CN107430401B - 用于监视机动车辆的线控驱动系统的方法 - Google Patents

Abstract

用于监视机动车辆的线控驱动系统的方法，具有下列步骤：在时间上错开地读入机动车辆的操作元件的输入参量的至少两个输入值（W），从所述至少两个所读入的输入值（W）中确定输入参量的时间变化或变化率，从所述时间变化或变化率中确定针对机动车辆运行的监视参量（a），根据所述监视参量（a）选择监视功能，借助于所述监视功能监视针对所确定的机动车辆运行的监视参量（a）。

Description

用于监视机动车辆的线控驱动系统的方法

技术领域

本发明涉及用于监视机动车辆的线控驱动系统的方法以及用于执行该方法的计算单元和计算机程序。

背景技术

机动车辆制造中的较新发展趋向于仅仅还以电的方式借助于线控驱动（Drive-by-Wire）来转发所有驾驶员命令。线控驱动（简称DbW）表示在没有从机动车辆的诸如油门踏板、刹车踏板或方向盘之类的操作元件到机动车辆的诸如节流阀、制动器和/或转向器之类的相应调整元件的机械力传递的情况下驾驶或控制机动车辆。DbW系统的已知示例是所谓的电子油门（E-Gas）。替代于此，对所提及的功能的控制通过电线路和伺服发动机或机电执行器来进行。出于安全原因，机动车辆的调整元件必须持久地被监视，以便防止错误行为、诸如对机动车辆的不期望的加速。

该监视可以根据3层概念（参看“Standardisiertes E-Gas Überwachungskonzeptfür Benzin und Diesel Motorsteuerungen”，EGAS工作组, 2013年7月5日，版本5.5）来构造。第一层、即功能层包含：发动机控制功能，尤其用于转换所要求的发动机力矩；组件监视；输入参量和输出参量的诊断；以及在所识别的故障情况下对系统反应的控制。第二层、即功能监视层尤其通过监视所计算的力矩或车辆加速度来识别层1中的功能软件的监视相关范围的有错误的流程。在故障情况下，进行系统反应的触发。第三层、即计算机监视层通过问答通信来监控：第二层是否正确地工作。在故障情况下，与功能计算机无关地进行系统反应的触发。

3层概念可以具有基于力矩或基于加速度的结构。

然而监视的基于力矩的结构不具有可直观检测的特性，因为机动车辆驾驶员并非有意识地调节力矩。另外，需要具有四个变量的复杂物理模型。此外，通过特性图、输入信号和另外的接口来给定功能层与监视层之间的耦合。因此给定针对监视层的高的适配耗费，因为特性图、输入信号和接口必须被适配。

与此相对地，在监视的基于加速度的结构的情况下，功能层和监视层彼此去耦合。另外，与基于力矩的结构不同，监视层的基于加速度的结构包含与功能层不同的变量，因为例如机动车辆的辅助机组的连接对于这种形式的监视而言是不相关的。然而基于加速度的结构也不总是具有可直观检测的特性。另外，监视层需要复杂的物理模型，该物理模型持久地被计算并且因此使用微控制器的计算机资源。

因此，存在对一种用于监视机动车辆的线控驱动系统的方法的需求，该方法能够直观地、容易地被检测并且优选地使用少量计算机资源。此外，该方法应当与基于力矩的监视结构相比能够容易地与不同变型相适配。

发明内容

根据本发明，提出根据本发明的用于监视机动车辆的线控驱动系统的方法以及根据本发明的计算单元和根据本发明的计算机程序。

本发明基于如下措施：不仅基于输入值执行监视，而且包括输入值或从中推导出的参量的时间变化或变化率、例如梯度或值差。通过输入值或推导出的参量表示的（例如物理）参量被称为输入参量。例如，从踏板位置中推导出的参量是驱动力矩。输入参量的变化这里可以是油门踏板位置的变化，所述变化作为油门踏板位置在两个相继时刻之差来计算。变化率可以是油门踏板位置的梯度，该梯度可以作为输入参量每时间单位的变化来计算。如果在本申请中探讨输入参量的处理（尤其是时间变化或变化率），则其中总是还包括从中推导出的参量的处理。

根据第一子方面，输入参量的时间变化或变化率用于确定驾驶员的当前驾驶愿望并且紧接着选择对于所确定的驾驶愿望而言相关的监视功能用于实施。其应当被理解为直接选择以及间接选择，也就是说，对于驾驶员的所确定的驾驶愿望而言相关的监视功能被确定并且（直接地）被选择用于实施，和/或对于所确定的驾驶愿望而言不相关的监视功能被确定并且被排除在实施之外（并且由此间接地选择其余监视功能）。

这节省计算容量，因为不必总是持续地实施所有监视功能，而是可以进行有针对性的选择。可以准备例如针对速度、驱动力矩、加速度、减速度的可直观地、容易地检测的监视功能，然后从中选择一个或多个相关的监视功能或去激活不相关的监视功能。通过提供相应监视功能，也可以将该方法容易地与不同的变型相适配，因为该方法是模块化的并且需要功能层与监视层之间的少量接口。

根据第二子方面，在尤其是根据第一方面所选择的所实施的监视功能中考虑输入参量的时间变化或变化率的符号，以便更快速地识别故障。

在用于监视机动车辆的线控驱动系统的方法中，在第一步骤中在时间上错开地读入机动车辆的操作元件的至少两个输入值。所述输入值是机动车辆的操作元件的如下值，机动车辆驾驶员利用所述值预先给定尤其是方向、速度、加速度和减速度。这样的输入值尤其是可以通过油门踏板位置、刹车踏板位置或方向盘角度来预先给定。

在另一步骤中，在时间上产生输入值和/或从中推导出的参量。这在一种简单的设计方案中可以是形成输入值之间的差。优选地可以从所述差中通过考虑两个时刻之间的时间差来计算梯度，并且作为时间变化或变化率被加以考虑。

在另一步骤中，从时间变化或变化率中确定针对机动车辆运行的至少一个监视参量。监视参量可以是行驶速度、加速度或减速度、行驶方向、制动路径、车轮和/或发动机的转速、车轮的转向轮回转、机动车辆轨迹、发动机噪声、冲量和/或与其他交通参与者的距离。监视参量基本上对应于驾驶员想要通过其当前操作实际上影响的那个参量。

在另一步骤中，对于所确定的监视参量而言相关的监视功能被选择用于实施并且被实施，也就是说，监视参量借助于监视功能被监视。监视功能例如可以包含输入值和/或输入值的时间变化或变化率和/或从输入值中推导出的其他参量或其时间变化或变化率的额定/实际比较。监视功能本身是本领域技术人员常见的并且因此这里将不予以进一步深入。监视功能对监视参量的无故障性进行监视，并且在故障情况下输出故障信号。

优选地根据第二子方面使用根据本发明的监视功能，其中已经根据输入参量的时间变化或变化率、即例如输入值（或从中推导出的参量）的时间变化的符号在监视功能之内判定：是否存在故障。

输入参量的时间变化或变化率的确定仅仅使用微不足道的计算机资源，但是允许简单地选择对于驾驶员愿望而言相关的监视参量。此外，例如当机动车辆驾驶员减轻机动车辆的油门踏板的负荷、即离开油门、但是同时机动车辆的驱动装置的发动机力矩提高时，输入参量的时间变化以特别直观的方式允许检测故障情况。通常，当油门踏板位置的梯度也是下降的时，发动机力矩的梯度是下降的。但是如果发动机力矩的梯度由于线控驱动系统的故障是上升的或恒定的，则这可以通过比较两个梯度以简单的方式被检测并且接着生成故障信号。完全不必计算精确的力矩值。

根据一种优选的实施方式，对监视参量的监视具有对输入参量的时间变化或变化率的符号的确定和分析。在此，当输入参量变得更大时，时间变化或变化率的符号是正的，并且当输入参量变得更小时，时间变化或变化率的符号是负的。当输入参量保持恒定时，时间变化或变化率也可以为零。这简化分析，因为不必处理数值，而是仅须处理逻辑值。逻辑运算的结果可以被用于选择机动车辆的要监视的区域、诸如应当被监视的相关参量、如监视参量、或者被用于激活或去激活监视系统的部分，这又节约计算机资源。如果例如作为输入参量的油门踏板位置的梯度为正的、即油门踏板被按压，则加速度监视是不令人感兴趣的，因为驾驶员一定总归想要加速。而对无意的减速的监视是相关的。

根据另一实施方式，对监视参量的监视替代地或附加地还包括对输入参量的时间变化或变化率的符号的确定和分析以及根据所述符号对监视参量的监视。这再次简化对调节参量的监视，因为仅须利用简单的逻辑电路对二进制值进行运算。优选地从输入参量的时间变化或变化率的符号中确定监视参量的时间发展的预期符号，并且与实际符号相比较。如果驾驶员减轻车辆的油门踏板的负荷、即离开油门，则从中得出的监视参量“速度”的预期时间发展为负。而如果现在监视参量“速度”的实际时间发展为正，则识别出故障情况。

根据一种实施方式，当监视功能识别出故障时，线控驱动系统被转变到安全状态。在安全状态下，线控驱动系统被保护，使得所检测到的失灵不再能够导致危险的行驶状况。因此，尽管失灵，机动车辆的进一步运行仍是可能的。

根据另一实施方式，确定针对车辆运行的至少一个监视参量包括首先确定所期望的行驶状态和/或运行状态。确定所期望的行驶状态和/或运行状态例如可以包括借助于状态机或者借助于模糊逻辑将驾驶员的行动分配给状态。由于不仅状态的数目而且操作元件的数目都是已知的，因此可以在任何情况下提供合适的状态机。

行驶状态被理解为表征车辆的前进的状态、即基本上加速、减速、以恒定速度行驶、停止。运行状态被理解为表征车辆的运行方式的状态、即基本上电行驶、内燃机行驶、混合行驶、恢复、助推、（多个）电池的充电、换挡。

如果从机动车辆驾驶员的行动中首先原则上确定行驶状态和/或运行状态，则这使对于所确定的行驶状态和/或运行状态而言可能的监视参量的紧接着的确定变得简单，因为通常针对每个行驶状态和/或运行状态仅仅存在直观监视参量的一定的合理的选择，例如在以恒定速度驾驶时基本上仅仅存在速度本身。

根据另一实施方式，在对监视参量进行监视时附加地考虑至少一个行驶参数和/或环境参数。由此提高监视的准确性，因为除了受驾驶员直接影响的输入值之外，通常还有另外的行驶参数和/或环境参数一起确定监视参量的额定值。行驶速度和加速度或减速度例如除了踏板位置之外还依赖于变速箱的换挡状态、载荷、道路倾斜（下坡）、风况（逆风或顺风）等等。这些参数原则上是可测量的，并且因此可以被加以考虑。

根据另一实施方式，为了监视针对机动车辆运行的监视参量使用模型。例如，针对不同行驶状况、诸如加速或减速可以设置不同的简单模型。在此意义上，不进行功能层（层1）与监视层（层2）之间通过要耗费地输入数据的（bedatend）特性图的耦合。由于监视层的模型包含与在功能层中不同的变量，因此监视层很大程度上与功能层去耦合。所述模型可以容易地被适配，所述模型可以简单地被参数化，并且可以容易地被替换，因为涉及模块化构造。

例如，模型具有多项式函数、样条函数、指数饱和曲线、指数衰减函数和/或随机游走函数，所述函数将所述至少一个输入值与额定值关联。因此，所述模型动用标准函数，使得所述模型使用特别简单的构造以及特别少的计算机资源。

根据本发明的计算单元、例如机动车辆的控制设备尤其是以编程技术被设立用于执行根据本发明的方法。

该方法以软件形式的实现也是有利的，因为这尤其是在实施的控制设备还被用于另外的任务并且因此总归存在时造成特别低的成本。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD、云以及其他等等。通过计算机网络（因特网、内联网等等）下载程序也是可能的。

本发明的另外的优点和设计方案从说明书和附图中得出。

易于理解的是，上面提到的和随后还要解释的特征不仅可以以分别说明的组合而且可以以其他组合或单独地被使用，而不离开本发明的范围。

本发明根据附图中的实施例示意性地示出，并且下面参考附图详尽地予以描述。

附图说明

图1以示意图示出用于机动车辆的线控驱动系统的监视装置的构造。

图2以示意图示出从多个模型中对模型的选择。

图3以示意图示出车辆加速模型的指数饱和函数。

图4以示意图示出车辆减速模型的指数衰减函数。

图5以示意图示出车辆行驶模型的随机游走函数，该随机游走函数描述机动车辆在恒定速度下的行为。

具体实施方式

图1示意性地示出具有例如内燃机、电动机或混合驱动装置作为驱动装置的机动车辆的线控驱动系统的示例性监视装置2的构造。利用线控驱动系统，机动车辆驾驶员的驾驶员命令借助于线控驱动以电的方式从诸如油门踏板、刹车踏板、换挡杆或方向盘之类的操作元件被转发到机动车辆的诸如节流阀、整流器、变速箱、制动器和/或转向器之类的相应调整元件。

线控驱动系统的失灵可能导致如下信号：所述信号以不期望的方式起动调整元件并且因此导致危险的行驶状况，例如机动车辆无意地加速。利用监视装置2，线控驱动系统关于这样的失灵被监视。根据这样的失灵的查明，生成促使线控驱动系统转变到安全状态S_Z的故障信号F，在所述安全状态下线控驱动系统被保护，使得所检测到的失灵不再能够导致危险的行驶状况。在最简单的情况下，这导致安全的关断。

监视装置2为此具有模型模块4、故障探测模块6和故障反应模块8。监视装置2、模型模块4、故障探测模块6和/或故障反应模块8为此可以具有硬件组件和/或软件组件。

模型模块4具有多个用于不同行驶状况的模型，出于清楚明了的原因仅仅示出了其中的车辆加速模型10，该车辆加速模型描述机动车辆的加速行为，如稍后还要详细地解释的。

另外的模型可以涉及减速行为、在以恒定速度行驶时的行为、车轮和驱动装置的转速行为、转向行为、机动车辆在遵循预先给定的轨迹时的遵循行为、噪声产生行为和/或在保持预先给定的距离时的行为。

给所述模型输送输入值W，所述输入值以测量技术在机动车辆的操作元件处被检测。这在当前情况下对于车辆加速模型10而言至少是机动车辆的油门踏板位置和油门踏板位置的梯度。

作为输出参量，车辆加速模型10例如提供机动车辆的加速度的额定值Y_Soll和/或加速度的梯度。

给车辆加速模型10分配有测量参量分析装置12。测量参量分析装置12检测机动车辆的测量值或实际值Y_Ist、诸如机动车辆的加速度、速度和/或行驶方向，并且还检测或计算从所述测量值中推导出的值、如梯度。在当前情况下，测量参量分析装置12例如借助于加速度传感器检测行驶方向上的实际车辆加速度。

额定值Y_Soll和实际值Y_Ist被输送给故障探测模块6。故障探测模块6在所示出的示例中根据额定/实际比较来工作，并且具有比较器14，所述比较器将额定值Y_Soll和实际值Y_Ist的属于彼此的值对相互比较。在当前情况下该值对是额定车辆加速度和实际车辆加速度和/或额定车辆加速度梯度和实际车辆加速度梯度。

如果额定值Y_Soll和实际值Y_Ist和/或梯度之间的差小于阈值，则不存在失灵K_F。如果该差大于阈值，则推断出由于线控驱动系统的故障造成的故障情况并且生成故障信号F。

故障信号F被输送给故障反应模块8，该故障探测模块将线控驱动系统转变到安全状态S_Z，在所述安全状态下所检测到的失灵不再能够导致危险的行驶状况。

图2示出借助于模型模块4的状态机20从模型模块4的多个模型中对模型的选择过程。为此，状态机20首先确定所期望的行驶状态和/或运行状态作为驾驶员愿望FW。这使对于所确定的行驶状态和/或运行状态而言可能的监视参量的紧接着的确定变得简单，因为通常针对每个行驶状态和/或运行状态仅仅存在监视参量的一定的合理的选择，例如在加速行驶的情况下基本上仅仅存在加速度或减速度本身。

输入分析单元16分析机动车辆驾驶员在机动车辆的操作元件处的至少一个输入值W形式的输入，以便确定至少一个梯度G和梯度的符号。

例如，确定油门踏板位置的梯度G，其方式是，在两个测量时刻检测油门踏板位置的第一测量值和油门踏板位置的第二测量值，所述两个测量时刻在时间上彼此间隔开。通过数值微分得到梯度。

在当前实施例中，在时间上连续地检测多个油门踏板位置，并且通过分析确定油门踏板位置的梯度G以及梯度的符号。因此，例如分析得出：机动车辆驾驶员压下油门踏板。油门踏板的该运动导致大于零的梯度G。因此，符号为正“+”。

另外，行驶状况检测单元18例如通过分析利用机动车辆的传感器所测量的测量值来检测机动车辆的行驶状况。在当前实施例中，例如借助于机动车辆的加速度传感器来检测机动车辆在行驶方向上的大于零的加速度a_Mess。

由输入分析单元16确定的梯度G及其符号以及加速度a_Mess被输送给状态机20，所述状态机例如借助于模糊逻辑将梯度G的符号“+”和所测量的加速度a_Mess相关联，以便从多个监视参量中选择监视参量。在此，模糊逻辑的使用允许描述参量的相互关系，对于所述相关关系而言不存在精确的物理模型。与此相应地，状态机20 将“加速” 确定为所期望的行驶状态。状态机20从（多个）监视参量与行驶状态和/或运行状态之间的相互关系22得悉所属的监视参量“加速度”a。

根据监视参量、在当前实施例中行驶方向上的加速度a的选择，状态机20从多个模型中选择车辆加速模型10。

图3示出车辆加速模型10的指数饱和函数，该指数饱和函数描述x轴上的输入参量、这里例如油门踏板位置φ与y轴上的额定值Y_Soll、在这种情况下机动车辆在行驶方向上的额定加速度a之间的相互关系。

在此假定：由于操纵油门踏板和未操纵刹车踏板而出现机动车辆在行驶方向上的提高的加速度，然而由于机动车辆的驱动装置的受限的效率和行驶阻力而不能超过最大加速度。

指数饱和函数可以具有一般形式：

Y_Soll=m(1-e^-dx)

其中参数斜度d和饱和极限m可以与机动车辆的行驶行为相适配。

实际值Y_Ist在这种情况下是机动车辆在行驶方向上的实际加速度。该实际加速度例如可以从机动车辆的车轮的车轮转速和涉及路段纵断面（Streckenprofil）的斜度信息中或者从利用加速度传感器所测量的加速度中确定。斜度信息包含关于路段的斜度和坡度的数据，机动车辆在该路段上移动。这些数据例如可以借助于机动车辆的GPS、电子地图或倾斜传感器来确定。

因此，对于线控驱动系统的无故障运行而言条件是，尤其是当斜度和行驶阻力被克服时，机动车辆在行驶方向上的加速度的预期梯度（作为监视参量的变化或变化率）大于零。然而如果实际梯度小于零，则关于安全目标“无意的减速”存在故障情况。因此，这里对符号的监视足够了，加速模型的计算是不需要的，这降低对计算机资源的需求。

图4示出车辆减速模型的指数衰减函数，该指数衰减函数描述x轴上的输入参量、这里例如刹车踏板位置φ与y轴上的额定值Y_Soll、在这种情况下机动车辆在行驶方向上的额定速度v之间的相互关系。该模型描述机动车辆在通过操纵刹车踏板制动时的行为。

在此假定：由于对刹车踏板的操纵而出现机动车辆在行驶方向上的减小的速度，直到机动车辆最终停止和/或机动车辆以距障碍物确定的距离停止。对刹车踏板的操纵导致刹车踏板位置的大于零的预期梯度。

机动车辆在行驶方向上的额定速度例如可以从机动车辆的车轮的车轮转速中确定，而距障碍物的距离例如可以借助于距离雷达来确定。

因此，这里对于线控驱动系统的无故障运行而言条件是，当斜度信息被计算出时，机动车辆在行驶方向上的加速度的预期梯度（作为监视参量的时间变化或变化率）小于零、即为负。然而如果加速度的实际梯度大于零，则关于安全目标“无意的加速”存在故障情况。因此，这里对符号的监视足够了，加速模型的计算是不需要的，这降低对计算机资源的需求。

图5示出车辆行驶模型针对额定值Y_Soll、在这种情况下机动车辆在行驶方向上的额定速度v的随机游走函数。该车辆行驶模型描述机动车辆在恒定速度下的行为。该车辆行驶模型根据油门踏板位置、即油门踏板和刹车踏板的公差具有机动车辆的速度的尽可能小的偏差。在此假定：由于在平面中行驶时恒定的油门踏板位置和未操纵刹车踏板而出现机动车辆在行驶方向上的恒定速度，或者在操纵刹车踏板时、即在刹车踏板位置的正梯度的情况下沿着坡度路段移动。

机动车辆在行驶方向上的额定速度例如可以从机动车辆的车轮的车轮转速中确定。

因而，在这样的行驶状况下，可以使用根据油门踏板位置的公差具有车辆速度的尽可能小的偏差的简单数据模型，这降低对计算机资源的需求。

Claims (13)

1.一种用于监视机动车辆的线控驱动系统的方法，具有下列步骤：

在时间上错开地读入所述机动车辆的操作元件的输入参量的至少两个输入值（W），

从所述至少两个所读入的输入值（W）中确定所述输入参量的梯度，

从所述梯度中确定针对机动车辆运行的监视参量（a），

根据所述监视参量（a）选择监视功能，

借助于所述监视功能监视针对所确定的机动车辆运行的监视参量（a）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中根据所述监视参量（a）选择监视功能包括确定所述输入参量的梯度的符号以及根据所述符号选择所述监视功能。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中借助于所述监视功能监视针对所确定的机动车辆运行的监视参量（a）包括确定所述输入参量的梯度的符号以及根据所述符号监视所述监视参量（a）。

4.根据权利要求3所述的方法，其中从所述输入参量的梯度的符号中确定所述监视参量（a）的时间变化的预期符号，并且与所述监视参量的梯度的实际符号相比较。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中借助于所述监视功能监视针对所确定的机动车辆运行的监视参量（a）包含在故障情况下输出故障信号（F）。

6.根据权利要求5所述的方法，其中根据所述故障信号（F）将所述线控驱动系统转变到安全状态（S_Z），在该安全状态下所述线控驱动系统被保护，使得所检测到的失灵不再能够导致危险的行驶状况。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中根据所述监视参量选择监视功能包含选择相关的监视功能用于实施和/或将不相关的监视功能排除在实施之外。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定针对车辆运行的至少一个监视参量（a）包括首先确定所期望的行驶状态和/或运行状态。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中监视所述监视参量（a）附加地包括考虑至少一个行驶参数和/或环境参数。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述输入参量是油门踏板位置、刹车踏板位置、换挡杆位置和/或方向盘角度。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中针对机动车辆运行的至少一个监视参量（a）包括行驶速度、加速度或减速度、行驶方向、制动路径、车轮和/或发动机的转速、车轮的转向轮回转、机动车辆轨迹、发动机噪声、冲量和/或与其他交通参与者的距离。

12.一种计算单元，该计算单元被设立用于执行根据前述权利要求之一所述的方法。

13.一种机器可读存储介质，具有存储在其上的计算机程序，当所述计算机程序在计算单元上被实施时所述计算机程序促使所述计算单元执行根据权利要求1至11之一所述的方法。

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