DE102017007122A1 - Verfahren zur Fahrtrichtungserkennung eines Fahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fahrtrichtungserkennung eines Fahrzeugs (1). Erfindungsgemäß wird eine jeweilige Fahrtrichtung oder ein Stillstand des Fahrzeugs (1) anhand einer Kräftebilanz am Fahrzeug (1) angreifender Kräfte ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fahrtrichtungserkennung eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der EP 2 171 480 B1 ist ein Verfahren zur Fahrtrichtungserkennung oder zur Erkennung eines Fahrtrichtungswechsels eines Kraftfahrzeugs bekannt, welches zumindest zwei Raddrehzahlsensoranordnungen aufweist, die jeweils einen Encoder mit einem inkrementellen Maßstab und mehreren Maßstabsteilungen sowie einen Raddrehzahlsensor umfassen und mit einer elektronischen Kontrolleinheit verbunden sind, wobei die Raddrehzahlsensoren bei Erfassung einer Maßstabsteilung jeweils ein Drehzahlsignal an die elektronische Kontrolleinheit übertragen, wobei die Fahrtrichtung oder ein Fahrtrichtungswechsel zumindest aus der Reihenfolge des Auftretens der Drehzahlsignale bezüglich der einzelnen Raddrehzahlsensoranordnungen ermittelt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Fahrtrichtungserkennung eines Fahrzeugs anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einem Verfahren zur Fahrtrichtungserkennung eines Fahrzeugs wird erfindungsgemäß eine jeweilige Fahrtrichtung oder ein Stillstand des Fahrzeugs anhand einer Kräftebilanz am Fahrzeug angreifender Kräfte ermittelt.
  • Vorteilhafterweise wird zusätzlich eine Steigung einer aktuell befahrenen Fahrstrecke berücksichtigt, welche ermittelt oder geschätzt wird.
  • Des Weiteren kann eine Masse des Fahrzeugs berücksichtigt werden, welche beispielsweise geschätzt wird.
  • Mittels des Verfahrens und der dadurch ermöglichten kraftbasierten Fahrtrichtungs- und Stillstandserkennung kann ein Fahrtrichtungswechsel des Fahrzeugs, insbesondere nach einem Stillstand des Fahrzeugs, frühzeitig erkannt werden. Eine schnelle, d. h. frühzeitige, und hochgenaue Kenntnis einer momentanen Fahrtrichtung oder des Stillstands des Fahrzeugs ermöglicht eine gegenüber konventionellen Verfahren genauere Bestimmung von Odometriedaten und somit einer genaueren Position des Fahrzeugs. Damit kann eine Funktionalität bestimmter Assistenzvorrichtungen, beispielsweise eines Parkassistenten, gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann schon sehr eine Aussage darüber getroffen werden, ob sich das Fahrzeug im Stillstand befindet oder die Fahrtrichtung gewechselt hat, da Motormomente eines Antriebsmotors des Fahrzeugs bereits anliegen, bevor sich das Fahrzeug bewegt hat.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise in Kombination mit einem oder mehreren Verfahren zur Fahrtrichtungserkennung und/oder Odometriedatenermittlung mittels Raddrehzahlsensoren verwendet, beispielsweise zur Plausibilisierung derartiger Verfahren. Ein derartiges Verfahren, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden kann, ist beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten DE 10 2017 003 442.7 der Anmelderin beschrieben, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird.
  • Bei derartigen Verfahren sind dem jeweiligen Fahrzeugrad ein Encoder, der sich mit dem Fahrzeugrad dreht, und ein fest am Fahrzeug angeordneter Raddrehzahlsensor zugeordnet. Die Vorbeibewegung des Encoders am Raddrehzahlsensor verursacht Ausschläge in einem vom Raddrehzahlsensor erfassten Drehzahlsignal, auch als Ticks oder Radticks bezeichnet. Bei bisher bekannten Verfahren sind beispielsweise vier derartige erfasste Ticks erforderlich, um eine jeweilige Fahrtrichtung des Fahrzeugs ermitteln zu können. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist diese Fahrtrichtungserkennung bereits wesentlich früher möglich, nämlich bereits beim Aufstellen der Kräftebilanz. Dadurch werden kleinere Nullphasen eines Fahrrichtungssignals erreicht, wodurch die erfassten Ticks mit richtigem Bezug für die Odometrie verwendet werden können.
  • Mittels des Verfahrens wird, zum Beispiel durch Verwendung eines Kalman-Filters, beispielsweise ein die jeweilige Fahrtrichtung oder den Stillstand des Fahrzeugs anzeigendes Signal ermittelt, welches den folgenden Aufbau aufweist:
    Figure DE102017007122A1_0002
  • D. h. dieses drive genannte Signal kann den Wert Eins, Null und minus Eins aufweisen, wobei das Signal, wenn es den Wert Eins annimmt, anzeigt, dass sich das Fahrzeug in der Fahrtrichtung Vorwärtsfahrt befindet, wenn es den Wert Null annimmt, anzeigt, dass sich das Fahrzeug im Stillstand befindet, und wenn es den Wert minus Eins annimmt, anzeigt, dass sich das Fahrzeug in der Fahrtrichtung Rückwärtsfahrt befindet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch ein Fahrzeug,
  • 2 schematisch das Fahrzeug auf einer aktuell befahrenen Fahrstrecke, welche eine Steigung aufweist, und
  • 3 schematisch Diagramme, welche eine Fahrtrichtungsermittlung anhand einer Kräftebilanz am Fahrzeug angreifender Kräfte verdeutlichen.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugs 1. In einem Verfahren zur Fahrtrichtungserkennung eines solchen Fahrzeugs 1 wird eine jeweilige Fahrtrichtung oder ein Stillstand des Fahrzeugs 1 anhand einer Kräftebilanz am Fahrzeug 1 angreifender Kräfte ermittelt. Hierzu wird in einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens ein Kalman-Filter verwendet.
  • Dieses Verfahren wird vorteilhafterweise in Kombination mit einem Verfahren zur Fahrtrichtungserkennung und/oder Odometriedatenermittlung mittels Raddrehzahlsensoren verwendet, beispielsweise zur Plausibilisierung eines solchen Verfahrens. Ein derartiges Verfahren, welches mit dem hier beschriebenen Verfahren kombiniert werden kann, ist beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten DE 10 2017 003 442.7 der Anmelderin beschrieben, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird.
  • Im Folgenden wird ein dem Verfahren zugrundeliegender Ansatz zur Fahrtrichtungs- und Stillstandserkennung auf Basis von Kräften und Momenten beschrieben. Ein Vorzeichen einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 in Längsrichtung bestimmt die Fahrtrichtung des Fahrzeugs 1. Die Geschwindigkeit wird über einen abschnittsweise linearen Kalman-Filter aus den Kräften integriert und, wenn vorhanden, mit einer Geschwindigkeit von Rädern 2 des Fahrzeugs 1 fusioniert.
  • Es wird davon ausgegangen, dass Massenträgheiten eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs 1, umfassend insbesondere ein Getriebe, einen Motor, Antriebswellen und die Räder 2 des Fahrzeugs 1, gegenüber einer zu beschleunigenden Masse m des Fahrzeugs 1 vernachlässig bar sind. Der Ansatz geht von dem zweiten Newtonschen Gesetz aus:
    Figure DE102017007122A1_0003
  • Dabei ist Fx die Kraft in X-Richtung eines Fahrzeugkoordinatensystems, d. h. in Längsrichtung des Fahrzeugs 1, vx die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 in X-Richtung des Fahrzeugkoordinatensystems, m die Masse des Fahrzeugs 1, v .x eine Beschleunigung des Fahrzeugs 1 in X-Richtung des Fahrzeugkoordinatensystems, Fan die das Fahrzeug 1 antreibende Kraft und Freib die das Fahrzeug 1 bremsende Reibungskraft.
  • Die Summe aller Kräfte in Längsrichtung setzt sich aus Größen mit bekanntem Vorzeichen Fan und aus Größen mit geschwindigkeitsabhängigen Vorzeichen Freib(vx) zusammen. Im Detail setzten diese sich aus den folgenden Kräften und Momenten zusammen:
    • • Motormoment am Rad Teng -> Feng = Teng/rdyn
    • • Motorschleppmoment am Rad Tschlepp -> Fschlepp = Tschlepp/rdyn
    • • Bremsmoment am Rad Tbrk -> Fbrk = Tbrk/rdyn
    • • Rollreibungskraft Froll = μroll·cosθ·m·g
    • • Hangabtriebskraft Fsteig = sinθ·m·g
  • Dabei ist Feng eine Motorkraft des Motors des Fahrzeugs 1, rdyn ein dynamischer Radius des Rads des Fahrzeugs 1, Fschlepp eine Motorschleppkraft des Motors des Fahrzeugs 1, Fbrk eine Bremskraft des Fahrzeugs 1, μroll ein Rollreibungskoeffizient, θ eine Steigung einer aktuell befahrenen Fahrstrecke FS, m die Masse des Fahrzeugs 1 und g die Fallbeschleunigung.
  • Die in 2 gezeigte Steigung θ der aktuell befahrenen Fahrstrecke FS kann durch einen Vergleich einer gemessenen Beschleunigung mit der Beschleunigung des Fahrzeugs 1 ermittelt werden. Hierzu werden Raddrehzahlsensoren und eine Inertialsensorik des Fahrzeugs 1 verwendet, wobei für Sensorergebnisse der Raddrehzahlsensoren ein Kalman-Filter und für Sensorergebnisse der Inertialsensorik ein Tiefpassfilter verwendet wird.
  • Die ermittelte Steigung θ resultiert aus einer Differenz zwischen der Inertialsensorik und der tatsächlichen Fahrzeugbeschleunigung.
  • Figure DE102017007122A1_0004
  • Dabei ist asx ein Messwert eines Inertialsensors in X-Richtung des Fahrzeugkoordinatensystems, d. h. in Fahrzeuglängsrichtung, ax eine mittels der Raddrehzahlsensoren ermittelte Beschleunigung in X-Richtung des Fahrzeugkoordinatensystems, ah– eine Hangabtriebsbeschleunigung und ah+ eine Gegenbeschleunigung des Fahrzeugs 1.
  • Die Hangabtriebsbeschleunigung ah– wird wie folgt ermittelt: ah– = –gsin(θ) = –asx + ax (5)
  • Die Gegenbeschleunigung ah+ des Fahrzeugs 1 wird wie folgt ermittelt: ah+ = gsin(θ) = asx – ax (6)
  • Es wird vorteilhafterweise eine Nachbereitung dieser Steigungsermittlung durch Glättung des Signals und Ausfiltern unplausibler Werte durchgeführt.
  • Die Reibungskräfte, die stets zur Reduktion der Geschwindigkeit führen, setzten sich aus den Beträgen von Bremskraft Fbrk, Rollreibungskraft Froll und gegebenenfalls dem Motorschleppmoment vom Motor bzw. der daraus resultierenden Motorschleppkraft Fschlepp zusammen, wie durch Formel (7) gezeigt, wobei Freib,abs die absolute Reibungskraft ist. Sie sind zu jedem Zeitpunkt entgegengesetzt zur momentanen Geschwindigkeitsrichtung, wie durch Formel (8) gezeigt. Freib,abs = Fbrk + Froll + Fschlepp (7) Freib = sgn(vx)·Freib,abs (8)
  • Die Vorzeichenfunktion wird mit sgn bezeichnet und ist definiert als:
    Figure DE102017007122A1_0005
  • Das Vorzeichen der Kräfte aufgrund von Motor oder Steigung θ ist unabhängig von der Richtung der Geschwindigkeit. Es gilt daher: Fan = Feng + Fsteig (10)
  • Es wird folgendes lineares zeitdiskretes Systemmodell erhalten: xk = A·xk-1 + B·uk (11) v * / k = f*(vk-1) = vk-1 + Δt / m·(Fk,an – Fk,reib(vk-1)) (12)
  • Das alleinige Anwenden der Gleichung (12) kann zu einem Problem führen, da die Geschwindigkeit einen ständigen Vorzeichenwechsel zwischen k – 1 und k durch eine Reibungskraft durchführen kann. Die Geschwindigkeit v * / k = 0 wird wahrscheinlich niemals getroffen. Mit folgender Logik wird dieses Problem vermieden. Lk := (Freib,abs ≥ |Fan|) ∧ [(sgn(v * / k) ≠ sgn(vk-1)) ∨ (vk-1 = 0)] (13)
    Figure DE102017007122A1_0006
  • Hier wird in dem logischen Ausdruck Lk die Information gespeichert, ob die Reibungskräfte ausreichen, um die Geschwindigkeit auf Null zu bringen oder bei Null zu halten. Es wird ein Extended-Kalman-Filter genutzt, um eine optimale Geschwindigkeit zu schätzen, die auch ohne Richtung des RIZ-Sensors, d. h. des Raddrehzahlsensors, existiert.
  • Die Systemgleichung f(xk-1) mit dem Systemrauschen wx, und die Messgleichung h(xk) mit dem Messrauschen wz sind: xk = f(xk-1) + wx mit ε(wx) = 0; Qk := ε{wx·w T / x) (15) zk = h(xk) + wz = xk + wz mit ε{wz) = 0; Rk := ε(wz·w T / z) (16)
  • Die Jacobi-Matrizen werden definiert als
    Figure DE102017007122A1_0007
    wodurch ein Extended-Kalman-Filter der allgemeinen Form erhalten wird: x ^k|k-1 = f(x ^k–1|k-1) (19) P ^k|k-1 = P ^k-1|k-1 + Qk (20) S ^k = H·P ^k|k-1·HT + Rk (21) Kk = P ^k|k-1·HT + S ^ –1 / k (22) x ^k|k = x ^k|k–1 + Kk·(zk – h(x ^k|k-1)) (23) wobei für den Fall, dass keine Messung zur Verfügung steht, nur die Prädiktion verwendet wird: x ^k|k := x ^k|k-1 (24) P ^k|k := P ^k|k-1 (25)
  • Es steht genau dann keine Messung der Geschwindigkeit zur Verfügung, wenn das Richtungssignal der RIZ-Sensoren undefiniert bzw. 0 ist. Der Algorithmus ist für folgende Parameter in der Ebene getestet worden:
    Kovarianz Verhältnis Rk/Qk = 5
  • Die Masse m des Fahrzeugs 1 beträgt 2000 kg.
  • Der Rollreibungskoeffizient μroll ist 0,02.
  • Der dynamischer Radius rdyn des Rads 2 beträgt 2,09 / 2·π m.
  • Die Steigung θ beträgt 0 rad.
  • In einer Testfahrt wurde das Fahrzeug 1 vorwärts, rückwärts und wieder vorwärts bewegt.
  • In 3 sieht man im obigen Graphen ein mittels der als Hall-Sensoren ausgebildeten Raddrehzahlsensoren ermitteltes Richtungssignal, bezeichnet mit Dir_Veh_Stat, ein mittels der Mustererkennung gemäß des in der noch nicht veröffentlichten DE 10 2017 003 442.7 der Anmelderin beschriebenen Verfahrens ermitteltes Richtungssignal, bezeichnet mit dir_pattern, und das mittels des hier beschriebenen Kraftansatzes ermittelte Richtungssignal, bezeichnet mit dir_force. Darunter ist das Rohsignal in Form der Zählwertdifferenzen der Raddrehzahlsignale DWPC: 1 bis DWPC: 4 der Raddrehzahlsensoren der vier Räder 2 des Fahrzeugs 1 gezeigt. Im dritten Graphen erkennt man die Geschwindigkeitsmessungen vein als Eingangssignal des Kalman-Filters und den fusionierten Zustand des Kalman-Filters als dessen Ausgangssignal vaus für die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1. Zur Erinnerung: Wenn keine Messung zur Verfügung steht, also das mittels der Raddrehzahlsensoren ermittelte Richtungssignal Dir_Veh_Stat=0 ist, wird der fusionierte Zustand des Kalman-Filters aus dem vorherigen Zustand und der momentanen Kraft bestimmt. Im unteren Graphen sind die antreibenden Kräfte Fan und der positive bzw. negative Wert der maximalen absoluten Reibungskräfte Freib,abs dargestellt. Dabei stellen die maximalen Reibungskräfte Freib,abs Schwellwerte dar, bei deren betragsmäßiger Überschreitung durch die antreibenden Kräfte Fan sich das Fahrzeug 1 bewegt.
  • Man erkennt, dass das Richtungssignal dir_force auf Basis der Kräfte plausibel scheint und sogar während das mittels der Raddrehzahlsensoren ermittelte Richtungssignals Dir_Veh_Stat undefiniert ist, existiert. Plausibel daher, weil es gegen den wahren Wert des mittels der Raddrehzahlsensoren ermittelten Richtungssignals Dir_Veh_Stat strebt, wenn Dir_Veh_Stat≠0 ist, und ähnlich zu dem mittels der musterbasierten Richtungserkennung ermittelten Richtungssignals dir_pattern ist. Es hat kurze Phasen in denen die Richtungsinformation Null ist. So ist es mit diesem Richtungssignal dir_force möglich, die Zählwertdifferenzen, bei denen kein Richtungssignal Dir_Veh_Stat von den Raddrehzahlsensoren existiert, in einem späteren Filter richtig zu benutzen. Zwischen etwa 9.3 s und 10 s ist das Richtungssignal der Raddrehzahlsensoren Dir_Veh_Stat=0, aber es liegen Werte Ungleich Null bei den Zählwertdifferenzen der Raddrehzahlsignale DWPC: 1 bis DWPC: 4 an. Ein ähnliches Szenario ist zwischen etwa 15.5 s und 16.5 s zu sehen.
  • Auf der Abszissenachse der in 3 dargestellten Diagramme ist jeweils die Zeit in Sekunden abgetragen. Auf der Ordinatenachse ist im ersten und dritten Diagramm von oben die Richtung abgetragen, wobei positive Werte für Vorwärtsfahrt und negative Werte für Rückwärtsfahrt stehen, im zweiten Diagramm ist auf der Ordinatenachse der Signalausschlag der Raddrehzahlsensoren abgetragen und im vierten, d. h. untersten, Diagramm ist auf der Ordinatenachse die Kraft in Newton abgetragen.
  • Die in den oben angegebenen Formeln verwendeten Formelzeichen, insbesondere diejenigen, welche nicht bereits im obigen Text erläutert wurden, haben die folgende Bedeutung: Nomenklatur Mathematische Notation
    Figure DE102017007122A1_0008
    Variablen Fhhrzeugsensorik
    Figure DE102017007122A1_0009
    Simulationsmodell
    Figure DE102017007122A1_0010
    Kalman-Filter
    Figure DE102017007122A1_0011
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeug
    2
    Rad
    asx
    Messwert eines Inertialsensors in X-Richtung
    ax
    mittels der Raddrehzahlsensoren ermittelte Beschleunigung in X-Richtung
    ah–
    Hangabtriebsbeschleunigung
    ah+
    Gegenbeschleunigung des Fahrzeugs
    FS
    Fahrstrecke
    θ
    Steigung
    Dir_Veh_Stat
    Richtungssignal von Raddrehzahlsensoren
    dir_pattern
    Richtungssignal aus Mustererkennung
    dir_force
    Richtungssignal mittels Kraftansatz
    DWPC: 1
    Raddrehzahlsignal
    DWPC: 2
    Raddrehzahlsignal
    DWPC: 3
    Raddrehzahlsignal
    DWPC: 4
    Raddrehzahlsignal
    vein
    Eingangssignal
    vaus
    Ausgangssignal
    Fan
    antreibende Kraft
    FReib,abs
    absolute Reibungskraft
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2171480 B1 [0002]
    • DE 102017003442 [0011, 0022, 0048]

Claims (3)

  1. Verfahren zur Fahrtrichtungserkennung eines Fahrzeugs (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Fahrtrichtung oder ein Stillstand des Fahrzeugs (1) anhand einer Kräftebilanz am Fahrzeug (1) angreifender Kräfte ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Kräftebilanz eine Steigung θ einer aktuell befahrenen Fahrstrecke (FS) berücksichtigt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Kräftebilanz eine Masse des Fahrzeugs (1) geschätzt wird.
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