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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Bestimmung eines Nickwinkels eines Fahrzeugs. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine Verbesserung der Genauigkeit der Nickwinkelbestimmung beim ungleichförmigen Fahren auf Neigungen.
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Ein Nickwinkel beschreibt einen Neigungswinkel um eine Querachse und dient in der Fahrzeugtechnik zur Charakterisierung und Anpassung von fahrdynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs oder als Ausgangswert zur Regelung von Beleuchtungseinrichtungen eines Fahrzeugs. Es sind Lösungen bekannt, bei denen der Nickwinkel eines Fahrzeugs mit an der Vorderachse und Hinterachse des Fahrzeugs angebrachten Sensoren bestimmt wird, in dem eine Relativbewegung zwischen Fahrwerk und Karosserie gemessen wird. Diese Methode hat zum Nachteil, dass für die Anordnung und Verkabelung der Sensoren an einer der Fahrzeugachsen eines Fahrzeugs ein vergleichsweise hoher Montageaufwand erforderlich ist. Es wird daher eine Lösung gefordert, die eine einfache Montage ermöglicht und bei Fahrzeugen ohne Nickwinkelbestimmung auf einfache Weise nachgerüstet werden kann.
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Bekannt ist eine Methode aus
DE 10 2008 027 087 A1 , wobei zur Bestimmung des Nickwinkels eines Fahrzeugs an dem Fahrzeug angeordnete Beschleunigungssensoren eingesetzt werden, ohne dass eine aufwändige Montage am Fahrwerk oder an den Fahrzeugachsen des Fahrzeugs erforderlich ist. Gemäß der Lehre von
DE 10 2008 027 087 A1 werden jeweils in eine Richtung entlang einer Längsachse, einer Querachse und einer Hochachse des Fahrzeugs Beschleunigungswerte erfasst, wobei anhand der Beschleunigungswerte ein aktueller Neigungswinkel bestimmt wird, der rechnerisch kompensiert werden kann, sofern sich die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen wesentlich von der Größe der Erdbeschleunigung unterscheidet. Beim ungleichförmigen Fahren auf Neigungen besteht jedoch das Problem, dass auf die Beschleunigungssensoren horizontale Beschleunigungskräfte wirken, die eine Änderung des resultierenden Beschleunigungsvektors hervorrufen können, wodurch ein fehlerhafter Nickwinkel bestimmt wird. So kann es beispielsweise vorkommen, dass bei einer Beschleunigung an einer Steigung ein zu großer Nickwinkel bestimmt wird, wobei beim Verzögern bergab ein zu kleiner Nickwinkel bestimmt wird.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein System zur Bestimmung eines Nickwinkels eines Fahrzeugs vorzuschlagen, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile verringert werden können. Weiterhin ist es Aufgabe, ein Verfahren zur Bestimmung eines Nickwinkels eines Fahrzeugs vorzuschlagen.
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Das erfindungsgemäße System zur Bestimmung eines Nickwinkels eines Fahrzeugs weist eine erste Sensoreinheit, eine zweite Sensoreinheit und eine dritte Sensoreinheit auf. Die erste Sensoreinheit ist zum Bestimmen einer Längsbeschleunigung entlang einer Längsachse eines Fahrzeugs eingerichtet. Die zweite Sensoreinheit weist eine an eine räumliche Ausrichtung des Fahrzeugs ortsfest gekoppelte Messeinheit auf und ist zum Messen einer Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugs entlang einer Fahrzeugvertikalachse, die orthogonal zur Fahrzeuglängsachse orientiert ist, eingerichtet. Die dritte Sensoreinheit weist eine von der räumlichen Ausrichtung des Fahrzeugs entkoppelte Messeinheit auf und ist zum Messen einer Horizontalbeschleunigung des Fahrzeugs eingerichtet. Weiterhin weist das erfindungsgemäße System eine Recheneinheit auf, mit der die von den Sensoreinheiten gelieferten Beschleunigungswerte in Form von Richtungsvektoren interpretiert werden können, um anhand von Winkelbeziehungen zwischen den Richtungsvektoren einen korrigierten Nickwinkel des Fahrzeugs zu bestimmen. Erfindungsgemäß ist die Recheneinrichtung eingerichtet,
- • zum Berechnen eines absoluten Nickwinkels anhand einer Winkelbeziehung zwischen einem Richtungsvektor der Erdbeschleunigung und einem Richtungsvektor der Vertikalbeschleunigung
- • zum Berechnen eines Korrekturwinkels anhand einer Winkelbeziehung zwischen einem Richtungsvektor der Längsbeschleunigung und einem Richtungsvektor der Horizontalbeschleunigung und
- • zum Berechnen eines korrigierten Nickwinkels des Fahrzeugs durch Subtrahieren des Korrekturwinkels von dem absoluten Nickwinkel.
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Auf Basis des von der Messeinheit der zweiten Sensoreinheit gelieferten Beschleunigungswertes, welcher infolge von auf die Messeinheit der zweiten Sensoreinheit wirkenden horizontalen Beschleunigungskräfte insbesondere beim Fahren auf Neigungen fehlerhaft sein kann, ist zunächst der absolute Nickwinkel berechenbar, der wegen des Messfehlers nicht dem tatsächlichen Nickwinkel des Fahrzeugs entspricht. Zum Berechnen des absoluten Nickwinkels wird der Winkel zwischen dem Richtungsvektor der Vertikalbeschleunigung und einem Richtungsvektor der Erdbeschleunigung berechnet, wobei angenommen wird, dass die Erdbeschleunigung der Fallbeschleunigung auf der Erde entspricht. Somit ist der Richtungsvektor der Erdbeschleunigung bei der Berechnung des absoluten Nickwinkels als bekannte Größe einsetzbar. Gleichzeitig ist der Korrekturwinkel auf Basis der von der ersten Sensoreinheit gelieferten Längsbeschleunigung und der von der dritten Sensoreinheit gelieferten Horizontalbeschleunigung berechenbar, in dem der Winkel zwischen dem Richtungsvektor der Längsbeschleunigung und dem Richtungsvektor der Horizontalbeschleunigung berechnet wird. Der korrigierte Nickwinkel, der dem tatsächlichen Nickwinkel des Fahrzeugs entspricht, ist durch Subtrahieren des Korrekturwinkels von dem absoluten Nickwinkel berechenbar. Bei dem korrigierten Nickwinkel, der auch als statischer Nickwinkel bezeichnet werden kann, handelt es sich um einen Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse beziehungsweise einer parallel zur Fahrzeuglängsachse orientierten Fahrzeugebene und dem Fahrzeuguntergrund auf dem sich das Fahrzeug fortbewegt. Der statische Nickwinkel des Fahrzeugs beträgt 0° wenn die Fahrzeuglängsachse beziehungsweise die Fahrzeugebene und der Fahrzeuguntergrund parallel sind.
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Dadurch, dass das erfindungsgemäße System eine von der räumlichen Ausrichtung des Fahrzeugs entkoppelte Messeinheit aufweist, ist eine Möglichkeit gegeben, horizontal auf das Fahrzeug wirkende Beschleunigungskräfte unabhängig von der räumlichen Ausrichtung des Fahrzeugs zu messen, wobei die gemessenen horizontalen Beschleunigungskräfte zur Korrektur eines fehlerhaft bestimmten Nickwinkels einsetzbar sind.
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Vorteilhafterweise kann die Messeinheit der dritten Sensoreinheit in einer Flüssigkeit schwimmend gehalten sein, um horizontal wirkende Beschleunigungskräfte messen zu können. Dabei kann die Messeinheit der dritten Sensoreinheit stets unabhängig von der räumlichen Ausrichtung des Fahrzeugs in einer horizontalen Position gehalten werden. Die Messeinheit der dritten Sensoreinheit kann als Schwimmkörper gebildet sein, der in einem zumindest teilweise mit einem Fluid gefüllten Gehäuse angeordnet ist. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Messeinheit der dritten Sensoreinheit einen MEMS-Sensor (MEMS englisch Micro-Electro-Mechanical-System) aufweisen, um eine horizontale Beschleunigung zu messen. Vorteilhafterweise kann aufgrund einer schwimmenden Lagerung der Messeinheit der dritten Sensoreinheit der Einfluss der Erdbeschleunigung eliminiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Systems kann die erste Sensoreinheit ein Drehzahlmesser zum Bestimmen einer Drehzahl eines Rades des Fahrzeugs aufweisen. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, die Längsbeschleunigung entlang einer Längsachse des Fahrzeugs zu bestimmen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass eine bereits in dem Fahrzeug vorahndende Einrichtung zur Bestimmung der Raddrehzahl eingesetzt wird, um eine Längsbeschleunigung des Fahrzeugs zu bestimmen. Für diesen Fall kann es vorgesehen sein, dass die Recheneinheit zum Empfangen und Interpretieren von Fahrzeugdaten eingerichtet ist. Zweckmäßigerweise kann die Recheneinheit eine Schnittstelle aufweisen, die einen Datenaustausch mit der Fahrzeugelektronik, beispielsweise über den Fahrzeug-CAN-Bus ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße System zur Bestimmung eines Nickwinkels kann in Fahrzeugen ohne Einrichtung zur Bestimmung eines Fahrzeugnickwinkels nachgerüstet werden. Weiterhin kann das erfindungsgemäße System in Fahrzeugen integriert werden, die eine veraltete oder ungenaue Sensorik zur Bestimmung des Nickwinkels aufweisen.
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Vorteilhafterweise können zumindest die zweite Sensoreinheit und die dritte Sensoreinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Vorzugsweise sind die erste Sensoreinheit, die zweite Sensoreinheit, die dritte Sensoreinheit und die Recheneinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, so dass das erfindungsgemäße System kompakt und als geschlossene Einheit bereitgestellt werden kann.
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Vorzugsweise sollten zumindest die zweite Sensoreinheit und die dritte Sensoreinheit an einer Position zwischen den Achsen des Fahrwerks des Fahrzeugs, besonders bevorzugt in der Mitte zwischen den Achsen des Fahrwerks angeordnet sein. Es kann weiter vorgesehen sein, dass zumindest die zweite Sensoreinheit und die dritte Sensoreinheit an einem Schwerpunkt eines Fahrzeugs oder in einer vorgegebenen Entfernung von einem Schwerpunkt des Fahrzeugs angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems kann als Recheneinheit eine bereits in dem Fahrzeug vorhandene Recheneinheit verwendet werden, wobei die erste Sensoreinheit, die zweite Sensoreinheit und die dritte Sensoreinheit des erfindungsgemäßen Systems mit der Recheneinheit des Fahrzeugs elektrisch verbunden werden können. Hierzu kann für die fahrzeuginterne Recheneinheit eine Software vorgesehen sein, die es der fahrzeuginternen Recheneinheit ermöglicht, die von den Sensoreinheiten gelieferten Beschleunigungswerte zu interpretieren, um einen korrigierten Nickwinkel zu bestimmen. Dadurch, dass zur Realisierung des erfindungsgemäßen Systems bereits im Fahrzeug vorhandene Komponenten verwendet werden können, ist eine Möglichkeit gegeben, um Gewicht und Konstruktionsraum im Fahrzeug einzusparen.
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Die erste Sensoreinheit, die zweite Sensoreinheit und die dritte Sensoreinheit können jeweils ein Funkmodul aufweisen, wobei mit dem Funkmodul Daten, insbesondere Beschleunigungsdaten drahtlos übertragbar sind. Zweckmäßigerweise kann die Recheneinheit oder die fahrzeuginterne Recheneinheit ebenfalls ein Funkmodul aufweisen, so dass eine Drahtloskommunikation realisiert werden kann, die eine Einsparung von Kabelverbindungen zwischen den Sensoreinheiten und einer Recheneinheit ermöglicht.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung eines Nickwinkels eines Fahrzeugs, bei dem eine Vertikalbeschleunigung eines Fahrzeugs entlang einer Vertikalachse des Fahrzeugs, eine Längsbeschleunigung entlang einer Längsachse des Fahrzeugs und eine Horizontalbeschleunigung des Fahrzeugs unabhängig von der Vertikalbeschleunigung und der Längsbeschleunigung erfasst werden, wobei anhand einer Winkelbeziehung zwischen einem Richtungsvektor der Erdbeschleunigung und einem Richtungsvektor der Vertikalbeschleunigung ein absoluter Nickwinkel und anhand einer Winkelbeziehung zwischen einem Richtungsvektor der Längsbeschleunigung und einem Richtungsvektor der Horizontalbeschleunigung ein Korrekturwinkel bestimmt werden, wobei ein korrigierter Nickwinkel des Fahrzeugs durch Subtrahieren des Korrekturwinkels von dem absoluten Nickwinkel bestimmt wird.
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Vorteilhafterweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren horizontal wirkende Beschleunigungskräfte messtechnisch voneinander unabhängig bestimmt, so dass die Messwerte der Horizontalbeschleunigung zur Bestimmung eines Korrekturwinkels eingesetzt werden können, in dem der Winkel zwischen einem Richtungsvektor der Horizontalbeschleunigung und einem Richtungsvektor der Längsbeschleunigung bestimmt wird. Bei der Berechnung des absoluten Nickwinkels wird der Winkel zwischen dem Richtungsvektor der Vertikalbeschleunigung und einem Richtungsvektor der Erdbeschleunigung berechnet, wobei angenommen wird, dass die Erdbeschleunigung der Fallbeschleunigung auf der Erde entspricht. Daher wird der Berechnung des absoluten Nickwinkels der Richtungsvektor der Erdbeschleunigung als bekannte Größe eingesetzt. Der Korrekturwinkel kompensiert den Anteil des absoluten Nickwinkels, der aufgrund von Messfehlern durch horizontal wirkende Beschleunigungskräfte bei der Bestimmung der Vertikalbeschleunigung verursacht wird, so dass durch Subtrahieren des Korrekturwinkels von dem absoluten Nickwinkel ein korrigierter Nickwinkel bestimmt werden kann, der dem tatsächlichen Nickwinkel des Fahrzeugs entspricht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Längsbeschleunigung entlang einer Längsachse des Fahrzeugs anhand der Drehzahl eines Rades des Fahrzeugs bestimmt werden. Vorteilhafterweise wird dann kein separater Sensor zur Bestimmung der Längsbeschleunigung benötigt.
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Vorteilhafterweise kann der Nickwinkel beim Fahren des Fahrzeugs bestimmt werden.
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Der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte korrigierte Nickwinkel kann zur Korrektur einer Füllstandsanzeige eines im Fahrzeug vorhandenen Flüssigkeitsbehälters, wie beispielsweise eines Kraftstofftanks oder eines Scheibenwassertanks, eingesetzt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass der korrigierte Nickwinkel im Zusammenhang mit kamerabasierten Assistenzsystemen eingesetzt wird, um beispielsweise eine Anzeige eines ROI (ROI englisch region of interest) zu korrigieren. Außerdem kann der korrigierte Nickwinkel für eine Fahrwerksabstimmung des Fahrzeugs eingesetzt werden.
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Anhand der nachfolgenden Figuren soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung eines Nickwinkels eines Fahrzeugs
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2: eine weitere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung eines Nickwinkels α eines Fahrzeugs
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung eines Nickwinkels α eines Fahrzeugs 1. Im gezeigten Beispiel befindet sich das Fahrzeug 1 auf einer Steigung, wobei das Fahrzeug 1 in Fahrtrichtung 7 beschleunigt wird, so dass das Fahrwerk des Fahrzeugs 1 im hinteren Fahrzeugbereich einfedert bezeihungsweise absenkt. Durch das Einfedern/Absenken des Fahrwerks im Heckbereich des Fahrzeugs 1 wird der Winkel zwischen einer Längsachse 5 des Fahrzeugs 1 und dem Fahrzeuguntergrund, auf dem sich das Fahrzeug 1 fortbewegt, verändert.
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Das System weist eine erste Sensoreinheit 2 auf, wobei es sich um einen Drehzahlmesser handelt, der an einem Rad 8 des Fahrzeugs 1 angeordnet ist, um die Drehzahl des Rades 8 zu erfassen. Die erste Sensoreinheit 2 ist zum Bestimmen einer Längsbeschleunigung entlang einer Längsachse 5 des Fahrzeugs 1 eingerichtet, wobei die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs 1 anhand der Drehzahl des Rades 8 bestimmt wird.
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Weiterhin weist das System eine zweite Sensoreinheit 3 und eine dritte Sensoreinheit 4 auf, die in einem Gehäuse 9 angeordnet sind, wobei die zweite Sensoreinheit 3 eine an eine räumliche Ausrichtung des Fahrzeugs 1 ortsfest gekoppelte Messeinheit aufweist und zum Messen einer Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugs 1 entlang einer Fahrzeugvertikalachse 6, die orthogonal zur Fahrzeuglängsachse 5 orientiert ist, eingerichtet ist. Die dritte Sensoreinheit 4 weist eine von der räumlichen Ausrichtung des Fahrzeugs 1 entkoppelte Messeinheit auf und ist zum Messen einer Horizontalbeschleunigung des Fahrzeugs 1 eingerichtet. Dabei ist die Messeinheit der dritten Sensoreinheit 4 in einer Flüssigkeit 10 schwimmend gehalten, um unabhängig von der Ausrichtung des Fahrzeugs 1 eine horizontale Positionierung der Messeinheit zu gewährleisten. Die Messeinheit der dritten Sensoreinheit 4 weist einen MEMS-Sensor auf, mit dem eine horizontale Beschleunigung des Fahrzeugs 1 messbar ist. Das Gehäuse 9, welches die Sensoreinheiten 3 und 4 beherbergt, ist in der Mitte zwischen den Fahrzeugachsen des Fahrzeugs 1 angeordnet.
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Weiterhin weist das erfindungsgemäße System eine Recheneinheit (nicht gezeigt) auf, mit der die erste Sensoreinheit 2, die zweite Sensoreinheit 3 und die dritte Sensoreinheit 4 elektrisch gekoppelt sind. Die erste Sensoreinheit 2, die zweite Sensoreinheit 3 und die dritte Sensoreinheit 4 liefern Beschleunigungswerte an die Recheneinheit, wobei die gelieferten Beschleunigungswerte von der Recheneinheit in Form von Richtungsvektoren a, b, c und d interpretiert werden können, wobei die Recheneinrichtung anhand von Winkelbeziehungen zwischen den Richtungsvektoren a, b, c und d einen korrigierten Nickwinkel α des Fahrzeugs 1 berechnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die erste Sensoreinheit 2, die zweite Sensoreinheit 3 und die dritte Sensoreinheit 4 jeweils ein Funkmodul (nicht gezeigt) auf, mit dem eine Drahtloskommunikation mit der Recheneinheit bereitgestellt ist, so dass die Beschleunigungswerte von der ersten Sensoreinheit 2, der zweiten Sensoreinheit 3 und der dritten Sensoreinheit 4 drahtlos an die Recheneinheit übertragen werden können. Dabei kann die Drahtloskommunikation via Bluetooth oder WLAN bereitgestellt sein. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die erste Sensoreinheit 2, die zweite Sensoreinheit 3, die dritte Sensoreinheit 4 und die Recheneinheit in ein fahrzeugeigenes Kommunikationsnetzwerk integriert werden.
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Erfindungsgemäß ist die Recheneinrichtung zum Berechnen eines absoluten Nickwinkels α1 eingerichtet, wobei der absolute Nickwinkel nach der Gleichung α1 = cos–1a/g berechenbar ist, wobei a der Richtungsvektor der Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugs 1 und g der Richtungsvektor der Erdfallbeschleunigung ist.
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Weiterhin ist die Recheneinrichtung zum Berechnen eines Korrekturwinkels α2 eingerichtet, wobei der Korrekturwinkel nach der Gleichung α2 = cos–1b/c berechenbar ist, wobei b der Richtungsvektor der Horizontalbeschleunigung und c der Richtungsvektor der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs 1 ist.
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Ferner ist die Recheneinrichtung zum Berechnen eines korrigierten Nickwinkels α des Fahrzeugs 1 eingerichtet, wobei der Korrekturwinkel α2 von dem absoluten Nickwinkel α1 subtrahiert wird.
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Zur Bestimmung des Nickwinkels α wird im vorliegenden Beispiel so vorgegangen, dass zunächst eine Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugs 1 entlang der Vertikalachse 6 des Fahrzeugs 1, eine Längsbeschleunigung entlang einer Längsachse 5 des Fahrzeugs 1 und eine Horizontalbeschleunigung des Fahrzeugs 1 unabhängig von der Vertikalbeschleunigung und der Längsbeschleunigung erfasst werden. Anschließen wird der absolute Nickwinkel α1 bestimmt, in dem der Winkel zwischen dem Richtungsvektor g einer vorgegebenen Erdbeschleunigung und einem Richtungsvektor a der Vertikalbeschleunigung berechnet wird. Gleichzeitig wird der Korrekturwinkel α2 bestimmt, in dem der Winkel zwischen dem Richtungsvektor c der Längsbeschleunigung und dem Richtungsvektor b der Horizontalbeschleunigung berechnet wird. Abschließend wird der korrigierte Nickwinkel α durch Subtrahieren des Korrekturwinkels α2 von dem Nickwinkel α1 berechnet. Der korrigierte Nickwinkel α entspricht dem Winkel zwischen der Längsachse 5 und dem Fahrzeuguntergrund, auf dem sich das Fahrzeug 1 fortbewegt.
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2 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung eines Nickwinkels α eines Fahrzeugs 1. Im gezeigten Beispiel befindet sich das Fahrzeug 1 auf einer Steigung, wobei das Fahrzeug 1 in Fahrtrichtung 7 verzögert wird, so dass das Fahrwerk des Fahrzeugs 1 im vorderen Fahrzeugbereich einfedert. Da sich die in 2 gezeigte Darstellung von der in 1 gezeigten Darstellung lediglich hinsichtlich der Fahrtrichtung des Fahrzeugs 1 unterscheidet, wird zur Beschreibung der 2 auf die Beschreibung zur 1 verwiesen.
