DE102006018978A1 - Verfahren zur Bestimmung des Wankwinkels - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des Wankwinkels für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Vorrichtung zur Bestimmung der Gierrate oder einer damit korrelierten Größe, einer Vorrichtung zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit und ggf. ein vorwärts gerichtetes Kamerasystem vorgestellt. Der Wankwinkel unter Verwendung der Gierrate oder einer damit korrelierten Größe und der spezifischen Wankfedersteifigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Wankwinkels in einem Kraftfahrzeug sowie ein Kamerasystem mit einem solchen Verfahren.
  • Eine Bestimmung des Wankwinkels ist insbesondere für die Beurteilung und Steuerung der dynamischen Eigenschaften von Kraftfahrzeugen von Bedeutung. Zudem finden Fahrerassistenzsysteme, die z.B. die Fahrspur eines Fahrzeugs prädizieren und Objekte auf oder neben der Fahrspur identifizieren immer größere Verbreitung. Solche Kraftfahrzeuge sind mit zumindest einem Sensor zur Umfeldüberwachung ausgestattet. I. d. R. handelt es sich dabei um Kamera- und/oder Lidar- bzw. Radarsysteme. Die Sensoren werden vor der Auslieferung des Fahrzeugs justiert und nehmen eine bestimmte, vorgegebene Blickrichtung ein. Ist nun der Wankwinkel des Fahrzeugs z.B. während einer Kurvenfahrt ungleich Null, so entspricht auch die Blickrichtung des Sensorsystems auf die Fahrzeugumgebung nicht mehr der ursprünglich eingestellten Blickrichtung. Die Fahrspur wird in diesem Fall fehlerhaft prädiziert und einem erfassten Umgebungsobjekt wird insbesondere im Fernfeld (Abstand zum Fahrzeug >70 m) eine fehlerbehaftete Position zugeordnet. Bei Fahrzeugen mit einer Luftfeder ist eine Abschätzung des Wankwinkel anhand der Luftfedersensoren unter Einbeziehung der Fahrzeugbreite möglich. Bei Fahrzeugen mit Stahlfeder ist dies jedoch nicht ohne weiteres möglich.
  • Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung den Wankwinkel in einem Kraftfahrzeug zu bestimmen.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des Wankwinkels für ein Kraftfahrzeug angegeben. Das Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gierrate oder einer damit korrelierten Größe, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit und ggf. ein vorwärts gerichtetes Kamerasystem. Der Wankwinkel wird mit Hilfe der Gierrate oder einer damit korrelierten Größe und der spezifische Wankfedersteifigkeit des Fahrzeugs bestimmt. Die spezifische Wankfedersteifigkeit ist eine Eigenschaft des Fahrzeugs, die für jeden Fahrzeugtyp ermittelt wird, der mit Stahlfedern ausgestattet ist. Alternativ kann natürlich auch ein Mittelwert für mehrere Fahrzeugtypen angegeben werden.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine der Gierrate korrelierten Größe die Querbeschleunigung oder der Lenkwinkel. Diese Daten werden z.B. von einem ESP-Steuergerät zur Verfügung gestellt.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Fahrzeug modellhaft als ein Massepunkt (m) mit einer Höhe (h) angenommen, wobei der angenommene Massepunkt um einen Winkel (ϕ) direkt proportional zur angreifenden Kraft ausgelenkt wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als angreifende Kraft die Zentripetalkraft angenommen, die bei einer Kurvenfahrt wirkt. Dabei wird die Zentripetalkraft aus der Gierrate oder einer korrelierten Größe berechnet.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gilt
    Figure 00020001
    wobei ϕ der Wankwinkel, m die Aufbaumasse des Fahrzeugs, h der Abstand zwischen Aufbauschwerpunkt und Drehpunkt, νx die Geschwindigkeit in Längsrichtung, ωz die Gierrate des Fahrzeugs und C proportional oder gleich der Wankfedersteifigkeit des Fahrzeugs ist. Eine weitere Relation zur Bestimmung des Wankwinkels wird mit
    Figure 00030001
    angegeben. Dabei ist ϕ der Wankwinkel, m die Aufbaumasse des Fahrzeugs, h der Abstand zwischen Aufbauschwerpunkt und Drehpunkt, αy die Querbeschleunigung des Fahrzeugs und C proportional oder gleich der Wankfedersteifigkeit des Fahrzeugs ist.
  • Alternativ kann der Wankwinkel durch
    Figure 00030002
    ausgedrückt werden, wobei ϕ der Wankwinkel, m die Aufbaumasse des Fahrzeugs, h der Abstand zwischen Aufbauschwerpunkt und Drehpunkt, νx die Geschwindigkeit in x-Richtung, αLW der Lenkwinkel des Fahrzeugs und C proportional oder gleich der Wankfedersteifigkeit des Fahrzeugs ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wankwinkel nach zwei verschiedenen Ansätzen bestimmt wird, und die Resultate miteinander verglichen werden. Erweist sich eine der Methoden als besonders geeignet für eine Fahrsituation, so werden die Resultate dieser Methode verwendet, wenn eben diese Fahrsituation auftritt.
  • Da die Genauigkeit des ermittelten Wankwinkels von der Genauigkeit der zur Bestimmung herangezogenen Gierrate des Fahrzeugs abhängig ist, wird auch ein Verfahren zur Kalibrierung einer Gierratenmessung in einem Kraftfahrzeug vorgestellt. Das Verfahren wird während des Fahrzeugbetriebs ausgeführt. Das Kraftfahrzeug weist zumindest eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gierrate, einen Lenkwinkelsensor und eine vorwärts gerichtetes Kamerasystem auf, das die Fahrzeugumgebung in Fahrtrichtung erfasst. Zur Erfassung der Gierrate mit einer hohen Genauigkeit, wird zumindest eine erste Kalibrierung der gemessenen Gierrate im Stillstand und zumindest eine zweite Kalibrierung während der Fahrt durchgeführt.
  • Die Stillstandserkennung des Fahrzeugs kann z.B. anhand einer Geschwindigkeitsmessung erfolgen. Alternativ können auch die Stellung der Handbremse (aktiviert oder nicht), die Stellung des Schalthebels (Gang eingelegt oder nicht), die Raddrehzahl u.s.w. als Indikator dienen. Die Indikatoren können auch beliebig miteinander verknüpft werden. Z.B. wird ein Stillstand des Fahrzeugs angenommen, wenn kein Gang eingelegt und die Handbremse aktiviert ist. Verändert sich die Gierrate stark innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls, so wird angenommen, dass sich das Fahrzeug bewegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden bei einer Kalibrierung während der Fahrt die Bilddaten zumindest eines Bildaufnehmers verwendet, wobei der Bildaufnehmer die Umgebung vor dem Kraftfahrzeug erfasst und eine Fahrspur prädiziert. Aus dem Verlauf der Fahrspur wird eine Geradeausfahrt oder Kurvenfahrt des Fahrzeugs abgeschätzt und daraus die Gierrate des Fahrzeuges abgeleitet.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird für eine Kalibrierung während der Fahrt der Lenkwinkel herangezogen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn eine Abschätzung der Gierrate aus einem Kamerabild nicht erfolgreich ist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird bei Stillstand des Fahrzeugs eine Mittelung der Gierratenwerte über einen bestimmten Zeitraum vorgenommen wird, und der gemittelte Wert als Korrekturwert in die zukünftigen Messungen einfließt. Bei der Mittelung werden der erste und der letzte Wert und Werte die eine große Abweichung zu den benachbarten Messwerten aufweisen nicht berücksichtigt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Ausgabewert der Gierrate in mehreren Schritten kompensiert wird. Eine Zuschaltung des Korrekturwerts in kleinen Schritten innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Korrekturwert einen vorgegebenen Wert überschreitet.
  • Ebenso ist stattdessen eine kontinuierliche Korrektur der Ausgabewerte in einem vorgegebenen Zeitintervall möglich um eine temperaturabhängige Drift des Gierratensignals zu kompensieren.
  • Erfindungsgemäß wird ein Sensor zur Umgebungserfassung in einem Kraftfahrzeug mit einem in einer Auswerteeinheit hinterlegten Verfahren zur Bestimmung des Wankwinkels wie zuvor beschrieben angegeben. Bei der Auswertung der Sensordaten wird der ermittelte Wankwinkel berücksichtigt. Ist der Wankwinkel des Fahrzeugs z.B. während einer Kurvenfahrt ungleich Null, so entspricht auch die Blickrichtung des Sensorsystems auf die Fahrzeugumgebung nicht mehr der ursprünglich eingestellten Blickrichtung. Die Fahrspur würde in diesem Fall fehlerhaft prädiziert und einem erfassten Umgebungsobjekt würde insbesondere im Fernfeld (Abstand zum Fahrzeug >70 m) eine fehlerbehaftete Position zugeordnet. Mit der Kenntnis des Wankwinkels können die Sensordaten korrigiert werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor ein Kamerasystem.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert.
  • 1: Modell eines Kraftfahrzeugs in Kurvenfahrt
  • 2: Schematische Darstellung eines Verfahrens zur Kalibrierung des Gierratensensors.
  • In 1 ist ein Modell eines Kraftfahrzeugs in Kurvenfahrt dargestellt. Die Aufbaumasse des Fahrzeugs ist modellhaft als eine Masse m dargestellt. Die Masse m ist starr mit einer Vorrichtung 1 verbunden. Die Vorrichtung 1 ist über zwei Federn 3, 4 mit einer Vorrichtung 2 verbunden, die die Achsen und Räder des Fahrzeugs repräsentiert. Wirken keine äußeren Kräfte ein, ist die Masse m in Ruhelage und der Wankwinkel ϕ ist gleich Null. Greift nun die Masse m eine horizontal wirkende Kraft F an, wie es z.B. bei einer Kurvenfahrt der Fall ist, wird die Masse m und damit die Vorrichtung 1 ausgelenkt. Vorrichtung 2 bleibt ortsfest, bzw. die Räder eines Kraftfahrzeugs behalten die Bodenhaftung. Die Federn 3, 4 werden gestreckt bzw. gestaucht und erzeugen ein rückstellendes Moment MF auf die Masse m. Das rückstellende Moment MF ist proportional zum Wankwinkel ϕ. Der Proportionalitätsfaktor wird als Wankfedersteifigkeit C bezeichnet. Die Summe der Drehmomente, die auf die Masse m wirken, ergibt im Gleichgewichtsfall Null. Das Drehmoment der angreifenden Kraft beträgt MZ = F*h. Mit h ist der Abstand zwischen Aufbauschwerpunkt und Drehpunkt des Fahrzeugs bezeichnet. Die auf die Masse m einwirkenden Drehmomente werden also durch die Relation FZ h – MF = 0 wiedergegeben.
  • Im Fall einer Kurvenfahrt lässt sich die angreifende Kraft mit der Relation FZ = mv2/r beschreiben, wobei v die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und r den Kurvenradius angibt. Damit ergibt sich für den Wankwinkel ϕ die Relation
    Figure 00060001
    Der Kurvenradius r kann durch die Gierrate ωz und die Fahrzeuggeschwindigkeit vx ersetzt werden r = v/ω, so dass der Wankwinkel nunmehr mit der Kenntnis der Fahrzeugeigenschaften der Geschwindigkeit in Längsrichtung vx und der Gierrate ωz berechnet werden kann
    Figure 00060002
    Eine Berechnung des Wankwinkels
    Figure 00060003
    in Abhängig von der Querbeschleunigung ay des Fahrzeugs ist mit der Relation ay=vωz gegeben Die Genauigkeit der Bestimmung des Wankwinkels hängt in einem hohen Maß von der Genauigkeit der Gierrate bzw. der Querbeschleunigung ab. Es wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gegeben, das ein Verfahren zur Kalibrierung des Gierratensensors während der Fahrt vorstellt. In 2 ist das Verfahren schematisch dargestellt. Nach dem Start des Verfahrens wird zunächst der Bewegungszustand des Fahrzeugs geprüft. Befindet es sich im Stillstand, so wird die dafür vorgesehene Stillstandskalibrierung durchgeführt. Ergibt sich dabei ein Korrekturwert, so wird der Ausgabewert der Gierrate in der Kompensationsstufe entsprechend angepasst. Befindet sich das Fahrzeug nicht im Stillstand wird eine Onlinekalibrierung durchgeführt. Dazu werden die Bilddaten zumindest eines Bildaufnehmers verwendet. Der Bildaufnehmer erfasst die Umgebung vor dem Kraftfahrzeug und aus dem Verlauf der Fahrspur wird eine Geradeausfahrt oder Kurvenfahrt des Fahrzeugs und damit die Gierrate abgeschätzt. Z.B. wird eine Geradeausfahrt erkannt, wenn das Fahrzeug eine vorgegebene Geschwindigkeit überschreitet. Diese Geschwindigkeit liegt in diesem Beispiel zwischen 80 und 100 km/h. Ein weiterer Indikator für eine Geradeausfahrt ist, wenn die Krümmung der prädizierte Fahrspur einen vorgegebenen Radius überschreitet. Ein solcher vorgegebener Radius beträgt in diesem Beispiel 2000 m. Anhand der genannten Indikatoren Fahrzeuggeschwindigkeit, Krümmungsradius der Fahrspur wird abgeleitet, ob das Fahrzeug aktuell eine Geradeausfahrt ausführt. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass in weiteren Ausführungsbeispielen andere Indikatoren, wie z.B. die Querbeschleunigung und/oder Lenkwinkel, und andere vorgegebene Grenzwerte angegeben werden können. Eine Kalibrierung wird durchgeführt, wenn eine Geradeausfahrt festgestellt wurde. Dazu wird innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls, das i. d. R. eine oder wenige Minuten beträgt, die Gierrate aufgenommen, gemittelt und es wird ein Korrekturwert bestimmt. Ist der Krümmungsradius der Fahrspur z.B. aufgrund schlechter Witterungsverhältnisse oder schlechter Fahrbahnmarkierungen nicht möglich wird nur die Stillstandkalibrierung verwendet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in diesem Fall der Lenkwinkel und/oder die Querbeschleunigung zur Onlinekalibrierung verwendet. Der Ausgabewert der Gierrate wird in mehreren Schritten kompensiert, so dass erst nach einem vorgegebenen Zeitintervall von wenigen Sekunden bis Minuten der Ausgabewert vollständig korrigiert ist.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Bestimmung des Wankwinkels für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Vorrichtung zur Bestimmung der Gierrate oder einer damit korrelierten Größe, einer Vorrichtung zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit dadurch gekennzeichnet, dass der Wankwinkel unter Verwendung der Gierrate oder einer damit korrelierten Größe und der spezifischen Wankfedersteifigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Gierrate korrelierten Größe entweder die Querbeschleunigung oder der Lenkwinkel ist.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug modellhaft als ein Massepunkt (m) mit einer Höhe (h) über den Fahrzeugachsen angenommen wird und der angenommene Massepunkt (m) um einen Winkel (ϕ) direkt proportional zur angreifenden Kraft ausgelenkt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als angreifende Kraft die Zentripetalkraft bei einer Kurvenfahrt wirkt, wobei die Zentripetalkraft aus der Gierrate oder einer korrelierten Größe berechnet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    Figure 00090001
    gilt, wobei ϕ der Wankwinkel, m die Masse des Fahrzeugs, h die Höhe des Massepunkts, νx die Geschwindigkeit in x-Richtung, ωz die Gierrate des Fahrzeugs und C die Wanksteifigkeit des Fahrzeugs ist.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    Figure 00090002
    gilt, wobei ν der Wankwinkel, m die Masse des Fahrzeugs, h die Höhe des Massepunkts, αy die Querbeschleunigung des Fahrzeugs und C die Wanksteifigkeit des Fahrzeugs ist.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    Figure 00090003
    gilt, wobei ϕ der Wankwinkel, m die Masse des Fahrzeugs, h die Höhe des Massepunkts, νx die Geschwindigkeit in x-Richtung, αLW der Lenkwinkel des Fahrzeugs und C die Wanksteifigkeit des Fahrzeugs ist.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren zur Kalibrierung der Gierratenmessung vorgesehen ist, wobei eine erste Kalibrierung im Stillstand und eine zweite Kalibrierung während der Fahrt erfolgt,
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug ein nach vorn gerichtetes Kamerasystem umfasst und bei einer Kalibrierung der Gierrate während der Fahrt die Bilddaten des Kamerasystems verwendet werden, wobei das Kamerasystem die Umgebung vor dem Kraftfahrzeug erfasst und aus dem Verlauf der Fahrspur (Geradeausfahrt, Kurvenfahrt) die Gierrate abgeschätzt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Kalibrierung der Gierrate während der Fahrt der Lenkwinkel herangezogen wird, insbesondere wenn eine Abschätzung der Gierrate aus einem Kamerabild nicht erfolgreich ist.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Stillstand des Fahrzeugs eine Mittelung der Gierratenwerte über einen bestimmten Zeitraum vorgenommen wird, und der gemittelte Wert als Korrekturwert der Gierrate berücksichtigt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgabewert der Gierrate in mehreren Schritten kompensiert wird, wenn ein Korrekturwert ermittelt wurde.
  13. Sensor zur Umgebungserfassung in einem Kraftfahrzeug mit einem in einer Auswerteeinheit hinterlegten Verfahren zur Bestimmung des Wankwinkels nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei der Auswertung der aufgenommenen Bilddaten der ermittelte Wankwinkel berücksichtigt wird.
  14. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Kamerasystem ist.
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