DE10039782A1

DE10039782A1 - Verfahren zur Regelung der Gier-und Querdynamik bei einem Straßenfahrzeug

Info

Publication number: DE10039782A1
Application number: DE10039782A
Authority: DE
Inventors: Avshalom Suissa
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-08-16
Filing date: 2000-08-16
Publication date: 2002-02-28
Also published as: US20040015284A1; WO2002014137A1; JP2004505855A; EP1227965A1; US6909957B2

Abstract

Zum Zweck einer Regelung der Gier- und Querdynamik bei einem Straßenfahrzeug mit elektrisch gesteuerter Vierradlenkung, bei der die Einstellung des Vorderachs-Lenkwinkels delta¶v¶ und des Hinterachs-Lenkwinkels delta¶h¶ mittels voneinander entkoppelter Regelkreise erfolgt, wird in dem der Vorderachse zugeordneten Regelkreis ein Sollwert S¶vsoll¶ für die an der Vorderachse aufzubauende Seitenkraft S¶v¶ ermittelt und für diesen Sollwert S¶vsoll¶ aus einer S¶v¶(alpha¶v¶)-Kennlinie, die die Abhängigkeit der an der Vorderachse aufbaubaren Seitenkraft S¶v¶ vom Schräglaufwinkel alpha¶v¶ repräsentiert, der mit dem Sollwert S¶vsoll¶ verknüpfte Wert des Schräglaufwinkels als Sollwert alpha¶vsoll¶ ermittelt. In dem der Hinterachse zugeordneten Regelkreis wird in einem Regelungsprozeß gemäß einem Regler-Gesetz der Form DOLLAR F1 ein Sollwert S¶hsoll¶ für die an der Hinterachse aufzubauende Seitenkraft S¶h¶ ermittelt und für diesen Sollwert S¶hsoll¶ aus einer S¶h¶(alpha¶h¶)-Kennlinie der mit dem Sollwert S¶hsoll¶ verknüpfte Wert des Schräglaufwinkels als Sollwert alpha¶hsoll¶ ermittelt. Diese Sollwerte alpha¶vsoll¶ und alpha¶hsoll¶ werden unter Berücksichtigung eines Schätzwertes des Schwimmwinkels beta im Schwerpunkt des Fahrzeuges, der Schwerpunktlage sowie Meß- und Schätzwerten der Giergeschwindigkeit DOLLAR I2 und der Längsgeschwindigkeit v¶x¶ des Fahrzeuges zur Ermittlung der Sollwerte delta¶vsoll¶ und delta¶hsoll¶ der Lenkwinkel genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Gier- und Querdynamik bei einem Straßenfahrzeug mit je einer Lenkeinrich tung für die Vorderachse und für die Hinterachse und mit δiesen individuell zugeordneten, elektrisch ansteuerbaren δ_v- und δ_H- Lenkwinkel-Stellgliedern, die über je einen Regler ansteuerbar sind, die aus Soll-Istwertvergleichen für das Gier- und das querdynamische Verhalten des Fahrzeuges charakteristischer Grö ßen (z. B. der Giergeschwindigkeit und eines Schwimmwinkels β) für die Nachführung der Regelgrößen erforderliche Ansteuer signale für die Lenkwinkel-Stellglieder generieren, und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gat tungsbestimmenden Merkmalen.

Bei Fahrzeugen, die mit unabhängig voneinander ansteuerbaren Lenkwinkelstellgliedern für die Vorderachs-Lenkung und die Hin terachs-Lenkung ausgerüstet sind, können im Prinzip "extreme" Fahrzeugbewegungen erreicht werden, die bei einem normalen Fahrzeug, das nur über die Vorderräder lenkbar ist, nicht auf treten können. Beispielsweise ist ein Schwimmen des Fahrzeuges, d. h. eine Bewegung desselben schräg zur Fahrzeuglängsachse mög lich, ohne daß das Fahrzeug giert (z. B. dadurch, daß die Vor derachs-Lenkung und die Hinterachs-Lenkung auf gleiche Lenkwin kel bezüglich der Fahrzeuglängsachse eingestellt werden). Es ist auch möglich, ein Gieren, d. h. eine Drehbewegung des Fahr zeuges um seine Hochachse zu erreichen, ohne daß diese eine Schwimmbewegung ausführt.

Die Nutzung solcher nur mit einer zwei-achsigen Lenkung er reichbaren Fahrzeugbewegungen sollte aus Sicherheitsgründen solchen Fahrsituationen vorbehalten bleiben, in denen der Fah rer sich bewußt auf ein ungewohntes Fahrzeugverhalten ein stellt, z. B. beim Rangieren auf engstem Raum, nicht jedoch im "normalen", den statistisch überwiegenden Fahrsituationen ent sprechenden Betrieb des Fahrzeuges, für den der Fahrer eine dem Fahrerwunsch entsprechende Reaktion des Fahrzeuges "gewohnheitsmäßig" erwartet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das bei Betätigung eines zur Einstel lung eines Fahrerwunsches vorgesehenen Lenkorgans, z. B. eines Lenkrades oder Joysticks, zu einer Fahrzeugreaktion führt, die derjenigen eines Fahrzeuges, das nur über eine Vorderachs- Lenkung verfügt, weitgehend analog ist, gleichwohl jedoch eine verbesserte Ausnutzung der über die beiden Lenkwinkel-Stell organe aufbaubaren Seitenführungskräfte erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art, dem Grundgedanken nach durch die Gesamtkombination der Merkmale des Patentanspruchs 1 und in speziellen Ausgestaltun gen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Merkmale der An sprüche 2 und/oder 3 gelöst.

Hierbei entspricht die gemäß Anspruch 2 vorgesehene Art der Er mittlung eines Sollwertes der Seitenkraft an den Vorderrädern einer Schwimmwinkel-Regelung an der Vorderachse in der Art wie für die Sollwertsbestimmung der Seitenkraft an der Hinterachse generell vorgesehen, während die Art der Bestimmung eines Soll wertes der Seitenführungskraft an der Vorderachse einer Gierge schwindigkeitsregelung über den der Vorderachse zugeordneten Lenkwinkel-Regelkreis entspricht. Die gemäß Anspruch 4 vorgese hene, näherungsweise Bestimmung von Sollwerten des Schräglauf winkels der Vorderräder und der Hinterräder des Fahrzuges ist in der weitaus überwiegenden Zahl der statistisch bedeutsamen Fahrsituationen hinreichend, um eine situations-adäquate Lenk winkel-Bestimmung für die Vorder- und die Hinterräder des Fahr zeuges durchführen zu können.

Bei einer zur Implementierung der durch die Merkmale des An spruchs 3 definierten Art der Regelung geeigneten Regelungsein richtung gemäß Anspruch 5 ist ein Querbeschleunigungssensor be sonders zweckmäßig, der unmittelbar die im Schwerpunkt des Fahrzeuges wirksame Querbeschleunigung erfaßt.

Hierzu können, unter Berücksichtigung der Fahrzeug-Geometrie auch, wie gemäß Anspruch 6 vorgesehen, zwei Querbeschleuni gungs-Sensoren vorgesehen werden, deren in Fahrzeuglängsrich tung gemessener Abstand voneinander möglichst groß sein sollte.

Sowohl durch eine Umschaltbarkeit der Regelungseinrichtung auf definiert verschiedene Regelungsmoden, wie gemäß Anspruch 7 vorgesehen, als auch durch eine gezielte Auswahl zwischen ver schiedenen gemäß Anspruch 8 vorgesehenen Referenzmodell- Varianten des Fahrzeuges, die durch einen Rechner implementiert sind, ist das Fahrzeug auf entsprechend verschiedene Arten sei nes Antwort-Verhaltens auf eine als Äußerung eines bestimmten Fahrerwunsches wirkende Betätigung eines Lenkorganes einstell bar d. h. gleichsam der Fahrzeugtyp (Sportwagen oder schwere Li mousine) wählbar, der dem Wunsch-Fahrverhalten des Fahrzeuges entspricht. Es versteht sich, daß die insoweit erläuterten Re gelungsmoden auch dann nutzbar sind, wenn die Hinterachslenkung dadurch realisiert ist, daß die Hinterradbremsen einzeln zur Entfaltung definierter Abbremskräfte ansteuerbar sind, wodurch sich auch ohne ein Lenkwinkel-Stellorgan der Hinterachse das Gierverhalten des Fahrzeuges über die Hinterräder gezielt be einflussen läßt.

Durch die gemäß Anspruch 9 für den Fall, daß sich das Fahrzeug im querdynamischen Grenzbereich bewegt, d. h. durch eine Ver größerung von Schräglaufwinkeln die Seitenkräfte nicht mehr er höht werden können, vorgesehene selbsttätige Umschaltung der Regelungseinrichtung auf einen Regelmodus mit der Giergeschwin digkeit als Regelgröße, wird erreicht, daß das Fahrzeug auch in dem genannten Grenzbereich und/oder bei einem Ausfall der Hin terachslenkung vergleichsweise gut beherrschbar bleibt und in soweit ein hohes Maß an Sicherheit erzielt.

Mittels den Regelgrößen zugeordneter Störbeobachter, vorzugs weise solcher, deren Entwurfsmodell demjenigen des Reglers für die beobachtete Regelgröße entspricht, wird eine signifikante Verbesserung der Regelqualität erzielt, da, im Unterschied zu einem Regler mit I-Anteil nicht der Regelfehler integriert wird, sondern der Fehler zwischen Messung und Schätzung und zu einer Störgrößenaufschaltung genutzt werden kann.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ei ner zu seiner Durchführung geeigneten Einrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und Gestaltungsvarianten ei ner zu seiner Implementierung geeigneten Regelungseinrichtung anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisch vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Querdynamik-Regelung an einem Straßenfahrzeug mit Vorderachs- und Hinter achslenkung und

Fig. 2 ein Seitenkraft-/Schräglaufwinkel-Diagramm zur quali tativen Erläuterung der Funktion der Regelungseinrich tung gemäß Fig. 1

Zweck der in der Fig. 1 insgesamt mit 10 bezeichneten Querdy namik-Regelungseinrichtung für ein insgesamt mit 11 bezeichne tes vierrädriges Straßenfahrzeug, bei dem sowohl die Vorderrä der 12 und 13 als auch die Hinterräder 14 und 16 lenkbar sind, wobei zur Einstellung von Lenkwinkeln δ_v der Vorderräder 12 und 13 sowie zur Einstellung von Lenkwinkeln δ_h der Hinterräder 14 und 16 je ein elektrisch ansteuerbares Lenkwinkelstellglied 17 beziehungsweise 18 vorgesehen sind, ist es, ein Lenkverhalten zu erzielen, das eine vom Fahrer gut kontrollierbare Führung des Fahrzeuges ermöglicht.

Für das Fahrzeug 11 sei, zum Zweck der Erläuterung, vorausge setzt, daß das Vorderachs-Lenkwinkelstellglied 17 eine "gemeinsame" Einstellung der Lenkwinkel δ_vl und δ_vr beider Vor derräder in der Art einer Trapezlenkung vermittelt und daß das selbe auch für das Hinterachs-Lenkwinkelstellglied 18 gilt, so daß im Sinne eines vereinfachenden "Einspur"-Modells des Fahr zeuges die Vorderradlenkwinkel δ_vl und δ_vr durch einen einzigen Vorderachslenkwinkel δ_v beschreibbar sind und die Hinterrad- Lenkwinkel δ_hl und δ_hr durch einen gemeinsamen "mittleren" Hin terachslenkwinkel δ_h.

Die Lenkwinkel-Stellglieder 17 und 18 können als elektrohydrau lische oder als elektromechanische Aktuatoren realisiert sein, die durch elektrische Signale, die Sollwerte δ_vsoll und δ_hsoll des Vorderachslenkwinkels δ_v und des Hinterachs-Lenkwinkels δ_h, ge sehen im Einspurmodell des Fahrzeuges 11, repräsentieren, zur Einstellung der diesbezüglichen Sollwerte ansteuerbar sind.

Diese Sollwert-Signale für den Vorderachs-Lenkwinkel δ_v und den Hinterachs-Lenkwinkel δ_h werden von Reglern 19, 21 und 22 er zeugt, die in voneinander entkoppelten Regelkreisen arbeiten und aus Soll-/Ist-Wertvergleichen für das querdynamische Ver halten des Fahrzeuges 11 charakteristischer Größen, nämlich der Gierwinkelgeschwindigkeit im Schwerpunkt 23 des Fahrzeuges 11, des Schwimmwinkels β_v im Bereich der Vorderachse 24 des Fahrzeuges sowie des Schwimmwinkels β_h im Bereich der Hinter achse 26 des Fahrzeuges 11 die sollwert-charakteristischen An steuersignale für die Lenkwinkel-Stellglieder 17 und 18 erzeu gen.

Zur Umsetzung des Fahrerwunsches nach einem von ihm erwarteten querdynamischen Verhalten des Fahrzeuges 11, den der Fahrer durch Betätigung eines Lenkorgans 27, z. B., wie dargestellt, eines "konventionellen" Lenkrades oder eines Joysticks einsteu ern kann, ist ein durch einen elektronischen Rechner implemen tiertes Referenzmodell 28 vorgesehen, dem an einem ersten Ein gang 29, dem "Fahrerwunsch-Eingang", ein für einen Lenkwinkel δ_F charakteristisches elektrisches Ausgangssignal eines Lenk winkelorgan-Stellungsgebers 31 zugeleitet ist, das einem vom Fahrer erwünschten Lenkungsverhalten des Fahrzeuges 11 ent spricht; an einem zweiten Eingang 32, einem "Geschwindigkeits- Eingang", ist dem Referenzmodell 28 ein elektrisches Zustands signal zugeleitet, das ein Maß für die Fahrzeug-Längsgeschwin digkeit v_x des realen Fahrzeuges ist.

Das Referenzmodell 28 gibt an einem ersten Ausgang 33 ein elek trisches Ausgangssignal ab, das ein Maß für einen Sollwert _soll der Gierwinkelgeschwindigkeit des realen Fahrzeuges um seine durch den Schwerpunkt 23 gehende Hochachse ist.

An einen zweiten Ausgang 34 gibt das Referenzmodell 28 ein elektrisches Ausgangssignal ab, das - bei einer Kurvenfahrt - ein Maß für den Schwimmwinkel-Sollwert β_vsoll des Schwimmwinkels des Fahrzeuges im Bereich seiner Vorderachse 24 ist, und an ei nem dritten Ausgang 36 ein elektrisches Ausgangssignal, das ein Maß für den Sollwert β_hsoll des Schwimmwinkels des realen Fahr zeuges 11 an der Hinterachse 26 des Fahrzeuges ist.

Die Generierung dieser Sollwerte, deren Einregelung des Reakti onsverhalten des Fahrzeuges auf eine Betätigung des Lenkrades 27 - Einstellung des Lenkwinkels δF - bestimmt, ist zweckmäßi gerweise so getroffen, daß sich ein für den Fahrer "verständliches" - gut beherrschbares - querdynamisches Verhal ten des Fahrzeuges 11 ergibt. Das Referenzmodell 28 kann so ausgelegt sein, daß sich ein "neutrales" Kurvenfahrt-Verhalten ergibt, dem gleiche Schräglaufwinkel α_v und α_h an der Vorder achse 24 und der Hinterachse 26 entsprechen; es ist jedoch auch möglich, daß das Referenzmodell 28 so ausgelegt ist, daß sich ein leicht übersteuerndes Kurvenfahrtverhalten des Fahrzeuges ergibt, das dem eines Sportfahrzeuges angenähert ist, oder auch ein untersteuerndes Verhalten erzielt wird, wie es für vorder achs-getriebene Fahrzeuge charakteristisch sein kann.

Für den Vergleich mit den _soll-, β_vsoll-, und β_hsoll-Wertsignalen geeignete Istwert-Signale werden von einem wiederum durch einen elektronischen Rechner implementierten Fahrzeugmodell 37 gene riert, das aus einer Verarbeitung gemessener, betriebscharakte ristischer Meßgrößen sowie fahrzeugspezifischer Daten an einem ersten Ausgang 38 ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, das ein Maß für den Istwert _ist der Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges 11 um seine Hochachse ist, des weiteren an einem zweiten Ausgang 39 ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, das ein Maß für den Istwert β_vist des Schwimmwinkels der Vorderachse 24 ist, und an einem dritten Ausgang 41 ein elektrisches Aus gangssignal abgibt, das ein Maß für den Istwert ß_hist. des Schwimmwinkels β_h an der Hinterachse 26 des realen Fahrzeuges 11 ist.

Zur Generierung der genannten Istwert-Ausgangssignale des Fahr zeugmodells 37 geeignete, variable Daten, d. h. solche, die im Fahrbetrieb fortlaufend erfaßt werden müssen, und "fahrzeugspe zifische Daten", d. h. solche, die durch das Fahrzeug fest vor gegeben sind oder durch eine einmalige Messung erfaßbar sind und sodann mindestens für eine längere Zeitspanne als konstant angesehen werden können, sind bei dem gewählten Erläuterungs beispiel die folgenden: Die Ausgangssignale den Fahrzeugrädern 12, 13, 14 und 16 einzeln zugeordneter Raddrehzahlsensoren 42 ₁ bis 42 ₄, die eine genaue Ermittelung der Fahrzeuglängsgeschwin digkeit v_x ermöglichen, die Ausgangssignale eines dem Vorder achs-Lenkwinkelstellgliedes 17 zugeordneten elektronischen oder elektromechanischen Vorderachs-Lenkwinkel-Stellungsgebers 43 sowie eines dem Hinterachs-Lenkwinkelstellglied 18 zugeordneten Lenkwinkelstellungsgebers 44, das Ausgangssignal eines Gierge schwindigkeits ()-Sensors 46 als Maß für die Giergeschwindig keit um die durch den Schwerpunkt 23 des Fahrzeuges gehende Hochachse desselben, das Ausgangssignal eines Querbeschleuni gungs(a_y)-Sensors 47 als Maß für die im Schwerpunkt 23 des Fahrzeuges 11 rechtwinklig zur Fahrzeuglängsrichtung, der x-Richtung, angreifende Querbeschleunigung a_y, sowie gegebenen falls das Ausgangssignal eines zweckmäßigerweise in der Nähe der Vorderachse 24 angeordneten Querbeschleunigungssensors 48 und/oder das Ausgangssignal eines mehr in der Nähe der Hinter achse 26 angeordneten Querbeschleunigung(a_yh)-Sensors 49 als Maß für eine in Querrichtung am Fahrzeug im Abstand von seinem Schwerpunkt 23 angreifende Querbeschleunigung.

Als "fahrzeugspezifische" Daten, die in Verbindung mit den vor genannten variablen Angaben zur Ermittlung der Istwerte _ist, β_vist und β_hist geeignet sind, werden in dem Fahrzeugmodell 37 der Achsabstand L des Fahrzeuges sowie gegebenenfalls die Spurbrei ten der Vorder- und der Hinterachse als Festwert(e), sowie als allenfalls geringfügigen Variationen unterworfene Größen, die erforderlichenfalls durch zeitweise Messung oder Schätzung kor rigiert werden können, die Fahrzeugmasse m, der Abstand l_v des Schwerpunktes 23 von der Vorderachse 24 beziehungsweise l_h des Schwerpunktes 23 von der Hinterachse 26, das Gier-Trägheits ferment J_z des Fahrzeuges 11 um seine Hochachse, sowie Reifen kennlinien abgelegt, die den Zusammenhang der durch Lenkungsbe tätigung an der Vorderachse und der Hinterachse aufbaubaren Seitenkräfte S_v und S_h in Abhängigkeit von den jeweiligen Schräglaufwinkeln α_v und α_h wiedergeben.

Zur Erläuterung der Verarbeitung dieser Größen durch den Mo dellrechner 37 wird nachfolgend auf ein vereinfachtes lineari siertes Einspurmodell eines Straßenfahrzeuges Bezug genommen, in dem die Lenkwinkel δ_v und δ_h an der Vorderachse 24 bezie hungsweise der Hinterachse 26 durch die folgenden Beziehungen gegeben sind:

und

gegeben sind.

In dem zur Erläuterung gewählten linearisierten, d. h. für klei ne Werte der Lenkwinkel δ_v und δ_h um 10° betrachteten Einspurmo dell ist der Schwimmwinkel β im Schwerpunkt des Fahrzeuges 11 in guter Näherung durch die Beziehung

gegeben, in der mit v_y die sich bei der Kurvenfahrt ergebende Geschwindigkeitskomponente des Fahrzeuges rechtwinklig zur Längsgeschwindigkeits-Komponente v_x der Fahrzeuggeschwindigkeit v_F bezeichnet ist, die sich als vektorielle Summe dieser beiden Geschwindigkeitskomponenten ergibt.

Die Quergeschwindigkeitskomponente v_y kann aus einer Integrati on der im Schwerpunkt des Fahrzeuges angreifenden Querbeschleu nigung a_y "gemessen", zumindest annähernd ermittelt werden und/oder aus den Radgeschwindigkeiten, den eingestellten Lenk winkeln δ_v und δ_h sowie den geometrischen Abmessungen des Fahr zeuges geschätzt werden.

Des weiteren sind die Schwimmwinkel β_v und β_h an der Vorderachse beziehungsweise der Hinterachse mit dem Schwimmwinkel β im Schwerpunkt des Fahrzeuges durch die Beziehungen

sowie

verknüpft.

Der eine zur Ansteuerung des Vorderachs-Lenkwinkelstellgliedes 17 vorgesehene Regler 19 ist als Giergeschwindigkeitsregler ausgebildet, der nach einem Reglergesetz der Form

einen Sollwert S_vsoll der Seitenkraft ermittelt, die eine Funkti on S(α_v) des Schräglaufwinkels α_v an der Vorderachse ist.

Diesem Sollwert S_vsoll, der durch die Giergeschwindigkeitsrege lung ermittelt wird - und bei verschwindender Regelabweichung e - (e = - _soll = 0) durch die Beziehung

gegeben ist, entspricht die für eine stabile Kurvenfahrt des Fahrzeuges geltende, allgemein durch die Beziehung

J_z. = S_v.l_v - l_h.S_h (7)

ausgedrückte Forderung nach Ausgeglichenheit der Momente um die Hochachse des Fahrzeuges 11, wenn in dieser Beziehung (7) die an der Hinterachse 26 des Fahrzeuges 11 auftretende Seitenkraft S_h gemäß der Beziehung

m.α_y = S_v + S_h (8)

eliminiert wird.

Wegen der qualitativ durch das Diagramm der Fig. 2 wiedergege bene Abhängigkeit der gemäß der Beziehung (6'), gleichsam ma thematisch, ermittelbaren Seitenkräfte von den durch die Len kungsbetätigung mit einzustellenden Schräglaufwinkeln α, ist mit jedem durch die -Regelung gemäß den Beziehungen (6) be ziehungsweise (6') ein Sollwert α_vsoll des Schräglaufwinkels ver knüpft, der gemäß der Beziehung (1) bei der Ermittelung des Sollwertes δ_vsoll für die Stellgröße δ_v als Sollwert α_vsoll des Schräglaufwinkels α_v einzusetzen ist, gemäß der Beziehung

Die Abhängigkeit der Seitenkraft S vom Schräglaufwinkel α ist in dem seinerseits als Rechner realisierten -Regler 19, der den Sollwert δ_vsoll für den Vorderachs-Lenkwinkel δ_v gemäß der Beziehung (1') ermittelt, entweder in tabellarischer Form abge legt oder durch einen vom Rechner auswertbaren Regelalgorithmus implementiert. Bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungs beispiel erfolgt die Ermittelung des Sollwertes α_vsoll des Schräglaufwinkels im Sinne einer linearen Näherung gemäß einer Beziehung der Form

in der mit C_v eine reifencharakteristische Schräglaufsteifig keit bezeichnet ist. Werte dieser Schräglaufsteifigkeit können Herstellerangaben entnommen werden oder geschätzt oder durch geeignete Versuche und/oder adaptive Meßmethoden ermittelt wer den. Die Näherung gemäß der Beziehung (9) stellt zumindest für kleine Schräglaufwinkel (bis zu 10°) eine hinreichend genaue Näherung dar, wie der S(α)-Verlaufskurve 51 des Diagramms un mittelbar entnehmbar ist.

Der für die Auswertung der Beziehung (6) beziehungsweise (6') durch den -Regler 19 erforderliche _soll-Wert wird vom Refe renzmodell 12 - durch zeitliche Differenzierung des soll- Ausgangssignals - generiert und wird dem Regler 19 direkt zuge leitet, wie durch einen _soll-Signalpfad 53 schematisch darge stellt.

Die Regelabweichung e wird als Differenz des vom realen Fahr zeugmodell 37 ausgegebenen _ist-Wertsignals und des vom Refe renzmodell 28 ausgegebenen _soll-Wertsignals an der - Vergleichsstelle 52 ermittelt und im Regler gemäß der Beziehung (6) mit einer im Prinzip frei wählbaren, Regler-Verstärkung k des -Reglers 19 verarbeitet.

Die von dem -Regler weiter benötigten Eingaben für die Größen l_h . m . a_y/L, das Verhältnis J_z/L, den Schwimmwinkel β im Schwerpunkt des Fahrzeuges sowie für die Größe l_v . /v_x werden von dem realen Fahrzeugmodell 37 generiert und dem Regler 19 "direkt" zugeleitet. Die diesbezüglich erforderlichen Signal pfade sind, der Einfachheit halber in der Fig. 1 lediglich durch einen einzigen Signalflußpfeil 54 repräsentiert.

Der zur Ansteuerung des Hinterachs-Lenkwinkelstellgliedes 18 vorgesehene Regler 22 ist als Schwimmwinkel(β_h)-Regler ausge bildet, der nach einem Reglergesetz der Form

einen Sollwert für die an der Hinterachse 26 des Fahrzeuges 11 durch die Lenkungsbetätigung aufzubauende Seitenkraft S(α_h) er mittelt. Dieser durch die β_h-Regelung ermittelbare Sollwert ist bei verschwindender Regelabweichung (β_hist - β_hsoll = 0) durch die Beziehung

gegeben.

Ausgangspunkt für den Entwurf des Reglers ist die plausible An nahme, daß die zeitliche Änderung _h des Schwimmwinkels an der Hinterachse 26 des Fahrzeuges 11 der Differenz des Schwimmwin kel-Istwertes β_hist und des Sollwertes β_hsoll proportional ist.

Aus der Beziehung (5) für den Schwimmwinkel β_h an der Hinter achse des Fahrzeuges ergibt sich durch zeitliche Differentiati on die Beziehung

die unter der Voraussetzung, daß die Längs-Geschwindigkeits komponente v_x des Fahrzeuges als konstant angesehen werden kann, unter Berücksichtigung der Beziehung (3) die folgende Form annimmt:

Aus der Forderung nach Ausgeglichenheit der Querkräfte am Fahr zeug bei einer Kurvenfahrt, geschrieben in der Form

mv_y - S_v + S_h - m . v_x . (11)

folgt unmittelbar

Die Beziehung (11') in die Beziehung (5") eingesetzt ergibt die Beziehung

Wird aus dieser Beziehung (12) mit Hilfe der die Forderung nach Ausgeglichenheit der Momente beim Fahrzeug ausdrückenden Bezie hung (7) die Vorderachs-Seitenkraft S_v eliminiert, ergibt sich für die zeitliche Änderung _h des Schwimmwinkels an der Hin terachse 26 die Relation

aus der für die Seitenkraft S_h(α_h) an der Hinterachse unmittel bar die folgende Beziehung folgt:

die mit dem für die Schwimmwinkelregelung an der Hinterachse vom Referenzmodell ausgegebenem Sollwert _hsoll der Beziehung (10') entspricht.

Die von dem _h-Regler 22 zur Auswertung der Beziehung (10) be ziehungsweise der Beziehung (10') benötigte _hsoll-Eingabe wird vom Referenzmodell 28 generiert und dem Regler 22, wie durch den _hsoll-Signalpfad 56 schematisch dargestellt, "direkt" zuge leitet.

Die von dem β_h-Regler 22 mit der im Prinzip frei wählbaren Reg lerverstärkung k₁ "multiplizierend" verarbeitete Regelabwei chung e_h (e_h = β_hist - β_hsoll) wird an der β_h-Vergleichsstelle 57 ermittelt.

Die von dem β_h-Regler 22 weiter benötigten Eingaben für die Größe l_v . m . v_x/L sowie den Istwert _ist der Gierwinkelge schwindigkeit werden vom realen Fahrzeugmodell 37 generiert und dem β_h-Regler 22, wie durch die diesbezüglichen Signalpfade 58 und 59 veranschaulicht, "direkt" zugeleitet.

Die Ermittlung des Sollwertes α_hsoll des Schräglaufwinkels α_h an der Hinterachse 26 aus dem durch die Schwimmwinkelregelung an der Hinterachse gewonnenen Sollwert S_hsoll der Seitenkraft an der Hinterachse 26 erfolgt analog zu der mit Bezug auf den -Regler 19 geschilderten Art.

Die Bestimmung des Sollwertes δ_hsoll für den einzustellenden Hin terachslenkwinkel, d. h. die Stell-Signalbildung für diesen Win kel erfolgt gemäß der Beziehung

wobei die hierfür noch zusätzlich erforderlichen Eingaben für den Schwimmwinkel β im Schwerpunkt 23 des Fahrzeuges sowie für die Größe l_h . _ist/v_x vom realen Fahrzeugmodell 37 generiert und dem Regler 22 über Signalpfade zugeleitet werden, die, der Einfachheit der Darstellung halber lediglich durch einen einzi gen Signalpfeil 60 repräsentiert sind.

Aus der geschilderten Art der -Regelung sowie der β_h-Regelung ist ersichtlich, das die beiden Regelkreise "physikalisch" ent koppelt sind, was insbesondere der Robustheit der Regelung zu gute kommt.

Bei der Querdynamik-Regelungseinrichtung 10 ist als Alternative zu einer Ansteuerung des Vorderachs-Lenkwinkelstellgliedes 17 mit δ_vsoll-Ausgangssignalen des -Reglers 19 auch eine Ansteue rung des Vorderachs-Lenkwinkelstellgliedes 17 mit δ_vsoll-Aus gangssignalen des weiteren Reglers 21 vorgesehen, wie durch ei nen Wahlschalter 61 schematisch dargestellt.

Dieser weitere Regler 21 ist in funktioneller Analogie zu dem für die Ansteuerung des Hinterachs-Lenkwinkelstellgliedes 18 vorgesehenen β_h-Regler 22 als Schwimmwinkel(β_v)-Regler ausgebil det, der nach einem Reglergesetz der Form

Sollwerte für die an der Vorderachse 24 des Fahrzeuges 11 durch die Lenkungsbetätigung aufzubauende Seitenkraft S(α_v) ermit telt.

Die von dem β_v-Regler 21 benötigte _vsoll-Eingabe wird von dem Referenzmodell 28 generiert und, wie durch den _vsoll-Signalpfad 62 schematisch dargestellt, dem β_v-Regler 21 "direkt" zugelei tet. Die von dem β_v-Regler 21 mit der wiederum frei wählbaren Reglerverstärkung k₂ verarbeitete Regelabweichung e_v (e_v = β_vist - β_vsoll) wird an der β_v-Vergleichsstelle 63 ermittelt.

Die von dem β_v-Regler 21 weiter benötigten Eingaben für die Größe l_h.m.v_x/L sowie für den Istwert _ist der Gierwinkelge schwindigkeit werden vom realen Fahrzeugmodell 37 generiert und dem β_v-Regler, wie durch die diesbezüglichen Signalpfade 64 und 59' veranschaulicht, "direkt" zugeleitet.

Die Ermittlung von Sollwerten α_vsoll des Schräglaufwinkels α_v an der Vorderachse 24 aus dem durch die Schwimmwinkelregelung an der Vorderachse gewonnenen Sollwert S_vsoll der Seitenkraft er folgt wie anhand der Beschreibung des -Reglers 19 erläutert, desgleichen die Bestimmung des Sollwertes δ_vsoll für den einzu stellenden Vorderachs-Lenkwinkel δ_v.

Der -Regler 19 und der β_v-Regler 21 sind so ausgelegt, daß das Reaktionsverhalten des Fahrzeuges 11 in demjenigen Be triebsmodus der Querdynamik-Regelungseinrichtung 10, in dem die Einstellung des Vorderachs-Lenkwinkels d_v mittels des -Reglers 19 erfolgt, signifikant verschieden von demjenigen Re aktionsverhalten des Fahrzeuges ist, wenn die Regelungseinrich tung 10 in demjenigen Betriebsmodus arbeitet, in dem die Ein stellung des Vorderachs-Lenkwinkels δ_v mittels des β_v-Reglers 21 erfolgt. Das Fahrzeug 11 ist somit durch Umschalten des Wahl schalters 61 im Ergebnis auf zwei erwünschte Reaktionsweisen einstellbar, z. B. auf "sportliches", d. h. mäßig übersteuerndes, und auf neutrales Kurvenfahrtverhalten einstellbar.

Weitere Reaktionsweisen - "Fahrzeugtypen" - sind dadurch reali sierbar, daß das Referenzmodell 28 auf definiert verschiedene Arten der Generierung seiner Sollwert-Ausgangssignale wählbar einstellbar ist.

Zur Verbesserung der Qualität der Regelung sind den Regelgrößen einzeln zugeordnete Störbeobachter vorgesehen, deren Zweck es ist, Störgrößen wie Seitenwind, Fahrbahnneigung und/oder unter schiedliche Kraftschlußbeiwerte an den beiden Fahrzeugseiten (µ-Split-Verhältnisse) zu erfassen und bei der Regelung im Sin ne einer Störgrößenaufschaltung zu berücksichtigen. Des weite ren sollen durch die Störbeobachter auch Modellfehler kompen siert werden, die daraus resultieren, daß das Fahrzeugmodell die Realität nur näherungsweise berücksichtigen kann. Entspre chend der geschilderten Entkopplung der den Vorderrädern 12 und 13, einerseits, und den Hinterrädern 14 und 16, andererseits, zugeordneten Regelkreise ist, der Einfachheit der Darstellung halber, nur ein Störbeobachter 66 für den Vorderachs-Regelkreis und ein Störbeobachter 67 für den β_h-Regelkreis dargestellt. Die Störbeobachter 66 und 67 sind, allgemein, als durch elek tronische Rechner implementierte Modelleder Regelstrecke kon zipiert, die dieselben Eingaben, nämlich die Sollwert- Ausgangssignale der zugeordneten Regler 19 bzw. 22 empfangen wie die zugeordneten Regelstrecken und hieraus den Regelgrößen bzw. β_h entsprechende Ausgaben erzeugen, und aus dem Ver gleich ihrer diesbezüglichen Ausgaben mit den entsprechenden Ausgaben des Fahrzeugmodells 37 des realen Fahrzeuges Schätz werte _v,h für die jeweilige Störung generieren, durch deren Rückführung auf den Regler 19 beziehungsweise 22 die Regelab weichung zum Verschwinden gebracht werden kann.

Eine geeignete Konzeption eines solchen Störbeobachters, die auf die weiteren Regelkreise übertragbar ist, sei am Beispiel des β_h-Regelkreises näher erläutert:
Zum Entwurf des Beobachters 67 wird von der Beziehung

für die zeitliche Änderung der Regelgröße β_h ausgegangen, die sich ergibt, wenn in der Beziehung (13), die auch dem Entwurfs modell des Reglers 22 entspricht, die Seitenkraft S_h gemäß der Beziehung (9) durch die Beziehung

S_h = c_h.α_h (9')

ersetzt wird und mit Δ_h eine Abweichung von der Modell- Beziehung (13) bezeichnet wird, die u. a. durch die Linearisie rung der Seitenkraft S_h bedingt ist.

Für diese Störung Δ_h wird hinsichtlich des Beobachtermodells angenommen, daß sie zeitlich quasi konstant ist, d. h., daß gilt:

h = 0 (13")

Von diesem Modell ausgehend wird der Störbeobachter 67 gemäß den Beziehungen

und

= k'.(β_hist - _h) (15)

entworfen. Hierbei ist in der Beziehung (14) mit k ein Verstär kungsfaktor bezeichnet, mit dem die Differenz β_hist - _h in das durch die Beziehung (13') repräsentierte Beobachtermodell zu rückgeführt wird, und mit k' der Verstärkungsfaktor, mit der die genannte Differenz auf das durch die Beziehung (13") re präsentierte Modell der Störung zurückgeführt wird.

Die Verstärkungsfaktoren k und k' können durch Polvorgabe nach dem bekannten Wurzelort-Verfahren bestimmt werden. Der Ist-Wert β_Hist steht als Ausgabe des realen Fahrzeuges zur Verfügung.

Numerische Integration der Beziehungen (14) und (15) nach be kannten Verfahren, z. B. dem Euler-Verfahren oder dem Runge- Kutta-Verfahren, ergibt die gesuchte Störung _h, die bei der Bildung des Sollwertes des Hinterachsdeckwinkels δ_hsoll gemäß der Beziehung

im Sinne einer Störgrößenaufschaltung berücksichtigt wird.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Gier- und Querdynamik bei einem Straßenfahrzeug mit je einer Lenkeinrichtung für die Vor derachse und für die Hinterachse und mit diesen individu ell zugeordneten, elektrisch ansteuerbaren δ_v- und δ_h-Lenk winkel-Stellgliedern (17 und 18), die über je einen Regler ansteuerbar sind, die aus Soll-Istwert-Vergleichen für das gier- und das querdynamische Verhalten des Fahrzeuges cha rakteristischer Größen, z. B. der Giergeschwindigkeit und eines Schwimmwinkels β, für die Nachführung der Regel größen erforderliche Ansteuersignale für die Lenkwinkel- Stellglieder generieren, wobei die zur Einstellung der Lenkwinkel δ_v und δ_h vorgesehenen Regelkreise voneinander entkoppelt sind, und wobei die für die beiden Regelkreise erforderlichen Sollwertvorgabe-Signale für die Regelpara meter mittels eines durch einen elektronischen Rechner im plementierten Referenzmodells (28) aus einer Verarbeitung mindestens eines den Fahrerwunsch repräsentierenden Aus gangssignals eines Lenkorgan-Stellungsgebers (31) und ei nes für den Betriebszustand des Fahrzeuges charakteristi schen Sensor-Ausgangssignals, z. B. eines Geschwindig keitssensors, generiert werden, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) indem der Vorderachse zugeordneten Regelkreis wird in einem Regelungsprozeß ein Sollwert S_vsoll für die an der Vorderachse aufzubauende Seitenkraft S_v ermittelt;
b) für diesen Sollwert S_vsoll wird aus einer S_v (α_v)-Kenn linie, die die Abhängigkeit der an der Vorderachse aufbaubaren Seitenkraft S_v vom Schräglaufwinkel α_v an der Vorderachse repräsentiert, der mit dem Sollwert S_vsoll verknüpfte Wert des Schräglaufwinkels als Soll wert α_vsoll ermittelt, und es wird gemäß der Beziehung
der Betrag δ_vsoll des Vorderachs-Lenkwinkels bestimmt, der mittels des Vorderachs-Lenkwinkel-Stellorgans ein gestellt wird;
c) in dem der Hinterachse zugeordneten Regelkreis wird in einem Regelungsprozeß gemäß einem Regler-Gesetz der Form
ein Sollwert S_hsoll für die an der Hinterachse aufzubau ende Seitenkraft S_h ermittelt;
d) für diesen Sollwert S_hsoll der Hinterachs-Seitenkraft wird aus einer S_h(α_h)-Kennlinie, der mit dem Sollwert S_hsoll verknüpfte Wert des Schräglaufwinkels als Soll wert α_Hsoll ermittelt, und es wird gemäß der Beziehung
der Betrag δ_hsoll des Hinterachs-Lenkwinkels bestimmt, der mittels des Hinterachs-Lenkwinkel-Stellorgangs eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert S_vsoll der an der Vorderachse aufzubauenden Seiten kraft in einem Regelungsprozeß gemäß einem Regler-Gesetz der Form
ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert S_vsoll der an der Vorderachse aufzubauenden Seiten kraft in einem Regelungsprozeß gemäß einem Regler-Gesetz der Form
ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der Sollwert α_vsoll des Schräglaufwinkels α_v an der Vorderachse und/oder der Sollwert α_hsoll des Schräglaufwinkels α_h an der Hinterachse aus einer linearen Beziehung der Form
gewonnen wird, in der mit C_v,h jeweils geschätzte oder durch Messung ermittelte Werte von Schräglaufsteifigkeiten der Vorderradreifen (Index "v") bzw. der Hinterradreifen (Index "h") bezeichnet sind.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 an einem Straßenfahrzeug (11) mit je ei ner Lenkeinrichtung für die Vorderachse (24) und für die Hinterachse (26) und mit diesen individuell zugeordneten, elektrisch ansteuerbaren Lenkwinkel-Stellgliedern (17 und 18) für zwei voneinander entkoppelte Regelkreise, mittels derer der Vorderachs-Lenkwinkel δ_v und der Hinterachs- Lenkwinkel δ_h einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens ein Querbeschleunigungs-Sensor (47) vorgesehen ist, mittels dessen eine am Fahrzeug (11) auf tretende Querbeschleunigung a_y an einer definierten Stelle des Fahrzeuges, vorzugsweise in dessen Schwerpunkt, erfaß bar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Querbeschleunigungs-Sensoren (48 und 49) vorgesehen sind, die, in Richtung der Fahrzeuglängsachse gesehen, in einem Abstand voneinander angeordnet sind, wobei vorzugs weise der eine Querbeschleunigungs-Sensor (48) im Bereich der Vorderachse (24) und der andere Querbeschleunigungs- Sensor (49) im Bereich der Hinterachse (26) des Fahrzeuges (11) angeordnet ist.

7. Einrichtung, insbesondere nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, gekennzeichnet durch ihre Umschaltbarkeit zwischen dem Re gelmodus, in dem der Sollwert S_vsoll der Seitenkraft an der Vorderachse gemäß dem Regler-Gesetz
ermittelt wird, und dem Regelmodus, in dem der Sollwert der Seitenkraft an der Vorderachse gemäß dem Regler-Gesetz
ermittelt wird.

8. Einrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Generierung der Sollwert-Vorgaben für die einzustellenden Vorderachs- und Hinterachs-Lenkwinkel δ_v und δ_h vorgesehenes Referenzmodell (28) auf definiert verschiedene Algorithmen der Generie rung dieser Sollwerte einstellbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, daß eine selbsttätige Umschaltung aus dem Regelungs modus, in dem der Sollwert S_vsoll der Seitenkraft an der Vorderachse in Abhängigkeit von der Regelabweichung (β_v - β_vsoll) des Schwimmwinkels im Bereich der Vorderachse bestimmt wird, in den Regelungsmodus, in dem der Sollwert S_vsoll der Seitenkraft an der Vorderachse in Abhängigkeit von der Regelabweichung ( - _soll) der Giergeschwindig keit bestimmt wird, erfolgt, wenn im Grenzbereich die Sei tenkraft-Übertragungsfähigkeit der Reifen ausgeschöpft oder nahezu ausgeschöpft ist und/oder das Hinterachse- Lenkwinkelstellglied (18) ausgefallen ist.

10. Einrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens einen der zur Einstellung der Vorderachs- und der Hinterachs- Lenkwinkel δ_v und δ_h vorgesehenen Regelkreise ein Störbeob achter (66 und/oder 67) vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler und der Störbeobachter, die derselben Regelgrö ße zugeordnet sind, nach demselben Entwurfsmodell konzi piert sind.