CN106232446B - 用于确定惯性传感器的误差的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定行驶的机动车的由惯性传感器测量的纵向加速度信号的附加偏差的方法,至少检测纵向加速度信号、制动信号和驱动信号,并且分析机动车的纵向动力学的力平衡。各信号既在至少一个加速过程中又在至少一个制动过程中被检测。加速过程中的信号与制动过程中的信号分开地检测和/或分析,并且所述附加偏差通过将在加速过程中检测的信号或由此计算的值与在制动过程中检测的信号或由此计算的值进行比较而确定。本发明还涉及一种电子控制器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定行驶的机动车的由惯性传感器测量的纵向加速度信号的附加偏差的的方法以及一种电子控制装置。
背景技术
机动车——特别是商业上用于运输货物的车辆的行驶性能可显著地受负载状态影响。因此用于估计车辆质量的不同方法已经是已知的,这些方法仅使用设置用于进行行驶动力学控制(Fahrdynamikregelung)的传感器的信号。如果考虑在加速过程期间的车辆纵向动力学,那么可以分析力平衡,并且可以将车辆质量计算为驱动和制动力之差作为分母与所产生的加速度作为分子所得的商。
为了在估计车辆质量的过程中考虑坡度的影响,由文献DE 10 2006 012 246 A1已知,利用加速度传感器测量纵向加速度。然而,纵向加速度信号的误差(Offset)或附加偏差/漂移(Verschiebung)可导致车辆的实际质量与估计质量之间的显著误差。此外,纵向加速度传感器的误差不利地影响坡道起步辅助***的运行,因为该坡道起步辅助***一般按照测量的坡度或下坡力来调节保持压力。
纵向加速度信号的附加偏差或误差可以例如由于传感器的倾斜安装、温度变化或车辆的不对称负载而产生。倾斜安装的传感器引起恒定或持久的误差,而温度变化或变化的负载引起波动或随时间变化的误差。如果存在温度传感器,则在这种情况下温度影响例如根据特性曲线校正。
在文献WO 2005/101031 A1中描述了一种用于传感器(特别是加速度传感器)的电信号的误差补偿的方法,其中在传感器的使用寿命期间长期更新补偿值,其中更新根据车辆行驶的路程实施。基于如下假定:即,对足够多的测量值或在足够长的路程上求平均值得到零值,因此可以校正持久或缓慢变化的误差(例如由于传感器的老化所引起的误差)。该方法可不考虑根据行程变化的负载的影响。
由文献DE 10 2005 025 851 B1已知一种用于检测车辆中的重量分布的变化的方法,其中在关闭点火装置之后确定对于车辆倾斜的第一值,在接通点火装置之后确定对于车辆倾斜的第二值,并且根据用于车辆倾斜的第一值与第二值的比较来检测车辆中的重量分布的变化。因此,借助于该方法,仅确定由在车辆处于静止状态的最后阶段期间执行的负载所引起的误差。因此无法确保充分补偿当前存在的误差。
发明内容
本发明的任务在于,提出一种仅基于行驶动力学控制***中存在的传感器***来确定纵向加速度传感器信号的附加偏差的方法,该方法避免了上述方法的缺点。
该任务按照本发明的用于确定行驶的机动车的由惯性传感器测量的纵向加速度信号的附加偏差的的方法解决。
至少检测纵向加速度信号、制动信号和驱动信号,并且分析机动车的纵向动力学的力平衡,从而确定行驶的机动车的由惯性传感器测量的纵向加速度信号的附加偏差,其中各信号既在至少一个加速过程中又在至少一个制动过程中被检测,其中,加速过程中的信号与制动过程中的信号单独地/分开地检测和/或分析,并且其中所述附加偏差通过将对于加速过程检测的信号或由此计算的值与对于制动过程检测的信号或由此计算的值进行比较而确定。具有可移位地支承的校验质量的惯性传感器以微机电***的形式实施。
根据本发明的方法具有以下优点:不需要停止车辆以便确定纵向加速度信号的附加偏差。无论道路的坡度角如何并且无论机动车包括手动传动装置还是自动变速器,都能利用已存在的行驶动力学控制***的传感器***来确定与补偿当前出现的对纵向加速度信号造成影响的干扰,特别是例如不对称负载。此外,还能考虑或补偿由温度效应造成的位移。因此例如显著提高测量估计的精度。
有利地,只有当检测到稳定的行驶状态时才执行对纵向动力学的力平衡的分析。这避免了由于难以考虑的影响——例如通过接合制动滑移控制***(或者说滑转控制***或车轮打滑控制***)而不利地造成的速度信号——造成已确定的位移中的误差。
尤其有利的是,如果满足以下条件中的一个或多个,那么检测到稳定的行驶状态:
·驾驶员请求的加速度的值位于预定的加速度区间内,其中特别是由驾驶员执行的加速踏板操作或制动器操作超过预定的阈值。
这确保了实现车辆的显著的驱动或制动加速度。
·行驶的机动车的行驶速度位于预定的速度区间内。
这里的区间可包括车辆的静止状态或作为下限或下限阈值的预定的最
小速度,而上限有利地介于50km/h与l00km/h之间。
·由驾驶员操作的转向角低于预定的转向角阈值,和/或测量的横摆角速度的值低于预定的横摆角速度阈值。
·测量的横向加速度的值低于预定的转弯阈值。
从而排除可能引起分析误差的由驾驶员带来的显著横向动力学或转向位移的行驶情况。
·驱动信号随时间的变化低于预定的驱动阈值。
·纵向加速度信号的值超过预定的最小阈值。
·行驶动力学控制和制动滑移控制均未被激活。
这确保了存在明确且容易评估的行驶情况。
有利的是,对纵向动力学的力平衡的分析包括根据驱动信号和/或制动信号确定作用于车辆的纵向力,其中特别是还根据车辆的行驶速度确定和考虑空气阻力。
尤其有利的是,在加速过程期间根据纵向加速度信号确定第一纵向加速度aacc并且至少根据驱动信号确定第一纵向力Facc;并且在制动过程期间根据纵向加速度信号确定第二纵向加速度adec并且至少根据制动信号确定第二纵向力Fdec;并且按照如下公式确定纵向加速度信号的附加偏差
可尤其有利地假定,在多个制动或加速过程期间检测传感器信号和/或中间变量并且计算各平均值,以便根据这些求平均的变量确定附加偏差。从而可以直接计算附加偏差。
此外,尤其有利的是,对传感器信号的检测连续地进行,特别是以固定的时间间隔进行;其中根据在加速过程中测量的信号确定第一质量并且根据在制动过程中测量的信号确定第二质量;并且其中,当所述第一质量与所述第二质量之间的差值超过预定的容限阈值时,优选执行纵向加速度信号的附加偏差的确定。从而连续地检测传感器信号,并且优选根据在制动过程或加速过程中估计的质量的比较来检验是否需要进行校正或者是否存在显著的附加偏差。
除了直接计算以外或者代替直接计算,附加偏差的确定递归地实现,其中确定多个第一质量值和第二质量值并且计算对于第一质量的期望值和对于第二质量的期望值;并且其中使得对于第一质量的第一期望值与对于第二质量的期望值之间的差值最小化;其中,特别是如果期望值之间的差值低于终止阈值,那么保持并且不重新确定已确定的附加偏差。为此可以应用优化方法,该优化方法匹配已知函数关系的一个或多个参数以使得成本函数最小化。例如,可以应用已知的最小二乘法,其目标在于得到测量值与匹配的估计值之间的最小二次偏差或偏差的最小平方和。该随机过程具有如下优点:确定对于附加偏差的可靠值并且此外可以指定品质变量,如方差或置信区间。通过优选递归地实施随机估计过程,仅需要有限的存储空间。通过统计学测试可以确保针对个别异常值——亦即明显不同的随机原始质量值——的鲁棒性。特别是可以利用直接计算的附加偏差作为优化的初始值。
有利地,利用至少一个车轮转速传感器确定速度信号;和/或利用制动踏板上的制动压力传感器和/或踏板行程传感器确定制动信号;和/或根据由内燃机的发动机控制单元和/或由电驱动器的电机控制单元发出的驱动扭矩信号和/或在电机轴上测量的转速来确定驱动信号。
本发明还涉及一种特别是用于机动车的制动***的电子控制装置,其包括:用于连接至少一个车轮转速传感器和至少一个制动器操作传感器、沿纵向方向设置的至少一个惯性传感器的接口和到车辆数据总线的接口,所述电子控制装置包括运算单元,该运算单元执行根据本发明的方法。
该电子控制装置优选包括用于独立于驾驶员在一个或多个车轮上形成/建立/产生制动力的执行器,特别是电动操作的液压泵和至少一个电磁阀以及运算单元,该运算单元执行行驶动力学控制,其中向行驶动力学控制器提供根据附加偏差校正的纵向加速度信号。所述行驶动力学控制器可以是用于保持由驾驶员预先确定的航向的横摆力矩控制器、用于防止关于车辆的纵向轴线倾斜的防翻转装置,拖车稳定化装置、制动控制器或驱动滑移控制器或坡道起步辅助***。
附图说明
另外优选的实施例由从属权利要求以及参照附图对实施例的以下描述而揭露。在所述附图中:
图1示出作用于车辆的力的示意图;
图2示出用于确定纵向加速度传感器误差的递归估计方法的示意性结构;以及
图3示出在对纵向加速度传感器信号进行连续误差校正期间的质量分布的示意图。
具体实施方式
图1示出示例性车辆的侧视图,其中示意地示出了作用力和不对称负载的影响。
驱动发动机例如内燃机的发动机扭矩Teng在该例子中通过前轴的车轮传递并且引起对车辆的驱动力Feng。车轮的惯性矩Jwh表明由驱动发动机施加的动力的一部分也被转换为车轮和传动系的转动能量。如果考虑作用的制动力或行驶阻力如滚动阻力和空气阻力,那么引起车辆的纵向速度vx的增大的加速力Facc可根据驱动力和制动力之差来计算:
为了简单起见,假定在平坦路线上行驶并且已知车辆质量mFzg。
如果驾驶员以一定的力Fb操作制动踏板,那么通过制动***施加(典型地相对于操作力增大的)制动力Fbrk=Fb1+Fb2给车辆,该制动力按照已载入的制动力分布而分配为在前轴上的力Fb1和在后轴上的力Fb2。相应地,考虑驱动发动机的可能的作用力和附加地制动车辆的行驶阻力,可计算制动力Fdec,该制动力引起车辆纵向速度vx的减小
在示出的例子中,在车辆后方装载质量为m的负载,因此后轴的接触力Fn2相比于前轴的接触力Fn1更大幅地增加。重心G相比于未装载的车辆移动dx。这导致,车辆纵轴与车道纵轴成角度θ。因此,由固定安装在车辆上的传感器测量的纵向加速度不再对应于加速力,而是传感器信号具有误差或附加偏差。此外表明:重心相对于未装载的车辆向上移动dz。这种较高的重心导致:在相比于未装载的车辆更小的横向加速度下便可能发生绕纵轴的翻转。
在对载货空间前部区域加负载的情况下,由于重心移位dx引起的测得的纵向加速度信号中的附加偏差可以例如引起负误差,该负误差在加速过程期间可以导致质量的过高估计。
如果在载货空间后部区域中施加负载,那么产生加速度信号的正误差,该正误差在加速过程期间可以导致质量的过低估计。除了不均匀负载的影响之外,传感器的大幅温度变化也可引起加速度传感器信号的误差。测量的加速度值因此由以下组合:
其中:
表示车辆纵向速度的导数;
γ(k)表示道路坡度角;
g表示恒定的重力加速度;
随时间变化的变量或连续的测量值在此以标记k表示,该标记表示相应的时间。
如果满足这两个条件:即,1.)车辆处于静止状态并且2.)道路没有坡度(γ=0),那么传感器误差值原则上可以通过测量来确定。为了检验是否满足无斜坡道路的第二条件,要么需要用于测量道路坡度角的单独传感器,要么需要检验以下条件:i)制动器未***作,ii)车辆未被驱动,以及iii)车辆未溜车。出于节约成本的目的,大多数车辆不具有单独的坡度角传感器,并且在许多车辆中,特别是在具有自动变速器的车辆中,条件i)和ii)——即,制动器未***作并且车辆未被驱动——不连续满足,附加偏差的确定有利地在行驶期间实现。
优选地,根据本发明的方法由机动车的制动***的电子控制装置执行,因为该电子控制装置已经提供了行驶动力学控制和/或制动滑移控制***,并且因此有利地包括一个或多个运算单元——特别是冗余的核芯微控制器、用于连接的传感器的信号的分析电路以及与车辆数据总线如CAN总线或FlexRay总线连接的一个或多个接口。在这种情况下,有利地仅仅检测车辆中已存在的传感器的信号和/或经由CAN总线读取如发动机控制器的驱动信号的信息。例如,发动机转速可通过与发动机控制器连接的曲轴上的传感器确定,并且传动比或接合的挡位可通过与车轮转速的比较确定。
电子控制装置优选与所有车轮上的车轮转速传感器连接,每个车轮转速传感器与一车轮相关联并且提供速度信号。由例如4个车轮转速传感器的速度信号可以确定车辆速度和(特别是平均的)车轮加速度。驾驶员的制动操作可以在液压制动***中利用主制动缸中的压力来检测,代替地或者另外地,也可以考虑制动踏板角传感器或操作行程传感器的信号。此外,电子控制装置有利地具有横向加速度传感器和/或横摆角速度传感器或者与它们连接。纵向加速度传感器构成为惯性传感器,该惯性传感器包括可移位地支承的校验质量并且特别是实现为微机电***。
原则上附加偏差可以由制动过程与加速过程的比较确定,如在下文中简短地阐明的。在补偿附加偏差之后对于在加速过程期间的确定的质量macc适用以下公式:
相应地,在补偿之后对于制动过程期间的确定的质量mdec适用如下公式:
因为车辆在行驶期间的质量保持相同(除在此忽略燃料水平下降以外),所以进一步必然正确的是:
macc=mdec,
因此可以按照以下公式计算加速度传感器的误差:
有利的是,附加偏差的计算在考虑多个制动过程和驱动过程的情况下完成。为了获得准确且可靠的结果,必须选取来自两个群组(加速和制动)的采样的等价表示,例如制动过程的数量对应于加速过程的数量,其中从适当的统计品质的意义上讲,可以检验例如所考虑的制动或加速过程的数量超过预定阈值。为了能够确定有用的附加偏差,在估计期间不可变化,因此特别是应确保:载货空间中的负载如此设置和/或载货空间中的负载的主动固定如此完成:使得在制动和加速过程中负载保持在相同位置并且不往复滑移。
替代地或者与根据公式(2)的计算——为了得到正确的结果,该计算应以使用在制动和加速过程中确定的车辆质量mdec和macc的多个原始测量值为基础,所述多个原始测量值仅在一定的行驶持续时间之后可用——相结合,也可以实现附加偏差的递归确定或逐次逼近。
图2示出用于确定纵向加速度传感器误差的递归估计方法的示意性结构。各个模块在此可以解读为该方法的各个步骤。向估计装置提供来自车辆中所存在的传感器的信号和/或来自电子控制装置的信息,如发动机扭矩信号和/或加速度传感器信号和/或车辆速度和/或主制动缸中的预加压力或压力和/或踏板行程和/或横摆角速度以及测量的纵向加速度。
模块401用于学***均速度区间内,驱动扭矩在制动过程期间也应在预定的精度内保持恒定,有利地传动装置(或者接合的挡位)的传动比不应太高并且应该恒定,并且应当在具有不太高的坡度的车道上直线行驶。可以假设,评估另外地或者替代地借助于模糊分级器来执行。在满足条件中的一个或多个、优选满足所有条件的情况下并且此外如果制动或驱动加速度的大小位于预定的区间内,则检测到或开始学习阶段。
这里:
∑F(k)表示在时间点k沿纵向方向确定的力的和,该和尤其根据发动机扭矩和制动压力来计算;以及
利用将公式(1)代入至公式(3)中,
对于恒定误差,在没有补偿的情况下——亦即在时——平均偏差的正负取决于行驶状况,如由以下表格可得知的那样:
如果发生附加偏差的补偿,那么无论加速与制动如何,上表的每行中的平均偏差E{Δm}都趋于零。
因此原理上可根据以下优化问题来确定附加偏差:
在模块403中考虑在制动过程期间确定的原始质量值的统计特性,其中特别是输出加权平均值μ,加权方差σ2或加权标准差σ。
借助于统计测试,优选假设检验,在模块405中一方面检验是否能确保抽样的代表性,并且另一方面借助于零假设确定两组的期望值是否在一定的显著性上相同。假如零假设在给定的显著性水平下被推翻,则这表示在该显著性水平下还存在部分误差未被补偿。通过这种方式推翻用于误差值的较差候选者。
模块406根据原始质量值和统计检验实施优化方法,其中基于网格的方法以及梯度方法可以用于有条理的试错目的。
基于网格的方法以及梯度方法可以递归地设计,以便结束硬件资源。
图3示出在对纵向加速传感器信号的连续误差校正期间的质量分布的示意图。在该例子中,负载放置在后载货空间区域中。在此示出了在连续时间点t下的估计的车辆质量的图,其中mdec表示在制动过程期间估计的质量,而macc表示在加速过程期间估计的质量。有限数量的计算或原始质量值仅仅能实现粗略接近示出的连续质量分布。
根据若干质量值计算,从而获得在时间点t0处的所示质量分布,该质量分布针对基于考虑制动过程的估计质量而产生平均质量或期望值E{mdec},而针对基于考虑加速过程的估计质量而产生平均值或期望值E{macc}。因为由负载引起的误差和/或与温度有关的误差还没有被确定或补偿,所以在针对制动和加速过程的期望值或平均质量之间存在显著偏差。
基于公式(2)或优化方法或考虑偏差,可以确定并因此补偿附加偏差,其中在随后的时间点t1>t0下期望值或测量分布示出了减小的偏差。
相应地,在下一步骤中,确定附加偏差的更新的或更准确的估计值,紧接着在随后的时间点t2>t1下期望值或测量分布示出了进一步减小的偏差。
在确定附加偏差的另一步骤之后,在随后的时间点t3>t2下质量分布彼此偏离小于其半值宽度(或者方差或质量分布的宽度的不同于预定度量)。附加偏差被足够准确地确定并且在整段行驶时间内被补偿。
Claims (17)
1.一种用于确定行驶的机动车的由惯性传感器测量的纵向加速度信号的附加偏差的方法,其中,至少检测纵向加速度信号、制动信号和驱动信号,并且其中分析机动车的纵向动力学的力平衡,其中各信号既在至少一个加速过程中又在至少一个制动过程中被检测,其中,加速过程中的信号与制动过程中的信号分开地检测和/或分析,并且其中所述附加偏差通过将在加速过程中检测的信号或由此计算的值与在制动过程中检测的信号或由此计算的值进行比较而确定,
其中,在加速过程期间根据纵向加速度信号确定第一纵向加速度aacc并且至少根据驱动信号确定第一纵向力Facc;以及在制动过程期间根据纵向加速度信号确定第二纵向加速度adec并且至少根据制动信号确定第二纵向力Fdec;以及按照如下公式确定纵向加速度信号的附加偏差
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,只有当检测到稳定的行驶状态时才执行对纵向动力学的力平衡的分析。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,如果满足以下条件中的一个或多个,那么检测到稳定的行驶状态:
·驾驶员请求的加速度的值位于预定的加速度区间内;
·行驶的机动车的行驶速度位于预定的速度区间内;
·由驾驶员操作的转向角和/或测量的横摆角速度的值低于预定的转向角阈值和/或预定的横摆角速度阈值;
·驱动信号或制动信号随时间的变化幅度低于预定的波动阈值;
·纵向加速度信号的值超过预定的最小阈值;
·测量的横向加速度的值低于预定的转弯阈值;
·行驶动力学控制、制动滑移控制和驱动滑移控制均未被激活。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于,对纵向动力学的力平衡的分析包括根据驱动信号和/或制动信号确定作用于车辆的纵向力。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,对传感器信号的检测连续地进行;其中根据在加速过程中测量的信号确定第一质量并且根据在制动过程中测量的信号确定第二质量。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,对传感器信号的检测连续地进行;其中根据在加速过程中测量的信号确定第一质量并且根据在制动过程中测量的信号确定第二质量。
7.根据权利要求5或6所述的方法,其特征在于,附加偏差的确定递归地实现,其中确定多个第一质量值和第二质量值并且计算对于第一质量的期望值和对于第二质量的期望值;并且其中使得对于第一质量的第一期望值与对于第二质量的期望值之间的差值最小化。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法,其特征在于,利用至少一个车轮转速传感器确定速度信号;和/或利用制动踏板上的制动压力传感器和/或踏板行程传感器确定制动信号;和/或根据由内燃机的发动机控制单元和/或由电驱动器的电机控制单元发出的驱动扭矩信号和/或根据在电机轴上测量的转速来确定驱动信号。
9.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述稳定的行驶状态为直线行驶。
10.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,如果由驾驶员执行的加速踏板操作或制动器操作超过预定的阈值,那么检测到稳定的行驶状态。
11.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,还根据车辆的行驶速度确定空气阻力并且考虑空气阻力。
12.根据权利要求5或6所述的方法,其特征在于,对传感器信号的检测以固定的时间间隔进行。
13.根据权利要求5或6所述的方法,其特征在于,当所述第一质量与所述第二质量之间的差值超过预定的容限阈值时,执行纵向加速度信号的附加偏差的确定。
14.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,如果期望值之间的差值低于终止阈值,那么保持并且不重新确定已确定的附加偏差。
15.一种用于机动车的制动***的电子控制装置,包括:用于连接至少一个车轮转速传感器和至少一个制动器操作传感器、沿纵向方向设置的至少一个惯性传感器的接口和到车辆数据总线的接口,其特征在于运算单元,该运算单元执行根据上述权利要求中的任一项所述的方法。
16.根据权利要求15所述的电子控制装置,其特征在于,该电子控制装置包括用于独立于驾驶员在一个或多个车轮上形成制动力的执行器,以及执行行驶动力学控制的运算单元,其中向行驶动力学控制提供根据确定的附加偏差校正的纵向加速度信号。
17.根据权利要求16所述的电子控制装置,其特征在于,所述执行器是电动操作的液压泵和至少一个电磁阀。
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