DE102016217105A1

DE102016217105A1 - Verfahren zum Ansteuern eines Insassenschutzsystems eines Fahrzeugs und Steuergerät

Info

Publication number: DE102016217105A1
Application number: DE102016217105.4A
Authority: DE
Inventors: Heiko Freienstein; Henning Hoepfner; Gian Antonio D'Addetta; Josef Kolatschek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-03-08
Also published as: CN107804264B; US10493935B2; US20180065580A1; CN107804264A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Insassenschutzsystems (204) eines Fahrzeugs (200). Dabei werden zumindest ein eine Beschleunigung des Fahrzeugs (200) repräsentierender Fahrzeugbeschleunigungswert und zumindest ein Modellparameter eines Insassenmodells (214), durch das ein Insasse (212) des Fahrzeugs (200) durch zumindest zwei, insbesondere drei Massepunkte (216, 218, 220) repräsentiert wird, eingelesen. Der Fahrzeugbeschleunigungswert und der Modellparameter werden verarbeitet, um zumindest einen auf die zwei, insbesondere drei Massepunkte (216, 218, 220) bezogenen Bewegungsparameter zu bestimmen. Schließlich wird unter Verwendung des Bewegungsparameters ein Ansteuersignal (222) zum Ansteuern des Insassenschutzsystems (204) erzeugt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Seit Einführung der gesetzlichen Gurtanlegepflicht im Jahre 1977 sowie der Einführung des Sicherheitsgurts in den 1970er Jahren und des Airbags in den 1980er Jahren konnte die Zahl der Getöteten von jährlich 21.000 auf jährlich 3.500 deutlich reduziert werden. Neben anderen Rückhaltesystemen ist der Gurt für nahezu 75 bis 80 Prozent der Rückhaltewirkung für den Insassen im Falle eines Unfalls verantwortlich. Eine Weiterentwicklung in diesem Bereich war die Einführung von Systemen mit irreversiblen Gurtstraffern Mitte der 1980er Jahre. In den letzten Jahren wurde an Systemen gearbeitet, die mit ihren Konzepten einem Unfall vorbeugen und die Unfallschwere mildern sollen. Dabei wurden Systeme entwickelt, die von der Innenraumsensierung bis zu sogenannten Pre-Crash-Erfassungssystemen reichen.
Um den Insassen bei einem Unfall möglichst frühzeitig an die Fahrzeugverzögerung anzukoppeln, kann beispielsweise die überschüssige Gurtlose, z. B. aus dicker Kleidung oder komfortbedingt, durch eine pyrotechnische Straffung nach Kollisionsbeginn beseitigt werden. Neuerdings werden reversible mechanische Aktuatoren als Gurtstraffer eingesetzt, die in einer kritischen Fahrsituation oder durch Umfeldsensierung aktiviert werden können und die überflüssige Gurtlose sehr effektiv beseitigen können, da sie vor der Kollision zum Einsatz kommen. Kommt es dennoch zu einer Kollision, kann beispielsweise zusätzlich die pyrotechnische Gurtstraffung aktiviert werden. Dadurch kann eine noch frühere Ankopplung des Insassen gewährleistet werden.
Durch die gezielte Ankopplung des Insassen an eine Fahrzeugverzögerung kann es für den Insassen zu sehr starken Belastungen, vorwiegend im Kopf- und Thoraxbereich, kommen. Diese Belastungsspitzen können beispielsweise durch Gurtkraftbegrenzer reduziert werden. Das Prinzip dabei basiert auf der Freigabe von Gurtband ab einer bestimmten Gurtbandkraft, beispielsweise ab einem Kraftniveau im Bereich von 2 bis 3 kN. Generell kann die Kraftbegrenzung durch mechanische Energiewandlungsprinzipien erfolgen, beispielsweise durch Zerstörung, etwa durch Reißnähte am Gurtband oder Reißbleche, durch Verformung, etwa durch Torsionsstäbe im Aufroller, teilweise auch mehrstufig, oder durch Reibung, beispielsweise durch Lamellenbremsen. Dabei soll gewährleistet werden, dass die Energieaufnahme bei gleichbleibender Gurtkraft mittels zunehmender Vorverlagerung des Insassen erfolgt, d. h., dass ein Frontairbag ab einem bestimmten Zeitpunkt, etwa nach 40 bis 60 ms, den Insassen vom Gurtsystem übernimmt. Die kinetische Energie des Insassen sollte bei der Kollision möglichst günstig auf die Komponenten des Insassenschutzsystems und des Innenraums verteilt werden. Heute eingesetzte Systeme reduzieren die Gurtkraft beispielsweise über eine Mechanik auf Basis eines gekoppelten Torsionsstabs oder über eine Keilbremse.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Ansteuern eines Insassenschutzsystems eines Fahrzeugs, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird ein Verfahren zum Ansteuern eines Insassenschutzsystems eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einlesen zumindest eines eine Beschleunigung des Fahrzeugs repräsentierenden Fahrzeugbeschleunigungswertes und zumindest eines Modellparameters eines Insassenmodells, durch das ein Insasse des Fahrzeugs durch zumindest zwei, insbesondere drei Massepunkte repräsentiert wird;
Verarbeiten des Fahrzeugbeschleunigungswertes und des Modellparameters, um zumindest einen auf die zwei, insbesondere drei Massepunkte bezogenen Bewegungsparameter zu bestimmen; und
Erzeugen eines Ansteuersignals zum Ansteuern des Insassenschutzsystems unter Verwendung des Bewegungsparameters.
Unter einem Insassenschutzsystem kann ein System aus einer Mehrzahl reversibler oder irreversibler Rückhaltemittel zum Schutz eines Insassen bei einer Kollision des Fahrzeugs verstanden werden. Unter einem Rückhaltemittel kann beispielsweise ein Sicherheitsgurt, ein Airbag, ein Gurtstraffer oder ein Sitz verstanden werden. Unter einem Fahrzeugbeschleunigungswert kann ein gemessener Fahrzeugbeschleunigungswert verstanden werden. Alternativ zum gemessenen Fahrzeugbeschleunigungswert kann auch ein vorhergesagter Beschleunigungswert für Voraussagen verwendet werden. Dieser vorhergesagte Wert kann entweder auf bisherigen Beschleunigungswerten basieren, oder auch auf Basis von Umfeldsensorik (Radar, Video, Lidar, etc.) auf Basis eines absehbaren Unfalls bestimmt werden. Unter einem Insassenmodell kann ein vereinfachtes Berechnungsmodell zum Nachbilden einer tatsächlichen Bewegung des Insassen bei der Kollision verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Insassenmodell um ein Feder-Dämpfer-Modell handeln, durch das die zwei, insbesondere drei Massepunkte unter Berücksichtigung bestimmter Feder- oder Dämpfungskonstanten miteinander verknüpft werden. Das Insassenmodell kann beispielsweise als Differenzialgleichungsmodell ausgebildet sein, um eine jeweilige Bewegung der zwei, insbesondere drei Massepunkte im dreidimensionalen Raum zu beschreiben. Unter einem Modellparameter kann beispielsweise ein den Insassen repräsentierender Parameter wie etwa eine Masse, eine Größe oder ein Alter des Insassen oder eine sonstige den Insassen charakterisierende Größe verstanden werden.
Beispielsweise kann der Modellparameter eine jeweilige Masse der zwei bzw. drei Massepunkte oder eine jeweilige Lage der zwei bzw. drei Massepunkte zueinander oder bezüglich eines gemeinsamen Koordinatensystems repräsentieren. Die Lage der zwei bzw. drei Massepunkte kann beispielsweise durch eine Länge gedachter Verbindungslinien zwischen den zwei bzw. drei Massepunkten oder einen Winkel zwischen den gedachten Verbindungslinien definiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Modellparameter ein Parameter eines Sitzes, eines Gurts, etwa einer Gurtlänge oder -kraft, eines Airbags, etwa eines Fülldrucks oder eines Volumens des Airbags, einer Armatur oder eines Lenkrads des Fahrzeugs sein. Der Modellparameter kann fahrzeug- oder komponentenspezifisch sein und beispielsweise von einem jeweiligen Hersteller im Vorfeld bereitgestellt werden. Somit kann der Modellparameter beispielsweise vorab einmalig bestimmt werden, sodass eine Ermittlung des Modellparameters während des Betriebs des Fahrzeugs entfallen kann. Zur Bestimmung des Modellparameters kann beispielsweise auf in Crashtests ermittelte Daten zurückgegriffen werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Modellparameter unter Verwendung zumindest eines Sensors des Fahrzeugs wie etwa eines Umfeldsensors, eines Innenraumsensors, eines Sitzpositionsschalters oder eines Drucksensors des Airbags ermittelt, überprüft oder angepasst werden, insbesondere etwa während einer Kollision, um einen tatsächlichen Verlauf der Kollision beim Ansteuern des Insassenschutzsystems berücksichtigen zu können.
Die zwei bzw. drei Massepunkte können beispielsweise je einem anderen Körperteil des Insassen zugeordnet sein, etwa einem Kopf- und Nackenbereich, einem Oberkörper und einem Unterkörper des Insassen.
Unter einem Bewegungsparameter kann beispielsweise eine jeweilige Beschleunigung, eine jeweilige Geschwindigkeit oder ein jeweiliger Weg der zwei, insbesondere drei Massepunkte verstanden werden.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass unter Verwendung eines Insassenmodells, das einen Insassen eines Fahrzeugs oder Komponenten eines Insassenschutzsystems des Fahrzeugs als ein Modell aus zumindest zwei, insbesondere drei dem Insassen zugeordneten Massepunkten nachbildet, eine Bewegung des Insassen bei einer Kollision des Fahrzeugs anhand einer modellhaften Bewegung der zwei, insbesondere drei Massepunkte mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand schnell und zuverlässig ermittelt werden kann. In Abhängigkeit davon können Rückhaltemittel des Fahrzeugs optimal angesteuert werden.
Der hier beschriebene Ansatz ermöglicht es, Komplexe-Welt-Szenarien eines Unfallgeschehens effizient und genau zu beschreiben und darauf aufbauend eine größtmögliche Schutzwirkung für Fahrzeuginsassen in Realunfällen zu erreichen. Bisherige Ansätze fokussieren insbesondere auf spezielle Lastfälle, die durch Crashtests wie beispielsweise Euro NCAP, US NCAP, FMVSS208 oder AZT überprüft werden können. Diese Crashtests sind allein durch ihre geringe Anzahl nicht in der Lage, eine adäquate Beschreibung des realen Unfallgeschehens zu liefern. Durch komplexe Insassenmodelle wird es möglich, in den Bereichen, die von den klar definierten Lastfällen der Crashtests abweichen, eine optimale Schutzwirkung zu erreichen.
Dabei kann zunächst in einem Bereich um die klar definierten Lastfälle der Crashtests die Ansteuerung konventionell nach vordefinierten Regeln erfolgen, während nur in stark abweichenden Lastfällen eine modellbasierte Interpolation stattfindet. In einer finalen Ausbaustufe erfolgt beispielsweise in jedem Fall die Ansteuerung der Rückhaltemittel, ohne dass die Crashtest-Lastfälle besonders behandelt werden. Auch für diese Fälle sollte dann, auf Basis des Insassenmodells, eine optimale Ansteuerung gefunden werden.
Demgegenüber ermöglicht es der hier vorgestellte Ansatz, auf Basis eines komplexen Insassenmodells die auf den Insassen wirkenden Kräfte und die sich daraus ergebende Bewegung und Kinematik zu beschreiben. Daraus ergibt sich der Vorteil einer zuverlässigen Positionsbestimmung des Insassen zu jedem Zeitpunkt während eines Unfalls sowie einer zuverlässigen Ansteuerung von im Fahrzeug vorhandenen Rückhaltemitteln auf Basis dieser Positionsbestimmung. Vorteilhafterweise kann ein Insassenmodell, wie es Gegenstand des hier beschriebenen Ansatzes ist, mittels weniger Parameter an einen Fahrzeuginnenraum angepasst werden, während die innere Kinematik des Insassen vom Fahrzeug unabhängig ist.
Sehr einfache Modelle sind nicht in der Lage, die Insassenbewegung während eines Unfalls adäquat zu beschreiben, da die Insassenbewegung stark von der Bewegung einer frei fliegenden Masse abweicht. Die Bestimmung der Insassenposition mittels Innenraumsensorik, beispielsweise einer Innenraumkamera oder mithilfe von Ultraschallsensoren, kann sehr schnell an ihre Grenzen stoßen, da bei einer üblichen Unfalldauer von etwa 100 ms eine Innenraumkamera mit üblicher Bildrate lediglich drei Bilder liefern kann. Die Wiederholrate üblicher Ultraschallsensoren liegt in einem ähnlichen Bereich.
Die Innenraumsensorik ist also generell zu langsam, um die Insassenbewegung während des Unfalls mitzuverfolgen, kann jedoch beispielsweise sehr wohl geeignet sein, um die Initialbedingungen für das Insassenmodell zu bestimmen.
Mittels des hier vorgestellten Ansatzes kann nun die Lücke zwischen sehr einfachen Modellen wie etwa Freie-Masse-Modellen und sehr komplexen numerischen Modellen wie etwa auf der Finite-Elemente-Methode oder einer Mehrkörperdynamik basierenden Modellen, bei denen die Simulation eines einzelnen Unfalls mehrere Stunden bis einige Tage dauern kann, geschlossen werden. Beispielsweise erlaubt eine Referenzimplementierung des hier vorgestellten Ansatzes in Matlab eine Berechnung auf Standard-PCs innerhalb weniger Millisekunden, sodass auch eine ausreichend schnelle Berechnung auch auf Steuergeräten mit geringer Rechenleistung möglich ist.
Es sind Ansätze bekannt, nach denen entweder eine Vorverlagerung einer frei fliegenden Masse auf Basis des zweiten Integrals bestimmt wird oder aber unter Zuhilfenahme von Innenraumsensierungssystemen genauere Informationen über die Insassenposition ermittelt werden. Da das zweite Integral für eine frei fliegende Masse den Zustand des Insassen jedoch nicht genau wiedergibt, indem das Gurtsystem, der Airbag und auch der innere mechanische Aufbau des Insassen nicht berücksichtigt werden, können größere Fehler bei der Berechnung der Vorverlagerung auftreten. Solche Fehler können mithilfe des hier vorgestellten Ansatzes vermieden werden. Ferner bietet der hier vorgestellte Ansatz den Vorteil, dass auf eine Innenraumsensierung verzichtet werden kann.
Ein übergeordneter Vorteil des hier vorgestellten Ansatzes besteht in der Erhöhung der Insassensicherheit bei einer Fahrzeugkollision sowie in der Reduktion der Insassenbelastung und damit der Verletzungsschwere, auch in Fällen, in denen eine Kollision nicht mehr verhindert werden kann und eine dezidierte Pre-Crash-Phase mit Insassenbewegung vorliegt. Des Weiteren ermöglicht der hier beschriebene Ansatz eine genaue Abschätzung der Insassenposition in der Crashphase, wofür beispielsweise bildgebende Verfahren aus technischen und wirtschaftlichen Gründen weniger geeignet sind. Ein weiterer Vorteil besteht in der leichten Anpassbarkeit an unterschiedliche Insassencharakteristiken wie etwa Masse, Größe, Proportion, Geschlecht oder Alter. Damit kann der hier vorgestellte Ansatz gut appliziert werden. Ferner ermöglicht es der hier beschriebene Ansatz, ein Prädiktionsergebnis beispielsweise durch Einspeisung aktueller Messwerte während eines Unfalls, etwa einer Beschleunigung oder eines Crashpulses, kontinuierlich zu korrigieren, sodass Fehler im Vergleich zu rein prädizierenden Modellen reduziert werden können. Der hier vorgestellte Ansatz erlaubt zudem ein abgestimmtes Auslösen unterschiedlicher Rückhaltesysteme und damit die Entfaltung der vollen Wirksamkeit aller vorhandenen Aktuatoren nicht nur für Standard-Crashfälle, sondern insbesondere auch für reale Unfallszenarien. Je nach Ausführungsform ermöglicht es der hier vorgestellte Ansatz, auch nach Auslösung der Rückhaltesysteme, etwa der Entfaltung eines Airbags, auf sich verändernde äußere Umstände zu reagieren und den Zustand der Rückhaltesysteme gegebenenfalls anzupassen. Auf diese Weise kann die Belastung des Fahrzeuginsassen gegenüber einem herkömmlichen System in diesen Fällen oftmals verringert werden. Das Insassenmodell, wie es Gegenstand des hier vorgestellten Ansatzes ist, ermöglicht zudem eine Postcrash-Abschätzung des Insassen, durch die für einen Sekundärcrash nutzbare Information bereitgestellt werden können, oder die Bereitstellung eines Treibers für individuelle Insassensicherheit, auch Individual Occupant Safety oder kurz IOS genannt, oder eines Enablers und Motivators für adaptive Rückhaltesysteme wir etwa einen adaptiven Airbag, einen elektromotorischen Retraktor oder einen adaptiven Gurtkraftbegrenzer. Das Insassenmodell kann ferner auch für eine Rückmeldung an den Insassen genutzt werden, etwa zum Signalisieren eines sicheren Aufenthaltsbereichs bei teil- oder vollautomatischen Fahrfunktionen.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Einlesens ein Parameter als der Modellparameter eingelesen werden, der einem einen Kopf und/oder Nacken des Insassen repräsentierenden Kopfmassepunkt, einem einen Oberkörper des Insassen repräsentierenden Oberkörpermassepunkt, einem einen Unterkörper des Insassen repräsentierenden Unterkörpermassepunkt oder einer Kombination aus zumindest zwei der genannten Massepunkte zugeordnet sein kann. Dementsprechend können im Schritt des Verarbeitens der Fahrzeugbeschleunigungswert und der Modellparameter verarbeitet werden, um einen auf den Kopfmassepunkt, den Oberkörpermassepunkt bzw. den Unterkörpermassepunkt bezogenen Parameter als den Bewegungsparameter zu bestimmen. Dadurch kann die Bewegung einzelner Körperteile des Insassen nachgebildet werden.
Das Verfahren kann zudem einen Schritt des Bestimmens zumindest einer auf den Insassen wirkenden Rückhaltekraft unter Verwendung des Fahrzeugbeschleunigungswertes oder, zusätzlich oder alternativ, des Modellparameters umfassen. Dabei kann im Schritt des Verarbeitens der Bewegungsparameter unter Berücksichtigung der Rückhaltekraft bestimmt werden. Unter einer Rückhaltekraft kann eine Kraft verstanden werden, die einer durch eine Verzögerung des Fahrzeugs verursachten Bewegung des Insassen entgegenwirkt. Beispielsweise kann die Rückhaltekraft durch einen Gurt, einen Sitz oder einen Airbag auf den Insassen ausgeübt werden. Durch diese Ausführungsform kann die Bewegung des Insassen besonders realitätsnah ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens die Rückhaltekraft bezüglich zumindest eines der drei Massepunkte bestimmt werden. Dadurch wird eine einfache, schnelle und zuverlässige Ermittlung der Rückhaltekraft ermöglicht.
Es ist von Vorteil, wenn im Schritt des Bestimmens eine durch einen Gurt, einen Sitz oder einen Airbag des Fahrzeugs oder durch eine Kombination aus zumindest zwei der genannten Komponenten des Insassenschutzsystems auf den Insassen ausgeübte Kraft als die Rückhaltekraft bestimmt wird. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Bestimmens eine Nackenkraft des Insassen als Rückhaltekraft bestimmt werden. Dadurch kann die Bestimmung der Rückhaltekraft auf der Basis einfach bereitzustellender Modellparameter erfolgen.
Des Weiteren kann das Verfahren einen Schritt des Vergleichens der Rückhaltekraft mit einer Referenzkraft umfassen. Dabei kann im Schritt des Erzeugens das Ansteuersignal in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichens erzeugt werden. Die Referenzkraft kann beispielsweise eine maximale oder minimale Rückhaltekraft repräsentieren. Je nach Ergebnis des Vergleichens kann das Ansteuersignal beispielsweise erzeugt werden, um durch Ansteuern eines entsprechenden Rückhaltemittels des Insassenschutzsystems die Rückhaltekraft zu erhöhen oder zu verringern. Durch diese Ausführungsform kann die Rückhaltekraft gezielt verändert werden.
Zudem kann im Schritt des Erzeugens das Ansteuersignal erzeugt werden, um eine Länge des Gurts durch Entrollen des Gurts zu erhöhen, wenn sich beim Vergleichen ergibt, dass die Rückhaltekraft größer als die Referenzkraft ist. Dadurch können Verletzungen des Insassen durch ein zu stark gespanntes Gurtband verhindert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Einlesens eine ein Umfeld des Fahrzeugs repräsentierende Umfeldinformation oder, zusätzlich oder alternativ, eine einen Innenraum des Fahrzeugs repräsentierende Innenrauminformation eingelesen werden. Unter einer Umfeldinformation kann eine von einem Umfeldsensor wie etwa einer Kamera, einem Ultraschall-, einem Infrarot- oder einem Lasersensor des Fahrzeugs bereitgestellte Information verstanden werden. Unter einer Innenrauminformation kann beispielsweise eine Information bezüglich des Insassen, einer Sitzeinstellung, einer Sitzbelegung oder eines Gurtstatus verstanden werden. Die Innenrauminformation kann von einer entsprechenden Innenraumsensorik des Fahrzeugs bereitgestellt sein. Entsprechend kann im Schritt des Verarbeitens der Bewegungsparameter unter Verwendung der Umfeldinformation oder der Innenrauminformation oder beider Informationen bestimmt werden. Durch diese Ausführungsform kann der Bewegungsparameter besonders realitätsnah ermittelt werden. Beispielsweise kann der Bewegungsparameter dadurch kontinuierlich an einen tatsächlichen Kollisionsverlauf angepasst werden. Somit kann die Sicherheit des Insassen durch entsprechendes Ansteuern des Insassenschutzsystems weiter erhöht werden.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung des Fahrzeugs. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf Sensorsignale wie Beschleunigungs-, Druck-, Lenkwinkel- oder Umfeldsensorsignale zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie Brems- oder Lenkaktoren oder ein Motorsteuergerät des Fahrzeugs.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Diagramm zur schematischen Darstellung eines realen Unfallgeschehens in Abhängigkeit von einer Masse und einer Geschwindigkeitsänderung eines Fahrzeugs;
2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine Darstellung eines Gesamtschemas eines Insassenschutzsystems zur Ansteuerung durch ein Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung eines Insassenmodells zur Ermittlung einer Insassenbewegung durch ein Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Darstellung von Insassenelementen eines Insassenmodells zur Ermittlung einer Insassenbewegung durch ein Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 ein Ablaufdiagramm von Berechnungen im Rahmen eines Insassenmodells zur Ermittlung einer Insassenbewegung durch ein Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt ein Diagramm zur schematischen Darstellung eines realen Unfallgeschehens in Abhängigkeit von einer Masse m und einer Geschwindigkeitsänderung Δv eines Fahrzeugs. Gezeigt ist ein Unfallgeschehen einer realen, komplexen Welt 100, nachgebildet durch abgefragte Crashtests 102, etwa NCAP-Tests, mit dazugehörigen Interpolationskurven 104, die der Beschreibung von Szenarien durch ein entsprechendes Modell dienen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200 mit einem Steuergerät 202 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Steuergerät 202 ist ausgebildet, um ein Insassenschutzsystem 204 des Fahrzeugs 200 anzusteuern.
Beispielhaft umfasst das Insassenschutzsystem 204 einen Airbag 206 sowie einen Gurtkraftbegrenzer 208 zum Begrenzen einer auf einen Gurt 209 wirkenden Gurtkraft. Das Fahrzeug 200 ist im Begriff, mit einem Objekt 210, hier einem Baum, zu kollidieren. Zum Ansteuern des Insassenschutzsystems 204 ermittelt das Steuergerät 202 eine durch die Kollision des Fahrzeugs 200 verursachte Bewegung eines Insassen 212 des Fahrzeugs 200 unter Verwendung eines Insassenmodells 214 und einer aktuellen Beschleunigung des Fahrzeugs 200, bei der es sich entsprechend dem in 2 gezeigten Szenario um eine Verzögerung des Fahrzeugs 200 handelt. Beispielhaft ist der Insasse 212 durch das Insassenmodell 214 durch zumindest zwei, hier insbesondere drei miteinander verknüpfte Massepunkte repräsentiert, hier durch einen einem Kopfbereich des Insassen 212 zugeordneten Kopfmassepunkt 216, einen einem Oberkörper des Insassen 212 zugeordneten Oberkörpermassepunkt 218 und einen einem Unterkörper des Insassen 212 zugeordneten Unterkörpermassepunkt 220. Das Steuergerät 202 verwendet die aktuelle Beschleunigung des Fahrzeugs 200 und geeignete Parameter des Insassenmodells 214, nachfolgend auch Modellparameter genannt, um die Bewegung des Insassen 212 anhand einer Bewegung der zwei, insbesondere drei Massepunkte 216, 218, 220 modellhaft nachzubilden. Beispielhafte Bewegungsrichtungen der zwei, insbesondere drei Massepunkte 216, 218, 220 sind schematisch mit vier Pfeilen verdeutlicht. Die Modellparameter sind beispielsweise durch Crashversuche ermittelt und im Steuergerät 202 hinterlegt. Zusätzlich können die Modellparameter über Messungen durch Sensoren des Fahrzeugs 200 an einen tatsächlichen Unfallverlauf angepasst werden. In Abhängigkeit von der anhand des Insassenmodells 214 ermittelten Bewegung des Insassen 212 erzeugt das Steuergerät 202 Ansteuersignale 222 zum Ansteuern der Komponenten des Insassenschutzsystems 204, hier des Airbags 206 und des Gurtkraftbegrenzers 208. Dadurch kann das Insassenschutzsystem 204 mit geringem Rechenaufwand und somit besonders schnell angesteuert werden.
Optional ist das Steuergerät 202 mit einem Umfeldsensor 224 zum Erfassen eines Umfelds des Fahrzeugs 200 verbunden, um eine von dem Umfeldsensor 224 bereitgestellte und das Objekt 210 repräsentierende Umfeldinformation 226 einzulesen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 202 ausgebildet, um die Bewegung der zwei, insbesondere drei Massepunkte 216, 218, 220 unter zusätzlicher Verwendung der Umfeldinformation 226 zu ermitteln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ermittelt das Steuergerät 202 die jeweiligen Bewegungen der zwei, insbesondere drei Massepunkte 216, 218, 220 unter Berücksichtigung zumindest einer durch das Insassenschutzsystem 204 auf den Insassen 212 ausgeübten Rückhaltekraft. Die Rückhaltekraft wird beispielsweise durch den Airbag 206, den Gurt 209 oder einen von dem Insassen 212 belegten Sitz 228 ausgeübt. Das Steuergerät 202 ermittelt die Rückhaltekraft insbesondere unter Verwendung der Modellparameter. Beispielsweise ist das Steuergerät 202 ausgebildet, um den Gurtkraftbegrenzer 208 zu aktivieren, wenn die Rückhaltekraft eine vorgegebene Referenzkraft überschreitet.
3 zeigt eine Darstellung eines Gesamtschemas eines Insassenschutzsystems 204 zur Ansteuerung durch ein Steuergerät 202 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa ein Steuergerät, wie es vorangehend anhand von 2 beschrieben ist. Gezeigt sind ein Block 300, der eine Insasseninformation repräsentiert, ein Block 302, der das Insassenmodell repräsentiert, ein Block 304, der eine Aktuatoransteuerung repräsentiert, ein Block 306, der eine Rückhaltesteuerungsstrategie repräsentiert, sowie ein Block 308, der eine Energieverwaltung repräsentiert. Die Richtungen eines Signalflusses zwischen den einzelnen Blöcken sind mit Pfeilen markiert.
Die Insassenschutzfunktion wird dargestellt durch ein Gesamtsystem, bestehend aus einer übergeordneten Kontrollinstanz, die die Verwendung gewisser Rückhaltemittel, beispielsweise gruppenweise, auf Grundlage äußerer Bedingungen freigibt, und der Kombination aus Insassenmodell und Aktuatoransteuerung, die in einem insbesondere iterativen Prozess und unter Einbeziehung vorhandener Insassenparameter eine optimale Auslösestrategie aushandeln.
Das Insassenmodell ist etwa als Differenzialgleichungsmodell ausgelegt, das je nach Ausführungsbeispiel analytisch oder als numerisch berechnete Insassensimulation gelöst wird. Das Insassenmodell repräsentiert ein dreidimensionales Modell, das die vollständige Bewegung des Insassen im Raum beschreibt.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Insassenmodells 214 zur Ermittlung einer Insassenbewegung durch ein Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa durch ein vorangehend anhand der 2 und 3 beschriebenes Steuergerät.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Insassenmodell 214 als ein Feder-Masse-Dämpfer-Modell zur Darstellung der Insassenbewegung im Unfall ausgebildet. Dabei steht beispielsweise ein Frontalunfall im Fokus. Das Insassenmodell 214 umfasst die zwei, insbesondere drei Massepunkte 216, 218, 220 mit den Massen m_h, m_t und m_l. Dabei repräsentiert der Unterkörpermassepunkt 220 den Unterkörper bis zum Becken, der Oberkörpermassepunkt 218 den Oberkörper mit Armen und der Kopfmassepunkt 216 den Kopf des Insassen. Es handelt sich dabei um Punktmassen, die über Feder-Dämpfer-Glieder miteinander verbunden sind. Die Verbindung zwischen Becken und Oberkörper (Thorax) ist dabei längenfest, aber drehbar ausgeführt. Das Becken bewegt sich sich im Modell nur eindimensional in x-Richtung, die hier einer Fahrzeugfahrtrichtung entspricht. Bewegungen in z-Richtung (Hochachse) und y-Richtung (Querrichtung) sind nicht möglich. Der Oberkörper ist mit dem Becken verbunden und als stehendes Pendel ausgeführt, d. h., die Verbindung ist starr, aber drehbar. Die Länge dieser Verbindung entspricht beispielsweise dem Abstand des Oberkörperschwerpunkts vom Becken beim Menschen, wie er aus der Literatur bekannt ist.
Die beiden Massepunkte 218, 220 sind ferner an den elastischen Gurt 209 gekoppelt. Gezeigt ist zudem der Airbag 206 mit einem Gasvolumen V und einem Gasdruck p. Die beiden Größen V, p werden durch zwei auf den Airbag 206 wirkende Stempel 400, 402 beeinflusst, wobei ein erster Stempel 400 eine Kontaktfläche des Kopfes mit dem Airbag 206 repräsentiert und ein zweiter Stempel 402 eine Kontaktfläche des Oberkörpers mit dem Airbag 206 repräsentiert. Eine Auslassrichtung des Airbags 206 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet.
Auf der Achse vom Becken zum Oberkörperschwerpunkt liegt auch der Schulterpunkt, jedoch weiter vom Becken entfernt. Auch dieser Abstand ist aus der Literatur bekannt.
Am Schulterpunkt ist der Oberkörper mit dem Kopf verbunden. Das Verbindungselement vom Schulterpunkt zum Masseschwerpunkt des Kopfes ist als kombiniertes Feder-Dämpfer-Element und als Torsionsfeder ausgeführt, d. h., eine Längenänderung und eine Winkeländerung sind möglich, werden aber durch innere Kräfte zurückgestellt. Zur Ermittlung der Werte der Nackensteifigkeit werden beispielsweise die Federkonstanten eines Hybrid-III-Dummys verwendet, wie er in Crashtests zur Modellierung des Menschen verwendet wird.
5 zeigt eine schematische Darstellung von Insassenelementen eines Insassenmodells 214 zur Ermittlung einer Insassenbewegung durch ein Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Insassenmodell 214 entspricht im Wesentlichen einem Insassenmodell, wie es in 4 skizziert ist. In 5 sind zusätzlich verschiedene Modellparameter des Insassenmodells 214 eingezeichnet, wie sie in den nachfolgend beschriebenen Bewegungsgleichungen zur Ermittlung der Insassenbewegung verwendet werden.
Eingabegröße für die Berechnung mithilfe des Insassenmodells 214 ist beispielsweise ein Crashpuls, angegeben in abgetasteter Form. Der Crashpuls wird beispielsweise am Stück übergeben, sodass die Simulation vollständig und sofort berechnet wird. Alternativ werden die Datenpunkte jeweils direkt nach einer Messung im Fahrzeug an das Insassenmodell 214 übergeben und daraus die entsprechende aktuelle Insassenbewegung berechnet. In jedem Fall sind die Zeitpunkte t_k bekannt, sowie die Fahrzeugbeschleunigungswerte a_Fz(k) mit den dazugehörigen mit k streng monoton steigenden Zeitwerten t(k). Damit ist der kleinste darstellbare Zeitschritt dt(k) = t(k) – t(k – 1). Für k gilt außerdem 1 ≤ k ≤ K mit k, K ∊ N.
Ausgehend von den Fahrzeugbeschleunigungswerten wird zunächst die Fahrzeugbewegung berechnet. Dazu werden die Fahrzeugbeschleunigungswerte aufsummiert und eine Integrationskonstante so gewählt, dass die Endgeschwindigkeit null wird, also
Durch weitere Summation wird daraus die Fahrzeugposition bestimmt:
Auch hier wird die Integrationskonstante so gewählt, dass die Endposition s_Fz(K) = 0 ist.
Je nach Ausführungsbeispiel wird der Crashpuls explizit angegeben oder generisch bestimmt. Dabei wird eine Anfangsgeschwindigkeit über einen sinusförmigen Verzögerungspuls abgebaut. Die Verzögerung ist
mit der maximalen Verzögerung
und der Pulsdauer τ. Für typische Lastfälle, also Anfangsgeschwindigkeiten im Bereich um etwa 50 km/h, liegt die Pulsdauer beispielsweise im Bereich von etwa 120 ms.
Der Insasse wird zur Beschreibung in zwei, insbesondere drei Elemente zerlegt. Die zwei, insbesondere drei Elemente sind Becken und Beine, Oberkörper mit Armen und der Kopf. Diese Elemente werden durch die Punktmassen m_p für die Beine, m_t für den Oberkörper und m_h für den Kopf modelliert, die miteinander verbunden sind. Dabei ist die Verbindung zwischen Becken und Oberkörper starr, während die Verbindung zwischen Oberkörper und Kopf über eine Feder, die dehn- und stauchbar ist, ausgeführt ist.
Beispielhaft wird das Insassenmodell 214 nachfolgend vereinfacht als ein zweidimensionales Modell beschrieben, das schrittweise numerisch gelöst wird.
Die positive x-Achse zeigt in Fahrtrichtung, während die positive z-Achse nach oben zeigt. Laterale Bewegungen innerhalb des Fahrzeugs werden nicht betrachtet.
Zur Simulation wird ein gemeinsames Koordinatensystem verwendet, bei dem sich das Becken m_p zu Beginn im Ursprung befindet. Das Becken kann sich außerdem nur in x-Richtung bewegen; eine Bewegung in z-Richtung ist nicht möglich. Die Position auf der x-Achse ist x_p. Für den Oberkörper m_t wird aufgrund der Zwangsbedingung durch die starre Verbindung mit dem Becken zur Beschreibung nur der Winkel φ_t verwendet. Werden absolute Koordinaten benötigt, können diese zu x_t = x_p + l_t·sinφ_t und z_t = l_t·cosφ_t bestimmt werden. Der Kopf wird durch die freien Koordinaten x_h und z_h beschrieben, wobei die Verbindung zum Oberkörper durch das Federelement gehalten wird.
Im Crash wirkt die Fahrzeugbeschleunigung auf alle Insassenelemente. Die Rückhaltesysteme sorgen dabei dafür, dass der Insasse das Fahrzeug nicht verlässt. Dabei sollen insbesondere der Sitz, der Sicherheitsgurt sowie der Airbag betrachtet werden.
Das Becken ist kraftschlüssig mit dem Sitz verbunden und wird außerdem durch den Gurt in Position gehalten. Die auf das Becken wirkende Beschleunigung ist daher
und kann durch zweimalige Summation in Beckengeschwindigkeit und Beckenposition umgerechnet werden, d. h. v_p(k) = v_p(k – 1) + a_p(k)·dt(k) und x_p(k) = s_p(k – 1) + v_p(k)·dt(k)
Für den Oberkörper ist zunächst aus Masse m_t und Hebelarm l_t das Trägheitsmoment J_t = m_t·l 2 / t zu berechnen. Damit gilt dann für die auftretende Winkelbeschleunigung
mit den aufgebrachten Drehmomenten M_t,g durch den Gurt, M_t,b durch den Airbag und M_t,n durch den Nacken, falls der zwischen Nacken und Oberkörper eingeschlossene Winkel nicht verschwindet. Hieraus ergibt sich durch zweimalige Summation die Winkelgeschwindigkeit zu ω_t(k) = ω_t(k – 1) + α_t(k)·dt(k) und der Winkel zu φ_t(k) = φ_t(k – 1) + ω_t(k)·dt(k).
Für den Kopf sollten alle Positionsberechnungen in zwei Dimensionen durchgeführt werden. Dabei wirken auf den Kopf die Airbagkraft F_h,b und die Nackenkraft F_h,n, die jeweils unterschiedliche Angriffswinkel haben. Für die Nackenkraft wird der Lage des Nackens im Raum benötigt. Sie berechnet sich zu φ_n,g = arctan(x_h – x_t, z_h – z_t) mit der inversen Tangens-Funktion über vier Quadranten Arctan. Aus der Nackenlänge
ergibt sich die Federkraft des Nackens zu
mit der Federkonstanten k_f,n. Diese wird in x- und z-Komponenten zerlegt. Es gilt
Mit der Nackenkraft lässt sich auch das ausgeübte Drehmoment auf den Oberkörper bestimmen. Dabei gilt
da der effektive Hebelarm vom Winkel zwischen Oberkörper und Nacken abhängt.
Alternative zu dieser Beschreibung des Nackens als Drehfeder, die Rotation auf einer Kreisbahn sowie auch Änderung des Radius dieser Kreisbahn erlaubt, ist auch eine Beschreibung als Biegebalken möglich. Dadurch wird die Trajektorie, bei der nur ein Moment und keine Axialkraft übertragen wird, von einer Kreisbahn auf eine abgewandelte Bahn verändert.
Der Kopf wird außerdem vom Airbag zurückgehalten, sodass sich die Gesamtbeschleunigung des Kopfes in vektorieller Darstellung zu
mit dem Einheitsvektor
in x-Richtung. Durch Summation ergibt sich die Kopfgeschwindigkeit zu
sowie durch erneute Summation die Kopfposition
ebenfalls in vektorieller Darstellung. Damit sind die Bewegungsgleichungen für den Insassen im Fahrzeug ohne jegliche Rückhaltesysteme gegeben.
Der Gurt wird im einfachsten Fall beschrieben als dehnbares Band, dessen Federkonstante abhängig von der wirksamen Länge ist. Reibung wird zunächst vernachlässigt, sodass die Gurtkraft des Becken- und Schultergurtes zunächst gleich angenommen wird. Gleich ist in diesem Fall jedoch nur die Spannkraft des Gurtes. Die wirksame Rückhaltekraft ist jedoch nicht zwingend identisch, da die Gurtgeometrie im Allgemeinen unterschiedlich ist.
Die initiale Gurtlänge bestimmt sich aus der Geometrie des Gurtsystems. Dabei ist sowohl im Oberkörper- als auch im Beckenbereich eine Initiallänge in x- und z-Richtung vorgesehen, wobei dann im Crash der Gurt in x-Richtung gedehnt wird.
Die Gurtlänge ist dabei zu jedem Zeitpunkt
mit den Positionen x_t des Oberkörpers und x_p des Beckens. Die Dehnung des Gurtes ist dann
und dimensionslos, weshalb dann für die Gurtkraft gilt F_g = k_f,g·ε mit der Elastizitätskonstanten k_f,g, die die Dimension einer Kraft hat. Die Gurtkraft wird dann unter Betrachtung der geometrischen Verhältnisse in die effektiv wirkenden Rückhaltekräfte für Oberkörper und Becken umgerechnet. Dabei ist die Kraft auf das Becken
und die Kraft auf den Oberkörper
und daraus das wirkende Moment M_t,g = F_t,g·l_t unter der Annahme, dass die Gurtkraft am Masseschwerpunkt des Oberkörpers angreift.
Als Erweiterung des Gurtes wird beispielsweise ein Gurtkraftbegrenzer modelliert, der die wirksame Gurtkraft auf einen Maximalwert begrenzt. Dazu wird, falls die Kraft größer als die maximal vorgesehene Gurtkraft wird, die Initiallänge des Gurtes erhöht, um die Dehnung und damit die wirksame Kraft zu verringern. Die Gurtkraft ist dann gleich der Maximalkraft und die Gurtausgabe ist
wodurch die Gurtkraft auf die Maximalkraft begrenzt wird, da dann mit der neuen Dehnung
die Gurtkraft bestimmt wird. Nun kann wiederum der Gurtkraftbegrenzer so ausgelegt sein, dass nur eine bestimmte Menge Gurtband ausgegeben wird. Damit ist dann eine obere Schranke für l_PO festgelegt. Bei noch stärkerer Dehnung kann die Gurtkraft auf Werte größer als F_max ansteigen. Wichtig ist in jedem Fall, dass durch den Gurtkraftbegrenzer zwar Gurtband ausgegeben, aber nicht wieder eingezogen wird. Dadurch ergibt sich eine effektive Energieaufnahme des Gurtkraftbegrenzers. Diese Energie wird dem Insassen entzogen.
Der Airbag wird beschrieben als Gasvolumen, dass durch zwei Stempel, wie sie beispielhaft in 4 gezeigt sind, teilweise komprimiert wird. Die zwei Stempel haben Querschnittsflächen, die den Kontaktflächen von Kopf und Brust des Insassen auf dem Airbag entsprechen. Dadurch werden Rückhaltekräfte am Kopf und im Oberkörperbereich eingeleitet.
Das Gasvolumen innerhalb des Airbags wird durch die Rückhaltung und den damit aufschlagenden Insassen adiabatisch, d. h. ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, komprimiert. Neben der Kompression verliert der Airbag auch noch Gas durch eine Öffnung, die als Loch in einer ebenen Fläche modelliert wird. Der Gasfluss durch eine solche Öffnung ist
mit dem Entladungskoeffizienten C_d = 0,61 für flache Öffnungen, der Öffnungsfläche A_out, der Druckdifferenz Δp und der Dichte ρ des ausströmenden Gases. Die Dichte ist insbesondere abhängig von der Temperatur des Gases. Unter der Annahme, dass das Volumen konstant bleibt und durch die Ausströmung der Druck im Inneren absinkt, kann die Druckverringerung nach p_out = V_out· p / V berechnet werden. Diese Annahme gilt insbesondere nur für geringe Ausströmungen, also beispielsweise bei ausreichend klein gewählten Zeitschritten.
Neben dem Gasverlust verändern sich die Verhältnisse im Innern des Airbags durch die Kompression durch den aufprallenden Insassen. Dabei ist das Volumen V(k) = V(1) – A_h·(x_h – x_h,0) – A_h·(x_t – x_t,0) mit den Kontaktflächen A_h und A_t von Kopf und Oberkörper. Die jeweiligen das Volumen verringernden Terme sind nur aktiv, wenn die Klammerausdrücke größer null sind, d. h., wenn der Kontakt zwischen Kopf und Airbag oder zwischen Oberkörper und Airbag hergestellt wurde.
In diesem Fall ergeben sich die Rückhaltekräfte zu F_h,b = p·A_h und F_t,b = p·A_t und damit das Moment M_t,b = F_t,b·l_t.
Um einen realistischeren Übergang vom nicht zurückgehaltenen zum zurückgehaltenen Zustand zu erhalten, wird die Kontaktfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel variabel gestaltet, um so einen fließenden Übergang zu erreichen. Wird die Kraft auf eine Kugel, die in ein Luftkissen fällt, betrachtet, so ist die relevante Querschnittsfläche diejenige Fläche, die normal zur Kraftrichtung die Kugel schneidet. Die Größe dieser Fläche ergibt sich zu A_v = A_max·[1 – (1 – d / r)²] für die Einsinktiefe d im Bereich 0 ≤ d ≤ r.
Der Druck im Airbag verändert sich durch die adiabatische Kompression nach p(k) = p(k – 1)·[ V(k – 1) / V(k)]^κ mit dem Adiabatenkoeffizienten κ = 1,4 für Luft.
Damit sind alle auf den Insassen wirkenden Kräfte innerhalb des Modells bekannt und die Simulation kann im nächsten Zeitschritt fortgesetzt werden.
Ein Massefluss in den Airbag kann durch einen Zustrom von Gas mit der zeitabhängigen Gasflussrate modelliert werden: ṅ_in = n₁·t_τ·exp(– t/τ)
Diese entspricht in guter Näherung der tatsächlichen Gasflussrate eines Gasgenerators, wie er bei Airbags eingesetzt wird.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm von Berechnungen im Rahmen eines Insassenmodells zur Ermittlung einer Insassenbewegung durch ein Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa durch ein vorangehend anhand der 2 bis 5 beschriebenes Steuergerät. Gezeigt ist ein den Airbag repräsentierender Block 600 mit einem Block 602 für den Druck und einem Block 604 für das Volumen, ein den Kopf repräsentierender Block 606 mit einem Block 608 für eine auf den Kopf wirkende Rückhaltekraft, einem Block 610 für die Geschwindigkeit des Kopfes und einem Block 612 für die Position des Kopfes, ein den Oberkörper repräsentierender Block 614 mit einem Block 616 für eine auf den Oberkörper wirkende Rückhaltekraft, einem Block 618 für eine Geschwindigkeit des Oberkörpers und einem Block 620 für eine Position des Oberkörpers, ein das Becken repräsentierender Block 622 mit einem Block 624 für eine auf das Becken wirkende Rückhaltekraft, einem Block 626 für eine Geschwindigkeit des Beckens und einem Block 628 für eine Position des Beckens sowie ein den Gurt repräsentierender Block 630 mit einem Block 632 für eine Dehnung des Gurtbandes und einem Block 634 für die Gurtausgabe durch den Gurtkraftbegrenzer. Eine Entfernung zwischen Kopf und Oberkörper ist durch einen Block 636 repräsentiert.
Innere Zusammenhänge sind durch Pfeile mit dem Bezugszeichen 638 markiert. Kraftwirkungen des Insassen auf das Rückhaltesystem, vorangehend auch Insassenschutzsystem genannt, sind mit Pfeilen mit dem Bezugszeichen 640 markiert. Kraftwirkungen des Rückhaltesystems auf den Insassen sind mit Pfeilen mit dem Bezugszeichen 642 markiert.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 202 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa eines vorangehend anhand der 2 bis 6 beschriebenen Steuergeräts. Das Steuergerät 202 umfasst eine Einleseeinheit 710 zum Einlesen eines die Beschleunigung des Fahrzeugs repräsentierenden Fahrzeugbeschleunigungswertes 712 und zumindest eines Modellparameters 714 des den Insassen des Fahrzeugs durch zumindest zwei, insbesondere drei Massepunkte repräsentierenden Insassenmodells. Eine Verarbeitungseinheit 720 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Fahrzeugbeschleunigungswertes 712 und des Modellparameters 714 zumindest einen auf die zwei, insbesondere drei Massepunkte bezogenen Bewegungsparameter 722 zu bestimmen, etwa eine Beschleunigung, eine Geschwindigkeit oder einen Weg der zwei, insbesondere drei Massepunkte. Eine Erzeugungseinheit 730 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Bewegungsparameters 722 das Ansteuersignal 222 zum Ansteuern des Insassenschutzsystems des Fahrzeugs zu erzeugen.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 800 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem vorangehend anhand von 7 beschriebenen Steuergerät durchgeführt werden. Dabei werden in einem Schritt 810 der Fahrzeugbeschleunigungswert und der Modellparameter eingelesen. In einem Schritt 820 werden der Fahrzeugbeschleunigungswert und der Modellparameter verarbeitet, um den Bewegungsparameter zu bestimmen. Schließlich wird in einem Schritt 830 unter Verwendung des Bewegungsparameters das Ansteuersignal zum Ansteuern des Insassenschutzsystems erzeugt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 800 zum Bestimmen einer Insassenkinemathek einen Schritt des Bereitstellens von Modellparametern des Insassenschutzsystems, einen Schritt des Erfassens einer Verzögerung, einer Umgebung sowie eines Innenraums des Fahrzeugs und einen Schritt des Bestimmens der Bewegungstrajektorie des Insassen gemäß einer Bestimmungsvorschrift aus den Modellparametern und den erfassten Parametern.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 800 einen Schritt des Sensierens eines Unfalls durch Ermittlung einer Umgebungscharakteristik mittels einer Umgebungssensorik des Fahrzeugs. Dabei wird beispielsweise durch die Umfeldsensorik erkannt, dass ein Unfall unmittelbar bevorsteht und unvermeidbar ist, woraufhin schon vor dem Kontakt des Fahrzeugs mit dem jeweiligen Kollisionsobjekt im Schritt 830 das Ansteuersignal erzeugt wird, um reversible oder irreversible Rückhaltemittel des Insassenschutzsystems auszulösen. Aufgrund der von der Umgebungssensorik ermittelten Daten zu Unfalltyp oder Unfallschwere in Kombination mit Daten der Innenraumsensorik kann dann eine optimale Auslösestrategie bestimmt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren (800) zum Ansteuern eines Insassenschutzsystems (204) eines Fahrzeugs (200), wobei das Verfahren (800) folgende Schritte umfasst: Einlesen (810) zumindest eines eine Beschleunigung des Fahrzeugs (200) repräsentierenden Fahrzeugbeschleunigungswertes (712) und zumindest eines Modellparameters (714) eines Insassenmodells (214), durch das ein Insasse (212) des Fahrzeugs (200) durch zumindest zwei, insbesondere drei Massepunkte (216, 218, 220) repräsentiert wird; Verarbeiten (820) des Fahrzeugbeschleunigungswertes (712) und des Modellparameters (714), um zumindest einen auf die zwei, insbesondere drei Massepunkte (216, 218, 220) bezogenen Bewegungsparameter (722) zu bestimmen; und Erzeugen (830) eines Ansteuersignals (222) zum Ansteuern des Insassenschutzsystems (204) unter Verwendung des Bewegungsparameters (722).
Verfahren (800) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Einlesens (810) ein Parameter als der Modellparameter (714) eingelesen wird, der einem einen Kopf und/oder Nacken des Insassen (212) repräsentierenden Kopfmassepunkt (216) und/oder einem einen Oberkörper des Insassen (212) repräsentierenden Oberkörpermassepunkt (218) und/oder einem einen Unterkörper des Insassen (212) repräsentierenden Unterkörpermassepunkt (220) zugeordnet ist, wobei im Schritt des Verarbeitens (820) der Fahrzeugbeschleunigungswert (712) und der Modellparameter (714) verarbeitet werden, um einen auf den Kopfmassepunkt (216) und/oder den Oberkörpermassepunkt (218) und/oder den Unterkörpermassepunkt (220) bezogenen Parameter als den Bewegungsparameter (722) zu bestimmen.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Bestimmens zumindest einer auf den Insassen (212) wirkenden Rückhaltekraft unter Verwendung des Fahrzeugbeschleunigungswertes (712) und/oder des Modellparameters (714), wobei im Schritt des Verarbeitens (820) der Bewegungsparameter (722) unter Berücksichtigung der Rückhaltekraft bestimmt wird.
Verfahren (800) gemäß Anspruch 3, bei dem im Schritt des Bestimmens die Rückhaltekraft bezüglich zumindest eines der zwei, insbesondere drei Massepunkte (216, 218, 220) bestimmt wird.
Verfahren (800) gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem im Schritt des Bestimmens eine durch einen Gurt (209) und/oder einen Sitz (228) und/oder einen Airbag (206) des Fahrzeugs (200) auf den Insassen (212) ausgeübte Kraft und/oder eine Nackenkraft des Insassen (212) als die Rückhaltekraft bestimmt wird.
Verfahren (800) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, mit einem Schritt des Vergleichens der Rückhaltekraft mit einer Referenzkraft, wobei im Schritt des Erzeugens (830) das Ansteuersignal (222) in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichens erzeugt wird.
Verfahren (800) gemäß Anspruch 5 und 6, bei dem im Schritt des Erzeugens (830) das Ansteuersignal (222) erzeugt wird, um eine Länge des Gurts (209) durch Entrollen des Gurts (209) zu erhöhen, wenn sich beim Vergleichen ergibt, dass die Rückhaltekraft größer als die Referenzkraft ist.
Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Einlesens (810) eine ein Umfeld des Fahrzeugs (200) repräsentierende Umfeldinformation (226) und/oder eine einen Innenraum des Fahrzeugs (200) repräsentierende Innenrauminformation eingelesen wird, wobei im Schritt des Verarbeitens (820) der Bewegungsparameter (722) unter Verwendung der Umfeldinformation (226) und/oder der Innenrauminformation bestimmt wird.
Steuergerät (202) mit Einheiten (710, 720, 730), die ausgebildet sind, um das Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.