DE10143029A1 - Verfahren zur Vorgaberegelung eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorgaberegelung eines Fahrzeugs, bei dem in Abhängigkeit von einer Lenkeingabegröße (3) und einer Ausgangsgröße eines Aktuators (5) eine Fahrzeuglenkungsgröße (7) erzeugt wird, wobei die Ausgangsgröße des Aktuators (5) in Abhängigkeit von der Lenkeingabegröße (3) und einem Gierratensignal (22) erzeugt wird. DOLLAR A Um die subjektive Wahrnehmung des Fahrverhaltens eines Kraftfahrzeugs durch den Fahrer durch eine Änderung des Fahrverhaltens durch ein spezielles Regelungskonzept zu verbessern, ist die Ausgangsgröße des Aktuators (5) eine skalare Funktion von wenigstens zweien der Signale Bahnkrümmungssignal (20), Gierratensignal (21), Rollgeschwindigkeitssignal, Vertikalbeschleunigungssignal, Schwimmwinkelsignal, Wankwinkelsignal, Reifenseitenkraftsignal und Querbeschleunigungssignal (22).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorgaberegelung eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In zukünftigen Serienfahrzeugen werden sogenannte steer-by-wire-Systeme angeboten, die über einen Lenkeingriff das Fahrverhalten beeinflussen. Das sind Systeme, die entweder zum Lenkwinkel der mechanischen Lenksäule mittels Aktuator einen zusätzlichen Lenkwinkel addieren bzw. überlagern oder ganz ohne Lenksäule arbeiten, indem der Vorderradlenkwinkel nur durch einen Aktuator eingestellt wird.

Eine große Gruppe der heute in steer-by-wire-Systemen eingesetzten bekannten Regelungsalgorithmen benutzen das Konzept der Sollgierrate. Dieses Konzept funktioniert mit und ohne mechanische Lenksäule. Der Lenkradwinkel wird gemessen und aus ihm ein Wert für die gewünschte Gierrate berechnet, beispielsweise mit der bekannten Formel,

Sollgierrate = Lenkübersetzung.Lenkradwinkel.V/[Radstand.(1+(V^2/Vchar ^2))] (1)

Diese Formel beruht auf dem stationären linearen, natürlichen Fahrverhalten des Fahrzeugs ohne Reifensättigungseffekte. Für den Fall, dass diese Sollgierrate aufgrund von Reifensättigungseffekten oder anderen nicht realisiert werden kann, wird die Sollgierrate mit Hilfe von Informationen über den Fahrbahnreibwert oder der Querbeschleunigung begrenzt, um nicht unsinnig große Lenkwinkelstellkommandos zu erzeugen, die das Fahrzeugverhalten nicht mehr verbessern, sondern verschlechtern.

Der Nachteil bei diesem Stand der Technik besteht darin, dass durch die Art der Sollwertvorgabe das Regelungsziel nur darin besteht, das Fahrzeugverhalten auch im Reifensättigungsfall bzw. Schleuderfall möglichst nahe an das des ungeregelten linearen Fahrzeugs ohne Reifensättigung zu bringen. Obwohl das zweifellos eine Verbesserung des Fahrzeugverhaltens bedeutet, ist es nicht zwingend auch die bestmögliche Verbesserung des Fahrzeugverhaltens im Sinne der subjektiven Wahrnehmung des Fahrers.

Des weiteren gibt es auch heute schon Regelungskonzepte, deren Regelungsziel vom natürlichen Verhalten des ungeregelten, linearen Fahrzeugs abweichen. Z. B. das Regelungskonzept, das die Entkopplung der Querbeschleunigung von der Gierrate zum Ziel hat. Hier ist es jedoch fraglich, ob dieses Regelungsziel geeignet ist, das subjektive Fahrerurteil positiv zu beeinflussen.

Ein weiteres Konzept hat das Ziel, bei Benutzung eines herkömmlichen Lenkrades als Lenkeingabe-Organ den Lenkwinkelbedarf des Lenkrades zu reduzieren und damit den Lenkkomfort zu erhöhen. Folglich wird hier nur die Lenkkennlinie bzw. die Zuordnung von Lenkeingabe und Vorderradlenkwinkel verändert. Dieses System wird im folgenden "Variable Lenkübersetzung" genannt.

Während einige Regelungssysteme zu Verbesserungen des dynamischen Fahrverhaltens, nicht aber des stationären Fahrverhaltens führen, kann mit der variablen Lenkübersetzung das stationäre Fahrverhalten beeinflusst werden, nicht jedoch das dynamische.

Der Fahrer nimmt bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten die Bewegungsgrößen der Fahrzeugbewegung (Gierrate, Querbeschleunigung, Schwimmwinkel, Krümmung der Trajektorie) in unterschiedlicher Gewichtung wahr. Das gilt für das stationäre Verhalten wie auch für das dynamische Verhalten bzw. den Übergang von einem stationären Betriebspunkt zu einem neuen. Hieraus ergibt sich eine Möglichkeit, das Fahrzeugverhalten durch ein Regelungssystem so zu beeinflussen, dass der Fahrer sowohl das stationäre als auch das dynamische Fahrzeugverhalten subjektiv als verbessert beurteilt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die subjektive Wahrnehmung des Fahrverhaltens eines Kraftfahrzeugs durch den Fahrer durch eine Änderung des Fahrverhaltens durch ein spezielles Regelungskonzept zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Vorgaberegelung eines Fahrzeugs nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird eine Regelung geschaffen, bei der der Zusammenhang zwischen den Fahrzeugbewegungsgrößen und der subjektiven Beurteilung durch den Fahrer ausgenutzt wird. Diese Regelung beruht nicht mehr auf einem lenkwinkelabhängigem Gierratensollwert. Statt dessen wird mit Hilfe von fahrpsychologischen Erkenntnissen, zunächst eine mathematische Berechnungsvorschrift definiert, die von den messbaren Bewegungsgrößen des Fahrzeugs abhängt und deren Wert die subjektive Wahrnehmung des querdynamischen Bewegungsvorgangs durch den Fahrer beschreibt. Anschließend wird diese Berechnungsvorschrift in die Reglerstruktur als Rückführung übernommen und deren Ergebnis (Istwert) fortlaufend mit einem lenkwinkelabhängigem Sollwert für diese synthetische Größe verglichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorgaberegelung eines Fahrzeugs, bei dem in Abhängigkeit von einer Lenkeingabegröße und einer Ausgangsgröße eines Aktuators eine Fahrzeuglenkungsgröße erzeugt wird, wobei die Ausgangsgröße des Aktuators in Abhängigkeit von der Lenkeingabegröße und einem Gierratensignal erzeugt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgröße des Aktuators eine skalare Funktion von wenigstens zweien der Signale Bahnkrümmungssignal, Gierratensignal, Rollgeschwindigkeitssignal, Vertikalbeschleunigungssignal, Schwimmwinkelsignal, Wankwinkelsignal, Reifenseitenkraftsignal und Querbeschleunigungssignal ist.

Vorzugsweise ist die skalare Funktion eine Summe von jeweils mit einem Wichtungsfaktor gewichteten Signalen, wobei jeder der mehreren Wichtungsfaktoren von einer Fahrzeugsgeschwindigkeit abhängen kann.

Zusätzlich kann die Ausgangsgröße des Aktuators außerdem von Rückkopplungssignalen des Fahrzeugs abhängen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie ohne Schwierigkeiten bei den gegenwärtigen Lenkungssystemen implementiert werden kann, ohne dass zusätzliche Elemente der Lenkung notwendig werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt eine Regelung nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt ein Regelungssystem mit Rückführung von Fahrzeugmessgrößen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 zeigt ein Regelungssystem ohne Rückführung von Fahrzeugmessgrößen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 zeigt einen Vergleich von Stationärverstärkungen der Lenkeingabe für drei ausgewählte Fahrparameter, die für das subjektive Fahrempfinden relevant sind, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit.

In Fig. 1 ist ein Lenksystem zur Regelung bzw. Steuerung von Lenkbewegungen eines Fahrzeugs 1 gezeigt. Die Lenkvorgabe erfolgt dabei über eine Lenkeingabevorrichtung 2 durch einen Fahrer. Die Lenkeingabevorrichtung 2 erzeugt ein Ausgangssignal 3. Das Ausgangssignal 3 kann ein Lenkwinkel sein ("normale" Lenksäule, dargestellt durch einen geöffneten Schalter 4) oder ein elektrisches oder hydraulisches Signal sein (steer-by-wire-System, der Schalter 4 ist geschlossen). Das Signal wird mit einem Drehwinkel eines Aktuators 5 in einer Überlagerungsvorrichtung 6 überlagert, so dass eine Fahrzeuglenkungsgröße 7 für das Fahrzeug 1 gebildet wird. Der Aktuator 5 wird seinerseits von einem Regelungssystem 8 angesteuert. Dieses empfängt als Eingangsgrößen das Ausgangssignal der Lenkeingabevorrichtung 2, das über eine Leitung 9 ausgekoppelt wird, und - in der Regel - ein Rückkopplungssignal 10 von dem Fahrzeug 1. Mit anderen Worten, über die Leitung 9 wird dem Regelungssystem 8 die Lenkeingabegröße als Führungsgröße zugeführt, und als Regelgröße erhält das Regelungssystem 8 das Rückkopplungssignal 10 vom Fahrzeug 1. Aus beiden Größen 9 und 10 erzeugt das Regelungssystem 8 das Stellkommando 11 für den Aktuator 5.

Das Regelungssystem 8 beinhaltet in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform dabei eine Sollwertbildung 12, die das Ausgangssignal der Lenkeingabevorrichtung 2 auf der Leitung 9 je nach Art der Sollwertbildung auf einen Sollwert abbildet. Der Funktionswert (des Ausgangssignals 9) bildet eine Eingangsgröße einer Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung 13. Eine zweite Eingangsgröße ist das Rückkopplungssignal 10 von dem Fahrzeug 1. Das Rückkoppelsignal 10 des Fahrzeugs 1 beinhaltet dabei insbesondere ein Gierratensignal und ein Querbeschleunigungssignal.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorgaberegelung des Fahrzeugs 1 ist mit dem System nach Fig. 1 durchführbar. Die Ausgangsgröße des Aktuators 5, die in Abhängigkeit von der ausgekoppelten Lenkeingabegröße 9 und dem Rückkopplungssignal 10 von dem Fahrzeug 1 erzeugt wird, hängt dabei erfindungsgemäß von einem Funktionsvektor ab. Der Funktionsvektor weist als Komponenten vorzugsweise das Gierratensignal und das Querbeschleunigungssignal auf. Zusätzlich kann z. B. als Komponente des Funktionsvektors ein Bahnkrümmungssignal oder ein Schwimmwinkelsignal berücksichtigt sein.

Durch die gleichberechtigte Beeinflussung der Stellgröße 11 durch die zwei Komponenten des Funktionsvektors 10 lässt sich die subjektive Wahrnehmung des Fahrverhaltens des Kraftfahrzeugs 1 durch den Fahrer über das natürliche Verhalten des Fahrzeugs hinaus verbessern. Die Lenkeingabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Berechnung eines Sollwertes für den Istwert, also das Ergebnis des Funktionsvektors, verwendet. Dieser Istwert geht neben der Ausgangsgröße der Sollwertbildungsvorrichtung 12 als zweite Eingangsgröße der modifizierten Regelungs-/Steuerungsvorrichtung 13 in die Erzeugung der Stellgröße 11 ein, die als Aktuatorausgangsgröße mit der Lenkeingabe 3 zur Fahrzeuglenkungsgröße 7 überlagert wird. Die Sollwertberechung 12 bildet den Sollwert 23 für die Mischgröße C, genannt CS, sie hängt in erster Linie von der vom Fahrer eingestellten Lenkhandhabe (Lenkrad, Sidestick, . . .) ab. Die Mischgröße C, die das zweite Eingangssignal der modifizierten Regelungs-/Steuerungsvorrichtung 13 bildet, lässt sich in einer ersten Form durch die Beziehung (2) darstellen:

C = W1.Gierrate + W2.Querbeschleunigung (2),

wobei W1, W2 Wichtungsfaktoren sind. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Wichtungsfaktoren W1, W2 konstant. Bereits bei konstanten, also von Fahrzuständen des Fahrzeugs unabhängigen Wichtungsfaktoren entsteht schon automatisch eine sinnvolle Wichtung der Bewegungsgrößen Gierrate und Querbeschleunigung.

In Fig. 4 sind die Stationärverstärkungen von drei möglichen Komponenten des Funktionsvektors, der Gierrate, der Querbeschleunigung und der Bahnkrümmung, über der Fahrzeuggeschwindigkeit aufgetragen. In der Darstellung sind die Komponenten der Übersichtlichkeit halber so normiert, dass ihre Maxima den gleichen Wert haben und so leichter verglichen werden können.

Bei einer kleinen Geschwindigkeit sind Gierrate 21 und Querbeschleunigung 22 klein im Vergleich zur Bahnkrümmung 20. Dadurch gewichtet die Funktionsvektor- Rückführung des Reglers in ihrer Größe C automatisch die Bahnkrümmung 20 am stärksten. Analog dazu nimmt der Fahrer subjektiv die Bahnkrümmung 20 stärker wahr als Gierrate 21 und Querbeschleunigung 22. Wegen dieser Gemeinsamkeit zwischen Regelung und Fahrerwahrnehmung kann die Regelung gemäß der subjektiven Wahrnehmung das Fahrverhalten verbessern.

Bei einer mittleren Geschwindigkeit (80 km/h < V < 180 km/h) sind Bahnkrümmung 20 und Querbeschleunigung 22 klein im Vergleich zur Gierrate 21. Dadurch gewichtet die Funktionsvektor-Rückführung des Reglers in ihrer Größe C automatisch die Gierrate am stärksten. Analog dazu nimmt der Fahrer subjektiv die Gierrate stärker wahr als Bahnkrümmung und Querbeschleunigung. Wegen dieser Gemeinsamkeit zwischen Regelung und Fahrerwahrnehmung kann die Regelung gemäß der subjektiven Wahrnehmung das Fahrverhalten verbessern.

Bei einer hohen Geschwindigkeit sind Bahnkrümmung 20 und Gierrate 21 klein im Vergleich zur Querbeschleunigung 22. Dadurch gewichtet die Funktionsvektor- Rückführung des Reglers in ihrer Größe C automatisch die Querbeschleunigung 22 am stärksten. Analog dazu nimmt der Fahrer subjektiv die Querbeschleunigung 22 stärker wahr als Bahnkrümmung 20 und Gierrate 21. Wegen dieser Gemeinsamkeit zwischen Regelung und Fahrerwahrnehmung kann die Regelung gemäß der subjektiven Wahrnehmung das Fahrverhalten auch in diesem Geschwindigkeitsbereich verbessern.

Eine weitere Ausführungsform eines Systems für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 2 dargestellt. In der Darstellung des Systems sind Elemente mit identischen Funktionen gleich wie in Fig. 1 bezeichnet und werden der Kürze halber nicht noch einmal erläutert.

Das System nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 darin, dass als Rückführung nicht nur die durch den Funktionsvektor gebildete Größe C in den Regler 15 eingeht, sondern zusätzlich eine Auswahl 18 einzelner Meßgrößen, z. B. Gierrate und Schwimmwinkel. Das ist regelungstechnisch vorteilhaft, um z. B. die Dämpfung der Regelungsstrecke durch eine Verarbeitung der Gierrate zu verbessern oder durch Verarbeitung des Schwimmwinkels eine Begrenzung des Schwimmwinkels zu erreichen.

Zum anderen unterscheidet sich Fig. 2 von Fig. 1 darin, dass hier die Bildung der Regeldifferenz 24, genannt deltaC, für die Größe C explizit dargestellt ist:

deltaC = CS - C (3).

Die Sollwertbildung 12 kann nicht nur eine Skalierung beinhalten, sondern auch eine Dynamik, z. B. ein Verzögerungsglied erster Ordnung für die dynamische Gestaltung des Sollwertes CS und der Regelungsdifferenz deltaC.

Die Berechnung des Istwertes 16 für den Wert C geschieht z. B. wieder wie in Gleichung (2). Sie kann jedoch auch eine beliebige andere Funktion darstellen:

C = f(Meßgröße1, Meßgröße2, . . .) (4).

und zusätzlich noch eine Dynamik in Form von zeitabhängigen Filtern F(t) enthalten und wird damit zusätzlich abhängig von der Zeit t:

C = f(Meßgröße1, Meßgröße2, . . ., t) (5).

Zusätzlich können die Sollwertbildung für CS und die Istwertbildung für C auch von anderen Parametern, die den momentanen Fahrzustand darstellen, abhängen. Das kann auch der Grad der Reifensättigung oder die Geschwindigkeit V sein. Im Beispiel der Gleichung (2) können die Wichtungsfaktoren von der Geschwindigkeit abhängen:

C = W1(V).Gierrate + W2(V).Querbeschleunigung (6).

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Systems für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Wiederum sind in der Darstellung des Systems Elemente mit identischen Funktionen gleich wie in Fig. 1 bzw. 2 bezeichnet und werden der Kürze halber nicht noch einmal, erläutert. Von dem System nach Fig. 2 unterscheidet sich die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform dadurch, dass eine Rückkopplung vom Fahrzeug 1 in dem Regelungssystem 8 nicht vorgesehen ist. Daher ist die Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung in Fig. 1 und 2 bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform durch eine Vorsteuerung 19 ersetzt. Dieser Unterschied macht einen anderen Steuerungs- und Regelungsansatz gegenüber den obigen Ausführungsformen erforderlich: es ist notwendig, dass die Vorsteuerung 19 ein ausreichendes Prozesswissen zur Berechnung des Aktuatorkommandos besitzt. Dieses Prozesswissen erhält die Vorsteuerung 12 z. B. aus (nicht dargestellten) Kennfeldern oder Dynamiken, so dass zur Ermittlung der Stellgröße 11 für den Aktuator 5 der messgrößenabhängige Funktionsvektor C nicht gebildet wird, sondern direkt CS, das Kommando 23 für C, versucht wird, durch die Vorsteuerung 19 einzustellen. Die Vorsteuerung 19 kann jedoch von Fahrzeugparametern abhängen, die nicht die Fahrzeugquerdynamik betreffen, wie z. B. die Geschwindigkeit V.

Das erfindungsgemäße Regelungskonzept ist sowohl bei Systemen mit Lenksäule (Überlagerungslenkung) als auch bei Systemen ohne Lenksäule einsetzbar.

Bezugszeichen

1

Fahrzeug

2

Lenkeingabevorrichtung (Fahrer)

3

Ausgangssignal der Lenkeingabevorrichtung (Fahrer)

4

Zuschaltvorrichtung für Lenksäule

5

Aktuator

6

Überlagerungsvorrichtung

7

Eingangsgröße des Fahrzeugs, Fahrzeuglenkungsgröße

8

Modellfolgereglersystem

9

Führungsgröße: Lenkeingabesignal/Lenkeingabemoment

10

Regelgröße: Rückkopplungssignal vom Fahrzeug

11

Stellgröße für Aktuator

12

Modellfunktionsvorrichtung

13

Steuerungs-/Regelungsvorrichtung

14

Skalierungsvorrichtung

15

Regelungsvorrichtung

16

Transformationsvorrichtung für Regelgröße

17

Addierervorrichtung

18

Einzelregelgröße: Rückkopplungssignal vom Fahrzeug

19

Vorsteuerung

20

Bahnkrümmungskurve

21

Gierratenkurve

22

Querbeschleunigungskurve

23

Sollwert für Messgröße C

24

Regeldifferenz deltaC

Claims (6)

1. Verfahren zur Vorgaberegelung eines Fahrzeugs, bei dem in Abhängigkeit von einer Lenkeingabegröße (3) und einer Ausgangsgröße eines Aktuators (5) eine Fahrzeuglenkungsgröße (7) erzeugt wird, wobei die Ausgangsgröße des Aktuators (5) in Abhängigkeit von der Lenkeingabegröße (3) und einem Gierratensignal (22) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgröße des Aktuators (5) eine skalare Funktion von wenigstens zweien der Signale Bahnkrümmungssignal (20), Gierratensignal (21), Rollgeschwindigkeitssignal, Vertikalbeschleunigungssignal, Schwimmwinkelsignal, Wankwinkelsignal, Reifenseitenkraftsignal und Querbeschleunigungssignal (22) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die skalare Funktion eine Summe von jeweils mit einem Wichtungsfaktor gewichteten Signalen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgröße des Aktuators (5) außerdem von Rückkopplungssignalen (10) des Fahrzeugs abhängt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgröße des Aktuators (5) zusätzlich von wenigstens einem einzelnen Rückkopplungssignal (18) des Fahrzeugs abhängt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wertebereich der Lenkeingabegröße von Fahrbedingungen abhängt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkung über eine Überlagerungslenkung erfolgt.