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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung oder Steuerung zumindest einer Fahrzustandsgröße eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In „ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 96", 1994, Seiten 674 bis 689 wird ein Fahrdynamik-Regelungsverfahren für Kraftfahrzeuge beschrieben, welches sowohl die Fahrzeuglängsdynamik als auch die Querdynamik berücksichtigt, um die Fahrstabilität auch in Grenzbereichen gewährleisten zu können. Zur Beeinflussung der Querdynamik wird eine Giergeschwindigkeitsregelung durchgeführt, bei der ausgehend vom Fahrerwunsch, insbesondere dem Lenkwinkel, eine Sollgiergeschwindigkeit ermittelt wird, die mit der gemessenen Gierrate verglichen und der Regelung zugrunde gelegt wird. Der Gierratenregler stellt hierbei das für die Fahrzeugquerführung erforderliche Giermoment bereit, das mithilfe der Aktuatoren im Fahrzeug, insbesondere durch gezielte Bremseingriffe an einzelnen Rädern im Fahrzeug, umgesetzt wird.
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Auch der aktuelle Fahrzustand fließt in die Berechnung der Sollwerte ein, indem aktuelle Fahrzeugbewegungsgrößen, beispielsweise die Querbeschleunigung, für die Sollwertbildung verwendet werden. Dadurch bildet die Sollwertgenerierung eine zusätzliche geschlossene Regelungsschleife, die nicht mehr von der eigentlichen Regelung getrennt ist. Dieser Ansatz führt zu einem erhöhten Applikationsaufwand, weil die Anzahl der Einstellparameter sehr hoch ist und eine Vielzahl komplexer Wechselwirkungen in den Bestandteilen des Reglers auftreten.
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Die gattungsbildende
DE 198 59 966 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Fahrzeuges. Zu diesem Zweck enthält die Vorrichtung erste Ermittlungsmittel, mit denen wenigstens zwei Fahrzeugbewegungsgrößen, die die Fahrzeugbewegung, insbesondere in Fahrzeugquerrichtung, beschreiben, ermittelt werden. Ferner enthält die Vorrichtung zweite Ermittlungsmittel, mit denen für jede der Fahrzeugbewegungsgrößen eine charakteristische Größe ermittelt wird. Dabei enthalten die zweiten Ermittlungsmittel Anpassungsmittel, mit denen die zeitlichen Verläufe der charakteristischen Größen an das Fahrzeugverhalten angepaßt werden. Außerdem enthält die Vorrichtung Reglermittel, mit denen wenigstens in Abhängigkeit der Fahrzeugbewegungsgrößen und der charakteristischen Größen Eingriffsgrößen ermittelt werden, die Aktuatormitteln zur Durchführung von wenigstens Bremseneingriffen und/oder Motoreingriffen, mit denen das Fahrzeug stabilisiert wird, zugeführt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sollwerte für die Regelung oder Steuerung einer Fahrzustandsgröße in einem Fahrzeug in einfacher Weise und mit geringem Aufwand zu berechnen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung oder Steuerung zumindest einer Fahrzustandsgröße eines Fahrzeugs wird ein Sollwert ermittelt, der sich aus einem stationären Sollwertanteil und einem dynamischen Sollwertanteil zusammensetzt. Der stationäre Sollwertanteil wird in einem stationären mathematischen Fahrzeugmodell und der dynamische Sollwertanteil in einem dynamischen mathematischen Fahrzeugmodell ermittelt. Auf diese Weise kann die Sollwertvorgabe getrennt von der Regelung bzw. der Steuerung durchgeführt werden, wodurch der Applikationsaufwand für die Durchführung der Sollwertermittlung erheblich reduziert wird. Wechselwirkungen mit der eigentlichen Regelung bzw. Steuerung werden vermieden, ebenso wird die Anzahl der einzustellenden Parameter verringert.
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In dem mathematischen Ersatz- bzw. Fahrzeugmodell, das der Sollwertbildung zugrunde gelegt wird, werden stationäre bzw. dynamische Anteile des Sollwertes ermittelt, wobei in dem dynamischen Fahrzeugmodell auch eine Rückführung des dynamischen Sollwertanteils durchgeführt wird, indem der dynamische mit dem stationären Sollwertanteil verglichen und aus der Abweichung eine Eingangsgröße für das dynamische Fahrzeugmodell ermittelt wird. Diese Rückführung weist zusätzliche Vorteile auf, da bereits in der Sollwertbildung über nur wenige Parameter Einfluss auf die Agilität und die Dämpfung genommen werden kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Sollwerte für alle bewegungsrelevanten Systemgrößen ermittelt werden. Hierbei ist eine dynamische Konsistenz der Sollgrößen gewährleistet, und zwar für alle Fahrmanöver und alle Fahrsituationen. Im Vergleich zu Ausführungen aus dem Stand der Technik ist der Applikationsaufwand verringert, da aufgrund der getrennten Sollwertvorgabe keine Vermischung mit der Regelung bzw. Steuerung stattfindet. Die Sollwertberechnung erfolgt unabhängig von der anschließend durchzuführenden Regelung bzw. Steuerung.
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Als Fahrerwunschgröße, die der Ermittlung des Sollwerts zugrunde gelegt wird, kommt beispielsweise der Lenkwinkel, die Bremspedalstellung, die Gaspedalstellung und/oder die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit in Betracht. Ausgehend von diesen vom Fahrer vorzugebenden Größen, die sowohl dem stationären als auch dem dynamischen Fahrzeugmodell zugeführt werden, werden entsprechende Sollwertanteile gebildet, die in einem weiteren Verfahrensschritt zu dynamischen und stationären Sollwertanteilen verarbeitet werden, die zu der endgültigen Sollwertgröße zusammengesetzt werden. Unter Berücksichtigung des dynamischen Sollwertanteils erfolgt dies in der Weise, dass die Fahrerwunschgröße zunächst sowohl dem stationären als auch dem dynamischen Fahrzeugmodell zugeführt wird, wo jeweils ein entsprechender Sollwertanteil ermittelt wird. Der dynamische Sollwertanteil wird in einer Rückführung mit dem zuvor ermittelten stationären Sollwertanteil verglichen, wobei die Abweichung als Regelabweichung einem Regler zugeführt wird, in welchem ein Regelausgang berechnet wird, die wiederum dem dynamischen Fahrzeugmodell zugeführt wird. Auf diese Weise wird die Stabilität des Fahrzeugs bereits bei der Berechnung des Sollwertes berücksichtigt.
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Das Verfahren kann sowohl bei Regelungen als auch bei Steuerungen von Fahrzustandsgrößen in Fahrzeugen eingesetzt werden. Es kann sowohl die Fahrzeugquerdynamik als auch die Fahrlängsdynamik in dem Verfahren zur Steuerung oder Regelung betrachtet werden als auch eine Kombination von Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquerdynamik.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild mit der Darstellung der Sollwertermittlung unter Berücksichtigung von stationären und dynamischen Sollwertanteilen,
- 2 Kurvenverläufe für die Querbeschleunigung, die Gierrate und den Schwimmwinkel, jeweils dargestellt für ein lineares und ein erweitertes stationäres Modell,
- 3 Kurvenverläufe für die Querbeschleunigung, die Gierrate und den Schwimmwinkel als Funktion eines vorgegebenen Lenkwinkelverlaufs (oberes Schaubild), jeweils dargestellt für ein erweitertes stationäres Modell, für ein dynamisches Modell und für ein erweitertes dynamisches Modell,
- 4 Kurvenverläufe für die Querbeschleunigung, die Gierrate und den Schwimmwinkel, jeweils als Reaktion auf einen vorgegebenen Lenkwinkelverlauf (oberes Schaubild), dargestellt für ein erweitertes stationäres Modell, für ein dynamisches lineares Modell und für ein dynamisches Modell mit Rückführung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Folgende Symbole werden in der nachfolgenden Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet:
- Einschlag der vorderen Räder δF ,
- Fahrzeugmasse m,
- Fahrzeugträgheitsmoment um die Hochachse J,
- Fahrzeuglängsgeschwindigkeit νx ,
- Fahrzeugquergeschwindigkeit νy ,
- Schwimmwinkel β,
- Fahrzeugquerbeschleunigung αy ,
- Fahrzeuggiergeschwindigkeit ψ̇,
- Querkraft an der Vorderachse FF ,
- Normalkraft an der Vorderachse FzF ,
- Querkraft an der Hinterachse FR ,
- Normalkraft an der Vorderachse FzR ,
- Schräglaufwinkel der vorderen Räder αF ,
- Schräglaufwinkel der hinteren Räder αR ,
- Steifigkeit der Vorderachse cF ,
- Steifigkeit der Hinterachse cR ,
- Abstand zwischen der Vorderachse und dem Fahrzeugschwerpunkt lF ,
- Abstand zwischen der Hinterachse und dem Fahrzeugschwerpunkt lR ,
- Moment um die Hochachse Mz .
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel an Hand des in 1 dargestellten Blockdiagramms erläutert.
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Der in 1 mit gestrichelter Linie eingerahmte Teil, der die Blöcke 2, 3 und 4 umfasst, stellt die eigentliche Sollwertberechnung unter Berücksichtigung eines stationären und eines dynamischen Anteiles dar, wobei die ermittelten Sollgrößen der Fahrzeugbewegung einer nachfolgenden Steuerung bzw. Regelung zur gewünschten Einstellung des Fahrzeuges zugeführt werden. In dieser Ausführung ist die Sollwertbildung unabhängig und klar getrennt von der Steuerung bzw. Regelung.
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Die Sollwertbildung erfolgt modellbasiert, indem ein Fahrerwunsch, beispielsweise der Lenkwinkel, der Pedalweg des Brems- und/oder des Beschleunigungspedals, der aktuell eingelegte Gang oder sonstige vom Fahrer zu beeinflussende Größen dem Sollwertblock als Eingangsgrößen zugeführt werden, und zwar sowohl dem Block 2 mit dem stationären, mathematischen Fahrzeugmodell als auch dem Block 3 mit dem dynamischen, mathematischen Fahrzeugmodell. Sowohl im Block 2 als auch im Block 3 werden entsprechende stationäre bzw. dynamische Sollwertanteile ermittelt, wobei der dynamische Anteil des Sollwertes von dem stationären Anteil subtrahiert wird. Die hierdurch gewonnene Regelabweichung wird einem Regler 4 zugeführt, der beispielhaft als PID-Regler ausgeführt ist, wobei die berechnete Regelgröße als Eingangsgröße wieder dem dynamischen Fahrzeugmodell 3 zugeführt wird. Auf diese Weise wird der dynamische Sollwertanteil in einem geschlossenen Regelkreis ermittelt und mit Hilfe des stationäres Modells stabilisiert. Der endgültige Sollwert beinhaltet sowohl stationäre als auch dynamische Anteile und wird der nachfolgenden Steuerung bzw. Regelung zugeführt. Durch die Auswahl der Reglerparameter kann die Sollwertgenerierung gezielt eingestellt werden.
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Nach dem Stand der Technik wird für die Sollwertgenerierung des Fahrzeugstabilitätsreglers ein quasistatisches, lineares Referenzmodell verwendet. Als Ausgangspunkt dient beispielhaft ein lineares Einspurmodell:
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Dabei wird das Differentialgleichungssystems (
1) nach den Ruhelagen aufgelöst und führt zu
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Die Gleichung (2) entspricht der Ackermann-Gleichung und wird für die Sollwertberechnung verwendet.
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Berücksichtigt man, dass bei einer stationären Kurvenfahrt die Ableitung der Quergeschwindigkeit ν̇
y gleich Null ist, so ist die Querbeschleunigung
αy durch
definiert.
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Die Sollwerte für die Bewegungsgrößen ψ̇,
νy ,
αy können somit direkt aus dem Lenkwunsch des Fahrers δ
F sowie der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
νx unter Verwendung der Gleichungen (2) bis (4) ausgerechnet werden. Üblicherweise wird der Sollwert für die Querbeschleunigung auf die physikalisch maximal mögliche Größe α
y≤µg begrenzt. Damit ergibt sich aus der Gleichung (4) auch eine Begrenzung für die Gierrate:
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Beispielhafte Verläufe der Sollwerte ψ̇,νy ,αy für einen konstanten Lenkwinkel δF und steigende Längsgeschwindigkeit νx sind in 2 mit durchgezogenen Linien dargestellt.
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Die Sollgrößen für die Fahrzeugbewegung allein stationär zu berechnen, hat verschiedene Nachteile. Die Fahrzeugeigendynamik, dass heißt die Unterschiede in der Phasenlage der einzelnen Größen bei einem dynamischen Fahrmanöver, kann nicht berücksichtigt werden. Die Begrenzung der Querbeschleunigung αy kann zwar auf die Gierrate ψ̇ übertragen werden, jedoch bleibt die Vorgabe der Quergeschwindigkeit νy bzw. des Schwimmwinkels β unangetastet. Das führt zu den erhöhten Sollwerten für die Querbewegung.
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Um die physikalische Begrenzungen konsistent einbeziehen zu können, wird ein erweitertes Modell vorgeschlagen. Es beruht ebenfalls auf dem Einspurmodell:
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Dabei wird nach ein lineares Reifenverhalten an der Hinterachse vorausgesetzt:
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Dadurch wird ein im fahrzeugtechnischen Sinne stabiles Verhalten des Referenzmodells gewährleistet.
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Um die Begrenzungen der relevanten kinematischen Größen zu realisieren, wird vorgeschlagen, das lineare Verhalten der Vorderachse um eine Kraftsättigung zu erweitern:
wobei
FzF die Aufstandskraft der Vorderachse und µ der aktuellen Reibwert bedeutet.
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Das Verfahren ist nicht auf die zwei vorgestellten Formen der Funktionen FF (αF ),FR (αR ) eingeschränkt. Es sind auch andere Funktionen denkbar und es können auch detailliertere Modelle eingesetzt werden, dadurch steigt jedoch der Rechenaufwand.
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Das Auflösen der Gleichungen (6) bis (10) nach den Ruhelagen liefert für den linearen Arbeitsbereich
und für den gesättigten Bereich
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Beispielhafte Verläufe der Sollwerte für einen konstanten Lenkwinkel und steigende Längsgeschwindigkeit νx sind in 2 durch gestrichelte Linien dargestellt. Es liegt nahe, dass das erweiterte Modell das gleiche Ergebnisse für die Querbeschleunigung αy sowie für die Gierrate ψ̇ liefert wie das begrenzte lineare Modell. Der Vorteil der Erweiterung ist jedoch, dass jetzt auch der Schwimmwinkel β konsistent zu den anderen Größen αy ,ψ̇ eingeschränkt ist.
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Um die Eigendynamik des Fahrzeugs in die Sollwertgenerierung einzubeziehen wird das dynamische Modell (Gleichungen (6) bis (11)) eingesetzt. In 3 sind die nach unterschiedlichen Konzepten gebildete Sollwerte für ein dynamisches Fahrmanöver dargestellt. Bei diesem Fahrmanöver wird die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit νx konstant gehalten, der Lenkvorgang ist dem Fishhook-Manöver ähnlich.
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Die strichpunktierten Linien entsprechen Berechnungen nach dem erweitertem stationärem Modell (Gleichungen (14), (15)), die gestrichelten Linien stellen die Sollwertvorgaben an Hand dynamisches Modells (Gleichung (1)) dar, und die durchgezogenen Linien zeigen die Ergebnisse des erweiterten dynamischen Modells (Gleichungen (6) bis (11)). Es ist ersichtlich, dass das erweiterte dynamische Modell in der Lage ist, die physikalische Phasenverschiebungen der kinematischen Größen ψ̇,νy ,αy sowie die entsprechende Begrenzungen zu beschreiben. Es weist jedoch in kritischen Fahrbereichen ungenügend gedämpftes Verhalten auf.
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Daher wird vorgeschlagen, für die Sollwertbildung sowohl ein statisches bzw. stationäres als auch ein dynamisches Modell anzusetzen. In
1 ist das Blockschaltbild des Referenzmodells dargestellt. Um die Dämpfung des dynamischen Modells
3 in kritischen Fahrsituationen zu erhöhen, wird eine Rückführung eingesetzt. Dabei wird das Verhalten mit dem stationären Modell
2 abgeglichen und durch den Regler
4 zurückgekoppelt. Beispielhaft kann dies durch die Erweiterung des dynamischen Modells (Gleichungen (6) bis (11)) mit einem zusätzlichen Eingang erfolgen. Das kann zum Beispiel das Giermoment um die Fahrzeughochachse
Mz sein. Die Differentialgleichungen (6), (7) führen in diesem Fall zu
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Als Rückführgröße ist die Gierrate ψ̇ vorstellbar, da sie die höchsten Schwingungen aufweist. Als Regler kann zum Beispiel ein einfacher P-Regler verwendet werden.
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Durch die Veränderung der Reglerparameter kann die Sollwertgenerierung gezielt eingestellt werden. Zum Beispiel kann durch die Verstärkung der Reglerparameter mehr Agilität und stärker gedämpftes Fahrverhalten erreicht werden.
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Der Fahrerwunsch für eine Abbremsung bzw. Beschleunigung kann zum Beispiel aus der Brems- bzw. Gaspedalstellung und der eingelegten Gangstufe abgeleitet werden. Ausgehend von dieser Informationen können die Modellparameter FzR , FzR , cF , cR entsprechend angepasst werden.
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Beispielhafte Verläufe der Sollgrößen ψ̇, νy , αy sind in 4 dargestellt. Die strichpunktierte Linien entsprechen den Berechnungen nach dem erweiterte, stationären Modell (Gleichungen (14), (15)), gestrichelte Linien stellen die Sollwertvorgabe nach dem dynamischen linearen Modell (Gleichung (1)) dar, und durchgezogenen Linien zeigen die Ergebnisse der vorgeschlagenen Methode gemäß dem Blockschaltbild nach 1. Es sind das gut gedämpfte Verhalten, die Phasenlagekonsistenz sowie die glatten Übergänge im Grenzbereich deutlich zu erkennen.
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Das modellbasierte Verfahren eignet sich für die Realisierung beliebiger Fahrdynamik für Kraftfahrzeuge z.B. ESP, Active Front Steering, Active Rear Steering, Active Suspension.