DE102005012456A1 - Ermittlung eines Fahrzeugzustands - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Einschätzung des Fahrzeugzustands. Das System umfasst mindestens zwei Sensoren, die am Fahrzeug montiert sind. Die Sensoren erzeugen Signale über die gemessenen Fahzeugzustände, welche der Fahzeugdynamik entsprechen. Der Signalregler überträgt die gemessenen Zustandsdaten des Fahrzeugs von einem Sensor-Koordinatensystem an ein Fahrzeug-Koordinatensystem, das dem Fahrzeug zugewiesen ist. Ein Filter empfängt die umgewandelten gemessenen Fahrzeugzustände vom Signalregler und verarbeitet die gemessenen Signale in Zustandsschätzungen des Fahrzeugs, wie z. B. die Quergeschwindigkeit, die Gierrate, den Kippwinkel und die Neigungsrate des Fahrzeugs.

Description

• HINTERGRUND
• Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Ermittlung von Fahrzeugzuständen. In der letzten Zeit hat man Fahrdynamikregelungen in Kraftfahrzeugen eingeführt, um den Zustand von Fahrzeugen zu ermitteln und die Fahrzeugdynamik auf der Basis des ermittelten Fahrzeugzustands zu regeln. So vergleichen beispielsweise bestimmte Fahrdynamikregelungen, die als Regelungssysteme bekannt sind, die gewünschte Fahrtrichtung des Fahrzeugs auf der Basis des Lenkradeinschlags, der Fahrtrichtung und anderer Eingaben und regeln die Gierbewegung des Fahrzeugs durch Regelung der Bremskraft an den verschiedenen Rädern des Fahrzeugs. Durch die Regulierung des Bremsmoments, das auf jedes Rad ausgeübt wird, kann die gewünschte Fahrtrichtung beibehalten werden. Handelsübliche Beispiele für derartige Systeme sind als Fahrdynamikregelung (DSC) oder elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) bekannt.
• Andere Systeme ermitteln Fahrzeugmerkmale, um ein Überschlagen des Fahrzeugs zu vermeiden und ein Kippen (oder Kurvenschlingern) zu regeln. Durch die Kippregelung wird das Fahrzeug in einer Ebene oder fast in einer Ebene parallel zur Fahrbahn gehalten. Durch die Überschlagregelung werden die Fahrzeugräder auf der Fahrbahn gehalten. Bei bestimmten Systemen kommt eine Kombination aus Gier- und Kippregelung zum Einsatz, um das Fahrzeug bei einer Kurvenfahrt in der horizontalen Ebene zu halten. Handelsübliche Beispiele für derartige Systeme sind als aktiver Überschlagschutz (ARP) und aktive Stabilitätskontrolle (RSC) bekannt.
• Normalerweise kommen bei diesen Systemen, die hier insgesamt als dynamische Stabilitätskontrollsysteme bezeichnet werden, spezielle Sensoren zum Einsatz, die die Gier- oder Kippbewegung des Fahrzeugs messen. Gier- und Neigungsratensensoren sind jedoch teuer. Daher wäre es wünschenswert, einen allgemeinen Sensor einsetzen zu können, um einen beliebigen Fahrzeugzustand zu messen, d.h. ein Sensor, der nicht unbedingt nurdie Kipp- oder Gierbewegung des Fahrzeugs misst.
• KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Im allgemeinen umfasst die Erfindung ein System und ein Verfahren zur Ermittlung des Fahrzeugzustands. Das System umfasst mindestens zwei Sensoren, die im Fahrzeug montiert sind. Die Sensoren erzeugen Messsignale, die dem dynamischen Zustand des Fahrzeugs entsprechen. Ein Signalregler oder Signalaufbereiter überträgt die gemessenen Fahrzeugzustände von einem Sensor-Koordinatensystem auf ein Fahrzeug- Koordinatensystem um, das dem Fahrzeug zugeordnet ist. Ein Filter empfängt die umgewandelten gemessenen Fahrzeugzustände vom Signalregler und verarbeitet die gemessenen Signale in Zustandsermittlungen, wie zum Beispiel die Quergeschwindigkeit, die Gierrate, den Kippwinkel und die Neigungsrate des Fahrzeugs.
• Der Filter kann auch ein Modell der Fahrzeugdynamik und ein Modell der Sensoren umfassen, sodass die Zustandseinschätzungen auf den umgewandelten gemessenen Signalen und den Modellen der Fahrzeugdynamik und Sensoren beruhen. Der Filter kann ebenso eine Ermittlungseinheit mit einem Algorithmus umfassen, der die umgeformten gemessenen Fahrzeugzustände und die Fahrzeugdynamik- und Sensormodelle verarbeitet und die Zustandseinschätzungen erzeugt.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Ermittlung eines Fahrzeugzustands mit unterschiedlichen Sensortypen, die nicht so teuer sind wie spezielle Neigungs- oder Gierratensensoren. Bei den Sensoren kann es sich beispielsweise um lineare Beschleunigungsmesser handeln. Bei einigen Ausführungen kann es jedoch wünschenswert sein, einen Drehratensensor zusammen mit linearen Beschleunigungsmessern einzusetzen. Andere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den folgenden Zeichnungen, detaillierten Beschreibungen und Ansprüchen.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 stellt ein Blockdiagramm der Verarbeitung der Fahrzeugzustände entsprechend der Erfindung dar.
• 2 stellt eine allgemeine Sensoranordnung zur Ermittlung der Fahrzeugzustände dar.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Entsprechend einer Ausführung der Erfindung beschreibt 1 ein System 10, das den Zustand eines Fahrzeugs ermittelt, welches als Block 12 angegeben wird. Im Einzelnen umfasst das System 10 mehrere Sensoren 14, die Signale messen, welche Teile enthalten, die sich auf die Komponenten der Fahrzeugzustände der Fahrzeugdynamik 16 beziehen und beispielsweise produziert werden, wenn der Lenkradwinkel 6 geändert wird.
• System 10 umfasst auch einen Signalaufbereiter oder -regler 18, der gemessene Signale von den Sensoren 14 empfängt, und einen Filter 20, der die geregelten Signale vom Signalregler 18 empfängt. In bestimmten Ausführungen handelt es sich bei dem Filter 20 um einen Kalman-Filter, der ein Fahrzeugdynamikmodell 22 und ein Sensorenmodell 24 umfasst. Diese Modelle werden im folgenden detailliert beschrieben.
• Der Signalregler 18 und das Sensormodell 24, das das Fahrzeugdynamikmodell 22 umfasst, stellt Eingabewerte für eine Ermittlungseinheit 26 zur Verfügung. Ein Algorithmus mit einer Rückkopplungsschleife 28 wird in die Ermittlungseinheit 26 aufgenommen, um die umgewandelten Signale mit den Fahrzeugdynamikmodellen und den Sensoren zu verarbeiten. Die Ermittlungseinheit 26 gibt die Zustandsermittlungen x_v wieder. Die Ermittlungen des Fahrzeugzustands können den Kippwinkel, die Neigungsrate, die Gierrate und die Querbeschleunigung sowie andere Fahrzeugzustände umfassen.
• In einigen Ausführungen messen die Sensoren 14 die lineare Beschleunigung an einer bestimmten Stelle, an der der Sensor am Fahrzeug montiert ist. Wenn sich die Sensoren nicht in einer rechtwinklig zur betreffenden Achse liegenden Ebene befinden, enthalten die gemessenen Werte Abweichungen, die sich proportional zu den Drehraten um andere Achsen verhalten. Wenn die Messachsen der Sensoren nicht zusammenfallen, so enthalten die gemessenen Werte ebenfalls Abweichungen, die sich proportional zu der Drehbeschleunigung um andere Achsen verhalten. Wenn außerdem die Messachsen der Sensoren nicht zusammenfallen und nicht entlang einer Fahrzeugbezugsachse montiert sind, enthalten die gemessenen Werte einmalige Schwerkraftabweichungen, die von der Differenz zwischen dem Montagewinkel der Sensoren und dem Gesamtneigungswinkel des Fahrzeugs abhängen.
• Um diesen Abweichungen zu begegnen, kann eine allgemeine Ausführung des Systems 10 eingesetzt werden, wie in 2 vorgesehen. Hier befinden sich die Sensoren 14 (einzeln als S₁ und S₂ gekennzeichnet) in bekannten festen Positionen am Fahrzeug 12 und die Ausrichtung der Messachsen der Sensoren S₁ und S₂ ist bekannt und festgelegt. Im Einzelnen werden Position und Ausrichtung eines Sensors S_i durch die folgende Beziehung bestimmt: Pi(xi,yi,zi,θi,Xi,φi) (1)wobei x_i, y_i, z_i die räumlichen Koordinaten des Sensors S_i, θ den Gierwinkel des Sensors, d.h. die Ausrichtung der Sensormessachse in der Ebene X_B, Y_B im Hinblick auf die X_B-Achse, X_i den Nickwinkel, d.h. die Ausrichtung der Sensormessachse im Hinblick auf die Ebene X_B, Y_B und φ_i den Neigungswinkel des Sensors darstellt, d.h. die Drehung um die entsprechende Messachse.
• Die Sensoren S_i messen die lineare Beschleunigung im Punkt Pi, d.h. α _i = m _i·|m_i| = [a_{x i}·a_yi·a_zi]^T, wobei m _i dem Einheitsvektor entlang der Messachse und |m_i| der Beschleunigungsgröße entlang der Messachse entspricht.
• Da die von Sensor S_i gemessene Beschleunigung α _i der Beschleunigung im Sensor-Koordinatensystem entspricht, werden die gemessenen Beschleunigungen in ein Fahrzeug-Koordinatensystem übertragen. In bestimmten Ausführungen wird angenommen, dass in einer Reihe von einzelnen Achsen-Beschleunigungsmessern jeder Beschleunigungsmesser eine Messachse besitzt, die als x_sensor-Achse bezeichnet wird. Dementsprechend wird die Umrechnung vom Sensor-Koordinatensystem auf das Fahrzeug-Koordinatensystem durch den folgenden Ausdruck bestimmt

  

  wobei

_c

= cos(_)

_s

= sin(_)

θ_i

= Sensor_Gier_Winkel

X_i

= Sensor_Nick_Winkel

φ_i

= Sensor_Neigungs_Winkel

und [x_sensor y_sensor z_sensor]^T = [1 0 0]^T, da x_sensor als Messachse für jeden der Beschleunigungsmesser in den einzelnen Achsen angesehen wird.
• Wir weisen darauf hin, dass die Umwandlung in Gleichung (2) normalerweise im Signalregler 18 (1) durchgeführt wird. Der Signalregler 18 kann auch einen DC-Abweichungsausgleich (DC = direct current = Gleichstrom) vorsehen, um die oben erwähnten Abweichungen zu kompensieren.
• Was den Kalman-Filter 20 betrifft, so ist das Fahrzeugdynamikmodell 22 für einen Zustandsvektor

  

  durch den Ausdruck

  

  gegeben,
  wobei

  

  und wobei

y ._ν

= Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs

r

= Gierrate des Fahrzeugs

θ_ν

= Kippwinkel des Fahrzeugs

θ ._ν

= Neigungsrate des Fahrzeugs

C_F

= Steifigkeit der Vorderachse bei Kurvenfahrt

C_R

= Steifigkeit der Hinterachse bei Kurvenfahrt

a

= Abstand vom Schwerpunkt zur Vorderachse

b

= Abstand vom Schwerpunkt zur Hinterachse

m

= Fahrzeugmasse

h

= Höhe des Schwerpunkts über der Kippachse

I_z

= Gier-Trägheitsmoment

I_x

= Kipp-Trägheitsmoment

C

= Fahrzeugkippverhinderung

K

= Fahrzeugkippsteifigkeit

u

= Fahrzeuggeschwindigkeit in Längsrichtung

δ

= Lenkwinkel der Reifen

g

= Schwerkraftbeschleunigung


und

• Wie beim Sensorenmodell 24 wird das Modell der seitlich angebrachten Sensoren durch folgenden Ausdruck definiert:

  
• Da A_y,meas = a_y,body aus Gleichung (2), ergibt sich bei Austauschen der Ausdrücke für y .._ν, r ._ν, θ .._ν und r_ν aus Gleichung (5) in Gleichung (6) dementsprechend der Ausdruck

  

  wobei a_kl dem Element in der k-Reihe und l-Spalte der Matrix A, d_xtoYA dem Abstand eines Sensors entlang der X-Achse zur Gierachse ist, und d_xtoRA dem Abstand vom Sensor entlang der Z-Achse zu der Kippachse entspricht.
• Das Modell für vertikal ausgerichtete Sensoren ist Az,meas = –g + θ ..νdytoRA (8)
• Daher ergibt sich aus den Gleichungen (2) und (5)

  

  wobei d_ytoRA dem Abstand zur Kippachse entlang der Y-Achse entspricht.
• Für Sensoren, die in Längsrichtung angeordnet sind, wird das Sensormodell durch den Ausdruck Ax, meas = – r .νdytoYA (10)in der Weise definiert, dass bei Verwendung der Gleichungen (2) und (5), Gleichung (10) folgendes ergibt αx,body = α21ddytoYAy . – α22ddytoYArν – b21dytoYAδ (11)wobei d_dytoGA dem Abstand zur Gierachse entlang der Y-Achse entspricht und b₂₁ dem Element in der zweiten Reihe und der ersten Spalte von Matrix B entspricht.
• Der in der Ermittlungseinheit 26 implementierte Algorithmus verarbeitet die Ausdrücke der Gleichungen (7), (9) und (11) durch einen Filter (ein Ermittlungsalgorithmus), um die Schätzungen für den Zustandsvektor x _ν = [y ._νr_νθ_νθ ._ν]^T zu erhalten.
• Wir weisen darauf hin, dass die obige Erörterung darauf abzielt, eine Lösung für den Zustandsvektor x _ν in einem kontinuierlichen Zeitraum zu erhalten. Daher wird

  

  normalerweise nach dem folgenden Ausdruck diskretisiert x ν(k + 1) = Ad x ν(k) + Bd u(k) (12)wobei k den k. Zeitschritt definiert und die Matrizen A und B nach den Annäherungen Ad =In + Δk·Aund Bd = Δk : Bdiskretisiert werden können,
  wobei I_n die Identitätsmatrix der n-ten Ordnung ist, die in diesem Fall eine Identitätsmatrix der vierten Ordnung ist, und Δ_k dem Zeitschritt entspricht.
• Obwohl die obige Ausführung auf einen Sensorsatz mit linearen Beschleunigungsmessern ausgerichtet ist, werden auch Hybrid-Sensorsätze in Betracht gezogen. In Fahrzeug 12 kann beispielsweise ein Drehratensensor verwendet werden und im „Kalman-Filter"-Gehäuse 20 kann ein Modell dieses Sensors verwendet werden. Insbesondere für einen Gierratensensor gilt das Modell [0 1 0 0], d.h. der Sensor misst die Gierrate und sonst nichts.
• Bei einer Stabilitätskontrolle, bei der die Messung von Gier- und Neigungsrate/-winkel von Nutzen ist, können daher vier Geschwindigkeitsmesser für die Sensoren 14 eingesetzt werden. Alternativ können bei einem Hybridsystem zwei Beschleunigungsmesser und ein Drehratensensor verwendet werden. Weitere Beispiele für Hybridsysteme umfassen unter anderem zwei seitlich und zwei vertikal angeordnete Beschleunigungsmesser; zwei seitlich, zwei in Längsrichtung und zwei vertikal angeordnete Beschleunigungsmesser; zwei seitlich angeordnete, zwei vertikal angeordnete Beschleunigungsmesser, sowie einen Drehratensensor.
• Andere Ausführungen sind im Rahmen der Ansprüche gültig. Legende zu Fig. 1:

  Steering wheel angle	Lenkradwinkel
  Car/Truck dynamics	Fahrzeug-/LKW-Dynamik
  Vehicle states	Fahrzeugzustände
  Sensors	Sensoren
  measured signals	gemessene Signale
  signal adjustment	Signalregelung
  model of vehicle dynamics	Modell der Fahrzeugdynamik
  model of sensors	Sensormodell
  estimator	Schätzfunktion
  State estimates	Zustandseinschätzungen

Claims (17)

1. System zur Ermittlung eines Fahrzeugzustands, bestehend aus: mindestens zwei Sensoren, die am Fahrzeug montiert werden, wobei die Sensoren Signale des gemessenen Fahrzeugzustands erzeugen, welche der Dynamik des Fahrzeugs entsprechen; einem Signalregler, der die Signale des gemessenen Fahrzeugzustands von einem Sensor-Koordinatensystem an ein Fahrzeug-Koordinatensystem überträgt, das dem Fahrzeug zugeordnet ist; und einem Filter, der die umgewandelten Messsignale vom Signalregler erhält und die Messsignale in Zustandsschätzungen für das Fahrzeug verarbeitet.
2. System nach Anspruch 1, wobei der Filter ein Modell der Fahrzeugdynamik und ein Modell der Sensoren umfasst und wobei die Zustandsschätzungen auf den umgewandelten Messsignalen und den Modellen der Fahrzeugdynamik und Sensoren beruhen.
3. System nach Anspruch 3, wobei der Filter eine Ermittlungseinheit umfasst und ein Algorithmus in die Ermittlungseinheit implementiert wird, um die umgewandelten Messsignale und Modelle der Fahrzeugdynamik und Sensoren zu verarbeiten und die Zustandsschätzungen zu erzeugen.
4. System nach Anspruch 1, wobei die Sensoren lineare Beschleunigungsmesser sind.
5. System nach Anspruch 1, wobei einer der Sensoren ein Drehratensensor ist.
6. System nach Anspruch 1, wobei die Sensoren zwei Beschleunigungsmesser umfassen, die Beschleunigungen in eine erste Richtung messen, und zwei Beschleunigungsmesser, die die Beschleunigung in eine zweite Richtung messen.
7. System nach Anspruch 6, wobei die Sensoren ferner zwei Beschleunigungsmesser umfassen, die Beschleunigungen in eine dritte Richtung messen.
8. System nach Anspruch 1, wobei die Sensoren zwei Beschleunigungsmesser umfassen, die die Querbeschleunigung messen und einen Sensor, der die Gierrate des Fahrzeugs misst.
9. System nach Anspruch 8, wobei die Sensoren zwei Beschleunigungsmesser umfassen, die die vertikale Beschleunigung des Fahrzeugs messen.
10. System nach Anspruch 1, wobei die Zustandsschätzungen sich auf die Quergeschwindigkeit, die Gierrate, den Kippwinkel und die Neigungsrate des Fahrzeugs beziehen.
11. System nach Anspruch 1, wobei der Signalregler außerdem Schwerpunktabweichungen im Zusammenhang mit den Sensoren ausgleicht.
12. Verfahren zur Ermittlung eines Fahrzeugzustands, bestehend aus: der Erzeugung von Signalen über den gemessenen Fahrzeugzustand, die der Dynamik des Fahrzeugs entsprechen, mit mindestens zwei Sensoren; der Übertragung der Signale über den gemessenen Fahrzeugzustand von einem Sensor-Koordinatensystem an ein Fahrzeug-Koordinatensystem, das dem Fahrzeug zugeordnet ist; und der Verarbeitung der Messsignale in Zustandsermittlungen für das Fahrzeug.
13. Verfahren nach Anspruch 12 und System nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitung auch eine Modellierung der Fahrzeugdynamik und der Sensoren umfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 12 wobei die Erzeugung der Signale die Messung der linearen Beschleunigung umfasst.
15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Erzeugung der Signale die Messung einer Drehgeschwindigkeit des Fahrzeugs umfasst.
16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei sich die Zustandsermittlung auf Quergeschwindigkeit, Gierrate, Kippwinkel und Neigungsrate des Fahrzeugs bezieht.
17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Umwandlung auch einen Ausgleich der Schwerpunktabweichungen im Zusammenhang mit den Sensoren umfasst.