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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bestimmen der Momentan-Längsgeschwindigkeit
eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zum Bestimmen der entlang der
Fahrzeuglängsrichtung
gemessenen Momentan-Längsgeschwindigkeit
des Kraftfahrzeugs an seinem Schwerpunkt.
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Es
ist eine wohlbekannte Praxis die unterschiedlichen Betriebsdynamiken
eines Kraftfahrzeugs zu steuern, um aktive Sicherheit zu erzielen,
beispielsweise mittels der sogenannten Gierstabilitäts- und
Wankstabilitäts-Steuersysteme. Bei
einer neueren Entwicklung sind alle verfügbaren Teilsysteme kombiniert,
um eine bessere Fahrzeugsicherheit und ein besseres dynamisches
Fahrverhalten denn je zu erzielen. Der effektive Betrieb der unterschiedlichen
Steuervorrichtungen erfordert eine hochgenaue Bestimmung der Betriebszustände von
Kraftfahrzeugen bei einer kurzen Ansprechzeit, unabhängig von
den Fahrbahnbedingungen und den Fahrzuständen. Solche Betriebszustände eines
Fahrzeugs weisen die Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit, die
Fahrzeug-Quergeschwindigkeit und die Fahrzeug-Vertikalgeschwindigkeit,
die entlang der karosserieeigenen Längsachse, der karosserieeigenen
Querachse bzw. der karosserieeigenen Vertikalachse gemessen werden,
die Lage der Fahrzeugkarosserie, die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs
usw. auf. In dieser Offenbarung liegt der Fokus auf der Längsrichtung
und der Querrichtung des Fahrzeugs, d. h. der Momentan-Längsgeschwindigkeit
des Fahrzeugs und der Momentan-Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs
an seinem Schwerpunkt.
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Ein
auf einer Straße
fahrendes Fahrzeug könnte
infolge der Kombination seiner Längsbewegung
und seiner Querbewegung sowie seiner Winkelbewegung unterschiedliche
Beschleunigungen erfahren. Beispielsweise würde ein im Kreis fahrendes
Fahrzeug eine auf das Fahrzeug wirkende Querbeschleunigung haben, welche
proportional der zweiten Potenz der Fahrzeuggeschwindigkeit und
der Umkehrfunktion der Distanz zwischen dem Fahrzeug und dem momentanen
Gierpunkt ist, oder mit anderen Worten das Produkt der Momentan-Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs
und der Gierrate des Fahrzeugs. Bei einem anderen Beispiel leiten,
wenn ein Fahrzeug sich in einer Kurvenfahrt befindet, die Gierrate
des Fahrzeugs und das Driften des Fahrzeugs eine Komponente in die
Beschleunigung entlang der Längsrichtung
des Fahrzeugs ein, deren Größe bzw.
Betrag gleich dem Produkt aus der Quergeschwindigkeit und der Gierrate
des Fahrzeugs ist. Wenn der Fahrzeug-Driftwinkel bekannt ist, ist
die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs das Produkt aus der Momentan-Längsgeschwindigkeit
des Fahrzeugs und dem Fahrzeug-Driftwinkel.
Ferner ist zu beachten, dass die sogenannte Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit,
welche oft bei Antiblockier-Bremssteuerungen und bei Fahrzeug-Gierstabilitäts-Steuerungen
verwendet wird, die Vektorsumme aus der zuvor genannten Längsgeschwindigkeit
und aus der zuvor genannten Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs ist.
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Die
an einem Fahrzeug montierten Sensoren nehmen gewöhnlich die resultierenden Effekte
von unterschiedlichen Quellen auf. Beispielsweise sendet der an
die Fahrzeugkarosserie montierte Querbeschleunigungssensor ein Signal
aus, welches den Anteil der Schwerkraft und der Fahrzeuglage, den
Anteil des Produkts aus der Längsgeschwindigkeit
und der Gierrate des Fahrzeugs sowie den Anteil der Quergeschwindigkeit
des Fahrzeugs enthält.
Zum Zwecke des Extrahierens nutzbarer Informationen von den montierten
Sensoren und des Korrigierens von Sensorfehlern ist eine Berechnung
bzw. eine Abschätzung
der Momentan-Längsgeschwindigkeit
des Fahrzeugs von großem
Interesse.
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Es
existieren viele Verfahren und Einrichtungen zum Bestimmen der Fahrzeuggeschwindigkeit
unter Verwendung der Fahrzeugrad-Drehzahlsensoren. Die Fahrzeugrad-Drehzahlsensoren
sind Standardsensoren, die bei Antiblockiersystemen (anti-lock-brake
system – ABS)
verwendet werden. Für
Details siehe die folgenden US-Patente:
US 6224171 B1 ,
US 6223135 B1 ,
US 6112146 A ,
US 5388895 A ,
US 5365444 A ,
US 5364174 A und
US 5184876 A . Bei
vielen der oben genannten Patente wird die Fahrzeuggeschwindigkeit
als eine Funktion der Drehzahl eines ausgewählten Fahrzeugrades bestimmt.
Um dies zu tun, ist mindestens ein Fahrzeugrad erforderlich, das
keinen Schlupf aufweist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Einrichtung bereitzustellen,
mittels welcher die Momentan-Längsgeschwindigkeit
des Fahrzeugs, sowohl in dem Fall, in dem an den Fahrzeugrädern kein
Schlupf auftritt, als auch in dem Fall verbessert betriebssicher
berechnet bzw. abgeschätzt
werden kann, in dem an den Fahrzeugrädern Schlupf auftritt.
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Dies
wird mit einer Einrichtung zum Berechnen der Momentan-Längsgeschwindigkeit
eines Fahrzeugs gelöst,
welche die Merkmale im Anspruch 1 aufweist und insbesondere aus
diesen besteht. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung haben,
insbesondere bestehen zusätzlich
aus den in den abhängigen
Ansprüchen beschriebenen
Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme
auf die beigefügte Zeichnung
detaillierter beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Fahrzeug, wobei die Längsgeschwindigkeit
und die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs an dessen Ecken bzw. dessen
Rädern
und an dessen Schwerpunkt dargestellt sind.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht eines Fahrzeugrades, wobei gemäß 2 die
Fahrzeugeckengeschwindigkeit entlang der Längsrichtung eines Fahrzeugrades
gleich der Summe aus der Kontaktstellen-Schlupfgeschwindigkeit νcp und
dem Produkt aus der Rotationsrate bzw. Winkelgeschwindigkeit an
der Lauffläche
des Rades ωwhl und dem Fahrzeugrad-Rollradius r0 ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen
erläutert,
die ein Kraftfahrzeug betreffen, das sich auf einer dreidimensionalen
Straßenoberfläche bewegt.
Das Fahrzeug wird auf einer dreidimensionalen Straßenoberfläche gefahren.
Die Quergeschwindigkeit und die Längsgeschwindigkeit am Schwerpunkt
des Fahrzeugs werden mit Vx und Vy bezeichnet, die Gierwinkelrate bzw. Gierwinkelgeschwindigkeit
des Fahrzeugs wird mit ωz bezeichnet, der Vorderrad-Lenkwinkel des
Fahrzeugs wird mit δ bezeichnet.
Unter Verwendung jener Fahrzeugbewegungs-Variablen können die
Geschwindigkeiten des Fahrzeugs an dessen vier Eckpositionen, an
denen die Räder
am Fahrzeug angebracht sind, entlang der karosserieeigenen Längsrichtung
und der karosserieeigenen Querrichtung mit folgender Vorschrift
berechnet werden: Vlfx =
Vx – ωztf, Vlfy =
Vy + ωzlf
Vrfx = Vx + ωztf, Vrfy =
Vy + ωzlf
Vlrx = Vx – ωztr, Vlry =
Vy – ωzlr
Vrrx = Vx + ωztr, Vrry =
Vy – ωzlr (1),wobei tf und tr die jeweilige
Halbspur für
die Vorderachse bzw. für
die Hinterachse bezeichnen, und wobei lf und lr die jeweilige Distanz zwischen dem Schwerpunkt
des Fahrzeugs und der Vorderachse bzw. der Hinterachse bezeichnen.
Vlf, Vrf, Vlr und Vrr bezeichnen
die Geschwindigkeiten entlang der jeweiligen Fahrtrichtung der Fahrzeugräder (oder
anders gesagt der jeweiligen Fahrzeugrad-Längsrichtung), welche das Produkt
der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugrades an der Lauffläche und
des jeweiligen Fahrzeugrad-Rollradius sind. Diese Geschwindigkeiten
können
mit folgender Vorschrift in Relation zu den Eckengeschwindigkeiten des
Fahrzeugs gebracht werden: Vlf = Vlfzcos(δ) + Vlfy sin(δ)
Vrf = Vrfxcos(δ) + Vrfysin(δ)
Vlr = Vlrx
Vrr = Vrrx (2)
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Das
Einsetzen von Vorschrift (1) in Vorschrift (2) ergibt folgende Vorschrift: Vlf = (Vx – ωztf)cos(δ) + (Vy + ωzlf)sin(δ)
Vrf = (Vx + ωztf)cos(δ) + (Vy + ωzlf)sin(δ)
Vlr = Vx – ωztr
Vrr = Vx + ωztr (3)
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Unter
Berücksichtigung
der folgenden Vorschrift:
Vy = Vxtan(β) (4)kann man
daher die Vorschrift (3) verwenden, um sowohl V
x als
auch β zu
berechnen. Da die Vorschrift (3) zwei Unbekannte und vier Nebenbedingungen
aufweist, bestehen folglich unterschiedliche Möglichkeiten für ein Berechnen
von V
x und β. Für das Folgende wird die durchschnittliche,
vordere Fahrzeugeckengeschwindigkeit mit V
f-ave definiert
und die durchschnittliche, hintere Fahrzeugeckengeschwindigkeit
wird mit V
r-ave definiert, wobei folgende
Vorschrift gilt:
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Dann
führt Vorschrift
(3) zu folgender Vorschrift:
Vf-ave = Vx[cos(δ) + sin(δ)tan(δ)] + ωzlfsin(δ)
Vr-ave = Vx (6),welche verwendet
werden kann, um den Fahrzeug-Driftwinkel gemäß folgender Vorschrift zu berechnen:
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Es
ist zu bemerken, dass der Fahrzeug-Driftwinkel β nur mittels der Vorschrift
(7) berechnet werden kann, wenn der Fahrzeug-Lenkwinkel ungleich
Null ist. Wenn der Fahrzeug-Lenkwinkel
in etwa Null ist, kann das in der
US 6671595 B2 vorgeschlagene Verfahren verwendet
werden.
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Die
sechs Möglichkeiten
des Berechnens der Fahrzeug Längsgeschwindigkeiten
aus den vier Fahrzeugeckengeschwindigkeiten V
lf,
V
rf, V
lr und V
rr können
wie in folgender Vorschrift zusammengefasst werden:
wobei alle diese Berechnungen
gleich der tatsächlichen
Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit
V
x sein sollten, wobei folgende Vorschrift
gilt:
Vx =
Vxi, für
i = 1, 2, ..., 6 (9) -
Es
ist zu bemerken, dass die Vorschriften (7) bis (9) für alle Fahrzustände und
alle Fahrbahnbedingungen einfach infolge der Tatsache richtig sind,
dass sie auf den kinematischen Beziehungen zwischen den Bewegungsvariablen
beruhen.
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Nun
ist die Frage, wie die vier Fahrzeugeckengeschwindigkeiten Vlf, Vrf, Vlr und Vrr zu bestimmen
sind. Diese Fahrzeugeckengeschwindigkeiten können gemessen werden, indem
vier Geschwindigkeitssensoren an die vier Fahrzeugräder montiert
werden, welche Geschwindigkeitssensoren die jeweilige Längsgeschwindigkeit
der Fahrzeugradmitte entlang der Fahrtrichtung des jeweiligen Fahrzeugrades
(oder anders gesagt entlang der jeweiligen Fahrzeugrad-Längsrichtung)
erfassen. Ferner können
die Geschwindigkeitssensoren gegen vier Beschleunigungssensoren
ausgetauscht werden, welche die jeweilige Linearbeschleunigung der Fahrzeugradmitte
entlang der Fahrtrichtung des jeweiligen Fahrzeugrades erfassen.
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Da
hauptsächlich
Fahrzeuge ohne die zuvor genannten, an den Fahrzeugecken bzw. den
Fahrzeugrädern
vorgesehenen Geschwindigkeitssensoren oder Beschleunigungssensoren
betrachtet werden, sind die verfügbaren
Sensoren die Fahrzeugrad-Drehzahlsensoren, die bei Antiblockiersystemen
(anti-lock brake system – ABS)
verwendet werden. Jene ABS-Fahrzeugrad-Drehzahlsensoren
messen die jeweilige Drehzahl der Fahrzeugräder. Die Fahrzeugrad-Drehzahlsensor-Ausgaben
sind gewöhnlich
kalibriert zum Bereitstellen der Linearrichtungs-Geschwindigkeiten νsensor-lf, νsensor-rf, νsensor-lr und νsensor-rr durch
Multiplizieren der Rotations-Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugrades
mit dem Nennrollradius des Fahrzeugrades. Für Details siehe 2. Es
ist zu bemerken, dass die Fahrzeugräder nicht nur eine Drehbewegung
sondern ferner eine lineare Gleitbewegung ausführen, d. h., dass die Fahrzeugräder ferner
einen Längsschlupf
aufweisen. Der Längsschlupf wird
verursacht durch die Relativbewegung zwischen dem jeweiligen Fahrzeugrad
und der Straße
an deren Kontaktstelle. Für
das Folgende werden die Längsgeschwindigkeiten
solcher Relativbewegungen an den Kontaktstellen zwischen jeweiligem
Fahrzeugrad und Straße
als νcp-lf, νcp-rf, νcp-lr und νcp-rr bezeichnet, so dass die Fahrzeugeckengeschwindigkeiten
wie in folgender Vorschrift als die Summen von zwei Geschwindigkeiten ausgedrückt werden
können: Vlf = νcp-lf + νsensor-lf,
Vrf = νcp-rf + νsensor-rf
Vlr = νcp-lr + νsensor-lr,
Vrr = νcp-rr + νsensor-rr (10)
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Wenn
an den vier Rädern
kein Längsschlupf
auftritt, sollten νcp-lf, νcp-rf, νcp-lr und νcp-rr allesamt Null sein und die Fahrzeugrad-Drehzahlsensoren
stellen die exakte Beschreibung der Fahrzeugeckengeschwindigkeiten
bereit. Folglich können
die Vorschriften (7) bis (9) verwendet werden, um den Fahrzeug-Driftwinkel
und die Momentan-Längsgeschwindigkeit
des Fahrzeugs zu berechnen bzw. abzuschätzen.
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Wenn ν
cp-lf, ν
cp-rf, ν
cp-lr und ν
cp-rr nicht
Null sind, jedoch deren jeweiliger Betrag ein Bruchteil des jeweiligen
Betrages von ν
sensor-lf, ν
sensor-rf, ν
sensor-lr und ν
sensor-rr ist,
dann kann das Minimum der sechs berechneten Variablen verwendet
werden, um die Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit
gemäß folgender
Vorschrift zu beschreiben:
V ^x = min{V ^x1, V ^x2, V ^x3, V ^x4, V ^x5, V ^x6} (11),wobei V ^
x1, V ^
x2, V ^
x3, V ^
x4, V ^
x5, V ^
x6 ähnlich berechnet
werden wie in Vorschrift (8), wobei jedoch wie gemäß folgender
Vorschrift die Sensorsignale die Fahrzeugeckengeschwindigkeiten
ersetzen:
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Unter
Berücksichtigung,
dass der Term sin(δ)sin(β) vernachlässigbar
ist im Gegensatz zum Term cos(δ)
können
folglich V ^
x2, V ^
x3, V ^
x4 gemäß folgender
Vorschrift auch unabhängig
vom Fahrzeug-Driftwinkel β näherungsweise
berechnet werden:
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Um
die Vorschrift (11) und die Vorschrift (12) sicher zum Berechnen
der Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit
zu verwenden, muss der Betrag der Kontaktstellen-Schlupfgeschwindigkeiten
quantitativ erfasst werden. Im Folgenden bezeichnen d
f und
d
r die Kontaktstellen-Geschwindigkeits-Differenzen
zwischen dem linken Fahrzeugrad und dem rechten Fahrzeugrad der
Vorderachse bzw. der Hinterachse sowie bezeichnen m
f und m
r den jeweiligen Mittelwert der Kontaktstellen-Geschwindigkeit
des linken Fahrzeugrades und des rechten Fahrzeugrades der Vorderachse
bzw. der Hinterachse, wobei die folgende Vorschrift gilt:
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So
definiert können
d
f, d
r, m
f und m
r aus den
bekannten Signalen, die die Fahrzeugrad-Drehzahlen, die Gierrate,
den Lenkwinkel (am Fahrzeugrad) und die berechnete bzw. abgeschätzte Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit
aufweisen, gemäß folgender
Vorschrift berechnet werden:
wobei
m
f näherungsweise
unabhängig
vom Fahrzeug-Driftwinkel gemäß folgender
Vorschrift berechnet werden kann:
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Folglich
werden, wenn die gemäß der Vorschrift
(15) berechneten Größen alle
kleiner als bestimmte Grenzwerte sind, d. h. die Bedingungen in
der folgenden Vorschrift: df ≤ γ1,
mf ≤ γ2,
dr ≤ γ3,
mr ≤ γ4 (17) sind für die Kalibrierparameter γ1, γ2, γ3, γ4,
erfüllt,
die Kontaktstellen-Schlupfgeschwindigkeiten als vernachlässigbar
betrachtet. Wenn die Bedingungen in Vorschrift (17) nicht erfüllt sind,
ist eine weitere Analyse notwendig.
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Einer
solcher Fälle,
in denen die Bedingungen in Vorschrift (17) nicht erfüllt sind,
jedoch das Fahrzeug in einem Dauerlenkzustand gefahren wird, ist
der Fall, in dem das Fahrzeug eine Korkenzieherfahrt durchführt, wobei
das Fahrzeug eine enge Kurve fährt,
jedoch mit annähernd
konstanter Lenkeingabe. In diesem Fall gilt, wenn sich die Fahrzeughinterräder in der
Bahn des Fahrzeugs bewegen, für
die Fahrzeugeckengeschwindigkeiten folgende Vorschrift:
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Basierend
auf dieser Bedingung kann die Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit
V
x folgender Vorschrift berechnet werden:
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Unter
Berücksichtigung,
dass der Term sin(δ)tan(β) im Gegensatz
zum Term cos(δ)
vernachlässigbar ist,
kann V ^
x-ss-steer näherungsweise unabhängig vom
Fahrzeug-Driftwinkel β gemäß folgender
Vorschrift berechnet werden:
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Wenn
die Bedingungen von Vorschrift (17) nicht erfüllt sind und das Fahrzeug nicht
im Dauerlenkzustand ist, dann ist zum Beheben der Fehler infolge
des Kontaktstellenschlupfs eine weitere Korrektur notwendig.
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Nun
wird das Durchführen
der Korrektur unter Verwendung der Informationen über die
Fahrzeug-Längsbeschleunigung
und über
die Fahrzeug-Nicklage θy betrachtet. Die Momentan-Längsgeschwindigkeit Vx des Fahrzeugs wird als Summe von zwei Teilen
beschrieben: (1) der Teil vom Drehen der vier Fahrzeugräder, wie
in der Vorschrift (11) oder in der Vorschrift (20) berechnet, (2)
der Teil des Längsgleitens
infolge des Fahrzeugradschlupfs. Der auf dem Drehen der vier Fahrzeugräder beruhende
Teil wird mit Vx-noslip bezeichnet, welche
Geschwindigkeit entweder V ^x oder Vx-ss-steer ist, und der auf dem Fahrzeugradschlupf
beruhende Teil wird als bezeichnet, wobei die folgende Vorschrift
gilt: Vx =
Vx-noslip + Vx-slip (21)
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Das
Längsbeschleunigungssensor-Signal
kann gemäß folgender
Vorschrift in drei Teile aufgeteilt werden: ax-sensor = V .x – Vxtan(β)ωz-sensor – gθy (22)
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Daher
kann Vx-slip die folgende Vorschrift erfüllen: V .x-slip – Vx-sliptan(β)ωz-sensor = f(t) (23),wobei gilt: f(t) = ax-sensor – gθy – V .x-noslip + Vx-nosliptan(β)ωz-sensor (24)
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Die
analytische Lösung
für V
x-slip kann gemäß folgender Vorschrift erhalten
werden:
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Aus
der Vorschrift (25) kann ein digitales, iteratives Modell hergeleitet
werden zum Berechnen von Vx-slip wie gemäß folgender
Vorschrift: Γ(k + 1) = Γ(k) + tan(β(k + 1))ωz-sensor(k
+ 1)ΔT
Π(k + 1) = Π(k) + f(k
+ 1)eΓ(k+1)ΔT
Vx-slip(k + 1) = Π(k + 1)e–Γ(k+1) (26)
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Daraus
ergibt sich folgende Vorschrift: Vx(k) = Vx-nonslip(k)
+ Vx-slip(k) (27)
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Literaturverzeichnis:
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- [1] US 6224171
B1 , ”Method
for correcting a vehicle reference speed,” (WABCO, 2001).
- [2] US 6223135
B1 , ”Method
and device for determining a variable describing the speed of a
vehicle,” (BOSCH, 2001).
- [3] US 6112146 A , ”Method
and device for determining a variable describing the speed of a
vehicle,” (BOSCH, 2000).
- [4] US 5388895 A , ”Method
and system for detecting and correcting vehicle speed reference
signals in anti-lock brake systems,” (KELSEY-HAYES, 1995)
- [5] US 5365444 A , ”Method
of estimating vehicle velocity and method of and system for controlling
brakes,” (HONDA,
1994)
- [6] US 5364174 A , ”Antilocking
system,” (BOSCH,
1994)
- [7] US 5184876 A , ”Antilock
braking system,” (BOSCH,
1993)
- [8] US 667 15 95
B2
