DE10221900A1

DE10221900A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE10221900A1
Application number: DE10221900A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Schwab
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2003-11-27
Also published as: WO2003098098A1; EP1506365A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt man die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Gierrate und den Lenkwinkel. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit und der gemessenen Gierrate die Krümmung der Fahrspur anhand eines Einspurmodells mittels der Fahrzeuggeschwindigkeit und des gemessenen Lenkradwinkels oder anhand eines Gierratenmodells mittels der gemessenen Gierrate und der Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet wird. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor (2), einen Gierraten-Sensor (1) und einen Lenkwinkel-Sensor (14). Sie ist gekennzeichnet durch eine Entscheidungseinheit (7), die mit dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor (2) und dem Gierraten-Sensor (1) gekoppelt ist und als Eingangssignale die Fahrzeuggeschwindigkeit (v¶SP¶) und gemessene Gierrate (dPSI/dt) erhält und durch die in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (v¶SP¶) und der gemessenen Gierrate (dPSI/dt) als Berechnungsmodell ein Einspurmodell oder ein Gierratenmodell auswählbar ist, und eine Berechnungseinrichtung (8, 9, 11), durch die anhand des ausgewählten Modells die Krümmung der Fahrspur berechenbar ist, wobei beim Einspurmodell die Krümmung anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit und des gemessenen Lenkwinkels bestimmt wird und beim Gierratenmodell anhand der gemessenen Gierrate und ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs.

Informationen über die Krümmung der Fahrspur, welche von einem Fahrzeug befahren wird, können insbesondere dazu verwendet werden, den Fahrer bei der Kurvenfahrt zu unterstützen. Beispielsweise können die Krümmungswerte bei sog. adaptiven Kraftfahrzeugscheinwerfersystemen dazu verwendet werden, eine Kurvenlichtfunktion zu steuern. Die Lichtemissionsrichtung des Scheinwerfers wird zumindest teilweise in Richtung der gefahrenen Kurve geschwenkt. Die Kurvenlichtfunktion ist bei adaptiven Kraftfahrzeugscheinwerfersystemen besonders wichtig, da die Ausleuchtung durch das Abblendlicht eines herkömmlichen Scheinwerfers in der Kurve in vielen Situationen unzureichend ist. Insbesondere bei einer Linkskurve (bei den folgenden Ausführungen wird Rechtsverkehr unterstellt; bei Linksverkehr sind die Seitenangaben entsprechend umzudrehen) wird einerseits die eigene Fahrspur schlecht ausgeleuchtet und andererseits blendet der Gegenverkehr stärker als in der Rechtskurve. Für die Kurvenlichtfunktion ist es daher wichtig zu wissen, wie der Straßenverlauf ist, um eine möglichst gute Ausleuchtung des Straßenverlaufs zu erreichen, wobei gleichzeitig die Blendung anderer Verkehrsteilnehmer vermieden werden soll.

Außerdem sind Fahrerassistenzsysteme bekannt, bei denen verschiedene Systeme zur Umfelderkennung eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Bei der automatischen Distanzregelung wird z. B. automatisch die Einhaltung eines ausreichenden Sicherheitsabstands zum vorausfahrenden Fahrzeug geregelt. Bei diesem System ist es wichtig zu wissen, ob das Fahrzeug gerade eine Kurve durchfährt oder nicht. Bei der bekannten automatischen Distanzregelung wird der aktuelle Krümmungswert für die befahrende Fahrspur mit Hilfe von Fahrdynamiksensoren ermittelt. Die Modelle, welche bei der Berechnung der Fahrspurkrümmung zu Grunde gelegt werden, weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie nur unzureichend die Krümmung der Fahrbahn vor dem Fahrzeug abschätzen.

Dieser Nachteil kann durch Berechnungsverfahren behoben werden, die auf Navigationsdaten oder Videosensorikdaten zurückgreifen. Solche Videosensorikdaten werden aus Bildern gewonnen, die von Videokameras aufgenommen werden und die das Fahrzeugumfeld optisch erfassen. Mittels digitaler Bildverarbeitung werden die gewonnenen Bilder ausgewertet, so dass der Fahrbahnverlauf vor dem Fahrzeug ermittelt werden kann. Nachteilhaft an den Videosensoriksystemen sind jedoch die sehr hohen Hardwarekosten und die noch unzureichende Bildverarbeitung zur Ermittlung der Fahrbahn.

Bei Navigationssystemen wird der aktuelle Standort des Fahrzeugs, z. B. mit einem GPS(Global Positionings System)-Empfänger bestimmt. Der so bestimmte Standort wird mit den Daten einer digitalen Landkarte verglichen und so die Position des Fahrzeugs ermittelt. Aus den Daten der digitalen Landkarte lässt sich dann der genaue Straßenverlauf der von dem Fahrzeug gefahrenen Fahrbahn bestimmen. Nachteilhaft an der Krümmungsbestimmung mittels Navigationsdaten ist, dass sie zu ungenau ist. Dies liegt einerseits an dem Fehler bei der Bestimmung der aktuellen Position mittels des GPS- Empfängers und andererseits an Ungenauigkeiten in digitalen Landkarten. Des weiteren können kurzfristige Veränderungen des Fahrbahnverlaufs nicht berücksichtigt werden. Außerdem sind die Hardwarekosten eines solchen Systems relativ hoch.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs bereitzustellen, mit denen eine möglichst genaue Bestimmung der Krümmung der Fahrspur erfolgt, wobei das Verfahren und das System gleichzeitig kostengünstig realisierbar sein soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 12 gelöst, wobei sich vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen aus den Unteransprüchen ergeben.

Erfindungsgemäß wird die Krümmung der Fahrspur des Fahrzeugs anhand von fahrdynamischen Daten des Fahrzeugs berechnet. Die Bewegung eines Fahrzeugs kann durch verschiedene Näherungsmodelle beschrieben werden. Es wurde untersucht, welche dieser Modelle unter welchen Voraussetzungen besonders geeignet für die Bestimmung der Krümmung einer Fahrspur ist.

Das sog. Einspurmodell ist bei M. Mitschke: Dynamik der Kraftfahrzeuge - Fahrverhalten; 2. Auflage, Band C, Springer Verlag, Berlin, 1990 beschrieben. Bei diesem Modell werden zur Vereinfachung zwei Annahmen getroffen:

1. Der Schwerpunkt des Fahrzeugs liegt auf Fahrbahnhöhe. Hieraus folgt, dass die im Schwerpunkt angreifende Zentrifugalkraft keine Auswirkungen auf die Radlasten hat. Die zusätzliche Belastung der kurvenäußeren und die Entlastung der kurveninneren Räder werden vernachlässigt. Eine Drehbewegung um die Querachse des Fahrzeugs, das sog. Nicken, und eine Drehbewegung um die Längsachse des Fahrzeugs, das sog. Wanken, werden vernachlässigt.
2. Es liegt ein lineares System vor. Dies bedeutet, dass z. B. zwischen aufzubringender Seitenkraft und dem Schräglaufwinkel ein linearer Zusammenhang besteht. Diese Linearisierung ist insbesondere bei Querbeschleunigungen von unter 4 m/s² zulässig. Für Vorder- und Hinterachse gelten unterschiedliche Werte bezüglich der Reifensteifigkeit (Schräglaufbeiwert). Die Verformung der Lenkung wird ebenfalls linear angenommen. Ihre Steifigkeit wird mit der vorderen Reifensteifigkeit zur gesamten Steifigkeit der Vorderachse zusammengefasst.

Bei dem Einspurmodell kann die Krümmung der Fahrspur bei bekannter Fahrzeuggeschwindigkeit und bekanntem Lenkradwinkel berechnet werden, wobei für das Fahrzeug charakteristische Steifigkeitswerte berücksichtigt werden. Es werden insbesondere die Reifensteifigkeiten sowie die Verformung der Lenkung berücksichtigt.

Bei sehr langsamer Fahrt kann die Dynamik des Fahrzeugs durch das sog. Ackermann- Modell beschrieben werden. Dabei wird näherungsweise angenommen, dass keine Seitenkräfte und damit auch kein Schräglaufwinkel an den Rädern auftritt. Die Räder rollen in diesem Fall ohne seitlichen Schlupf.

Schließlich kann die Fahrdynamik auch im sog. Gierratenmodell aus der zeitlichen Änderung des sog. Gierwinkels und der Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt werden. Der Gierwinkel beschreibt die Drehung des Fahrzeugs um eine Vertikalachse.

Des weiteren kann die Krümmung der Fahrspur direkt aus dem Lenkradwinkel berechnet werden, wobei bei diesem Modell, nicht wie beim Einspurmodell, Korrekturen aufgrund der Verformbarkeit von Fahrzeugkomponenten einfließen. Schließlich kann die Krümmung aus der direkten Messung der Querbeschleunigung und der Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs errechnet werden.

Es wurde nun gefunden, dass sich die Krümmung der Fahrspur besonders gut in Abhängigkeit von der aktuellen Geschwindigkeit und Gierrate des Fahrzeugs, d. h. der zeitlichen Änderung des Gierwinkels, anhand entweder des Einspurmodells oder des sog. Gierratenmodells berechnen lässt. Bei dem Einspurmodell wird dabei die Krümmung mittels der Fahrzeuggeschwindigkeit und des gemessen Lenkradwinkels bestimmt, bei dem Gierratenmodell mittels der gemessenen Gierrate und der Fahrzeuggeschwindigkeit.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen der Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs misst man die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Gierrate und den Lenkradwinkel. Daraus berechnet man in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der gemessenen Gierrate die Krümmung der Fahrspur entweder an Hand eines Einspurmodells oder an Hand des Gierratenmodells.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, falls die Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb einer Grenzgeschwindigkeit und die gemessene Gierrate unterhalb einer Grenzgierrate liegt, die Krümmung der Fahrspur an Hand des Einspurmodells berechnet, sonst an Hand des Gierratenmodells. Die Grenzgeschwindigkeit liegt vorteilhafterweise zwischen 20 km/h und 40 km/h, bevorzugt zwischen 25 km/h und 35 km/h und besonders bevorzugt bei 30 km/h. Die Grenzgierrate liegt vorteilhafterweise zwischen 1,5 Grad/s und 2,5 Grad/s, bevorzugt zwischen 1,8 Grad/s und 2,2 Grad/s und besonders bevorzugt ist sie 2 Grad/s.

Es hat sich herausgestellt, dass das Einspurmodell bei Geschwindigkeiten unterhalb dieser Grenzgeschwindigkeiten und bei kleinen Gierraten unterhalb der angegebenen Grenzgierraten besonders genaue Krümmungswerte liefert. Falls die Grenzgeschwindigkeit oder die Grenzgierrate überschritten wird, liefert das Gierratenmodell genauere Krümmungswerte, so dass es erfindungsgemäß zur Krümmungsberechnung herangezogen wird.

Bei der Berechnung der Krümmung nach dem Einspurmodell werden vorzugsweise Größen, die für die Steifigkeit des Fahrzeugs charakteristisch sind, berücksichtigt.

Die Krümmung kann beim Einspurmodell bevorzugt durch folgende Formel berechnet werden:

wobei v_SP die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist,
δ_L der Lenkradwinkel ist,
i_L die Lenkübersetzung ist,
l der Achsenabstand ist,
l_V bzw. l_H der Abstand zwischen Schwerpunkt und Vorderachse bzw. Hinterachse ist,
m die Masse des Fahrzeugs ist,
c_αV bzw. c_αH die Steifigkeit der Vorderreifen bzw. der Hinterreifen ist, und
c'_αV die Steifigkeit der Vorderachse ist.

Beim Gierratenmodell kann die Krümmung anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit und der gemessenen Gierrate bevorzugt durch folgende Formel berechnet werden:

wobei κ die Krümmung, dψ/dt die gemessene Gierrate und v_SP die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist.

Die Fahrzeuggeschwindigkeit ist vorzugsweise die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Sie wird anhand gemessener Radgeschwindigkeiten des Fahrzeugs und der Gierrate bestimmt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt man mittels des Einspurmodells und/oder des Gierratenmodells die Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs, das eine Fahrbahn bekannter Krümmung befährt, und berechnet aus der bestimmten Krümmung und der bekannten Fahrbahnkrümmung einen geschwindigkeitsabhängigen Korrekturfaktor und korrigiert die berechnete Krümmung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit um den Korrekturfaktor. Der Korrekturfaktor ergibt sich aus dem Quotienten aus berechneter Krümmung und bekannter Krümmung. Es hat sich herausgestellt, dass der Korrekturfaktor in einem Bereich zwischen 0,98 und 1,20 liegt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen der Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs umfasst einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor, einen Gierraten-Sensor und einen Lenkradwinkel-Sensor. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Entscheidungseinheit, die mit dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor und dem Gierraten-Sensor gekoppelt ist und als Eingangssignale die Fahrzeuggeschwindigkeit und die gemessene Gierrate erhält, und durch welche in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der gemessenen Gierrate als Berechnungsmodell entweder ein Einspurmodell oder ein Gierratenmodell auswählbar ist. Ferner ist die Vorrichtung gekennzeichnet durch eine Berechnungseinrichtung, durch die anhand des ausgewählten Modells die Krümmung der Fahrspur berechenbar ist, wobei beim Einspurmodell die Krümmung an Hand der Fahrzeuggeschwindigkeit und des gemessenen Lenkwinkels bestimmt wird und beim Gierratenmodell an Hand der gemessenen Gierrate und der Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet wird.

Vorzugsweise ist in der Entscheidungseinheit eine Grenzgeschwindigkeit und eine Grenzgierrate gespeichert, wobei die Entscheidungseinheit das Einspurmodell auswählt, wenn die Geschwindigkeit unterhalb der Grenzgeschwindigkeit und die Gierrate unterhalb der Grenzgierrate liegt, und sonst als Berechnungsmodell das Gierratenmodell auswählt.

Bei der Auswahl des Einspurmodells berechnet die Berechnungseinrichtung vorzugsweise die Krümmung durch folgende Formel:

wobei v_SP die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist,
δ_L der Lenkradwinkel ist,
i_L die Lenkübersetzung ist,
l der Achsenabstand ist,
l_V bzw. l_h der Abstand zwischen Schwerpunkt und Vorderachse bzw. Hinterachse ist,
m die Masse des Fahrzeugs ist,
c_αV bzw. c_αH die Steifigkeit der Vorderreifen bzw. der Hinterreifen ist, und
c'_αV die Steifigkeit der Vorderachse ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese ferner eine Speichereinheit, in der Korrekturfaktoren gespeichert sind, wobei sich die Korrekturfaktoren aus bekannten und berechneten Krümmungen in Abhängigkeit von Fahrzeuggeschwindigkeiten ergeben. Die Speichereinheit ist mit der Berechnungseinrichtung gekoppelt, so dass von der Berechnungseinrichtung berechnete Krümmungen durch die in der Speichereinheit gespeicherte Korrekturfaktoren korrigierbar sind.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmten Krümmungen der Fahrspur eines Fahrzeugs lassen sich besonders gut bei der Ansteuerung der Kurvenlichtfunktion eines adaptiven Scheinwerfersystems verwenden. Außerdem kann die bestimmte Krümmung bei weiteren Fahrerassistenzsystemen, wie z. B. einer automatischen Distanzregelung, eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs,
Fig. 2 zeigt die Ergebnisse von Messungen für verschiedene Krümmungsmodelle für Fahren bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten,
Fig. 3 zeigt die nach dem Einspurmodell berechneten Werte für eine Messfahrt, als Referenz die tatsächlichen Kurvenradien sowie den betragsmäßigen Fehler des Einspurmodells und
Fig. 4 zeigt die nach dem Gierratenmodell berechneten Werte für Kurvenradien für die gleiche Messfahrt, wie sie Fig. 3 zu Grunde liegt, sowie den betragsmäßigen Fehler für das Gierratenmodell.
Die Vorrichtung zum Bestimmen der Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs umfasst einen Gierraten-Sensor 1, einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 2 und einen Lenkradwinkel-Sensor 14. Diese Sensoren 1, 2 und 14 bestimmen während der Fahrt die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Gierrate und den Lenkradwinkel.
Als Gierraten-Sensor 1, Geschwindigkeits-Sensor 2 und Lenkradwinkel-Sensor 14 können beispielsweise Sensoren verwendet werden, welche die Daten für ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP), zur Fahrdynamikregelung liefern. Herkömmlicherweise umfasst das elektronische Stabilitätsprogramm als Fahrdynamik-Sensoren insgesamt vier Raddrehzahl-Sensoren, einen Lenkradwinkel-Sensor, einen Gierraten-Sensor und einen Querbeschleunigungs-Sensor. Die Daten dieser Regelung werden über eine Busverbindung zur Verfügung gestellt und können auf diese Weise auch zur Berechnung der Fahrspurkrümmung herangezogen werden.
Unter Fahrzeuggeschwindigkeit wird hier die Geschwindigkeit v_SP des Fahrzeugschwerpunkts verstanden. Sie wird nicht direkt gemessen, sondern aus den Signalen der einzelnen Radgeschwindigkeiten bestimmt. Da sich die Bahnkurve des Fahrzeugschwerpunkts als Überlagerung einer rein translatorischen Bewegung mit der Geschwindigkeit |v_SP| und der Drehbewegung mit der Winkelgeschwindigkeit dψ/dt, die für jeden Punkt des Fahrzeugs gleich ist, darstellt, kann die Schwerpunktgeschwindigkeit wie folgt berechnet werden:

≙_SP = ≙_i - ≙_i × d ≙/dt
Der Gierratenvektor dψ/dt weist dabei nur eine Komponente in vertikaler Richtung auf. Die Abstände r_i sind die Abstände des jeweiligen Radaufstandspunktes zum Schwerpunkt des Fahrzeugs.
Die Radgeschwindigkeiten der Vorderachse müssen noch um den Lenkeinschlag korrigiert werden. Da die Raddrehzahl-Sensoren nur den Anteil der Geschwindigkeit in der Radebene messen können, ergibt sich für die Achsenrichtung des Rades ein Fehler, der jedoch vorteilhafterweise bei bekanntem Schwimmwinkel korrigiert wird.
Neben den Messwerten der Radgeschwindigkeiten und der Gierrate wird von dem Geschwindigkeits-Sensor 2 außerdem erfasst, ob das Bremspedal betätigt wird. Bei der Berechnung der Schwerpunktsgeschwindigkeit werden dann zwei Fälle unterschieden:

1. Die Bremse ist betätigt. Es wird in diesem Fall der Maximalwert der berechneten Schwerpunktgeschwindigkeiten für die einzelnen Räder ausgewählt:

v_SP = max(v_SP1, v_SP2, v_SP3, v_SP4)
2. Die Bremse ist nicht betätigt. Es wird in diesem Fall der Mittelwert der berechneten Schwerpunktgeschwindigkeiten der nicht angetriebenen Achse verwendet:
Die vorstehend erläuterte Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit wird in der Einheit 5 durchgeführt. Als Eingangsgrößen dienen die Geschwindigkeiten der einzelnen Räder, die Gierrate sowie die Information, ob das Bremspedal betätigt ist. Als Ausgangsgröße überträgt die Einheit 5 die Fahrzeuggeschwindigkeit an die Einheiten 6, 11 und 14.

Die von dem Gierraten-Sensor 1 ermittelte Gierrate wird außerdem an die Einheit 3 übertragen, bei welcher der Absolutbetrag der Gierrate gebildet wird. Dieser Absolutbetrag wird schließlich an die Einheit 4 übertragen. Bei der Einheit 4 wird die gemessene Gierrate mit einer in der Einheit 4 gespeicherten Grenzgierrate verglichen. Übersteigt die gemessene Gierrate die gespeicherte Grenzgierrate, überträgt die Einheit 4 ein entsprechendes Signal an die Einheit 7. Ferner wird die gemessene Gierrate an die Einheiten 9 und 11 übertragen, wie es später erläutert wird. Bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Grenzgierrate in einem Bereich zwischen 1,5 Grad/s und 2,5 Grad/s, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1,8 Grad/s und 2,2 Grad/s und in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Grenzgierrate 2 Grad/s.
In der Einheit 6 wird die in der Einheit 5 berechnete Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer Grenzgeschwindigkeit verglichen und bestimmt, ob diese Grenzgeschwindigkeit überschritten wird. Wird die Grenzgeschwindigkeit überschritten, überträgt die Einheit 6 ein entsprechendes Signal an die Einheit 7. Bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Grenzgeschwindigkeit in einem Bereich zwischen 20 km/h und 40 km/h, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 25 km/h und 35 km/h und ist in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel 30 km/h.
In der Entscheidungseinheit 7 wird in Abhängigkeit von der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit und der gemessenen Gierrate als Berechnungsmodell für die Krümmung entweder das Einspurmodell oder das Gierratenmodell ausgewählt. Liegt die gemessene bzw. bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit unter der Grenzgeschwindigkeit und die gemessene Gierrate unter der Grenzgierrate, wird das Einspurmodell ausgewählt, sonst das Gierratenmodell. Diese Auswahl wird an die Berechnungseinrichtung 8 übertragen.
In der Berechnungseinrichtung 8 wird anhand des ausgewählten Berechnungsmodells, d. h. entweder mittels des Einspurmodells oder des Gierratenmodells, die Krümmung der Fahrspur berechnet. Falls die Berechnung anhand des Einspurmodells erfolgt, wird die Krümmung in der Recheneinheit 9 durch folgende Formel berechnet:

wobei v_SP die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist,
δ_L der Lenkradwinkel ist,
i_L die Lenkübersetzung ist,
l der Achsenabstand ist,
l_V bzw. l_H der Abstand zwischen Schwerpunkt und Vorderachse bzw. Hinterachse ist,
m die Masse des Fahrzeugs ist,
c_αV bzw. c_αH die Steifigkeit der Vorderreifen bzw. der Hinterreifen ist, und
c'_αV die Steifigkeit der Vorderachse ist.
Die Recheneinheit 9 erhält hierfür von der Einheit 5 die Fahrzeuggeschwindigkeit sowie von dem Sensor 14 den Lenkradwinkel. Die Steifigkeitsdaten für das jeweilige Fahrzeug werden in einer Speichereinheit abgelegt.
Falls das Gierratenmodell als Berechnungsmodell ausgewählt wurde, wird die Krümmung in Verbindung mit der Einheit 11 wie folgt berechnet:

wobei dψ/dt die gemessene Gierrate, d. h. die zeitliche Änderung des Gierwinkels, ist und v_SP die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Bei dieser Formel wurde die Änderung des Schwimmwinkels β vernachlässigt. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass für Normalsituationen auf Landstraßen der Schwimmwinkel β im Bereich von |β| < 0,5 bis 0,8 Grad ist. Die Schwimmwinkeländerung dβ/dt ist dabei im Vergleich zur Gierrate dψ/dt klein und kann daher vernachlässigt werden.
Schließlich können die berechneten Krümmungen durch Korrekturfaktoren korrigiert werden. Die Korrekturfaktoren sind geschwindigkeitsabhängig. Sie sind jeweils für das Einspurmodell und das Gierratenmodell in der Speichereinheit 14 abgelegt. Sie wurden wie folgt bestimmt:
Für Krümmungen von Straßen mit aus Straßenkarten bekannter Geometrie werden in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit die Wertebereiche der gemessenen Fahrdynamiksignale, d. h. insbesondere der Gierrate und der Radgeschwindigkeiten, und die am häufigsten auftretenden Werte bestimmt. Diese Werte werden zur Krümmungsberechnung herangezogen und mit der tatsächlichen Krümmung ins Verhältnis gesetzt. Der Quotient aus berechneter Krümmung und der aus den Straßenkarten entnommenen Krümmung bildet den Korrekturfaktor. Es hat sich herausgestellt, dass der Korrekturfaktor in einem Bereich zwischen 0,98 und 1,20 liegt. Für Krümmungs- und Geschwindigkeitsbereiche, in denen keine Messdaten zur Verfügung stehen, wird der Korrekturfaktor zu Eins gewählt.
Die Korrekturfaktoren sowie die Auswahl des Modells werden von der Speichereinheit 14 sowie der Einheit 7 über die Einheit 15 an die Korrekturfaktor-Berechnungseinheit 16 übertragen. Von der Berechnungseinrichtung 8 wird die berechnete Krümmung an die Multiplikationseinheit 12 übertragen, von der Korrekturfaktor-Berechnungseinheit 16 der entsprechende Korrekturfaktor. In der Multiplikationseinheit 12 werden diese beiden Werte miteinander multipliziert und an die Einheit 13 ausgegeben.
Um die bei den Ausführungsbeispielen dieser Erfindung verwendeten Berechnungsmodelle für die Krümmung, d. h. das Einspurmodell und das Gierratenmodell, mit anderen Modellen zur Berechnung der Krümmung vergleichen zu können, wurden Vergleichsmessungen durchgeführt. Für die Messungen wurde ein Versuchsfahrzeug verwendet, bei dem die Sensorsignale Radgeschwindigkeiten, Lenkwinkel, Gierrate und Querbeschleunigung des elektronischen Stabilitätsprogramms ESP, die Information Fahrer bremst" sowie das Zeitsignal einer Uhr aufgenommen. Die Messungen wurden auf trockener Straße und bei konstanter Beladung durchgeführt. Vor Versuchsbeginn wurden neue Reifen vom Typ "Continental ContiSportContact" und der Dimension 205/55 R16 aufgezogen und ca. 1000 km eingefahren. Vor jeder Messung wurde der Reifeninnendruck überprüft und die Reifen aufgewärmt. Die für das Einspurmodell benötigten fahrzeugspezifischen Parameter wurden gemessen. Die Messstrecke war ein Kreis mit dem Radius von R = 205 m. Zum besseren Verständnis werden die analysierten Krümmungen κ als Radienwerte R = 1/κ dargestellt. Die Kreisbahn wurde mit Geschwindigkeiten durchfahren, die in einem Bereich zwischen 10 km/h und 110 km/h lagen. Die Ergebnisse der Krümmungs- bzw. Radienberechnungen sind für die verschiedenen Krümmungsmodelle in Fig. 2 gezeigt. Dargestellt sind die Mittelwerte für den Radius und die Bereiche der Standardabweichung. Der durch die Standardabweichung begrenzte Bereich wird durch die schmalen Balken angegeben.
Weitere hier nicht dargestellte Messungen wurden für Radien in einem Bereich zwischen 15 m und 305 m durchgeführt. Für das Einspurmodell ergibt sich, dass unabhängig von der Geschwindigkeit die Krümmung bzw. der Radius mit geringer Streuung berechnet wird. Nur bei hohen Querbeschleunigungen > 0,65 g wurde die Gültigkeitsgrenze des linearen Einspurmodells überschritten.
Das Ackermann-Modell lieferte genaue Krümmungswerte nur für langsamste Fahrt mit 13 km/h. Für höhere Geschwindigkeiten wurden die berechneten Krümmungen sehr ungenau.
Beim Gierratenmodell treten Abweichungen der berechneten Krümmung von der tatsächlichen Krümmung vor allem bei geringen Geschwindigkeiten auf. Bei Geschwindigkeiten, die einer Gierrate von > 4 Grad/s entsprechen, sind die mit dem Gierratenmodell berechneten Krümmungswerte nur geringen Streuungen unterworfen und liefert sehr gute Krümmungswerte.
Die Krümmungsberechnungen mit dem Querbeschleunigungsmodell sind in den meisten Fällen deutlich verfälscht. Insbesondere für größere Geschwindigkeiten wird der Radius zu klein berechnet.
Das Raddrehzahldifferenzmodell der Hinterachse berechnet den Radius bei geringer Geschwindigkeit relativ genau, wobei die Standardabweichung jedoch sehr groß ist. Bei höheren Geschwindigkeiten wird der Radius deutlich zu klein berechnet, insbesondere bei großen Kurvenradien. Ähnliche Ergebnisse liefert das Raddrehzahldifferenzmodell der Vorderachse.
Als Ergebnis dieser Messungen hat sich herausgestellt, dass das Einspurmodell und das Gierratenmodell besonders gut für die Krümmungsberechnung geeignet ist, wobei das Einspurmodell bei geringeren Geschwindigkeiten und geringeren Gierraten bevorzugt ist und das Gierraten bei höheren Geschwindigkeiten und höheren Gierraten.
Um den bevorzugten Bereich des Einspurmodells und des Gierratenmodells genauer zu bestimmen, wurden weitere Messungen an einer Teststrecke durchgeführt, in denen Radien im Bereich von 400 bis 500 m auftraten. Die Ergebnisse dieser Messungen und Berechnungen sind für das Einspurmodell in Fig. 3 gezeigt, für das Gierratenmodell in Fig. 4. Die Kurven 1 zeigen die Referenzwerte für die Radien auf der Teststrecke, die Kurve 2 der Fig. 3 zeigt die berechneten Radien anhand des Einspurmodells, die Kurve 2 der Fig. 4 zeigt die berechneten Radien anhand des Gierratenmodells und die Kurven 3 zeigen jeweils den betragsmäßigen Fehler des Einspurmodells bzw. des Gierratenmodells, dargestellt als Differenz der tatsächlichen Krümmung und der berechneten Krümmung.
Diese Messungen ergeben größere Unterschiede zwischen den beiden Modellen als bei den Kreisfahrten.
Die Ergebnisse der Messungen können wie folgt zusammengefasst werden:
Das Einspurmodell und das Gierratenmodell liefern die genauesten Krümmungswerte. Berücksichtigt man auch die Querneigungen der Straße, ist das Gierratenmodell das einzige der untersuchten Modelle, das unempfindlich auf Querneigungen reagiert. Das Gierratenmodell besitzt bei höheren Gierraten eine größere Genauigkeit. Für niedrige Geschwindigkeiten unterhalb einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit wird daher zur Krümmungsberechnung das Einspurmodel gewählt, falls die Gierrate unter einer Grenzgierrate liegt. Für Gierraten oberhalb der Grenzgierrate und für Geschwindigkeiten oberhalb der Grenzgeschwindigkeit wird das Gierratenmodell zur Krümmungsberechnung herangezogen. Dabei liegt die Grenzgeschwindigkeit vorteilhafterweise in einem Bereich zwischen 20 km/h und 40 km/h, bevorzugt in einem Bereich zwischen 25 km/h und 35 km/h und besonders bevorzugt ist sie 30 km/h. Die Grenzgierrate liegt vorteilhafterweise in einem Bereich zwischen 1,5 Grad/s und 2,5 Grad/s, bevorzugt in einem Bereich zwischen 1,8 Grad/s und 2,2 Grad/s und sie ist besonders bevorzugt 2 Grad/s.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs, bei dem man die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Gierrate und den Lenkradwinkel misst, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit und der gemessenen Gierrate die Krümmung der Fahrspur anhand eines Einspurmodells mittels der Fahrzeuggeschwindigkeit und des gemessenen Lenkradwinkels oder an Hand eines Gierratenmodells mittels der gemessenen Gierrate und der Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, falls die Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb einer Grenzgeschwindigkeit und die gemessene Gierrate unterhalb einer Grenzgierrate liegen, die Krümmung der Fahrspur anhand des Einspurmodells berechnet wird, sonst anhand des Gierratenmodells.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzgeschwindigkeit zwischen 20 km/h und 40 km/h und die Grenzgierrate zwischen 1,5 Grad/s und 2,5 Grad/s liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzgeschwindigkeit zwischen 25 km/h und 35 km/h und die Grenzgierrate zwischen 1,8 Grad/s und 2,2 Grad/s liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzgeschwindigkeit 30 km/h und die Grenzgierrate 2 Grad/s ist.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einspurmodell, bei der Berechnung der Krümmung, Daten, welche für die Steifigkeit des Fahrzeugs charakteristisch sind, einfließen.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einspurmodell die Krümmung durch folgende Formel berechnet wird:

wobei v_SP die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist,
δ_L der Lenkradwinkel ist,
i_L die Lenkübersetzung ist,
l der Achsenabstand ist,
l_V bzw. l_H der Abstand zwischen Schwerpunkt und Vorderachse bzw. Hinterachse ist,
m die Masse des Fahrzeugs ist,
c_αV bzw. c_αH die Steifigkeit der Vorderreifen bzw. der Hinterreifen ist, und
c'_αV die Steifigkeit der Vorderachse ist.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung anhand des Gierratenmodells durch folgende Formel berechnet wird:

wobei κ die Krümmung, dψ/dt die gemessene Gierrate und v_SP die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist.

9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist und dass die Drehgeschwindigkeiten der Räder des Fahrzeugs gemessen werden und die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs aus den Geschwindigkeiten der Räder sowie der Gierrate berechnet wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man vorab mittels des Einspurmodells und/oder des Gierratenmodells die Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs bestimmt, das eine Fahrbahn bekannter Krümmung befährt, und aus der bestimmten Krümmung und der bekannten Fahrbahnkrümmung einen geschwindigkeitsabhängigen Korrekturfaktor berechnet, und dass die berechnete Krümmung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit um den Korrekturfaktor korrigiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Korrekturfaktor aus dem Quotienten aus berechneter Krümmung und bekannter Krümmung ergibt und dass der Korrekturfaktor in einem Bereich zwischen 0,98 und 1,20 liegt.

12. Vorrichtung zum Bestimmen der Krümmung einer Fahrspur eines Fahrzeugs, umfassend einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor (2), einen Gierraten-Sensor (1) und einen Lenkwinkel-Sensor (14), gekennzeichnet durch

- eine Entscheidungseinheit (7), die mit dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor (2) und dem Gierraten-Sensor (1) gekoppelt ist und als Eingangssignale die Fahrzeuggeschwindigkeit (v_SP) und gemessene Gierrate (dψ/dt) erhält und durch die in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (v_SP) und der gemessenen Gierrate (dψ/dt) als Berechnungsmodell ein Einspurmodell oder ein Gierratenmodell auswählbar ist, und

- eine Berechnungseinrichtung (8, 9, 11), durch die anhand des ausgewählten Modells die Krümmung der Fahrspur berechenbar ist, wobei beim Einspurmodell die Krümmung an Hand der Fahrzeuggeschwindigkeit und des gemessenen Lenkwinkels bestimmt wird und beim Gierratenmodell an Hand der gemessenen Gierrate und der Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entscheidungseinheit (7) eine Grenzgeschwindigkeit und eine Grenzgierrate gespeichert ist, und dass die Entscheidungseinheit (7) das Einspurmodell auswählt, wenn die Geschwindigkeit unterhalb der Grenzgeschwindigkeit und die Gierrate unterhalb der Grenzgierrate liegt und sonst als Berechnungsmodell das Gierratenmodell auswählt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung (8, 9) bei der Auswahl des Einspurmodell die Krümmung durch folgende Formel berechnet:

wobei v_SP die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist,
δ_L der Lenkradwinkel ist,
i_L die Lenkübersetzung ist,
l der Achsenabstand ist,
l_V bzw. l_H der Abstand zwischen Schwerpunkt und Vorderachse bzw. Hinterachse ist,
m die Masse des Fahrzeugs ist,
c_αV bzw. c_αH die Steifigkeit der Vorderreifen bzw. der Hinterreifen ist, und
c'_αV die Steifigkeit der Vorderachse ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit bei der Auswahl der Fahrzeuggeschwindigkeit und Gierrate als Berechnungsmodell die Krümmung durch folgende Formel berechnet:

wobei κ die Krümmung, dψ/dt die gemessene Gierrate und v_SP die Schwerpunktgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Speichereinheit (14) enthalten ist, in der Korrekturfaktoren gespeichert sind, wobei sich die Korrekturfaktoren aus bekannten und berechneten Krümmungen in Abhängigkeit von Fahrzeuggeschwindigkeiten ergeben, und dass die Speichereinheit (14) mit der Berechnungseinheit (8, 9, 11, 16) gekoppelt ist, so dass von der Berechnungseinheit (8, 9, 11, 16) berechnete Krümmungen durch die in der Speichereinheit (14) gespeicherte Korrekturfaktoren korrigierbar sind.