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Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Sensorsystem zum Erfassen mindestens einer Betätigungsgröße eines Pedals vorzuschlagen, welches relativ kostengünstig ist und/oder eine relativ präzise bzw. genaue Messung dieser Betätigungsgröße ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Sensorsystem gemäß Anspruch 1.
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Unter einer Betätigungsgröße des Pedals wird bevorzugt eine Auslenkung des Pedals und/oder eine Beschleunigung des Pedals und/oder eine Krafteinwirkung auf das Pedal bzw. eine Betätigungskraft des Pedals verstanden.
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Es ist bevorzugt, dass die erste Betätigungsgröße und die zweite Betätigungsgröße identisch sind, da dies die Messung vereinfacht.
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Das Pedal ist vorzugsweise als Bremspedal ausgebildet.
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Es ist zweckmäßig, dass sich der erste und der zweite Messbereich ganz oder teilweise überschneiden. Dadurch wird in den Überschneidungsbereichen eine Plausibilisierung bzw. eine Redundanz der Messung ermöglicht.
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Es ist bevorzugt, dass innerhalb der Überschneidung des ersten und des zweiten Messbereichs neben dem Ausgangssignal des ersten Sensorelements auch das Ausgangssignal des zweiten Sensorelements von der Signalverarbeitungseinheit verarbeitet wird und die Signalverarbeitungseinheit so ausgebildet ist, dass eine Plausibilisierung mittels dieser beiden Ausgangssignale durchgeführt wird.
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Unter einem Auflösungsvermögen eines Sensorelementes wird bevorzugt die Genauigkeit mit der eine Messung durch das Sensorelement höchstens erfolgen kann, bzw. das Ausmaß verstanden, in dem das Sensorelement in der Lage ist, feine Unterschiede im zeitlichen und/oder räumlichen Verlauf einer Messgröße erfassen zu können.
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Es ist bevorzugt, dass das Auflösungsvermögen des ersten Sensorelements hinsichtlich der ersten Betätigungsgröße in dem ersten Messbereich sich unterscheidet von dem Auflösungsvermögen des zweiten Sensorelements hinsichtlich der zweiten Betätigungsgröße in dem zweiten Messbereich. Insbesondere sind das erste und das zweite Sensorelement so ausgebildet, dass ihre Auflösungsvermögen jeweils an die Änderung der jeweiligen, insbesondere ersten bzw. zweiten, Betätigungsgröße des Pedals im Verhältnis zur Änderung der Auslenkung des Pedals angepasst sind. Besonders bevorzugt sind das erste und das zweite Sensorelement so ausgebildet, dass das Auflösungsvermögen des ersten Sensorelements an den Zusammenhang zwischen Betätigungskraft des Pedals und Auslenkung des Pedals bzw. die Kraft-Weg-Kennlinie der Pedalbetätigung in dem ersten Messbereich hinsichtlich der Pedalauslenkung angepasst ist bzw. davon abhängig ist, und wobei das Auflösungsvermögen des zweiten Sensorelements an den Zusammenhang zwischen Betätigungskraft des Pedals und Auslenkung des Pedals bzw. die Kraft-Weg-Kennlinie der Pedalbetätigung in dem zweiten Messbereich hinsichtlich der Pedalauslenkung angepasst ist bzw. davon abhängig ist. Die beschriebene Anpassung hat den Vorteil, dass effizientere, kostengünstigere Sensorelemente eingesetzt werden können.
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Es ist bevorzugt, dass das erste und das zweite Sensorelement unterschiedliche Messprinzipien aufweisen bzw. dass das erste und das zweite Sensorelement so ausgebildet sind, dass sie die erste und die zweite Betätigungsgröße mittels unterschiedlicher Messprinzipien erfassen bzw. unterschiedliche physikalische Messprinzipien und/oder Wandlerprinzipien zur Erfassung der jeweiligen Betätigungsgröße nutzen. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit, dass beide Sensorelemente aufgrund einer gemeinsamen Ursache fehlerhafte Messwerte liefern und kann außerdem eine präzisere Erfassung der Betätigungsgrößen ermöglichen.
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Es ist zweckmäßig, dass das erste und/oder das zweite Sensorelement als Weg- und/oder Winkelsensor ausgebildet ist/sind. Insbesondere ist das erste Sensorelement als Wegsensor und das zweite Sensorelement als Winkelsensor ausgebildet.
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Vorzugsweise ist der wenigstens eine Winkelsensor als magnetischer und/oder induktiver Winkelsensor ausgebildet.
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Es ist bevorzugt, dass das erste und/oder das zweite Sensorelement als Kraftsensor ausgebildet sind. Insbesondere ist der mindestens eine Kraftsensor dabei als piezoresistiver oder dehnungssensitiver Kraftsensor ausgebildet.
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Das Sensorsystem ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass das erste Sensorelement als Weg- und/oder Winkelsensor ausgebildet ist und das zweite Sensorelement als Kraftsensor ausgebildet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinheit so ausgebildet ist, dass in dem ersten und/oder zweiten Messbereich hinsichtlich der Auslenkung des Pedals die wenigstens eine Betätigungsgröße von dem ersten und dem zweiten Sensorelement gemeinsam erfasst wird, wobei insbesondere diese gemeinsame Erfassung hinsichtlich eines der Sensorelemente durch eine Erfassung dieser Betätigungsgröße mittels der Erfassung einer von dieser Betätigungsgröße abhängigen anderen Betätigungsgröße erfolgt, wobei das Ausgangssignal des ersten oder des zweiten Sensorelements maßgeblich und/oder alleinig und/oder gewichtet zur Berechnung dieser Betätigungsgröße in dem jeweiligen, insbesondere ersten oder zweiten Messbereich, in der Signalverarbeitungseinheit genutzt wird und dabei das Ausgangssignal des zweiten oder ersten Sensorelements, also insbesondere des anderen Sensorelements, nicht oder nur im Fall dass das erste oder zweite Sensorelement ausfällt und/oder nicht funktionsfähig ist, genutzt wird oder zur Plausibilisierung oder mit einer geringeren Gewichtung genutzt wird. Es ist besonders bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinheit so ausgebildet ist, dass im Grenzbereich und/oder Überlappungsbereich zwischen erstem und zweitem Messbereich die Nutzung des Ausgangssignals des ersten oder zweiten Sensorelements als maßgebliches Ausgangssignal durch die Signalverarbeitungseinheit bei der Berechnung einer Betätigungsgröße in dem ersten oder zweiten Messbereich so definiert ist, dass in dem Grenzbereich und/oder Überlappungsbereich der Wechsels und/oder die Bestimmung und/oder die Definition, welches der beiden Ausgangssignale das maßgebliche Ausgangssignal ist, einer Hysterese folgt und/oder einer Hysterese entspricht. Es ist ganz besonders bevorzugt, dass die Ausdehnung und/oder Ausprägung der Hysterese in dem Grenzbereich und/oder Überlappungsbereich zwischen dem ersten und zweiten Messbereich im Wesentlichen einem Auflösungsschritt, insbesondere höchstens einem Auflösungsschritt, eines der Sensorelemente bezüglich seiner erfassten Betätigungsgröße und/oder der Auslenkung des Pedals entspricht.
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Vorzugsweise umfassen das wenigstens eine oder das erste und das zweite Sensorelement eine Signalvorverarbeitungseinheit, welche das Ausgangssignal bereitstellt und von welcher insbesondere zusätzlich zur Ausbildung eines sensitiven Wandlerelements das Auflösungsvermögen des Sensorelements abhängig ist.
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Es ist bevorzugt, dass sich die Kraft-Weg-Kennlinie der Auslenkung des Pedals in einen Bereich mit einem flacheren Anstieg und einen Bereich mit einem steileren Anstieg unterteilen lässt, wobei dem flacheren Anstieg ein Positionssensor und dem steileren Anstieg ein Kraftsensor zugeordnet ist. Auf diese Weise wird die jeweils gemessene Größe im Bereich ihrer größten Änderung erfasst, was eine effiziente Arbeitsweise der Sensorelemente ermöglicht und so den Einsatz einfacher, kostengünstiger Sensorelemente erlaubt.
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Unter der Ausbildung eines Sensorelements oder Sensors wird zweckmäßigerweise seine Auslegung, insbesondere hardwaretechnische Auslegung, verstanden.
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Es ist bevorzugt, dass der erste Messbereich hinsichtlich der Auslenkung des Pedals als der Messbereich definiert ist, in welchen das Pedal unmittelbar nach seiner Auslenkung aus der Ausgangslage bzw. Ruheposition bzw. unbetätigten Position eintritt. Alternativ vorzugsweise ist die Ausgangslage bzw. Ruheposition bzw. unbetätigten Position Teil des ersten Messbereichs.
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Unter dem Erfassen einer Betätigungsgröße eines Pedals durch ein Sensorelement wird vorzugsweise verstanden, dass das Sensorelement eine Betätigungsinformation bereitstellt, welche abhängig ist von der erfassten Betätigungsgröße. Dabei ist diese Betätigungsinformation insbesondere ein direktes Maß für die physikalische Größe der erfassten Betätigungsgröße oder ist von der erfassten Betätigungsgröße abhängig und ist dabei ein Maß für eine andere physikalische Größe, die mit der physikalischen Größe der Betätigungsgröße zusammenhängt bzw. von dieser abhängt. Das Ausgangssignal eines Sensorelements enthält bzw. codiert dabei insbesondere diese Betätigungsinformation. Das Bereitstellen der Betätigungsinformation durch das Sensorelement in Abhängigkeit der erfassten Betätigungsgröße basiert besonders bevorzugt auf dem physikalischen Messprinzip des Sensorelements und ist dabei insbesondere zusätzlich abhängig von der Signalvorverarbeitungseinrichtung des Sensorelements.
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Es ist bevorzugt, dass das Sensorsystem charakteristische Punkte der Kraft-Weg-Kennlinie, wie die Nullposition oder den Maximalweg, zur Kalibrierung der Signalverarbeitungseinheit hinsichtlich der Signalverarbeitung der Ausgangssignale des ersten und zweiten Sensorelement bzw. zur gegenseitigen Kalibrierung der mindestens zwei Sensorelemente nutzt.
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Es ist zweckmäßig, dass das Pedal Teil eines Pedalsystems ist, das aus dem Pedal und eines drehbar am Arm des Pedals gelagerten Koppelelements mit angeschlossener Koppelstange besteht und dass der Winkelsensor die relative Winkelbewegung zwischen dem Arm des Pedals und der Koppelstange des Pedalsystems misst. Unter einem Koppelelement wird dabei eine drehbare aber druck- und zugsteife Verbindung der Koppelstange zum Pedalarm verstanden.
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Es ist bevorzugt, dass das Koppelelement kugelförmig oder flach oder gabelförmig ausgeführt ist.
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Das Sensorsystem ist insbesondere so weitergebildet, dass im Bereich der Lagerung des Koppelelements am Arm des Pedals, insbesondere an einem Befestigungsbolzen, ein Encoder angebracht ist, den der Winkelsensor zum Erfassen der Betätigung des Pedals abtastet. Bei einer Vielzahl möglicher neuer Pedalsysteme kann diese Anordnung des Sensorsystems ohne große Einschränkungen eine Gemeinsamkeit dieser Sensorsysteme bilden und den Entwicklungsaufwand verringern.
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Es ist zweckmäßig, dass das Pedal Teil eines Pedalsystems ist, das aus dem Pedal und einem drehbar am Arm des Pedals gelagerten Koppelelement mit angeschlossener Koppelstange besteht und dass der Kraftsensor in das Koppelelement oder die Koppelstange des Pedalsystems integriert ist oder auf das Koppelelement oder die Koppelstange aufgebracht bzw. aufgeklebt ist. Auch dies kann den Entwicklungsaufwand neuer Pedalsysteme verringern, sofern die Anordnung des Kraftsensors bei diesen Pedalsystemen näherungsweise übereinstimmt.
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Das Sensorsystem ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Auswerteelektronik auf der Koppelstange platziert ist. Insbesondere ist dabei die Auswerteelektronik über ein flexibles Kabel an das Fahrzeugsystem angebunden.
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Außerdem betrifft die Erfindung auch die Verwendung des Sensorsystems in Kraftfahrzeugen, insbesondere in einem Kraftfahrzeugbremssystem zur Erfassung der Auslenkung bzw. wenigstens einer Betätigungsgröße eines Bremspedals, besonders bevorzugt eines Bremspedals, das Teil eines Systems zur Kraftrückmeldung bzw. Betätigungssimulation ist, beispielsweise in einem so genannten „Force Feedback Pedal“.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung
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1 ein erfindungsgemäßes Sensorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem schematisch dargestellten Pedalsystem,
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2 eine andere Darstellung der Koppelvorrichtung des Pedalsystems aus 1
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3 ein Diagramm mit einer beispielhaften Kraft-Weg-Kennlinie des Pedalsystems aus 1
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Das in 1 gezeigte Pedalsystem 1 befindet sich in einem unbetätigten Zustand und weist neben einem erfindungsgemäßen Sensorsystem 2 ein Pedal 3 und eine Koppelvorrichtung 4 auf.
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Das Pedal 3 setzt sich aus einer Trittfläche 31 und einem mit der Trittfläche verbundenen Arm 32 des Pedals 3 zusammen. Der Arm 32 weist ein erstes Drehlager 33 auf, das sich an dem von der Trittfläche 31 abgewandten Ende des Arms 32 befindet und eine drehbare Lagerung des Pedals 3 an einem nicht dargestellten Fahrzeug ermöglicht. Ein zweites Drehlager 34 dient der Kopplung des Pedals 3 mit der Koppelvorrichtung 4. Die Koppelvorrichtung 4 weist ein Koppelelement 41 sowie eine Koppelstange 42 auf.
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Bei Betätigung des Pedals 3, beispielsweise durch einen nicht dargestellten Fahrer, der in einer Betätigungsrichtung 35 eine Kraft ausübt, nimmt die Trittfläche 31 die Kraft auf und das Pedal 3 vollzieht eine nicht dargestellte Drehbewegung um die Achse des ersten Drehlagers 33. Das über das zweite Drehlager 34 an das Pedal 3 gekoppelte Koppelelement 41 erfährt dabei eine nicht dargestellte Kraft in tangentialer Richtung zur Drehbewegung des Pedals 3, aus der zum Einen eine Bewegung 43 der Koppelvorrichtung in axialer Richtung entsteht. Zum Anderen resultiert relativ zu dem Pedal eine Drehung 44 der Koppelvorrichtung 4.
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Ein Winkelsensor 21 als Teil des Sensorsystems 2 befindet sich im Bereich des zweiten Drehlagers 34 und erfasst die relative Drehbewegung 44 des Koppelelements 41 zu dem Pedal 3, in dem ein fest mit dem Pedal 3 verbundener Maßstab im Bereich des zweiten Drehlagers 34, beispielsweise in Form eines magnetischen oder optischen Encoders, von einem beispielsweise magnetischen oder optischen Sensorelement erfasst wird. Aufgrund des eindeutigen Zusammenhangs zwischen dem Winkel dieser Drehbewegung 44 und der axialen Position in der Bewegungsrichtung 43 der Koppelstange 42 kann der von dem Winkelsensor 21 erfasste Wert als Maß für die Betätigung des Pedals 3 herangezogen werden.
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Ein Kraftsensor 22 ist ebenfalls Teil des Sensorsystems 2. Er ist in bzw. an das Koppelelement 41 oder die Koppelstange 42 integriert und beispielsweise als Dehnmessstreifen oder piezoresistives Element ausgebildet. Der so erfasste Wert der axial auf Koppelstange 42 bzw. Koppelelement 41 wirkenden Kraft liefert ebenfalls ein Maß für die Betätigung des Pedals 3.
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Eine nicht gezeigte Signalverarbeitungseinheit, die beispielsweise auf der Koppelstange 42 befestigt und über ein flexibles Kabel mit einer Bremsenelektronik bzw. einem Fahrzeugsystem verbunden sein kann, verarbeitet die Signale des Winkel- und des Kraftsensors 21, 22.
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In 2 ist die Koppelvorrichtung 4 zusammen mit einem Bremskolbengehäuse 45 zu sehen, in dem die Koppelstange 42 an einem Ende gelagert ist. Durch die axiale Bewegung der Koppelstange 42 in Richtung des Bremskolbengehäuses 45 kann in diesem beispielsweise durch Komprimieren einer Bremsflüssigkeit Druck erzeugt werden. Das Koppelelement 41 am anderen Ende der Koppelstange 42 dient der drehbaren Anbindung der Koppelvorrichtung 4 an das Pedal 3 über das zweite Drehlager 34 aus 1.
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Der Winkel- und der Kraftsensor 21, 22 des Sensorsystems 2 sind in ihrem Auflösungsvermögen an das in 3 gezeigte Diagramm 5 mit einer Kraftachse 51 und einer Wegachse 52 angepasst, das mit einer Kraft-Weg-Kennlinie 53 den Zusammenhang der in der Koppelvorrichtung 4 wirkenden Kraft und des von der Koppelvorrichtung 4 zurückgelegten Weges in axialer Richtung wiedergibt. Entlang der Kraft-Weg-Kennlinie 53 ist einer bestimmten Änderung des zurückgelegten Weges in einem ersten Messbereich 54 eine geringere Änderung der Kraft zugeordnet als in einem zweiten Messbereich 55, der ab einem Punkt im Grenzbereich 56 auf der Weg-Achse beginnt.
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Wird das Pedal aus der in 1 gezeigten unbetätigten Position heraus betätigt, wird der zurückgelegte Weg der dadurch bewegten Koppelvorrichtung 4 in der Signalverarbeitungseinheit aus dem von dem Winkelsensor 21 erfassten Winkel berechnet. Das Auflösungsvermögen des Winkelsensors 21 ist dabei an den ersten Messbereich 54 angepasst, der die Bewegung des Pedalsystems von der unbetätigten Position bis zu dem Grenzbereich 56 betrifft.
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Wird das Pedal 3 über die Wechselposition 56 hinaus in den zweiten Messbereich 55 weiter bewegt, übernimmt der Kraftsensor 22 die Bestimmung des zurückgelegten Weges der Koppelvorrichtung 4. Dazu wird aus den Signalen des Kraftsensors 22 in der Signalverarbeitungseinheit mit Hilfe des bekannten und in dem Diagramm 5 dargestellten Kraft-Weg-Zusammenhangs der zurückgelegte Weg berechnet.
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Für jeden Punkt auf der Weg-Achse 52 des Diagramms, bzw. für jede Position des Pedals 3, erhält die Signalverarbeitungseinheit sowohl von dem Winkelsensor 21 als auch von dem Kraftsensor 22 je ein Messsignal. Während das Signal des Winkelsensors 21 innerhalb des ersten Messbereichs 54 von der Signalverarbeitungseinheit als maßgebliches Messsignal zum Bestimmen des von dem Pedal 3 zurückgelegten Weges genutzt wird, dient das Signal des Kraftsensors 22 im ersten Messbereich 54 als redundantes bzw. plausibilisierendes Signal. Demzufolge ist es möglich, durch Vergleich der beiden Signalwerte in der Signalverarbeitungseinheit, Fehler in den Sensoren 21, 22 zu erkennen bzw. bei Ausfall des Winkelsensors 21 die Signale des Kraftsensors 22 auch im ersten Messbereich 54 zur Bestimmung der Auslenkung des Pedals 3 zu verwenden. Da die Auflösung des Kraftsensors 22 auf den zweiten Messbereich 55 angepasst ist, weisen dessen Messsignale im ersten Messbereich 54 eine geringere Genauigkeit als die eines fehlerfrei arbeitenden Winkelsensors 21 auf. Um die Sicherheit zu gewähren kann auf diese Weise jedoch bis zur Wiederherstellung der Funktionstüchtigkeit des Winkelsensors 21 eine grobe Erfassung der Auslenkung des Pedals 3 gewährleistet werden.
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Innerhalb des zweiten Messbereiches verhalten sich Kraftsensor 22 und Winkelsensor 21 analog, wobei der Kraftsensor 22 das maßgebliche Signal und der Winkelsensor 21 das redundante bzw. plausibilisierende Signal aussendet.
