DE19854633C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Berechnen eines Fahrzeugschräglaufwinkels - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Berechnen eines FahrzeugschräglaufwinkelsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Berechnen
eines Fahrzeug-Schwimmwinkels bei der Fahrdynamikregelung eines
Fahrzeugs zur Unterstützung des Fahrzeugfahrers, um das Ansprech
verhalten und die Stabilität des Fahrzeugs zu verbessern.
Es gab eine Reihe von Vorschlägen zur Verbesserung des Kurvenfahr
verhaltens eines Fahrzeugs durch Regelung der Bremskraft und/oder der
Traktion durch individuelles Regeln der Bremskraft und/oder der Trak
tionskraft der Vorder- und Hinterräder oder der rechten und linken Räder.
Die meisten von diesen erreichen ein gewünschtes Fahrzeugverhalten
durch Erfassen eines dynamischen Zustands der Fahrzeugkarosserie, wie
etwa der Gierrate und durch rückkoppelnde Regelung. Da das Fahrzeug
die Straßenoberfläche über die Reifen berührt, wird das Verhalten des
Fahrzeugs durch die dynamischen Charakteristiken der Reifen beeinflußt.
Insbesondere in einem Sättigungsbereich der Seitenführungskraft wird es
außerordentlich schwierig, das Fahrzeug zum Erzielen einer gewünschten
Kurvenfahreigenschaft lediglich auf der Basis des dynamischen Zustands
der Fahrzeugkarosserie zu steuern.
Die Erfinder haben daher in der anhängigen europäischen Patentanmel
dung Nr. EP 0 812 748 A2 ein Verfahren und ein System zur Steuerung des
Fahrzeugverhaltens vorgeschlagen, das ein günstiges Ansprechverhalten
und eine gute Stabilität auch dann erreicht, wenn die dynamischen
Charakteristiken außerhalb eines linearen Bereichs liegen. Der Offenba
rungsgehalt dieser Anmeldung wird in die vorliegende Anmeldung mit
aufgenommen. Diese Technik erzeugt ein gewisses Giermoment, das ein
günstiges Ansprechverhalten bei eine Bremsung (oder Traktion) beinhal
tendem Lenkmanöver auch im nichtlinearen Bereich der dynamischen
Reifencharakteristiken begünstigt, durch Steuerung der Längskräfte der
Reifen gemäß dem Gleitmodus-Steuerprozeß (siehe Kenzo Nonami und
Kohi Deu: "Sliding Mode Control", veröffentlicht von der Corona Publis
hing Company, Oct. 20, 1994). Im folgenden wird dieser Regel
prozeß kurz erläutert.
Die Basis dieses Regelprozesses besteht aus Grundgleichungen der
Fahrdynamik auf einer zweidimensionalen Ebene, die das Giermoment um
den Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie herum berücksichtigen, und
diese Gleichungen sind im folgenden angegeben.
mV(dβ/dt + γ) = YF + YR (1)
I(dγ/dt) = LFYF - LRYR + MZ (2)
wobei
m: Fahrzeugmasse
V: Fahrzeuggeschwindigkeit
γ: Gierrate
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
I: Trägheits-Giermoment
LF: Abstand zwischen Vorderachse und Schwerpunkt
LR: Abstand zwischen Hinterachse und Schwerpunkt
MZ: Giermoment durch Brems- oder Traktionskraft um den Schwerpunkt (Fig. 9).
m: Fahrzeugmasse
V: Fahrzeuggeschwindigkeit
γ: Gierrate
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
I: Trägheits-Giermoment
LF: Abstand zwischen Vorderachse und Schwerpunkt
LR: Abstand zwischen Hinterachse und Schwerpunkt
MZ: Giermoment durch Brems- oder Traktionskraft um den Schwerpunkt (Fig. 9).
Die Gleitfläche S, welche eine letztendlich zu erzielende gewünschte
Antwort definiert, läßt sich mit der folgenden Gleichung ausdrücken:
S = dβ/dt + c{β + a[(YF + YR)/mV - γ]} = 0 (3)
wobei c, a und k gewählte Konstanten sind. Die Qualität des Steuer
prozesses ist von der Wahl dieser Konstanten abhängig.
Gleichung (3) bewirkt, daß sich der Fahrzeug-Schwimmwinkel β null
annähert. Die Gleitbedingung hierfür läßt sich mit der folgenden Glei
chung angeben:
dS/dt = -kS (4)
Aus den Gleichungen (3) und (4) läßt sich folgende Beziehung ableiten:
d2β/dt2 + c{dβ/dt + a[(dYF/dt)/mV + (dYR/dt)/mV - dγ/dt]}
+ k(dβ/dt) + kc{β + a[(YF + YR)/mV - γ]} = 0 (5)
Wenn unter Verwendung der Gleichungen (1) und (2) in einer vernünfti
gen und praktischen Form ein Giermoment MZ erhalten werden kann,
welches der Gleichung (5) genügt, läßt sich diese als Steuervorschrift
verwenden. Aus Gleichung (1) kann man erhalten:
d2β/dt2 = {(dYF/dt) + (dYR/dt)}/mV - dγ/dt (1-2)
Wenn dies in Gleichung (5) eingesetzt wird, erhält man:
(1 + ca)[(dYF/dt)/mV + (dYR/dt)/mV - dγ/dt] + kca[(YF + YR)/mV - γ]
+ (k + c)dβ/dt + kcβ = 0 (6)
Gleichung (2) ergibt:
dγ/dt = (LFYF - LRYR + Mz)/I (2-2)
Wenn dies in Gleichung (6) eingesetzt wird, erhält man:
{(dYF/dt) + (dYR/dt)}/mV - (LFYF - LRYR + Mz)/I + [kca/(1 + ca)]
.[(YF + YR/mV - γ] + (dβ/dt)[(k + c)/(1 + ca)] + β[kc/(1 + ca)] = 0 (7)
Gleichung (7) erzeugt die folgende Gleichung, die als Basissteuervor
schrift dienen kann.
Mz = -(LFYF - LRYR) + (I/mV).{(dYF/dt) + (dYR/dt)} + kca/(1 + ca)
.I.[(YF + YR)/mV - γ] + I(dβ/dt)[(k + c)/(1 + ca)]
+ Iβ[kc/(1 + ca)] (8)
Die obige Gleichung bedeutet, daß sich aus diesen Parametern, wie etwa
den Seitenführungskräften YF und YR, der Gierrate γ, der Fahrzeugge
schwindigkeit V und dem Fahrzeug-Schwimmwinkel β ein Giermoment
erhalten läßt, welches eine günstige Reaktion ergibt. Da das Profil LTR
unveränderlich ist, können bei gegebenem Giermoment Mz das rechte
und linke Verhältnis der Längskräfte oder der Brems- (oder Traktions-)
kräfte für das letztendliche Regelergebnis aus der folgenden Gleichung
bestimmt werden.
Mz = (XR - XL)LTR (9)
Durch individuelle Steuerung der Längskräfte der rechten und linken
Räder nach dem bekannten Verfahren (Bremskraftregelung: japanische
Patent-Offenlegungsschrift Nr. 7-69190, Traktionskraftregelung: japa
nische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 7-17277) wird es möglich, die
Reaktionstabilität des Fahrzeugs unter Bedingungen zu verbessern, bei
denen die dynamischen Eigenschaften der Reifen den linearen Bereich
überschreiten.
In dem oben erwähnten Algorithmus wurde angenommen, daß zumindest
der Reibkoeffizient µ zwischen den Reifen und der Straßenoberfläche und
der Fahrzeug-Schwimmwinkel β bekannt sind. Jedoch sind keine Senso
ren zum direkten Erfassen des Reibkoeffizienten zwischen den Reifen und
der Straßenoberfläche und des Fahrzeug-Schwimmwinkels verfügbar, die
bei massenweise produzierten Fahrzeugen anwendbar wären. Daher war
es bisher üblich, den ersteren aus der Drehzahldifferenz der Vorder- und
Hinterräder zu schätzen, und den letzteren aus leicht erfaßbaren Fahr
zeugzustandsvariablen, wie etwa der Gierrate und der Querbeschleuni
gung, zu schätzen. Anders gesagt war bei der herkömmlichen Technik
die Steuer-/Regelgenauigkeit durch die Genauigkeit der Werte stark
beeinflußt, die nur indirekt geschätzt werden können.
In der DE 42 00 061 A1 wird ein Verfahren zur Berechnung des
Schwimmwinkels vorgeschlagen, das sowohl im linearen als auch im
nichtlinearen Bereich den Schwimmwinkel mit ausreichender Genauigkeit
bestimmen kann. Hierzu werden zunächst die jeweiligen Reifenaufstands
kräfte ermittelt. Unter Hinzuziehung von Reifenschräglaufwinkel und
ausgenutztem Reibwert sowie einer aus einem Kennfeld gewonnenen bezoge
nen Querkraft werden die Querkräfte an jedem Rad berechnet. Über die
geschätzte Querbeschleunigung wird daraus letztendlich eine geschätzte
Quergeschwindigkeit bestimmt, die wiederum zur erneuten Bestimmung der
Schräglaufwinkel rückgekoppelt wird. Der Schwimmwinkel wird dann aus
geschätzter Quergeschwindigkeit und gemessener Längsgeschwindigkeit
berechnet.
Die DE 43 25 413 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung charakteristi
scher Größen für das Fahrverhalten. Auch hier soll der Schwimmwinkel aus
der gemessenen Längs- sowie der geschätzten Quergeschwindigkeit bestimmt
werden. Dies geschieht über nichtlineare Differentialgleichungen, die in vekto
rieller Form dargestellt werden.
Die EP 781 695 A2 bzw. US-A-5,899,952 fordert die gleiche Gruppe tatsäch
lich gemessener Variablen zum Erhalt des Fahrzeug-Schwimmwinkels und
benutzt ebenfalls einen rekursiven Prozess. Diese Variablen sind die Gierrate
γ, die Fahrgeschwindigkeit V und der Radlenkwinkel δ. Ein rekursiver Prozess
arbeitet jedoch nur dann erfolgreich, wenn der Berechnungsprozess schnell
konvergiert. Die EP 781 695 A2 versucht dieses Problem dadurch zu lösen,
dass sie die Gierrate in den rekursiven Prozess einführt. Hierbei misst sie
einerseits die Gierrate, schätzt die Gierrate jedoch gleichzeitig noch einmal.
Dies beruht auf dem Konzept eines Beobachter-Regelsystems, in dem ein
dynamisches Modell des Fahrzeugs als Mittel definiert wird, um die Bewegung
des tatsächlichen Fahrzeugs vorherzusagen. Dieser Ansatz ist per se bekannt
und wird aus verschiedenen Gründen angewendet, um eine schnelle Reaktion
oder verwertbare Berechnungsergebnisse zu bekommen. Die EP 781 695 A2
vergleicht die tatsächlich gemessene Gierrate mit der geschätzten Gierrate.
Ein primäres Ziel der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrich
tung zum Berechnen eines Fahrzeug-Schwimmwinkels bei einer Fahrdyna
mikregelung vorzuschlagen, das für praktische Zwecke ausreichend genau ist,
ohne direkt gemessene oder genaue geschätzte Werte des Reibkoeffizienten
zwischen den Reifen und der Straßenoberfläche und des Fahrzeug-Schwimm
winkels zu benötigen.
Ein zweites Ziel ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Berechnung
eines Fahrzeug-Schwimmwinkels bei der Fahrdynamikregelung anzugeben,
das eine stabile Steuerung/Regelung der Fahrzeugbewegung auch dann
gestattet, wenn die Daten für die Fahrzeugdynamikregelung beschränkt oder
ungenau sind.
Ein drittes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Berechnung eines Fahrzeug-Schwimmwinkels bei der Fahrdynamikregelung
anzugeben, das so einfach ist, daß es problemlos bei minimalen Kosten in
einen bordeigenen Computer implementiert werden kann.
Ein viertes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Berechnung eines Fahrzeug-Schwimmwinkels bei der Fahrdynamikre
gelung anzugeben, das so einfach ist, daß es problemlos auf Echtzeitba
sis betrieben werden kann.
Zumindest das erstgenannte Ziel wird erfindungsgemäß erreicht durch ein
Verfahren zum Berechnen eines Fahrzeug-Schwimmwinkels bei der
Fahrdynamikregelung umfassend die Schritte: Berechnen eines Reifen
schräglaufwinkels aus einer Gierrate, einer Fahrgeschwindigkeit, einem
Fahrzeug-Schwimmwinkel, der als ein Anfangswert oder als ein zuvor
berechneter Wert vorliegt, sowie einem Radlenkwinkel; Berechnen einer
Seitenführungskraft aus einem Reifendynamikmodell unter Berücksichti
gung zumindest des Reifenschräglaufwinkels; und Berechnen eines
hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels aus der Seitenführungskraft,
der Fahrgeschwindigkeit und der Gierrate; wobei der Reifenschräglauf
winkel nur durch Rückkopplung des hypothetischen Fahrzeug-Schwimm
winkels berechnet wird, wobei die Gierrate und die Fahrzeuggeschwindig
keit strikt auf Meßwerten beruhen.
Somit ergibt sich der hypothetische Fahrzeug-Schwimmwinkel durch eine
rekursive Berechnung in einem geschlossen-schleifigen System, und die
Stabilität der Fahrdynamikregelung wird infolgedessen auch ohne hoch
präzise Feststellung des Fahrzeugkarosserie-Schräglaufwinkels sicherge
stellt.
Wenn beispielsweise der Reibkoeffizient µ zwischen dem Reifen und der
Straßenoberfläche im Reifendynamikmodell auf einen Wert nahe 1,0
festgelegt wird, läßt sich eine besonders günstige Leistung der Fahr
dynamikregelung erzielen. Obwohl jedoch die Erfassung des Reibko
effizienten zwischen den Reifen und der Straßenoberfläche für eine
stabile und zufriedenstellende Fahrdynamikregelung im Prinzip nicht
erforderlich ist, stellte sich heraus, daß eine genaue Information über den
Reibkoeffizienten die Systemleistung dennoch verbessert.
Um dieses Ziel zu erreichen, kann das erfindungsgemäße Verfahren
ferner den Schritt umfassen: Schätzen des Reibkoeffizienten zwischen
dem Reifen und der Straßenoberfläche zur Verwendung in dem Reifendy
namikmodell gemäß einer Beziehung zwischen einer Seitenführungskraft,
die aus der Gierrate und der Querbeschleunigung berechnet wird, und
einem Reifenschräglaufwinkel, der aus einem Fahrzeug-Schwimmwinkel
berechnet wird, der wiederum aus der Gierrate, der Querbeschleunigung
und der Fahrgeschwindigkeit berechnet wird.
Bevorzugt umfaßt der Schritt der Berechnung eines hypothetischen
Fahrzeug-Schwimmwinkels βe aus der Seitenführungskraft Y, der Fahr
geschwindigkeit V und der Gierrate γ die Verwendung folgender Glei
chung:
βe = ∫{[(YF + YR)/mV] - γ}dt
wobei
m: Fahrzeugmasse
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe aus rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe aus rechtem und linkem Rad).
m: Fahrzeugmasse
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe aus rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe aus rechtem und linkem Rad).
Diese Gleichung gestattet die Berechnung des Fahrzeug-Schwimmwinkels
mit hoher Präzision, wenn die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs
genügend größer ist als der Fahrzeug-Schwimmwinkel, und die Änderun
gen der Längsgeschwindigkeit Vx sind relativ klein. Unter extremen
Bedingungen, bei denen eine solche Beziehung nicht gilt, lassen sich
folgende genauere Gleichungen verwenden:
Vy = ∫{(YF + YR)/m - γVx}dt
βe = tan-1(Vy/Vx).
Typischerweise wird die Fahrgeschwindigkeit mit einem Radgeschwindig
keitssensor gemessen, und die Ausgabe eines solchen Radgeschwindig
keitssensors ergibt eine ausreichende Annäherung der Längsgeschwindig
keit des Fahrzeugs.
Die Erfindung wird nun in Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Hauptflußdiagramm des die Erfindung enthaltenden
Regelprozesses;
Fig. 2 ein Blockdiagramm der Fahrdynamikregelung für ein Vier
rad-gelenktes Fahrzeug zur Durchführung der Schritte in Fig. 1;
Fig. 3 in einem Graph das Verhalten des Fahrzeug in einem ersten
Beispiel einer ersten Ausführung;
Fig. 4 in einem Graph das Verhalten des Fahrzeug in einem
zweiten Beispiel der ersten Ausführung;
Fig. 5 in einem Graph das Verhalten des Fahrzeugs in einem
dritten Beispiel der ersten Ausführung;
Fig. 6 in einem Graph das Verhalten des Fahrzeugs in einem
ersten Beispiel der zweiten Ausführung;
Fig. 7 in einem Graph das Verhalten des Fahrzeugs in einem
zweiten Beispiel der zweiten Ausführung;
Fig. 8 ein Blockdiagramm der Fahrdynamikregelung für ein Vier
rad-gelenktes Fahrzeug einer zweiten Ausführung;
Fig. 9 in einem Diagramm eine flächige Bewegung des Fahrzeugs;
Fig. 10 in einer zu Fig. 2 ähnlichen Ansicht die Fahrdynamikre
gelung für ein Vierrad-gelenktes Fahrzeug einer dritten Ausführung unter
Verwendung genauerer Gleichungen zum Schätzen des Fahrzeug-
Schwimmwinkels;
Fig. 11 in einem Graph das Verhalten des Fahrzeugs in einem
ersten Vergleichsbeispiel für die dritte Ausführung;
Fig. 12 in einem Graph das Verhalten des Fahrzeugs in einem
ersten Beispiel der dritten Ausführung;
Fig. 13 in einem Graph das Verhalten des Fahrzeugs in einem
zweiten Beispiel der dritten Ausführung;
Fig. 14 in einem Graph das Verhalten des Fahrzeugs in einem
zweiten Vergleichsbeispiel für die dritte Ausführung;
Fig. 15 in einem Graph das Verhalten des Fahrzeugs in einem
dritten Beispiel der dritten Ausführung;
Fig. 16 in einem Graph das Verhalten des Fahrzeugs in einem
vierten Beispiel der dritten Ausführung;
Fig. 17 ein Hauptflußdiagramm der Fahrdynamikregelung als einer
vierten Ausführung;
Fig. 18 ein Blockdiagramm des Steuersystems für ein Vierrad-
gelenktes Fahrzeug zur Durchführung der in Fig. 17 gezeigten Schritte;
Fig. 19 ein internes Blockdiagramm der in Fig. 18 gezeigten µ-
Schätzeinheit;
Fig. 20 ein Flußdiagramm des Prozesses zur µ-Schätzung; und
Fig. 21 eine zu Fig. 18 ähnliche Ansicht mit Darstellung der
fünften Ausführung, in der zum Schätzen des Fahrzeug-Schwimmwinkels
genauere Schätzungen verwendet werden.
Im folgenden wird der Steueralgorithmus im näheren Detail anhand des
Flußdiagramms von Fig. 1 und des Blockdiagramms von Fig. 2 erläu
tert.
Zunächst wird der Lenkradwinkel θSW eines Lenkrads zu einer vorderen
Lenkvorrichtung 1 und einer hinteren Lenkvorrichtung 2 übertragen, und
erhöht hierdurch den Vorderradlenkwinkel δF bzw. den Hinterradlenkwin
kel δR. Verschiedene Zustandsvariablen des Fahrzeugs (wie etwa die
Gierrate γ, die Fahrgeschwindigkeit V, Radlenkwinkel δ) werden ebenfalls
zu dieser Zeit erfaßt (Schritt 1).
Dann werden die Reifenschräglaufwinkel α der Vorder- und Hinterräder
aus den folgenden Gleichungen, die in den Reifenschräglaufwinkel-
Berechnungseinheiten 3 und 4 enthalten sind, gemäß der Lenkwinkel
information und der Fahrgeschwindigkeitsinformation erhalten (Schritt 2).
αF = βe + (LF/V)γ - δF (Vorderräder) (10-1)
αR = βe - (LR/V)γ - δR (Hinterräder) (10-2)
wobei
αF: Vorderradschräglaufwinkel,
αR: Hinterradschräglaufwinkel,
βe: hypothetischer Fahrzeug-Schwimmwinkel,
δF: Vorderradlenkwinkel, und
δR: Hinterradlenkwinkel.
αF: Vorderradschräglaufwinkel,
αR: Hinterradschräglaufwinkel,
βe: hypothetischer Fahrzeug-Schwimmwinkel,
δF: Vorderradlenkwinkel, und
δR: Hinterradlenkwinkel.
Es wird angenommen, daß die Anfangswerte der Reifenschräglaufwinkel
α und des hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels βe auf den Wert
null rückgesetzt sind, wenn die Lenkwinkel δ und die Gierrate γ beide null
sind.
Die Reifenschräglaufwinkel α werden in die folgende Gleichung (Glei
chung 11) für das Reifendynamikmodell eingesetzt, das in Seitenfüh
rungskraft-Berechnungseinheiten 5 und 6 enthalten ist, um die Seiten
führungskräfte Y der Vorder- und Hinterräder zu erzeugen (Schritt 3).
Y = -(µCα - µ2C2α2/4µW).{1 - X/µW)2}1/2
wenn |α| < 2W/C
Y = -µW{1 - (X/µ)2}1/2
wenn |α| < 2W/C (11)
wobei
µ: Reibkoeffizient zwischen der Straßenoberfläche und den Reifen,
C: Seitenführungskraft,
W: Straßenkontaktdruck, und
X: Längskräfte. µ kann einen Wert nahe 1 einnehmen, oder einen durch ein bekanntes Verfahren geschätz ten Wert.
µ: Reibkoeffizient zwischen der Straßenoberfläche und den Reifen,
C: Seitenführungskraft,
W: Straßenkontaktdruck, und
X: Längskräfte. µ kann einen Wert nahe 1 einnehmen, oder einen durch ein bekanntes Verfahren geschätz ten Wert.
C ist ein Wert, der aus einem vorbestimmten Kennfeld erhalten wird, die
als mathematische Funktion von µ und W vorliegt. W ist ein Wert, der
um die Längs- und Querbeschleunigungen kompensiert ist, oder ein Wert,
der von einem in einem Radaufhängungssystem angebrachten Lastsensor
erhalten wird. X besteht aus einem Wert, der aus einer Beschleunigung
(Verzögerung) geschätzt ist, oder aus einem Bremsfluiddruck oder der
Motorausgangsleistung erhalten ist. Die Seitenführungskraft Y kann aus
der Gleichung des dynamischen Modells des Reifens (Gleichung 11)
erhalten werden, während die Längskraft Z bei null gehalten wird, und
der Straßenkontaktdruck W auf einem festen Wert gehalten wird. In
diesem Fall kann die Schätzgenauigkeit des hypothetischen Fahrzeug-
Schwimmwinkels βe abnehmen, wobei jedoch die Stabilität der Fahr
dynamikregelung nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
Auf der Basis der Vorderrad-Seitenführungskraft YF und der Hinterrad-
Seitenführungskraft YR erzeugt eine hypothetische Fahrzeug-Schwimm
winkel-Berechnungseinhheit 7 einen hypothetischen Fahrzeug-Schwimm
winkel βe (Schritt 4). In diesem Fall erhält man den hypothetischen
Fahrzeug-Schwimmwinkel βe durch Differenzieren des hypothetischen
Fahrzeug-Schwimmwinkels und dann Integrieren desselben gemäß
folgender Gleichung:
dβe/dt = (YF + YR)/mV - γ (12)
βe = ∫{[(YF + YR)/mV] - γ}dt (13)
Durch Rückkopplung dieses hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels
βe zu den Reifenschräglaufwinkel-Berechnungseinheiten 3 und 4 läßt sich
ein praktisch ausreichender angenäherter Wert des Fahrzeug-Schwimm
winkels erhalten. Dieser wird dann zu einer Gleitmodus-Berechnungs
einheit 8 weitergeleitet, die gekennzeichnet ist durch die vorgenannte
Gleichung 8, um ein Giermoment Mz zu erzeugen, das als die Basis zum
Annähern des Fahrzeug-Schwimmwinkels zu null dient (Schritt 5). Auf
Basis dieses Werts werden die Längskräfte XR und XL der rechten und
linken Reifen so ähnlich bestimmt wie in Verbindung mit dem Stand der
Technik erwähnt (Schritt 6), und das Fahrzeug 9 wird entsprechend
gesteuert.
In diesem Steueralgorithmus ist der Reibkoeffizient µ zwischen der
Straßenoberfläche und dem Reifen nicht als Variable, sondern als Fest
wert, beispielsweise 1, definiert. Jedoch stellt dies die Stabilität der
Fahrdynamikregelung sicher. Die Ausführbarkeit dieses Punkts wird im
folgenden diskutiert.
Fig. 3 zeigt einen Fall, in dem der tatsächliche Reibkoeffizient µ 1,0
beträgt, der angenommene Reibkoeffizient µ 1,0 beträgt und das Lenkrad
um 60 Grad in jede Richtung gedreht wird, während das Fahrzeug von
der Anfangsgeschwindigkeit von 120 km/h mit einer Rate von -0,4 G
verzögert. In diesem Fall stimmt der hypothetische Fahrzeug-Schwimm
winkel βe mit dem tatsächlichen Fahrzeug-Schwimmwinkel β überein, und
die Gierrate γ und die Querbeschleunigung YG folgen dem Lenkwinkel
des Lenkrads ohne jede Phasenverzögerung. Anders gesagt, läßt sich
unter extremen Bedingungen eine signifikante Verbesserung der Fahr
dynamik erzielen, wenn der angenommene Reibkoeffizient µ mit dem
tatsächlichen Reibkoeffizient µ übereinstimmt.
Fig. 4 zeigt einen Fall, in dem der tatsächliche Reibkoeffizient µ 0,5
beträgt, der angenommene Reibkoeffizient µ 1,0 beträgt und das Lenkrad
um 60 Grad in jede Richtung gedreht wird, während das Fahrzeug von
der Anfangsgeschwindigkeit von 100 km/h mit einer Rate von -0,2 G
verzögert. In diesem Fall zeigt die Gierrate γ eine adäquate Spurführung,
während der tatsächliche Fahrzeug-Schwimmwinkel β von dem hypo
thetischen Fahrzeug-Schwimmwinkel βe abweicht, der die Tendenz hat,
sich null anzunähern. Anders gesagt, wenn der angenommene Reibkoeffi
zient µ größer als der tatsächliche Reibkoeffizient µ ist, bleibt die Fahr
zeugbewegung auch dann stabil, wenn es in der Querbeschleunigung YG
zu einer gewissen Phasenverzögerung kommt.
Fig. 5 zeigt einen Fall, in dem der tatsächliche Reibkoeffizient µ 1,0
beträgt, der angenommene Reibkoeffizient µ 0,5 beträgt und das Lenkrad
um 60 Grad in jede Richtung gedreht wird, während das Fahrzeug von
der Anfangsgeschwindigkeit von 120 km/h mit einer Rate von -0,4 G
verzögert. In diesem Fall ist der hypothetische Fahrzeug-Schwimmwinkel
βe in der Phase dem tatsächlichen Fahrzeug-Schwimmwinkel β entgegen
gesetzt, und wahrscheinlich ist aus diesem Grund die Gierrate γ relativ
niedrig, während die Querbeschleunigung YG überschießt. Die Reaktion
und die Stabilität sind jeweils stark beeinträchtigt. Dies liegt wahrschein
lich daran, daß, wenn der angenommene Reibkoeffizient µ kleiner ist als
der tatsächliche Reibkoeffizient µ, nur der Reifen mit der geringeren
Leistung als der des internen Reifendynamikmodells berücksichtigt wird.
Hieraus ist ersichtlich, daß das Setzen des angenommenen Reibkoeffi
zienten µ auf einen höheren Wert als den tatsächlichen Reibkoeffizienten
µ keinerlei signifikantes Problem für die Stabilität und die Reaktion des
Fahrzeugs verursacht. Für praktische Zwecke kann er daher auf 1 festge
legt werden, wobei es aber möglich ist, den angenommenen Reibkoeffi
zienten µ durch mehrere Schritte zu ändern, beispielsweise in Abhängig
keit von guten, regnerischen und verschneiten Bedingungen.
Die obige Diskussion der Erfindung zielt auf ein Vierrad-gelenktes Fahr
zeug, wobei die Erfindung aber gleichermaßen auch bei Fahrzeugen
anwendbar ist, bei denen nur die Vorderräder gelenkt sind (zweite
Ausführung). In diesem Fall fehlen die Ausdrücke für den Hinterradlenk
winkel, wie in Fig. 8 dargestellt. Anders gesagt, kann der gleiche
Vorgang einfach dadurch ausgeführt werden, indem man Hinterradlenk
winkel auf null setzt (δR = 0).
Fig. 6 zeigt einen Fall, bei dem der tatsächliche Reibkoeffizient µ 1,0
beträgt, der angenommene Reibkoeffizient µ 1,0 beträgt und das Lenkrad
um 60 Grad in jede Richtung gedreht wird, während das Fahrzeug von
der Anfangsgeschwindigkeit von 120 km/h mit einer Rate von -0,4 G
verzögert. In diesem Fall stimmt der hypothetische Fahrzeug-Schwimm
winkel βe mit dem tatsächlichen Fahrzeug-Schwimmwinkel β überein, und
sowohl die Stabilität als auch die Reaktion sind verbessert.
Fig. 7 zeigt einen Fall, in dem der tatsächliche Reibkoeffizient µ 0,5
beträgt, der angenommene Reibkoeffizient µ 1,0 beträgt und das Lenkrad
um 60 Grad in jede Richtung gedreht wird, während das Fahrzeug von
der Anfangsgeschwindigkeit von 100 km/h mit einer Rate von -0,2 G
verzögert. In diesem Fall ist der allgemeine Trend identisch mit dem des
Vierrad-gelenkten Fahrzeugs. Anders gesagt, wenn der angenommene
Reibkoeffizient µ größer ist als der tatsächliche Reibkoeffizient µ, bleibt
die Fahrzeugbewegung auch dann stabil, wenn es in der Querbeschleuni
gung YG zu einer gewissen Phasenverzögerung kommt.
Die obigen Gleichungen (12) und (13) können den Fahrzeug-Schwimm
winkel mit hoher Präzision angeben, wenn die Längsgeschwindigkeit Vx
der Fahrzeugkarosserie ausreichend größer ist als der Fahrzeug-
Schwimmwinkel Vy, und die Änderungen der Längsgeschwindigkeit Vx
relativ klein sind, wobei aber unter extremen Bedingungen, wenn eine
solche Relation nicht gilt, die folgenden präziseren Gleichungen ver
wendet werden können.
dVy/dt = (YF + YR)/m - γVx (14)
Vy = ∫{(YF + YR)/m - γVx}dt (15)
βe = tan-1(Vy/Vx) (16)
Da in diesem Fall die Fahrzeuggeschwindigkeit typischerweise durch
einen Fahrgeschwindigkeitssensor zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit
des Rads gemessen wird, kann die Ausgabe eines solchen Fahrgeschwin
digkeitssensors als die Längsgeschwindigkeit Vx des Fahrzeugs ver
wendet werden. Eine höhere Präzision läßt sich erzielen, wenn die
Fahrgeschwindigkeit V in den Gleichungen (12) und (13) durch die
Längsgeschwindigkeit Vx der Fahrzeugkarosserie ersetzt wird.
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm einer Fahrdynamikregelung für ein Vier
rad-gelenktes Fahrzeug als dritte Ausführung, die diese Gleichungen zum
genaueren Schätzen des Fahrzeug-Schwimmwinkels verwendet. Anzu
merken ist hier, daß sich die hypothetische Fahrzeug-Schwimmwinkel-
Berechnungseinheit 7' ein wenig von der hypothetischen Fahrzeug-
Schwimmwinkel-Berechnungseinheit 7 der ersten Ausführung gemäß
Fig. 2 unterscheidet. Die Eigenschaften der Fahrdynamikregelung der
dritten Ausführung werden mit jenen verglichen, die sich ergeben, wenn
ein solcher Steuerprozeß durch Simulation ersetzt wird.
Fig. 11 zeigt einen Fall, bei dem der tatsächliche Reibkoeffizient µ 1,0
beträgt, und das Lenkrad um 60 Grad in jede Richtung gedreht wird,
während das Fahrzeug von der Anfangsgeschwindigkeit von 120 km/h
mit einer Rate von -0,4 G verzögert, ohne Durchführung des obigen
Steuerprozesses. In diesem Fall begann die Fahrzeugkarosserie zu schleu
dern, und das Fahrzeugverhalten war in hohem Maße unstabil.
Fig. 12 zeigt einen Fall, bei dem der tatsächliche Reibkoeffizient µ 1,0
beträgt und der angenommene Reibkoeffizient µ 1,0 beträgt und das
Lenkrad um 60 Grad in jede Richtung gedreht wird, während das Fahr
zeug von der Anfangsgeschwindigkeit von 120 km/h mit einer Rate von
-0,4 G verzögert. In diesem Fall stimmt der hypothetische Fahrzeug-
Schwimmwinkel βe mit dem tatsächlichen Fahrzeug-Schwimmwinkel β
überein, und die Gierrate γ und die Querbeschleunigung YG folgen dem
Lenkwinkel des Lenkrads ohne jede Phasenverzögerung. Anders gesagt,
läßt sich eine signifikante Verbesserung der Fahrzeugbewegung unter
extremen Bedingungen erzielen, wenn der angenommene Reibkoeffizient
µ mit dem tatsächlichen Reibkoeffizienten µ übereinstimmt.
Fig. 13 zeigt einen Fall, bei dem der tatsächliche Reibkoeffizient µ 1,0
beträgt, der angenommene Reibkoeffizient µ 0,2 beträgt und das Lenkrad
um 60 Grad in jede Richtung gedreht wird, während das Fahrzeug von
der Anfangsgeschwindigkeit von 120 km/h mit einer Rate von -0,4 G
verzögert. Obwohl in diesem Fall der angenommene Reibkoeffizient µ
geringer ist als der tatsächliche Reibkoeffizient µ, wird die Stabilität der
Fahrzeugbewegung nicht beeinflußt, abgesehen von einer geringen
Abweichung des tatsächlichen Fahrzeug-Schwimmwinkels β von dem
hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkel βe.
Fig. 14 zeigt einen Fall, bei dem der tatsächliche Reibkoeffizient µ 0,2
beträgt und das Lenkrad um 60 Grad in jede Richtung gedreht wird,
während das Fahrzeug von der Anfangsgeschwindigkeit von 120 km/g
mit einer Rate von -0,1 G verzögert, ohne Durchführung des obigen
Steuerprozesses. Auch in diesem Fall begann das Fahrzeug zu Schleu
dern, und das Fahrverhalten war höchst unstabil.
Fig. 15 zeigt einen Fall, bei dem der tatsächliche Reibkoeffizient µ 0,2
beträgt, der angenommene Reibkoeffizient µ 0,2 beträgt und das Lenkrad
um 60 Grad in jede Richtung gedreht wird, während das Fahrzeug von
der Anfangsgeschwindigkeit von 100 km/h mit einer Rate von -0,1 G
verzögert. In diesem Fall stimmt der hypothetische Fahrzeug-Schwimm
winkel βe mit dem tatsächlichen Fahrzeug-Schwimmwinkel β überein, und
die Gierrate γ und die Querbeschleunigung YG folgen dem Lenkwinkel
des Lenkrads ohne jede Phasenverzögerung. Anders gesagt, läßt sich
eine signifikante Verbesserung der Fahrdynamik unter extremen Bedin
gungen erzielen, wenn der angenommene Reibkoeffizient µ mit dem
tatsächlichen Reibkoeffizienten µ übereinstimmt.
Fig. 16 zeigt einen Fall, bei dem der tatsächliche Reibkoeffizient µ 0,2
beträgt, der angenommene Reibkoeffizient µ 1,0 beträgt und das Lenkrad
in jede Richtung um 60 Grad gedreht wird, während das Fahrzeug von
der Anfangsgeschwindigkeit von 100 km/h mit einer Rate von -0,1 G
verzögert. Da in diesem Fall - im Gegensatz zum Fall der Ausführung #2-
2 - der angenommene Reibkoeffizient µ höher ist als der tatsächliche
Reibkoeffizient µ, ist die Abweichung des tatsächlichen Fahrzeug-
Schwimmwinkels β von dem hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkel
βe noch kleiner, und es läßt sich ein ziemlich hoher Stabilitätswert erhal
ten.
Wie oben beschrieben kann erfindungsgemäß ein Fahrzeug-Schwimm
winkel genau und schnell zur Fahrdynamikregelung bestimmt werden.
Obwohl der Reibkoeffizient zwischen den Reifen und der Straßenober
fläche ein wesentlicher Datenwert für das Reifenmodell der Fahrdyna
mikregelung ist, stellte sich heraus, daß ein willkürlich angenommener
Reibkoeffizient für praktische Zwecke ausreichend ist. Insbesondere,
wenn der angenommene Reibkoeffizient höher als der tatsächliche Reib
koeffizient ist, ergaben sich günstige Ergebnisse. Es stellte sich jedoch
heraus, daß die Kenntnis des tatsächlichen Reibkoeffizienten für noch
präzisere und stabilere Steuerergebnisse besonders günstig ist.
Fig. 17 und 18 zeigen eine auf dieser Überlegung beruhende Fahr
dynamikregelung, und das Regelsystem ist mit Mitteln zum Schätzen des
Reibkoeffizienten zwischen den Reifen und der Straßenoberfläche ver
sehen. Im folgenden wird der Steueralgorithmus dieses Aspekts der
Erfindung im Detail anhand des Flußdiagramms von Fig. 17 und des
Blockdiagramms von Fig. 18 beschrieben.
Zunächst wird der Lenkradwinkel θSW des Lenkrads zu der vorderen
Lenkvorrichtung 1 und der hinteren Lenkvorrichtung 2 übertragen,
wodurch der Vorderradlenkwinkel δF bzw. der Hinterradlenkwinkel δR
erhöht werden. Zu dieser Zeit werden auch verschiedene Zustands
variablen des Fahrzeugs (wie etwa die Gierrate γ, die Fahrgeschwindig
keit V, die Radlenkwinkel δ und die Querbeschleunigung GY) erfaßt
(Schritt 1).
Dann werden die Reifenschräglaufwinkel α der Vorder- und Hinterräder
aus den zuvor erwähnten Gleichungen (10-1) und (10-2) erhalten und in
die Reifenschräglaufwinkel-Berechnungseinheiten 3 und 4 gemäß der
Lenkwinkelinformation δ und der Fahrgeschwindigkeitsinformation V
eingegeben (Schritt 2), ähnlich wie in der ersten Ausführung.
Die Reifenschräglaufwinkel α werden in Gleichung (11) für das Reifendy
namikmodell eingesetzt, die in den Seitenführungskraft-Berechnungsein
heiten 5 und 6 enthalten ist, um Seitenführungskräfte Y der Vorder- und
Hinterräder zu erzeugen (Schritt 3).
Auf Basis der Vorderrad-Seitenführungskraft YF und der Hinterrad-Seiten
führungskraft YR erzeugt eine hypothetische Fahrzeug-Schwimmwinkel-
Berechnungseinheit 7 einen hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkel βe
(Schritt 4). In diesem Fall erhält man den hypothetischen Fahrzeug-
Schwimmwinkel βe durch Differenzieren des hypothetischen Fahrzeug-
Schwimmwinkels, und dann durch Integrieren desselben gemäß den
obigen Gleichungen (12) und (13).
Durch Rückkopplung dieses hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels
βe zu den Reifenschräglaufwinkel-Berechnungseinheiten 3 und 4 läßt sich
im Ergebnis ein praktisch adäquater angenäherter Wert des Fahrzeug-
Schwimmwinkels erreichen. Dieser wird dann zu einer Gleitmodus-
Berechnungseinheit 8 weitergeleitet, die durch die oben in Verbindung
mit dem Stand der Technik erwähnte Gleichung (1) gekennzeichnet ist,
um ein Giermoment Mz zu erzeugen, das als Basis zum Annähern des
Fahrzeug-Schwimmwinkels zu null dient (Schritt 5). Auf Basis dieses
Werts werden die Längskräfte XR und XL der rechten und linken Reifen
bestimmt (Schritt 6) und das Fahrzeug 9 wird entsprechend gesteuert/
geregelt.
Zwar würde die Steuerstabilität für praktische Zwecke auch dann nicht
beeinträchtigt, wenn der Reibkoeffizient µ zwischen dem Reifen und der
Straßenoberfläche, der in dem Reifendynamikmodell (Gleichung 11) in
den Seitenführungskraft-Berechnungseinheiten 5 und 6 verwendet wird,
auf einen geeigneten Festwert nahe 1 gesetzt wird. Es bestätigte sich
aber, daß eine höhere Präzision des µ-Werts dazu beiträgt, die Reaktion
zu verbessern. Daher wird gemäß diesem Aspekt der Erfindung der µ-
Wert aus der Querbeschleunigung GY, der Fahrgeschwindigkeit V und der
Gierrate γ geschätzt, die relativ leicht zu erfassen sind, und dieser µ-Wert
wird für den Prozeß von Schritt 3 verwendet. Im folgenden wird der
Betrieb einer µ-Schätzeinheit 10 zum Schätzen des µ-Werts anhand der
Fig. 3 und 5 erläutert.
Die Berechnung eines hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels βe unter
Verwendung der aus dem Reifendynamikmodell (Gleichung 11) berech
neten Seitenführungskräfte Y wird fortlaufend im Prozeß von Schritt 4
durchgeführt. Der Zeitpunkt, zu dem der Absolutwert von βe unter einen
bestimmten Wert nahe null fällt, wird bestimmt (Schritt 11). Wenn der
Absolutwert von βe unter diesen Wert nahe null fällt, werden die erfaßten
Werte der Querbeschleunigung GY, der Gierrate γ und der Fahrgeschwin
digkeit einem Integrator 11 zugeführt, und ein geschätzter Fahrzeug-
Schwimmwinkel βD wird aus der folgenden Gleichung erhalten (Schritt
12)
βD = ∫{(GY/V) - γ}dt, T = ∫dt (17)
Wenn der Absolutwert von βe unter diesen Wert nahe null fällt, wird der
berechnete Wert des geschätzten Fahrzeug-Schwimmwinkels βD rückge
setzt, und die Integration wird derart gestartet, daß die Berechnung von
βD nur für eine vorbestimmte Zeitperiode (wie etwa T = 2-3 Sekunden)
stattfindet, wenn der Absolutwert der Änderungsrate des Lenkwinkels
unter einem vorbestimmten Wert liegt. Durch Wiederholung hiervon
lassen sich akkumulierende Integrationsfehler vermeiden.
Der somit erhaltene geschätzte Fahrzeug-Schwimmwinkel βD wird einer
geschätzten Fahrzeug-Schwimmwinkel-Berechnungseinheit 12 zugeführt,
und der geschätzte Reifenschräglaufwinkel αe wird für jedes der Vorder-
und Hinterräder aus den folgenden Gleichungen erhalten (Schritt 13).
αeF = βD + (LF/V)γ - δF (18-1)
αeR = βD + (LR/V)γ - δR (18-2)
Nur wenn der geschätzte Fahrzeug-Schwimmwinkel βD berechnet wird,
werden die Querbeschleunigung GY und die Gierrate γ, die dieser Zeitpe
riode entsprechen, einer geschätzten Seitenführungskraft-Berechnungs
einheit 13 zugeführt, und die geschätzte Seitenführungskraft Ye wird aus
den Bewegungsgleichungen als Rückwärtsberechnung für jede der Vorder-
und Hinterräder erhalten (Schritt 14).
YeF = 1/2L{m.LR.GY + I(dγ/dt)} ≈ mF.GYF (19-1)
YeR = 1/2L{m.LF.GY + I(dγ/dt)} ≈ mR.GYR (19-2)
wobei
mF: Masse der Vorderachse
mR: Masse der Hinterachse
GYF: Querbeschleunigung an der Vorderachse
GYR: Querbeschleunigung an der Hinterachse
L: Radstand (LR + LL)
mF: Masse der Vorderachse
mR: Masse der Hinterachse
GYF: Querbeschleunigung an der Vorderachse
GYR: Querbeschleunigung an der Hinterachse
L: Radstand (LR + LL)
Die somit erhaltenen geschätzten Seitenführungskräfte YeF und YeR und
die geschätzten Reifenschräglaufwinkel αeF und αeR werden einer µ-
Berechnungseinheit 16 zugeführt. Es werden Daten über die Beziehung
zwischen den geschätzten Seitenführungskräften Ye und den geschätzten
Reifenschräglaufwinkeln αe aufgebaut (Schritt 15). Wenn gewertet wird,
daß eine ausreichende Datenmenge aufgebaut worden ist (beispielsweise
die Daten, die den Fall von Schräglaufwinkeln von fünf Grad oder mehr
beinhalten) werden die geschätzten Reifenschräglaufwinkel αe einem
Reifeneigenschaftsmodell 14 des Fahrzeugs zugeführt, in dem die experi
mentell erhaltene Beziehung zwischen dem Reifenschräglaufwinkel α, der
Seitenführungskraft Y und dem Reibkoeffizienten µ zwischen dem Reifen
und der Straßenoberfläche vorab in Form eines Kennfelds gespeichert ist.
Die hypothetische Seitenführungskraft Yd wird dann von jedem der
rechten und linken Räder erhalten, während sich µ von 0 zu 1,2 ändert
(Schritt 16).
Die aus den Daten zu dieser Beziehung erhaltenen hypothetischen
Seitenführungskräfte YdF und YdR, sowie die geschätzten Seitenführungs
kräfte YeF und YeR werden einem Komparator 15 zugeführt, um den Wert
von µ zu erhalten, der die durchschnittliche Standardabweichung mini
miert (Schritt 17), und die Berechnung von Schritt 3 wird unter Ver
wendung dieses optimierten Werts von µ durchgeführt (Schritt 18).
Dieser Bearbeitungsprozeß wird sequentiell (mit einer geeigneten Fre
quenz) durchgeführt, wenn das Fahrzeug ohne jede Beschleunigung oder
Verzögerung fährt, so daß die Fahrdynamikregelung auf Echtzeitbasis
unter Berücksichtigung der laufenden Änderungen des Zustands der
Straßenoberfläche durchgeführt werden kann.
Die obigen Gleichungen (6) und (7) erzeugen den Fahrzeug-Schwimm
winkel mit hoher Präzision, wenn die Längsgeschwindigkeit Vx der
Fahrzeugkarosserie ausreichend größer ist als der Fahrzeugkarosserie-
Schräglaufwinkel Vy, und die Änderungen der Längsgeschwindigkeit Vx
relativ gering sind, wobei jedoch unter extremen Bedingungen, wenn eine
solche Beziehung nicht gilt, anstelle der Gleichungen (12) und (13) die
Gleichungen (14) und (16) verwendet werden können.
Fig. 21 ist ein Blockdiagramm einer Fahrdynamikregelung für ein Vier
rad-gelenktes Fahrzeug einer fünften Ausführung, das diese Gleichungen
zur genaueren Schätzung des Fahrzeug-Schwimmwinkels verwendet.
Anzumerken ist, daß sich in diesem Fall die hypothetische Fahrzeug-
Schwimmwinkel-Berechnungseinheit 7' von der hypothetischen Fahr
zeug-Schwimmwinkel-Berechnungseinheit 7 der in Fig. 18 dargestellten
vierten Ausführung unterscheidet.
Die obige Diskussion war auf die Anwendung der Erfindung bei einem
Vierrad-gelenkten Fahrzeug gerichtet, wobei jedoch die Erfindung glei
chermaßen auch bei Fahrzeugen anwendbar ist, bei denen nur die Vor
derräder gelenkt werden, wie sich leicht aus dem Vergleich der ersten
und zweiten Ausführungen entnehmen läßt.
Somit kann die Fahrdynamikregelung mit für praktische Zwecke ausrei
chender Reaktion und Stabilität geregelt werden, und zwar ohne genaue
Bestimmung des Reibkoeffizienten zwischen der Straßenoberfläche und
den Reifen, wobei die Kenntnis des Reibkoeffizienten auf der Basis einer
Schätzung aus dem dynamischen Verhalten des Fahrzeugs die Leistung
des Regelprozesses noch weiter verbessern kann. Daher kann die Ge
samtstruktur des Systems vereinfacht werden, und die Herstellungs
kosten können reduziert werden. Daher läßt sich bei einer hochleistungs
fähigen Fahrdynamikregelung ein signifikanter Fortschritt erzielen.
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Berechnung eines Fahr
zeug-Schwimmwinkels β vorgeschlagen, um eine Regelung der Fahrzeug
bewegung mit für praktische Zwecke ausreichender Reaktion und Stabilität
zu gestatten, auch ohne direkte Erfassung oder genaue Schätzung
des Reibkoeffizienten µ zwischen der Straßenoberfläche und dem Reifen.
Ein Reifenschräglaufwinkel α wird aus der Gierrate γ, der Fahrgeschwin
digkeit V, dem Fahrzeug-Schwimmwinkel β und dem Lenkwinkel δ
berechnet. Eine Seitenführungskraft γ wird aus einem Reifendynamikmo
dell unter Berücksichtigung zumindest des Reifenschräglaufwinkels α
berechnet. Ein hypothetischer Fahrzeug-Schwimmwinkel βe wird aus der
Seitenführungskraft Y, der Fahrgeschwindigkeit V und der Gierrate γ
berechnet. Der Reifenschräglaufwinkel α wird durch rekursive Rückkopp
lung des hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels βe berechnet.
Claims (12)
1. Verfahren zum Berechnen eines Fahrzeug-Schwimmwinkels bei der
Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs, umfassend die Schritte:
Berechnen eines Reifenschräglaufwinkels (α) aus einer Gierrate (γ), einer Fahrgeschwindigkeit (V), einem Fahrzeug- Schwimmwinkel (β), der als ein Anfangswert oder als zuvor be rechneter Wert vorliegt, sowie einem Radlenkwinkel (δ);
Berechnen einer Seitenführungskraft (Y) aus einem Reifendy namikmodell unter Berücksichtigung zumindest des Reifenschräg laufwinkels (α); und
Berechnen eines hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungskraft (Y), der Fahrgeschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ);
wobei der Reifenschräglaufwinkel (α) durch Rückkopplung nur des hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels (βe) berechnet wird, während die Gierrate (γ) und die Fahrgeschwindigkeit (V) strikt auf Meßwerten beruhen.
Berechnen eines Reifenschräglaufwinkels (α) aus einer Gierrate (γ), einer Fahrgeschwindigkeit (V), einem Fahrzeug- Schwimmwinkel (β), der als ein Anfangswert oder als zuvor be rechneter Wert vorliegt, sowie einem Radlenkwinkel (δ);
Berechnen einer Seitenführungskraft (Y) aus einem Reifendy namikmodell unter Berücksichtigung zumindest des Reifenschräg laufwinkels (α); und
Berechnen eines hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungskraft (Y), der Fahrgeschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ);
wobei der Reifenschräglaufwinkel (α) durch Rückkopplung nur des hypothetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels (βe) berechnet wird, während die Gierrate (γ) und die Fahrgeschwindigkeit (V) strikt auf Meßwerten beruhen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Reibkoeffizient (µ) zwischen dem Reifen und der Straßen
oberfläche in dem Reifendynamikmodell auf einen Wert in der Nähe
von 1,0 festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch den Schritt:
Schätzen des Reibkoeffizienten (µ) zwischen dem Reifen und der Straßenoberfläche zur Verwendung in dem Reifendynamikmodell gemäß einer Beziehung zwischen einer Seitenführungskraft (Ye), die aus der Gierrate (γ) und der Querbeschleunigung (GY) berechnet wird, und einem Reifenschräglaufwinkel (αe), der aus einem Fahr zeug-Schwimmwinkel (βD) berechnet wird, der wiederum aus der Gierrate (γ), der Querbeschleunigung (GY) und der Fahrgeschwin digkeit (V) berechnet wird.
Schätzen des Reibkoeffizienten (µ) zwischen dem Reifen und der Straßenoberfläche zur Verwendung in dem Reifendynamikmodell gemäß einer Beziehung zwischen einer Seitenführungskraft (Ye), die aus der Gierrate (γ) und der Querbeschleunigung (GY) berechnet wird, und einem Reifenschräglaufwinkel (αe), der aus einem Fahr zeug-Schwimmwinkel (βD) berechnet wird, der wiederum aus der Gierrate (γ), der Querbeschleunigung (GY) und der Fahrgeschwin digkeit (V) berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt der Berechnung eines hypothetischen Fahrzeug- Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungskraft (Y), der Fahr geschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ) die Verwendung folgender Gleichung umfaßt:
βe = ∫{[(YF + YR)/mV] - γ}dt
wobei m: Fahrzeugmasse
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad).
daß der Schritt der Berechnung eines hypothetischen Fahrzeug- Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungskraft (Y), der Fahr geschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ) die Verwendung folgender Gleichung umfaßt:
βe = ∫{[(YF + YR)/mV] - γ}dt
wobei m: Fahrzeugmasse
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt der Berechnung eines hypothetischen Fahrzeug- Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungskraft (Y), der Fahr geschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ) die Verwendung der folgenden Gleichungen umfaßt:
Vy = ∫{(YF + YR)/m - γVx}dt
βe = tan-1(Vy/Vx)
wobei m: Fahrzeugmasse
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
Vx: Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs.
daß der Schritt der Berechnung eines hypothetischen Fahrzeug- Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungskraft (Y), der Fahr geschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ) die Verwendung der folgenden Gleichungen umfaßt:
Vy = ∫{(YF + YR)/m - γVx}dt
βe = tan-1(Vy/Vx)
wobei m: Fahrzeugmasse
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
Vx: Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsgeschwindigkeit (Vx) des Fahrzeugs aus einer Radge
schwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird.
7. Vorrichtung zum Berechnen eines Fahrzeug-Schwimmwinkels bei
der Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs, umfassend:
eine Berechnungseinheit (3, 4) zum Berechnen eines Reifen schräglaufwinkels (α) aus einer Gierrate (γ), einer Fahrgeschwindig keit (V), einem Fahrzeug-Schwimmwinkel (β), der als Anfangswert oder als zuvor berechneter Wert vorliegt, sowie einem Radlenkwin kel (δ);
eine Berechnungseinheit (5, 6) zum Berechnen einer Seiten führungskraft (Y) aus einem Reifendynamikmodell unter Berück sichtigung zumindest des Reifenschräglaufwinkels (α); und
eine Berechnungseinheit (7) zum Berechnen eines hypo thetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungs kraft (Y), der Fahrgeschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ);
wobei nur der hypothetische Fahrzeug-Schwimmwinkel (βe) zur Berechnungseinheit (3, 4) zum Berechnen des Reifenschräg laufwinkels (α) rückgekoppelt wird, während die Gierrate (γ) und die Fahrgeschwindigkeit (V) strikt auf Meßwerten beruhen.
eine Berechnungseinheit (3, 4) zum Berechnen eines Reifen schräglaufwinkels (α) aus einer Gierrate (γ), einer Fahrgeschwindig keit (V), einem Fahrzeug-Schwimmwinkel (β), der als Anfangswert oder als zuvor berechneter Wert vorliegt, sowie einem Radlenkwin kel (δ);
eine Berechnungseinheit (5, 6) zum Berechnen einer Seiten führungskraft (Y) aus einem Reifendynamikmodell unter Berück sichtigung zumindest des Reifenschräglaufwinkels (α); und
eine Berechnungseinheit (7) zum Berechnen eines hypo thetischen Fahrzeug-Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungs kraft (Y), der Fahrgeschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ);
wobei nur der hypothetische Fahrzeug-Schwimmwinkel (βe) zur Berechnungseinheit (3, 4) zum Berechnen des Reifenschräg laufwinkels (α) rückgekoppelt wird, während die Gierrate (γ) und die Fahrgeschwindigkeit (V) strikt auf Meßwerten beruhen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Reibkoeffizient (µ) zwischen dem Reifen und der Straßen
oberfläche in dem Reifendynamikmodell auf einen Wert in der Nähe
von 1,0 festgelegt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, ferner gekennzeichnet durch
eine Berechnungseinheit (10) zum Schätzen des Reibkoeffizienten
(µ) zwischen dem Reifen und der Straßenoberfläche zur Verwen
dung in dem Reifendynamikmodell gemäß einer Beziehung zwi
schen der Seitenführungskraft (Ye), die aus der Gierrate (γ) und der
Querbeschleunigung (GY) berechnet ist, sowie dem Reifenschräg
laufwinkel (αe), der aus einem Fahrzeug-Schwimmwinkels (βD)
berechnet ist, der wiederum aus der Gierrate (γ), der Querbe
schleunigung (GY) und der Fahrgeschwindigkeit (V) berechnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Berechnungseinheit (7) zum Berechnen eines hypotheti schen Fahrzeug-Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungskraft (Y), der Fahrgeschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ) die folgende Gleichung verwendet:
βe = ∫{[(YF + YR)/mV] - γ}dt
wobei m: Fahrzeugmasse
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad) ist.
daß die Berechnungseinheit (7) zum Berechnen eines hypotheti schen Fahrzeug-Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungskraft (Y), der Fahrgeschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ) die folgende Gleichung verwendet:
βe = ∫{[(YF + YR)/mV] - γ}dt
wobei m: Fahrzeugmasse
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad) ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Berechnungseinheit (7) zur Berechnung eines hypotheti schen Fahrzeug-Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungskraft (Y), der Fahrgeschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ) die folgenden Gleichungen verwendet:
Vy = ∫{(YF + YR)/m - γVx}dt
βe = tan-1(Vy/Vx)
wobei m: Fahrzeugmasse
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
Vx: Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs.
daß die Berechnungseinheit (7) zur Berechnung eines hypotheti schen Fahrzeug-Schwimmwinkels (βe) aus der Seitenführungskraft (Y), der Fahrgeschwindigkeit (V) und der Gierrate (γ) die folgenden Gleichungen verwendet:
Vy = ∫{(YF + YR)/m - γVx}dt
βe = tan-1(Vy/Vx)
wobei m: Fahrzeugmasse
YF: Vorderrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
YR: Hinterrad-Seitenführungskraft (Summe von rechtem und linkem Rad)
Vx: Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsgeschwindigkeit (Vx) des Fahrzeugs aus einer Radge
schwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird.
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