DE3700409A1

DE3700409A1 - Hybrides fahrzeugbewegungsabschaetzsystem

Info

Publication number: DE3700409A1
Application number: DE19873700409
Authority: DE
Inventors: Ken Ito; Taketoshi Kawabe
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-01-10
Filing date: 1987-01-08
Publication date: 1987-07-16
Also published as: US4872116A; JPS62160960A; JPH0629039B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fahrzeugbewegungsabschätzsysteme zum Abschätzen von einer oder mehreren Fahrzeugbewegungsvariablen durch Verwendung eines vorbestimmten Fahrzeugmodells.

Die jüngsten Entwicklungen der Kraftfahrzeugelektronik haben den Bedarf nach den verschiedenartigsten Sensoren zur Ermittlung einer großen Vielzahl von Fahrzeugbewegungsvariablen vergrößert. Es sind jedoch nur wenige der Bewegungsvariablen einfach zu ermitteln, und es sind nur wenige Sensoren, wie beispielsweise ein Gierungssensor und ein Querbeschleunigungssensor bekannt. Darüber hinaus wäre es unerwünscht und schwierig, so viele Sensoren anzubringen, wie Bewegungsvariable des Fahrzeugs vorhanden sind.

Von der Anmelderin ist ein Fahrzeugbewegungsabschätzsystem vorgeschlagen worden, das dazu bestimmt ist, eine oder mehrere Fahrzeugbewegungsvariablen zu ermitteln, indem ein mathematisches Fahrzeugmodell gelöst wird, das aus Fahrzeugbewegungsgleichungen besteht. Dieses System kann die verschiedenen Fahrzeugbewegungsvariablen ermitteln, ohne daß ein Sensor zur Ermittlung solcher Bewegungsvariablen benötigt wird. Mit diesem Abschätzsystem ist es nicht notwendig, einen Sensor für jede Fahrzeugbewegungsvariable vorzusehen, und es ist möglich, Fahrzeugbewegungsvariablen zu bestimmen, die zuvor schwierig oder überhaupt nicht meßtechnisch erfaßt werden konnten.

Um die Berechnungsgenauigkeit bei der Bestimmung der verschiedenen Fahrzeugbewegungsvariablen bei Verwendung eines solchen mathematischen Modells zu verbessern, sind folgende Forderungen zu beachten:

1. Die Genauigkeit des mathematischen Modells muß ausreichend groß sein, d. h. das Modell muß viele Freiheitsgrade haben.
2. Speziell wenn digital integriert wird, ist es wünschenswert, das Integrationsintervall kurz zu machen und den Integrationsfehler zu verkleinern.

Mikrocomputer für Anwendungen an Bord des Kraftfahrzeugs haben jedoch keine ausreichenden Rechnungsfähigkeiten, um die obigen Erfordernisse zu erfüllen. Wenn ein gewöhnlicher Mikrocomputer, der für Anwendungen im Kraftfahrzeug so eingerichtet wird, daß er die obigen Erfordernisse erfüllt, dann wird die Berechnungszeit zu lang, um eine Fahrzeugbewegungsabschätzung in Echtzeit auszuführen.

Andererseits sind Analogrechner hinsichtlich der Rechengeschwindigkeit vorteilhaft. Es ist jedoch schwierig, einen ausreichenden Dynamikbereich und zufriedenstellende Störgrenzen in einem Analogrechner zu erzielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeugbewegungsabschätzsystem anzugeben, das in der Lage ist, eine oder mehrere Fahrzeugbewegungsvariablen ohne Sensoren zur sensorischen Erfassung derselben zu bestimmen, das genau und schnell arbeitet und für Anwendungen an Bord eines Kraftfahrzeugs geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeugbewegungsabschätzsystem zum Abschätzen wenigstens einer Fahrzeugbewegungsvariablen, wie beispielsweise der Gierungsrate, der Querbeschleunigung, des seitlichen Schlupfwinkels, der Kurvenführungskräfte oder des Rollwinkels durch Lösung eines mathematischen Modells, das ein simuliertes Fahrzeug darstellt, mit Hilfe eines Satzes von Fahrzeugbewegungsgleichungen unter Verwendung einer digital arbeitenden und einer analog arbeitenden Vorrichtung gelöst. Die digitale Vorrichtung, beispielsweise ein Mikrocomputer, löst wenigstens eine der Fahrzeugbewegungsgleichungen, die eine nicht-lineare Gleichung oder eine zeitvariante Differentialgleichung ist, während die analog arbeitende Vorrichtung wenigstens eine der Gleichungen löst, die nicht von der digitalen Vorrichtung gelöst wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Gleichung eines Lenksystems um einen Achsschenkelbolzen durch die analoge Vorrichtung gelöst, während Gleichungen der Gierungsbewegung und der seitlichen Schlupfbewegung digital durch die digitale Vorrichtung gelöst werden.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Lenkmodells in Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform des Lenkmodells;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Rollmodells von Fig. 1;

Fig. 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Rollmodells, und

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer in integrierter Technik aufgebauten Schaltung, die anstelle eines Mikrocomputers von Fig. 1 verwendbar ist.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt.

Ein Fahrzeugbewegungsabschätzsystem nach Fig. 1 hat einen Lenkradwinkelsensor 6 zur Ermittlung eines Lenkradwinkels ϑ _s und einen Fahrgeschwindigkeitssensor 7 zur Ermittlung einer Fahrgeschwindigkeit V und ist so eingerichtet, daß eine oder mehrere Fahrzeugbewegungsvariablen, wie beispielsweise eine Gierungsrate und ein Seitenschlupfwinkel aus dem Lenkradwinkel ϑ _s und die Fahrgeschwindigkeit V unter Verwendung eines Fahrzeugmodells abgeschätzt werden können.

Das oben erwähnte Fahrzeugmodell ist ein mathematisches Modell, das ein simuliertes Fahrzeug mittels eines Satzes Fahrzeugbewegungsgleichungen darstellt, die die Wechselwirkung von Variablen beschreiben, die so definiert sind, daß sie Eingaben, Ausgaben und innere Zustände des simulierten Fahrzeugs darstellen, und die durch Fahrzeugparameterwerte spezifiziert sind, die im allgemeinen das simulierte Fahrzeug bezeichnende Konstanten sind. Das Fahrzeugmodell besteht bei dieser Ausführungsform aus einem Lenkmodell, einem Rollmodell und einem ebenen Bewegungsmodell mit zwei Freiheitsgraden für die Gierbewegung und die Seitenschlupfbewegung. Das Fahrzeugmodell hat daher insgesamt vier Freiheitsgrade. Das Abschätzungsmodell nach Fig. 1 hat einen ersten analogen Rechnerkreis 1 zum Lösen des Lenkmodells, einen zweiten analogen Rechnerkreis 2 zum Lösen des Rollmodells und einen digitalen Mikrocomputer 5 zum Lösen des ebenen Bewegungsmodells und zum Ausführen anderer Funktionen.

Der erste analoge Rechenkreis 1 empfängt den Lenkradwinkel j _s direkt vom Lenkradwinkelsensor 6 und empfängt weiterhin ein Selbstausrichtungsdrehmoment M _F, das durch den Mikrocomputer 5 abgeschätzt wird und durch einen Digital/Analog-Wandler 4 in ein analoges Signal umgewandelt wird. Der erste Analogkreis 1 schätzt dann einen Vorderradlenkwinkel w _F unter Verwendung des Lenkmodells. Der Vorderradwinkel δ _F wird von einem Analog/Digital-Wandler 3 digitalisiert und dann in den Mikrocomputer 5 eingegeben.

Der zweite analoge Rechenkreis 2 empfängt eine Querbeschleunigung α, die durch den Mikrocomputer 5 abgeschätzt wird und von dem D/A-Wandler 4 digitalisiert worden ist. Der zweite Analogkreis 2 schätzt einen Fahrzeugrollwinkel ϕ unter Verwendung des Rollmodells. Der Rollwinkel ϕ wird mittels des A/D-Wandlers 3 digitalisiert und dann in den Mikrocomputer 5 eingegeben.

Der Mikrocomputer 5 empfängt den von dem ersten Analogkreis 1 abgeschätzten Vorderradlenkwinkel w _F und den von dem zweiten Analogkreis 2 abgeschätzten Rollwinkel ϕ über den A/D-Wandler 3 und empfängt weiterhin die Fahrgeschwindigkeit V vom Fahrgeschwindigkeitssensor 7. Aus diesen Eingaben schätzt der Mikrocomputer 5 nicht nur das Selbstausrichtungsdrehmoment M _F und die Querbeschleunigung α, sondern auch eine oder mehrere wahlfrei gewählte andere Fahrzeugbewegungsvariable, wie beispielsweise die Gierungsrate und den Seitenschlupfwinkel unter Verwendung des zwei Freiheitsgrade aufweisenden ebenen Bewegungsmodells und gibt einen abgeschätzten Wert S* wenigstens einer Fahrzeugbewegungsvariablen aus.

Das vier Freiheitsgrade aufweisende Fahrzeugmodell dieser Ausführungsform ist ein Satz aus vier Fahrzeugbewegungsgleichungen, die wie folgt ausgedrückt sind: (wobei M _F = 2 (ξ _N + u _C) C _F.)
I _Z @. ψ = 2 c L _F C _F - 2 L _R C _R (2)
M( _Y + V · ψ) = 2 C _F + 2 C _R (3)
(wobeiC _F = K _F β _F, C _R = K _R β _-R,
β _F = δ _F = R _SF · ϕ - (V _Y + -L _F ψ)/V,
b _R = R _SR · ϕ - (V _Y - L _R c-)/V.) I _X ϕ = - C _ϕ ϕ - K _d · ϕ -+ (H _g - H _ϕ) M α (4)
(wobeiα = _Y + V · ψ.)

In den Gleichungen (1) bis (4) bedeuten:

M:die Fahrzeugmasse,I _Z:das Trägheitsgiermoment,L _F:der Abstand zwischen der Vorderachse und dem Schwerpunkt des Fahrzeugs,L _R:der Abstand zwischen der Hinterachse und dem Schwerpunkt des Fahrzeugs,K _F:die Vorderradkurvenführungsleistung,K _R:die Hinterradkurvenführungsleistung,N:das Lenkgetriebeverhältnis (Gesamtgetriebeverhältnis),I _K:das Trägheitsmoment um einen Achsschenkelbolzen,D _K:der Viskositätskoeffizient um den Achsschenkelbolzen,K _S:die Steuerungssteifheit, gesehen von der Reifenseite,ξ _N:der pneumatische Nachlauf,u _C:der Radnachlauf,I _X:das Trägheitsrollmoment,C _ϕ:der Viskositätskoeffizient der Rollbewegung,K _ϕ:die Rollsteifheit,R _SF:der vordere Rollenkkoeffizient (rad/rad),R _SR:der hintere Rollenkkoeffizient (rad/rad),H _g:die Höhenlage des Schwerpunktes,H _ϕ:die Höhenlage des Rollzentrums,ψ:die Gierungsgeschwindigkeit,ψ:die Gierungsbeschleunigung,V _y:die Seitengeschwindigkeit, _y:die Seitenbeschleunigung,β:der Schlupfwinkel des Schwerpunkts,C _F:die Vorderradkurvenführungskraft,C _R:die Hinterradkurvenführungskraft,β _F:der Vorderradreifenseitenschlupfwinkel,β _R:der Hinterradreifenseitenschlupfwinkel.

Die Gleichung (1) ist eine Bewegungsgleichung um einen Achsschenkelbolzen und ein Bestandteil des Lenkmodells. Die Gleichung (4) ist eine Rollbewegungsgleichung und ein Bestandteil des Rollmodells. Die Gleichung (2) ist eine Gierungsbewegungsgleichung, und die Gleichung (3) ist eine Schlupfbewegungsgleichung. Die Gleichungen (2) und (3) sind Bestandteile des zwei Freiheitsgrade aufweisenden ebenen Bewegungsmodells.

Die folgende Zustandsgleichung kann man aus der Gleichung (1) erhalten, indem man den Lenkradwinkel ϑ _s und das Selbstausrichtungsdrehmoment M _F, das vom Reifen eingegeben wird, als Systemeingänge betrachtet:

In dieser Gleichung (5) sind alle Elemente der Matrizen A ₁ und B ₁ durch die Fahrzeugparameter fest bestimmt, und daher sind die Matrizen A ₁ und B ₁ konstant und ändern sich mit der Zeit nicht. Das bedeutet, daß die Gleichung (1) eine zeitinvariante lineare Gleichung ist. Die Gleichung (1) kann daher durch eine analog arbeitende Vorrichtung gelöst werden.

Fig. 2 zeigt den ersten analogen Rechenkreis 1 für das Lenkmodell in Form eines Blockdiagramms. Fig. 3 zeigt ein Beispiel des ersten Analogkreises 1. Wie in Fig. 2 gezeigt, hat der erste Analogkreis 1 einen ersten Abschnitt, dessen Übertragungsfunktion K _S/N ist, und einen zweiten Abschnitt, dessen Übertragungsfunktion 1/(I _K S ² + D _K S + K _S) ist. Der Lenkradwinkel ϕ _s wird in den ersten Abschnitt eingegeben, und eine Differenz des Ausgangs des ersten Abschnitts zum Selbstausrichtungsdrehmoment M _F wird in den zweiten Abschnitt eingegeben. Der zweite Abschnitt liefert den Vorderradlenkwinkel u _F.

Die folgende Zustandsgleichung (6) erhält man aus der Gleichung (4), indem man die Querbeschleunigung α, die auf den Schwerpunkt wirkt, als eine Eingabe in die Rollbewegung betrachtet:

In der Zustandsgleichung (6) sind alle Elemente der Matrizen A ₂ und B ₂ fest durch die Fahrzeugparameter bestimmt, wie in der Zustandsgleichung (5). Das Rollmodell ist daher ebenfalls zeitlich invariant und linear, und die Gleichung (4) ist für eine analoge Vorrichtung geeignet.

Der zweite Analogkreis 2 für das Rollmodell ist in Fig. 4 in Form eines Blockschaltbilds gezeigt. Fig. 5 zeigt ein Beispiel des zweiten Analogkreises 2. Wie Fig. 4 zeigt, hat der zweite Analogkreis 2 eine Übertragungsfunktion, die ausgedrückt ist als: (H _g - H _d)M/(I _X S ² + C _ϕ S- + K _d).

Die folgende Zustandsgleichung kann man aus den Gleichungen (2) und (3) erhalten, indem man den Vorderradlenkwinkel, eine Vorderradrollenk-R _SF d und ein Hinterradrollenk-R _SR ϕ als Systemeingänge betrachtet:

In der Zustandsgleichung (7) enthält jedes Element einer Matrix A ₃ die Fahrgeschwindigkeit V, die eine variable Größe ist, die mit der Zeit variiert. Das heißt, das zwei Freiheitsgrade aufweisende Annäherungsmodell für die Simulierung einer ebenen Bewegung, die einen Drehfreiheitsgrad bei der Gierbewegung und einen translatorischen Freiheitsgrad in der Seitenschlupfbewegung hat, ist ein zeitvariantes System. Es ist daher schwierig, die Gleichungen (2) und (3) durch eine analoge Vorrichtung zu behandeln.

In einem zeitvarianten System neigen Parameter (die die Elemente der Matrix A ₃ im vorliegenden Fall sind) zu sehr breiten Schwankungen. Es ist daher schwierig, eine Gleichung eines zeitlich variierenden Systems genau und präzise mit einer Vorrichtung zu lösen, die einen begrenzten Dynamikbereich hat, wie beispielsweise eine analoge Vorrichtung.

In einem Digitalrechner läßt sich ein ausreichender Dynamikbereich durch Steigerung der Wortlänge sicherstellen. Ein Digitalrechner kann daher eine Gleichung eines zeitlich variierenden Systems genau und präzise lösen.

Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Gleichungen der Gierbewegung und der Seitenschlupfbewegung, die zeitlich variierende Differentialgleichungen sind, digital mit Hilfe des Mikrocomputers 5 gelöst, und die Gleichung der Bewegung um den Achsschenkelbolzen und die Rollbewegungsgleichung, die zeitlich invariante lineare Gleichungen sind, werden durch analoge Rechenelemente gelöst. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann daher die Rechengeschwindigkeit steigern, indem die Belastung, der der Mikrocomputer ausgesetzt ist, vermindert wird, und gleichzeitig hält sie die Rechengenauigkeit durch Verwendung des Mikrocomputers 5 für solche Gleichungen, die zur Verarbeitung durch analoge Rechenelemente ungeeignet sind, aufrecht. Das Fahrzeugbewegungsabschätzsystem nach dieser Ausführungsform der Erfindung hat eine hohe Lösungsgeschwindigkeit und eine gesteigerte Genauigkeit.

Speziell die Bewegung des Lenksystems hat eine hohe Eigenfrequenz von etwa 30 Hz, während die Eigenfrequenzen ebener Bewegung (Gierbewegung und Seitenschlupfbewegung) und der Rollbewegung ungefähr 1 bis 2 Hz betragen. Eine digitale Berechnung des Lenkmodells müßte daher zehnmal oder mehr so schnell ablaufen, wie die Berechnung der ebenen Bewegung, um eine Genauigkeit zu erhalten, die genau so groß ist, wie die einer analogen Berechnung. Im Gegensatz dazu werden die analogen Elemente nicht durch die Größe der Eigenfrequenz aufgrund der kontinuierlichen Eigenschaften der analogen Elemente beeinträchtigt.

Eine digitale, integrierte Verarbeitungsschaltung, die digitale Elemente, wie beispielsweise TTL-ICs verwendet, kann als Mikrocomputer 5 nach Fig. 1 eingesetzt werden. In diesem Falle kann die Schaltung so aufgebaut sein, wie sie in dem Blockdiagramm nach Fig. 6 dargestellt ist.

In der dargestellten Ausführungsform wird das Rollmodell durch den Analogkreis 2 gelöst. Das System nach der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch so aufgebaut sein, daß es das Rollmodell digital löst. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf Fahrzeugmodelle mit vier Freiheitsgraden, wie beispielsweise das Fahrzeugmodell nach der dargestellten Ausführungsform, anwendbar, sondern ebenso auch auf Fahrzeugmodelle, die fünf oder mehr Freiheitsgrade aufweisen oder die nur zwei oder drei Freiheitsgrade haben.

Das Bewegungsabschätzsystem nach der vorliegenden Erfindung kann weiterhin so eingerichtet sein, daß es eine Parametereinstelleinrichtung zur Ausführung einer Parameteridentifikation des Fahrzeugmodells ausführt, um einen Fehler zwischen den Charakteristika des Fahrzeugmodells und den Charakteristika des simulierten wirklichen Fahrzeugs zu minimieren, indem eine oder mehrere Fahrzeugbewegungsvariablen, wie beispielsweise die durch Sensoren ermittelte Gierungsrate und die Querbeschleunigung verwendet werden. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung auch auf Fahrzeuglenksteuersysteme anwendbar zur Abschätzung einer Fahrzeugbewegungsvariablen durch Verwendung eines Fahrzeugmodells und Steuern entweder des vorderen Radlenkwinkels oder des hinteren Radlenkwinkels oder beider, um die geschätzte Bewegungsvariable zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung macht es möglich, eine Mehrzahl von Fahrzeugbewegungsvariablen zu bestimmen, ohne daß viele Sensoren verwendet werden müssen, und sogar solche Bewegungsvariablen zu bestimmen, die schwierig oder gar nicht meßtechnisch erfaßbar sind. Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein sehr schnelles, hochgenaues System zum Abschätzen von Fahrzeugbewegungsvariablen.

Claims

1. Fahrzeugbewegungsabschätzsystem zur Abschätzung wenigstens einer Fahrzeugbewegungsvariablen durch Lösung eines mathematischen Modells, das ein simuliertes Fahrzeug mittels eines Satzes von Fahrzeugbewegungsgleichungen darstellt, enthaltend:
eine digitale Vorrichtung (5) zum Lösen wenigstens einer der Gleichungen, die eine von einer nicht-linearen Gleichung und einer zeitvarianten Differentialgleichung ist, und
eine analoge Vorrichtung (1, 2) zum Lösen wenigstens einer der genannten Gleichungen, die eine andere als die wenigstens eine der genannten Gleichungen ist, die von der digitalen Vorrichtung gelöst wird.

2. Abschätzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Vorrichtung (1, 2) jede zeit-invariante lineare Differentialgleichung löst, die zu dem genannten Satz gehört, und daß die digitale Vorrichtung (5) den Rest des Satzes löst.

3. Abschätzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeit-invariante lineare Differentialgleichung eine Differentialgleichung ist, die durch eine Zustandsgleichung eines Systems beschrieben werden kann, das zeit-invariant und linear ist.

4. Abschätzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Satz eine Gleichung des Lenksystems enthält, und daß die analoge Vorrichtung (1) die Gleichung des Lenksystems löst.

5. Abschätzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Satz weiterhin eine Gleichung der Seitenschlupfbewegung und eine Gleichung der Gierbewegung enthält und daß die digitale Vorrichtung (5) die genannten Gleichungen der Seitenschlupfbewegung und der Gierbewegung ist.

6. Abschätzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sogenannte Satz weiterhin eine Rollbewegungsgleichung enthält und daß die analoge Vorrichtung (2) diese Rollbewegungsgleichung löst.