DE10141425A1

DE10141425A1 - Verfahren zur fahrzustandsabhängigen Lenkunterstützung

Info

Publication number: DE10141425A1
Application number: DE10141425A
Authority: DE
Inventors: Avshalom Suissa
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: JP2003104221A; US20030060955A1; DE10141425B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung eines fahrzustandsabhängigen additiven Zusatzmoments am Lenkrad eines Fahrzeugs sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu finden, das den Fahrer bei der Stabilisierung des Fahrzustandes des Fahrzeugs beim Auftreten unerwünschter Gierbewegungen unterstützt. Danach wird das Zusatzmoment mittels eines Faktors kappa¶1¶ und dem Schwimmwinkel beta gebildet, wobei das Zusatzmoment diejenige Lenkradstellung vorgibt, die einer der Stabilisierung des aktuellen Fahrzustandes dienenden Radstellung der lenkbaren Fahrzeugräder entspricht. Das Zusatzmoment wird mittels eines Elektromotors auf das Lenkrad übertragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung eines fahrzustandsabhängigen additiven Zusatzmoments am Lenkrad eines Fahrzeugs sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein reales Fahrzeug hat ein Trägheitsmoment und führt z. B. bei einer Kurvenfahrt eine Gierbewegung um die Hochachse des Fahrzeugs aus. Solange diese Gierbewegung den Fahrvorgaben des Fahrers oder eines Fahrerassistenzsystems entspricht, liegt hinsichtlich der Gierbewegung des Fahrzeugs ein stabiler Fahrzustand vor und der Fahrer braucht nicht einzugreifen. Gefährliche Situationen treten jedoch bei ungewünschten bzw. unerwarteten Gierbewegungen auf, ausgelöst z. B. beim Bremsen auf glatter Straße, bei Seitenwind oder bei einer Reifenpanne. Hierdurch wird ein Störgiermoment um die Fahrzeug-Hochachse erzeugt, das zu einer für den Fahrer überraschenden Gierbewegung des Fahrzeugs führt. Aufgrund seiner Reaktionszeit und der sich eventuell anschließenden Überreaktion beherrscht der Fahrer solche Situationen oft nicht sicher und schnell genug, um eine unkontrollierte Fahrzeugbewegung zu vermeiden oder wieder zu stabilisieren, was zu einem Unfall führen kann.

Automatische Fahrer-Unterstützungssysteme können schneller und präziser reagieren als der Mensch und damit Unfälle verhindern. Es handelt sich dabei um Regelungssysteme, die die Gierbewegung, beispielsweise mittels eines Gierratensensors, messen und das verursachende Störmoment durch ein Gegenmoment kompensieren. Dieses Gegenmoment kann beispielsweise durch Einzelradbremsung oder Zusatzlenkung der Hinterräder oder Vorderräder erzeugt werden.

In der DE 196 50 691 C2 ist ein Verfahren zur Lenkunterstützung eines Fahrers eines Straßenfahrzeugs mittels Zusatzlenkung der Vorderräder offenbart. Bei dem Verfahren wird der Gesamt-Rad- Einschlagwinkel additiv aus dem vom Fahrer kommandierten Rad- Einschlagwinkel und einem kinematisch berechneten Zusatzlenkwinkel bestimmt.

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein alternatives Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu finden, das den Fahrer bei der Stabilisierung des Fahrzustandes des Fahrzeugs beim Auftreten unerwünschter Gierbewegungen unterstützt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 7 gelöst.

Danach wird das auf das Lenkrad aufgebrachte Zusatzmoment mittels eines Faktors κ₁ und dem Schwimmwinkel β gebildet. Es ist derart bestimmt, dass die durch das Zusatzmoment vorgegebene Lenkradstellung einer Radstellung entspricht, die zur Stabilisierung des aktuellen Fahrzustandes dient. Die Radstellung ist dabei vorteilhafterweise derart, dass die lenkbaren Fahrzeugräder im wesentlichen in Richtung der aktuellen Bewegungsrichtung des Fahrzeugschwerpunktes ausgerichtet sind. Wird das Lenkrad in die durch das Zusatzmoment vorgegebene Lenkradstellung bewegt, so erfolgt aufgrund der entsprechenden Radstellung der lenkbaren Fahrzeugräder eine Stabilisierung des Fahrzustandes des Fahrzeugs bzw. die Tendenz des Fahrzeugs, einen instabilen Fahrzustand einzunehmen wird reduziert.

Bei dem Beginn eines Schleudervorgang des Fahrzeugs liegen große Schwimmwinkel vor. Das Zusatzmoment gibt dann eine Lenkradstellung vor, der eine Radstellung entspricht, die eine Verringerung des aktuellen Schwimmwinkels bewirkt. Dem Fahrer wird durch das Zusatzmoment eine haptische Rückmeldung gegeben, in welche Richtung das Lenkrad und damit die lenkbaren Räder des Fahrzeugs zu steuern sind, um die Fahrstabilität wiederzuerlangen bzw. zu erhöhen.

Die haptische Rückmeldung mittels des Zusatzmoments am Lenkrad des Fahrzeugs ist zweckmäßigerweise so gestaltet, dass der Fahrer das Lenkrad noch gegen das Zusatzmoment festhalten kann. Der Betrag des Zusatzmoments kann hierfür z. B. auf einen Maximalwert begrenzt werden. Da der Fahrer über die haptische Rückmeldung die Hoheit über das Fahrzeug behält, stellt das Verfahren eine ideale Fahrerunterstützung dar, die ihm die Kontrolle über das Fahrzeug überlässt. Die Lenkaufgabe wird ihm nicht vollständig abgenommen, sondern der Fahrer wird bei der Lenkaufgabe unterstützt.

Das Zusatzmoment kann über den Faktor κ₁ direkt proportional zum Schwimmwinkel β sein.

Die einfache Berechnung des Zusatzmoments über den Faktor κ₁ und den Schwimmwinkel β bindet geringe Rechenkapazitäten. Der Faktor κ₁ ist prinzipiell beliebig vorgebbar und kann auch von anderen Fahrzustandswerten des Fahrzeugs abhängen, z. B. von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Der Wert des Faktors bzw. im geschwindigkeitsabhängigen Fall, der Zusammenhang zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Faktor kann im vorhinein über Modellrechnungen bestimmt werden.

Das Verfahren kann bei Lenksystemen mit einer mechanischen bzw. hydraulischen Verbindung zwischen dem Lenkrad und den lenkbaren Fahrzeugrädern wie auch bei sogenannten "Steer-by-Wire"- Systemen angewendet werden, bei denen keine permanente mechanische bzw. hydraulische Verbindung zwischen dem Lenkrad und der lenkbaren Fahrzeugrädern besteht.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Bildung des additiven Zusatzmoments die Giergeschwindigkeit und/oder die Gierbeschleunigung mit berücksichtigt. Aufgrund dieser zusätzlichen Anteile bei der Bestimmung des additiven Zusatzmoments eignet sich das Verfahren auch zur Verbesserung der Handlings-Eigenschaften des Fahrzeugs im "Normalfahrbereich", d. h. bei einem hinsichtlich der Gierbewegung stabilen Fahrzustand, wobei verglichen mit instabilen Gierbewegungen (z. B. Schleudern) kleinere Werte für den Schwimmwinkel β vorliegen.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die untergeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung einer Ausführungsform zu verweisen. In der Zeichnung sind eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine entsprechende Vorrichtung dargestellt. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung,
Fig. 1 die Verarbeitungseinheit und die Überlagerung des Zusatzmomentes mit dem vom Fahrer aufgebrachten Moment am Lenkrad,
Fig. 2 das additive Zusatzmoment M_A in Abhängigkeit des Schwimmwinkels β bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 ein Fahrzeug in Draufsicht, wobei sowohl die aktuelle Radstellung der lenkbaren Räder als auch die Radstellung, die der durch das erfindungsgemäße Verfahren dem Fahrer vorgegebenen Lenkradstellung entspricht, gezeigt ist und
Fig. 4 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Generierung eines fahrzustandsabhängigen additiven Zusatzmomentes auf das Lenkrad 3 eines Fahrzeugs 5, wie z. B. eines PKW oder eines LKW, hat zum Ziel, den Fahrer bei seiner Fahraufgabe zu unterstützen, insbesondere dann, wenn sich das Fahrzeug 5 im Übergangsbereich vom stabilen zum instabilen Fahrzustand hinsichtlich der Gierbewegung des Fahrzeugs 5 befindet.
Eine ungewollte Gierbewegung des Fahrzeugs 5 deutet sich durch einen Schwimmwinkel β an, der einen bestimmten Grenzwert überschreitet, beispielsweise etwa 6°. Zur Stabilisierung des Fahrzeugs ist dann ein Lenkeingriff notwendig. Erfindungsgemäß wird zur Unterstützung des Fahrers durch eine Vorrichtung 10 ein Zusatzmoment M_A auf das Lenkrad aufgebracht, um dem Fahrer eine haptische Rückmeldung zu geben, welche Lenkradbewegung zur Stabilisierung des Fahrzeugs 5 in der vorliegenden Fahrsituation notwendig ist. Die Vorrichtung 10 führt keinen selbsttätigen Lenkeingriff durch, sondern gibt lediglich einen Lenkradwinkel und somit die entsprechende Radstellung der lenkbaren Fahrzeugräder 6, 7 vor, die einen stabilisierenden Einfluss auf die Gierbewegung des Fahrzeugs hat. Folgt der Fahrer der Vorgabe, so wird der Schwimmwinkel β reduziert und die Gierbewegung des Fahrzeugs 5 stabilisiert sich wieder. Der Fahrer könnte hierzu des Lenkrad einfach loslassen, so dass das Zusatzmoment M_A das Lenkrad automatisch in die zur Stabilisierung der Gierbewegung erforderliche Lenkradstellung bringen würde.
Fig. 3 zeigt schematisch das Fahrzeug 5 in Draufsicht mit der Fahrzeuglängsachse x und der Fahrzeugquerachse y. Das Fahrzeug 5 soll einer Straße 4 entlang einer Rechtskurve folgen. Die lenkbaren Fahrzeugräder 6, 7 haben daher die mit durchgezogener Linie dargestellte erste Radstellung 8 und zeigen in Richtung des Straßenverlaufs. Die tatsächliche Bewegungsrichtung des Fahrzeugs 5 ist durch den Geschwindigkeitsvektor "v" gezeigt. Das Fahrzeug 5 bewegt sich momentan zur kurvenäußeren Seite hin. Die durch die erste Radstellung 8 vorgegebene Gierbewegung kann das Fahrzeug 5 nicht ausführen, z. B. aufgrund zu geringer Seitenkräfte auf die Fahrzeugräder bei glatter Straße 4. Wegen dieser Abweichung zwischen gewollter und tatsächlicher Gierbewegung ergibt sich ein großer Schwimmwinkel β von z. B. 10° (in Fig. 3 nur qualitativ und nicht quantitativ dargestellt). Um diesem instabilen Gierverhalten entgegenzuwirken wird ein Zusatzmoment M_A auf das Lenkrad 3 aufgebracht, das dem Fahrer die Lenkradstellung vorgibt, die er zur Stabilisierung des Fahrzustandes einstellen soll. Diese Vorgabe der Lenkradstellung entz spricht der in Fig. 3 gestrichelt gezeigten zweiten Radstellung 9 der lenkbaren Räder 6, 7, wobei diese in etwa parallel zur aktuellen Bewegungsrichtung des Fahrzeugschwerpunktes ausgerichtet sind.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Zusammenwirkens zwischen Zusatzmoment M_A und des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments M_Fahrer an. Die Summe aus dem Zusatzmoment M_A und dem Handmoment M_Fahrer werden an das Lenksystem 16 übergeben, welches den Lenkwinkel δ an den lenkbaren Rädern 6, 7 einstellt.
Nach der Stabilisierung der Gierbewegung des Fahrzeugs 5 kann der Fahrer das Fahrzeug 5 wieder entlang der gewünschten Fahrspur steuern.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Zusatzmoment M_A gemäß der Funktion f in einer Verarbeitungseinheit 11 der Vorrichtung 10 bestimmt:

f: M_A = κ₁(v).β + κ₂(v) ≙ + κ₃(v) ≙

wobei
κ₁(v), κ₂(v), κ₃(v) geschwindigkeitsabhängige, frei vorgebbare Faktoren,
β der Schwimmwinkel,
≙ die Gierrate und
≙ die Gierbeschleunigung sind.
Die Eingangsgrößen Giergrate ≙, Gierbeschleunigung ≙ und Geschwindigkeit v des Fahrzeugs können durch geeignete Mittel 12, 13, 14 gemessen werden. Mittels der Gierrate ≙, der Querbeschleunigung a_quer - die ebenfalls mit geeigneten Mitteln 15 gemessen werden kann - und der Fahrzeuggeschwindigkeit v kann die aktuelle Schwimmwinkelgeschwindigkeit ≙ kinematisch bestimmt werden. Der Schwimmwinkel β wird dann durch Integration der Schwimmwinkelgeschwindigkeit ≙ ermittelt. Die Bestimmung des Schwimmwinkels β erfolgt beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 in der Verarbeitungseinheit 11. Die Eingangsgrößen Giergrate ≙, Gierbeschleunigung ≙, Fahrzeuggeschwindigkeit v und Querbeschleunigung a_quer werden der Verarbeitungseinheit 11 dabei von den Mitteln 12, 13, 14, 15 zugeführt (Fig. 4).
Die Faktoren κ₁, κ₂, κ₃ werden über Modellrechnungen bestimmt und sind bei der bevorzugten Ausführungsform geschwindigkeitsabhängig gewählt. Sie sind grundsätzlich beliebig wählbar und in der Verarbeitungseinheit 11 abgelegt. In erster Näherung ist eine geschwindigkeitsabhängige Betrachtung aber nicht notwendig.
Aufgrund der Berücksichtigung der Gierrate ≙ und der Gierbeschleunigung ≙ bei der Bestimmung des Zusatzmomentes M_A erfolgt nicht nur eine Fahrer-Lenkunterstützung im Bereich fahrzustandskritischer Gierbewegungen, sondern es wird eine zusätzliche Unterstützung des Fahrers auch im fahrzustandsunkritischen Normalfahrbereich erzielt. Das Handling des Fahrzeugs 5 wird dem Fahrer dadurch erleichtert.
Die Faktoren κ₂ bzw. κ₃ können konstant auf Null gesetzt werden sofern die Fahrerunterstützung durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 nur für ein verbessertes Verhalten im Übergangsbereich vom stabilen zum instabilen Fahrzustand des Fahrzeugs 5 dienen soll.
Bei der Festlegung der Faktoren κ₁, κ₂, κ₃ ist darauf zu achten, dass das additive Zusatzmoment M_A als haptische Rückmeldung über das Lenkrad 3 an den Fahrer gedacht ist. Die Faktoren κ₁, κ₂, κ₃ sind daher so festgelegt, dass das Zusatzmoment M_A begrenzt ist und der Fahrer die Hoheit über die Lenkradbewegung nicht verliert.
Alternativ kann das Zusatzmoment M_A unabhängig von den Faktoren κ₁, κ₂, κ₃ betragsmäßig auf einen Maximalwert M_A,max begrenzt werden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Auch dadurch ist gewährleistet, dass das auf das Lenkrad 3 aufgebrachte Zusatzmoment M_A keine Werte annimmt, die dem Fahrer das Lenkrad 3 aus der Hand reissen würden.
In Fig. 2 ist das additive Zusatzmoment M_A in Abhängigkeit vom Schwimmwinkel β dargestellt. Die Faktoren κ₂, κ₃ wurden hier konstant auf Null gesetzt. Der Bereich für kleine Schwimmwinkel, also -6° < β < +6°, entspricht dem Normalfahrbereich, wobei kein Zusatzmoment M_A auf das Lenkrad 3 aufgebracht wird. Beträgt der Betrag des Schwimmwinkels β etwa 6°, so wird darauf geschlossen, dass sich das Fahrzeug 5 im Übergangsbereich von einem stabilen Gierverhalten zu einem instabilen Gierverhalten befindet. Auf das Lenkrad 3 wirkt zur haptischen Rückmeldung an den Fahrer bei größer werdenden Schwimmwinkeln - beispielsgemäß β < -6° und β > +6° - ein Zusatzmoment M_A ein, das ihm die Lenkradstellung und damit auch die entsprechende Radstellung der lenkbaren Fahrzeugräder 6, 7 vorgibt, bei der sich die Gierbewegung des Fahrzeugs 5 wieder stabilisiert.
Das in der Verarbeitungseinheit 11 ermittelte additive Zusatzmoment M_A wird mittels eines Motors, beispielsgemäß eines Elektromotors 2, auf das Lenkrad 3 der Fahrzeugs 5 übertragen. Der Elektromotor 2 greift hierfür an der Lenksäule 1 an. Grundsätzlich kann der Elektromotor 2 an jedem in Drehrichtung des Lenkrades 3 drehfest mit dem Lenkrad 3 verbundenen Teil zur Übertragung eines Zusatzmomentes M_A auf das Lenkrad 3 angreifen.
Der Elektromotor 2 ist beim Ausführungsbeispiel als Hohlwellenmotor ausgebildet. Alternativ zum Elektromotor 2 können auch andere Motoren, wie fluidisch betriebene Motoren eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Generierung eines fahrzustandsabhängigen additiven Zusatzmoments am Lenkrad (3) eines Fahrzeugs (5), wobei das Zusatzmoment mittels eines Faktors κ₁ und dem Schwimmwinkel β gebildet wird, und wobei das Zusatzmoment diejenige Lenkradstellung vorgibt, die einer der Stabilisierung des aktuellen Fahrzustandes dienenden Radstellung der lenkbaren Fahrzeugräder (6, 7) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Zusatzmoment vorgegebene Lenkradstellung einer Radstellung entspricht, bei der die lenkbaren Fahrzeugräder im wesentlichen in Richtung der aktuellen Bewegungsrichtung des Fahrzeugschwerpunktes ausgerichtet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmoment zusätzlich mittels eines Faktors κ₂ und der Giergeschwindigkeit gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmoment zusätzlich mittels eines Faktors κ₃ und der Gierbeschleunigung gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor κ₁ und/oder der Faktor κ₂ und/oder Faktor κ₃ geschwindigkeitsabhängig gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Zusatzmoments nur so groß ist, dass der Fahrer das Lenkrad noch gegen das Zusatzmoment festhalten kann.

7. Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Mittel zur Bestimmung des Schwimmwinkels vorhanden sind, wobei der Schwimmwinkel zur Bestimmung des Zusatzmomentes einer Verarbeitungseinheit (11) zugeführt wird, die einen Elektromotor ansteuert, der das Zusatzmoment auf das Lenkrad überträgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich
Mittel (13) zum Messen der Giergeschwindigkeit vorhanden sind und/oder
Mittel (14) zum Messen der Gierbeschleunigung vorhanden sind und/oder
Mittel zum Messen der Fahrzeuggeschwindigkeit (12) vorhanden sind,
wobei die Giergeschwindigkeit und/oder die Gierbeschleunigung und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit der Verarbeitungseinheit zur Bestimmung des Zusatzmomentes zugeführt werden.