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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Gefahrensituation aufgrund einer Flugphase des Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Als Flugphase eines Fahrzeugs wird dabei verstanden, wenn ein oder mehrere Räder oder sogar das gesamte Fahrzeug den Kontakt zur Straße verloren haben. Dies wird auch aus dem Englischen übernommen als so genannte "Airborne"-Situation bezeichnet und tritt insbesondere beim Überfahren von Hügeln, Rampen oder dergleichen auf, wobei für eine Flugphase die Änderung des Straßenverlaufs in vertikale Richtung, also in Hochachse des Fahrzeugs und damit senkrecht zu der aus Längsachse und Querachse bestimmten Fahrebene entscheidend ist.
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Eine solche Flugphase ist durch ein Abnicken gekennzeichnet, also eine Drehung um die Querachse des Fahrzeugs. Die Vorderräder verlieren in der Regel eher als die Hinterräder den Kontakt zur Straße und tritt dadurch kurzzeitig ein Drehmoment auf.
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Eine solche Flugphase unterscheidet sich von einer so genannten Rollover-Situation dadurch, dass bei den mit dem Begriff "Rollover" verbundenen Überschlägen es primär um Drehbewegungen des Fahrzeugs um die Längsachse, also die Wankdrehrate und deren Aufsummierung zu einem absoluten Wankwinkel sowie das Erreichen eines statischen bzw. dynamischen Kippwinkels geht.
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Während Rollover-Situationen mittlerweile durch eigene Algorithmen teils auf Basis zusätzlich im Fahrzeug angeordneter Drehratensensoren gut erkannt und durch Eingriffe des ESP Systems vermieden sowie bei Unvermeidbarkeit Schutzeinrichtungen aktiviert werden, sind geeignete Maßnahmen für solche Flugphasen bisher kaum diskutiert worden.
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Unfallstatistiken zeigen jedoch, dass eine solche Flugphase oft zu extremem Fehlverhalten des Fahrers und schweren Unfällen mit schweren Verletzungen für die Insassen als auch andere beteiligte Verkehrsteilnehmer führt.
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Aus der
EP 2289753 A1 sind ein Verfahren sowie eine Steuerungseinrichtung zum Erkennen bzw. Plausibilisieren einer solchen Flugphase eines Fahrzeugs zu entnehmen. Dort werden insbesondere geeignete Sensoren und Algorithmen zum Erkennen einer solchen Flugphase auf Basis des Beschleunigungssignals in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs gelehrt. Nachteilig dabei ist, dass die tatsächliche Schwere des zu erwartenden Aufpralls bzw. der Landung auf der Straße anhand dieser Beschleunigungssignale erst sehr spät erkannt werden kann. Zudem kann die Geschwindigkeit im Aufprall nur aus der zeitlichen Länge der Flugphase abgeschätzt werden.
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Zudem sind beispielsweise aus der
DE 37 38 221 C2 auch bereits eine Umgebungserfassungssensorik zum Erkennen von Fahrbahnunebenheiten bekannt, werden hierbei aber weder geeignete Parameter gemessen noch eine drohende Flugphase daraus abgeleitet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren anzugeben, durch welches insbesondere die Schwere des Aufpralls und damit eine Gefahrensituation für die Insassen aufgrund einer Flugphase des Fahrzeugs erkannt wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass zumindest ab dem Aufprall am Ende der Flugphase zumindest einer, vorzugsweise aber beide der folgenden Parameter erfasst werden und zwar die Nickbewegung des Fahrzeugs um die Querachse als auch die Bewegung des Fahrzeugs in Hochachse des Fahrzeugs und diese Parameter oder daraus abgeleitete Größen bewertet werden. Beide Größen hängen neben dem während der Flugphase erreichten Nickwinkel des Fahrzeugs stark von der Neigung des Untergrunds im Aufprallmoment ab. Die Nickbewegung des Fahrzeugs beim Aufprall kann in erheblichem Maße die Insassen aus den Sitzen schleudern und verletzen, ohne dass dabei erhebliche Beschleunigungen in Fahrtrichtung auftreten müssten. Dies gilt ebenso für die Beschleunigung in Hochachse, denn bei einem in der Flugphase stark abnickenden Fahrzeug wird die ursprüngliche Geschwindigkeit in Fahrtrichtung über Grund, also parallel zur Horizontlinie zu einer Beschleunigung in Hochachse des Fahrzeugs und daher bei einem Aufprall in erheblichem Umfang auch dieser bisher beim Insassenschutz klassischer Weise nicht berücksichtigte Anteil maßgeblich.
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Während der Flugphase baut sich zudem eine Geschwindigkeit in horizontaler Richtung auf, die beim Aufprall wieder abgebaut werden muss. Diese Beschleunigung und die starke Nickbewegung beim Aufprall führen zu einer schnellen und starken Verlagerung der Insassen.
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Es ist auch darauf hinzuweisen, dass diese Parameter vereinzelt für die Bewertung von Überschlagssituationen bereits berücksichtigt werden, dort in der Regel aber nicht auslöseentscheidend sind.
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Zudem beeinflusst der Verlauf der Straße bzw. des Untergrunds nicht unerheblich die Schwere des Aufpralls. Dies kann durch jeden der beiden Parameter, vorzugsweise jedoch beide gemeinsam am wirksamsten berücksichtigt werden.
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Die Nickbewegung wird dabei vorzugsweise als Nickdrehrate erfasst und deren zeitliche Änderung bewertet.
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Die Bewegung in Hochachse des Fahrzeugs wird beispielsweise zumindest ab dem Aufprall als Beschleunigung in Hochachse über ein Zeitfenster integriert bzw. Abtastwerte summiert und die daraus resultierende Geschwindigkeitsänderung bewertet.
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Vorzugsweise wird zusätzlich die Bewegung in Längsrichtung des Fahrzeugs erfasst und bewertet, vorzugsweise über ein Zeitfenster integriert bzw. Abtastwerte aufsummiert und die daraus resultierende Geschwindigkeitsänderung bewertet wird.
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Zudem ergibt sich dann die Möglichkeit, aus der Bewegung des Fahrzeugs in Längsrichtung und Hochachse des Fahrzeugs einen Bewegungsvektor zu ermitteln und dessen Betrag und Richtung zu bewerten.
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Die während der Flugphase vor dem Aufprall aufgebaute Geschwindigkeit des Fahrzeugs wird zumindest in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs, vorzugsweise auch in Längsrichtung oder als Richtungsvektor aus Längs- und Hochachse ermittelt und berücksichtigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 maßgebliche physikalische Größen bei einem Airborne-Fall
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2 maßgebliche physikalische Größen bei einem Nichtauslösefall
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3 maßgebliche physikalische Größen bei einem ODB-Zusammenstoß
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Die 1 zeigt dabei eine Flugphase mit anschließender Landung bei ca. 600 ms. 2 zeigt einen so genannten ATZ-Test, also einen Schrittgeschwindigkeitsaufprall (ca 15 km/h), welcher gerade noch als Nichtauslösefall eingestuft wird. 3 zeigt einen so genannten Offset Deformable Barrier(ODB)-Test, welcher die weichste Form eines Auslösefalls darstellt, bei dem das Fahrzeug mit ca 40 km/h und versetzt, also nicht mit voller Fahrzeugbreite, eine deformierbare Barriere vergleichbar dem Frontend eines anderen Fahrzeugs trifft.
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Die 1–3 zeigen die maßgeblichen physikalischen Größen, und zwar jeweils in der obersten Zeile die Beschleunigungen (bezogen auf das Inertialsystem des Fahrzeugs und angegeben in g-Einheiten der Erdbeschleunigung), in der mittleren Zeile die Drehraten um die X-, Y- und Z-Achse (bezogen auf das Inertialsystem des Fahrzeugs und angegeben in Grad je Sekunde) und in der untersten Zeile jeweils die zu einer Geschwindigkeitsänderung integrierte Beschleunigung jeweils in km/h. Hervorzuheben ist dabei der durchaus unterschiedliche Maßstab. Die Messwerte sind real und beispielhaft herausgegriffen, können aber natürlich von Versuch zu Versuch und Fahrzeug zu Fahrzeug abweichen, bestätigen die Versuche aber die Ansätze dieser Erfindung.
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Bezeichnet mit X ist die Beschleunigung in X-Richtung, also in Fahrtrichtung, mit Y die Beschleunigung in Y-Richtung, also in Querrichtung zum Fahrzeug und mit die Beschleunigung in Z-Richtung, das heißt in Hochachse des Fahrzeugs.
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Bezeichnet als Roll ist also die Drehrate um die X-Achse, auch Wankdrehrate genannt, als Pitch die Drehrate um die Y-Achse, auch Nickdrehrate genannt, und als Yaw die Drehrate um die Z-Achse, auch Gierdrehrate genannt.
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Mit Int X wird also die Geschwindigkeitsänderung in Fahrtrichtung gezeigt, mit Int Y die Geschwindigkeitsänderung in Querrichtung und mit Int Z die Geschwindigkeitsänderung in Hochachse.
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1 zeigt die maßgeblichen physikalischen Größen während einer Flugphase und der nachfolgenden Landung, welche in etwa bei 600 ms erfolgt. Betrachtet man zunächst die gemessenen Beschleunigungen in X-, Y- und Z-Richtung, so ist festzustellen, dass in alle 3 Achsen Beschleunigungen auftreten, welche in ihrer Höhe durchaus miteinander vergleichbar sind, jedoch sowohl in X Richtung als auch in Z-Richtung ein unsymmetrische Ausprägung festzustellen ist, während die Schwingungen in Y Richtung sehr symmetrisch sind.
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Vergleicht man dazu jedoch die Beschleunigungen in den 2 und 3, so ist festzustellen, dass insbesondere die Beschleunigung in Z-Richtung, also in Hochachse, sowohl bei dem Nichtauslösefall gemäß 2 als auch dem Auslösefall gemäß 3 den Absolutwert von 4G fast nie übersteigt, während in 1 im Moment der Landung über 10 G festzustellen sind.
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Noch deutlicher wird dies in einem Vergleich der Geschwindigkeitsänderungen, wie sie in den 1–3 jeweils in der untersten Zeile dargestellt sind. Betrachtet man die Geschwindigkeitsänderungen in Z-Richtung (Int Z in den 1–3), so fällt in 1 zunächst auf, dass sich bis zur Landung eine Geschwindigkeitsänderung von ca. 15km/h eingestellt hat, was auch der tatsächlichen Fallgeschwindigkeit. 9.81m/(s^2)·0.5 s = 17.7 km/h für diese Falldauer von 0,5 sec. entspricht. Dies liegt daran, dass der Beschleunigungssensor in Hochachse, also Z-Richtung, bei stehendem bzw. normal fahrendem Fahrzeug ja permanent der Erdbeschleunigung ausgesetzt und somit dieser Wert von –1g durch eine permanente Offset Korrektur eliminiert wird. Fliegt nun das Fahrzeug, so erzeugt eben diese Offsetkorrektur eine Verschiebung des Signals um 1g, obwohl das Fahrzeug während der Flugphase eigentlich natürlich gerade beschleunigungsfrei ist.
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Für die Erfindung maßgeblich ist jedoch die Geschwindigkeitsänderung nach der Landung, d.h. der Geschwindigkeitsabbau in entgegengesetzte Richtung, also zurück zu Null. Dieser Zeitpunkt ist aufgrund der hohen momentanen Beschleunigung in Z-Richtung auch gut zu erkennen und als Startzeitpunkt für eine Zeitfensterintegration verwendbar.
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Dabei wird, wie in 1 an Int Z gezeigt, in wenigen Millisekunden gut 10 km/h, d.h. in etwa die entstandene Fallgeschwindigkeit abgebaut. Vergleicht man diesen wiederum mit den 2 und 3, so ist festzustellen, dass eine solche stärker selbst bei einem Fahrzeugzusammenstoß gemäß 3 nicht auftritt.
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Zwar steigt in 1 auch mit der Landung des Fahrzeuges nach der Flugphase die Geschwindigkeitsänderung in X Richtung deutlich an, jedoch nur in einem Maße (ca 15 km/h), wie dies mit dem Nichtauslösefall gemäß 2 vergleichbar ist und eben nicht die Stärke erreicht, wie in 3 für den Auslösefall (>40 km/h) gezeigt. Sich auf die konventionellen Algorithmen zur Frontcrasherkennung zu verlassen reicht also für den Insassenschutz bei einer Landung nach einer Flugphase nicht aus.
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Es ist daher zu empfehlen, dass zumindest ab dem Aufprall die Beschleunigung in Hochachse über ein Zeitfenster integriert bzw. Abtastwerte aufsummiert und die daraus resultierende Geschwindigkeitsänderung bewertet wird. Der Zeitpunkt des Aufpralls kann dabei beispielsweise aus dem Beschleunigungssignal in Z-Richtung unmittelbar ermittelt werden, indem diese mit einer Schwelle verglichen wird. Alternativ könnte auch die Ableitung der Beschleunigung, also die Änderung oder die Beschleunigung selbst bewertet werden.
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Vorzugsweise wird zusätzlich die Bewegung in Längsrichtung des Fahrzeugs mit erfasst und bewertet. So kann dann beispielsweise auch aus der Bewegung des Fahrzeugs in Längsrichtung und Hochachse des Fahrzeugs ein Bewegungsvektor ermittelt und dessen Betrag und Richtung bewertet werden. Alternativ können die einzelnen Richtungen separate Gefahrenwertbeiträge bilden und diese summiert und insgesamt bewertet werden.
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Zudem kann die während der Flugphase vor dem Aufprall aufgebaute Geschwindigkeit des Fahrzeugs zumindest in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs, vorzugsweise auch in Längsrichtung oder als Richtungsvektor aus Längs- und Hochachse ermittelt und berücksichtigt werden. Diese Geschwindigkeit kann beispielweise in Relation zu dem Geschwindigkeitsabbau nach dem Aufprall gesetzt werden bzw. umgekehrt. Die aufgebaute Geschwindigkeit kann auch einen eigenen Gefahrenwertbeitrag darstellen und so in die Beurteilung eingehen.
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Nun sollen noch auf die Nickbewegung des Fahrzeugs, also dessen Drehung um die Querachse eingegangen werden, welche ebenfalls in den konventionellen Algorithmen zur Frontcrasherkennung keine Rolle spielt, jedoch für die Gefährdung des Fahrzeuginsassen bei einer Landung nach einer Flugphase erheblich ist und zu Schleudertraumata, Kopfverletzungen und dergleichen führen kann. Maßgeblich ist dabei jeweils die in den 1 bis 3 in der mittleren Zeile im mittleren Feld mit Pitch bezeichnete gezeigte Drehrate um die Querachse. Während der Flugphase kommt es meist schon zu einem Abnicken des Fahrzeugs, also einer Nickbewegung der Fahrzeugvorderseite zur Fahrbahn hin, also in negative Richtung, auf jeden Fall jedoch die bei der Landung durch das Aufsetzen zunächst der Vorderräder zu einer erheblichen Gegenbewegung, d.h. hohen Drehratenwerten in positive Richtung führt.
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Vergleicht man die Stärke dieser Drehrate bei der Landung nun mit den Werten aus 2 und 3, so wird sofort erkennbar, dass in 1 nahezu das Zehnfache an Nickdrehrate erreicht wird. Die Nickbewegung ist also für die Gefahrenbewertung bei einer Landung nach einer Flugphase sehr hilfreich.
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Da sich die Nickdrehrate im Aufprall auch noch innerhalb kürzester Zeit ändert, ist für die Bewertung der Nickbewegung des Fahrzeugs um die Querachse deren zeitliche Änderung besonders gut eignet.
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Die Nickbewegung des Fahrzeugs um die Querachse als auch die Bewegung des Fahrzeugs in Hochachse des Fahrzeugs stellen somit eine sinnvolle Ergänzung zur Gefahrenbewertung dar. Jede der beiden Größen stellt für sich genommen einen Fortschritt gegenüber den herkömmlichen Algorithmen dar, besonders bevorzugt ist aber die Berücksichtigung beider Größen. Dazu können beispielsweise aus Nickbewegung des Fahrzeugs um die Querachse als auch aus der Bewegung des Fahrzeugs in Hochachse Gefahrenwertbeiträge abgeleitet werden, eventuell noch weitere Größen wie bspw. die Bewegung in X-Richtung mit einfließen und so ein Gesamtgefahrenwert ermittelt und anhand diesem Schutzeinrichtungen ausgelöst werden.
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Wird während der Flugphase neben der Bewegung des Fahrzeugs in Längsrichtung und Hochachse des Fahrzeugs die Nickrate berücksichtigt, kann daraus der Auftreffwinkel abgeschätzt werden, welcher ebenfalls für die Schwere des Aufpralls erheblich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2289753 A1 [0007]
- DE 3738221 C2 [0008]
