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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung des Reibwerts
zwischen Rad und Fahrbahn in einem Fahrzeug.
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Stand der Technik
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In
der
DE 10 2007
007 282 A1 wird ein Verfahren zum Schätzen von
Reibwerten bei einem Fahrzeug angegeben, wobei zur Verbesserung
der Genauigkeit der Reibwertermittlung jeweils ein Kraftschluss
achsindividuell aus den in einem Modell ermittelten Seitenkräften
und Achslasten sowie der Reibwert der Fahrbahn anhand eines Vergleichs
der beiden Kraftschlüsse geschätzt werden. Da
in kritischen Fahrsituationen oder bei hochquerdynamischen Fahrmanövern
immer eine Achse des Fahrzeugs zuerst die Haftgrenze vor der anderen
Achse erreicht, wird der seitliche Kraftschluss der Vorderachse
und der Hinterachse getrennt berechnet, woraus unter Berücksichtigung
weiterer Kenngrößen und Bedingungen der Reibwert
ermittelt werden kann.
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Voraussetzung
für die Durchführung dieses Verfahrens ist, dass
sich das Fahrzeug zumindest nahe einer instabilen Fahrsituation
befindet. Derartige Fahrsituationen sollen aber in der Regel vermieden
werden.
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Bekannt
ist es auch, den Reibwert nach mathematischen Beziehungen aus der
Normalkraft und der Bremskraft sowie der Querbeschleunigung zu ermitteln,
beispielsweise in einem ESP-Regelsystem (Elektronisches Stabilitätsprogramm),
mit dem zur Fahrzeugstabilisierung Eingriffe in die Fahrzeugbremsen
sowie in das Motormanagement durchgeführt werden. Allerdings
ist der auf diese Weise ermittelte Reibwert mit einer verhältnismäßig
großen Unsicherheit behaftet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen zuverlässigen
Schätzwert für den Reibwert zwischen Rad und Fahrbahn
bereitzustellen, wobei bevorzugt als Eingangsgrößen
Messdaten aus einem ESP-System verwendet werden sollen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Mithilfe
des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Reibwert
zwischen einem Rad und der Fahrbahn in einem Fahrzeug ermittelt
werden, und zwar ausgehend von einem Rohwert, der Ausgangsbasis
für ein Korrekturverfahren ist. Zur Verbesserung des Rohwertes
wird ein lokales Maximum im Verlauf des Rohwertes bestimmt, wobei
der verbesserte bzw. korrigierte Reibwert auf den Wert des lokalen
Maximums gesetzt wird, bis im weiteren Verlauf des Rohwertes ein
neues, lokales Maximum gefunden wird, auf dessen Wert der korrigierte
Reibwert anschließend gesetzt wird. Es hat sich gezeigt,
dass die auf diese Weise ermittelten korrigierten Reibwerte den
tatsächlichen Verhältnissen besser entsprechen
als die von einem ESP-System gelieferten Rohwerte.
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Grundsätzlich
reicht die Sensorik eines ESP-Systems aus, um eine ausreichende
Datengrundlage für die Verbesserung des Rohwertes zu schaffen.
Dies hat den Vorteil, dass darüber hinaus keine weiteren
Sensoren benötigt werden. Es kann aber auch zweckmäßig
sein, das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig
von einem ESP-System durchzuführen, indem beispielsweise
Sensordaten außerhalb eines ESP-Systems ausgewertet werden. Grundsätzlich
reichen hierfür die Längsbeschleunigung, die Querbeschleunigung
im Fahrzeug sowie die aus dem Bremsdruck eines Bremszylinders zu gewinnende
Bremskraft aus; bei Kenntnis dieser Werte, die sensorisch ermittelt
werden, kann ein Rohwertverlauf für den Reibwert zwischen
Rad und Straße gebildet werden, wobei die Bremskraft sich auf
den Bremszylinder desjenigen Rades bezieht, an dem der Reibwert
festgestellt werden soll.
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Mit
dem Setzen des verbesserten Reibwertes auf das lokale Maximum in
Rohwertverlauf wird bereits eine signifikante Verbesserung erreicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung
ist vorgesehen, dass der korrigierte Reibwert einer Filterung unterzogen
wird, insbesondere eine PT1-Filterung. Über
die Filterung wird ein so genannter plausibilisierter Reibwert errechnet,
der eine weitere Verbesserung des Rohwertes darstellt und vorzugsweise
in einem Fahrdynamik-Regelsystem weiterverwendet wird. Die Filterung
wird hierbei bevorzugt auf die Differenz zwischen einem plausibilisierten
Reibwert aus einem vorangegangenen Berechnungszyklus und dem aktuellen,
korrigierten Reibwert angewandt, wobei anschließend der
gefilterte Wert vom plausibilisierten Reibwert subtrahiert wird,
wodurch man einen aktualisierten, plausibilisierten Reibwert erhält. Über
die Filterung wird der plausibilisierte Reibwert dem korrigierten
Reibwert, welcher über die lokalen Maxima des Rohwertes
ermittelt wurde, angenähert.
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Es
kann zweckmäßig sein, den Zeitfaktor in der PT1-Filterung nicht als Konstante, sondern
als Variable auszuführen, die vorzugsweise von der Differenz
zwischen plausibilisiertem Reibwert und korrigiertem Reibwert abhängt.
Der Vorteil des variablen Zeitfaktors liegt darin, dass zu verschiedenen
Zeitpunkten der Anstieg bzw. der Abfall im Verlauf des plausibilisierten
Reibwertes variabel angepasst werden kann, wodurch beispielsweise
eine bessere Anpassung für den Fall gegeben ist, dass das
Fahrzeug von einem Untergrund mit hohem Reibwert auf einen Untergrund
mit geringem Reibwert wechselt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass
die Filterung nur für den Fall durchgeführt wird,
dass eine zu überprüfende Fahrzeuggröße
innerhalb eines plausiblen Wertebereiches liegt. Liegt dagegen die
zu überprüfende Fahrzeuggröße
außerhalb des plausiblen Wertebereiches, so wird insbesondere
der plausibilisierte Reibwert aus einem vorangegangenen Berechnungszyklus
weiterverwendet; dieser Wert wird so lange beibehalten, bis in einem
folgenden Berechnungszyklus ein neuer korrigierter Reibwert und
darauf aufbauend eine Filterung durchgeführt wurde und zusätzlich
die zu überprüfende Fahrzeuggröße
bzw. die Fahrzeuggrößen innerhalb des zugeordneten plausiblen
Wertebereiches liegen. Hierbei kann es auch zweckmäßig
sein, mehrere Fahrzeuggrößen abzuprüfen,
wobei sowohl alternativ als auch kumulativ Bedingungen vorgegeben
werden können, die die betreffenden Fahrzeuggrößen
erfüllen müssen.
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Es
wird beispielsweise abgefragt, ob für den Fall, dass die
Querbeschleunigung einen oberen Grenzwert überschreitet,
zugleich der Reibwert, insbesondere der korrigierte Reibwert einen
Grenzwert unterschreitet. Diese gekoppelte Abfrage erfolgt vor dem
Hintergrund, dass eine hohe Querbeschleunigung bei stabilem Fahrzustand
des Fahrzeuges nur bei einem entsprechend hohen Reibwert möglich
ist. Dagegen ist es unplausibel, dass eine hohe Querbeschleunigung
auf einer Fahrbahn mit geringem Reibwert erzielt wird. Wird daher
bei dieser Abfrage festgestellt, dass der Reibwert trotz hoher Querbeschleunigung
nicht größer ist als der Grenzwert, so deutet
dies darauf hin, dass der über die lokalen Maxima des Rohwertes
bestimmte korrigierte Reibwert nicht verlässlich ist und
es wird der plausibilisierte Reibwert aus einem vorangegangenen
Berechnungszyklus weiterverwendet.
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Als
weitere Bedingung kann abgeprüft werden, ob die Querbeschleunigung
einen unteren Grenzwert unterschreitet und zugleich der korrigierte Reibwert
der bis dahin geltenden, aus einem vorangegangenen Berechnungszyklus
ermittelten, gefilterten Reibwert überschreitet. Es hat
sich gezeigt, dass diese beiden Bedingungen ebenfalls erfüllt
sein müssen, damit der berechnete, korrigierte Reibwert
verlässlich ist und nachfolgend einer Filterung unterzogen
werden kann, aus der der gefilterte, plausibilisierte Wert hervorgeht,
welcher anschließend weiterverwendet werden kann.
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Als
weitere Bedingung, welche erfüllt sein muss, damit der
korrigierte Reibwert der Filterung unterzogen werden kann, wird
zweckmäßigerweise die Abfrage gestartet, ob der
Radschlupf an einem Fahrzeugrad größer als ein
zugeordneter Schwellenwert ist. Beispielsweise werden Radschlüpfe
an der Vorderachse über radindividuelle Drehzahlsensoren
ermittelt, die insbesondere Bestandteil eines Standard-ESP-Systems
sind, und daraus der Schlupf an einem Vorderrad berechnet. Es hat
sich gezeigt, dass der korrigierte Reibwert in einem verlässlichen
Wertebereich liegt, wenn an den Vorderrädern Schlüpfe in
der Größenordnung von wenigen Prozent auftreten.
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Des
Weiteren kann als Plausibilitätsbedingung abgefragt werden,
ob der korrigierte Reibwert zumindest gleich groß ist wie
der aus einem vorangegangenen Zyklus berechnete, plausibilisierte
Reibwert, der mit dem gefilterten Wert identisch ist.
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Die
vorgenannten Bedingungen müssen nicht – mit Ausnahme
der gekoppelten Bedingungen – kumulativ erfüllt
sein, sondern es reicht aus, wenn diese alternativ erfüllt
sind, damit der berechnete, korrigierte Reibwert als verlässlicher
Wert berücksichtigt werden kann. Ist dagegen keine dieser
Bedingungen erfüllt oder ist bei den gekoppelten Bedingungen
eine Teilbedingung nicht erfüllt, so wird keine Filterung
des korrigierten Reibwertes durchgeführt und anstelle eines
aktuellen, plausibilisierten Reibwertes ein entsprechender Reibwert
aus einem vorangegangenen Zyklus weiterverwendet.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
grob schematisierte Darstellung eines Systems zur Ermittlung eines
verbesserten Reibwertes,
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2 zwei
Diagramme mit dem Verlauf von verschiedenen Reibwerten als Funktion
der Zeit sowie dem zugeordneten Verlauf eines logischen Flags, welches
Bereiche mit erhöhter Zuverlässigkeit bzw. Plausibilität
der verbesserten Reibwerte anzeigt,
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3 ein
Blockschaltdiagramm, das den Verfahrensablauf zur Ermittlung des
verbesserten Reibwertes angibt.
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1 zeigt
ein grob schematisiertes Blockschaltbild zur Gewinnung eines verbesserten,
plausibilisierten Reibwertes μF aus
einem Reibwert μESP, das aus einem
Standard-ESP-System (Elektronisches Stabilitätsprogramm
zur Fahrzeugstabilisierung) ermittelt wird. Der ESP-Reibwert μESP ist als Rohwert anzusehen, der mit einer
verhältnismäßig großen Unsicherheit
behaftet ist. Da für Fahrzeugdynamikanwendungen die genaue
Kenntnis des Reibwertes zwischen Reifen und Straße von
hoher Bedeutung ist, wird ausgehend von dem ESP-Rohwert μESP ein Verfahren zur Verbesserung des Reibwertes durchgeführt.
Dies erfolgt vorzugsweise allein über Sensorsignale, die
in einem Standard-ESP-System zur Verfügung stehen, insbesondere
die Schlupfwerte λFL/R an den linken
und rechten Vorderrädern des Fahrzeuges, welche aus Raddrehzahlsensoren
gewonnen werden, sowie darüber hinaus Beschleunigungswerte
im Fahrzeug, insbesondere die Längsbeschleunigung ax und die Querbeschleunigung ay. In
dem Blockschaltbild werden die Eingangsgrößen gemäß eines
festgelegten, nachfolgend beschriebenen Zusammenhanges verarbeitet,
wobei als Ausgangsgrößen der plausibilisierte,
verbesserte Reibwert μF sowie ein
logische Flag bMueValid geliefert werden, das entweder den Wert „1” bzw. „true” einnimmt,
was für eine verlässliche, der Berechnung des verbesserten
Reibwerts μF zu Grunde zu legende
Datenbasis steht, oder den Wert „0” bzw. „falle”,
falls die Datenbasis nicht für die Berechnung eines verbesserten μF-Reibwertes verwendet werden soll.
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Zur
Ermittlung des aktuellen ESP-Reibwertes μ
ESP wird
die Normalkraft F
N unter Zugrundelegung
der gemessenen Längs- und Querbeschleunigung a
x bzw.
a
y berechnet:
wobei
- FN
- die Normalkraft
- m
- die Masse des Fahrzeugs
- g
- die Erdbeschleunigung
- ax
- die Längsbeschleunigung
- ay
- die Querbeschleunigung
- hs
- die Höhe
des Fahrzeugschwerpunktes
- Lx
- den Achsenabstand
vom Schwerpunkt
- L
- den Achsenabstand
bezeichnet.
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Der
Reibwert zwischen Fahrzeugrad und Fahrbahn wird unter Berücksichtigung
der Normalkraft F
N gemäß folgender
Beziehung ermittelt:
wobei
- μlong
- den Reibwert in Längsrichtung
- μlat
- den Reibwert in Querrichtung
- μESP
- den aus dem ESP-System
gewonnenen, resultierenden Reibwert
- FBr
- die dem Bremsdruck
im Radbremszylinder entsprechende Bremskraft
bezeichnet. Die Funktion f in Abhängigkeit
der Bremskraft FBr und der Normalkraft FN ist eine nichtlineare, bekannte Funktion.
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Im
Folgenden wird Bezug genommen auf die Kurvenverläufe gemäß 2 und
das Blockschaltbild gemäß 3. In 3 ist
ein detailliertes Blockschaltbild zur Ermittlung des verbesserten,
plausibilisierten Reibwertes μF unter
Zugrundelegung des ESP-Rohwertes μESP dargestellt.
Zunächst wird der Rohwert μESP im
Block 1 einer Filterung unterzogen, insbesondere einer
PT1-Filterung. Anschließend wird im
Block 2 festgestellt, ob ein Maximum vorliegt. Sofern dies
der Fall ist, wird gemäß Block 4 ein
Schalter so gesetzt, dass der μESP-Reibwert
aus dem vorangegangenen Zyklus weiterverwendet wird, was im Block 3 mit
Z–1 dargestellt ist, mit dem der
vorangegangene Berechnungszyklus bezeichnet wird. Wird dagegen im
Block 2 kein Maximum festgestellt, so wird der bislang
geltende Wert beibehalten.
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Anschließend
wird der aktuelle ESP-Reibwert μESP sowie
der im Schalter 4 gewonnene Wert einem Block 5 zugeführt,
in welchem eine Maximumabfrage durchgeführt wird. Der größere
der beiden dem Block 5 zugeführten Werte wird über
die Maximumabfrage ausgewählt, es handelt sich ausgangsseitig
um den korrigierten Reibwert μKorr.
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Diese
Vorgehensweise lässt sich auch an den Kurvenverläufen
für die Reibwerte μ gemäß 2 ablesen.
Der aus dem ESP-System gewonnene Rohwert μESP steigt
bis zum Erreichen eines lokalen Maximums an, dieser Anstieg wird
auch von dem korrigierten Reibwert μKorr vollzogen.
Danach fällt der μESP-Rohwert
wieder ab, dieser Abfall wird jedoch von dem korrigierten Reibwert μKorr nicht nachvollzogen, vielmehr wird der
bislang geltende Wert des korrigierten Reibwertes μKorr bis zum Erreichen eines neuen lokalen
Maximums im ESP-Rohwert μESP beibehalten.
Das neue, lokale Maximum des ESP-Rohwerts μESP kann
hierbei sowohl größer als auch kleiner oder auf
gleichem Niveau wie das vorangegangene lokale Maximum liegen. Im
Ausführungsbeispiel gemäß 2 liegt
das zweite lokale Maximum auf einem höheren Wert als das
erste lokale Maximum, wohingegen das dritte lokale Maximum einen
niedrigeren Wert besitzt. Dementsprechend steigt der korrigierte Reibwert μKorr mit Erreichen des zweiten Maximums auf
einen höheren Wert an und verharrt auf diesem höheren
Wert bis zum Erreichen des dritten lokalen Maximums, auf dessen
Wert anschließend der korrigierte Reibwert μKorr abfällt.
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Die
folgenden Blöcke 6 bis 9 gemäß 3 stellen
die Weiterverarbeitung des korrigierten Reibwertes μKorr dar, der einer Filterung unterzogen
wird. Diese Filterung wird im Block 6 durchgeführt,
und zwar beispielhaft als PT1-Filter. Die
Zeitkonstante T für das PT1-Filter
im Block 6 wird aus einem vorangegangenen Block 7 gewonnen,
das eine Kennlinie für die Ermittlung der Zeitkonstante
T als Funktion der Differenz von korrigiertem Reibwert μKorr und gefiltertem, plausibilisiertem Reibwert μF enthält.
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Der
nächste Verfahrensschritt 9 enthält einen
Schalter, dessen Schaltposition vom Wert des logischen Flags bMueValid
abhängt, wobei über den Wert des logischen Flags
bMueValid die Plausibilität des gefilterten Reibwertes μF bestimmt wird. Das logische Flag bMueValid
nimmt entweder den Wert „true” oder „false” ein,
je nachdem, ob eine zu überprüfende Fahrzeuggröße
bzw. eine Kombination von Fahrzeuggrößen innerhalb
oder außerhalb eines plausiblen Wertebereichs liegt. Bei
den zu überprüfenden Fahrzeuggrößen
handelt es sich insbesondere um den Radschlupf λ, vorzugsweise
an den Vorderrädern des Fahrzeuges, um die Querbeschleunigung
ay sowie um die Höhe des Korrekturreibwertes μKorr.
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In 3 ist
der Schalter aus dem Schaltblock 9 auf den Wert „true” gesetzt,
so dass der im Block 6 gefilterte Korrektur-Reibwert μKorr als neuer, plausibilisierter Reibwert μF übernommen wird. Diese Situation
liegt vor, wenn der Bedingungskomplex, welcher den Wert des logischen
Flags bMueValid bestimmt, erfüllt ist, was physikalisch
bedeutet, das der Wertebereich der zu überprüfenden
Fahrzeuggrößen innerhalb eines plausiblen Wertebereiches
liegt. Der neu gewonnene, plausibilisierte Reibwert μF wird dann bis zum Überschreiben
mit einem neuen berechneten Wert in einem darauffolgenden Zyklus
beibehalten.
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Ergibt
dagegen die Abfrage für das logische Flag bMueValid, dass
eine oder mehrere der zu überprüfenden Fahrzeuggrößen
nicht innerhalb des plausiblen Wertebereiches liegen, so wird das
Flag bMueValid auf den Wert „false” gesetzt und
es wird der bislang geltende, plausibilisierte Reibwert μF aus einem vorangegangenen Berechnungszyklus
beibehalten bzw. übernommen.
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Der
Werteverlauf für den plausibilisierten Reibwert μF in Abhängigkeit des Wertes für
das logische Flag bMueValid ist auch 2 zu entnehmen. Sobald
das logisch Flag bMueValid auf „true” gesetzt ist,
erfolgt eine Filterung und dementsprechend eine Anpassung des plausibilisierten
Wertes μF. Der Abfall im Verlauf
des plausibilisierten Reibwertes μF kommt dadurch
zustande, dass in den Filterblock die Differenz zwischen dem plausibilisierten
Reibwert μF aus einem vorangegangenen
Zyklus und dem aktuellen, korrigierten Reibwert μKorr eingeht. Sobald das logische Flag bMueValid
auf „true” gesetzt ist, nähert sich der
Verlauf des plausibilisierten Reibwertes μF dem
Verlauf des korrigierten Reibwertes μKorr an.
Ist dagegen das logische Flag bMueValid auf „false” gesetzt,
so erfolgt keine Anpassung im Verlauf des plausibilisierten Reibwertes μF, es wird der bis dahin geltende Wert von μF beibehalten.
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Es
können verschiedene Bedingungen für die zu überprüfenden
Fahrzeuggrößen formuliert werden, die Einfluss
auf den Wert des logischen Flags bMueValid haben. Es wird bevorzugt
eine Abfrage hinsichtlich des Radschlupfes λ an den Vorderrädern,
der Querbeschleunigung und des korrigierten Reibwertes μKorr durchgeführt. Beispielsweise
muss der Radschlupf λ an einem Fahrzeugrad, insbesondere
an den Vorderrädern größer als ein zugeordneter
Schwellenwert λGrenz sein, damit
das logische Flag auf den Wert „true” gesetzt
wird und somit der gefilterte Wert als neuer, plausibilisierter
Reibwert μF übernommen
wird. Dem liegt die Erfahrung zu Grunde, dass plausible Reibwerte
vorliegen, wenn an den Vorderrädern Schlüpfe von
wenigen Prozenten herrschen.
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Des
Weiteren wird zur Bestimmung des logischen Flags bMueValid überprüft,
ob die Querbeschleunigung ay einen oberen
Grenzwert ay,max überschreitet
und zugleich der korrigierte Reibwert μKorr einen
zugeordneten Grenzwert μmin überschreitet.
Dem liegt der Sachverhalt zu Grunde, dass eine hohe Querbeschleunigung
ay im Fahrzeug bei stabilem Fahrverfahren
nur möglich ist, wenn ein entsprechend hoher Reibwert herrscht.
Ist diese gekoppelte Bedingung nicht erfüllt, so deutet
dies darauf hin, dass die dem Algorithmus zu Grunde liegende Datenbasis
nicht plausibel ist, woraufhin kein neuer, aktualisierter Reibwert μF übernommen wird, sondern der bislang
geltende Reibwert μF beibehalten
wird.
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Als
weitere Bedingung wird abgefragt, ob die Querbeschleunigung ay einen unteren Grenzwert ay,min unterschreitet
und zugleich der korrigierte Reibwert μKorr den
aus einem vorangegangenen Berechnungszyklus ermittelten, gefilterten
Reibwert μF überschreitet.
Liegt dagegen für den Fall kleiner Querbeschleunigungen
der korrigierte Reibwert unterhalb des plausibilisierten Reibwertes
aus dem vorangegangenen Berechnungszyklus, so wird das logische Flag
bMueValid auf den Wert „false” gesetzt.
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Schließlich
kann noch überprüft werden, ob der korrigierte
Reibwert μKorr gleich groß oder
größer ist als der aus einem vorangegangenen Berechnungszyklus
ermittelte, gefilterte Reibwert μF.
Auch dies kann als Bedingung formuliert werden, die erfüllt sein
muss, damit das logische Flag bMueValid auf den Wert „true” gesetzt
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007007282
A1 [0002]