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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Fahrzeugbewegungssteuerung.
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In
dem vergangenen Jahrzehnt ist die Entwicklung elektrohydraulischer
Bremssysteme von Kunden im Automobilbereich sehr positiv aufgenommen
worden, da derartige Systeme die Fahrsicherheit wesentlich steigern.
Diese auch als elektronisches Stabilitätsprogramm (= ESP)
bekannten Bremssysteme dienen zur Steuerung des Gierverhaltens eines
Fahrzeuges und tragen somit zur Verbesserung der Richtungsstabilität des
Fahrzeuges bei.
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Des
Weiteren wurden erst vor nicht langer Zeit elektromechanische Lenkaktuatoren
im Markt eingeführt. Diese Systeme zur aktiven Vorderachslenkung
(auch als AFS-Systeme bezeichnet) dienen dazu, die Dynamik des Fahrzeuges
mittels aktiver Steuerung des Lenkwinkels der Vorderräder
zu steuern.
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Mit
zunehmender Popularität von AFS- und ESP-Systemen steigt
die Wahrscheinlichkeit, dass diese Systeme gemeinsam in Fahrzeugen
zum Einsatz kommen. Da die in Längsrichtung und in Querrichtung
wirkenden Reifenkräfte hochgradig nichtlinear sowie miteinander
gekoppelt sind, ist es aus Gründen der Sicherheit und zur
Optimierung des Fahrverhaltens wesentlich, dass hierbei ein gewisser
Grad an Integration erzielt wird. Mit Integration ist hier gemeint,
dass die Lenk- und Bremssysteme nicht als unabhängige Systeme
angesehen werden, sondern dass die Wechselwirkung bzw. Kopplung
zwischen den Systemen berücksichtigt werden muß.
Die erforderlichen Regelungsvorgänge bezüglich
der Gierbewegung des Fahrzeuges müssen dann auf die Lenk-
und Bremsaktuatoren verteilt werden. Zwischen den beiden Extremsituationen
einer ausschließlichen Verwendung des Lenkaktuators und
einer ausschließlichen Verwendung der Bremsaktuatoren gibt
es unzählige weitere Möglichkeiten für
die Verteilung der erforderlichen Regelungseingriffe.
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In
herkömmlichen Lösungen zur Integration eines AFS-Systems
und eines ESP-Systems werden ESP-Eingriffe vorrangig behandelt,
wobei AFS-Systeme im Wesentlichen in Verbindung mit eher komfortbezogenen
Systemen, wie z. B. für eine variable Lenkübersetzung
oder zur Einparkhilfe, eingesetzt werden.
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Aus
der
EP 1 447 262 A1 ist
ein Verfahren zur Fahrzeugbewegungssteuerung bekannt, bei dem eine gewünschte
Fahrzeugbewegung durch drei Fahrzeugkräfte und drei Fahrzeugmomente
beschrieben wird, die jeweils linear unabhängig voneinander
sind. Unter Berücksichtigung der angeforderten Fahrzeugbewegung und
der aktuellen Fahrzeugsituation werden die erforderlichen Fahrzeugkräfte
und/oder Fahrzeugmomente ermittelt, die erforderlich sind, um das
Fahrzeug in die gewünschte Bewegung zu versetzen. Anschließend
wird ein Satz von Aktuatorstellgrößen berechnet,
mittels dem die Differenz zwischen den angeforderten Fahrzeugkräften
und/oder -momenten und den mittels der Aktuatoren erzeugbaren Fahrzeugkräfte
und/oder -momente minimiert wird.
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Des
Weiteren sind aus der
DE
10 2005 015 241 A1 ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeuges
und eine Steuereinrichtung bekannt, wobei aus einer angeforderten
Fahrzeugbewegung die angeforderten Fahrzeugkräfte und/oder
-momente abgeleitet werden und wobei die angeforderten Fahrzeugkräfte
und/oder -momente dynamisch gewichtet werden, um daraus die zu erzeugenden
Fahrzeugkräfte und/oder Fahrzeugmomente abzuleiten.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung und
ein Verfahren zur Fahrzeugbewegungssteuerung in einem Fahrzeug bereitzustellen,
welche eine effiziente Verteilung der erforderlichen Regelungsvorgänge
im Hinblick auf ein optimales Fahrverhalten und unter Berücksichtigung
der Aktuatoranforderungen sowie der Anforderungen hinsichtlich des
Fahrkomforts ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Anordnung gemäß den Merkmalen
des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. das Verfahren gemäß den
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst.
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Eine
Anordnung zur Fahrzeugbewegungssteuerung in einem Fahrzeug, wobei
das Fahrzeug ein ESP-System mit ESP-Aktuatoren zum selektiven Bremsen
einzelner Räder des Fahrzeuges und ein AFS-System mit wenigstens
einem AFS-Aktuator zur Steuerung des Lenkwinkels von Rädern
des Fahrzeuges aufweist, weist auf:
- – eine
Fahrzeug-Gierregelungseinheit, welche auf Basis von für
Fahrereingaben und/oder Fahrzustandsparameter charakteristischen
Eingangssignalen ein zur Erzielung einer gewünschten Fahrzeugbewegung
erforderliches Fahrzeuggiermoment ermittelt; und
- – eine Verteilungseinheit, welche in Abhängigkeit
vom aktuellen Fahrzustand den jeweiligen Beitrag sowohl der ESP-Aktuatoren
als auch des wenigstens einen AFS-Aktuators zur Erzeugung des Fahrzeuggiermomentes
bestimmt.
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Durch
die Erfindung wird eine weitreichende Integration eines AFS-Systems
und eines ESP-Systems erzielt. Die Verteilung der Regelungsvorgänge
auf die AFS-Aktuatoren und die ESP-Aktuatoren erfolgt abhängig
von dem tatsächlichen bzw. aktuellen Fahrzeugzustand. Dies
bedeutet, dass für einen vorgegebenen, tatsächlichen
Fahrzeugzustand der effizienteste Weg zur Verwendung der Lenk- und
Bremsaktuatoren berechnet wird. Bei der Berechnung der effizientesten
Einsatzweise der Lenk- und Bremsaktuatoren können unterschiedliche
Kriterien berücksichtigt werden. In erster Linie sind die
Anforderungen und Randbedingungen der Aktuatoren zu erfüllen.
Des Weiteren können zusätzliche Anforderungen,
z. B. hinsichtlich des Fahrkomforts und der Handling- bzw. Handhabungs-Eigenschaften
berücksichtigt werden. Durch den erfindungsgemäßen
Ansatz wird letztendlich ein Gesamtregelungssystem realisiert, welches
von den Vorteilen eines aktiven Fahrwerksystems profitiert und darüber
hinaus das Fahrverhalten aufgrund der Ausnutzung von Synergieeffekten zwischen
den beiden Systemen ”AFS-System” und ”ESP-System” verbessert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform treten bei der in der erfindungsgemäßen
Anordnung realisierten Integration eines AFS-Systems und eines ESP- Systems
in einem Handling-Bereich bzw. -Modus des Fahrzeuges nur Lenkeingriffe
auf, so dass keine Verringerung des Fahrkomforts und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit
erfolgt. In einem Stabilitätsbereich bzw. -Modus werden
hingegen sowohl Lenkeingriffe als auch Bremseingriffe zur Stabilisierung
des Fahrzeuges verwendet. Der erfindungsgemäße
Ansatz führt im Vergleich zu herkömmlichen Systemen
zu einer Verbesserung des Fahrverhaltens, wobei Fahrfreude und Fahrkomfort im
Handling-Bereich unter gleichzeitiger Verbesserung der Fahrstabilität
im Stabilitätsbereich gesteigert werden.
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Des
Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren in
einfacher Weise auf die Verwendung unterschiedlicher Aktuatoren
wie z. B. elektronischer Differentiale (”E-Diff”)
oder aktiver Dämpfungsvorrichtungen (CDC) erweitert werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Fahrzeugbewegungssteuerung
in einem Fahrzeug, wobei das Fahrzeug ein ESP-System mit ESP-Aktuatoren
zum selektiven Bremsen einzelner Räder des Fahrzeuges und
ein AFS-System mit wenigstens einem AFS-Aktuator zur Steuerung des
Lenkwinkels von Rädern des Fahrzeuges aufweist, wobei das
Verfahren folgende Schritte aufweist:
- – Ermitteln,
auf Basis von für Fahrereingaben und/oder Fahrzustandsparameter
charakteristischen Eingangssignalen, eines zur Erzielung einer gewünschten
Fahrzeugbewegung erforderlichen Fahrzeuggiermomentes, und
- – Festlegen, in Abhängigkeit vom aktuellen
Fahrzustand, des jeweiligen Beitrages sowohl der ESP-Aktuatoren
als auch des wenigstens einen AFS-Aktuators zur Erzeugung dieses
Fahrzeuggiermomentes.
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Weitere
Ausgestaltungen sind der Beschreibung und den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügte Abbildung näher
erläutert.
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1 zeigt
den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung zur
aktiven Gierregelung unter Integration eines AFS-Systems und eines
ESP-Systems gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 1 empfängt
eine Fahrereingaben-Auswerteeinheit 10 zur Auswertung von
Fahrereingaben Eingangssignale 5, welche insbesondere einen
vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel, die Fahrzeuggeschwindigkeit
sowie zusätzlich weitere Signale umfassen können.
Anhand dieser Eingangssignale 5 identifiziert die Fahrereingaben-Auswerteeinheit 10 den
vom Fahrer beabsichtigten Weg des Fahrzeuges und berechnet einen
Gierraten-Sollwert.
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Dieser
Gierraten-Sollwert wird an eine Fahrzeug-Gierregelungseinheit 20 (VYC
= ”vehicle yaw controller”) übermittelt,
welche ein geeignetes Fahrzeuggiermoment berechnet, das zur Minimierung
der Abweichung zwischen dem Gierraten-Sollwert und dem tatsächlichen
bzw. aktuellen Gierratenwert des Fahrzeuges erforderlich ist.
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Das
durch die Fahrzeug-Gierregelungseinheit 20 ermittelte erforderliche
Fahrzeuggiermoment wird dann mittels einer Verteilungseinheit 30 auf
die AFS-Aktuatoren und die ESP-Aktuatoren verteilt, d. h. es werden
die Beiträge der AFS-Aktuatoren und die ESP-Aktuatoren
bei der Erzeugung des erforderlichen Fahrzeuggiermomentes ermittelt.
Die entsprechende Ansteuerung der AFS-Aktuatoren und der ESP-Aktuatoren
erfolgt in einem Hardware-Block 50, welcher in 1 lediglich
schematisch dargestellt ist und eine ESP-Ansteuerung 51 und
eine AFS-Ansteuerung 52 aufweist.
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Sensoren 60 dienen
zur Erfassung des aktuellen Fahrzustandes und zur Übermittlung
entsprechender Sensorsignale an die Fahrereingaben-Auswerteeinheit 10,
an die Fahrzeug-Gierregelungseinheit 20 und an eine im
Weiteren noch näher erläuterte Einheit 40 zur
Ermittlung eines für eine relative Änderung der
Kontaktflächenkräfte der Reifen des Fahrzeuges
in Bezug auf Lenk- und Bremseingriffe charakteristischen Reifengradientensignals.
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Die
Verteilung des benötigten Fahrzeuggiermoments wird mittels
Lösung eines beschränkten Fehlerquadrat-Optimierungsproblems,
d. h. eines Fehlerquadrat-Optimierungsproblems mit Randbedingungen,
bestimmt. Dieses Fehlerquadrat-Optimierungsproblem kann wie folgt
formuliert werden:
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Dabei
bezeichnet Aact2body eine im Folgenden noch
näher erläuterte Matrix, welche die Aktuatorkräfte in
Beziehung zu den Fahrzeugkarosseriekräften setzt, und Fact bezeichnet die für die erforderlichen
Lenkeinwirkungen an den Vorderrädern und die erforderlichen
Bremseinwirkungen an jedem Rad notwendigen Aktuatorkräfte.
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Fbody bezeichnet die erforderliche Karosseriekraft,
welche aus den nachfolgenden Signalen zusammengesetzt ist:
- – Fahrzeuggiermoment-Anforderungssignal:
Das
Fahrzeuggiermoment-Anforderungssignal stellt das erforderliche,
auf das Kraftfahrzeug einwirkende Giermoment dar. Dabei ist das
Fahrzeuggiermoment-Anforderungssignal insofern inkrementell, als
es nicht das absolute Giermoment angibt, sondern ein zusätzliches
Giermoment bezogen auf den tatsächlichen bzw. aktuellen
Fahrzeugzustand bzw. Zeitpunkt.
- – Lenk-Brems-Verteilungssignal (optional):
Das
Lenk-Brems-Verteilungssignal steht für eine geforderte
Verteilung auf die Lenkaktuatoren und die Bremsaktuatoren. Das Lenk-Brems-Verteilungssignal
ist durch die Größe der Fahrzeuggiermoment-Anforderung
bestimmt, welche durch Einsatz von Lenkeingriffen erzeugt werden
soll. Beispielsweise entspricht ein Wert des Lenk-Brems-Verteilungssignals
von 100% dem ausschließlichen Einsatz von Lenkaktuatoren, und
ein Wert des Signals von 0% entspricht dem ausschließlichen
Einsatz von Bremsaktuatoren.
- – Brems-Verteilungssignal (optional)
Das Brems-Verteilungssignal
steht für die erforderliche Verteilung der Bremskräfte
auf die Vorderachse und die Hinterachse. Das Brems-Verteilungssignal
ist definiert durch die Größe des Giermomentes,
welches an der Vorderachse erzeugt werden sollte. Beispielsweise
entspricht ein Wert des Brems-Verteilungssignals von 100% einem
ausschließlich an der Vorderachse vorgenommenen Bremsvorgang,
und ein Wert des Signals von 50% entspricht einem gleichermaßen
an der Vorderachse und der Hinterachse vorgenommenen Bremsvorgang.
- – Längskraft-Anforderungssignal (optional)
Das
Längskraft-Anforderungssignal steht für eine erforderliche
Bremskraft auf das Fahrzeug (d. h. eine negative Beschleunigung).
Idealerweise sollte das Längskraft-Anforderungssignal Null
betragen, da eine Verzögerung bzw. Geschwindigkeitsverringerung
aufgrund von Bremseinwirkungen minimiert werden sollte. Es kann
jedoch in bestimmten Situationen aus Sicherheitsgründen
erforderlich sein, die Fahrzeuggeschwindigkeit rasch zu reduzieren.
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Unter
sämtlichen Fahrzeugkarosseriekraft-Anforderungssignalen
kommt dem Fahrzeuggiermoment-Anforderungssignal die größte
Bedeutung zu. Die übrigen Anforderungssignale können
in einer Standard-Einstellung deaktiviert sein. In dieser Situation
wird die Verteilung vollständig durch die berechneten Reifengradienten
bestimmt. Dies bedeutet, dass die zur Steuerung des Gierverhaltens
des Fahrzeuges effizientesten Aktuatoren verwendet werden. Die weiteren
Anforderungssignale, d. h. das Lenk-Brems-Verteilungssignal, das
Brems-Verteilungssignal und das Längskraft-Anforderungssignal,
können zusammen mit den Aktuatorgrenzwerten Fact.min und
Fact.max dazu verwendet werden, die Leistungsfähigkeit
bzw. das Betriebsverhalten der Regelungsanordnung an weitere Randbedingungen
wie z. B. den Fahrkomfort, die Handling-Eigenschaften und das subjektive
Fahrempfinden anzupassen.
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Die
Aktuatorkräfte sind gegeben durch Fact =
[ΔδF, ΔFx,FL, ΔFx,FR, ΔFx,RL, ΔFx,RR]
und repräsentieren die erforderlichen Lenkeinwirkungen
an den Vorderrädern und die erforderlichen Bremseinwirkungen
an jedem Rad. Alternativ können die Bremseinwirkungen auch
anstelle einer Änderung der Längskraft über Änderungen des
Längs-Bremsschlupfes formuliert werden.
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Die
Matrix Aact2body stellt eine Matrix dar,
welche die Aktuatorkräfte in Beziehung zu den Fahrzeugkarosseriekräften
setzt. Diese Matrix wird mittels der geometrischen Information über
das Fahrzeug und den Reifengradienten, welche im laufenden Betrieb
(online) aus einem statischen/dynamischen Reifenmodell in der Reifengradientberechnung
(CPFD) berechnet werden, ermittelt.
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Gemäß 1 weist
die Anordnung weiter eine Einheit 40 zur Ermittlung eines
für eine relative Änderung der Kontaktflächenkräfte
der Reifen des Fahrzeuges in Bezug auf Lenk- und Bremseingriffe
charakteristischen Reifengradientensignals und zur Übermittlung
dieses Reifengradientensignals an die Verteilungseinheit 30 auf.
Die Reifengradienten stellen die relative Änderung der
Kontaktflächenkräfte in Bezug auf Lenk- und Bremseingriffe
dar. Die Matrix ist somit zeitlich variabel, da sie sich mit einer Änderung
der Fahrbedingungen ändert. Dieses zur Berechnung der Reifengradienten
verwendete Reifenmodell erfordert lediglich eine Erfassung der Nichtlinearität
und des qualitativen Verhaltens der Reifen, jedoch nicht des quantitativen
Verhaltens.
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Die
Größen Fact.min und Fact.max stellen den unteren bzw. den oberen
Grenzwert für Lenk- und Bremseingriffe dar. Diese Signale
können dazu verwendet werden, Aktuatorgrenzen oder eine
Vorab(”a-priori”)-Information bezüglich
der Fahrzeugdynamik zu implementieren (beispielsweise: ”keine
Bremsung an den Hinterrädern in Situationen mit Übersteuerung”).
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Ein
Beispiel für eine Implementierung von Aktuatorgrenzen ist
in Tabelle 1 gezeigt.
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Im
Handling-Bereich werden gemäß Tabelle 1 ausschließlich
Lenkeingriffe dazu verwendet, das Gierverhalten des Fahrzeuges zu
steuern. Im Stabilitätsbereich werden gemäß Tabelle
1 sowohl Lenk- als auch Bremseingriffe dazu verwendet, die Fahrzeugbewegung
zu steuern. Die Lenkeingriffe werden verwendet, solange der laterale
Schwimmwinkel (”slip angle”) αF kleiner ist als αS.
Der Wert αS stellt den Wert des Rad-Schwimmwinkels
dar, bei dem die lateralen Reifenkräfte in Sättigung übergehen.
Dies bedeutet, dass der Fahrer gegenüber Situationen mit
Untersteuerung geschützt ist, da bei Überschreitung
der Sättigungsgrenze, typischerweise bei einem Wert von αS = 10°, zusätzlich Lenkeingriffe
verwendet werden, um das laterale ”Schwimmen” (”lateral
wheel slip”) zu reduzieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Gierregelung kann
in einfacher Weise dahingehend erweitert werden, dass unterschiedliche
aktive Fahrwerkssystems (E-Diff, CDC) vorgesehen sein können.
Wenngleich bei dem Verfahren der Erfindung gemäß dem
beschriebenen Ausführungsbeispiel die erforderlichen longitudinalen
Bremskräfte an den Rädern berechnet werden, können
mittels einer Änderung der Aktuatorgrenzen, d. h. von Fact.min und Fact.max,
auch Traktionskräfte von einem Differentialgetriebe berücksichtigt
werden.
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Zusammenfassend
kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Realisierung
einer Integration in aktiven Fahrwerkssystemen hinsichtlich Lenk-
und Bremseingriffen eingesetzt werden. Durch das Verfahren wird das
gesamte Regelungsverhalten durch Ausnutzung von Synergieeffekten
zwischen den Lenkaktuatoren und den Bremsaktuatoren (d. h. durch
eine Kopplung zwischen longitudinalen und lateralen Reifenkräften)
verbessert. Ferner wird durch das erfindungsgemäße
Verfahren eine Optimierung des Regelungssystems in Bezug auf die
Anforderungen sowohl hinsichtlich des Fahrverhaltens als auch des
subjektiven Fahrempfindens vereinfacht. Durch den modularen Aufbau
werden Flexibilität und Kompatibilität der erfindungsgemäßen
Anordnung gesteigert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1447262
A1 [0006]
- - DE 102005015241 A1 [0007]
