DE10141425B4

DE10141425B4 - Verfahren zur fahrzustandsabhängigen Lenkunterstützung

Info

Publication number: DE10141425B4
Application number: DE10141425A
Authority: DE
Inventors: Avshalom Dipl.-Ing. Suissa
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: DE10141425A1; US20030060955A1; JP2003104221A

Abstract

Verfahren zur Generierung eines fahrzustandsabhängigen additiven Zusatzmoments (M_A) am Lenkrad (3) zur haptischen Rückmeldung an den Fahrer eines Fahrzeugs (5), wobei das Zusatzmoment mittels eines ersten Faktors (κ₁) und dem Schwimmwinkel (β) und mittels eines zweiten Faktors (κ₂) und der Giergeschwindigkeit (Ψ .) und mittels eines dritten Faktors (κ₃) und der Gierbeschleunigung (Ψ ..) gebildet wird, wobei das Zusatzmoment (M_A) die Richtung vorgibt, in die das Lenkrad zu drehen ist, um diejenige Lenkradstellung zu erreichen, die einer der Stabilisierung des aktuellen Fahrzustandes dienenden Radstellung der lenkbaren Fahrzeugräder (6, 7) entspricht und wobei der Betrag des Zusatzmoments (M_A) nur so groß ist, dass der Fahrer das Lenkrad (3) noch gegen das Zusatzmoment (M_A) festhalten kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung eines fahrzustandsabhängigen additiven Zusatzmoments am Lenkrad eines Fahrzeugs sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein reales Fahrzeug hat ein Trägheitsmoment und führt z.B. bei einer Kurvenfahrt eine Gierbewegung um die Hochachse des Fahrzeugs aus. Solange diese Gierbewegung den Fahrvorgaben des Fahrers oder eines Fahrerassistenzsystems entspricht, liegt hinsichtlich der Gierbewegung des Fahrzeugs ein stabiler Fahrzustand vor und der Fahrer braucht nicht einzugreifen. Gefährliche Situationen treten jedoch bei ungewünschten bzw. unerwarteten Gierbewegungen auf, ausgelöst z.B. beim Bremsen auf glatter Straße, bei Seitenwind oder bei einer Reifenpanne. Hierdurch wird ein Störgiermoment um die Fahrzeug-Hochachse erzeugt, das zu einer für den Fahrer überraschenden Gierbewegung des Fahrzeugs führt. Aufgrund seiner Reaktionszeit und der sich eventuell anschließenden Überreaktion beherrscht der Fahrer solche Situationen oft nicht sicher und schnell genug, um eine unkontrollierte Fahrzeugbewegung zu vermeiden oder wieder zu stabilisieren, was zu einem Unfall führen kann.

Automatische Fahrer-Unterstützungssysteme können schneller und präziser reagieren als der Mensch und damit Unfälle verhindern. Es handelt sich dabei um Regelungssysteme, die die Gierbewegung, beispielsweise mittels eines Gierratensensors, messen und das verursachende Störmoment durch ein Gegenmoment kompensieren. Dieses Gegenmoment kann beispielsweise durch Einzelrad bremsung oder Zusatzlenkung der Hinterräder oder Vorderräder erzeugt werden.

Die DE 44 10 361 A1 beschreibt eine fahrzustandsabhängige Lenkunterstützung in Form einer haptischen Rückmeldung an den Fahrer mittels eines durch einen multiplikativen Faktor modifizierten Rückstellmoments. Daher kann eine haptische Rückmeldung an den Fahrer auch nur dann erfolgen, wenn ein originäres Rückstellmoment vorhanden ist. Dia Abhängigkeit der haptischen Rückmeldung vom Fahrzustand ergibt sich aus einem Fahrzeugmodell, das sowohl die Gierrate als auch die Gierbeschleunigung berücksichtigt.

Aus der DE 42 26 746 C1 ist zudem ein Fahrzeugmodell bekannt, in welches neben der Gierrate auch noch der Schwimmwinkel mit eingeht.

In der DE 196 50 691 C2 ist ebenfalls ein Verfahren zur Lenkunterstützung eines Fahrers eines Straßenfahrzeugs mittels Zusatzlenkung der Vorderräder offenbart. Bei dem Verfahren wird der Gesamt-Rad-Einschlagwinkel additiv aus dem vom Fahrer kommandierten Rad-Einschlagwinkel und einem kinematisch berechneten Zusatzlenkwinkel bestimmt.

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein alternatives Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu finden, das den Fahrer bei der Stabilisierung des Fahrzustandes des Fahrzeugs beim Auftreten unerwünschter Gierbewegungen unterstützt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 4 gelöst.

Danach wird das auf das Lenkrad aufgebrachte Zusatzmoment mittels eines ersten Faktors und dem Schwimmwinkel β und mittels eines zweiten Faktors und der Giergeschwindigkeit und mittels eines dritten Faktors und der Gierbeschleunigung gebildet. Es ist derart bestimmt, dass die durch das Zusatzmoment vorgegebene Lenkradstellung einer Radstellung entspricht, die zur Stabilisierung des aktuellen Fahrzustandes dient. Die Radstellung ist dabei vorteilhafterweise derart, dass die lenkbaren Fahrzeugräder im wesentlichen in Richtung der aktuellen Bewegungsrichtung des Fahrzeugschwerpunktes ausgerichtet sind. Wird das Lenkrad in die durch das Zusatzmoment vorgegebene Lenkradstellung bewegt, so erfolgt aufgrund der entsprechenden Radstellung der lenkbaren Fahrzeugräder eine Stabilisierung des Fahrzustandes des Fahrzeugs bzw. die Tendenz des Fahrzeugs, einen instabilen Fahrzustand einzunehmen wird reduziert.

Die haptische Rückmeldung mittels des Zusatzmoments am Lenkrad des Fahrzeugs ist dabei so gestaltet, dass der Fahrer das Lenkrad noch gegen das Zusatzmoment festhalten kann. Der Betrag des Zusatzmoments kann hierfür z.B. auf einen Maximalwert begrenzt werden. Da der Fahrer über die haptische Rückmeldung die Hoheit über das Fahrzeug behält, stellt das Verfahren eine ideale Fahrerunterstützung dar, die ihm die Kontrolle über das Fahrzeug überlässt. Die Lenkaufgabe wird ihm nicht vollständig abgenommen, sondern der Fahrer wird bei der Lenkaufgabe unterstützt.

Bei dem Beginn eines Schleudervorgang des Fahrzeugs liegen große Schwimmwinkel vor. Das Zusatzmoment gibt dann eine Lenkradstellung vor, der eine Radstellung entspricht, die eine Verringerung des aktuellen Schwimmwinkels bewirkt. Dem Fahrer wird durch das Zusatzmoment eine haptische Rückmeldung gegeben, in welche Richtung das Lenkrad und damit die lenkbaren Räder des Fahrzeugs zu steuern sind, um die Fahrstabilität wiederzuerlangen bzw. zu erhöhen.

Das Verfahren kann bei Lenksystemen mit einer mechanischen bzw. hydraulischen Verbindung zwischen dem Lenkrad und den lenkbaren Fahrzeugrädern wie auch bei sogenannten „Steer-by-Wire"-Systemen angewendet werden, bei denen keine permanente mechanische bzw. hydraulische Verbindung zwischen dem Lenkrad und der lenkbaren Fahrzeugrädern besteht.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Bildung des additiven Zusatzmoments die Giergeschwindigkeit und die Gierbeschleunigung mit berücksichtigt. Aufgrund dieser zusätzlichen Anteile bei der Bestimmung des additiven Zusatzmoments eignet sich das Verfahren auch zur Verbesserung der Handlings-Eigenschaften des Fahrzeugs im „Normalfahrbereich", d.h. bei einem hinsichtlich der Gierbewegung stabilen Fahrzustand, wobei verglichen mit instabilen Gierbewegungen (z.B. Schleudern) kleinere Werte für den Schwimmwinkel β vorliegen.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die untergeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung einer Ausführungsform zu verweisen. In der Zeichnung sind eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine entsprechende Vorrichtung dargestellt. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung,
1 die Verarbeitungseinheit und die Überlagerung des Zusatzmomentes mit dem vom Fahrer aufgebrachten Moment am Lenkrad,
2 den auf dem Schwimmwinkel β basierenden Anteil des additiven Zusatzmoments M_A in Abhängigkeit des Schwimmwinkels β bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein Fahrzeug in Draufsicht, wobei sowohl die aktuelle Radstellung der lenkbaren Räder als auch die Radstellung, die der durch das erfindungsgemäße Verfahren dem Fahrer vorgegebenen Lenkradstellung entspricht, gezeigt ist und
4 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Generierung eines fahrzustandsabhängigen additiven Zusatzmomentes auf das Lenkrad 3 eines Fahrzeugs 5, wie z.B. eines PKW oder eines LKW, hat zum Ziel, den Fahrer bei seiner Fahraufgabe zu unterstützen, insbesondere dann, wenn sich das Fahrzeug 5 im Übergangsbereich vom stabilen zum instabilen Fahrzustand hinsichtlich der Gierbewegung des Fahrzeugs 5 befindet.
Eine ungewollte Gierbewegung des Fahrzeugs 5 deutet sich durch einen Schwimmwinkel β an, der einen bestimmten Grenzwert überschreitet, beispielsweise etwa 6°. Zur Stabilisierung des Fahrzeugs ist dann ein Lenkeingriff notwendig. Erfindungsgemäß wird zur Unterstützung des Fahrers durch eine Vorrichtung 10 ein Zusatzmoment M_A auf das Lenkrad aufgebracht, um dem Fahrer eine haptische Rückmeldung zu geben, welche Lenkradbewegung zur Stabilisierung des Fahrzeugs 5 in der vorliegenden Fahrsituation notwendig ist. Die Vorrichtung 10 führt keinen selbsttätigen Lenkeingriff durch, sondern gibt lediglich einen Lenkradwinkel und somit die entsprechende Radstellung der lenkbaren Fahrzeugräder 6, 7 vor, die einen stabilisierenden Einfluss auf die Gierbewegung des Fahrzeugs hat. Folgt der Fahrer der Vorgabe, so wird der Schwimmwinkel β reduziert und die Gierbewegung des Fahrzeugs 5 stabilisiert sich wieder. Der Fahrer könnte hierzu des Lenkrad einfach loslassen, so dass das Zusatzmoment M_A das Lenkrad automatisch in die zur Stabilisierung der Gierbewegung erforderliche Lenkradstellung bringen würde.
3 zeigt schematisch das Fahrzeug 5 in Draufsicht mit der Fahrzeuglängsachse x und der Fahrzeugquerachse y. Das Fahrzeug 5 soll einer Straße 4 entlang einer Rechtskurve folgen. Die lenkbaren Fahrzeugräder 6, 7 haben daher die mit durchgezogener Linie dargestellte erste Radstellung 8 und zeigen in Richtung des Straßenverlaufs. Die tatsächliche Bewegungsrichtung des Fahrzeugs 5 ist durch den Geschwindigkeitsvektor „v" gezeigt. Das Fahrzeug 5 bewegt sich momentan zur kurvenäußeren Seite hin. Die durch die erste Radstellung 8 vorgegebene Gierbewegung kann das Fahrzeug 5 nicht ausführen, z.B. aufgrund zu geringer Seitenkräfte auf die Fahrzeugräder bei glatter Straße 4. Wegen dieser Abweichung zwischen gewollter unt tatsächlicher Gierbewegung ergibt sich ein großer Schwimmwinkel β von z.B. 10°. (in 3 nur qualitativ und nicht quantitativ dargestellt). Um diesem instabilen Gierverhalten entgegenzuwirken wird ein Zusatzmoment M_A auf das Lenkrad 3 aufgebracht, das dem Fahrer die Lenkradstellung vorgibt, die er zur Stabilisierung des Fahrzustandes einstellen soll. Diese Vorgabe der Lenkradstellung entspricht der in 3 gestrichelt gezeigten zweiten Radstellung 9 der lenkbaren Räder 6, 7, wobei diese in etwa parallel zur aktuellen Bewegungsrichtung des Fahrzeugschwerpunktes ausgerichtet sind.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Zusammenwirkens zwischen Zusatzmoment M_A und des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments M_Fahrer an. Die Summe aus dem Zusatzmoment M_A und dem Handmoment M_Fahrer werden an das Lenksystem 16 übergeben, welches den Lenkwinkel δ an den lenkbaren Rädern 6, 7 einstellt.
Nach der Stabilisierung der Gierbewegung des Fahrzeugs 5 kann der Fahrer das Fahrzeug 5 wieder entlang der gewünschten Fahrspur steuern.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Zusatzmoment M_A gemäß der Funktion f in einer Verarbeitungseinheit 11 der Vorrichtung 10 bestimmt: f: MA = κ1(v)·β + κ2(v) Ψ . + κ3(v) Ψ ..wobei

κ₁(v), κ₂(v), κ₃(v): geschwindigkeitsabhängige, frei vorgebbare Faktoren,
β: der Schwimmwinkel,
Ψ .: die Gierrate und
Ψ ..: die Gierbeschleunigung sind.

Die Eingangsgrößen Giergrate Ψ ., Gierbeschleunigung Ψ .. und Geschwindigkeit v des Fahrzeugs können durch geeignete Mittel 12, 13, 14 gemessen werden. Mittels der Gierrate Ψ ., der Querbeschleunigung a_quer – die ebenfalls mit geeigneten Mitteln 15 gemessen werden kann – und der Fahrzeuggeschwindigkeit v kann die aktuelle Schwimmwinkelgeschwindigkeit β . kinematisch bestimmt werden. Der Schwimmwinkel β wird dann durch Integration der Schwimmwinkelgeschwindigkeit β . ermittelt. Die Bestimmung des Schwimmwinkels β erfolgt beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 in der Verarbeitungseinheit 11. Die Eingangsgrößen Giergrate Ψ ., Gierbeschleunigung Ψ .., Fahrzeuggeschwindigkeit v und Querbeschleunigung a_quer werden der Verarbeitungseinheit 11 dabei von den Mitteln 12, 13, 14, 15 zugeführt (4).
Die Faktoren κ₁, κ₂, κ₃ werden über Modellrechnungen bestimmt und sind bei der bevorzugten Ausführungsform geschwindigkeitsabhängig gewählt. Sie sind grundsätzlich beliebig wählbar und in der Verarbeitungseinheit 11 abgelegt. In erster Näherung ist eine geschwindigkeitsabhängige Betrachtung aber nicht notwendig.
Aufgrund der Berücksichtigung der Gierrate Ψ . und der Gierbeschleunigung Ψ .. bei der Bestimmung des Zusatzmomentes M_A erfolgt nicht nur eine Fahrer-Lenkunterstützung im Bereich fahrzustandskritischer Gierbewegungen, sondern es wird eine zusätzliche Unterstützung des Fahrers auch im fahrzustandsunkritischen Normalfahrbereich erzielt. Das Handling des Fahrzeugs 5 wird dem Fahrer dadurch erleichtert.
Bei der Festlegung der Faktoren κ₁, κ₂, κ₃ ist darauf zu achten, dass das additive Zusatzmoment M_A als haptische Rückmeldung über das Lenkrad 3 an den Fahrer gedacht ist. Die Faktoren κ₁, κ₂, κ₃ sind daher so festgelegt, dass das Zusatzmoment M_A be grenzt ist und der Fahrer die Hoheit über die Lenkradbewegung nicht verliert.
Alternativ kann das Zusatzmoment M_A unabhängig von den Faktoren κ₁, κ₂, κ₃ betragsmäßig auf einen Maximalwert M_A,max begrenzt werden, wie dies in 2 gezeigt ist. Auch dadurch ist gewährleistet, dass das auf das Lenkrad 3 aufgebrachte Zusatzmoment M_A keine Werte annimmt, die dem Fahrer das Lenkrad 3 aus der Hand reissen würden.
In 2 ist der vom Schwimmwinkel β abhängige Anteil des additiven Zusatzmoments M_A in Abhängigkeit vom Schwimmwinkel β dargestellt. Der Bereich für kleine Schwimmwinkel, also –6° < β < +6°, entspricht dem Normalfahrbereich, wobei kein Zusatzmoment M_A auf das Lenkrad 3 aufgebracht wird. Beträgt der Betrag des Schwimmwinkels β etwa 6°, so wird darauf geschlossen, dass sich das Fahrzeug 5 im Übergangsbereich von einem stabilen Gierverhalten zu einem instabilen Gierverhalten befindet. Auf das Lenkrad 3 wirkt zur haptischen Rückmeldung an den Fahrer bei größer werdenden Schwimmwinkeln – beispielsgemäß β < –6° und β > +6° – ein Zusatzmoment M_A ein, das ihm die Lenkradstellung und damit auch die entsprechende Radstellung der lenkbaren Fahrzeugräder 6, 7 vorgibt, bei der sich die Gierbewegung des Fahrzeugs 5 wieder stabilisiert.
Das in der Verarbeitungseinheit 11 ermittelte additive Zusatzmoment M_A wird mittels eines Motors, beispielsgemäß eines Elektromotors 2, auf das Lenkrad 3 der Fahrzeugs 5 übertragen. Der Elektromotor 2 greift hierfür an der Lenksäule 1 an. Grundsätzlich kann der Elektromotor 2 an jedem in Drehrichtung des Lenkrades 3 drehfest mit dem Lenkrad 3 verbundenen Teil zur Übertragung eines Zusatzmomentes M_A auf das Lenkrad 3 angreifen.
Der Elektromotor 2 ist beim Ausführungsbeispiel als Hohlwellenmotor ausgebildet. Alternativ zum Elektromotor 2 können auch andere Motoren, wie fluidisch betriebene Motoren eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Generierung eines fahrzustandsabhängigen additiven Zusatzmoments (M_A) am Lenkrad (3) zur haptischen Rückmeldung an den Fahrer eines Fahrzeugs (5), wobei das Zusatzmoment mittels eines ersten Faktors (κ₁) und dem Schwimmwinkel (β) und mittels eines zweiten Faktors (κ₂) und der Giergeschwindigkeit (Ψ .) und mittels eines dritten Faktors (κ₃) und der Gierbeschleunigung (Ψ ..) gebildet wird, wobei das Zusatzmoment (M_A) die Richtung vorgibt, in die das Lenkrad zu drehen ist, um diejenige Lenkradstellung zu erreichen, die einer der Stabilisierung des aktuellen Fahrzustandes dienenden Radstellung der lenkbaren Fahrzeugräder (6, 7) entspricht und wobei der Betrag des Zusatzmoments (M_A) nur so groß ist, dass der Fahrer das Lenkrad (3) noch gegen das Zusatzmoment (M_A) festhalten kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Zusatzmoment (M_A) vorgegebene Lenkradstellung einer Radstellung entspricht, bei der die lenkbaren Fahrzeugräder im wesentlichen in Richtung der aktuellen Bewegungsrichtung des Fahrzeugschwerpunktes ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Faktor (κ₁) und/oder der zweite Faktor (κ₂) und/oder der dritte Faktor (κ₃) geschwindigkeitsabhängig gebildet werden.
Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Mittel zur Bestimmung des Schwimmwinkels (β) und der Giergeschwindigkeit (Ψ .) und der Gierbeschleunigung (Ψ ..) vorhanden sind, wobei der Schwimmwinkel (β) und die Giergeschwindigkeit (Ψ .) und die Gierbeschleunigung (Ψ ..) zur Bestimmung des Zusatzmomentes einer Verarbeitungseinheit (11) zugeführt werden, die einen Elektromotor ansteuert, der das Zusatzmoment auf das Lenkrad zur haptischen Rückmeldung an den Fahrer überträgt, wobei das Zusatzmoment (M_A) die Richtung vorgibt, in die das Lenkrad zu drehen ist, um diejenige Lenkradstellung zu erreichen, die einer der Stabilisierung des aktuellen Fahrzustandes dienenden Radstellung der lenkbaren Fahrzeugräder (6, 7) entspricht, und wobei der Betrag des Zusatzmoments (M_A) nur so groß ist, dass der Fahrer das Lenkrad (3) noch gegen das Zusatzmoment (M_A) festhalten kann.