DE102007034143B4 - A method for determining a model yaw rate and / or a model lateral acceleration and a model steering angle - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Bestimmen einer Modell-Gierrate und/oder einer Modell-Querbeschleunigung als sog. Modell-Größe in einem Beobachtermodell für ein Fahrdynamik-Regelsystem eines Kraftfahrzeugs mit einem Lenksystem, wobei eine messtechnisch ermittelte Lenk-Größe (Gierrate, aY) und die Fahrgeschwindigkeit (Vx) des Fahrzeugs der Bestimmung zugrunde gelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das am Lenksystem anliegende und messbare Handmoment (HM) des Fahrers zur Bestimmung der Modell-Größe herangezogen wird, indem aus zumindest einem dreidimensionalen Kennfeld (Lookup Table (2-D)) über den in diesem in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit (Vx) abgelegten Zusammenhang zwischen dem Handmoment (HM) und der Gierrate oder zwischen dem Handmoment (HM) und der Querbeschleunigung (aY) zumindest eine dieser zwei Größen (Gierrate oder Querbeschleunigung aY) abgerufen wird.Method for determining a model yaw rate and / or a model lateral acceleration as so-called model size in an observer model for a vehicle dynamics control system of a motor vehicle having a steering system, wherein a measured steering quantity (yaw rate, aY) and the driving speed ( Vx) of the vehicle on which the determination is based, characterized in that the driver's manual torque (HM) applied to the steering system and used for determining the model size is taken from at least one three-dimensional characteristic map (Lookup Table (2-D)) at least one of these two variables (yaw rate or lateral acceleration aY) is retrieved via the relationship between the manual torque (HM) and the yaw rate or between the manual torque (HM) and the lateral acceleration (aY), which is stored in dependence on the vehicle speed (Vx).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Modell-Gierrate und/oder einer Modell-Querbeschleunigung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines Modell-Lenkwinkels nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4. The invention relates to a method for determining a model yaw rate and / or a model lateral acceleration according to the preamble of
Zum Stand der Technik wird auf die
Unter den vorliegend verwendeten Begriff eines „Fahrdynamik-Regelsystems” eines Kraftfahrzeugs können sowohl längsdynamische als auch querdynamische als auch vertikaldynamische Regelsysteme fallen. Die (aktuelle) Gierrate eines Kraftfahrzeugs (bei Kurvenfahrt) fließt im allgemeinen neben einem längsdynamischen Bremsregelsystem (sog. „ESP” oder „DSC”) in ein querdynamisches Regelsystem ein, bei welchem es sich üblicherweise um ein regelbares Lenksystem handelt, bspw. für die lenkbaren Räder der Vorderachse eines zweispurigen Fahrzeugs, falls dieses bspw. mit einem steer-by-wire-System oder mit einem Lenksystem mit gezielt veränderbarer Lenkübersetzung (bspw. die sog. Aktivlenkung der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung) ausgerüstet ist, und/oder für ggf. lenkbare Hinterräder eines vorzugsweise zweispurigen Fahrzeugs, so dieses mit einer sog. Hinterrad-Lenkung ausgerüstet ist. Die (aktuelle) Querbeschleunigung des Fahrzeugs (bei Kurvenfahrt) fließt im allgemeinen in ein vertikaldynamisches Regelsystem ein, bei welchem es sich bspw. um ein Tragfedersystem mit sog. Federfußpunktverstellung handeln kann oder um ein System zur Veränderung der Federsteifigkeit eines Querstabilisators, welches bspw. bei der Anmelderin unter der Bezeichnung „Dynamic Drive” in Serie ist.The term "vehicle dynamics control system" of a motor vehicle used herein can be taken to mean both longitudinal-dynamic as well as lateral-dynamic as well as vertical-dynamic control systems. The (current) yaw rate of a motor vehicle (when cornering) generally flows in addition to a longitudinally dynamic brake control system (so-called "ESP" or "DSC") in a lateral dynamic control system, which is usually a controllable steering system, for example steerable wheels of the front axle of a two-lane vehicle, if this example. With a steer-by-wire system or with a steering system with selectively variable steering ratio (eg., The so-called. Active steering of the applicant of the present patent application) is equipped, and / or for possibly Steerable rear wheels of a preferably two-lane vehicle, so this is equipped with a so-called. Rear-wheel steering. The (current) lateral acceleration of the vehicle (when cornering) generally flows into a vertical dynamic control system, which may be, for example, a suspension system with so-called. Federfußpunktverstellung or a system for changing the spring stiffness of a stabilizer, which, for example the applicant under the name "Dynamic Drive" in series.
Bekanntlich ist sowohl die Gierrate als auch die Querbeschleunigung eines Kraftfahrzeugs mittels geeignet im Fahrzeug verbauter Sensoren messbar, jedoch kann es sich zum einen bei den genannten fahrdynamischen Regelsystemen um hoch sicherheitskritische Systeme handeln, deren Regeleingriff nie aufgrund der Signale eines einzelnen Sensors erfolgen sollte; weiterhin soll sich ein fahrdynamisches Regelsystem durch schnellstmögliches Ansprechverhalten auszeichnen. Hinsichtlich der letztgenannten Anforderung ist somit ein quasi voreilendes Signal für die Querbeschleunigung oder Gierrate erwünscht, welches bekanntlich mittels eines sog. Modells rechnerisch ermittelt werden kann, in dem eine messbare Lenk-Größe, nämlich üblicherweise der vom Fahrer eingestellte Lenkwinkel, sowie die aktuelle Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs als Eingangsgrößen verarbeitet werden, um hieraus eine zu erwartende Gierrate oder Querbeschleunigung zu ermitteln. Diese voreilende Gierrate oder Querbeschleunigung kann dann auch mit der gemessenen Gierrate oder Querbeschleunigung vergleichen werden, so dass – ohne weitere Sensoren vorzusehen – eine sicherheitsrelevante Redundanz gegeben ist.Known both the yaw rate and the lateral acceleration of a motor vehicle by means of sensors mounted in the vehicle can be measured, but it can be on the one hand in the aforementioned vehicle dynamics control systems to high safety critical systems whose control intervention should never take place due to the signals of a single sensor; Furthermore, a vehicle dynamics control system is characterized by the fastest possible response. With regard to the latter requirement, a quasi-leading signal for the lateral acceleration or yaw rate is thus desired, which can be computationally determined by means of a so-called model in which a measurable steering variable, usually the steering angle set by the driver, and the current driving speed of the Vehicle are processed as input variables to determine from this an expected yaw rate or lateral acceleration. This leading yaw rate or lateral acceleration can then also be compared with the measured yaw rate or lateral acceleration, so that - without providing additional sensors - a safety-related redundancy is provided.
Als genanntes Modell kommt dabei üblicherweise ein bzw. das sog. Einspurmodell zum Einsatz, wobei bspw. über die sog. Ackermannformel aus dem Lenkwinkel eine Modell-Gierrate und aus dieser durch Multiplikation mit der Fahrgeschwindigkeit eine Modell-Querbeschleunigung ermittelt wird. Zumeist ist jedoch ein solches Modell nur im sog. Linearbereich gültig, nicht mehr hingegen im Grenzbereich der Reifen und der Fahrdynamik, so dass in vielen Fahrsituationen keine gültigen Modellgrößen vorliegen können. Ferner ist der zeitliche Vorhalt des vom Fahrer gestellten Lenkwinkels gegenüber den am/im Fahrzeug messbaren Größen „Gierrate” und „Querbeschleunigung” relativ gering, da für das Erkennen bzw. Messen eines Lenkwinkels am Lenkrad des Fahrers bereits eine entsprechende Reaktion erfolgt sein muss.As the model mentioned here usually one or the so-called. Single track model is used, for example, via the so-called. Ackermann formula from the steering angle a model yaw rate and from this by multiplication with the vehicle speed a model lateral acceleration is determined. In most cases, however, such a model is valid only in the so-called linear range, but no longer in the limit of the tires and the driving dynamics, so that in many driving situations no valid model sizes can exist. Furthermore, the time lapse of the steering angle provided by the driver relative to the variables "yaw rate" and "lateral acceleration" measurable on / in the vehicle is relatively small, since a corresponding reaction must already have occurred for the detection or measurement of a steering angle on the driver's steering wheel.
Ein verbessertes Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.An improved method according to the preamble of
Es wurde erkannt, dass ein hinreichend genau reproduzierbarer, nichtlinearer Zusammenhang jeweils zwischen dem sog. Handmoment und der Gierrate des Fahrzeugs sowie zwischen dem sog. Handmoment und der Querbeschleunigung des Fahrzeugs und schließlich auch zwischen dem sog. Handmoment und dem aktuell gestellten Lenkwinkel besteht, und zwar jeweils in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Diese genannten drei Zusammenhänge lassen sich somit (über der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs) in dreidimensionalen Kennfeldern darstellen, nachdem diese Zusammenhänge für einen bestimmten Fahrzeugtyp vorzugsweise experimentell bestimmt wurden. Bei bekanntem Handmoment und bekannter Fahrgeschwindigkeit ist somit ein Stationär-Wert für jede dieser drei genannten Größen (Gierrate, Querbeschleunigung, Lenkwinkel) aus dem jeweiligen dreidimensionalen Kennfeld einfach abrufbar.It was recognized that a sufficiently precisely reproducible, nonlinear relationship exists between the so-called hand moment and the yaw rate of the vehicle and between the so-called hand moment and the lateral acceleration of the vehicle and finally also between the so-called hand moment and the currently set steering angle although in each case depending on the driving speed of the vehicle. These three relationships can thus be represented (over the driving speed of the vehicle) in three-dimensional maps, after these relationships have preferably been determined experimentally for a particular vehicle type. With a known manual torque and a known driving speed, a stationary value for each of these three variables (yaw rate, lateral acceleration, steering angle) can thus easily be retrieved from the respective three-dimensional characteristic map.
Grundsätzlich kann ein solchermaßen ermittelter Wert bereits mit dem entsprechenden mit einem Sensor ermittelten Wert (für Gierrate oder Querbeschleunigung oder Lenkwinkel) verglichen werden, um eine Aussage über die Verlässlichkeit des Sensorsignals (im Sinne einer Redundanz) zu erhalten.In principle, a value determined in this way can already be determined with the corresponding value determined with a sensor (for yaw rate or Lateral acceleration or steering angle) in order to obtain information about the reliability of the sensor signal (in the sense of redundancy).
Dabei ist von besonderem Vorteil, dass jedenfalls in neueren hilfskraftunterstützten Lenksystemen von Kraftfahrzeugen, nämlich bei der sog. Elektrolenkung (mit elektromotorischer Lenkunterstützung) das genannte Handmoment bereits als Messgröße vorliegt, da dieses für eine geeignete Ansteuerung des Elektromotors benötigt wird. Vorteilhafterweise kann nun diese bereits vorhandene Messgröße (des vom Fahrer an das Lenksystem, insbesondere Lenkrad, angelegten Handmoments) verwendet werden, um hieraus über ein geeignetes Beobachtermodell unter Zuhilfenahme zumindest eines der drei genannten Kennfelder zumindest eine der drei genannten Modell-Größen, nämlich eine Modell-Gierrate oder eine Modell-Querbeschleunigung oder einen Modell-Lenkwinkel zu bestimmen. Für eine weitere Verwendung in einem Fahrdynamik-Regelsystem ist der auf die bislang beschriebene Weise ermittelte sog. Stationär-Wert jeder dieser drei Größen nämlich noch nicht ideal geeignet, weswegen im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung vorgeschlagen wird, dass die aus dem genannten (jeweiligen) Kennfeld abgerufene Größe durch ein Hochpassfilter oder ein Tiefpassfilter geleitet wird und daraufhin mit einer entsprechenden, durch Messung und/oder in einem anderen (herkömmlichen) Modell ermittelten Größe verrechnet wird, insbesondere über eine gewichtete Mittelwertbildung, um die gewünschte Modell-Größe zu erhalten. Letztere kann dann direkt in ein Fahrdynamik-Regelsystem einfließen.It is of particular advantage that at least in recent power assisted steering systems of motor vehicles, namely in the so-called. Electric steering (with electromotive steering assistance) said hand moment already exists as a measure, since this is needed for a suitable control of the electric motor. Advantageously, this already existing measured variable (of the driver to the steering system, in particular steering wheel, applied manual torque) can be used to from a suitable observer model with the help of at least one of the three maps mentioned at least one of the three model sizes, namely a model Yaw rate or a model lateral acceleration or a model steering angle. For a further use in a vehicle dynamics control system, the so-called stationary value of each of these three variables determined so far is not ideally suited, for which reason it is proposed in the sense of an advantageous development that those from the mentioned (respective) characteristic map The quantity called up is passed through a high-pass filter or a low-pass filter and is then compared with a corresponding quantity determined by measurement and / or in another (conventional) model, in particular via a weighted averaging in order to obtain the desired model size. The latter can then be incorporated directly into a vehicle dynamics control system.
Im genannten Hochpassfilter bzw. Tiefpassfilter können die signalspezifischen instationären bzw. stationären Eigenschaften herauskristallisiert werden. Damit kann stationär auf den jeweiligen Sensorwert geregelt werden und dennoch vorteilhafterweise der sog. Phasenvorhalt des aus dem Handmoment berechneten Signals genutzt werden, worunter das weiter oben beschriebene sog. „Voreilen” des jeweiligen Signals verstanden wird. In anderen Worten ausgedrückt können also dadurch, dass das gemessene, vom Fahrer an sein Lenkrad angelegte Handmoment verwendet und nicht auf einen sich hierdurch einstellenden Lenkwinkel gewartet wird, die gewünschten Modell-Größen zeitlich früher erhalten werden.In the mentioned high-pass filter or low-pass filter, the signal-specific transient or stationary properties can be crystallized out. In this way it is possible to control stationarily the respective sensor value and nevertheless advantageously use the so-called phase advance of the signal calculated from the hand moment, which is understood to mean the so-called "advance" of the respective signal described above. In other words, by using the measured manual torque applied by the driver to his steering wheel and not waiting for a steering angle to be set thereby, the desired model sizes can be obtained earlier in time.
Wie vorhergehend bereits erwähnt, wird das Ausgangssignal des hier vorgeschlagenen Beobachtermodells, nämlich die sog. Modell-Größe, schließlich durch eine gewichtete Mittelwertbildung berechnet, zu welcher zumindest eine auf anderem Wege ermittelte entsprechende Größe herangezogen wird. Bspw. kann also eine Modell-Gierrate durch geeignete Mittelwertbildung aus dem über das Handmoment und das zugehörige genannte dreidimensionale Kennfeld ermittelten Gierraten-Wert sowie einem mittels eines Gierraten-Sensors ermittelten Wert und einem über die eingangs genannte Ackermannformel aus dem Lenkwinkel ermittelten Gierraten-Wert (als gewichteter Mittelwert dieser genannten drei Werte) bestimmt werden.As already mentioned above, the output signal of the observer model proposed here, namely the so-called model size, is finally calculated by a weighted averaging, to which at least one corresponding size determined by other means is used. For example. Thus, a model yaw rate can be determined by suitable averaging from the yaw rate value determined via the manual torque and the associated three-dimensional characteristic map and a value determined by means of a yaw rate sensor and a yaw rate value determined from the steering angle via the aforementioned Ackermann formula Mean of these three values mentioned).
Die dieser Gewichtung zugrunde liegenden Gewichtungsfaktoren können dabei von verschiedenen Randbedingungen abhängig sein; insbesondere können sie jedoch von der Gültigkeit des jeweils zu Grunde liegenden Modells unter den aktuellen Randbedingungen abhängig sein, das heißt, dass bei nicht ausreichender Modell-Gültigkeit – (bspw. weil sich das Fahrzeug nahe seines fahrdynamischen Grenzbereichs bewegt) – der zugehörige in diesem Modell ermittelte Modellwert ausgeblendet und der oder die anderen Werte entsprechend höher gewichtet werden. Beispielsweise ist das bekannte Einspurmodell bei hoher Querbeschleunigung, niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit oder hohem Radschlupf ungültig. Hingegen kann eine – wie hier vorgeschlagen – aus dem Handmoment ermittelte Modell-Querbeschleunigung bzw. Modell-Gierrate bei starkem Übersteuern des Fahrzeugs relativ ungenau sein. Grundsätzlich jedoch ist die Verfügbarkeit der hier vorgeschlagenen Beobachtermodelle unter Zugrundelegung des Handmoments besser als diejenige des bekannten (und genannten) Einspurmodells, da die angegebenen in dreidimensionalen Kennfeldern enthaltenen Zusammenhänge (zwischen dem Handmoment und der Gierrate oder zwischen dem Handmoment und der Querbeschleunigung oder zwischen dem Handmoment und dem Lenkwinkel) jeweils bis in den fahrdynamischen Grenzbereich hinein gültig sind.The weighting factors on which this weighting is based can depend on various boundary conditions; in particular, however, they can be dependent on the validity of the respective underlying model under the current boundary conditions, ie, if the model validity is insufficient (for example because the vehicle is moving near its dynamic driving limit range), the corresponding one in this model hidden model value and the other values are weighted accordingly higher. For example, the known single-track model is invalid at high lateral acceleration, low vehicle speed or high wheel slip. On the other hand, a model lateral acceleration or model yaw rate determined from the moment of hand, as proposed here, can be relatively inaccurate if the vehicle is heavily oversteered. In principle, however, the availability of the observer models proposed here on the basis of the manual torque is better than that of the known (and mentioned) single track model, since the specified relationships contained in three-dimensional maps (between the manual torque and the yaw rate or between the manual torque and the lateral acceleration or between the manual torque and the steering angle) in each case are valid until into the dynamic driving limit area.
Alternativ zu einer solchen gewichteten Mittelwertbildung kann auch ein dem Fachmann grundsätzlich bekannter Lünberger-Beobachter zur Berechung der Modell-Gierrate oder Modell-Querbeschleunigung und Zugrundelegung des vom Fahrer an das Lenksystem des Fahrzeugs angelegten Handmoments unter Verwendung der genannten Zusammenhänge (in dreidimensionalen Kennfeldern) verwendet werden.As an alternative to such weighted averaging, it is also possible to use a Lünberger observer basically known to the person skilled in the art for calculating the model yaw rate or model lateral acceleration and applying the manual torque applied by the driver to the steering system of the vehicle using said relationships (in three-dimensional maps) ,
In den beigefügten
Im Folgenden sind zunächst nur die in den
- HM_Sensor
- ist das mittels eines Sensors ermittelte, vom Fahrer des Fahrzeugs an dessen Lenksystem angelegte Handmoment;
- Vx
- ist die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs;
- Gierrate
- ist die vorzugsweise mittels eines Gierratensensors ermittelte Gierrate des Fahrzeugs;
- HM
- ist (abermals) das Handmoment, jedoch muss dieses nicht zwangsweise von einem Sensor gemessen sein;
- aY
- ist die vorzugsweise mittels eines Querbeschleunigungssensors ermittelte Querbeschleunigung des Fahrzeugs;
- Radschlupf
- ist der (vorzugsweise geschätzte) Schlupf zwischen den Fzg.-Rädern und der Fahrbahn;
- Schwimmwinkelgeschwindigkeit
- ist die (vorzugsweise geschätzte) Schwimmwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs;
- Lookup Table (2-D)
- ist das genannte dreidimensionale Kennfeld, welches fahrgeschwindigkeitsabhängig (deshalb hier als 2-D bezeichnet) den Zusammenhang zwischen Handmoment und einer der drei Größen „Gierrate”, „Querbeschleunigung”, Lenkwinkel” enthält;
- Gewichtungsfaktoren
- in diesem Block werden aus den angegebenen Eingangsgrößen verschiedene Gewichtungsfaktoren gebildet, nämlich:
- Faktor_HM
- als Gewichtungsfaktor für die über das Handmoment aus dem „Lookup Table (2-D)” bestimmte Größe,
- Faktor_ESM
- als Gewichtungsfaktor für die über das Einspurmodell bestimmte Größe;
- Faktor_Sensor
- als Gewichtungsfaktor für die aus einem (gemessenen) Sensorsignal bestimmte Größe;
- Hochpass
- bezeichnet ein Hochpassfilter für dass jeweilige Signal;
- Tiefpass
- bezeichnet ein Tiefpassfilter für dass jeweilige Signal;
- Einspurmodell
- in diesem Block wird aus den angegebenen Größen, nämlich der Fahrgeschwindigkeit Vx und dem vom Fahrer eingestellten Lenkwinkel ein Modellwert für die Querbeschleunigung (= aY_ESM) in bekannter Weise bestimmt;
- LW_Sensor
- stellt das Sensorsignal für den Lenkwinkel (LW) dar;
- AY_Sensor
- ist ein gemessenes Sensorsignal für die Querbeschleunigung des Fahrzeugs;
- x
- bezeichnet eine mathematische Multiplikation;
- +
- bezeichnet eine mathematische Addition;
- HM_Sensor
- is determined by a sensor, the driver of the vehicle at the Steering system applied manual torque;
- Vx
- is the driving speed of the vehicle;
- yaw rate
- is the yaw rate of the vehicle, preferably determined by means of a yaw rate sensor;
- HM
- is (again) the hand moment, but this does not necessarily have to be measured by a sensor;
- aY
- is the transverse acceleration of the vehicle, preferably determined by means of a lateral acceleration sensor;
- wheel slip
- is the (preferably estimated) slip between the vehicle wheels and the roadway;
- Swimming angular velocity
- is the (preferably estimated) float velocity of the vehicle;
- Lookup Table (2-D)
- is said three-dimensional map, which depending on driving speed (therefore referred to here as 2-D) contains the relationship between manual torque and one of the three variables "yaw rate", "lateral acceleration", steering angle ";
- weighting factors
- In this block, different weighting factors are formed from the specified input variables, namely:
- Faktor_HM
- as a weighting factor for the size determined by the hand moment from the "Lookup Table (2-D)",
- Faktor_ESM
- as a weighting factor for the size determined via the single-track model;
- Faktor_Sensor
- as a weighting factor for the variable determined from a (measured) sensor signal;
- highpass
- denotes a high pass filter for that respective signal;
- lowpass
- denotes a low pass filter for that respective signal;
- single-track
- In this block, a model value for the lateral acceleration (= aY_ESM) is determined in a known manner from the given variables, namely the driving speed Vx and the steering angle set by the driver;
- LW_Sensor
- represents the sensor signal for the steering angle (LW);
- AY_Sensor
- is a measured sensor signal for the lateral acceleration of the vehicle;
- x
- denotes a mathematical multiplication;
- +
- denotes a mathematical addition;
Das Beobachtermodell nach
Das Beobachtermodell nach
Das weiterhin beispielhaft dargestellte Beobachtermodell nach
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Legal Events
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
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Effective date: 20140401 |
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R016 | Response to examination communication | ||
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