WO2023285606A1 - Verfahren zum ermitteln von nicht direkt messbaren fahrzustandsgrössen eines fahrzeugs - Google Patents

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Christian PRETTENTHALER
Robert Haring
Michael Kollmann
Jan WIECHMANN
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Magna powertrain gmbh & co kg
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining non-directly measurable driving state variables of a vehicle with a control device, the control device having at least one computing device, one sensor device and one actuator device, with the sensor device reading in and transmitting it to the computing device in a first step
  • the computing device calculates driving state variables using a computational model, so that other driving state variables that are difficult or impossible to measure directly can be determined based on the calculated driving state variables, and in a subsequent step the computing device transmits the calculated driving state variables and determined driving variables to the Actuator device are transmitted, so based on this, the vehicle can be advantageously controlled and / or regulated.
  • vehicle variables There are a number of vehicle variables whose availability could significantly improve the quality of the control of both driving dynamics and active drive train components such as a clutch, but whose measurement is disproportionately complex and therefore uneconomical in a production vehicle. These usually include vehicle variables such as the speed of the vehicle over a roadway, an attitude angle of the vehicle, transmitted wheel torques, a yaw moment of the vehicle, wheel loads, a roll angle and a pitch angle of the vehicle.
  • knowledge of the side slip angle can be used to represent advantageous vehicle behavior for a driver, while the availability of the wheel loads and a body angle can increase driving safety.
  • knowledge of the wheel loads can also be used to temporarily shut down axles that are not required (so-called "disconnect" systems), as a result of which fuel consumption can be reduced.
  • a control of active powertrain components, such as a Coupling in a transfer case can be simplified by an approximate knowledge of a transmitted torque, which can reduce development costs.
  • Document DE 10 2004 006 944 A1 discloses a control device and a model-based control method for real-time control of vehicle dynamics movements of a multi-track vehicle with at least three wheels, with the following method steps:
  • a disadvantage of the above control method is that it does not include and take into account the coefficient of friction that changes with the ambient conditions, with the coefficient of friction also not being adapted accordingly. In this respect, it must be assumed that the above control method does not work sufficiently well under different environmental conditions.
  • the status vector according to the invention comprises in generalized coordinates:
  • a ten-degree-of-freedom model for describing the dynamic behavior as a vehicle model of the vehicle body, a wheel suspension model and a tire model are used to determine the driving state variables that cannot be measured directly.
  • the three sub-models are combined to form the uniform calculation model according to the invention, so that a possible data fusion of the results of the sub-models and inconsistencies resulting therefrom can be eliminated.
  • the individual bodies of the vehicle are modeled and recorded with the index i, where
  • the computational model includes a multi-body model with five bodies, the modeling of the wheel suspension and the use of a fully-fledged tire model.
  • the vehicle bus connects the computing device, the sensor device and the actuator device to one another in a signal-conducting manner. Accordingly, the transmitted wheel torques and the yaw moment of the vehicle can be generated as output variables.
  • the calculation model according to the invention can be solved numerically and its differential equation system can be integrated.
  • the following variables of the vehicle which can only be measured in the real vehicle with great effort, can be determined in real time:
  • the output signals described can be used to improve the functioning of a large number of control functions for driving dynamics, driving safety and vehicle components.
  • the wheel suspension model can preferably represent a modeling of the wheel suspension as a vertical spring and a vertical damper for each vehicle wheel of the vehicle, it being possible for the wheels to be assumed to be standing horizontally on the roadway, the vehicle body performing rolling and pitching movements and deflection in the direction of the vehicle-fixed z- axis can be accepted.
  • the following power elements can preferably be used for each vehicle wheel:
  • the method according to the invention works in real time on the control device and supplies driving status variables that are difficult to determine. Furthermore, the method according to the invention enables new approaches in vehicle control. Knowing the sideslip angle, for example, enables spectacular driving behavior to be displayed, which can be kept within safe limits by the availability of the wheel loads or the body angle. Knowing the wheel loads also allows more efficient dosing of the axle torques and thus fuel savings. The qualitative knowledge of the transmitted wheel torque enables new possibilities in the control of active powertrain components. For example, the development effort (test runs, manufacturing tolerances, etc.) to ensure a defined positioning accuracy can be reduced.
  • the method according to the invention and the calculation model used thereafter differs in particular in terms of complexity compared to known methods, with known methods lacking in precise and high-quality ascertained vehicle parameters.
  • a method can be provided in which a friction value estimator for the tire model is used in the computing device by the computing model, with which an estimated friction value can be tracked in the tire model.
  • the parameters of the calculation model which correspond to physical values of the vehicle - for example, a vehicle mass, a center of gravity, etc. - can be determined and adjusted for each target vehicle.
  • the friction value estimator adapts and adjusts the friction value used by the tire model according to the method according to the invention, the friction value estimator comparing the lateral and longitudinal accelerations of the vehicle that are measured and possibly transmitted via the vehicle bus with the respective accelerations calculated by the computer model and feeds them back to the tire model, so that the coefficient of friction of the tire model can be tracked.
  • the friction value estimator comparing the lateral and longitudinal accelerations of the vehicle that are measured and possibly transmitted via the vehicle bus with the respective accelerations calculated by the computer model and feeds them back to the tire model, so that the coefficient of friction of the tire model can be tracked.
  • even small deviations in the parameters of the calculation model can be compensated, for example in a comparison to the original equipment of the vehicle on which the parameterization of the vehicle model is based, or worn tires or tires mounted differently from the original equipment. This ensures a very robust operation of the method and a high level of accuracy of the determined vehicle variables under different environmental conditions.
  • the invention also includes a device for determining non-directly measurable driving status variables of a vehicle with a control device, the control device having at least one computing device, one sensor device and one actuator device, which is characterized in that the computing device is suitable for this, a method after perform any of the preceding claims.
  • FIG. 1 shows a method and a calculation model in the form of a block diagram
  • Figure 2 shows a possible assignment of the parameters of the calculation model
  • Figure 3 shows a possible definition of the axes used according to the method and in the calculation model according to Schramm, Hiller and Bardini (D. Schramm, M. Hiller and R. Bardini, modeling and simulation of the dynamics of motor vehicles. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2018).
  • Figures 1 to 3 show an overall view of a method 1 according to the invention for determining non-directly measurable driving condition variables 2 with a computing device 3, the driving condition variables 2 being transmitted from the computing device 3 via a vehicle bus 4 to an actuator device 5.
  • a sensor device 6 records the input as input variables 7
  • a ten-degree-of-freedom vehicle model 8 for describing the dynamic behavior of the vehicle body of the vehicle 9, with five input variables 7 superimposing a total of five entries of a status vector q of the vehicle model 8 and thus blocking them.
  • a wheel suspension model 10 and a tire model 11 are connected downstream of the vehicle model 8, but these have a retroactive effect on the vehicle model 8 with their output variables 12 and accordingly influence it in a feedback manner.
  • the wheel suspension model 10 represents a modeling of the wheel suspension as a vertical spring and vertical damper for each vehicle wheel 13 of the vehicle 9, with the wheels 13 being horizontal are assumed to be standing on the roadway, the vehicle body is assumed to carry out rolling and pitching movements and deflection in the direction of a z-axis is assumed.
  • the following force elements are used per vehicle wheel x:
  • the tire model 11 is an approximation of the tire behavior including a dependence on the coefficient of friction, a longitudinal and lateral force characteristic, a declining influence of the wheel load and a combined tire behavior.
  • the friction value estimator 14 compares the measured accelerations with the acceleration calculated by method 1 and feeds a weighted difference back to the tire model 11, which can adapt and track its internal friction value 15 used in the model.
  • - r stands for a vector or a bold matrix or a tensor.
  • the dot above the r represents the first derivative with respect to time.
  • the arrow above the dot above r represents a vector.
  • the calculation model according to the invention is shown parameterized below with reference to FIGS.
  • the 10 x 10 mass matrix includes the following entries that are not null:
  • ugsmodells include the following non-null entries:
  • the impressed 10 x 1 vector of forces and moments of the vehicle includes the following non-null entries:
  • the imprinted 10 x 1 force and moment vectors of the Multicomponents include the following non-null entries:

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (1) zum Ermitteln von nicht direkt messbaren Fahrzustandsgrößen (2) eines Fahrzeugs (9) mit einer Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung jeweils mindestens eine Recheneinrichtung (3), eine Sensoreinrichtung (6) sowie eine Aktuatoreinrichtung (5) aufweist, wobei in einem ersten Schritt von der Sensoreinrichtung (6) eingelesen und an die Recheneinrichtung (3) übertragen werden – eine Raddrehzahl eines jeden Fahrzeugrades (13), – einen Lenkwinkel des Fahrzeugs (9), – eine Gierwinkelrate, – eine Fahrbahnlängsneigung des Fahrzeugs (9) sowie – eine Fahrbahnquerneigung des Fahrzeugs (9); wobei in einem nachfolgenden Schritt von der Recheneinrichtung (3) Fahrzustandsgrößen (2) mit Hilfe eines Rechenmodells berechnet werden, sodass anhand der berechneten Fahrzustandsgrößen (2) weitere schwer oder nicht direkt messbare Fahrgrößen ermitteln werden können, und wobei in einem nachfolgenden Schritt die Recheneinrichtung (3) die berechneten Fahrzustandsgrößen (2) und ermittelten Fahrgrößen an die Aktuatoreinrichtung (5) übermittelt werden, sodass anhand dieser das Fahrzeug (9) vorteilhaft gesteuert und/oder geregelt werden kann. Eine Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln von nicht direkt messbaren Fahrzustandsgrößen für die Fahrdynamik- und Komponentenregelung des Kraftfahrzeugs anzugeben, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Rechenmodell ein Fahrzeugmodell (8), ein Reifenmodell (11) sowie ein Radaufhängungsmodell (10) umfasst und diese miteinander in der Recheneinrichtung (3) nach dem folgenden differentiellen Gleichungssystem gelöst werden: (I)

Description

Verfahren zum Ermitteln von nicht direkt messbaren Fahrzustandsgrößen eines
Fahrzeugs
Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum Ermitteln von nicht direkt messbaren Fahrzustandsgrößen eines Fahrzeugs mit einer Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung jeweils mindestens eine Recheneinrichtung, eine Sensoreinrichtung sowie eine Aktuatoreinrichtung aufweist, wobei in einem ersten Schritt von der Sensoreinrichtung eingelesen und an die Recheneinrichtung übertragen werden
- eine Raddrehzahl eines jeden Fahrzeugrades,
- einen Fenkwinkel des Fahrzeugs,
- eine Gierwinkelrate,
- eine Fahrbahnlängsneigung des Fahrzeugs sowie
- eine Fahrbahnquerneigung des Fahrzeugs; wobei in einem nachfolgenden Schritt von der Recheneinrichtung Fahrzustandsgrößen mit Hilfe eines Rechenmodells berechnet werden, sodass anhand der berechneten Fahrzustandsgrößen weit- ere schwer oder nicht direkt messbare Fahrgrößen ermitteln werden können, und wobei in einem nachfolgenden Schritt die Recheneinrichtung die berechneten Fahrzustandsgrößen und ermittelten Fahrgrößen an die Aktuatoreinrichtung übermittelt werden, sodass anhand dieser das Fahrzeug vorteilhaft gesteuert und/oder geregelt werden kann.
Es gibt eine Reihe von Fahrzeuggrößen, deren Verfügbarkeit die Qualität der Regelung von sowohl einer Fahrdynamik als auch aktiver Triebstrangkomponenten, wie beispielsweise einer Kupplung, wesentlich verbessern könnte, deren Messung jedoch unverhältnismäßig aufwendig und daher in einem Serienfahrzeug unwirtschaftlich ist. Dazu zählen üblicherweise Fahrzeuggrößen wie eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs über einer Fahrbahn, ein Schwimmwinkel des Fahrzeugs, übertra- gene Radmomente, ein Giermoment des Fahrzeugs, Radlasten, ein Rollwinkel und ein Nickwinkel des Fahrzeugs.
In einer Fahrdynamikregelung des Fahrzeugs, kann eine Kenntnis des Schwimm winkeis zur Darstel- lung eines vorteilhaften Fahrzeugverhaltens für einen Fahrer verwendet werden, während die Verfügbarkeit der Radlasten und ein Aufbauwinkel eine Fahr Sicherheit erhöhen kann. Die Kennt- nis der Radlasten kann bei Allradfahrzeugen außerdem dazu verwendet werden, temporär nicht benötigte Achsen stillzulegen (sogenannte „Disconnecf ‘-Systeme), wodurch ein Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann. Eine Regelung aktiver Triebstrangkomponenten, wie beispielsweise einer Kupplung in einem Verteilergetriebe, kann durch eine näherungsweise Kenntnis eines übertragenen Drehmoments vereinfacht werden, wodurch Entwicklungskosten reduziert werden können.
Aus der Druckschrift DE 10 2004 006 944 Al sind eine Regelungsvorrichtung und ein modell- basiertes Regelungsverfahren zur Echtzeit-Regelung fahrdynamischer Bewegungen eines mehrspuri- gen Fahrzeugs mit wenigstens drei Rädern mit den Verfahrensschritten bekannt:
- Ermitteln einer horizontalen Dynamik des Fahrzeugs unter Verwendung eines Einspurmodells;
- Ausgehend von der ermittelten horizontalen Dynamik des Fahrzeugs: Ermitteln einer ver- tikalen Dynamik des Fahrzeugs unter Verwendung eines Mehrspurmodells;
- Ermitteln einer für jedes Fahrzeugrad individuellen Gesamtdynamik durch Kopplung der horizontalen Dynamik des Fahrzeugs mit der vertikalen Dynamik des Fahrzeugs;
- Ableiten wenigstens eines Regelungswertes aus der ermittelten, für jedes Fahrzeugrad in- dividuellen Gesamtdynamik, wobei der abgeleitete Regelungswert einer Steuerungseinheit und/oder einem Aktuator zur Beeinflussung oder Veränderung des fahrdynamischen Zustands des Fahrzeugs zugeführt wird.
Nachteilig an dem vorstehenden Regelungsverfahren ist, dass es nicht den sich mit den Umge- bungsbedingungen ändernden Reibwert umfasst und berücksichtigt, wobei auch keine Adaption des Reibwerts danach erfolgt. Insoweit muss davon ausgegangen werden, das vorstehende Regelungsver- fahren funktioniert nicht ausreichend gut bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.
Eine Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln von nicht direkt messbaren Fahrzustands- größen für die Fahrdynamik- und Komponentenregelung des Kraftfahrzeugs anzugeben, wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Rechenmod- ell ein Fahrzeugmodell, ein Reifenmodell sowie ein Radaufhängungsmodell umfasst und diese miteinander in der Recheneinrichtung nach dem folgenden differentiellen Gleichungssystem gelöst werden:
Figure imgf000004_0001
Der erfindungsgemäße Zu stand svektor umfasst in generalisierten Koordinaten:
Figure imgf000004_0002
Die Geschwindigkeiten x, y, z in Richtung der jeweiligen Achse in einem inertialen Fahrzeugko- ordinatensystem. - Die Drehgeschwindigkeiten
Figure imgf000005_0003
um die z-, y- und x-Achse des Fahrzeugs in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem.
- Die Raddrehgeschwindigkeiten
Figure imgf000005_0001
vorne links, vorne rechts, hinten links sowie hinten rechts um die y-Achse des Fahrzeugs.
Zur Ermittlung der nicht direkt messbaren Fahrzustandsgrößen werden entsprechend der vorliegen- den Erfindung ein Zehn-Freiheitsgrade-Modell zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens als Fahrzeugmodell des Fahrzeugaufbaus, ein Radaufhängungsmodell sowie ein Reifenmodell ver- wendet. Die drei Teilmodelle sind zu dem erfindungsgemäßen und einheitlichen Rechenmodell zusammengefasst, sodass eine mögliche Datenfusion der Ergebnisse der Teilmodelle und daraus resultierende Inkonsistenten entfallen können. Dabei werden mit dem Index i die einzelnen Körper des Fahrzeugs modelliert und erfasst, wobei
- mit M jeweils eine Massenmatrix,
- mit q die Ableitung des Zustandsvektors,
- mit k Kreiselkräfte und
- mit b eingeprägte Kräfte und Momente bezeichnet werden.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem typischen Anwendungsfall bei einem vierrädrigen Kraftfahrzeug eingesetzt, umfasst das Rechenmodell ein Mehrkörpermodell mit fünf Körpern, der Modellierung der Radaufhängungen und der Einsatz einer vollwertigen Reifenmodellierung.
Für den Echtzeit-getakteten Einsatz auf der Steuereinrichtung in dem Fahrzeug kann es vorteilhaft sein, einen Freiheitsgrad des Fahrzeugmodells, beispielsweise die Drehgeschwindigkeit um die z- Achse des Fahrzeugs, sowie vier Freiheitsgrade der Räder, beispielsweise die Raddrehgeschwindigkeiten, zu sperren und diese von einem Fahrzeugbus als Eingang für das erfindungsgemäße Rechenmodell zu übernehmen - der Fahrzeugbus verbindet dabei die Recheneinrichtung, die Sensoreinrichtung sowie die Aktuatoreinrichtung signalleitend miteinander. Demnach können die übertragenen Rad- momente sowie das Giermoment des Fahrzeugs als Ausgangsgrößen generiert werden.
Die möglichen Eingangssignale von dem Fahrzeugbus für die Rechen einrichtung und das erfind- ungsgemäße Rechenmodell können somit sein
- die Raddrehgeschwindigkeiten
Figure imgf000005_0002
für jedes Fahrzeugrad des Fahrzeugs,
- ein Lenkwinkel d an den gelenkten Rädern,
- die Gierrate des Fahrzeugs als Drehgeschwindigkeit um die z-Achse, - eine Steigung der Fahrbahn Q auf dem das Fahrzug fährt und
- eine Querneigung der Fahrbahn f auf dem das Fahrzeug fährt.
Mit diesen Eingangssignalen kann das erfindungsgemäße Rechenmodell rechentechnisch numerisch gelöst und dessen differentielles Gl ei chungs System integriert werden. Im Ergebnis können in Echtzeit die folgenden im realen Fahrzeug nur mit sehr hohem Aufwand messbaren Größen des Fahrzeugs ermittelt werden:
- Eine Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit über Grund.
- Ein Schwimmwinkel des Fahrzeugs.
- Eine Rollrate und ein Rollwinkel des Fahrzeugs.
- Eine Nickrate und ein Nickwinkel des Fahrzeugs.
- Die Radlasten der Räder.
- Die übertragenen Radkräfte und Radmomente.
- Ein Giermoment des Fahrzeugs.
- Ein Reibwert der Fahrbahn auf dem das Fahrzeug fährt.
- Ein Schräglaufwinkel an den Rädern des Fahrzeugs, der als sicherer Indikator für eine Steuertendenz ausgewertet werden kann.
Die beschriebenen Ausgangssignale können zur Verbesserung der Arbeitsweise von einer Vielzahl an Regelungsfunktionen der Fahrdynamik, der Fahrsicherheit und der Fahrzeugkomponenten herange- zogen werden.
Das Radaufhängungsmodell kann vorzugsweise eine Modellierung der Radaufhängungen als eine Vertikalfeder und ein Vertikaldämpfer für jedes Fahrzeugrad des Fahrzeugs darstellen, wobei die Räder als waagrecht auf der Fahrbahn stehend angenommen werden können, der Fahrzeugaufbau Wank- und Nickbewegungen vollführend und eine Einfederung in Richtung der fahrzeugfesten z- Achse angenommen werden kann. Dabei können pro Fahrzeugrad vorzugsweise folgende Kraftele- mente zum Einsatz kommen:
- eine Feder mit konstanter Steifigkeit oder deren Federkennlinie;
- ein Dämpfer mit konstanter Dämpfung oder dessen Dämpfungskennlinie;
- ein Stabilisator mit konstanter Verdrehsteifigkeit. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet in Echtzeit auf der Steuereinrichtung und liefert schwer zu ermittelnde Fahrzustandsgrößen. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren neue Ansätze in der Fahrzeugregelung. Die Kenntnis des Schwimm winkeis beispielsweise ermöglicht die Darstellung eines spektakulären Fahrverhaltens, welches durch die Verfügbarkeit der Radlasten bzw. der Aufbauwinkel in sicheren Grenzen gehalten werden kann. Die Kenntnis der Radlasten erlaubt außerdem eine effizientere Dosierung der Achsmomente und damit Kraftstoffeinsparungen. Die qualitative Kenntnis des übertragenen Radmoments ermöglicht neue Möglichkeiten in der Regelung aktiver Triebstrangkomponenten. So kann beispielsweise der Entwicklungsaufwand (Prüfläufe, Fertigungstoleranzen, etc.) zur Sicherstellung einer definierten Stellgenauigkeit reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das danach eingesetzte Rechenmodell unterscheidet sich insbesondere in der Komplexität gegenüber bekannten Verfahren, wobei es bekannten Verfahren an genauen und qualitativ hochwertigen ermittelten Fahrzeuggrößen mangelt.
Um Abweichungen in dem Fahrzeug- oder Reifenmodell und Abnutzungserscheinungen besser auszugleichen, kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ein Ver- fahren vorgesehen sein, dass in der Recheneinrichtung von dem Rechenmodell ein Reibwertschätzer für das Reifenmodell verwendet wird, mit dem ein geschätzer Reibwert in dem Reifenmodell nachgeführt werden kann. Die Parameter des Rechenmodells, welche physikalischen Werten des Fahrzeugs entsprechen - beispielsweise einer Fahrzeugmasse, einer Schwerpunktlage etc. - können dafür für jedes Zielfahrzeug ermittelt und angepasst werden.
Der Reibwertschätzer adaptiert und passt den vom Reifenmodell nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reibwert an, wobei der Reibwertschätzer die gemessenen und eventuell über den Fahrzeugbus übermittelten laterale und longitudinale Beschleunigungen des Fahrzeugs mit den jeweiligen durch das Rechenmodell berechneten Beschleunigungen vergleicht sowie dem Reifen- modell zurückführt, sodass der Reibwert des Reifenmodells nachgeführt werden kann. Dadurch können auch geringe Abweichungen in den Parametern des Rechenmodells kompensiert werden, beispielsweise in einem Vergleich zur Originalbestückung des Fahrzeugs, auf der die Parame- trierung des Fahrzeugmodells basiert, oder verschlissenen oder abweichend zur Originalbestückung montierten Reifen. Dies gewährleistet einen sehr robusten Betrieb des Verfahrens und eine hohe Genauigkeit der ermittelten Fahrzeuggrößen bei verschiedenen Umgebungsbedingungen.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zum Ermitteln von nicht direkt messbaren Fahrzu- standsgrößen eines Fahrzeugs mit einer Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung jeweils mindestens eine Recheneinrichtung, eine Sensoreinrichtung sowie eine Aktuatoreinrichtung aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Recheneinrichtung dafür geeignet, ist ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Nachfolgend zeigen schematische Darstellungen exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung. Es zeigt:
Figur 1 ein Verfahren und ein Rechenmodell in Ausgestaltung eines Blockschaltbildes,
Figur 2 eine mögliche Zuordnung der Parameter des Rechenmodells und
Figur 3 eine mögliche Definition der nach dem Verfahren und in dem Rechenmodell verwendeten Achsen nach Schramm, Hiller und Bardini (D. Schramm, M. Hiller und R. Bardini, Modellbildung und Simulation der Dynamik von Kraftfahrzeugen. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2018).
Die Figuren 1 bis 3 zeigen in einer Gesamtschau ein erfindungsgemäßes Verfahren 1 zur Ermittlung von nicht direkt messbaren Fahrzustandsgrößen 2 mit einer Recheneinrichtung 3, wobei die Fahrzus- tandgrößen 2 von der Recheneinrichtung 3 aus über einen Fahrzeugbus 4 an eine Aktuatoreinrichtung 5 übertragen werden. Eingangs erfasst eine Sensoreinrichtung 6 als Eingangsgrößen 7
- die Raddrehgeschwindigkeiten ^ und I für jedes Fahrzeugrad 13 des Fahrzeugs 9,
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0002
- einen Fenkwinkel an den gelenkten Rädern 13 5,
- eine Gierrate des Fahrzeugs 9 als Drehgeschwindigkeit um die z-Achse f,
- eine Steigung der Fahrbahn Q auf dem das Fahrzeug 9 fährt,
- eine Querneigung der Fahrbahn f auf dem das Fahrzeug 9 fährt und
- eine gemessene laterale aiat und longitudinale a j(yn(j Beschleunigung des Fahrzeugs 9.
Diese werden über den Fahrzeugbus 4 an ein Zehn-Freiheitsgrade-Fahrzeugmodell 8 zur Beschrei- bung des dynamischen Verhaltens des Fahrzeugaufbaus des Fahrzeugs 9 übermittelt, wobei fünf Eingangsgrößen 7 insgesamt fünf Einträge eines Zu stand svektors q des Fahrzeugmodells 8 über- lagern und somit sperren. Dem Fahrzeugmodell 8 nachgeschaltet sind ein Radaufhängungsmodell 10 sowie ein Reifenmodell 11, diese wirken aber auf das Fahrzeugmodell 8 mit ihren Ausgangsgrößen 12 zurück und beeinflussen es demnach in einer Rückkopplung.
Das Radaufhängungsmodell 10 stellt eine Modellierung der Radaufhängungen als Vertikalfeder und Vertikaldämpfer für jedes Fahrzeugrad 13 des Fahrzeugs 9 dar, wobei die Räder 13 als waagrecht auf der Fahrbahn stehend angenommen werden, der Fahrzeugaufbau Wank- und Nickbewegungen vollführend angenommen wird und eine Einfederung in Richtung einer z- Achse angenommen wird. Dabei kommen pro Fahrzeugrad x folgende Kraftelemente zum Einsatz:
- eine Feder mit einer konstanten Steifigkeit oder deren Federkennlinie,
- ein Dämpfer mit einer konstanten Dämpfung oder dessen Dämpfungskennlinie und
- ein Stabilisator mit einer konstanten Verdrehsteifigkeit.
Das Reifenmodell 11 ist eine Approximation des Reifenverhaltens inklusive einer Reibwertab- hängigkeit, einer Längs- und Querkraftcharakteristik, einem degressiven Einfluss der Radlast und einem kombinierten Reifen verhalten. Dabei vergleicht der Reibwertschätzer 14 die gemessenen Beschleunigungen mit den durch das Verfahren 1 berechneten Beschleunigung und führt eine gewichtete Differenz zurück zum Reifenmodell 11, das seinen modellintern verwendeten Reibwert 15 anpassen und nachführen kann.
Nachfolgend gilt die Notation wie folgt:
Figure imgf000009_0002
- r steht für einen Vektor oder eine fettgedruckte Matrix bzw. einen Tensor.
- Der Punkt über dem r steht für die erste Ableitung nach der Zeit.
- Der Pfeil über dem Punkt über r steht für einen Vektor.
- n steht für die Potenz.
- T steht für eine transponierte Darstellung von r.
- k steht für das jeweilige Koordinatensystem.
- i steht für die jeweilige Auswahl der Komponente des Fahrzeugs.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Rechenmodell anhand der Figuren 2 und 3 parametriert dargestellt. Die 10 x 10-Massenmatrix umfasst die
Figure imgf000009_0003
folgenden Einträge, die nicht null sind:
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000010_0001
ugsmodells umfassen die folgenden Einträge, die nicht null sind:
Figure imgf000010_0002
Figure imgf000011_0002
Der 10 x 1 -Kreiselkräftevektor kp = ( kz ) mit z E {1, . . . , 10} des Fahrzeugs umfasst die folgenden Einträge, die nicht null sind:
Figure imgf000011_0003
Die 10 x 1-Kreiselkräftevektoren kpi = (kz) mit z E {1, . . . , 10} der Mehrkörper umfassen die folgenden Einträge, die nicht null sind:
Figure imgf000011_0001
Der eingeprägte 10 x 1 -Kräfte- und Momentenvektor des Fahrzeugs
Figure imgf000011_0005
umfasst die folgenden Einträge, die nicht null sind:
Figure imgf000011_0004
Figure imgf000012_0001
Die eingeprägten 10 x 1-Kräfte- und Momentenvektoren der
Figure imgf000012_0003
Mehrkomponenten umfassen die folgenden Einträge, die nicht null sind:
Figure imgf000012_0002
Bezugszeichenliste er Fahrzeugrichtung arzeugrichtung b punkten FQ gkoordinatensystem F\y Auswahl der Komponente i mit den Rädern 1 bis 4 bzw. VL , VR, HL , 7777; mit dem Fahrzeug F oder dem Rad R Erweiterung der Komponente ij um eine rotatorische bzw. translatorische Bewegungsrichtung (Q/7tt. als eine Drehung um die x-Achse oder Fy\x als eine Bewegung in die x-Achse) Kreiselkräfte k Masse des Fahrzeugaufbaus mp Masse des Rades mp Massenmatrix M Antriebs- und Bremsmoment Mgp Rollwiderstandmoment Mp Generalisierte Koordinaten q Ortsvektor r Dynamischer Reifenradius r^yn Statischer Reifenradius rsfaf Massenträgheitsmoment im Schwerpunkt Qg Vertikale Bewegung des Fahrzeugaufbaus (vereinfachte Darstellung) zdyn Nickwinkel, Winkel um die Fahrzeugquerachse 0 Gierwinkel, Winkel um die Fahrzeughochachse Y Wankwinkel, Winkel um die Fahrzeuglängsachse F Raddrehgeschwindigkeit w Fahrbahnsteigung Q Fahrbahnneigung f

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren (1) zum Ermitteln von nicht direkt messbaren Fahrzustandsgrößen (2) eines Fahrzeugs (9) mit einer Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung jeweils mindestens eine Recheneinrichtung (3), eine Sensoreinrichtung (6) sowie eine Aktuatoreinrichtung (5) aufweist, wobei in einem ersten Schritt von der Sensoreinrichtung (6) eingelesen und an die Recheneinrichtung (3) übertragen werden
- eine Raddrehzahl eines jeden Fahrzeugrades (13),
- einen Fenkwinkel des Fahrzeugs (9),
- eine Gierwinkelrate,
- eine Fahrbahnlängsneigung des Fahrzeugs (9) sowie
- eine Fahrbahnquemeigung des Fahrzeugs (9); wobei in einem nachfolgenden Schritt von der Recheneinrichtung (3) Fahrzustandsgrößen (2) mit Hilfe eines Rechenmodells berechnet werden, sodass anhand der berechneten Fahrzu- standsgrößen (2) weitere schwer oder nicht direkt messbare Fahrgrößen ermitteln werden können, und wobei in einem nachfolgenden Schritt die Recheneinrichtung (3) die berechneten Fahrzustandsgrößen (2) und ermittelten Fahrgrößen an die Aktuatoreinrichtung (5) übermit- telt werden, sodass anhand dieser das Fahrzeug (9) vorteilhaft gesteuert und/oder geregelt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenmodell ein Fahrzeugmodell (8), ein Reifenmodell (11) sowie ein Radaufhängungsmodell (10) umfasst und diese miteinander in der Recheneinrichtung (3) nach dem folgenden differentiellen Gleichungssystem gelöst werden:
Figure imgf000015_0001
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Recheneinrichtung (3) von dem Rechenmodell ein Reibwertschätzer (14) für das Reifenmodell (11) verwendet wird, mit dem ein geschätzer Reibwert (15) in dem Reifenmodell (11) nachgeführt werden kann.
3. Vorrichtung zum Ermitteln von nicht direkt messbaren Fahrzustandsgrößen (2) eines Fahrzeugs (9) mit einer Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung jeweils mindestens eine Rech- eneinrichtung (3), eine Sensoreinrichtung (6) sowie eine Aktuatoreinrichtung (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (3) dafür geeignet, ist ein Verfahren (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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DE102019128447A1 (de) * 2019-10-22 2021-04-22 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Verfahren zur Bestimmung einer Übersteuer-Kennzahl als Maß für das Übersteuern eines Fahrzeugs

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