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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Radposition.
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In der Automobilindustrie werden elektronische Komponenten in den Reifen oder Rädern verbaut, um zum Beispiel den Reifendruck zu überwachen. Diese Radelektroniken senden auf berührungslosen Weg, zum Beispiel mittels einer hochfrequenten Übertragung (RF-Übertragung), Daten an eine Auswerteeinheit im Fahrzeug. Um die Daten der Radelektroniken auszuwerten bzw. deren Systemfunktion ausführen zu können, ist es oft nötig, die Position der Radelektroniken zu kennen, das heißt die Zuordnung der Radelektroniken zu Vorder- und Hinterreifen bzw. rechts und links eindeutig unterscheiden zu können. Dies kann nötig sein, um bei einem Reifendruckkontrollsystem eine Warnung für eine konkrete Reifenposition auszugeben oder bei den Druckgrenzwerten nach Vorder- oder Hinterachse zu unterscheiden.
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In herkömmlichen Ansätzen wird die Lokalisierung von Radelektroniken bei Reifendruckkontrollsystemen unter anderem mit Hilfe von Beschleunigungsmessungen im Reifen durchgeführt. Um eine solche Lokalisierung durchzuführen, können dabei verschiedene, nachfolgend exemplarisch aufgeführte Funktionsprinzipien eingesetzt werden, die nachfolgend kurz beschrieben werden sollen.
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In der
EP 1 003 647 B1 wurde zur Lokalisierung der Radelektroniken eine Messung einer Tangentialbeschleunigung a
tangential und einer Radialbeschleunigung a
radial eines Reifens vorgeschlagen, wie sie in
6 der Zeichnung dargestellt sind. Aufgrund der spiegelbildlichen Anordnungen im Fahrzeug haben die Radelektroniken auf der rechten und linken Fahrzeugseite eine entgegengesetzte Drehrichtung. Aus dem Vorzeichen der Tangentialbeschleunigung a
tangential und der Änderung der Radialbeschleunigung a
radial kann somit die Drehrichtung ermittelt und damit eine Seitenlokalisierung realisiert werden. Die Änderung der Radialbeschleunigung a
radial gibt dabei eine Information über Beschleunigungs- oder Bremsvorgänge.
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Ein weiteres Funktionsprinzip zur Lokalisierung von Radelektroniken bei Reifendruckkontrollsystemen wurde beispielsweise in der
US 6204758 B1 beschrieben. Hierin erfolgt eine Messung mit zwei Tangentialsensoren, wobei eine Tangentialbeschleunigung eines Rades an zwei Punkten mit bekanntem Abstand gemessen wird. Aus der Phasenverschiebung zwischen den beiden Beschleunigungssignalen lässt sich die Drehrichtung der Räder und damit die Zuordnung zu der rechten oder linken Fahrzeugseite feststellen.
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Aus der
US 627 83 63 B1 ist ein System zum Bestimmen einer Radposition durch Auswerten einer in achsialer wirkenden Kraft bzw. Beschleunigung bekannt. Zur Bestimmung der Achse des Rads wird ein Beschleunigungswert eines vorderen Rads mit dem Wert eines hinteren Rads während einer Kurvenfahrt verglichen.
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Aus der
EP 12 81 949 A2 ist eine Vorrichtung zur Überwachung einer möglichen Ablösung des Reifenmantels von der Felge bekannt. Es werden verschiedenste Reifenparameter wie Beschleunigungen, Temperatur und Druck über einen bestimmten Zeitraum gemessen und mit einem Schwellenwert verglichen.
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Außerdem ist eine Messung der Radialbeschleunigung a
radial zur Lokalisierung von Radelektroniken bei Reifendruckkontrollsystemen beispielsweise aus der
WO 02/30692 A1 bekannt. Bei Kurvenfahrten drehen sich die äußeren Räder schneller als die inneren und haben daher eine höhere Radialbeschleunigung. In Verbindung mit einer Information über den Lenkwinkel (bzw. über die Kurvenrichtung in die das Fahrzeug fährt) kann dann eine Seitenlokalisierung, vorgenommen werden.
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Alle diese Ansätze zur Lokalisierung eines Rades haben den gemeinsamen Nachteil, dass sie nur eine Unterscheidung der Räder nach der Fahrzeugseite ermöglichen. Für eine vollständige Lokalisierung, das heißt insbesondere eine Zuordnung der Räder zu den Achsen eines Fahrzeugs, müssen diese vorstehend genannten Funktionsprinzipien mit anderen Prinzipien kombiniert werden, wie es beispielsweise in der
DE 10135936 A1 mit einer Achslokalisierung über eine Feldstärkenmessung eines hochfrequenten Feldes vorgeschlagen wurde. Eine solche Kombination der vorgenannten Beschleunigungsmessung mit anderen Prinzipien erfordert jedoch, dass weitere Meßsysteme bereitgestellt werden müssen, die sich von den vorstehend genannten Beschleunigungsmesssystemen teilweise erheblich unterscheiden. Eine parallele Ausgestaltung von zwei verschiedenen Meßsystemen für die Lokalisierung der Radelektroniken erfordert jedoch neben einem erhöhten Platzbedarf für die beiden Meßsysteme auch erhöhten Kostenaufwand, da zwei, oftmals aus grundsätzlich verschiedenen physikalischen Prinzipien resultierende Messwerte umgerechnet und dann gemeinsam verarbeitet werden müssen.
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Außerdem gibt es weitere Lokalisierungsansätze, die jedoch wieder auf grundsätzlich anderen Prinzipien als der Beschleunigungsmessung beruhen. In diesem Zusammenhang sei zum Beispiel die
WO 03/3043 A1 genannt, bei der eine Messung einer Sendefeldstärke der Radelektroniken anhand einer oder mehreren exzentrisch angeordneten Antennen vorgeschlagen wird. Durch die analoge Messung der Sendefeldstärke kann allerdings bei einem hohen Störpegel die Lokalisierung der einzelnen Radelektroniken problematisch sein. Weiterhin wurde beispielsweise in der
WO 02/51654 A1 eine gezielte Triggerung einzelner Radelektroniken über LF-Antennen (= Langwellen-Antennen) in den Radkästen vorgeschlagen. Dies erfordert neben einem zusätzlichen Platzaufwand in den Radkästen auch den Betrieb des Lokalisierungssystems in möglichst störungsarmer Umgebung. Ferner wurde beispielsweise in der
US 6580365 B2 vorgeschlagen, eine Modulation eines hochfrequenten Signals (RF-Signal) über einen Hochfrequenz-Absorber (RF-Absorber) in den Radkästen durchzuführen. Neben dem zuvor bereits angeführten erhöhten Platzbedarf weist auch dieser Ansatz den Nachteil auf, dass er lediglich bei niedrigen Störpegeln optimal funktionieren kann.
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Als weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Position von Radelektroniken schlägt beispielsweise die
US 6243007 B1 vor, eine manuelle Lokalisierung mit Hilfe von LF-Trigger-Tools (Niederfrequenz-Triggerwerkzeugen) durchzuführen, mit denen die Räder gezielt angesprochen werden (beispielsweise in einer bestimmten Reihenfolge). Ein solcher Ansatz weist allerdings den Nachteil auf, dass hierdurch nicht gleichzeitig die Position von allen Rädern auf einmal erfasst werden können. Ferner müssen durch manuelle Eingriffe die einzelnen Räder separat angesprochen werden, wodurch der Komfort und die Kunden-Akzeptanz des in der
US 6,243,007 beschriebenen Systems leiden kann.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Radposition zu schaffen, die kostengünstig einsetzbar sind und die sowohl zur Bestimmung der Seitenposition als auch der Achsposition der Räder verwendet werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Radposition gemäß Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einer Kurvenfahrt eine axiale Beschleunigung auf die einzelnen Räder unterschiedlich stark ist oder ein unterschiedliches Vorzeichen hat und diese Information zu einer Bestimmung der Position eines bestimmten Rades in Bezug auf ein weiteres Rad oder seine Lage am Fahrzeug verwendet werden kann. Beispielsweise ist meist ein vorderes Rad eines Kraftfahrzeugs lenkbar wodurch das vordere Rad bei einer Kurvenfahrt einen größeren Kurvenbogen ausführt, als das hintere Rad des Kraftfahrzeugs, das die Kurven „schneidet”. Hieraus resultiert durch den engeren Kurvenradius eine am vorderen Rad angreifende höhere Fliehkraft bzw. durch den stärker variierenden Kurvenradius eine in einem größeren Rahmen schwankende Fliehkraft bei der Kurvenfahrt als eine Fliehkraft, die auf das hintere Rad wirkt. Diese unterschiedlich starken Axial-Kräfte lassen sich daher zur Unterscheidung der Position des Rades als vorderes Rad oder als hinteres Rad ausnutzen. Ein solches Unterscheidungsprinzip lässt sich sowohl für einspurige Kraftfahrzeuge wie beispielsweise Motorräder als auch für zweispurige Kraftfahrzeuge wie beispielsweise Personenkraftwagen einsetzen.
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Zusätzlich kann die Richtung der einzelnen Axial-Kräfte, beispielsweise in Richtung von Innenseiten der Räder oder Außenseiten der Räder oder der Vergleich der axialen Beschleunigungen von zwei Rädern zu einer Bestimmung einer Fahrzeugseite des Kraftfahrzeugs verwendet werden, an der das bestimmte Rad befestigt ist.
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Gemäß der Erfindung sind hierzu zwei Verfahren vorgesehen:
- a) Es kann eine Vorzeichenbetrachtung der axialen Beschleunigung in Verbindung mit einer Information über die Kurvenrichtung vorgenommen werden. Bei diesem Verfahren ist kein Vergleich von zwei Sensorsignalen notwendig. Es genügt ein Sensorsignal, das entsprechend ausgewertet wird.
- b) Es kann ein Vergleich der axialen Beschleunigungswerte von zumindest zwei Rädern und zusätzliche Berücksichtigung der Kurvenrichtung vorgenommen werden. Hierbei sind zwei Sensorsignale von unterschiedlichen Rädern erforderlich, die miteinander verglichen werden. Dabei können die Werte aller Räder oder in einer Minimalvariante die Werte zumindest ein rechtes oder ein linkes Rad des Fahrzeuges miteinander verglichen werden.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Ansatzes besteht darin, dass die Auswertung der axialen Beschleunigung für die Lokalisierung gegenüber den herkömmlichen Ansätzen einen besseren Schutz gegen Umgebungsstörungen bietet, wobei zugleich auch eine Erweiterung einer Funktionalität der Vorrichtung zum Bestimmen, etwa der Funktionalität der Erfassung eines Reifendrucks oder einer Reifentemperatur, gegenüber dem Stand der Technik einfacher realisierbar ist. Weiterhin kann bei einer Ausstattung aller Räder des Kraftfahrzeugs mit einem entsprechenden Sensor die exakte Position jedes Rades bestimmt werden, ohne auf ein weiteres Messsystem auf der Basis eines anderen physikalischen Prinzips zurückgreifen zu müssen. Dies ermöglicht eine Kostenreduktion bei der Bereitstellung einer solchen Vorrichtung zum Bestimmen der Position des bestimmten Rades gegenüber einem herkömmlichen Ansatz. Schließlich lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch flexibel einsetzen, da beispielsweise die bereitgestellten Lokalisationssignale mit den Informationen über die Axial- bzw. Querbeschleunigung auch für weitere Anwendungen im Kraftfahrzeug einsetzbar sind, beispielsweise für eine elektronische Fahr-Stabilitätsregelung.
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Das Kraftfahrzeug umfasst ein vorderes und ein hinteres Rad und das erste und zweite Lokalisationssignal ist je von einem Betrag oder Betrag und Richtung der Axial-Kraft des entsprechenden Rades abhängig. Die Einrichtung zum Auswerten ist hierbei ausgebildet, um aus dem Vergleich des ersten und zweiten Lokalisationssignal das bestimmte Rad als vorderes Rad zu erkennen, wenn der maximal auftretende Betrag der auf das bestimmte Rad wirkenden Axial-Kraft größer ist, insbesondere während einer Kurvenfahrt betragsmäßig größere Werte erreicht, oder innerhalb einer größeren Bandbreite schwankt, als der Betrag der auf das weitere Rad wirkenden Axial-Kraft und das bestimmte Rad als hinteres Rad zu erkennen, wenn der maximal auftretende Betrag der auf das bestimmte Rad wirkenden Axial-Kraft kleiner ist, insbesondere während einer Kurvenfahrt betragsmäßig kleinere Werte erreicht, oder innerhalb einer kleineren Bandbreite schwankt, als der Betrag der auf das weitere Rad wirkenden Axial-Kraft. Ein solcher Ansatz zur Erkennung der Position des bestimmten Rades bietet den Vorteil, dass durch einen gegenüber herkömmlichen Ansätzen einfach auszuführenden Größenvergleich der Beträge der Axial-Kräfte oder durch die Feststellung der Schwankungsbandbreite der Axial-Kräfte eine eindeutige Zuordnung der Lokalisationssignale zu den entsprechenden Rädern möglich ist.
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Das Kraftfahrzeug hat ein zum bestimmten Rad seitlich versetzt angeordnetes zusätzliches Rad, wobei das bestimmte Rad eine dem zusätzlichen Rad zugewandte Innenseite und eine dem zusätzlichen Rad abgewandte Außenseite und das zusätzliche Rad eine dem bestimmten Rad zugewandet Innenseite und eine dem bestimmten Rad abgewandte Außenseite umfasst. Der erste Sensor ist ausgebildet, um dem Lokalisationssignal ein erstes Vorzeichen zuzuweisen, wenn die auf das bestimmte Rad wirkende Axial-Kraft in Richtung der Außenseite des bestimmten Rades gerichtet ist und dem Lokalisationssignal ein dem ersten Vorzeichen entgegengesetztes zweites Vorzeichen zuzuweisen, wenn die auf das bestimmte Rad wirkende Axial-Kraft in Richtung der Innenseite des bestimmten Rades gerichtet ist. Die Einrichtung ist zum Auswerten ausgebildet, um eine seitliche Position des bestimmten Rades unter Verwendung der Vorzeichen des Lokalisationssignals und einer Information über die Kurvenrichtung zu bestimmen. Eine solche Vorrichtung zum Bestimmen der Position des bestimmten Rades bietet den Vorteil, insbesondere bei zweispurigen Kraftfahrzeugen für die Lokalisierung des bestimmten Rades mit berücksichtigt zu werden. Allerdings ist mit dieser Methode allein nur eine Seitenzuordnung des entsprechenden Rades oder der entsprechenden Räder möglich. In Kombination mit einem bereits oben beschriebenen Verfahren zur Achslokalisierung kann die dann auch die exakte Position des Rades (z. B. links vorne, rechts hinten) bestimmt werden. Insgesamt ermöglicht dies daher eine kostengünstige und flexibel einsetzbare Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines bestimmten Rades aus einer Mehrzahl von Rädern bereitzustellen.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das Kraftfahrzeug ein zum bestimmten Rad seitlich versetzt angeordnetes zusätzliches Rad, wobei das bestimmte Rad eine dem zusätzlichen Rad zugewandte Innenseite und eine dem zusätzlichen Rad abgewandte Außenseite und das zusätzliche Rad eine dem bestimmten Rad zugewandet Innenseite und eine dem bestimmten Rad abgewandte Außenseite umfasst. Der erste Sensor ist ausgebildet, um dem Lokalisationssignal einen von der Axialbeschleunigung auf dem bestimmten Rad abhängigen ersten Betrag oder Wert zuzuweisen. Ferner hat dann die Vorrichtung zum Bestimmen einen weiteren Sensor, der mit dem zusätzlichen Rad gekoppelt ist, wobei der weitere Sensor ausgebildet ist, um dem Lokalisationssignal einen von der Axialbeschleunigung auf dem zusätzlichen Rad abhängigen zweiten Betrag oder Wert zuzuweisen. In dieser Ausführungsform ist dann die Einrichtung zum Auswerten ausgebildet, um eine seitliche Position des bestimmten Rades in Bezug zum zusätzlichen Rad aus dem ersten und zweiten Lokalisationssignal bzw. den entsprechend diesen Signalen zugeordneten Werten abzuleiten. Bei diesem Verfahren werden die Beträge oder Werte der Lokalisationssignale und damit die diesen Lokalisationssignalen zugeordneten der Axialbeschleunigungen miteinander verglichen, um bei der Kurvenfahrt innere und äußere Räder voneinander zu unterscheiden und daraus zum Beispiel unter Verwendung der Kurvenrichtungsinformation die jeweilige Seite des Rades zu dentifizieren. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren zur Seitenlokalisation wird ausgenutzt, dass die sich in einer Kurve außen befindlichen Räder eine höhere Beschleunigung erfahren als die innen befindlichen Räder. In Verbindung mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Achslokalisation, ist hier zudem vorteilhafterweise eine vollständige Lokalisation möglich, also die Bestimmung der genauen Position eines jeweiligen Rades.
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In einer weiteren Ausführungsform können das bestimmte Rad und das weitere Rad je eine Luftkammer aufweisen. Der erste Sensor ist mit der Luftkammer des bestimmten Rades gekoppelt und der zweite Sensor mit der Luftkammer des weiteren Rades. Der erste oder zweite Sensor ist ferner ausgebildet, um einen Druck oder eine Temperatur in der entsprechenden Luftkammer zu erfassen. Eine solche Ausführungsform der Vorrichtung zum Bestimmen bietet den Vorteil, neben einer Information, die für die Positionsbestimmung eines Rades notwendig ist, zugleich auch eine weitere Information wie den Reifendruck oder die Reifentemperatur zu erfassen, um diese beispielsweise für eine Sicherheitsüberprüfung der Reifen während der Fahrt nutzen zu können. Eine derartige kombinierte Erfassung von Informationen über den Reifen spart somit Platz in dem Kraftfahrzeug und Kosten, da ein separates Reifendruck- und Reifentemperatur-Messsystem entfallen kann.
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Zusätzlich kann in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet sein, dass der erste Sensor ausgebildet ist, um das erste Lokalisationssignal drahtlos an die Einrichtung zum Auswerten zu übertragen oder der zweite Sensor ausgebildet ist, um das zweite Lokalisationssignal drahtlos an die Einrichtung zum Auswerten zu Übertragen. Eine solche Drahtlosübertragung kann eine Kostenreduktion und eine technische Vereinfachung durch das Entfallen von Kabelverbindungen zwischen dem drehbar angeordneten Rad und der oftmals mit dem Fahrzeug-Chassis verbundenen Einrichtung zum Auswerten bewirken.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erste oder zweite Sensor ausgebildet, um für eine Übertragung eines Lokalisationssignals zu der Einrichtung zum Auswerten ein Übertragungsprotokoll mit einer Mehrzahl von Datenfeldern zu verwenden. In einem ersten Datenfeld ist der Wert einer auf das Rad wirkenden Axial-Kraft und in einem weiteren Datenfeld eine Information über die Temperatur oder den Druck in der Luftkammer des Rades speicherbar. Das Verwenden eines solchen Übertragungsprotokolls für die Übertragung der Daten von den Sensoren zu der Einrichtung zum Auswerten bietet den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise die Informationen bezüglich der Axial-Kraft als auch der Information über die Reifentemperatur oder den Reifendruck in einem Signalisierungsburst übertragen werden können und somit eine einheitliche, kompakte und effizientere Übertragung der zu übertragenden Informationen erfolgen kann, als dies im Stand der Technik möglich ist.
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Ferner können der erste und der zweite Sensor ausgebildet sein, um das erste und zweite Lokalisationssignal in digitaler Form bereitzustellen. Eine solche Bereitstellung eines Lokalisationssignals in digitaler Form ermöglicht eine Übertragung des Lokalisationssignals, die gegen eine Störung besser geschützt ist, als eine analoge Übertragung der Informationen zwischen den entsprechenden Sensoren und der Einrichtung zum Auswerten.
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Außerdem ist der erste oder zweite Sensor derart ausgebildet, um für kleine Beschleunigungswerte ein präzises Lokalisationssignal bereitzustellen. Typische und vorteilhafte Werte für die Beschleunigung liegen im Bereich der doppelten Erdbeschleunigung (±2 g). Dies bietet den Vorteil, dass insbesondere bei geringen Kurvengeschwindigkeiten noch eine ausreichende Unterscheidung zwischen den Axial-Kräften des bestimmten Rades in Bezug auf das weitere Rad durch die Einrichtung zum Auswerten möglich ist. Davon unbenommen bleibt selbstverständlich, dass der Sensor bezüglich seiner mechanischen und/oder thermischen Beanspruchbarkeit auch für größere Beschleunigungswerte ausgelegt sein muss.
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Ferner kann die Einrichtung zum Auswerten ausgebildet sein, um eine Information über einen Lenkwinkel, eine Lenkrichtung oder eine Information aus einem Navigationsgerät zu erhalten, um ansprechend auf die erhaltene Information den ersten Sensor zum Ausgeben eines ersten Lokalisationssignals und den zweiten Sensor zum Ausgeben eines zweiten Lokalisationssignals aufzufordern. Dies bietet den Vorteil, dass besonders aussagekräftige oder charakteristische Bereiche oder Intervalle aus dem Fahrtverlauf ausgewählt werden können und eine Auswertung der Beschleunigungsdaten insbesondere dann erfolgen kann, wenn das Kraftfahrzeug eine Kurve fährt und somit gegenüber der geraden Fahrt die Axial-Kräfte besonders stark auftreten.
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Vorzugsweise ist der erste oder zweite Sensor ausgebildet, um unter bestimmten Fahrbedingungen, insbesondere bei großen axialen Beschleunigungen oder einer starken Änderung der Beschleunigung häufiger als bei normalen Fahrbedingungen Lokalisationssignale zu senden. Dies bietet den Vorteil, dass unter den bestimmten Fahrbedingungen in der Regel besonders aussagekräftige Lokalisationssignale erhalten werden, die eine zuverlässige Positionsbestimmung ermöglichen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Einrichtung zum Auswerten ausgebildet sein, um eine Mehrzahl von zeitlich aufeinander folgenden ersten Lokalisationssignalen und eine Mehrzahl von zeitlich aufeinander folgenden zweiten Lokalisationssignalen zum Bestimmen der Position des bestimmten Rades zu berücksichtigen. Ein solcher Ansatz hat den Vorteil, dass eine Mittelung der in den Lokalisationssignalen enthalten Informationen erfolgen kann und die negativen Auswirkungen des Auftretens eines kurzzeitigen Fehlerwertes somit weitgehend eliminiert werden kann.
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In einer die vorstehende Ausführungsform weiterbildenden Ausführungsform ist eines der ersten Lokalisationssignale von einen hohen Betrag der auf das bestimmte Rad wirkenden Axial-Kraft abhängig und ein weiteres der ersten Lokalisationssignale von einem niedrigen Betrag der auf das bestimmte Rad wirkenden Axial-Kraft abhängig. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Auswerten ausgebildet ist, um das von dem hohen Betrag der Axial-Kraft abhängige erste Lokalisationssignal für das Bestimmen der Position des bestimmten Rades zu verwenden und das von dem niedrigen Betrag der Axial-Kraft abhängige erste Lokalisationssignal für das Bestimmen der Position des bestimmten Rades nicht zu verwenden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass insbesondere diejenigen Lokalisationssignale verwendet werden, die ein hohe Differenz der Axial-Kräfte des vorderen und hinteren Rades erwarten lassen, wodurch sich eine eindeutigere und damit leichtere Bestimmung der Position des bestimmten Rades realisieren lässt.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zum Bestimmen eine Einrichtung zum Regeln einer Fahrstabilität, wobei die Einrichtung zum Regeln ausgebildet ist, um das erste und/oder zweite Lokalisationssignal zum Regeln der Fahrstabilität zu verwenden. Eine solche Vorrichtung zum Bestimmen bietet den Vorteil, dass beispielsweise die Information über die auf eines der Räder wirkende Axial-Kraft neben der Positionsbestimmung des bestimmten Rades zugleich auch für weitere Anwendungen in dem Fahrzeug verwendet werden kann, was zu einer Erhöhung der Flexibilität und der Einsetzbarkeit der Vorrichtung zum Bestimmen beiträgt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 eine schematische Darstellung der Wirkungsrichtung einer Radialbeschleunigung und einer Axialbeschleunigung eines Rades;
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2 eine Querschnittsdarstellung eines Radteils;
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3A eine erste Darstellung einer Axial-Krafteinwirkung bei einer Kurvenfahrt eines Kraftfahrzeugs;
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3B eine zweite Darstellung einer Axial-Krafteinwirkung bei einer Kurvenfahrt eines Kraftfahrzeugs;
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4 eine Darstellung einer Fahrspur von hinteren und vorderen Rädern eines Fahrzeugs;
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5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bestimmen der Position eines bestimmten Rades; und
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6 eine Darstellung der Wirkungsrichtung der Radial- und Tangentialbeschleunigungen, die in herkömmlichen Ansätzen verwendet werden.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Signale – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Die vorliegende Erfindung nutzt die axiale Beschleunigung der Räder für die Lokalisierung der Radelektroniken. Sie umfasst zwei Methoden zur Seitenlokalisierung und eine zur Achslokalisierung. Die Beschleunigung aaxial in axialer Richtung, wie sie in der 1 dargestellt ist, entsteht beim Reifen durch Zentrifugalkräfte bei der Kurvenfahrt, wogegen die Radialbeschleunigung aradial aus der Drehung des Reifens resultiert.
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Diese Zentrifugalkraft wird vorzugsweise in jedem Reifen mit einem axialen Beschleunigungssensor gemessen, der parallel zur Radachse ausgerichtet ist. 2 zeigt ein Beispiel für eine Montage eines solchen axialen Beschleunigungssensor 1, der als Teil einer Radelektronik 2 an einer Felge 3 (Rim) des Rades befestigt ist. Der axiale Beschleunigungssensor 1 kann daher in einer ersten Form in der Radelektronik 2 auf einer Leiterplatte oder in einem Chip integriert werden, oder in einer weiteren Form getrennt von der Radelektronik 2 im bzw. am Reifen oder Rad montiert und über Draht oder Funk mit der Radelektronik 2 verbunden werden. Ferner kann die Radelektronik zum Verarbeiten der Messdaten des Rades auch außerhalb des Rades, beispielsweise in dem Radkasten des Fahrzeugs angeordnet werden.
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Die Ausrichtung des Beschleunigungssensors 1 sollte möglichst präzise sein (beispielsweise innerhalb eines Toleranzbereiches von ±1°), um Beschleunigungsunterschiede an den einzelnen Rädern nicht durch Winkelfehler, die bei der Montage des Beschleunigungssensors entstanden sind, zu verfälschen. Der axiale Beschleunigungssensor 1 sollte im Bereich kleiner Beschleunigungen – das heißt beispielsweise im Bereich von ±2 g – sensibler sein, als in einem Bereich höherer Beschleunigungswerte, um auch bei geringen Beschleunigungswerten eine ausreichend präzise Messung bzw. Positionserkennung des Rades sicherzustellen. Insbesondere sollte der Beschleunigungssensor einen Messbereich von ca. ±2 g umfassen. Die gemessenen Beschleunigungswerte können analog zu weiteren Daten der Radelektronik wie einem Reifendruck, einer Temperatur o. ä., zum Fahrzeug übertragen und dort in einem Steuergerät verarbeitet werden. Dieses Übertragen kann zum Beispiel in Form eines entsprechenden Datenwortes in einem speziellen Übertragungsprotokoll (RF-Telegramm) erfolgen.
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Für alle Radelektroniken sind die positive und negative Messrichtung des axialen Beschleunigungssensors einheitlich und bekannt. So kann beispielsweise die positive Messrichtung der Axial-Kraft zu einer Außenseite 4 des Rades gerichtet sein, wodurch sich die positive Axial-Kraft durch den in 2 eingezeichneten Pfeil 5 kennzeichnen lässt. Die negative Axial-Kraft ist dann zu einer Innenseite 6 des Rades gerichtet, wodurch sich die negative Axial-Kraft durch den in 2 eingezeichneten gestrichelten Pfeil 7 dargestellt ist. Auch Lage und Ausrichtung der Radelektroniken am/im Rad lassen sich durch Montagevorgaben einheitlich definieren. Beispielsweise sind Reifendrucksensoren im Allgemeinen an einem Radventil 8 befestigt, wobei dann auch die axialen Beschleunigungssensoren 1 der Räder an den Radventilen der entsprechenden Räder befestigt werden, wenn neben der Messung der axialen Beschleunigung auch ein Reifendruck gemessen werden soll. Die Räder und damit auch die Radelektroniken 2 der einzelnen Räder sind meist auf der rechten und linken Fahrzeugseite genau spiegelbildlich angeordnet. Daraus ergibt sich, dass alle Sensoren axiale Beschleunigungen, die nach außen gerichtet sind mit einem einheitlichen Vorzeichen, beispielsweise als positive Beschleunigungswerte messen und nach innen gerichtete Beschleunigungen mit dem entgegengesetzten (das heißt negativen) Vorzeichen gemessen werden. Ein solcher Zusammenhang ist beispielsweise in 2 dargestellt.
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Dieser Effekt der unterschiedlichen Vorzeichen der Beschleunigungssensoren wird für die Seitenlokalisierung genutzt. Bei einer Kurvenfahrt liefern die Beschleunigungssensoren auf der rechten und linken Fahrzeugseite Werte mit entgegengesetztem Vorzeichen. 3A zeigt die positiven Beschleunigungswerte der rechten Räder und die negativen Beschleunigungswerte der linken Räder bei einer Kurvenfahrt in einer Linkskurve 9. 3B zeigt eine analoge Darstellung zu 3A, wobei in 3B die Beschleunigungswerte der rechten Räder ein negatives Vorzeichen haben und linken Räder ein positives Vorzeichen haben, wenn das Fahrzeug eine Rechtskurve 10 fährt. Wird diese Vorzeicheninformation kombiniert mit einer Fahrzeuginformation über die Kurvenrichtung, beispielsweise einem Lenkwinkel ψ, wie er in den 3A und 3B mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichnet ist, kann daraus unmittelbar die Fahrzeugseite identifiziert werden, an der das entsprechenden Rad montiert ist. Alternativ oder zusätzlich lassen sich auch die Lenkrichtung, Daten des Navigationssystems oder ähnliches für eine Bestimmung der Kurvenrichtung verwenden.
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Für die Achslokalisierung kann ein weiterer Effekt benutzt werden. Bei der Kurvenfahrt in eine Fahrtrichtung bewegen sich die Räder der gelenkten Achse (Vorderachse) auf einer ersten Kurvenlinie 13 und die Räder der starren Achse (Hinterachse) auf einer zweiten Kurvenlinie 14, die sich von der ersten Kurvenlinie unterscheidet, wie dies exemplarisch in 4 dargestellt ist (dies gilt besonders bei engen Kurven). Durch die unterschiedlichen Kreisradien wirken auf die Räder auch unterschiedliche axiale Beschleunigungen. Da die gelenkten Räder in Bezug zur Fahrzeugseite einen anderen Winkel bilden als die starren Räder, die stets parallel dazu ausgerichtet sind, greift außerdem die Querbeschleunigung des gesamtem Fahrzeugs bei den Vorderrädern in einem anderen Winkel an als bei den Hinterrädern. Dies wirkt sich ebenfalls auf die gemessene Axialbeschleunigung an den Rädern aus. Aus diesen Gründen erreicht die Axialbeschleunigung an den gelenkten Rädern betragsmäßig höhere Werte und schwankt innerhalb einer größeren Bandbreite als die an den starren Rädern. Durch eine Auswertung der Beschleunigungsdaten der in 4 dargestellten vier Radelektroniken können die Räder der gelenkten Achse von denen der starrten unterschieden werden. Die Auswertung kann zum Beispiel mit folgenden Methoden oder Kombinationen daraus durchgeführt werden:
- – einer statistischen Auswertung über mehrere Fahrzyklen mit Extremwertbetrachtung und Berechnung der Streuung (Bandbreite) an jedem Rad;
- – einem Größenvergleich der vier Beschleunigungswerte eines Messzeitpunktes während einer Kurvenfahrt;
- – einem seitenweisen Vergleich der Beschleunigung (= Vergleich der beiden positiven und der beiden negativen Werte);
- – einer Bestimmung der Gradienten bei Beschleunigungsänderung (schnellere Wechsel bei gelenkten Rädern);
- – einem Vergleich mit einem charakteristischem Beschleunigungsprofil bei der Kurvenfahrt (Beginn der Kurve, konstante Kurvenfahrt, Ausfahrt aus der Kurve), welches verschieden ist für Vorder- und Hinterachse; und
- – einer Einordnung der Werte in ein für das Rad charakteristisches Toleranzband.
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Dieses Verfahren eignet sich nicht nur für Fahrzeuge mit vier, sondern auch für Fahrzeuge zwei hintereinander angeordnete Rädern wie z. B. Motorräder.
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Auch für die Achslokalisierung können zusätzliche Fahrtrichtungsinformationen wie der in den 3A und 3B dargestellte Lenkwinkel 11 miteinbezogen werden, um den Fahrtverlauf genauer zu charakterisieren. So lässt sich die Auswertung der Beschleunigungsdaten auf Intervalle mit besonders aussagekräftigem Kurvenverlauf eingrenzen. Oder die Radelektronik könnte zu besonders häufigen Emissionen angeregt werden, sobald ein ausreichend großer Lenkwinkel 11 festgestellt wird.
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Ein ähnlicher Effekt wie für die Achslokalisierung kann auch für die Seitenlokalisierung verwendet werden. Die inneren Räder bewegen sich bei der Kurvenfahrt auf einer engeren inneren Kreisbahn rinnen als die äußeren Räder, die sich auf einer weiteren Kreisbahn raußen bewegen. Da somit die Geschwindigkeit der inneren Räder vinnen geringer ist, als die Geschwindigkeit der äußeren Räder vaußen unterscheiden sich auch die Axialbeschleunigungen ainnen und aaußen, das heißt aaußen > ainnen. Der Zusammenhang kann dabei unter Verwendung der Winkelgeschwindigkeit ω nach folgender Gleichung idealisiert bestimmt werden: ω = v/r = vinnen/rinnen = vaußen/raußen; aψ = v2/r → ainnen = ω2·r2 innen/rinnen = ω2·rinnen; aaußen = ω2·r2 außen/raußen = ω2·raußen;
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Daraus folgt: ainnen/rinnen = aaußen/raußen; ainnen/aaußen = rinnen/raußen.
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Hierbei wird die idealisierte Annahme getroffen, dass die Winkelgeschwindigkeit auf der Kurvenbahn für das innere und das äußere Rad einer Achse gleich sind.
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Um aus der Bestimmung der äußeren und inneren Räder die konkrete Seitenposition (rechts oder links) ableiten zu können, muss die Kurvenrichtung miteinbezogen werden.
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Um die Position des Rades bestimmen zu können, kann ein entsprechendes Verfahren verwendet werden, wie es beispielsweise in 5 dargestellt ist. Hierbei erfolgt in einem ersten Schritt 15 ein Bereitstellen eines ersten Lokalisationssignals und in einem weiteren Schritt 16 ein Bereitstellen eines zweiten Lokalisationssignals. Der weitere Schritt 16 kann dabei entweder während oder zeitversetzt zum ersten Schritt 15 ausgeführt werden. Hieran anschließend erfolgt in einem nachfolgenden Schritt 17 ein Auswerten des ersten und zweiten Lokalisationssignals, um die Position des bestimmten Rades zu bestimmen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass bei den Verfahren, wo Werte verglichen werden müssen, ein Zeitversatz nur bedingt toleriert werden sollte, um genaue Ergebnisse der Radpositionsbestimmung zu erhalten. Für eine zuverlässige Positionsbestimmung erfordern diese Verfahren die Aufzeichnung mehrerer Werte über einen gewissen Zeitraum. Dann können verlässliche Aussagen getroffen werden. Es sollten daher die Zeitpunkte für die Aufnahme oder Auswertung der Werte passend gewählt werden. Das heißt insbesondere, dass der Zeitpunkt zum Fahrtverlauf passt, da bei einer geraden Fahrt z. B. keine messbaren axialen Beschleunigungen auftreten und evtl. aufgenommene Lokalisierungssignale in einem derartigen Fall keine oder zumindest eine nur sehr unzuverlässige Aussagekraft bezüglich der Radposition besitzen.
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Abschließend ist anzumerken, dass sich das vorstehend beschriebene Verfahren zum Bestimmen der Seitenposition von Rädern, insbesondere bei einer Kurvenfahrt durch eine Kurve mit geringem Kurvenradius eignet, da hier das Verhältnis von äußerem zu innerem Radius besonders groß ist.
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Bei allen Verfahren kann die Auswertung beschleunigt bzw. verbessert werden, indem das Sendeverhalten der Radelektroniken mit bestimmten Bedingungen oder „Events” verknüpft wird. So könnte man zum Beispiel bei einem Grenzwert der axialen Beschleunigung einen Triggerschwellwert festlegen, oberhalb dessen die Radelektronik häufiger Lokalisationssignale senden. Dies erhöht die Anzahl der aussagekräftigen Beschleunigungsdaten.
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Die vorgeschlagenen Lokalisationsverfahren mit Hilfe der axialen Beschleunigung bieten somit die nachfolgend aufgeführten Vorteile:
Zunächst können die Verfahren für eine vollständige Lokalisierung der Position des bestimmten Rades in Bezug zu einem weiteren Rad verwendet werden, wobei eine Kombination mit anderen Lokalisierungsverfahren nicht notwendig aber trotzdem möglich ist.
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Ferner entsteht ein geringer Hardwareaufwand, da an zusätzlichen Komponenten nur ein Beschleunigungssensor in der Radelektronik benötigt wird.
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Die Daten des Beschleunigungssensors können auf die gleiche Weise wie alle anderen Daten der Radelektronik zum Fahrzeug übertragen werden, beispielsweise durch eine Erweiterung des RF-Telegramms um ein erweitertes Datenfeld.
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Die Daten werden als Digitalwerte übertragen. Die Qualität ist daher unabhängig von äußeren Störeinflüssen auf die Übertragung, wie dies zum Beispiel bei der Lokalisierung über RF-Feldstärkemessung der Fall ist.
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Axialbeschleunigungsdaten der Räder können von Fahrstabilitätssystemen weiterverwendet werden. Beispielsweise benutzt heute schon das ESP (ESP = elektronisches Stabilitätsprogramm) Sensoren für die Querbeschleunigung des Fahrzeugs. Werte der einzelnen Reifen können in diesem Zusammenhang die Querbeschleunigungssensoren ersetzen oder zusätzliche Informationen liefern, um verfeinerte Algorithmen und hieraus resultierend eine verbesserte Stabilitätsregelung ermöglichen.
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Außerdem lässt sich mit Hilfe der axialen Beschleunigung ein sehr schnelles Verfahren zur Seitenlokalisierung über eine Vorzeichenanalyse der Lokalisationssignale realisieren, da eine Entscheidung sofort nach der ersten Messung in einer Kurve getroffen werden kann.