DE102007043209A1

DE102007043209A1 - Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens eines zweispurigen Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102007043209A1
Application number: DE200710043209
Authority: DE
Inventors: Benan Serarslan; Max Von Groll; Stefan Gietl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens eines insbesondere zweispurigen Fahrzeugs hinsichtlich Fahrstabilität durch Vergleich einer die Gierrate oder Querbeschleunigung des Fahrzeugs wiedergebenden Messgröße mit einer aus dem vom Fahrer des Fahrzeugs vorgegebenen Lenkwinkel abgeleiteten Vergleichsgröße, wobei über mehrere Analysezeitfenster hinweg die Steigungen der zueinander normierten Regressionsgeraden der Messgröße einerseits und der den Lenkwinkel repräsentierenden Vergleichsgröße andererseits verglichen werden und bei signifikanter Abweichung dieser Steigungen auf einen instabilen Fahrzustand geschlossen wird. Vorzugsweise wird die Differenz der Steigungen der mittels der Methode der kleinsten Quadrate erster Ordnung ermittelten und über einen geeignet applizierten Verstärkungsfaktor auf die gleiche Dimension normierten Regressionsgeraden bestimmt und mit einem geeignet ermittelten Grenzwert verglichen, oberhalb dessen auf Instabilität geschlossen wird. Dabei kann eine Zeitverzögerung zwischen einem Lenkwinkel-Sprung und der hierauf folgenden Systemantwort in der Steigungsanalyse berücksichtigt werden und es kann zusätzlich die Differenz der Schräglaufwinkel am Vorderrad und Hinterrad des Fahrzeugs berücksichtigt und bei Überschreiten eines Grenzwertes hierfür auf einen instabilen Fahrzustand geschlossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens eines insbesondere zweispurigen Fahrzeugs hinsichtlich Fahrstabilität durch Vergleich einer die Gierrate oder Querbeschleunigung des Fahrzeugs wiedergebenden Messgröße mit einer aus dem vom Fahrer des Fahrzeugs vorgegebenen Lenkwinkel abgeleiteten Vergleichsgröße.
Fahrdynamische Regelungssysteme, die bspw. einen Personenkraftwagen in kritischen Fahrsituationen stabilisieren, sind (bspw. in Form des sog. ESP) grundsätzlich bekannt. Derartige Systeme erzeugen bspw. ein einem Übersteuern des Fahrzeugs entgegen gerichtetes Giermoment. Dabei ist es jedoch erforderlich, ein Übersteuern oder Untersteuern des Fahrzeugs mit hinreichender Genauigkeit möglichst frühzeitig zu erkennen. Je genauer diese Erkennung erfolgt, desto wirksamer kann eine (irgendwie geartete) Stabilisierungsfunktion appliziert werden.
Eine Möglichkeit zur Erkennung des Untersteuerns oder Übersteuerns besteht im Vergleich von gemessenen fahrdynamischen Größen wie Gierrate und/oder Querbeschleunigung mit entsprechenden aus einem linearen Fahrzeugmodell stammenden simulierten Größen. Die Differenz zwischen der Messung und der Simulation wird dabei als Maß des nichtlinearen Verhaltens einer aktuellen Fahrzeugreaktion interpretiert. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass das verwendete Modell die individuellen Fahrzeugparameter, wie Masse, Trägheitsmoment, Schräglaufsteifigkeit der Reifen, etc., möglichst exakt enthalten muss. Eine Änderung dieser Parameter bspw. durch Beladung verstimmt das Modell und vergrößert somit die Abweichung zwischen der Messung und der Simulation, so dass bei Verwendung dieser Methode durchaus ein aktueller Fahrzustand als nichtlinear interpretiert werden kann, obwohl das Fahrzeug ein lineares und somit unkritisches Verhalten zeigt.
Ein demgegenüber verbessertes Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass über mehrere Analysezeitfenster hinweg die Steigungen der zueinander normierten Regressionsgeraden der Messgröße einerseits und der den Lenkwinkel repräsentierenden Vergleichsgröße andererseits verglichen werden und dass bei signifikanter Abweichung dieser Steigungen auf einen instabilen Fahrzustand geschlossen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Es wurde erkannt, dass mit Ermittlung von Steigungsdifferenzen mittels Regression ein nichtlineares und daher instabiles Fahrverhalten eines Fahrzeugs festgestellt werden kann, ohne dabei individuelle Fahrzeugparameter – wie bspw. die Fahrzeug-Masse oder den aktuellen Reifentyp und anderes berücksichtigen zu müssen. Untersucht wird erfindungsgemäß nämlich lediglich, ob zwischen dem zeitlichen Verlauf einer Eingangsgröße des zu untersuchenden Systems, also hier zwischen dem zeitlichen Verlauf des vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkels, und einer entsprechenden System-Antwort, d. h. dem zeitlichen Verlauf einer System-Ausgangsgröße in Form der Querbeschleunigung und/oder Gierrate des Fahrzeugs, ein signifikanter Unterschied hinsichtlich der jeweiligen Steigung(en) besteht. Liegt diesbezüglich ein signifikanter Unterschied vor, so kann auf einen instabilen Fahrzustand geschlossen werden. Beispielsweise bleibt zu Beginn eines typischen stationären Untersteuerns die Steigung der Lenkwinkel über der Zeit unverändert, während die Steigung der Querbeschleunigung sowie der Gierrate über der Zeit betrachtet abnimmt.
Vorzugsweise wird die Differenz der Steigungen der mittels der Methode der kleinsten Quadrate erster Ordnung ermittelten und über einen geeignet applizierten Verstärkungsfaktor auf die gleiche Dimension normierten Regressionsgeraden bestimmt und mit einem geeignet ermittelten Grenzwert verglichen, oberhalb dessen auf Instabilität geschlossen wird. Somit kann auch bei sich ändernden Randbedingungen, wie bspw. Beladung und somit unterschiedlicher Masse des Fahrzeugs, bei verändertem Trägheitsmoment oder unterschiedlicher Schräglaufsteifigkeit der Reifen und anderem auf diese Weise das Fahrverhalten einfach und mit geringem Applikationsaufwand über der gesamten Laufzeit des Fahrzeugs mit hoher Robustheit hinsichtlich Fahrstabilität überwacht werden. Falls eine signifikante genannte Steigungs-Differenz erkannt wird, liegt aktuell ein instabiler Fahrzustand vor und es kann ein geeignetes Fahrwerkregelsystem stabilisierend eingreifen.
Beispielhaft ist dies in der beigefügten einzigen Figur dargestellt, die jeweils einen zeitlichen Verlauf des Lenkwinkels sowie der Querbeschleunigung oder Gierrate zeigt. Zunächst liegt (über der Zeit betrachtet) ein stabiler und somit linearer Fahrzustand und sich daran anschließend ein instabiler und somit nichtlinearer Fahrzustand vor, wobei jeweils ein Betrachtungsintervall (in Form eines gestrichelten Quadrats) eingetragen ist, innerhalb dessen über mehrere hier sog. Analysezeitfenster hinweg die Regressionsgeraden dieser beiden Größen „Lenkwinkel" und „Querbeschleunigung oder Gierrate" gebildet und hinsichtlich ihrer Steigung miteinander verglichen werden.
Was die bereits genannte Normierung der Regressionsgeraden der Messgröße einerseits und der den Lenkwinkel repräsentierenden Vergleichsgröße andererseits in Relation zueinander betrifft, so ist diese erforderlich, weil die System-Eingangsgröße, nämlich der Lenkwinkel, und die System-Antwort oder System-Ausgangsgröße, nämlich die gemessene Querbeschleunigung oder Gierrate des Fahrzeugs, verschiedene Dimensionen besitzen und daher auf gleiche Dimension normiert werden müssen. Ein geeigneter Korrekturfaktor kann bspw. experimentell im Fahrversuch ermittelt werden. Weiterhin kann (vorzugsweise) eine systembedingte Zeitverzögerung zwischen der Eingangsgröße, nämlich einem „Sprung" im zeitlichen Verlauf des Lenkwinkels, und der hierauf folgenden System-Antwort bei der Steigungsanalyse, d. h. beim der Auswahl der in einem Betrachtungsintervall hinsichtlich ihrer Steigung miteinander zu vergleichenden Abschnitte der Regressionsgeraden von Lenkwinkel einerseits und Querbeschleunigung oder Gierrate andererseits berücksichtigt werden.
Wenn die gesuchten Regressionskoeffizienten mittels der Methode der kleinsten Quadrate erster Ordnung ermittelt werden, so kann das hier vorgeschlagene Verfahren durch folgende Gleichung beschrieben werden:
Dabei bezeichnet aLewib die Steigung der Regressionsgeraden des Lenkwinkels bzw. Lenkwinkel-Signals und aQuerbb die Steigung der Regressionsgeraden der Querbeschleunigung jeweils in einem sog. Betrachtungsintervall, welches sich über mehrere Analysezeitfenster hinweg erstreckt.
Mit Ns ist dabei die Anzahl der in einem Betrachtungsintervall enthaltenen hier sog. und durch die Abtastzeit vorgegebenen Analysezeitfenster bezeichnet, wobei die Qualität des Ergebnisses der Regression selbstverständlich von dieser Anzahl abhängig ist. Je größer diese Anzahl Ns ist, desto höher ist die Robustheit der Erkennung im stabilen Fahrzustands-Bereich. Nachteilig ist eine hohe Anzahl Ns jedoch für ein schnelles Erkennen eines plötzlichen instabilen Fahrzustandes.
Mit dem Buchstaben K ist der weiter oben bereits genannte Korrekturfaktor zur Normierung des Lenkwinkels und der System-Antwort (= gemessene Querbeschleunigung oder Gierrate des Fahrzeugs) auf die gleiche Dimension bezeichnet. Der griechische Buchstabe τ bezeichnet die (ebenfalls bereits genannte) Zeitverzögerung zwischen dem Systemeingang (= einem Lenkwinkelsprung) und der System-Antwort und kann für einen konkreten Fahrzeugtyp sowie für die zu betrachtenden Anwendungsfälle beispielsweise in der Größenordnung von 100 Millisekunden liegen.
Schließlich bezeichnet in obiger Gleichung der Buchstabe L die Anzahl der im Betrachtungsintervall berücksichtigten Analysezeitfenster, die durchaus geringer sein kann als die Anzahl Ns der im Betrachtungsintervall enthaltenen Analysezeitfenster. Hiermit kann somit die Auflösung der Messung bzw. Analyse gröber gestaltet werden, wobei ein kleiner Wert von L zu einer schnelleren, aber unrobusteren Erkennung von instabilem Fahrverhalten führt.
In einer detailliert untersuchten Ausführungsform wurde bezüglich obiger Gleichung unter Verwendung der Dimensionen „° (Grad)" für den Lenkwinkel und für die Gierrate sowie von "m/s²" für die Querbeschleunigung ein dimensionsloser Grenzwert vom Betrag 0,75 ermittelt, bei Überschreiten desselben ein instabiler Fahrzustand vorlag.
In Sonderfällen, nämlich in quasistationären Fahrzuständen, kann die soweit vorgeschlagene Analyse der Steigungsdifferenzen nicht ausreichen, um einen instabilen Fahrzustand sicher festzustellen, nämlich dann, wenn die Instabilität länger als das Betrachtungsintervall andauert. Um dennoch sicher einen instabilen Fahrzustand feststellen zu können, wird vorgeschlagen, zusätzlich die Differenz der Schräglaufwinkel (α) an Vorderrad und Hinterrad des Fahrzeugs zu berücksichtigen und bei Überschreiten eines Grenzwertes hierfür trotz aus der Analyse der Steigungen der zueinander normierten Regressionsgeraden gefolgerter Stabilität auf einen instabilen Fahrzustand zu schließen.
Bekanntlich ermittelt sich die Differenz Δα dieser Schräglaufwinkel (α_Vorderrad – α_Hinterrad) mit der folgenden Formel Δα = δ – (L·dψ/dt)/vwobei L den Radstand des Fahrzeugs, v dessen Fahrgeschwindigkeit, dψ/dt die gemessene Gierrate und δ den Lenkwinkel bezeichnet und „*" für eine mathematische Multiplikation sowie „l" für eine Division steht. Wenn der Wert von Δα einen gewissen Grenzwert überschreitet, der auf einen instabilen Fahrzustand hinweist, obwohl die oben beschriebene Analyse der Steigungsdifferenzen einen auf einen stabilen Fahrzustand hinweisenden Wert hat, wird mit dieser zusätzlichen Information über die Schräglaufwinkel-Differenz Δα ein instabiler Fahrzustand auch in einem quasistationären Fall erkannt. Vorteilhafterweise ermöglicht diese Berechnung der Schräglaufwinkel-Differenz Δα auch ein eindeutiges Erkennen des Charakters des instabilen Fahrzustandes, nämlich ob Untersteuern oder Übersteuern vorliegt, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens eines insbesondere zweispurigen Fahrzeugs hinsichtlich Fahrstabilität durch Vergleich einer die Gierrate oder Querbeschleunigung des Fahrzeugs wiedergebenden Messgröße mit einer aus dem vom Fahrer des Fahrzeugs vorgegebenen Lenkwinkel abgeleiteten Vergleichsgröße, dadurch gekennzeichnet, dass über mehrere Analysezeitfenster hinweg die Steigungen der zueinander normierten Regressionsgeraden der Messgröße einerseits und der den Lenkwinkel repräsentierenden Vergleichsgröße andererseits verglichen werden und dass bei signifikanter Abweichung dieser Steigungen auf einen instabilen Fahrzustand geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Steigungen der mittels der Methode der kleinsten Quadrate erster Ordnung ermittelten und über einen geeignet applizierten Verstärkungsfaktor auf die gleiche Dimension normierten Regressionsgeraden bestimmt wird und mit einem geeignet ermittelten Grenzwert verglichen wird, oberhalb dessen auf Instabilität geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitverzögerung zwischen einem Lenkwinkel-Sprung und der hierauf folgenden Systemantwort in der Steigungsanalyse berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Differenz der Schräglaufwinkel an Vorderrad und Hinterrad des Fahrzeugs berücksichtigt und bei Überschreiten eines Grenzwertes hierfür trotz aus der Analyse der Steigungen der zueinander normierten Regressionsgeraden gefolgerter Stabilität auf einen instabilen Fahrzustand geschlossen wird.