DE102004056108A1

DE102004056108A1 - Verfahren zur näherungsweisen Ermittlung der Schwerpunktlage eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102004056108A1
Application number: DE102004056108A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Rieth; Ralf Dr. Schwarz; Sascha Semmler; Rolf Prof. Dr. Isermann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2005-09-08

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf vergleichsweise einfache Weise mit nur geringem zusätzlichen Aufwand die Lage des Schwerpunktes in Längsrichtung (chi¶KFZ¶) eines Fahrzeugs vergleichsweise genau ermittelt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem aus den Längskräften der Räder F¶x¶, dem Steigungswinkel der Straße (alpha), der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs (a¶x¶) und dem Radabstand (I¶ges¶) ein Schätzwert für die Schwerpunktlage des Fahrzeuges in Längsrichtung DOLLAR I1 bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur näherungsweisen Ermittlung der Schwerpunktlage eines Fahrzeuges bezüglich der Längsrichtung des Fahrzeugs insbesondere zur Verwendung in einem Anti-Blockier-System des Fahrzeuges.
In modernen Steuerungs- und Sicherheitssystemen für Kraftfahrzeuge kann zusätzlich zu anderen Informationen auch die Auswertung der Schwerpunklage des Fahrzeuges, üblicherweise bezogen auf die Fahrzeuglängsrichtung, bedeutsam sein. So kann nämlich bei elektronischen Stabilitätssystemen, beispielsweise während eines Bremsvorgangs, die Kenntnis des aktuellen Fahrzeugschwerpunkts Vorteile für den Regeleingriff haben. Insbesondere ist die Kenntnis über den aktuellen Schwerpunkt bei einem Bremsvorgang mit einem Anti-Blokier-System (ABS) relevant, da der Schwerpunkt des Fahrzeugs Einfluss auf die Regelgüte des ABS haben kann. So kann beispielsweise ein möglichst minimaler Bremsweg erreicht werden. Der Schwerpunkt des Fahrzeuges wird dabei als Parameter für die Dosierung der Bremskraft verwendet.
Für die Ermittlung dieser Schwerpunktlage muss in der Regel ein hoher technischer Aufwand betrieben werden. Bisher sind nur Systeme bekannt, die zusätzlich zu den im Fahrzeug be kannten Systemkomponenten eines weitergehenden apparatetechnischen Aufwands bedürfen. Alle anderen Ermittlungsverfahren haben sich als zu ungenau oder als zu langsam erwiesen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf vergleichsweise einfache Weise mit nur geringem zusätzlichen Aufwand die Schwerpunktlage in Längsrichtung eines Fahrzeuges vergleichsweise genau ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zur näherungsweisen Ermittlung der Schwerpunktlage eines Fahrzeuges in Längsrichtung aus den Längskräften der Räder, dem Steigungswinkel der Straße, der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs und dem Radabstand ein Schätzwert für den Schwerpunkt des Fahrzeuges in Längsrichtung bestimmt wird.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass mit den üblicherweise bei einem Fahrzeug und insbesondere mit denen in den Sicherheitssystemen vorhandenen Messgrößen sich die Schwerpunktlage und die Schwerpunktlageveränderung des Fahrzeuges ausreichend genau schätzen lässt. Die Erfindung geht also davon aus, dass kein zusätzlicher gerätetechnischer Aufwand betrieben werden muss, da sich durch eine entsprechende Kombination der genannten Messgrößen ein Schätzwert für die Schwerpunktlage eines Fahrzeuges ermitteln lässt.
Dazu führt insbesondere die Tatsache, dass zwischen den Radaufstandskräften, aus der sich die Schwerpunktlage des Fahrzeugs ergibt, und den Längskräften der Räder des Kraftfahrzeuges eine Analogie besteht. Die auf die Räder wirken den Längskräfte sind wiederum rekonstruierbar. Weiterhin ist im Falle eines Verzögerungsvorgangs mit Hilfe eines Anti-Blockier-Systems davon auszugehen, dass die Reibwerte aller Räder näherungsweise identisch sind, so dass das Verhältnis der Radaufstandskraft der Summe der vorderen zu den hinteren Rädern dem analogen Verhältnis der Längskraft der Räder entspricht.
Vorteilhafterweise setzt sich der Schätzwert für die Schwerpunktlage daher aus zwei Summanden zusammen. Der erste Summand setzt sich aus dem halben Radabstand multipliziert mit einem längskraftabhängigen Koeffizienten der Räder zusammen. Der zweite Summand entspricht vorteilhafterweise der von der Längsbeschleunigung und dem Steigungswinkel der Strasse abhängigen Höhe des Fahrzeugschwerpunktes. Der Längskraftabhängige Koeffizient setzt sich zweckmäßigerweise aus dem Quotient der Differenz der Längskraft der vorderen und hinteren Rädern und der Summe der Längskraft aller Räder zusammen. Dies entspricht bei einer Verlagerung des Schwerpunktes des Fahrzeuges in Längsrichtung der prozentuellen Längskraftverschiebung in Fahrzeuglängsrichtung. Multipliziert man diesen Koeffizienten nun mit der Hälfte des Radabstandes erhält man einen entfernungsdarstellenden Summanden des Schätzwertes. Auf diese Weise wird berücksichtigt, dass sich die Schwerpunktlage bei einem Kraftfahrzeug in der Regel nicht genau in der Mitte der Räder befindet, da sich der Fahrzeugschwerpunkt durch das vergleichsweise hohe Gewicht des Motors entsprechend verschiebt.
Um die Längsbeschleunigung des Fahrzeuges bei der Ermittlung des Schätzwertes mit einzubeziehen, wird zur Ermittlung des zweiten Summanden vorzugsweise die Höhe des Fahrzeugschwer punktes mit dem Quotient der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs und der Erdbeschleunigung und mit dem Kehrwert des cosinus des Straßensteigungswinkel multipliziert. Damit fließt auch der Steigungswinkel der Straße in die Berechnung ein. Durch den Kehrwert des cosinus des Straßensteigungswinkels wird die Höhe des Fahrzeuges in eine in Längsrichtung des Fahrzeuges verlaufende Entfernungskomponente gewandelt. Das Verhältnis von Fahrzeuglängsbeschleunigung zur Erdbeschleunigung entspricht dem Anteil der Beschleunigung des Fahrzeuges, die sich in Richtung der Längsbewegung des Fahrzeugschwerpunktes auswirkt.
Um aus dem ermittelten Schätzwerten ein für weitere Anwendungen verlässliche geschätzte Schwerpunktlage des Fahrzeuges zu ermitteln, der keine Extremwerte aufweist und dessen Verlauf vergleichsweise geglättet ist, werden eine Anzahl von Schätzwerten zweckmäßigerweise gefiltert. Dadurch kann ein kontinuierliches Signal gewonnen werden, das keine weit auseinanderliegenden Messwerte aufweist. Gemessene Extremwerte des Fahrzeugschwerpunktes können so herausgefiltert werden. Für eine derartige Filterung sind verschieden Berechnungsverfahren wie beispielsweise eine Durchschnittsbildung oder eine anders strukturierte Glättung der Messwerte denkbar.
Für eine einfache und gute Glättung der Schätzwerte zur Ermittlung der Schwerpunktslage wird vorteilhafterweise ein gleitender Durchschnitt aus einer Anzahl von Schätzwerten berechnet. Dieser gleitende Durchschnitt kann dabei auch ein Mittelwert der ermittelten Schätzwerte sein.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die zur Ermittlung der Schwerpunktlage das Fahrzeuges benötigten Werte einerseits bekannt sind und alle anderen Werte mit Hilfe der im Fahrzeug enthaltenen Systeme, wie insbesondere der Sicherheitssysteme wie ABS, messbar sind. Aus diesen Werten lässt sich mit der beschriebenen Berechnungsvorschrift eine Abschätzung für die Schwerpunktlage in Längsrichtung des Fahrzeuges berechnen. Das beschriebene Berechnungsverfahren stellt daher eine sehr einfache Methode dar, um einen Schätzwert für die Lage des Fahrzeugschwerpunktes in Längsrichtung zu berechnen. Außerdem können die veränderlichen Werte wie die Längsbeschleunigung des Fahrzeuges oder die Längskraft der Räder sehr schnell und mit einer hohen zeitlichen Frequenz aufgenommen werden, so dass dies auch eine hohe Dynamik bei der Ermittlung der Schwerpunktlage ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand zweier Graphen näher erläutert. Darin zeigen:
1: den Bremsvorgang eines Fahrzeuges, wobei die Geschwindigkeit des Fahrzeuges und die Geschwindigkeit eines Rades des Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt sind und
2: den Bremsvorgang eines Fahrzeuges, wobei der Schwerpunkt des Kraftfahrzeuges, ein Schätzwert für die Schwerpunktlage und der erwartete Schätzwert der Schwerpunktlage jeweils in Längsrichtung des Fahrzeuges in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt sind.
Der unten angefügten Bezugszeichenliste sind die Erklärungen zu den Formeln zu entnehmen.
In 1 ist der Bremsvorgang eines Kraftfahrzeuges aus einer Geschwindigkeit von 100 km/h dargestellt, wobei die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges und die Geschwindigkeit eines Rades des Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit der Zeit dargestellt sind. Um beim Abbremsen ein Blockieren der Räder zu verhindern, ist das Kraftfahrzeug mit einem Anti-Blockier-System (ABS) ausgestattet. Die Wirkungsweise des ABS lässt sich aus 1 entnehmen. So lässt sich erkennen, dass die Geschwindigkeit des Rades durch Abbremsen verringert wird, bis es fast blockiert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Bremse gelöst, so dass das Rad wieder beschleunigt. Daraufhin wird die Bremse wieder gesetzt, so dass sich die Geschwindigkeit erneut verringert. Dadurch entsteht der wellenförmige insgesamt abnehmende Geschwindigkeitsverlauf des Rades. Die Geschwindigkeit des Fahrzeuges nimmt dagegen, wie ebenfalls aus der 1 zu erkennen ist, annähernd linear ab. Außerdem ist die Abbremszeit vergleichsweise gering, weil ein Blockieren der Räder durch das ABS verhindert wird. Gleichzeitig ergeben sich dabei weitere Vorteile, da das Fahrzeug dadurch, dass die Räder nicht blockieren, beispielsweise lenkbar bleibt.
Für das ABS und andere Sicherheitssysteme des Kraftfahrzeuges ist eine Kenntnis der Schwerpunktlage in Längsrichtung des Fahrzeuges von Vorteil, da dieser Wert als Parameter in Sicherheitssysteme wie des ABS eingehen. Deshalb wird diese Lage über einen Schätzwert im Kraftfahrzeug ermittelt.
Grundsätzlich kann die Lage des Fahrzeugschwerpunktes über die Aufstandskräfte ermittelt werden. Für das Rad vorne links lässt sich diese Aufstandskraft zu
näherungsweise berechnen.
Für die anderen Räder gelten die entsprechenden Berechnungsvorschriften:
Der Quotient aus der Aufstandskraft der Vorderräder und Hinterräder beträgt bei Beachtung obiger Gleichungen:
Um die Aufstandskräfte durch Größen ersetzten zu können, die messbar sind, wird eine Analogie zwischen den Aufstandskräften und den Längskräften der Räder gebildet. Diese berechnet sich zu
Bei einer angenommenen Abbremsung mit einem Anti-Blockier-System kann näherungsweise angenommen werden, dass die sich ergebenden Reibwerte für alle Räder identisch sind. Daraus folgt:
Fügt man die letzteren beiden Gleichungen zusammen folgt daraus
Wenn man nun I_H und 1/I_V mit dem Radabstand I_ges und x ersetzt ergibt sich für die Schwerpunktlage in x Richtung des Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit vom Abtastzeitpunkt k:
Aus 2 lässt sich der Verlauf dieses Schätzwertes x im Verlauf der ABS-Abbremsung erkennen. Um diesen Verlauf entsprechend zu glätten, wird der Mittelwert dieser Werte gebildet. Wie sich ebenfalls aus 2 erkennen lässt, entspricht dieser Mittelwert x_KFZ,est, der die erwartete Lage des Schwerpunktes darstellt, vergleichsweise gut der tatsächlichen Position des Schwerpunktes in x-Richtung x_KFZ.

F: Kraft am Rad
I_V: Entfernung Vorderachse zu Fahrzeug-Schwerpunkt
I_H: Entfernung Hinterachse zu Fahrzeug-Schwerpunkt
I_ges: Radabstand,
a: Längsbeschleunigung des Fahrzeugs
b: Spurbreite
g: Erdbeschleunigung,
h: Höhe des Schwerpunktes des Fahrzeugs
k: Abtastzeitpunkt
x ^(k): Schätzwert für die Schwerpunktlage in
: Längsrichtung des Kraftfahrzeuges
x_KFZ,est: erwartete Lage des Schwerpunktes in Längsrichtung
: des Kraftfahrzeuges
x_KFZ: Lage des Schwerpunktes in Längsrichtung des
: Kraftfahrzeuges
x: längs zum Fahrzeuges
y: quer zum Fahrzeuges
z: senkrecht zum Fahrzeug
α_Str, α_Fahr: Steigungswinkel der Fahrbahn
μ: Kraftschlussbeiwert
HL: hinten links
HR: hinten rechts
VL: vorne links
VR: vorne rechts

Claims

Verfahren zur näherungsweisen Ermittlung der Schwerpunktlage eines Fahrzeuges, insbesondere zur Verwendung in einem Anti-Blockier-System des Fahrzeuges, bei dem aus den Längskräften der Räder (F_x), dem Steigungswinkel der Straße (α), der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs (a_x) und dem Radabstand (I_ges) ein Schätzwert für den Schwerpunkt in Längsrichtung des Fahrzeuges (x ^(k)) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schätzwert (x ^(k)) aus der Summe des halben Radabstandes (I_ges) multipliziert mit einem längskraftabhängigen Koeffizienten der Räder und der von der Längsbeschleunigung (a_x) und dem Steigungswinkel der Strasse (α) abhängigen Höhe des Fahrzeugschwerpunktes (h) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der längskraftabhängige Koeffizient aus dem Quotient der Differenz der Längskraft der vorderen und hinteren Rädern und der Summe der Längskraft aller Räder ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Höhe des Fahrzeugschwerpunktes (h) mit dem Quotient der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs (a_x) und der Erdbeschleunigung (g) und mit dem Kehrwert des cosinus des Straßensteigungswinkel (α) multipliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schätzwert (x ^(k)) zum Abtastzeitpunkt (k) aus Anspruch 2 nach folgender Vorschrift berechnet wird:
F die Längskraft am Rad, I_ges den Radabstand, adie Beschleunigung des Fahrzeugs, gdie Erdbeschleunigung, α_Str den Straßensteigungswinkel, hdie Höhe des Schwerpunktes des Fahrzeugs, k den Abtastzeitpunkt und x ^ einen Schätzwert der Schwerpunktslage des Kraftfahrzeuges darstellt und die Indices HL hinten links, HR hinten rechts, VL vorne links, VR vorne rechts und xlängs des Fahrzeugs repräsentieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der oder jeder Schätzwert (x ^(k)) gefiltert wird/werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die geschätzte Schwerpunktlage des Fahrzeuges in Längsrich tung (x_KFZ,est) aus dem gleitenden Durchschnitt einer Anzahl von Schätzwerten (x ^(k)) berechnet wird.