DE19725058A1 - Vorrichtung mit redundanten Kanälen zwischen einer Sensoreinrichtung und einer Auswerteeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine sensorische Vorrichtung zur Er­ fassung von Winkelbewegungen, insbesondere Winkelgeschwin­ digkeiten im Bereich der Kfz.-Industrie vorwiegend im Anwen­ dungsbereich geregelter Systeme zur Kontrolle von Fahrzeug­ eigenbewegungen um die Hochachse mit Hilfe elektronisch ge­ steuerter Brems- und/oder Lenkvorgänge zur Ausregelung un­ erwünschter Gierbewegungen um die Fahrzeughochachse und gleichzeitiger intelligenter Tempomatfunktion (Intelligent Cruise Control) und/oder Hindernisdetektion (Collision Avoi­ dance).

Verfahren und Vorrichtungen zur Kontrolle und Begrenzung unerwünschter Gierbewegungen um die Fahrzeughochachse sind bekannt. Bei derartigen Systemen wird über Sensoren für den Lenkwinkel, die Gaspedalstellung, den Bremsdruck und die vier Raddrehzahlen auf den Fahrerwunsch geschlossen und die Soll-Gierbewegung des Fahrzeugs berechnet. Gleichzeitig wird die auf das Fahrzeug wirkende Querbeschleunigung gemessen, ebenso die Giergeschwindigkeit und aus deren rechnerischer Verknüpfung der Ist-Gierzustand des Fahrzeugs erkannt. Be­ ginnt die Ist-Bewegung von der Soll-Bewegung unzulässig ab­ zuweichen, regelt das System über einen gezielten Bremsen­ eingriff auf die zulässige Gierbewegung zurück. Laser- oder radargestützte Verfahren und Vorrichtungen zur intelligenten Kurskontrolle bzw. Hinderniserkennung sind ebenfalls be­ kannt. Hierbei wird die Gierbewegung des Fahrzeugs erfaßt, um den Fahrkurs zu verfolgen bzw. den Radius von Fahrkurven zu berechnen.

Die Erfindung geht daher aus von einer Vorrichtung der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung. Die Anwendung der Erfindung liegt hauptsächlich auf dem Gebiet der Regelung der Fahrzeugdynamik. Derartige Regelungssysteme für Fahrzeuge müssen präzise und absolut sicher arbeiten, damit die gewohnten natürlichen Fahreigenschaften des Kraft­ fahrzeugs nicht durch fehlerhaften Eingriff der Regelung unangenehm verfälscht werden oder u. U. sogar eine Fahrerge­ fährdung eintritt. Hierbei konzentrieren sich die höchsten technischen Anforderungen auf eine präzise Bestimmung der Gierrate. Die Gierratensensorik, durch welche die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung dargestellt sein kann, muß gleich­ zeitig sicherstellen, daß jede sensorbedingte Mißweisung unmittelbar mit ihrem Auftreten detektiert werden kann. Dies wird dadurch erschwert, daß keine definierte Fahrzeugbewe­ gung erzeugt werden kann, an der die Gierratensensorik kali­ briert werden könnte. Lediglich bei Fahrzeugstillstand kann einmalig die Nullpunkt-Abweichung korrigiert werden. Um die Sicherheit des Regelungssystems oder allgemeiner der gat­ tungsgemäßen Vorrichtung zu erhöhen, sind eine Reihe von Konzepten erarbeitet worden, die sich in redundant arbeiten­ de Konzepte und nicht redundant arbeitende Konzepte unter­ teilen lassen. Das letztere Konzept hat den Nachteil, daß es nach dem Kalibrieren bei Fahrzeugstillstand keine direkte Detektionsmöglichkeit mehr gibt, an der eine langsam fort­ schreitende Meßabweichung erkannt werden kann, die durch bestimmte Bauteiledefekte in der Sensoreinrichtung oder dem Kanal auftreten können, der die Sensoreinrichtung mit der Verarbeitungseinrichtung verbindet. Solche Defekte können z. B. fehlerhafte Kondensatoren, offene hochohmige Halblei­ tereingänge, Wackelkontakte und ähnliches in der Sensorein­ richtung und/oder dem Kanal sein. Da keine redundanten Bau­ gruppen vorliegen, deren Ausgangssignale miteinander ver­ glichen werden können, muß die Erkennung dieser Fehler über den Umweg von Indizien geschehen, die aus Hilfsgrößen und Kausalitäten gewonnen werden, die mit dem Giervorgang in mehr oder weniger mittelbarem Zusammenhang stehen. Der Er­ kennungsmechanismus reagiert daher mit relativ geringer Auf­ lösung und größerer Trägheit als bei einem unmittelbaren Vergleichsverfahren. Um diesen Nachteil zu kompensieren, ist es erforderlich, entsprechend feiner zu messen. Das führt zur Notwendigkeit, einen hochpräzisen Gierratensensor ein­ zusetzen, der sowohl den Anforderungen nach großem Meßbe­ reich als auch nach erhöhter Auflösung und Präzision im Be­ reich kleinerer bis mittlerer Gierraten genügen muß. Die Relation von technischem Aufwand zu erreichbarer Genauigkeit und Sicherheit steigt hierbei jedoch überproportional.

Weitere Sicherheitskonzepte beschäftigen sind mit der Anwen­ dung der Redundanz, also der Verwendung mehrerer parallel betriebener Baugruppen und dem Vergleich von deren Ausgangs­ signalen. Sicherheitsmaßnahmen werden dann eingeleitet, wenn die Ausgangssignale einander zugeordneter parallel arbeiten­ der Baugruppen hinreichend weit abweichen. Redundante Bau­ gruppen sind hier insbesondere hinsichtlich der Sensorein­ richtungen vorgeschlagen worden. Da die Sensoreinrichtungen aber insbesondere bei Regelungssystemen der Fahrzeugdynamik, also insbesondere Gierratensensoren, sehr aufwendig und teu­ er sind, stößt dieses Konzept bald an seine Grenzen. Aus der DE-OS 42 14 642 ist ein Konzept bekannt, bei dem der redun­ dante Sensor vergleichsweise einfach aufgebaut ist und nur die Aufgabe hat, starke Meßwertabweichungen gegenüber dem mit der Verarbeitungseinheit verbundenen Sensor erkennen zu können. An dem Prinzip, daß mehrere Sensoren verwendet wer­ den, ändert sich hieran nichts.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einer gattungsgemä­ ßen Vorrichtung ein neuartiges Konzept zur Erhöhung der Meß­ genauigkeit und Meßsicherheit vorzuschlagen. Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfin­ dung besteht im Prinzip also darin, auf den mehrfachen par­ allelen Einsatz von Sensoreinrichtungen zu verzichten und nur mit einer einzigen Sensoreinrichtung auszukommen, gleichzeitig aber eine für viele Zwecke hinreichende Redun­ danz in der Arbeitsweise der nachgeschalteten Vorrichtung vorzusehen. Dies geschieht genauer gesagt dadurch, daß bei den hinter der Sensoreinrichtung angeschlossenen Baugruppen, also im Prinzip bei den Meßkanälen und/oder innerhalb der Auswerteeinrichtung eine parallele Verarbeitung der von der Sensoreinrichtung gemessenen Meßgrößen und ein Vergleich dieser Meßgrößen an geeigneter Stelle stattfindet. Auf diese Weise lassen sich mit vergleichsweise preiswerten Mitteln in neuartiger Weise redundante Vorrichtungen schaffen, über welche die im Zusammenhang mit der oben beschriebenen Miß­ weisung geschilderten Bauteildefekte erkannt und daraufhin entsprechende Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden können.

Dabei ist es denkbar, daß ein Vergleich über den gesamten Meßwertbereich stattfindet. Die Erfindung ist aber auch dann wirksam einsetzbar, wenn innerhalb der Verarbeitungseinrich­ tung voneinander abweichende Meßbereiche der Meßergebnisse parallel ausgewertet werden. Im einfachsten Fall mag es aber genügen, nur zwei oder mehr parallele Kanäle redundant vor­ zusehen und die über die Kanäle gelangenden Meßergebnisse miteinander zu vergleichen. Im Effekt bedeutet dies eine redundante Überwachung der Übertragungskanäle.

Gegenüber diesem einfachsten Konzept schlägt die Erfindung insbesondere vor, auch die Verarbeitung der parallel in die Verarbeitungseinrichtung eingespeisten Meßgrößen parallel vorzunehmen, so daß abhängig von der Wahl der miteinander zu vergleichenden Größen auch die Verarbeitung selbst mehr oder weniger redundant geschieht und dementsprechend überwacht werden kann. Bei dieser in der Erfindung vorgeschlagenen Arbeitsweise ergeben sich eine Reihe von Vorteilen, die wei­ ter unten noch erläutert werden.

Wählt man eine parallele Verarbeitung innerhalb der Verar­ beitungseinrichtung, so empfehlen sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmale nach Anspruch 2. Im Prinzip besagen diese Merkmale, daß zwar die gleichen Meßwerte in der Ver­ arbeitungseinrichtung voneinander unabhängig verarbeitet werden. Die Verarbeitung muß dabei aber nicht in allen Tei­ len übereinstimmend erfolgen, wie weiter unten noch erläu­ tert wird. Vielmehr können die einzelnen Verarbeitungsein­ heiten innerhalb der Verarbeitungseinrichtung die gemessenen Größen mit unterschiedlichen Parametern verknüpfen, in ande­ rer Weise verstärken oder Zwischenergebnisse herausfiltern usw. Wesentlich ist nur, daß an vorgegebenen geeigneten Stellen Verarbeitungsergebnisse oder deren vergleichbare Zwischenwerte miteinander verglichen werden, wobei die Wahl der Vergleichspunkte innerhalb der Verarbeitungseinheiten davon abhängt, daß ein Vergleich der Werte an diesen Meß­ punkten eine Aussage über die korrekte parallele Arbeits­ weise der vorangegangenen Baugruppen ermöglicht. Für die Sensoreinrichtung selber ist dies nach dem vorliegenden Kon­ zept nicht möglich, da sie nur einmal vorhanden ist, wohl aber für die parallel betriebenen Kanäle und die voranlie­ genden Abschnitte der Verarbeitungseinheiten. Die Meßpunkte können selbstverständlich auch an dem Eingang der Verarbei­ tungseinheiten, also an den Ausgängen der entsprechenden zugeordneten Kanäle liegen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Diese Ausführungsform der Erfindung schafft insbesondere den Vorteil, daß die mit der teuren Sensoreinrichtung gemessenen Meßwerte zueinander parallel nach unterschiedlichen Ge­ sichtspunkten und Zielrichtungen bearbeitet werden können, so daß praktisch die Verarbeitungseinheiten als zwei ge­ trennte Verarbeitungseinrichtungen durch die gleiche Sensor­ einrichtung gespeist werden und dabei zusätzlich noch ver­ gleichende Meßverfahren möglich sind, die Schlüsse auf eine korrekte Arbeitsweise der Kanäle und/oder der Verarbeitungs­ einheiten selbst zulassen.

Bei dieser Betriebsweise ist es besonders günstig, wenn man die nach Anspruch 3 vorgegebene Merkmalskombination anwen­ det. Es wird hierdurch erreicht, daß zwei getrennte Verar­ beitungseinheiten voneinander unabhängig die Meßgrößen der Sensoreinrichtung verarbeiten können. Das ist aber selbst dann möglich, wenn die zu erarbeitenden parallelen Ausgangs­ größen sich auf voneinander unterscheidende Meßwertbereiche der von der Sensoreinheit gewonnenen Meßgrößen beziehen. Ein Beispiel hierfür wird weiter unten angegeben.

Die Erfindung ist aber nicht nur dann wirksam anwendbar, wenn die Übertragungskanäle der Meßgrößen identisch sind. Vielmehr kann auch die Merkmalskombination nach Anspruch 4 Verwendung finden, indem zur Vergrößerung der Übertragungs­ sicherheit die über die parallelen Kanäle übertragenen Meß­ größen dort in unterschiedlicher Weise verstärkt werden. Eine derartige Maßnahme ist beispielsweise dann ratsam, wenn die Eingänge der zueinander unabhängig und parallel arbei­ tenden Verarbeitungseinheiten unterschiedliche Meßwertberei­ che verarbeiten sollen, die größten Eingangswerten bei bei­ den Verarbeitungseinheiten aber in etwa gleich sein sollen, um den Rauschabstand des Meßergebnisses möglichst groß zu halten.

Weiter oben war schon erläutert worden, daß bei der Dyna­ mikregelung von Fahrzeugen die verschiedenen Systeme auf unterschiedliche Gierratenbereiche ansprechen sollen. Bisher wurden für solche Fälle getrennte Gierratensensoren mit ent­ sprechenden Meßbereichen eingesetzt, die auf den jeweils spezifischen Anwendungsfall geeicht waren. So ist für die Stabilitätskontrolle ein etwa 10fach größerer Meßbereich für die Gierrate erforderlich (ca. 80°/s) als für die intelligen­ te Kurskontrolle (ca. 8°/s) bei etwa gleicher prozentualer Auflösung. Die Erfindung ermöglicht nun, die redundant ar­ beitenden parallelen Verarbeitungseinheiten gleichzeitig für mehrere unterschiedliche Einrichtungen zur Dynamikregelung von Kraftfahrzeugen einzusetzen. So kann beispielsweise die erste Auswerteeinheit zur Stabilitätskontrolle eines Fahr­ zeugs und die zweite Auswerteeinheit zur intelligenten Kurs­ kontrolle eines Fahrzeugs eingesetzt werden, ohne die weiter oben beschriebenen Vorteile der Erfindung in Frage zu stel­ len. In umgekehrter Betrachtungsweise nutzt die vorliegende Erfindung den Einsatz unterschiedlicher Dynamikregelsysteme dazu aus, zusätzlich noch eine Fehlerkontrolle durchzufüh­ ren, wie sie durch redundante Systeme möglich ist, wobei darüber hinaus noch ein teurer Gierratensensor eingespart wird.

Die Erfindung ist nicht auf den parallelen Einsatz nur zwei­ er Kanäle oder den parallelen Betrieb zweier Verarbeitungs­ einheiten beschränkt. Die Zahl der Kanäle und der Verarbei­ tungseinheiten kann jeweils kleiner oder größer gewählt und eine unterschiedliche Anzahl von Kanälen kann mit einer va­ riierenden Anzahl von Verarbeitungseinheiten kombiniert wer­ den. So kann beispielsweise nur ein einziger Kanal vorgese­ hen werden, während drei voneinander unabhängig und unter­ schiedlich arbeitende Verarbeitungseinheiten einander durch Vergleich geeigneter Meßwerte auf ihre korrekte Arbeitsweise überwachen. Entsprechendes kann für die Zahl der gewählten Übertragungskanäle oder einer Kombination dieser Baugruppen gelten. Das erfinderische Prinzip ist selbst dann noch an­ wendbar, wenn in dem Fahrzeug ein zweiter oder zusätzliche Gierratensensoren für andere Meßzwecke eingesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 bei einem symbolhaft dargestellten Fahrzeug den Ver­ lauf der Gierbewegung des Giermoments um dessen Hochachse und

Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines Gier­ ratensensorelementes auf der Basis einer vibrieren­ den Quarzstruktur.

Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 1, das eine Gierbewegung mit der Gierrate GR um die Hochachse Z ausführt.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweikanalige Anordnung zur Erfassung der Gierrate mit zwei unterschiedli­ chen Meßbereichsausgängen S1, S2, die von einer gemeinsamen Sensoreinrichtung abgeleitet werden. Diese Anordnung kann wie weiter oben schon erläutert, auf mehr als zwei Meßbe­ reichsausgänge mit der entsprechenden Anzahl von Übertra­ gungskanälen erweitert werden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt schematisch die Verwendung eines Gierratensensorelementes auf Basis einer vibrierenden Quarzstruktur 2, z. B. in Form einer Stimmgabel. Die Quarzstruktur 2 wird in an sich bekannter Weise durch ein Oszillatorsignal 3 über eine Einkoppelstelle 4 elektro­ mechanisch angeregt. Ein unter Einfluß der Corioloskraft entstehendes, räumlich versetztes Vibrationssignal wird an einer Auskoppelstelle 5 an der gleichen Quarzstruktur abge­ griffen und in einer Aufbereitungsschaltung 6 signaltech­ nisch aufbereitet (Ladungsverstärker).

Das aufbereitete Signal gelangt auf zwei parallele Kanäle 10, 11 mit gleicher prinzipieller Struktur. Diese bestehen aus einem Vorverstärker 7a, 7b, einem Mischer 8a, 8b und einem Verstärker mit Tiefpaßfilter 9a, 9b. Das Signal des Oszillators 3 wird synchron beiden Mischern 8a, 8b zugeführt und durch Synchrondemodulation entstehen an den Ausgängen Ausgangssignale S1 und S2, die der Gierrate entsprechen, jedoch eine andere Meßbereichsspreizung aufweisen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Verstärkungsfaktoren in den Ver­ stärkern 7a, 7b unterschiedlich ausgeführt werden. Im Fall der zweikanaligen Anwendung für Fahrstabilitätssysteme in Kombination mit einer intelligenten Kurskontrolle unter­ scheiden sich die Verstärkungsfaktoren etwa um den Faktor 10. Im Extremfall der reinen Redundanzanwendung für Fahr­ stabilitätssysteme sind die Verstärkungsfaktoren beider Ka­ näle gleich. An die Ausgänge S1, S2 sind in nicht dar­ gestellter Form zwei voneinander getrennt arbeitende Ver­ arbeitungseinheiten angeschlossen, die zusammen die durch die Kanäle 10, 11 gespeiste Verarbeitungseinrichtung ergeben. Zusammenfassend läßt sich folgendes sagen. Das wesentliche Kennzeichen der Erfindung besteht in der gleichzeitigen Ver­ wendung mehrerer voneinander unabhängiger Meßbereichskanäle mit einander unterschiedlichen Meßbereichen, die von einem gemeinsamen Gierratensensor signaltechnisch gespeist werden. Hierdurch ergeben sich folgende prinzipielle Vorteile: Es ist nur noch ein einziger (kostenintensiver) Gierratensensor erforderlich, der mehrere unterschiedliche Fahrzeugregel­ systeme parallel betreibt. Im Überschneidungsbereich der Meßbereiche können die Meßkanäle unterschiedlicher Systeme gleichzeitig zur gegenseitigen Überwachung genutzt werden (Redundanzfunktion). Es können gleiche Meßkanäle zusätzlich oder ausschließlich redundant ausgeführt werden, was die Betriebssicherheit des Regelsystems des Fahrzeugs erhöht.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erfassung und Auswertung einer sicher­ heitstechnischen Meßgröße (GR), bei dem diese Meßgröße (GR) von einer Sensoreinrichtung (2 bis 6) erfaßt und über mindestens einen Übertragungskanal (10, 11) zu einer Auswerteeinrichtung übertragen wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Übertragung mindestens zwei parallele Kanäle (10, 11) vorgesehen sind, daß die übertragene, ggf. in den Kanälen (10, 11) umgeformte Meßgröße in der Verarbeitungseinrichtung im wesentlichen parallel ver­ arbeitet wird und die Verarbeitungswerte zumindest in­ nerhalb eines bestimmten Meßbereichs miteinander ver­ glichen werden und daß in Abhängigkeit des Vergleichs­ ergebnisses sicherheitstechnische Maßnahmen eingeleitet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung aus mindestens zwei Ver­ arbeitungseinheiten gebildet ist, die jeweils einem Ka­ nal (10, 11) zugeordnet sind und die in dem Kanal ggf. umgewandelten Meßgrößen (GR) voneinander getrennt ver­ arbeiten und daß eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, die die unverarbeiteten und/oder zum Teil verarbei­ teten und/oder die verarbeiteten und/oder die über den Kanal gelangenden, ggf. dort umgeformten Meßergebnisse miteinander innerhalb eines definierten Meßbereichs ver­ gleicht und bei hinreichender Abweichung sicherheits­ technische Maßnahmen einleitet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung zwei voneinander unabhängig arbeitende Verarbeitungseinheiten besitzt, die über den Verarbeitungseinheiten zugeordnete Kanäle (10, 11) mit der Sensoreinrichtung (2 bis 6) verbunden sind, daß die Meßwerte von der ersten Verarbeitungseinheit (S1) in­ nerhalb eines ersten Meßwertebereichs und von der zwei­ ten Verarbeitungseinheit (S2) innerhalb eines zweiten Meßwertbereichs verarbeitet werden und daß der zweite Meßwertbereich sehr viel kleiner als der erste Meßwert­ bereich ist und vorzugsweise Meßwerte mit einem kleinen Absolutwert der Meßwerte umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßergebnisse in den Kanälen (11, 12) und/oder in den Verarbeitungseinheiten (S1, S2) unter­ schiedlich verstärkt werden und die unverarbeiteten und/oder teilweise unverarbeiteten und/oder verarbeite­ ten Meßergebnisse nur in dem gemeinsam ausgewerteten Meßwertebereich verglichen werden.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verarbeitungsein­ heit (S1) zur Stabilitätskontrolle eines Fahrzeugs und die zweite Verarbeitungseinheit (S2) zur intelligenten Kurskontrolle eines Fahrzeugs dient.