DE3825639C2 - Einrichtung zum Stabilisieren von Kraftfahrzeugen bei Kurvenfahrt - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Stabilisieren von Kraftfahrzeugen bei Kurvenfahrt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Einrichtungen werden im Kraftfahrzeugbau eingesetzt, um irreguläres Fahrverhalten wie z. B. Wegrutschen festzustellen und diesem durch Einwirkung auf die Bremsen entgegenzuwirken.

Die US 3 910 647 zeigt eine derartige Einrichtung zur gesteuerten Reduzierung der Bremsdrücke im vorderen und hinteren Bremszylinder eines Kraftfahrzeuges, um dessen Rutschen beim Bremsen zu vermeiden. Hierzu sind am Kraftfahrzeug ein Lenkeinschlag-Sensor und drei Mikrowellen-Doppler-Radar-Sensoren angeordnet. Die vorderen Dopplersensoren erfassen die wahre oder Ist-Vorwärts- und Quergeschwindigkeit, der hintere Sensor die Ist-Quergeschwindigkeit. Der hintere Bremsdruck wird, durch eine Rechen- bzw. Steuerungseinheit angesteuert, um einen festen Betrag verringert, wenn die hintere Ist-Quergeschwindigkeit größer als die Ist-Vorwärtsgeschwindigkeit ist. Der vordere Bremsdruck wird ebenso verringert, wenn die Abweichung der gemessenen von der aus Vorwärtsgeschwindigkeit und Lenkeinschlag berechneten Quergeschwindigkeit größer als die Vorwärtsgeschwindigkeit ist.

Diese Maßnahmen greifen jedoch allenfalls bei einem nahezu voll entwickelten Rutsch- oder Schleudervorgang, da bei einem beginnenden Wegrutschen die hintere Quergeschwindigkeit und die vordere Abdrift kleiner als die Vorwärtsgeschwindigkeit sind. Überdies sind weder die Rücknahme der Antriebskraft einschließlich Schlupfregelung noch die Beeinflussung des Lenkeinschlags und der Einzelräder-Antriebs- oder Bremskräfte vorgesehen.

Durch die DE 36 25 392 A1 ist ein Regelsystem bekannt, mit dem ein Schleudern und/oder Driften eines Kraftfahrzeuges vermieden werden soll. Es verwendet einen Lenkwinkelsensor sowie einen Faserkreisel als Inertialsensor zur Messung der Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges um die Hochachse. Weicht diese von der Winkelgeschwindigkeit ab, die aus der mittels Tachometer gemessenen, d. h. scheinbaren Vorwärtsgeschwindigkeit und dem gemessenen Lenkeinschlag berechnet wurde, wird seitliches Ausbrechen des Fahrzeugs konstatiert. Diesem wird durch selektives Abbremsen und/oder Beschleunigen und/oder der Korrektur des Lenkwinkels mindestens eines Rades entgegengewirkt, so daß dessen Soll- und Ist-Drehgeschwindigkeit im wesentlichen gleich sind.

Wegen der Verwendung der scheinbaren Vorwärtsgeschwindigkeit versagt diese Berechnungsmethode offensichtlich, wenn bereits ein Rutschen etc. eingetreten ist. Aufgrund fehlender Einrichtungen ist überdies eine bei Geradeaus- und Kurvenfahrt wirkende Schlupf- und Anti-Blockier-Regelung nicht möglich.

Die DE 36 06 797 A1 befaßt sich mit der gleichen Aufgabe. Hier benötigt ein spezielles Regelsystem außer den Sensoren für Radumdrehungen, Vorwärtsgeschwindigkeit und Lenkwinkel noch zusätzliche Sensoren für die Drehgeschwindigkeit um die Hochachse, für die Seitenbeschleunigungen (Beschleunigungsmesser) und für die Achslasten, sowie ein Dopplerradar lediglich für die Ist-Vorwärtsgeschwindigkeit. Zur Messung der Querbeschleunigung wird ein Beschleunigungsmesser benötigt. Aus diesen Meßwerten wird ein spezielles Kriterium abgeleitet, bei dessen Eintreten gebremst oder das Motormoment herabgesetzt wird. Es wird jedoch weder die Ist-Quergeschwindigkeit erfaßt, noch der Lenkwinkel beeinflußt.

Trotz des hohen Sensoraufwandes ist auch damit eine optimierte Regelung bei bereits voll entwickeltem Rutschen des Fahrzeuges nicht möglich.

Durch die DE 35 45 715 A1 ist eine weitere Einrichtung bekannt, welche den Lenkwinkel und die scheinbare Vorwärtsgeschwindigkeit verwendet und in einer Recheneinheit hieraus eine Soll-Drehzahldifferenz der Vorderräder berechnet, um diese dann innerhalb eines Toleranzbereiches mittels der Bremsen oder der Motorleistung entsprechend zu korrigieren und das Fahrzeug davor zu bewahren, stabile Fahrzustände zu überschreiten. Eine Beeinflussung des Lenkwinkels ist nicht vorgesehen. Alternative Ausgestaltungen für allradgetriebene Fahrzeuge mit Schlupfregelung berechnen statt dessen die Querbeschleunigung und die scheinbare Giergeschwindigkeit und vergleichen diese mit den Meßwerten von Beschleunigungs- oder Giergeschwindigkeitssensoren.

Auch diese Einrichtung versagt wegen der Verwendung der scheinbaren Geschwindigkeit bei bereits eingetretenen Rutschvorgang.

Auch Laser-Dopplersensoren sind an sich bekannt. In der DE 38 04 750 C1 ist z. B. ein Verfahren für die Fernerfassung von Fahrzeuggeschwindigkeiten beschrieben. Hier wird zwar ein Laser- Dopplersensor zur Geschwindigkeitsmessung eingesetzt; dieser ist jedoch nicht im Fahrzeug selbst angeordnet, sondern wird von einer entfernt gelegenen, festen Meßstation aus betrieben und dient zu einer völlig anderen Aufgabe, nämlich der Überwachung der vorgeschriebenen Höchstgeschwindigkeiten.

Ausgehend von der Einrichtung zur gesteuerten Reduzierung der Bremsdrücke im vorderen und hinteren Bremszylinder eines Kraftfahrzeuges gemäß der US 3 910 647 hat sich die Erfindung daher die Aufgabe gestellt, eine Einrichtung zu schaffen, die ein Abdriften aus der Fahrspur automatisch erkennen und unter Verwendung der gemessenen Ist-Geschwindigkeit, d. h. wahren Über-Grund-Geschwindigkeit weitgehend reduzieren kann. Die Absicht des Fahrers, einer von ihm gewählten Fahrspur zu folgen, sollen erkannt und Fahrfehler bzw. ungünstige Fahrbahnbedingungen bestmöglich korrigiert werden. Dadurch sollen Notfallsituationen besser beherrschbar und die vom Fahrer gewünschte Fahrtrichtung in nahezu allen realistischen Fahrbahnsituationen stabilisiert werden. Durch Abwägung der Erfordernisse für die optimale Funktion bei unrealistischen, fiktiven Situationen sowie bei real vorkommenden soll der erforderliche apparative Aufwand möglichst klein gehalten werden.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen aufgezeigt.

Die Erfindung, im folgenden auch Anti-Gleit-System (AGS) genannt, ist in mehreren Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren erklärt. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeuges mit eingebauten Dopplersensoren nebst ihren zugehörigen Blickrichtungen bzw. Laserstrahlen,

Fig. 2 eine Draufsicht eines Kraftfahrzeuges mit einem Dopplersensor, dessen Blickrichtung Komponenten längs und quer zur Fahrtrichtung aufweist, den aus Ist-Vorwärtsgeschwindigkeit und Ist-Quergeschwindigkeit vektoriell sich zusammensetzenden Ist-Geschwindigkeitsvektor des Kraftfahrzeuges in der Fahrbahnebene sowie den Lenkeinschlag,

Fig. 3 eine Draufsicht eines Kraftfahrzeuges mit einer durch Lenkeinschlag und Fahrzeuggeschwindigkeit vorgeschriebenen, regulären oder Soll-Fahrspur sowie einer aus seitlicher Abdrift resultierenden wahren oder Ist-Fahrspur,

Fig. 4 ein Vektordiagramm der Soll- und Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit sowie deren Komponenten quer und längs zur Fahrtrichtung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild des Anti-Gleit-Systems,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines im Homodynbetrieb arbeitenden Laser- Dopplersensors,

Fig. 7 den Signalverlauf eines Dopplersensors bei beginnender seitlicher Abdrift,

Fig. 8 den Signalverlauf eines Dopplersensors bei beginnendem Schlupf.

Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, sind am Kraftfahrzeug 10, z. B. an dessen Unterseite, Hinterachse oder Motorraum ein oder mehrere mit Halbleiterlaser 40 und Überlagerungsempfang arbeitende, in ihrer Meßrichtung 51 mit eng gebündeltem Laserstrahl 45 schräg nach unten zum Boden 1 mit Richtungskomponenten 51a, b längs und quer zur Fahrtrichtung blickende Dopplersensoren 30, 30a angeordnet und gemäß Fig. 5 mit der Steuerungseinheit 22 verbunden. Diese wertet in der Recheneinheit 22b für Doppleranalyse und Geschwindigkeitsauswertung die aus der Bewegung des Fahrzeuges 10 in Fahrtrichtung und quer dazu resultierenden Dopplerfrequenzen (Fig. 7 und 8) des oder der Dopplersensoren 30, 30a (Fig. 6) aus und vergleicht sie mit den aus Drehzahlen der Räder 11 und Lenkeinschlag 50 vom Sensorsystem 21 ermittelten Sollwerten der Komponenten 52a, b der Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit 52 für die Soll-Fahrspur 55 (Fig. 3). Bei Feststellung einer seitlichen Abdrift 54b (Fig. 4) aus der Soll-Fahrspur 55 oder eines Schlupfes 54a, d. h. Durchdrehens der Räder 11 gibt die Steuerungseinheit 22 entsprechende Korrektursignale an das Servosystem 20 des Kraftfahrzeuges 10 ab, um die Abweichung der Ist-Fahrspur 56 von der regulären, vom Fahrer gewünschten Soll-Fahrspur 55 zu minimieren. Seitliche Abdrift 54b und Schlupf 54a sind also die unerwünschten, zu korrigierenden Geschwindigkeitskomponenten, durch welche der reguläre, vom Fahrer gewünschte Vektor der Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit 52 in den Ist-Fahrzeuggeschwindigkeitsvektor 53, d. h. die tatsächliche Über-Grund-Geschwindigkeit 53 transformiert wird.

Dopplersensoren zur Geschwindigkeitsmessung, die mit Lasern und im Überlagerungsempfang betrieben werden, sind an sich bekannt (s. P 38 04 750 und P 37 02 742 des gleichen Erfinders, US 4 696 568). Hierfür sind prinzipiell Laser beliebiger Wellenlänge einsetzbar, falls ihre Frequenzstabilität, d. h. ihre Kohärenzlänge für den Überlagerungsempfang ausreicht. Für den hier angestrebten Einsatz sind jedoch kleine Sensorabmessungen sowie eine für Wasser durchlässige Laserwellenlänge vorteilhaft, letzteres, um durch eine z. B. vom Wind bewegte Wasserschicht hindurch den festen Untergrund der Fahrbahn 1 anmessen zu können. Beide Forderungen werden in nahezu idealer Weise von Halbleiterlasern, z. B. GaAlAs-Laserdioden erfüllt.

Halbleiterlaser wurden in der Praxis jedoch kaum eingesetzt, da die bisherigen Anwendungen Meßentfernungen von mindestens einigen Metern verlangten, während sich mit Halbleiterlasern wegen ihrer kurzen Kohärenzlänge nur Meßentfernungen bis zum Dezimeterbereich erzielen ließen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß manche Typen der seit einiger Zeit in hohen Stückzahlen für Laser-Plattenspieler (Compact Disc) etc. produzierten, kontinuierlich emittierenden GaAlAs-Halbleiterlaser auch für Meßentfernungen im Bereich von 1 m geeignet sind und damit der Größenordnung der erfindungsgemäßen Anwendung entsprechen.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform des Dopplersensors 30 wird zunächst die polarisierte Strahlung des Halbleiterlasers 40 durch die Bündelungsoptik 41, z. B. eine Gradientenindexlinse (SELFOC-Linse) gebündelt. Die Laserstrahlung 45 durchsetzt die Brewsterplatte 42 und die λ/4-Platte 43 und wird durch die Sende-/Empfangsoptik 44 in der Meßrichtung 51 und die anzumessende Stelle am Boden 1 gerichtet. Um die Meßrichtung möglichst genau festzulegen, ist der Laserstrahl 45 auf den Boden fokussiert. Das hiervon zurückgestreute Laserlicht 45a wird von der Sende-/Empfangsoptik 44 gesammelt, hat nach dem 2. Durchgang durch die λ/4-Platte 43 insgesamt eine Drehung der Polarisationsrichtung um 90° erfahren und gelangt über die Brewsterplatte 42 und die Sammellinse 47 auf den Detektor 48. Ein kleiner Teil 45b der emittierten Laserstrahlung 45 wird an einer geeigneten Fläche, z. B. an einer Fläche 44a der Sende-/Empfangsoptik 44, die entsprechend teilreflektierend ausgebildet ist, reflektiert und gelangt als Lokaloszillator-Laserstrahl 45b wie das empfangene Laserlicht 45a ebenfalls auf den Detektor 48. Durch die Überlagerung beider Strahlen 45a, 45b entsteht am Detektor 48 die hier nicht interessierende Summen- sowie die Differenzfrequenz f. Letztere ist wegen des Dopplereffektes dem Betrag der Relativgeschwindigkeit v zwischen Sensor 30 und angemessener Fläche, d. h. damit also auch der Ist- Geschwindigkeit 52 des Fahrzeuges 10 auf der Fahrbahn 1 einschließlich eventueller seitlicher Abdrift proportional gemäß der Formel

f = (2v/λ) cos α.

Hier ist λ die Laserwellenlänge und α der Winkel zwischen der Richtung der Gesamtbewegung und dem Laserstrahl 45.

Um nicht nur den Betrag, sondern auch das Vorzeichen, d. h. die Richtung der Geschwindigkeit messen zu können, erzeugt man üblicherweise beim Heterodynempfang mittels eines z. B. akusto-optischen Modulators und eines diesen ansteuernden Oszillators der Frequenz f₀ einen Frequenzversatz zwischen Sende- und Lokaloszillator-Strahl 45, 45b. Es ergibt sich eine Dopplerverschiebung von

f = f₀ ± (2v/λ) cos α,

wobei sich das Pluszeichen auf eine Bewegung der angemessenen Stelle auf den Dopplersensor 30, 30a hin bezieht.

In beiden Fällen steht eine Meßgröße in Analogform als Steuergröße zur Verfügung, so daß optimierte, z. B. Proportional-Integral-Regelschleifen zur Korrektur der Fahrfehler verwendbar sind.

Der Mehraufwand von Modulator und Oszillator ist jedoch nicht erforderlich, und auf die Messung der Geschwindigkeitsrichtung muß nicht verzichtet werden, wenn man folgendermaßen vorgeht: Der zur Messung der seitlichen Abdrift bestimmte Doppelsensor 30 erhält eine Blickkomponente 51a in Fahrtrichtung, d. h. er blickt nicht nur zur Seite, sondern auch schräg nach vorne oder hinten. Der Winkel α wird dabei so groß gewählt, daß der von der Fahrtgeschwindigkeit 52 herrührende Geschwindigkeitsbetrag noch größer ist als die mögliche seitliche Abdrift 54b sowie alle anderen möglichen Störeinflüsse. Dies läßt sich bei nahezu allen in der Realität vorkommenden Fahrbedingungen einschließlich Notsituationen sicher erreichen. Die gemessene Dopplerfrequenz bleibt damit während der Fahrt nahezu immer oberhalb eines Minimums, so daß praktisch keine Doppeldeutigkeit auftreten kann.

Wie Fig. 5 zeigt, ist die Steuerungseinheit 22 in an sich bekannter Weise mit den Elementen des Sensorsystems 21, nämlich den Sensoren zur Messung der Drehzahlen der Räder 23a-d und Antriebe (Motor, Getriebe, Antriebswellen, Tachometer etc.) und des Gas- und Bremspedaldrucks 24, 24a sowie dem Sensor 25 des Lenkeinschlages 50 und einem oder mehreren Dopplersensoren 30, 30a verbunden, deren Signale sie verarbeitet. Sie steuert ebenfalls die Elemente des Servosystems 20 an, nämlich die Servoelemente oder Aktuatoren für Bremsen 26a-d, gegebenenfalls Getriebe bzw. Radantriebe 27a-d, Motorleistung 27e und Lenkung 28. Die Steuereinheit 22 enthält mehrere Recheneinheiten mit bestimmten hervorgehobenen Funktionen, nämlich die Recheneinheit 22b zur Doppleranalyse und Geschwindigkeitsauswertung, die Recheneinheit 22c zur Schwingungsanalyse und die Recheneinheit 22d für Selbstkalibration und Funktionstest. Eine weitere Recheneinheit 22a mit Speicher berechnet vom gemessenen Lenkeinschlag 50 und von der Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit 52 eine vom Fahrer vorbestimmte Soll-Fahrspur 55 und damit die Soll-Quergeschwindigkeit 52b und dient zur Durchführung der verschiedenen Berechnungen, der Speicherung der benötigten Algorithmen, physikalische Modelle, Systemparameter, Meßergebnisse etc., der Ansteuerung der verschiedenen Schnittstellen sowie der gesamten Ablaufsteuerung. Damit kann die Steuerungseinheit 22 die Absicht des Fahrers erkennen und, wie nachfolgend noch weiter erläutert wird, das Eintreten von Notfallsituationen wie seitliche Abdrift 54b, Schlupf 54a und bevorstehendes Blockieren feststellen und diesen mit entsprechenden Korrektursignalen an das Servosystem 20 entgegenwirken.

Die Recheneinheit 22b zur Doppleranalyse und Geschwindigkeitsauswertung bestimmt die Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit 53, also die tatsächliche Über-Grund-Geschwindigkeit des Fahrzeuges 10 bezüglich des Bodens 1. Hierzu werden die Signale der Dopplersensoren 30, 30a einem Frequenzmeßgerät, z. B. einem Frequenz- oder Spektrumanalysator oder einer Filterbank zugeführt. Bei festem Boden 1, d. h. in der Regel tritt nur eine einzige Dopplerfrequenz pro Dopplersensor 30, 30a auf, die sehr präzise gemessen wird. Hieraus berechnet die Recheneinheit 22b mit der Recheneinheit 22a nach Formel (1) die verschiedenen Komponenten 53a, 53b der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit 53 bezüglich des Bodens 1, wobei sie die hierzu benötigten Richtungswinkel dem Speicher der Recheneinheit 22a entnimmt.

Die Krümmung der vom Fahrer eingeschlagenen Fahrspur 55 ist ein Störeinfluß, die der seitlich blickende Dopplersensor 30 zunächst nicht von einer seitlichen Abdrift unterscheiden kann. Die Krümmung ist jedoch vom Lenkeinschlag 50 abhängig und wird gegebenenfalls gemäß der Fahrzeuggeschwindigkeit 52 und den daraus resultierenden Fliehkräften vom Fahrwerk modifiziert. Erfindungsgemäß berücksichtigt die Steuerungseinheit 22 bzw. ihre Recheneinheit 22b zur Doppleranalyse und Geschwindigkeitsauswertung diesen vorbekannten Zusammenhang, d. h. berechnet als Drift 54b die Differenz der der Dopplerfrequenz f entsprechenden Quergeschwindigkeit 53b und der aus der Krümmung der Fahrspur und der Fahrzeuggeschwindigkeit 52 sich ergebenden Soll-Quergeschwindigkeit 52b.

Einen weiteren Störeinfluß üben die Fahrwerksschwingungen aus, die sich aus den Straßenbedingungen und Fahrverhalten ergeben. Die Blickrichtungen 51 der Dopplersensoren 30, 30a pendeln damit immer wieder kurzfristig um ihre Sollrichtungen herum, so daß auch die Meßentfernungen zur Straße 1 variieren. Damit werden den Dopplersensoren 30, 30a auch in regulären Fahrsituationen ohne Abdrift und Schlupf Geschwindigkeitsänderungen vorgetäuscht.

Auch dieser Störeinfluß wird jedoch in mehrfacher Weise berücksicht. Fig. 7 zeigt als durchgezogene Linie den zeitlichen Verlauf der Dopplerfrequenz des seitlich blickenden Dopplersensors 30 sowie die gemäß Formel (1) entsprechende Geschwindigkeit v für eine Situation, in der ein plötzlicher Fahrbahnstoß das Fahrwerk in eine (stark gedämpfte) Schwingung versetzt. Der gezeichnete Verlauf bezieht sich der Einfachheit halber qualitativ auf Geradeausfahrt und konstante Fahrzeuggeschwindigkeit ohne Drift, Schlupf oder Blockieren der Räder. Zunächst liefert der Dopplersensor 30 eine konstante Dopplerfrequenz, die wegen seiner Blickkomponente 51a in Fahrtrichtung ungleich Null und der Fahrzeuggeschwindigkeit 52 proportional ist. Nach einer starken Abweichung wegen des zum Zeitpunkt t₁ wirkenden Stoßes (z. B. Querrinne) pendelt die Dopplerfrequenz in einer durch die Fahrwerksfederung und -dämpfung bestimmten Weise wieder auf den ursprünglichen Wert zurück.

Die gestrichelte Kurve in Fig. 7 beschreibt die gleiche Situation, in der jedoch der Fahrbahnstoß eine seitliche Abdrift 54b des Fahrzeuges 10 einleitet. Bei der der Einfachheit halber angenommenen Geradeausfahrt könnte dies auf einer glatten Fahrbahn mit Querneigung geschehen; weitaus häufiger tritt dieses seitliche Wegdriften bei Kurvenfahrt auf. Der vorbeschriebene Verlauf der Dopplerfrequenz verändert sich jetzt durch eine zunehmende seitliche Driftgeschwindigkeit 54b, die sich vektoriell zu der Vorwärtsgeschwindigkeit 53a addiert. Nach dem Abklingen der Fahrwerksschwingung bei t₂ bleibt eine Verschiebung der Dopplerfrequenz übrig, die der (hier als konstant angenommenen) seitlichen Driftgeschwindigkeit 54b entspricht.

Um diese Fahrwerkschwingungen als solche zu erkennen und gegebenenfalls eine Drift 54b von den Fahrwerksschwingungen zu trennen, analysiert die Recheneinheit 22c zur Schwingungsanalyse der Steuerungseinheit 22 den zeitlichen Verlauf der gemessenen Dopplerfrequenz unter Zuhilfenahme der vorbekannten Schwingungseigenschaften des Fahrwerks und bestimmt daraus die Abdrift 54b. Sie gibt dann an das Servosystem 20 dieser Abdrift 54b entgegenwirkende Korrektursignale ab, d. h. sie verringert die Antriebsleistung, ändert den Lenkeinschlag 50 etc.

Die Abtrennung der von Fahrwerkschwingungen vorgetäuschten Geschwindigkeitsänderungen geschieht durch eines der üblichen mathematischen Verfahren zur Kurvenanpassung, mit welchem der gemessene Verlauf der Dopplerfrequenz durch die Summe zweier theoretischer Kurvenverläufe dargestellt wird. Der erste ist derjenige, der sich rechnerisch mittels eines physikalischen Modells aus einem Fahrbahnstoß bestimmter Stärke und den charakteristischen Fahrwerkeigenschaften ergibt. Der zweite ist derjenige, der nicht durch Fahrwerksschwingungen, sondern durch echte Geschwindigkeitsänderungen, also Drift 54b hervorgerufen wurde. Die anzupassenden Parameter sind also im wesentlichen die Art und Stärke des Fahrbahnstoßes sowie die gesuchte echte Geschwindigkeitsänderung. Auch diese kann durch ein physikalisches Modell dargestellt werden, dessen fahrzeugspezifischen charakteristischen Parameter in Fahrzeugtests ermittelt werden und wie die charakteristischen Schwingungseigenschaften des Fahrwerks im Speicher der Recheneinheit 22a gespeichert sind.

Einen weiteren Störeinfluß bewirkt eine z. B. vom Wind bewegte Wasserschicht auf den von den Dopplersensoren 30, 30a angemessenen Stellen des Bodens 1. Hier stellt der Spektrumanalysator der Recheneinheit 22b im allgemeinen gleichzeitig zwei verschiedene Dopplerfrequenzen fest, nämlich die gesuchte reguläre Dopplerfrequenz des Bodens 1 und die unerwünschte Dopplerfrequenz der bewegten Wasseroberfläche. Die windgekräuselte Wasseroberfläche reflektiert eine im Zeitmittel geringe, durch Spiegelung jedoch sehr schnell variierende Laserintensität mit hohen Spitzenwerten, während der Boden 1 durch Lambert-Streuung eine gering modulierte Laserintensität zurückstreut, deren zeitliches Verhalten genähert demjenigen unmittelbar vor der windbewegten Wasserpfütze entspricht, wobei ihre Intensität reduziert sowie durch die variierende Extinktion in trüben Wasser moduliert ist. Auch das Zeitverhalten der beiden Dopplerfrequenzen ist verschieden. Während die dem Boden 1 entsprechende Dopplerfrequenz sich nur relativ langsam und in ähnlicher Weise wie vor der Wasserpfütze ändert, variiert die der wellenförmig bewegten Wasseroberfläche deutlich stärker.

Die Recheneinheit 22b nutzt diese Eigenschaften zur Unterscheidung von regulärer, d. h. gesuchter und unerwünschter Dopplerfrequenz. Hierzu ordnet der Spektrumanalysator der Recheneinheit 22b den beiden gefundenen Dopplerfrequenzen die entsprechenden Laserintensitäten zu. Ihr zeitlicher Verlauf wird im Speicher der Recheneinheit 22a gespeichert, von der Recheneinheit 22a analysiert und mittels der oben beschriebenen Kriterien den beiden physikalischen Effekten zugeordnet. Durch Anordnen eines Beschleunigungssensors 29a am Fahrzeug 10 und Vergleich seiner Signale mit der zeitlichen Ableitung der beiden Dopplerfrequenzen durch die Steuerungseinheit 22 erkennt diese mit noch größerer Wahrscheinlichkeit die dem Boden 1 zugeordnete Dopplerfrequenz, da sich diese in gleicher Weise wie die Meßwerte des Beschleunigungssensors 29a verhält.

Derselbe Dopplersensor 30 kann nun auch zur genäherten Bestimmung eines Schlupfes 54a oder Durchdrehens der Räder 11 verwendet werden. Fig. 8 zeigt den zeitlichen Verlauf der Dopplerfrequenz und der entsprechenden Geschwindigkeit - wieder der Einfachheit halber für Geradeausfahrt ohne seitliche Abdrift - bei plötzlichem Gasgeben auf z. B. sandigem Boden zum Zeitpunkt t₁ und dadurch eingeleitetem Schlupf 54a. Die Steuerungseinheit 22 erkennt, daß die aus den Drehzahlen von Antrieben und Rädern berechnete Geschwindigkeit 52a größer ist als die mit dem Dopplersensor 30 gemessene Ist-Vorwärtsgeschwindigkeit 53a. Sie interpretiert die Differenz als Schlupf 54a und gibt diesem Schlupf entgegenwirkende Korrektursignale an das Servosystem 20 ab, d. h. sie verringert die Antriebsleistung, die Antriebsdrehmomente der einzelnen Räder 11 etc.

Ein derartiges Anti-Gleit-System (AGS) ersetzt überdies die bisher üblichen Anti-Blockiersysteme (ABS) in vorteilhafter Weise. Die Steuerungseinheit 22 vergleicht hierzu ebenso wie bei der Schlupfregelung die Ist- Vorwärtsgeschwindigkeit 52a mit der aus den Drehzahlen der Räder abgeleiteten Geschwindigkeit und gibt gegebenenfalls an die Servoelemente des Bremssystems 26a-d entsprechende Korrektursignale ab. Ein sich abzeichnendes Blockieren der Räder wird also in völlig analoger Weise zur oben beschriebenen Schlupfregelung als Schlupf mit entgegengesetztem Vorzeichen behandelt und damit bereits vor dem eigentlichen Blockieren bereits korrigiert. Im Gegensatz zu den bisherigen ABS-Systemen wird wiederum keine "ja-nein"-Regelung, d. h. intermittierende Vollbremsung, als intermittierendes Blockieren angewendet. Vielmehr wird erfindungsgemäß in einer der beschriebenen Schlupfregelung analogen Weise ein kontinuierliches, z. B. durch einen Integral-Proportional-Regelkreis optimiertes Regelsignal abgegeben. Hierdurch wird der erforderliche Bremsweg gegenüber einem mit ABS ausgerüsteten Fahrzeug verringert.

Bei der Korrektur von Schlupf 54a und beginnendem Blockieren berücksichtigt die Steuerungseinheit 22, daß bei normalem Fahrverhalten die Drehzahlen der einzelnen Räder 11 nahezu gleich groß sind und nur geringfügig durch den Lenkeinschlag 50 modifiziert werden. Die Solldrehzahlen der einzelnen Räder 11 sind also durch die Ist-Vorwärtsgeschwindigkeit 53a und den Lenkeinschlag 50 bestimmt. Die durch Schlupf 54a oder beginnendes Blockieren der Räder 11 entstandenen Abweichungen der einzelnen Raddrehzahlen werden daher vorteilhaft nicht pauschal, sondern durch individuelle Korrektursignale an die Servoelemente für Antriebe 27a-d bzw. Bremsen 26a-d der einzelnen Räder 11 korrigiert.

Es ist selbstverständlich, daß die exakte Erfassung aller den Fahrzustand beschreibenden Meßgrößen, d. h. des Ist-Geschwindigkeitsvektors 53 mit den ihn bildenden Komponenten der Ist-Vorwärtsgeschwindigkeit 53a, der Ist- Quergeschwindigkeit 53b aus Kurvenfahrt und seitlicher Abdrift 54b, eventueller Vertikalgeschwindigkeit sowie der Roll-, Gier- und Nicklage des Fahrwerks und der zugehörigen Drehimpulse im Prinzip ein Inertial- System mit einem entsprechend großen Aufwand erfordert.

Ein derart vollständiges Meßsystem wird jedoch für den hier angestrebten Zweck der Korrektur von irregulären Fahrzuständen als nicht erforderlich angesehen. Ein auf die wesentlichen Anforderungen für die Korrektur von Abdrift 54b und Schlupf 54a oder Blockieren reduziertes Meßsystem benötigt außer den Servo- und Sensorsystemen 20, 21 und der Steuerungseinheit 22 zusätzlich nur noch zwei Dopplersensoren 30, 30a zur Bestimmung des genäherten aktuellen Geschwindigkeitsvektors des Fahrzeuges 10 bzw. dessen Projektion 53 auf die Fahrbahn 1 sowie drei Sensoren für die Lage der Unterseite des Kraftfahrzeuges 10 zum Boden 1, d. h. einer Sensorik 29 für die Fahrwerksschwingungen. Geeignet sind hierfür z. B. mechanische oder elektrische, direkt oder indirekt längenmessende Sensoren oder auch Dopplersensoren der vorbeschriebenen Art. Damit können alle denkbaren Notfallsituationen hinreichend gut erfaßt und somit optimal wirksame Korrektursignale erzeugt werden.

Um den erforderlichen Aufwand jedoch noch weiter zu reduzieren, macht sich die Erfindung noch folgende Erkenntnisse zunutze:

• - Zur Erzeugung voll ausreichender Korrektursignale ist eine exakte Erfassung der Störgröße nicht erforderlich. Fällt nämlich die Abdrift 54b oder Schlupf 54a bzw. die Bremskraft beim Blockieren unter einen bestimmten Wert, so tritt wegen des dann erfolgenden Übergangs von Gleit- zu Haftreibung plötzlich wieder reguläres Fahrverhalten auf.
• - In vielen Notfallsituationen tritt nur eines der beiden irregulären Fahrverhalten auf. Oft sind dabei auch die Fahrwerkschwingungen klein.
• - Auch wenn Abdrift 54b, Schlupf 54a bzw. Blockieren und Fahrwerkschwingungen gleichzeitig auftreten und nur qualitativ gemessen werden, reagiert der Schlupf 54a bzw. das Blockieren der Räder 11 sehr schnell auf entsprechende Korrektursignale, z. B. Schubreduzierung oder -abschaltung bzw. Bremskraftverringerung, so daß sehr bald nur mehr noch die Abdrift 54b als Störgröße übrig bleibt.

In allen diesen Fällen genügt jedoch die vorbeschriebene Anordnung eines einzigen Dopplersensors 30, um praktisch alle notwendigen Meßsignale an die Steuerungseinheit 22 zur Erzeugung von wirksamen Korrektursignalen an das Servosystem 20 des Kraftfahrzeuges 10 zu liefern.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht unter Verzicht auf Schlupfmessung die Anordnung des Dopplersensors 30 an der Hinterachse 12 des Kraftfahrzeugs 10 nur mit Blickrichtung 51b quer zur Fahrtrichtung vor. Dadurch wird der bei manchen Fahrzeugtypen besonders wichtige Fall des Einsetzens der Abdrift 54b oder Schleuderbewegung an der Hinterachse 12 optimal erfaßt. Die Richtung der gemessenen Abdrift 54b leitet die Steuerungseinheit 22 aus dem sie verursachenden Lenkeinschlag 50 bzw. bei bereits andauernder Abdrift 54b aus ihrer bisherigen Richtung, Änderungsgeschwindigkeit etc. ab.

Es ist sicherlich vorteilhaft, einen gewissen Toleranzspielraum vorzusehen, innerhalb dessen die Korrektursignale entweder ganz unterdrückt oder nur dem Fahrer angezeigt werden. Auch ein vom Fahrer gewünschtes vollständiges oder teilweises Übersteuern der Korrekturautomatik ist ohne weiteres durchführbar.

Die Sensoren, insbesondere der einzige Dopplersensor 30 des speziellen Ausführungsbeispiels, sind in einfacher Weise, d. h. mit einfachen mechanischen und elektrischen Schnittstellen einbaubar. Manuelle Justierung und Kalibration der Sensoren sind nicht erforderlich. Die Steuerungseinheit 22 enthält statt dessen eine Recheneinheit 22d für Selbstkalibration und Funktionstest, welche automatisch in größeren Abständen, z. B. bei Beginn jeder neuen Fahrt durch die Recheneinheit 22a aktiviert wird. Sie überprüft zunächst, ob reguläres Fahrverhalten vorliegt, was bei Fahrtbeginn in der Regel der Fall ist, und kalibriert danach die Sensorsignale. Da die Messung der Dopplerfrequenz wie jede Frequenzmessung sehr präzise z. B. mittels eines in der Recheneinheit 22b enthaltenen Frequenz- oder Spektrumanalysators erfolgt, ergibt sich der Einfluß der Sensorblickrichtung auf den gesuchten Meßwert direkt durch Vergleich mit den Meßwerten des Sensorsystems 21, also den Sensoren für die Drehzahlen von Rädern und Antrieben sowie für den Lenkeinschlag. Ebenso werden das Schwingungsverhalten des Fahrwerkes geprüft und die für seine Analyse benötigten Systemkonstanten neu kalibriert. Bleiben die kalibrierten Werte innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, wird dies als teilweiser Funktionstest gewertet. Dieser wird vervollständigt durch übliche elektronische Selbsttests sowie eine Bewertung der empfangenen Laserleistung, um Hinweise auf eine eventuelle Verschmutzung der Sensoroptik 44 trotz geeigneter Schutzmaßnahmen zu erhalten.

Aufgrund der Forderung nach einer für Wasser durchlässigen Laserwellenlänge ist der hier verwendete Laser 40 zunächst nicht prinzipiell augensicher. Dies ist jedoch bei der hier vorgesehenen Anwendung wegen der bei Überlagerungsempfang und geringer Meßreichweite nur geringen Sendeleistung in der Praxis der Fall. Aus übergeordneten Sicherheitsgründen empfiehlt sich trotzdem eine geeignete Sicherheitsschaltung. Es ist daher vorgesehen, daß die Steuerungseinheit 22 bzw. ihre Recheneinheit 22a den Laser 40 erst dann einschaltet, wenn die Zündung des Kraftfahrzeuges 10 eingeschaltet und der 1. Gang eingelegt ist.

Durch diese vorstehend offenbarten Maßnahmen ist ein Anti-Gleit-System für Kraftfahrzeuge (AGS) geschaffen, das ohne großen Aufwand auf glattester, beliebiger Fahrbahn die Absichten des Fahrers erkennt, bei seitlicher Abdrift oder durchdrehenden Rädern mit optimierter Regelcharakteristik korrigierend eingreift und damit zu einer generellen Richtungsstabilisierung des Fahrzeugs und einer Beherrschung von Notfallsituationen beiträgt. Die dabei präzise gemessene tatsächliche Über-Grund-Geschwindigkeit sowie die mit dem Beschleunigungssensor 29a gemessene Beschleunigung des Fahrzeugs können überdies vorteilhaft in einem bordeigenen Navigationssystem verwendet werden und damit dessen Genauigkeit erheblich verbessern.

Claims (14)

1. Einrichtung zum Stabilisieren von Kraftfahrzeugen bei Kurvenfahrt, mit

• - einer Servoeinheit für Bremsen,
• - einer Anordnung von Sensoren zur Messung des Lenkeinschlages,
• - einer mit der Servoeinheit und der Anordnung der Sensoren verbundenen automatischen Steuerungseinheit zur Ansteuerung der Servoeinheit zur Korrektur von irregulären Fahrzuständen,
• - mindestens einem schräg nach unten auf die Fahrbahn blickenden Dopplersensor, der quer zur Fahrzeug-Längsachse gerichtet ist und die Ist-Quergeschwindigkeit erfaßt,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• a) der Servoeinheit (20) für Bremsen (26a-d) auch die Antriebe (27a-e) und die Lenkung (28) zugeordnet sind,
• b) der Anordnung von Sensoren (21) zur Messung des Lenkeinschlags (25) auch Sensoren zur Messung von Drehzahlen von Rädern und Antrieben (23a-e) zugeordnet sind,
• c) der Dopplersensor (30) ein Laser-Dopplersensor mit eng gebündeltem Laserstrahl (45) ist,
• d) in der Steuerungseinheit (22) eine erste Recheneinheit (22a) vorgesehen ist, die vom gemessenen Lenkeinschlag (50) und von der Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit (52) eine vom Fahrer vorbestimmte Soll-Fahrspur (55) und damit die Soll-Quergeschwindigkeit (52b) berechnet,
• e) in der Steuerungseinheit (22) eine zweite Recheneinheit (22b) zur Auswertung der Signale des Dopplersensors (30) vorgesehen ist, die die Ist-Quergeschwindigkeit (53b) bestimmt, deren Werte von dem Wert der Soll- Quergeschwindigkeit (52b) abzieht, und
• f) die Steuerungseinheit (22) aus dieser Differenz der Abdrift (54b) entgegenwirkende Korrektursignale berechnet und an die Servoeinheit (20) abgibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Dopplersensor (30) auch mit einer Richtungskomponente (51a) in Fahrtrichtung gerichtet ist und die Ist-Vorwärtsgeschwindigkeit (53a) erfaßt,
• b) Sensoren (23a-d) zur Messung der Ist-Drehzahlen der Räder vorgesehen sind,
• c) die Steuerungseinheit (22) aus den Signalen des Dopplersensors (30) die Ist-Vorwärtsgeschwindigkeit (53a) ermittelt, daraus und aus dem gemessenen Lenkeinschlag (50) Soll-Einzelraddrehzahlen ermittelt, von diesen die mit den Sensoren (23a-d) für die Ist-Einzelraddrehzahlen ermittelten Werte abzieht und die Differenzen als jeweiligen Schlupf (54a) der Räder (11) interpretiert, und
• d) die Steuerungseinheit (22) aus diesen Differenzen dem jeweiligen Schlupf (54a) entgegenwirkende Korrektursignale für die einzelnen Räder (11) berechnet und an die Servoeinheit (20) abgibt.

3. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Recheneinheit (22a) für die Steuerungseinheit (22) und die zweite Recheneinheit (22b) die benötigten Berechnungen durchführt, die benötigten Algorithmen, physikalischen Modelle, Systemparameter, Meßergebnisse etc. sowie die Ablaufsteuerung speichert und Schnittstellen zwischen der Steuerungseinheit (22), der Anordnung von Sensoren (21) und der Servoeinheit (20) ansteuert.

4. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinheit (22) mit einer dritten Recheneinheit (22c) den zeitlichen Verlauf der gemessenen Dopplerfrequenz im Speicher der ersten Recheneinheit (22a) abspeichert, analysiert und als Summe zweier Kurvenläufe berechnet, nämlich dem von Fahrwerkschwingungen und dem von Abdrift (54b) und/oder Schlupf (54a) herrührenden Dopplerfrequenzverlauf, wobei die charakteristischen Parameter der physikalischen Modelle von Fahrwerkschwingungen, Abdrift (54b) und/oder Schlupf (54a) im Speicher der ersten Recheneinheit (22a) gespeichert sind.

5. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Kraftfahrzeug (10) eine zusätzliche Fahrwerksensorik (29) zur Messung der Fahrwerkschwingungen angeordnet ist, und daß der Steuerungseinheit (22) deren Signale zur Korrektur der gemessenen Dopplerfrequenzen zugeführt werden.

6. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dopplersensor (30) im Homodynempfang betrieben wird.

7. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in Fahrtrichtung weisende Richtungskomponente (51a) derart groß gewählt wird, daß die von der Fahrgeschwindigkeit (52) herrührende Dopplerfrequenz größer ist als die von den Fahrwerkschwingungen und der seitlichen Abdrift (54b) herrührende Dopplerfrequenz.

8. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dopplersensor (30) an der Hinterachse (12) des Kraftfahrzeuges (10) angeordnet ist und daß die Steuerungseinheit (22) die Richtung der gemessenen Abdrift (54b) aus der Richtung des Lenkeinschlages (50) und aus dem bisherigen, im Speicher der ersten Recheneinheit (22a) gespeicherten Verlauf der gemessenen Abdrift (54b) ableitet.

9. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinheit (22) eine vierte Recheneinheit für Selbstkalibration und Funktionstest enthält, die automatisch in größeren Abständen während regulären Fahrverhaltens von der ersten Recheneinheit (22a) aktiviert wird.

10. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Recheneinheit (22b) zur Auswertung der Signale des Dopplersensors (30) ein Frequenzmeßgerät wie Spektrumanalysator, Filterbank etc. aufweist.

11. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser (40) ein hinreichend frequenzstabiler Laser, dessen Strahlung in Wasser wenig gedämpft wird, insbesondere ein kontinuierlich emittierender GaAlAs-Halbleiterlaser verwendet wird.

12. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitigem Auftreten zweier Dopplerfrequenzen bei einem Dopplersensor (30) die zweite Recheneinheit (22b) die zeitlichen Verläufe der den beiden Dopplerfrequenzen zugehörenden Empfangsintensitäten im Speicher der ersten Recheneinheit (22a) abspeichert, und daß die erste Recheneinheit (22a) anhand eines physikalischen Modells eine der beiden Dopplerfrequenzen als diejenige identifiziert, die der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit (53) entspricht.

13. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am Fahrzeug (10) ein Beschleunigungssensor (29a) angeordnet ist, und daß bei gleichzeitigem Auftreten zweier Dopplerfrequenzen bei einem Dopplersensor (30) die Steuereinheit (22) diejenige als die der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit (53) entsprechende Dopplerfrequenz identifiziert, deren zeitliche Ableitung sich in gleicher Weise wie die Meßwerte des Beschleunigungssensors (29a) verhalten.

14. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinheit (22) durch ihre erste Recheneinheit (22a) den Laser (40) erst dann einschaltet, wenn die Zündung des Kraftfahrzeuges (10) eingeschaltet und der 1. Gang eingelegt ist.