WO2021164977A1 - ERMITTELN VON WANKGESCHWINDIGKEIT UND NICKGESCHWINDIGKEIT AUS WINKELGRÖßEN UND BESCHLEUNIGUNGSGRÖßEN EINES KRAFTFAHRZEUGS - Google Patents

ERMITTELN VON WANKGESCHWINDIGKEIT UND NICKGESCHWINDIGKEIT AUS WINKELGRÖßEN UND BESCHLEUNIGUNGSGRÖßEN EINES KRAFTFAHRZEUGS Download PDF

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Steffen Greiser
Jan-Rickmer Schlegel
Stefan Berkner
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • B60G2600/60—Signal noise suppression; Electronic filtering means
    • B60G2600/604—Signal noise suppression; Electronic filtering means low pass

Definitions

  • the invention relates to a method, a control device and an arrangement in order to determine dynamic variables of a motor vehicle and, more precisely, a roll speed and / or a pitch speed (also referred to herein as roll rate and / or pitch rate).
  • a dynamic variable is understood here to mean both variables that are in principle dynamically variable, but relate to a time-related and / or at least temporarily static state. This applies, for example, to variables that at least indirectly describe a current spatial location or position of at least parts of the vehicle (e.g. angle). However, this also includes variables that describe, for example, changes in such at least temporary static variables, such as rates or accelerations.
  • dynamic variables are understood here to mean roll and / or pitch variables, such as the roll speed and / or a pitch speed.
  • Exemplary fields of application for determined dynamic variables are a so-called overturning or roll-over detection or the general control / regulation of Driving dynamics functions, such as an ESP system. According to the invention, it can also be provided that the determined dynamic variables are used for these purposes, but also for any other common purposes.
  • Solutions are also known in which vehicle dynamics can be influenced in a targeted manner by means of actuators.
  • spring-damper systems can be provided with actuators in order to set the spring and / or damping behavior of the vehicle and in particular of the structure in relation to the vehicle wheels in a defined manner.
  • an adjustment of the chassis that increases the driving comfort or the sportiness can be carried out.
  • it is advantageous to record relevant dynamic variables e.g. for the purpose of readjusting the selected suspension setting.
  • the vehicle model which is executed, for example, by a control device of the vehicle and / or is comprised by a software module executed by the control device, can map the relationship between received sensor measured values and existing dynamic variables, so that the dynamic variables are determined and, in particular, calculated using the model without a direct measurement can be.
  • a control device of the vehicle e.g. a control device of the vehicle and / or is comprised by a software module executed by the control device
  • One example is the so-called single-track model.
  • the disadvantage in this context is that the vehicle model has to be individually adapted to each vehicle type and, in particular, to each vehicle variant (e.g. drive and / or equipment variant).
  • DE 102004024951 discloses the determination of the body speed of a vehicle without body acceleration sensors on the basis of signals from height sensors and wheel vertical acceleration sensors.
  • DE 102006 011 436 A1 discloses the determination of a vertical speed of a vehicle body by means of acceleration sensors measuring a radial acceleration and displacement or angle sensors measuring a deflection speed.
  • One object of the invention is therefore to improve the determination of a roll speed and / or a pitch speed in a motor vehicle, in particular with regard to the accuracy that can be achieved in this case and while limiting the required sensor expenditure.
  • the solution according to the invention provides for the roll speed and / or pitch speed from a corresponding acceleration variable (that is, correspondingly the roll acceleration or pitch acceleration) and a corresponding angle variable (i.e. corresponding to the roll angle or pitch angle) or, in other words, to reconstruct it.
  • a corresponding acceleration variable that is, correspondingly the roll acceleration or pitch acceleration
  • a corresponding angle variable i.e. corresponding to the roll angle or pitch angle
  • the solution differs from previously known approaches in which corresponding acceleration variables are integrated in a lump-sum and, in particular, are determined without taking angle variables into account.
  • corresponding acceleration variables are integrated in a lump-sum and, in particular, are determined without taking angle variables into account.
  • such an integration does not lead to a usable result in all vehicle states, for example when the vehicle is cornering on an inclined roadway and / or rolling and pitching movements generally overlap.
  • the invention provides for both acceleration variables and angle variables to be taken into account and for the roll and / or pitching speed to be determined therefrom.
  • the acceleration variables and angle variables (or a value determined based on them) can be averaged in order to arrive at the dynamic variable sought. It has been shown that this allows precise results to be achieved, even if the described overlapping of rolling and pitching movements occurs.
  • a method for determining at least one dynamic variable of a motor vehicle in particular a passenger car or a truck
  • the dynamic variable being a roll speed or pitch speed
  • an acceleration variable and angle variable corresponding to the dynamic variable e.g. via a data line, such as a vehicle bus and / or from sensors described below;
  • the acceleration and angle variables can be evaluated, calculated and / or taken into account at the same time.
  • these variables can be used by or in a common computing step to determine the dynamic variable.
  • the acceleration and angle variables can be simultaneously fed to a computing module as common input variables and / or used therefrom in order to determine the dynamic variable as an output or target variable.
  • both pitch and roll variables are determined as dynamic variables
  • two corresponding output variables can also be determined from four input variables (two for the pitch variable and two for the roll variable). Again, this can be done simultaneously in a common computing step.
  • Examples of the input variables are any of the variables mentioned below, from which the pitch and roll variables determined herein can be determined.
  • the determination of the angular size (s) can take place by means of height levels measured by sensors and with knowledge of the relative distances of the sensors used for this purpose.
  • the determination of the acceleration variable (s) can also take place on the basis of known approaches and in particular on the basis of vertical accelerations measured by sensors (body accelerations) and the relative distances between the sensors used for this purpose (see e.g. [0036] in DE 10361 281 A1)).
  • the pitch and roll acceleration can be determined as follows: With a plurality of sensors, a local value of a vertical acceleration is determined for each sensor. It is then assumed that the local values of the individual measured vertical accelerations are dependent. In particular, it can be assumed that the vertical accelerations even at different vehicle wheel axles are dependent on one another or can be converted into one another.
  • a vertical acceleration at the front left (a z, vl ) but also at the rear left (a z, hl ) can be determined based on the vertical acceleration at the front right (a z, vr ), with the positions relating to individual vehicle wheels (or sensors located there ) refer to a corresponding front and rear axle:
  • the roll and pitch quantities are given in relation to a body-fixed coordinate system, with p as roll rate, q as pitch rate, r as yaw rate and the corresponding derived quantities as roll acceleration, pitch acceleration and yaw acceleration.
  • equation (1) results in the following, with the second summand in parentheses being negligibly small due to the multiplication / exponentiation of two different or similar dynamic variables:
  • sensors can therefore be provided which measure the height levels and / or vertical accelerations of a body of the vehicle, for example with respect to its vehicle wheels and / or generally its chassis.
  • Such sensors are available on the market and, since they take significant measurements with reference to a height axis of the vehicle, they can be less complex and inexpensive (1D sensors).
  • the sensors can be arranged on a spring-damper system that supports the vehicle body with respect to vehicle wheels.
  • the sensors can have the dome point assigned to the respective vehicle wheel or spring / damper system as a reference point. If the relative positioning of the sensor and dome point is known, the sensor measured values can be converted into a sensor measured value at the dome point.
  • acceleration variable is integrated for (or when) determining the dynamic variable.
  • the angle variable is differentiated for (or when) determining the dynamic variable.
  • the acceleration quantities and angle quantities can each be converted into the desired speed quantity.
  • An ultimately resulting speed variable can be formed, for example, by averaging or general offsetting from the values resulting from integration and differentiation, or generally on the basis of at least proportions of both of these values. In this way, the robustness against inaccuracies when determining one of the relevant variables can be improved.
  • the invention advantageously provides for filtering the acceleration variable and / or angular variable.
  • provision can be made to filter the variables mentioned in such a way that frequency ranges of these variables that are less relevant for the roll speed or pitching speed are filtered out.
  • it can be provided to filter the acceleration variable and / or a value determined based on it (e.g. a value that results from the integration of the acceleration variable) with a high-pass filter.
  • it can be provided to filter the angle variable and / or a value determined based on it (e.g. a value resulting from a differentiation of the angle variable) by means of a low-pass filter.
  • the dynamic magnitude can generally be determined on the basis of appropriately filtered values. If both of the variants described are provided, that is to say filtering using a high-pass filter as well as a low-pass filter, one can also speak of complementary filtering.
  • the roll speed (the roll angle is generally denoted by f) in the Laplace range:
  • the factors including the time constant Ti each provide the filter functions described above (high pass if the angle value is derived twice, low pass if the angle value is not derived).
  • the time constant Ti is 0.2 s.
  • the factors 1 / s or s lead to a transformation of the corresponding acceleration and angle value into a time value.
  • the value of the angle is averaged over the filter 1 / (T1 * s +1) and / or generally offset.
  • T 1 is preferably selected in order to generate as much information as possible relative to the roadway.
  • T1 can be selected to be less than 2 seconds or less than 1 second, for example 0.5 seconds or less, in order to achieve the above properties.
  • the differentiated angle and the integrated acceleration are averaged or generally offset, this offset being weighted because of the high pass and the low pass. Furthermore, this takes place in just one calculation step in the manner described above, ie the angle and the acceleration are considered together and / or simultaneously in order to determine the required variable without performing a plurality of independent calculation steps and merging their respective results.
  • the acceleration variable is determined on the basis of vertical acceleration measurement values and / or the angle variable is determined on the basis of height measurement values.
  • Both of the above-mentioned measured values can be determined by the sensors already described, which are assigned to spring-damper systems and / or individual vehicle wheels.
  • these sensors can determine vertical accelerations or heights in the area of the vehicle wheels or the spring-damper systems in a manner known per se. In doing so, they preferably determine the stated measured values for the so-called dome points of a vehicle body on which the spring-damper systems are supported. This can be done, for example, on the basis of a conversion in which the measured values determined at the installation location of the sensors are converted into corresponding measured values at the location of the dome points, taking into account the relative position of the dome point and / or the sensor installation location.
  • the dynamic variable is determined by means of a filter which interacts with an observer.
  • the filter can be a Kalman filter, for example a Kalman-Bucy filter.
  • the observer can be a Luenberger observer. It has been shown that with the interaction of filter and observer and in particular the mentioned filter and observer examples, precise and reliable determinations of the dynamic variable are possible.
  • the filter has a frequency-dependent confidence range with which or on the basis of which the influence of low-frequency variables can be limited. In particular, this allows that slow movements around the roll and / or pitch degree of freedom are filtered out.
  • the confidence range can, however, also be defined in such a way that both a predetermined low-frequency and a high-frequency component are not taken into account or their influence is limited.
  • Low frequency can be understood to mean a frequency of less than 5 Hz, less than 2 Hz and in particular less than 0.5 Hz.
  • high frequency can be understood to mean a range of more than 8 Hz and in particular more than 10 Hz.
  • the filter section can be as follows:
  • p and q are the body-fixed roll and pitch speeds and the corresponding simply derived values are the roll and pitch acceleration
  • r is the yaw rate, which is typically detected by sensors and is available via a CAN bus of the vehicle.
  • ⁇ and ⁇ are the fixed roll and pitch angles and the correspondingly derived variables / angles are the fixed roll and pitch speed or the roll and pitch acceleration.
  • the relevant measured variables are summarized in the vector y. The difference between y-tilde (model estimate) and y corresponds to an error size.
  • the Luenberger gain L in equation (5) stabilizes the filter.
  • the larger the values in L the more the estimate y-tilde will correspond to the measurement y.
  • the trust range mentioned can be defined for the filter.
  • the invention also relates to a control device for determining at least one dynamic variable of a motor vehicle, the control device being set up to carry out a method according to one of the preceding claims.
  • the invention also relates to an arrangement for a motor vehicle and for determining at least one dynamic variable of a motor vehicle, namely the roll and / or pitch speed, with: a plurality of sensors (for example spring-damper sensors, level sensors, vertical acceleration sensors or sensors of any type described herein), on the basis of whose measured values an acceleration variable and angle variable corresponding to the dynamic variable can be determined; and
  • sensors for example spring-damper sensors, level sensors, vertical acceleration sensors or sensors of any type described herein
  • FIG. 1 shows a schematic top view of a vehicle which comprises an arrangement with a control device according to an exemplary embodiment of the invention, which carries out an exemplary method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic vehicle 1 and, more precisely, a motor vehicle which comprises an arrangement 10 according to the invention.
  • a forward travel direction F of the vehicle 1 and an orientation of a vehicle coordinate system are also shown. If you define this e.g. at a vehicle center point, the Y-axis corresponds to the roll axis and the X-axis to the pitch axis.
  • the Z-axis corresponds to a vertical spatial direction or a height axis of the vehicle 1.
  • rolling and pitching movements correspond to movements of the vehicle 1 about the corresponding axes, that is to say rotational movements.
  • Each vehicle wheel 16 is supported via a spring-damper system 18 on the vehicle body 20, which is only shown in outline, or is supported against it by means of the spring-damper system 18. This takes place in a manner known per se at a respective dome point, which is not separately marked, within the vehicle body of the superstructure 20.
  • a sensor 22 is assigned to the spring-damper system 18 of the two front wheels 16 and one of the rear wheels (of the right rear wheel 16). In the example shown, this is a multi-part sensor 22 which can measure both a vertical acceleration and a height (the ride height). The functioning of such sensors, in particular in conjunction with spring-damper systems 18, is known in principle.
  • the sensors 22 of the arrangement 10 are each connected to a control device 24 of this arrangement 10 to transmit data. They deliver local measured values, so to speak Values relating to the vertical acceleration and the altitude to the control device 24.
  • a pitch angle and also a roll angle can be determined in a manner known per se from the height levels and knowing a relative distance between the individual sensors 22.
  • the roll and pitch acceleration can be determined from the vertical acceleration. In the present case, these value determinations are each carried out by the control device 24.
  • the control device 24 also determines the roll and pitch speeds from the determined angle and acceleration values using the equations (4) and / or (5) - (7) shown above.
  • a (Kalman-Bucy) filter 31 and, in particular, individual filter functions (high-pass filter 30 and low-pass filter 32) are implemented in the control device 24 as software functions or software modules. If all the filter solutions are provided, the values determined in each case (that determined with equation (4) and that determined with equations (5) - (7)) can be averaged, for example.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln wenigstens einer Dynamikgröße eines Kraftfahrzeugs (1), wobei die Dynamikgröße eine Wankgeschwindigkeit (p) oder Nickgeschwindigkeit (q) ist, mit: Erhalten von einer zur Dynamikgröße korrespondierenden Beschleunigungsgröße und Winkelgröße (ϕ, Θ); Ermitteln der Dynamikgröße auf Basis von sowohl der Beschleunigungsgröße als auch der Winkelgröße (Φ, Θ). Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung (24) und eine Anordnung (10) für ein Kraftfahrzeug (1).

Description

Beschreibung
Ermitteln von Wankgeschwindigkeit und Nickgeschwindigkeit aus Winkelgrößen und Beschleunigungsgrößen eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Steuereinrichtung und eine Anordnung, um Dynamikgrößen eines Kraftfahrzeugs zu ermitteln und genauer gesagt eine Wankgeschwindigkeit und/oder eine Nickgeschwindigkeit (hierin auch als Wankrate und/oder Nickrate bezeichnet).
Unter einer Dynamikgröße werden hierin sowohl Größen verstanden, die prinzipiell dynamisch veränderlich sind, sich aber auf einen zeitbezogenen und/oder zumindest temporär statischen Zustand beziehen. Dies gilt z.B. für Größen, die eine aktuelle räumliche Lage oder Position von zumindest Teilen des Fahrzeugs zumindest mittelbar beschreiben (z.B. Winkel). Ebenso fallen hierunter aber Größen, die z.B. Änderungen derartiger zumindest temporärer statischer Größen beschreiben, wie z.B. Raten oder Beschleunigungen. Insbesondere werden unter Dynamikgrößen hierin Wank- und/oder Nickgrößen verstanden, wie eben die Wankgeschwindigkeit und/oder eine Nickgeschwindigkeit.
Es ist bekannt, dass Dynamikgrößen von Fahrzeugen und insbesondere Wank- und/oder Nickgrößen für verschiedene Anwendungen ermittelt werden. Beispielsweise kann mittels derartiger Größen auf einen aktuellen oder sich abzeichnenden räumlichen Zustand des Fahrzeugs geschlossen werden, insbesondere auf die Position und/oder Lage eines Fahrzeugchassis oder auch Fahrzeugaufbaus. Unter einem entsprechenden Aufbau oder Chassis wird dabei in der Fachwelt derjenige Teil des Fahrzeugs verstanden, der von der Fahrzeugaufhängung gegenüber den Fahrzeugrädern abgestützt wird und typischerweise oberhalb von diesen positioniert ist. Die Fahrzeugaufhängung, die typischerweise sogenannte Feder-Dämpfer-Systeme umfasst (insbesondere ein einzelnes Feder-Dämpfer-System je Fahrzeugrad), kann also die Fahrzeugräder und/oder allgemein das Fahrwerk mit dem Fahrzeugaufbau verbinden. Dieser kann die Fahrzeugkarosserie, den Motorraum und/oder den Innenraum umfassen.
Beispielhafte Anwendungsfelder für ermittelte Dynamikgrößen sind eine sogenannte Umkipp- oder auch Roll-over-Erkennung oder aber die allgemeine Steuerung/Regelung von Fahrdynamikfunktionen, wie beispielsweise ein ESP-System. Auch erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die ermittelten Dynamikgrößen für diese, aber auch für jegliche anderen gängigen Zwecke verwendet werden.
Auch sind Lösungen bekannt, bei denen Fahrzeugdynamiken mittels Aktoren gezielt beeinflusst werden können. Hierfür können z.B. Feder-Dämpfer-Systeme mit Aktoren versehen sein, um das Feder- und/oder Dämpfungsverhalten des Fahrzeugs und insbesondere des Aufbaus gegenüber den Fahrzeugrädern definiert einzustellen. In an sich bekannter Weise kann hierdurch z.B. eine den Fahrkomfort erhöhende oder aber die Sportlichkeit erhöhende Einstellung des Fahrwerks vorgenommen werden. Auch in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, relevante Dynamikgrößen z.B. zwecks Nachregelung der gewählten Fahrwerkseinstellung zu erfassen.
Es existieren Lösungen, bei denen Zustandsgrößen des Fahrzeugs sensorisch erfasst werden und einem (z.B. virtuellen, rechnerbasierten und/oder mathematischen) Fahrzeugmodell zugeführt werden. Das Fahrzeugmodell, das z.B. von einem Steuergerät des Fahrzeugs ausgeführt wird und/oder von einem von dem Steuergerät ausgeführten Softwaremodul umfasst ist, kann den Zusammenhang zwischen erhaltenen Sensormesswerten und vorliegenden Dynamikgrößen abbilden, sodass die Dynamikgrößen ohne eine direkte Messung anhand des Modells ermittelt und insbesondere berechnet werden können. Ein Beispiel ist das sogenannte Einspurmodell. Nachteilig in diesem Zusammenhang ist, dass das Fahrzeugmodell individuell auf jeden Fahrzeugtyp und insbesondere auch jede Fahrzeugvariante (z.B. Antriebs- und/oder Ausstattungsvariante) angepasst werden muss. Beispielsweise kann es erforderlich sein, eine typen- bzw. variantenabhängige Masseverteilung des Fahrzeugs stets möglichst präzise im Fahrzeugmodell zu beschreiben. Dies erhöht den Aufwand während der Fahrzeugentwicklung und insbesondere auch bei nachträglichen Fahrzeugänderungen. Weitere beispielhaft zu hinterlegende und/oder zu ermittelnde Eigenschaften zur Modelldefinition sind Eigenfrequenzen der betrachteten Fahrzeugdynamiken, wie beispielsweise eine Gier-, Nick- oder Wankeigenfrequenz.
Prinzipiell ist es auch möglich, sämtliche Dynamikgrößen sensorisch zu erfassen, z.B. mittels sogenannter 5-D- oder auch 6-D-Sensoren, die insbesondere die Aufbaubewegungen hinsichtlich sämtlicher sechs räumlicher Freiheitsgrade sensorisch erfassen. Eine solche Sensorik zeichnet sich jedoch durch einen hohen Kostenaufwand aus, insbesondere da brauchbare Sensoriken nicht ohne weiteres verfügbar sind. Im Stand der Technik sind Lösungen bekannt, bei denen zumindest beispielhaft Dynamikgrößen und insbesondere eine Wankbeschleunigung anhand nur ausgewählter Sensormesswerte bestimmbar sind. Beispielhaft wird in der DE 10361 208 A1 das Ermitteln der Wankbeschleunigung aus der Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugaufbaus gelehrt, wobei die Vertikalbeschleunigung mittels zweier unterschiedlich im Fahrzeug positionierter Sensoren gemessen wird. Zwar wird angegeben, man könne aus der Wankbeschleunigung die Wankrate schlicht per Integration ermitteln, aber nicht, wie dies exakt umgesetzt werden kann. Das Ermitteln einer Nickrate wird nicht behandelt.
Wie nachstehend noch näher ausgeführt, wurde erfindungsgemäß erkannt, dass eine pauschale Integration der Wankbeschleunigung zum Ermitteln einer Wankrate allenfalls mit signifikanten Genauigkeitseinbußen umsetzbar ist. Insbesondere ist es mit der obigen Lösung nicht möglich, zwischen Nick- und Wankbewegungen ausreichend zu differenzieren. Beispielsweise können sich diese Bewegungen bei einer Kurvenfahrt auf einem Hang teils überlagern, sodass eine einfache Integration einer Winkelbeschleunigung keinen repräsentativen Wert der Wankrate liefert.
Die DE 102004024951 offenbart das Bestimmen der Aufbau-Geschwindigkeit eines Fahrzeugs ohne Aufbau-Beschleunigungssensoren auf Basis von Signalen von Höhenstandssensoren sowie Radvertikalbeschleunigungssensoren.
Die DE 102006 011 436 A1 offenbart das Bestimmen einer Vertikalgeschwindigkeit eines Fahrzeugaufbaus mittels eine Radvertikalbeschleunigung messenden Beschleunigungssensoren sowie eine Einfederungsgeschwindigkeit messenden Weg- oder Winkelsensoren.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Ermitteln einer Wankgeschwindigkeit und/oder einer Nickgeschwindigkeit bei einem Kraftfahrzeug zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der dabei erzielbaren Genauigkeit sowie unter Begrenzung des erforderlichen sensorischen Aufwands.
Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der beigefügten unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Allgemein sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, die Wankgeschwindigkeit und/oder Nickgeschwindigkeit aus einer korrespondierenden Beschleunigungsgröße (also entsprechend der Wankbeschleunigung oder Nickbeschleunigung) und einer korrespondierenden Winkelgröße (also entsprechend dem Wankwinkel oder Nickwinkel) zu ermitteln oder, mit anderen Worten, zu rekonstruieren.
Dabei unterscheidet sich die Lösung von vorbekannten Ansätzen, bei denen entsprechende Beschleunigungsgrößen pauschal integriert und insbesondere ohne Berücksichtigung von Wnkelgrößen bestimmt werden. We erwähnt, führt eine solche Integration nicht in sämtlichen Fahrzeugzuständen zu einem brauchbaren Ergebnis, beispielsweise wenn das Fahrzeug auf einer geneigten Fahrbahn in eine Kurve fährt und/oder sich Wank- und Nickbewegungen allgemein überlagern.
Die Erfindung sieht stattdessen vor, sowohl Beschleunigungsgrößen als auch Wnkelgrößen zu berücksichtigen und daraus die gesuchte Wank- und/oder Nickgeschwindigkeit zu ermitteln. Insbesondere können die Beschleunigungsgrößen und Wnkelgrößen (oder ein darauf basierend ermittelter Wert) gemittelt werden, um zu der gesuchten Dynamikgröße zu gelangen. Es hat sich gezeigt, dass sich hierdurch präzise Ergebnisse erzielen lassen, selbst wenn es zu den geschilderten Überlagerungen von Wank- und Nickbewegungen kommt.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Ermitteln wenigstens einer Dynamikgröße eines Kraftfahrzeugs (insbesondere eines Personenkraftwagens oder eines Lastkraftwagens) vorgeschlagen, wobei die Dynamikgröße eine Wankgeschwindigkeit oder Nickgeschwindigkeit ist, mit:
Erhalten von einer zur Dynamikgröße korrespondierenden Beschleunigungsgröße und Wnkelgröße (z.B. über eine Datenleitung, wie ein Fahrzeugbus und/oder von nachstehend geschilderten Sensoren);
Ermitteln der Dynamikgröße auf Basis von sowohl der Beschleunigungsgröße als auch der Wnkelgröße.
Insbesondere können zum Ermitteln der Dynamikgröße die Beschleunigungs- und Wnkelgröße gleichzeitig ausgewertet, verrechnet und/oder berücksichtigt werden. Anders ausgedrückt können diese Größen von oder in einem gemeinsamen Rechenschritt zum Bestimmen der Dynamikgröße verwendet werden. Dies unterscheidet sich von Ansätzen, bei denen die entsprechenden Größen mittels separaten Rechenschritten zum Beispiel per Integration oder Differenzierung transformiert und erst anschließend in einem noch weiteren Rechenschritt zum Ermitteln der Dynamikgröße zusammengeführt werden, zum Beispiel unter dann noch gegebenenfalls erforderlicher Transformation, Mittelung oder dergleichen. Anders ausgedrückt können die die Beschleunigungs- und Winkelgröße als gemeinsame Eingangsgrößen gleichzeitig zum Beispiel einem Rechenmodul zugeführt und/oder hiervon verwendet werden, um als eine Ausgangs- oder Zielgröße die Dynamikgröße zu bestimmen.
Werden sowohl Nick- als auch Wankgrößen als Dynamikgröße ermittelt, können auch aus vier Eingangsgrößen (zwei für die Nickgröße und zwei für die Wankgröße) zwei entsprechende Ausgangsgrößen ermittelt werden. Dies kann wiederum jeweils gleichzeitig in einem gemeinsamen Rechenschritt erfolgen. Beispiele für die Eingangsgrößen sind jegliche der nachstehend genannten Größen, aus denen die hierin ermittelten Nick- als auch Wankgrößen bestimmt werden können.
Das Ermitteln der Winkelgröße(n) kann mittels sensorisch gemessener Höhenstände und in Kenntnis der Relativabstände der hierzu verwendeten Sensoren erfolgen. Beispielhaft wird verwiesen auf die einleitend erwähnte DE 10361 281 A1 und die dortige Lehre in [0046], die per Bezugnahme hierin übernommen wird.
Das Ermitteln der Beschleunigungsgröße(n) kann ebenfalls anhand bekannter Ansätze erfolgen und insbesondere anhand sensorisch gemessener Vertikalbeschleunigungen (Aufbaubeschleunigungen) sowie der Relativabstände der hierzu verwendeten Sensoren (siehe z.B. [0036] in DE 10361 281 A1)).
Beispielhaft können die Nick- und Wankbeschleunigung wie folgt bestimmt werden: Mit einer Mehrzahl von Sensoren wird je Sensor ein lokaler Wert einer Vertikalbeschleunigung bestimmt. Es wird dann von einer Abhängigkeit der lokalen Werte der einzelnen gemessenen Vertikalbeschleunigungen ausgegangen. Insbesondere kann davon ausgegangen werden, dass die Vertikalbeschleunigungen selbst an unterschiedlichen Fahrzeugradachsen voneinander abhängig sind bzw. ineinander umgerechnet werden können. Beispielsweise kann eine Vertikalbeschleunigung vorne links (az,vl) aber auch hinten links (az,hl) jeweils anhand der Vertikalbeschleunigung vorne rechts ermittelt werden (az,vr), wobei sich die Positionen auf einzelne Fahrzeugräder (bzw. dort angeordnete Sensoren) an einer entsprechenden Vorder- und Hinterachse beziehen:
Figure imgf000007_0001
Die Wank- und Nickgrößen sind dabei in Bezug auf ein körperfestes Koordinatensystem angegeben, mit p als Wankrate, q als Nickrate, r als Gierrate und den entsprechenden abgeleiteten Größen als Wankbeschleunigung, Nickbeschleunigung und Gierbeschleunigung.
Umgestellt ergibt Gleichung (1) folgendes, wobei der zweite vollständig in Klammern gesetzte Summand aufgrund der dortigen Multiplikationen/Potenzierungen zweier verschiedener oder gleichartiger Dynamikgrößen vernachlässigbar klein ist:
Figure imgf000008_0001
Im Ergebnis ergibt sich zur Bestimmung von Wank- und Nickbeschleunigung Folgendes
Figure imgf000008_0002
Allgemein können erfindungsgemäß also Sensoren bereitgestellt sein, die Höhenstände und/oder Vertikalbeschleunigungen eines Aufbaus des Fahrzeugs zum Beispiel gegenüber dessen Fahrzeugrädern und/oder allgemein dessen Fahrwerk messen. Derartige Sensoren sind am Markt erhältlich und können, da sie maßgeblichen Bezug auf eine Höhenachse des Fahrzeugs Messungen vornehmen, wenig komplex und kostengünstig sein (1D-Sensoren).
In an sich bekannter Weise können die Sensoren an einem Feder-Dämpfer-System angeordnet sein, dass den Fahrzeugaufbau gegenüber Fahrzeugrädern abstützt. Die Sensoren können als Bezugspunkt den dem jeweiligen Fahrzeugrad bzw. Feder-Dämpfer-System zugeordneten Dompunkt aufweisen. Die Sensormesswerte können bei bekannter Relativpositionierung von Sensor und Dompunkt in einen Sensormesswert am Dompunkt umgerechnet werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass zum (oder beim) Ermitteln der Dynamikgröße die Beschleunigungsgröße integriert wird.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass zum (oder beim) Ermitteln der Dynamikgröße die Winkelgröße differenziert wird. Auf die vorstehend geschilderten Weisen können die Beschleunigungsgrößen und Winkelgrößen jeweils in die gesuchte Geschwindigkeitsgröße umgerechnet werden. Eine schlussendlich resultierende Geschwindigkeitsgröße kann zum Beispiel per Mittelung oder allgemeiner Verrechnung aus den per Integration und Differenzierung resultierenden Werten gebildet werden oder allgemein auf Basis von zumindest Anteilen beider dieser Werte. Auf diese Weise kann die Robustheit gegenüber Ungenauigkeiten bei einem Ermitteln von einer der relevanten Größen verbessert werden.
Vorteilhafterweise sieht die Erfindung in diesem Zusammenhang (aber auch unabhängig von etwaigen Integrationen oder Differenzierungen) vor, die Beschleunigungsgröße und/oder Winkelgröße zu filtern. Insbesondere kann vorgesehen sein, die genannten Größen derart zu filtern, dass für die Wankgeschwindigkeit oder Nickgeschwindigkeit wenig relevante Frequenzbereiche dieser Größen herausgefiltert werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, die Beschleunigungsgröße und/oder ein darauf basierend ermittelten Wert (z.B. einen Wert, der aus der Integration der Beschleunigungsgröße resultiert) mit einem Hochpassfilter zu filtern.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, die Winkelgröße und/oder einen darauf basierend ermittelten Wert (z.B. ein aus einer Differenzierung der Winkelgröße resultierenden Wert) mittels eines Tiefpassfilters zu filtern.
Die Dynamikgröße kann allgemein anhand entsprechend gefilterter Werte bestimmt werden. Sind beide der geschilderten Varianten vorgesehen, also eine Filterung per Hochpass- als auch per Tiefpassfilter, kann auch von einer komplementären Filterung gesprochen werden.
Beispielhaft kann für die Wankgeschwindigkeit (der Wankwinkel ist allgemein mit f bezeichnet) im Laplace-Bereich folgendes formuliert werden:
Figure imgf000009_0001
Analoges gilt für die Nickgeschwindigkeit bzw. den Nickwinkel Q. Die Faktoren umfassend die Zeitkonstante Ti stellen jeweils die oben geschilderten Filterfunktionen bereit (Hochpass bei zweifach abgeleiteter Winkelgröße, Tiefpass bei nicht abgeleiteter Winkelgröße). Beispielhaft beträgt die Zeitkonstante Ti =0,2 s. Die Faktoren 1/s bzw. s führen zu einer Transformation des entsprechenden Beschleunigungs- und Winkelwerts in einen Zeitwert. Mittels der obigen Gleichung (4) wird der Wert des Winkels über den Filter 1/(T1*s +1) gemittelt und/oder allgemein verrechnet. Dabei gilt allgemein, dass je kleiner T 1 ist, desto stärker wird der Winkel gegenüber der Beschleunigung gewichtet. Bevorzugt ist bei diesem Filter T 1 gewählt, um möglichst viel Informationen relativ zur Fahrbahn zu erzeugen. Allgemein kann T1 kleiner als 2 Sekunden oder kleiner als 1 Sekunde gewählt sein, zum Beispiel 0,5 Sekunden oder weniger, um die vorstehenden Eigenschaften zu erzielen. Zusammengefasst werden also der differenzierte Winkel und die integrierte Beschleunigung gemittelt bzw. allgemein verrechnet, wobei diese Verrechnung wegen des Hochpasses und des Tiefpasses gewichtet erfolgt. Ferner erfolgt dies in der vorstehend geschilderten Weise in lediglich einem Rechenschritt, d. h. werden der Winkel und die Beschleunigung gemeinsam und/oder gleichzeitig betrachtet, um die gesuchte Größe zu ermitteln, ohne eine Mehrzahl unabhängiger Rechenschritte und Zusammenführen von deren jeweiligen Ergebnissen durchzuführen.
Als ein weiterer allgemeiner Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Beschleunigungsgröße auf Basis von Vertikalbeschleunigungsmesswerten und/oder die Winkelgröße auf Basis von Höhenstandsmesswerten ermittelt wird. Beide der genannten Messwerte können von den bereits geschilderten Sensoren ermittelt werden, die Feder-Dämpfer-Systemen und/oder einzelnen Fahrzeugrädern zugeordnet sind. Insbesondere können diese Sensoren in an sich bekannter Weise Vertikalbeschleunigungen oder Höhenstände im Bereich der Fahrzeugräder bzw. der Feder-Dämpfer-Systeme ermitteln. Vorzugsweise ermitteln sie dabei die genannten Messwerte für die sogenannten Dompunkte eines Fahrzeugsaufbaus, an denen sich die Feder- Dämpfer-Systeme abstützen. Dies kann z.B. auf Basis einer Umrechnung erfolgen, bei denen die am Einbauort der Sensoren ermittelten Messwerte in korrespondierende Messwerte am Ort der Dompunkte unter Berücksichtigung der Relativposition von Dompunkt und/oder Sensor- Einbauort umgerechnet werden.
Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Dynamikgröße mittels eines Filters ermittelt wird, der mit einem Beobachter zusammenwirkt. Insbesondere kann das Filter ein Kalman-Filter sein, z.B. ein Kalman-Bucy-Filter. Der Beobachter kann ein Luenberger-Beobachter sein. Es hat sich gezeigt, dass mit der Zusammenwirkung von Filter und Beobachter und insbesondere der genannten Filter- und Beobachterbeispiele präzise und zuverlässige Ermittlungen der Dynamikgröße möglich sind.
Vorteilhafterweise ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass das Filter einen frequenzabhängigen Vertrauensbereich aufweist, mit dem bzw. auf dessen Basis der Einfluss niederfrequenter Größen begrenzbar ist. Insbesondere kann auf diese Weise ermöglicht werden, dass langsame Bewegungen um den Wank- und/oder Nickfreiheitsgrad herausgefiltert werden.
Der Vertrauensbereich kann aber auch derart definiert sein, dass sowohl ein vorbestimmter niederfrequenter als auch ein hochfrequenter Anteil unberücksichtigt bleibt bzw. dessen Einfluss begrenzt wird. Unter niederfrequent kann dabei eine Frequenz von weniger als 5 Hz, weniger als 2 Hz und insbesondere weniger als 0,5 Hz verstanden werden. Unter Hochfrequenz kann hingegen ein Bereich von mehr als 8 Hz und insbesondere mehr als 10 Hz verstanden werden.
Beispielhaft kann die Filterstrecke wie folgt lauten:
Figure imgf000011_0001
Dabei sind p und q die körperfeste Wank- und Nickgeschwindigkeit und die entsprechend einfach abgeleiteten Größen die Wank- und Nickbeschleunigung, r ist die Gierrate, die typischerweise sensorisch erfasst wird und über einen CAN-Bus des Fahrzeugs verfügbar ist. Φ und θ sind der ortsfeste Wank- und Nickwinkel und die entsprechend abgeleiteten Größen/Winkel sind die ortsfeste Wank- und Nickgeschwindigkeit bzw. die Wank- und Nickbeschleunigung. Im Vektor y sind die relevanten Messgrößen zusammengefasst. Die Differenz aus y-Tilde (Modellschätzung) und y entspricht einer Fehlergröße.
Die Luenberger-Verstäkung L in Gleichung (5) stabilisiert das Filter. Allgemein gilt, je größer die Werte in L sind, desto mehr wird die Schätzung y-tilde der Messung y entsprechen. Je kleiner L ist, desto eher wird dem Streckenmodell vertraut. Für das Filter kann der erwähnte Vertrauensbereich definiert werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinrichtung zum Ermitteln wenigstens einer Dynamikgröße eines Kraftfahrzeugs, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
Ebenso betrifft die Erfindung eine Anordnung für ein Kraftfahrzeug und zum Ermitteln wenigstens einer Dynamikgröße eines Kraftfahrzeugs, nämlich der Wank- und/oder Nickgeschwindigkeit, mit: - einer Mehrzahl von Sensoren (z.B. Feder-Dämpfer-Sensoren, Höhenstandssensoren, Vertikalbeschleunigungssensoren oder Sensoren jeglicher hierin geschilderten Art), anhand deren Messwerte eine zur Dynamikgröße korrespondierende Beschleunigungsgröße und Winkelgröße ermittelbar ist; und
- einer Steuereinrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Fahrzeug, das eine Anordnung mit einer Steuereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst, die ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren ausführt.
In Fig. 1 ist ein schematisches Fahrzeug 1 und genauer gesagt ein Kraftfahrzeug gezeigt, das eine erfindungsgemäße Anordnung 10 umfasst. Gezeigt ist auch eine Vorwärtsfahrrichtung F des Fahrzeugs 1 sowie eine Orientierung eines Fahrzeugkoordinatensystems. Definiert man dieses z.B. an einem Fahrzeugmittelpunkt, entspricht die Y-Achse der Wankachse und die X- Achse der Nickachse. Die Z-Achse entspricht einer vertikalen Raumrichtung bzw. einer Höhenachse des Fahrzeugs 1. In bekannter Weise entsprechen Wank- und Nickbewegungen Bewegungen des Fahrzeugs 1 um die entsprechenden Achsen, also Rotationsbewegungen.
Gezeigt sind auch eine Vorderachse 12 und eine Hinterachse 14, die jeweils zwei Fahrzeugräder 16 umfassen. Jedes Fahrzeugrad 16 ist über ein Feder-Dämpfer-System 18 am lediglich umrissen dargestellten Fahrzeugaufbau 20 gelagert bzw. stützt sich gegenüber diesem mittels des Feder-Dämpfer-Systems 18 ab. In an sich bekannter Weise erfolgt dies an einem nicht gesondert markierten jeweiligen Dompunkt innerhalb der Fahrzeugkarosserie des Aufbaus 20.
Dem Feder-Dämpfer-System 18 der beiden Vorderräder 16 und einem der Hinterräder (des rechten Hinterrads 16) ist jeweils ein Sensor 22 zugeordnet. Im gezeigten Beispiel handelt es sich hierbei um einen mehrteiligen Sensor 22, der sowohl eine Vertikalbeschleunigung als auch eine Höhe (den Höhenstand) messen kann. Die Funktionsweise derartiger Sensoren insbesondere im Zusammenspiel mit Feder-Dämpfer-Systemen 18 ist prinzipiell bekannt.
Die Sensoren 22 der Anordnung 10 sind jeweils mit einer Steuereinrichtung 24 dieser Anordnung 10 datenübertragend verbunden. Sie liefern als sozusagen lokale Messwerte jeweils Werte bezüglich der Vertikalbeschleunigung und des Höhenstandes an die Steuereinrichtung 24.
Aus den Höhenständen und in Kenntnis eines Relativabstandes der einzelnen Sensoren 22 kann, wie im allgemeinen Beschreibungsteil erläutert, in an sich bekannter Weise ein Nickwinkel und auch ein Wankwinkel bestimmt werden. Aus der Vertikalbeschleunigung ist, wie ebenfalls im allgemeinen Beschreibungsteil erläutert, die Wank-und Nickbeschleunigung bestimmbar. Vorliegend erfolgen diese Wertermittlungen jeweils durch die Steuereinrichtung 24.
Weiter ermittelt die Steuereinrichtung 24 unter Verwendung der vorstehend aufgezeigten Gleichungen (4) und/oder (5)-(7) die Wank- und Nickgeschwindigkeit aus den ermittelten Winkel- und Beschleunigungswerten. Je nach der angewandten Variante ist auch ein (Kalman- Bucy-) Filter 31 und sind insbesondere einzelne Filterfunktionen (Hochpassfilter 30 und Tiefpassfilter 32) in der Steuereinrichtung 24 als Softwarefunktionen oder Softwaremodule realisiert. Sind sämtliche Filterlösungen vorgesehen, können die jeweils bestimmten Werte (der mit Gleichung (4) bestimmte und der mit den Gleichungen (5)-(7) bestimmte) zum Beispiel gemittelt werden.
Die Geschwindigkeitsgrößen, die mit einer aufwandsarmen kostengünstigen Sensorik bestimmt wurden und deren Bestimmung mit den erwähnten Gleichungen auch bei sich überlagernden Nick- und Wankbewegungen zuverlässig gelingt, können dann weiteren bekannten Fahrerassistenzsystemen zugeführt werden.
Bezugszeichenliste
1 Fahrzeug
10 Anordnung
12 Vorderachse
14 Hinterachse
16 Fahrzeugrad
18 Feder-Dämpfer-System 20 Aufbau
22 Sensor
24 Steuereinrichtung
30 Hochpassfilter
32 Tiefpassfilter
F Vorwärtsfahrrichtung
Φ Wankwinkel θ Nickwinkel p Wankgeschwindigkeit q Nickgeschwindigkeit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln wenigstens einer Dynamikgröße eines Kraftfahrzeugs (1), wobei die Dynamikgröße eine Wankgeschwindigkeit (p) oder Nickgeschwindigkeit (q) ist, mit:
Erhalten von einer zur Dynamikgröße korrespondierenden Beschleunigungsgröße in Form einer Wankbeschleunigung oder Nickbeschleunigung und einer zur Dynamikgröße korrespondierenden Winkelgröße in Form eines Wankwinkels oder Nickwinkels auf Basis eines sensorischen Erfassens von Bewegungen des Fahrzeugaufbaus;
Ermitteln der Dynamikgröße auf Basis von sowohl der Beschleunigungsgröße als auch der Wnkelgröße (Φ, θ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Dynamikgröße die Beschleunigungsgröße integriert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Dynamikgröße die Wnkelgröße (Φ, θ) differenziert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsgröße und/oder ein darauf basierend ermittelter Wert mittels eines Hochpassfilters (30) gefiltert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wnkelgröße (Φ, θ) und/oder ein darauf basierend ermittelter Wert mittels eines Tiefpassfilters (32) gefiltert wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsgröße auf Basis von Vertikalbeschleunigungsmesswerten und/oder die Winkelgröße (Φ, θ) auf Basis von Höhenstandsmesswerten ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynamikgröße mittels eines Filters (31) ermittelt wird, der mit einem Beobachter zusammenwirkt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (31) ein Kalman-Filter ist, insbesondere ein Kalman-Bucy-Filter, und/oder dass das Filter (31) einen frequenzabhängigen Vertrauensbereich aufweist, mit dem der Einfluss niederfrequenter Größen begrenzbar ist.
9. Steuereinrichtung (24) zum Ermitteln wenigstens einer Dynamikgröße eines Kraftfahrzeugs (1), wobei die Steuereinrichtung (24) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
10. Anordnung (10) für ein Kraftfahrzeug (1) zum Bestimmen wenigstens einer Dynamikgröße eines Kraftfahrzeugs (1), wobei die Dynamikgröße eine Wankgeschwindigkeit (p) oder Nickgeschwindigkeit (q) ist, mit: einer Mehrzahl von Sensoren (22) anhand deren Messwerte eine zur Dynamikgröße korrespondierende Beschleunigungsgröße und Winkelgröße ermittelbar ist, wobei die Sensoren (22) Bewegungen des Fahrzeugaufbaus erfassen und die korrespondierende Beschleunigungsgröße eine Wankbeschleunigung oder Nickbeschleunigung und die korrespondierende Wnkelgröße ein Wankwinkel oder Nickwinkel ist; und einer Steuereinrichtung (24) nach Anspruch 9.
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