibwertpotenzial und μ_ql das Verhältnis von seitlichem Grip zu longitudinalem Grip bezeichnet, welches anisotrope Reifenkrafteigenschaften modelliert.

Um die horizontalen Reifenkräfte in X_R-Richtung zu berechnen, werden die Definition

F_{x R,r+f} F_{x R ,r} + F_{x R ,f} (70) und (27) verwendet, um Folgendes zu bilden:

Fx R,r+f := F_{x R ,r} + F_{x R ,f} = -F_{x R,cg}. (71)

Wenn man die Antriebs- und Bremsmomentverteilungen Y_d und Y einführt, die zusammen als γ_{d |b} bezeichnet werden, dann sind die Vorderachsen- und Hinterachsenkräfte in X_R-

Richtung wie folgt gegeben:

Unter der Annahme von gleichen linken und rechten Antriebs- und Bremskräften wie oben erwähnt führt dies zu:

Um die Reifenkräfte in Y_R-Richtung zu berechnen, wird die folgende Funktion verwendet wie in D. Ammon, Modellbildung und Systementwicklung in der Fahrzeugdynamik, Teubner, Stuttgart, DE, 1997 beschrieben:

\ normalized shape function with value sin[0,l] (76)

a, bezeichnet den Seitenschlupf-Winkel und s, den Längsschlupf wie in D. Ammon, Modellbildung und Systementwicklung in der Fahrzeugdynamik, Teubner, Stuttgart, DE, 1997 definiert. Die normalisierte Formfunktion ist bei 1 für größere Seitenschlupfwinkel gesättigt, was der einzige interessante Bereich für die weiteren Überlegungen ist. α_max,N ist ein Skalierungsfaktor ohne weitere Bedeutung in der vorliegenden Arbeit.

Unter der Annahme von seitlichen Reifenkräften F_{Y T,i} mit

in der Nähe der Grenzen und daher im Sättigungsbereich von F_{Y T},i können die folgenden Annahmen getroffen werden:

(77)

Bei Verwendung dieser Annahmen und von (76) kann das Verhältnis von linken und rechten Reifenkräften pro Achse wie folgt geschätzt werden:

(78)

(79)

Das bedeutet, dass die seitliche Reifenkraft basierend auf dem effektiven Radlastverhältnis verteilt ist.

Setzt man Reifen- und Achskräfte in Y_R-Richtung ins Verhältnis, so ergibt sich: F_{Y R,f} = F_{Y R,1 L} + F_{Y R,1R}, (80)

F_{Y R,r} ⁼ F_{Y R,2L} ⁺ F_{Y R,2R}. (81)

Durch Verwendung von (78) und (79) kann dies wie folgt umgestellt werden:

Lösen nach den Reifenkräften ergibt:

Einsetzen von (26) und (25) ergibt die Reifenkräfte in Y_R-Richtung:

Schließlich sind die Reifenkräfte in den Reifenrichtungen X_T, Y_T und Z_T gegeben durch:

Hiermit ist es möglich, zu überprüfen, ob die Reifenkräfte innerhalb der Reibungsgrenze liegen:

Figur 10 zeigt eine schematische Ansicht einer sogenannten Reifenkraft-Ellipse, in der das Haftgrenze für kombinierte Kräfte F_XTund F_YT dargestellt ist.

Die horizontalen Sollreifenkräfte sollen an jedem Rad innerhalb der durch den Reibwert p_max bestimmten Reibwertgrenzen (maximales zur Verfügung stehendes Kraftschlusspotential, Kraftschlussellipse, siehe auch DE 10050421 A1) liegen.

Wenn die Ungleichung (95), für jedes Rad erfüllt ist, dann ist eine der drei notwendigen Bedingungen für Fahrbarkeit erfüllt, anderenfalls ist die Trajektorie nicht fahrbar.

Bis hierhin sind externe Kräfte, Schwerkraft und Trägheit nicht berücksichtigt worden. Stattdessen wurden beliebige Kraftvektor-Komponenten F_{X R,cg}, F_{Y R,cg}, und F_{Z R,cg}, die am Schwerkraftzentrum des Fahrzeugs 1 wirksam sind, und beliebige Drehmomenten-Vektor- Komponenten M_{X R,Cg}, M_{Y R,Cg}, und M_{Z R,cg} als Platzhalter verwendet. Im Folgenden werden externe Kräfte, Schwerkraft und Trägheit bezüglich des stationären Einflusses von Querneigung und Gefälle als Terme eingeführt, die zu F_{X R,cg}, F_{Y R,cg}, F_{Z R,Cg} und M_{X R},_cg, M_Y _R,Cg, M_{Z R,cg} beitragen.

Bezüglich der Schwerkraft folgt aus Figuren 1 und 4, dass F_{Z cg gravity} = -m · g. Daher:

λ ist beim Bergabfahren positiv.

Bezüglich der translatorischen Trägheit gilt:

Um Trägheitskräfte auszudrücken müssen die in Fahrbahnebenen-Koordinaten angegebenen Beschleunigungen a_{X R cg}, a_{Y R cg}, und a_{Z R cg} aus den gewünschten Schwerkraftzentrum-Trajektorien-Beschleunigungen a_{X cg} und a_{Y cg} berechnet werden, die Projektionen in der X-Y Ebene des zwischengeschalteten Achsensystems sind. Unter Anwendung der Annahme stationärer Querneigung und Gefälle gilt Folgendes: aZR,cg = 0. (99)

Daher sind die verbleibenden Unbekannten a_{X R cg} und a_{Y R cg} und auch die Bewegung a_{Z cg} des Fahrzeugs 1 , die nicht als Teil der Trajektorienprojektion gegeben ist. Unter

Verwendung von (14), (15) und (99) kann Folgendes festgestellt werden:

(100)

Auflösen von (102) nach a_{Z cg} ergibt:

Schließlich können mit (99), (106) und (110) die translatorischen Trägheitskraftvektor- Komponenten wie folgt ermittelt werden:

Bezüglich der Rotations-Trägheit gilt:

Um das Rotations-Drehmoment M_{x R,cg,inert,rot}, M_{Y R,cg , inert,rot}, und M_{Z R, cg , inert, rot}, das mit der Rotationsträgheit zusammenhängt, zu berechnen, müssen die Rotationsbeschleunigungen des Fahrzeugs 1, die in

Fahrbahnebenen-Koordinaten angegeben sind, in Bezug auf die gewünschte Schwerkraftzentrums-Trajektorie ausgedrückt werden.

Unter Verwendung von D.T. Greenwood, Priciples of Dynamics, Prentice Hall, Upper Saddle River, US-NJ, 2nd edition, 1988, S. 406 ist das Verhältnis zwischen Eulerschen Winkeln und Wnkelgeschwindigkeiten in der Notation wie in D.T. Greenwood, Priciples of Dynamics , Prentice Hall, Upper Saddle River, US-NJ, 2nd edition, 1988:

Unter Verwendung der Äquivalenzen

überträgt sich das in die Notation des vorliegenden Dokuments:

Unter der Annahme von stationären Bedingungen langsam sich verändernder

Querneigung und Gefälle, das heißt

Unter Berücksichtigung des folgenden Verhältnisses zwischen den Wnkelgeschwindigkeits-Ableitungen ώ und ( )_G, wenn sie aus einem trägen Rahmen und einem bewegten Rahmen betrachtet werden (vergl. D.T. Greenwood, Principles of Dynamics, Prentice Hall, Upper Saddle River, US-NJ, 2nd edition, 1988, S. 392):

können die Winkelbeschleunigungen gefunden werden durch Berechnen der Ableitungen von (122) bis (124) unter Verwendung von ή

Mit Eulers Gleichungen der Bewegung (D.T. Greenwood, Principles of Dynamics, Prentice Hall, Upper Saddle River, US-NJ, 2nd edition, 1988, S. 392) und auch (122) bis (124) und (126) bis (128) ist es möglich, das aus der Trägheit resultierende Rotations-Drehmoment zu berechnen:

Bezüglich des aerodynamischen Zugs und Auftriebs ist es möglich, durch Einführen der Zugkraft-Hebelarm-Höhe h_d, die die resultierende Zugkräfte-Höhe über dem Untergrund beschreibt, aerodynamische Zugbeiträge (M. Mitschke, Dynamik der Kraftfahrzeuge, Springer, Berlin, DE, 5th edition, 2014.) zu den beliebigen Kräften und Momenten auszudrücken, die am Schwerkraftzentrum des Fahrzeugs 1 wirksam sind:

Hierbei bezeichnet C_d den aerodynamischen Zugkoeffizienten, A_a die aerodynamische Oberfläche und p_a die Luftdichte.

In ähnlicher Weise wird der aerodynamische Auftrieb (M. Mitschke, Dynamik der Kraftfahrzeuge, Springer, Berlin, DE, 5th edition, 2014.) beschrieben durch:

Hierbei bezeichnen C_I,f und C_I,r vordere und hintere aerodynamische Auftriebs- Koeffizienten.

Bezüglich des quasistationären Lenksystem-Modells gilt: Um die physische Realisierbarkeit (=Fahrbarkeit) einer Trajektorie zu bewerten, sind Lenkkraft- Beschränkungen ein weiterer wichtiger Aspekt. Unter Berücksichtigung der Reifenkräfte, die oben im Kontext der Gleichungen (70) bis (95) diskutiert wurden, werden im Folgenden Beschränkungen des Lenksystems und der Leistung diskutiert. Die Modellannahmen werden getroffen wie oben diskutiert.

Die Bewertung der Fahrbarkeit von Trajektorien ist besonders bei höheren Geschwindigkeiten relevant. In diesem Fall müssen Beschränkungen der Lenkkraft und Lenkrate berücksichtigt werden, um die Auswahl fahrbarer Trajektorien sicherzustellen. Langsame Kurvenfahrt und Parkmanöver können einfach durch Neuplanen behandelt werden, falls Abweichungen zwischen erwünschten und tatsächlichen Lenkaktor- Bewegungen auftreten.

Für höhere Geschwindigkeiten und kleinere Lenkwinkel besagt W. Matschinsky, Radführungen der Straßenfahrzeuge, Springer, Berlin, DE, 3rd edition, 2007, dass das Lenkmoment durch seitliche Reifenkräfte F_{Y T, L}, F_{Y T, 1R}, kinematischen Nachlauf n_k und ,eifennachlauf n_p dominiert wird. Der durch Lenkkinematiken definierte kinematische Nachlauf ändert sich typischerweise mit vertikalem Radhub. Der Reifennachlauf ändert sich mit longitudinalem Reifenschlupf und mit dem Seitenschlupf-Winkel des Reifens. Je näher der Reifen an Schlupfbedingungen ist, desto kleiner wird der Reifennachlauf.

Bei gleichen linken und rechten Antriebs/Brems-Kräften, wie oben angenommen, löschen sich die Einflüsse von F_{XT,1 L} und F_{XT,1 R} auf die Lenkkraft aus. Daher wird die erforderliche Lenkkraft durch den Beitrag der Seitenkräfte F_{Y T},_{1 L} und F_{Y T,1 R} zum Rückstellmoment dominiert. Dies führt zu:

Da kinematischer Nachlauf n_k und Reifennachlauf n_p vom vertikalen Radhub und Schlupf abhängen, ist ein quasistationäres Modell, das die Chassis-Bewegung, Anregungen durch die Fahrbahnoberfläche und Schlupf nicht berücksichtigt, nicht imstande, exakte Werte für n_k und n_p bereitzustellen. Es ist allerdings möglich, eine obere Grenze P_{S, max}≥P_s zu berechnen. Mit den Definitionen des maximalen kinematischen Nachlaufs n_k und Reifennachlaufs n_p und der mittleren Lenkrate wie folgt:

ist die obere Grenze gegeben durch:

Damit ist eine weitere der drei notwendigen Bedingung der Fahrbarkeits-Überprüfung zu prüfen, ob P_s,_max unterhalb der gegenwärtig verfügbaren Leistung der elektronischen Servolenkung (EPS) P_EPS liegt. Wenn die Ungleichung P_S,max ≤ P_EPS erfüllt ist, dann ist diese notwendige Bedingung für Fahrbarkeit erfüllt, andernfalls ist die Trajektorie nicht fahrbar.

Bezüglich des quasistationären Antriebsstrang-Modells gilt:

Die Kernidee, um die Fahrbarkeitsbeschränkungen im Antriebsstrang zu bewerten, ist, die erforderliche Zugkraft und Radleistung mit der verfügbaren Kraft und Leistung an den Rädern (Lieferkennung) zu vergleichen. Details zur Definition dieser Begriffe sind in M. Mitschke, Dynamik der Kraftfahrzeuge, Springer, Berlin, DE, 5th edition, 2014 genannt.

Die Zugkraft-Anforderung F_{traction,demand} wie in (145) definiert, wird verwendet um die folgenden Fälle zu unterscheiden:

1 . Fahren. F_{traction.demand} ≥ 0

2. Motorbre se. F _{traction.hyd brake threshold} < F_{traction,demand} < 0

3. Motorbremse und hydraulische Bremse. F_{traction,demand} — F _{traction.hyd brake threshold}

Um die angeforderte und verfügbare Zugkraft und Radleistung zu modellieren, werden die folgenden Modellannahmen getroffen.

Die folgenden Aspekte werden berücksichtigt:

• Beschleunigungswiderstand von Chassis und Karosserie

• Beschleunigungswiderstand des Antriebsstrangs

• Steigungswiderstand

• Zweiradantrieb, Vierradantrieb, Vierradantrieb mit unabhängigen Motoren

• Leistungsverluste infolge Radschlupf

• Leistungsverluste des Antriebsstrangs

• Elektrischer Antrieb oder Verbrennungsmotor

• Schaltgetriebe in stationären Bedingungen (Leistungs- und Kraft-Hüllkurve für alle Gänge)

• Rollwiderstand (ohne Geschwindigkeitsabhängigkeit)

• Degradation des elektrischen Antriebs (Anfahr-, Stunden-, Dauerleistung)

• aerodynamischer Zug

Die folgenden Aspekte werden vernachlässigt:

• Schaltstrategie und Schaltprozess. Zum Beispiel wird angenommen, dass die Getriebesteuerung einen angemessenen Gang wählt, um die erforderliche Radleistung und Zugkraft bereitzustellen, und dass es keinen wesentlichen Zugkraft-Verlust während des Schaltens gibt.

• Reibungspotential, das heißt die verfügbare Zugkraft modelliert nur die Motorgrenzen, Reibungsgrenzen sind bereits mit der Reifenkraft in Längsrichtung berücksichtigt.

• Elektrische Verstärkung des Verbrennungsmotors

• Mischbremsung zwischen Motor/elektrischem Antrieb und hydraulischer Bremse wird vorausgesetzt, ist aber noch nicht im Detail modelliert. Fall 1 : Fahren

In den folgenden Betrachtungen wird ein einzelner Verbrennungsmotor oder ein einzelner elektrischer Antrieb vorausgesetzt. Der Ansatz kann jedoch leicht erweitert werden, indem das Antriebsdrehmoment mittels des Antriebs-Drehmomenten-Verteilungs-Faktors auf mehrere Achsen verteilt wird.

Nach M. Mitschke, Dynamik der Kraftfahrzeuge, Springer, Berlin, DE, 5th edition, 2014 ist die gesamte Zugkraftanforderung gegeben durch:

mit

• f_R · m · g Rollwiderstand,

• F_{X R,Cg}: Summe des Steigungswiderstands (96), Chassis- und Karosserie-Trägheit (111) und des aerodynamischen Zugs (135),

• (λ_m - 1) · m · a_{X R,Cg}: Beschleunigungswiderstand des Antriebsstrangs mit dem Massenfaktor λ_m für rotierende Massen.

Die Radleistungs-Anforderung ohne Reifenschlupf-Verluste ist einfach gegeben durch:

Ptraction,demand,w/o slip ⁼ F_{traction,demand} · V_X R, _cg (146)

Die Radleistung mit Reifen-Schlupf ist gegeben durch:

und die folgenden Definitionen:

• h_t : Reifeneffizienz, die Verluste infolge Längsschlupf beschreibt,

• s: mittlerer Schlupf für die angetriebene Achse, unter der Annahme z.B.

• r_d: der dynamische Rad-Radius, mit U als Entfernung, die auf dem

Untergrund durch das frei rollende Rad zurückgelegt wurde

• r_s: der statische Rad-Radius, das heißt die Entfernung, von der Mitte des Rades zur Fahrbahnebene. Man beachte die folgenden Unterschiede:

• 2π * r_d: Entfernung, die auf dem Untergrund durch das schlupffreie Rad zurückgelegt wurde,

• 2π * r_d( 1 - s): Entfernung, die auf dem Untergrund durch das schlupfbehaftete Rad zurückgelegt wurde,

• 2π * r_s: Entfernung, die auf dem Untergrund durch einen Punkt auf dem festen Rad mit dem Radius r_s zurückgelegt wurde.

Für das quasistationäre Fahrzeugmodell wie oben beschrieben ist der Längsschlupf unbekannt. Bei eingeschalteter Antischlupfregelung ist der Längsschlupf im schlechtesten Fall ungefähr der kritische Schlupf s_c (M. Mitschke, Dynamik der Kraftfahrzeuge, Springer, Berlin, DE, 5th edition, 2014), typischerweise um 10%. Daher kann eine Reifeneffizienz beim kritischen Schlupf wie folgt berechnet werden:

Dies führt zu einer Obergrenzenschätzung für P_{traction,demand}· Eine genauere Schätzung könnte durch Interpolation von h_t zwischen Werten von 1 bis h_t,0 erreicht werden, beispielsweise basierend auf der Anwendung der Reibungsgrenze (friction limit utilisation):

Figur 9 zeigt schematische Ansichten von Look-up-Tabellen LUT (Lieferkennfeldern). F_tr_action._suppiy und P_tr_action._suppiy sind als Look-up-Tabellen (Lieferkennfeld) angegeben für einen elektrischen Motor mit einer festen Getriebeübersetzung (durchgehende Linie) und für einen Verbrennungsmotor mit Schaltgetriebe (gestrichelt). Die Versorgungs-Look-up- Tabellen beschreiben die Zugkraft und Leistung, die an der Achse verfügbar sind. Das heißt, sie berücksichtigen bereits die Antriebsstrang-Verluste. Im Falle eines Schaltgetriebes wird die äußere Hüllkurve für alle Gänge verwendet. Die Look-up- Tabellen können wegen der Degradation DEG skaliert werden.

Um die Fahrbarkeit zu bestimmen, werden F_traction,demand und P_{traction,demand} gegen die Hüllkurven von F_{traction,supply} und P_{traction,supply} verglichen, die als Look-up-Tabellen (Lieferkennfeld) gegeben sind wie in Figur 9 dargestellt ist. Die Look-up-Tabellen berücksichtigen bereits die Antriebsstrang-Verluste, von denen vorausgesetzt wird, dass sie als konstanter Effizienzfaktor pro Gang modelliert sind. Die Degradation kann berücksichtigt werden, indem ein Verringerungsfaktor verwendet wird, der beispielsweise auf Motortemperatur, Versorgungsspannung etc. beruht.

Wenn die Ungleichungen

F_{traction.supply} — F _{traction.demand} und

P_{traction.supply} — P _{traction.demand} erfüllt sind, dann die dritte notwendige Bedingung für Fahrbarkeit erfüllt, anderenfalls ist die Trajektorie nicht fahrbar.

Fall 2: Motorbremse

Eine kleine negative Zugkraftanforderung F_{traction,demand} wird unter ausschließlicher Verwendung der Motorbremse realisiert. Für ein zweiradgetriebenes Fahrzeug 1 bedeutet dies, dass bremsende Reifenkräfte nur an den vorderen Reifen oder den hinteren Reifen auftreten. Besonders auf Oberflächen mit geringer Reibung kann dies blockierende Reifen verursachen, wenn keine weiteren Maßnahmen ergriffen werden. Daher wird die Regelung für das elektronische Stabilitätsprogramm benötigt, um blockierende Räder zu verhindern. In diesem Fall werden die hydraulischen Bremsen aktiviert und Fall 2 geht zu Fall 3 über. Dies bedeutet, dass es keine Beschränkung der Zugkraft und Zugkraftversorgung abgesehen von den Reibungsgrenzen gibt, wobei die Reibungsgrenzen bereits in der Reifen-Längskraft (siehe oben) berücksichtigt werden.

Fall 3: Motorbremse und hydraulische Bremse

In diesem Fall gibt es keine Beschränkung der Zugkraft und Zugkraftversorgung abgesehen von den Reibungsgrenzen, wobei die Reibungsgrenzen bereits in der Reifen- Längskraft (siehe oben) berücksichtigt werden.

Die folgende Tabelle 1 gibt einen Überblick der Fahrzeugparameter.

Figur 11 verdeutlicht das Funktionsprinzip der Fahrbarkeitsprüfung FP für autonome Fahrzeuge 1. Eingangsgrößen sind:

- Fahrzeugtrajektorien, die auf Fahrbarkeit zu überprüfen sind.

- Die Steigung l und Querneigung h der Straße vor dem Fahrzeug 1, beispielsweise aus Sensor- oder Kartendaten

- Das Reibwertpotential p_max der Straße beispielsweise aus Sensor- oder Kartendaten

- Information zur Degradation der Lenkungs- und Antriebsaktorik (Verfügbare Leistung/Nominelle Leistung, Verfügbares Moment / Nominelles Moment)

Ausgangsgrößen sind:

- Die Bewertung der Fahrbarkeit (ja / nein)

- Optional eine quantitative Bewertung der Ausnutzung des Reibwertpotentials

Die technische Signalverarbeitung erfolgt folgendermaßen:

In einem ersten Schritt S1 erfolgt eine Umrechnung der Anforderungen in Solltrajektoriengrößen (Sollposition, Sollbeschleunigung, Sollgeschwindigkeit, Sollkrümmung, Sollkrümmungsänderungen etc.) sowie der Steigung und Querneigung in Anforderungen in Fahrzeuggrößen (Sollzugkraft, Sollzugleistung, Solllenkungsleistung, Sollreifenkräfte). Die Umrechnung erfolgt hierbei durch ein inverses Fahrzeugmodell, beispielsweise das oben beschriebene quasistationäre Modell.

In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Abgleich der Anforderungen in Fahrzeuggrößen mit den von Fahrzeug 1 und Fahrbahn vorgegeben Grenzen, das heißt:

- einer Überprüfung DTLC der Grenzen des Antriebsstrangs, ob Sollzugkraft und Sollzugleistung bei Sollgeschwindigkeit unterhalb den von der Zugkraftkennlinie und Zugleistungskennlinie gegebenen Grenzen liegen,

- einer Überprüfung SLC der Grenzen der Lenkung, ob Solllenkungsleistung unterhalb des Leistungslimits der Lenkung liegt, und

- einer Überprüfung FLC der Reibwertgrenzen, ob horizontale Soll reifen kräfte innerhalb der Reibwertgrenzen liegen (Kammscher Kreis)

Die Grenzen im zweiten Schritt können dabei unter Zuhilfenahme der Information zu Degradation an die aktuelle verfügbare Leistung angepasst werden.

Das Ergebnis der Fahrbarkeitsprüfung wird schließlich aggregiert und durch eine binäre Aussage „fahrbar/nicht fahrbar“ für jede ausgewertete Trajektorie dargestellt. Eine genauere Auswertung der Fahrbarkeit ist denkbar durch das Berechnen der Überschreitung der Grenze oder des noch verfügbaren Abstands zur Grenze in Prozent. Ein mögliches Beispielfeedback kann folgendermaßen aussehen: Reifenkraft vorne links zu hoch, 120% des Reibwertpotentials ausgenutzt. Diese Erweiterung bietet den Vorteil, eine genauere Hilfsinformation für die Trajektorienplanung zu liefern.

Bezugszeichenliste

1 Fahrzeug

1L linkes Vorderrad

1R rechtes Vorderrad

2L linkes Hinterrad

2R rechtes Hinterrad b_f Spurweite der Vorderachse

DEG Degradation

DTLC Überprüfung der Grenzen des Antriebsstrangs

FLC Überprüfung der Reibwertgrenzen

FRC vorderes Rollzentrum, Rollzentrum der Vorderachse

FP Fahrbarkeitsprüfung

F traction.supply verfügbare Zugkraft F_{x R,cg}, F_{y R,cg}, F_{z R,cg} Kraftvektor-Komponenten F_{x R,f}, F_{x R,r}, F_{z R,r} Achskräfte F_XR,RI, F_ZR,R1, Reifenkräfte F_XR,L1, F_ZR,L1, Reifenkräfte

F_XR,R2, F_ZR,R2, Reifenkräfte F_XR,L2, F_ZR,L2, Reifenkräfte

FYR,_1L, F_ZR,1L, Reifenkräfte

F_YR,IR, F_ZR,IR Reifenkräfte F_{XT, FYJ} horizontalen Sollreifenkräfte F_YR,1, F_ZR,1 Chassis-Reaktions- Kräfte F _z.,eff effektive Reifenlast h_cg Höhe des Schwerkraftzentrums h_rcg Höhe des Rollzentrums an der x_R-Position des

Schwe rkraftze ntru m s h_rf Höhe des Rollzentrums der Vorderachse

Radstand

Abstand des Schwerkraftzentrums zur Vorderachse LUT Look-up-Tabelle

LTM Langzeitspeicher

M_{x R,cg}, M_{y R cg}, M_{z R,cg} Drehmoment-Vektoren-Komponenten M_XR,1 Chassis-Reaktions-Moment

P_{traction,supply} verfügbare Zugleistung

RA Rollachse

RC_cg Rollzentrum an der x_R-Position des Schwerkraftzentrums

RRC hinteres Rollzentrum

51 erster Schritt

52 zweiter Schritt SLC Überprüfung der Grenzen der Lenkung ^vXR,cg Längsgeschwindigkeit im Schwerkraftzentrum x, Y, z zwischengeschaltetes Achsensystem

X_E, Y_E, Z_E erdfestes Achsensystem X_R, Y_R, Z_R Fahrbahn-Ebenen-Achsensystem, Fahrbahn-Achsensystem X_{T,1 L}, Y_{T,1 L}, Z_T,_{1 L} Reifen-Achsensystem Xv , Yv ,Zv Fahrzeugachsensystem X‘, Y‘, Z‘ Hilfsachsensystem

Lenkwinkel η Fahrbahnebenen-Sturzwinkel, Querneigung ηx R Winkel θ Neigungswinkel λ Fahrbahn-Steigungswinkel, Fahrbahnebenen-Steigung, Steigung μ_max Reibwertpotential, Reibwert q_l Verhältnis von seitlichem Grip zu longitudinalem Grip φ Wankwinkel φV Fahrzeug-Wankwinkel ψ Gierwinkel

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Prüfung der Eignung einer Solltrajektorie für eine T rajektorienregelung eines Fahrzeugs (1), wobei die Solltrajektorie Streckeninformationen über den Verlauf einer abzufahrenden Strecke und Dynamikinformationen über die Dynamik, mit der die Strecke abgefahren werden soll, enthält, wobei, dass eine Steigung (l), eine Querneigung (h) und ein Reibwert (p_max) einer Fahrbahn entlang der Solltrajektorie sensorisch und/oder aus Kartendaten ermittelt und/oder geschätzt werden, wobei basierend auf Modellgleichungen des Fahrzeugs (1) aus den Strecken- und Dynamikinformationen der Solltrajektorie und aus der ermittelten Steigung (l) und Querneigung (h) zum Abfahren der Solltrajektorie erforderliche Sollwerte einer Sollzugkraft, einer Sollzugleistung, einer Solllenkleistung und horizontaler Sollreifenkräfte an einzelnen Rädern des Fahrzeugs (1) berechnet werden, wobei die Solltrajektorie als für die Trajektorienregelung geeignet bewertet wird, wenn:

- die horizontalen Sollreifenkräfte an jedem Rad innerhalb der durch den Reibwert (p_max) bestimmten Reibwertgrenzen liegen, wobei die Solltrajektorie anderenfalls als ungeeignet bewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf jede Solltrajektorie aus einer vorgegebenen Schar von Solltrajektorien angewendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede als ungeeignet bewertete Solltrajektorie als ungültig verworfen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugkraftkennlinie und die Zugleistungskennlinie aus jeweiligen Look-up-Tabellen (LUT) entnommen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugkraftkennlinie und die Zugleistungskennlinie Degradationserscheinungen eines Antriebsstrangs berücksichtigen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine quantitative Bewertung der Ausnutzung des Reibwertpotentials (p_max) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Degradationserscheinungen einer Lenkungsaktorik berücksichtigt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellgleichungen des Fahrzeugs (1) auf einem quasistationären Modellansatz beruhen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Umrechnung von Größen der Solltrajektorie sowie der Steigung (l) und Querneigung (h) in Fahrzeuggrößen mittels der Modellgleichungen erfolgt.

10. Vorrichtung, die eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.