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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Lenkeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Aktive Lenksysteme werden auch als „Steer-by-Wire-Systeme“ bezeichnet. Obwohl die Erfindung im Folgenden mit Bezug auf den Einsatz an aktiven Steuersystemen beschrieben wird, ist die Erfindung nicht auf die Verwendung an aktiven Systemen beschränkt, sondern kann auch an semiaktiven oder bei der Verwendung von Lenkhilfesystemen eingesetzt werden.
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Die
DE 197 13 576 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung einer Lenkeinrichtung eines Fahrzeugs, bei dem eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit mit einer Motorwinkelgeschwindigkeit überlagert wird, um eine Radwinkelgeschwindigkeit zu erhalten.
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Bei den bekannten aktiven Lenksystemen werden die Lenksignale des Fahrers in der Regel sensorisch erfaßt und auf ein Lenksteuerungsmittel, wie z.B. elektrische oder hydraulische Lenksteuermittel, übertragen. Dabei können Geschwindigkeitsgrenzwerte der Lenksteuermittel berücksichtigt werden, um eine Überlastung der jeweiligen Mittel zu verhindern. Das führt dazu, daß bei Anforderung einer höheren Lenkgeschwindigkeit als mit dem jeweiligen Lenksteuermittel möglich ist, das System nicht so schnell reagieren kann, wie gewünscht. Es entsteht ein Nacheilwinkel gegenüber dem angeforderten Lenkwinkel. Ein solcher Winkelfehler kann zu Irritationen und zu einem schlechten Lenkgefühl des Fahrers führen.
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Dieser Nachteil beim Stand der Technik kann durch den Einsatz stärkerer oder schnellerer Lenksteuermittel behoben werden, die für alle möglichen Fahrsituationen genügend Geschwindigkeits- oder Kraftreserven aufweisen, um in allen denkbaren Situationen entsprechend schnell reagieren zu können.
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Nachteilig daran ist aber, daß solche Systeme i.a. viel Energie zum Betrieb benötigen und großbauend, schwer und teuer werden, was die Kosten für das Kraftfahrzeug insgesamt deutlich erhöht. Außerdem kann auch bei großzügig dimensionierten Systemen ein Belastungszustand außerhalb der Auslegungsgrenzen nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung einer Lenkeinrichtung zur Verfügung zu stellen, bei dem ein dauerhafter Winkelfehler vermieden wird, auch wenn das jeweilige Lenksteuermittel an seine Grenzen gerät oder diese sogar überschritten werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem beanspruchten Verfahren zur Steuerung einer Lenkeinrichtung eines Fahrzeugs wird aus einer Lenkgeschwindigkeit eines Fahrers ein angefordertes Geschwindigkeitssignal für ein Steuermittel abgeleitet. In Abhängigkeit von dem angeforderten Geschwindigkeitssignal wird ein modifiziertes Geschwindigkeitssignal abgeleitet und an das Steuermittel ausgegeben, wobei das modifizierte Geschwindigkeitssignal überproportional vergrößert wird, wenn das angeforderte Geschwindigkeitssignal einen Vergleichswert übersteigt.
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Die Erfindung hat unter anderem den Vorteil, daß eine schnelle Reaktion erfolgen kann, bevor ein Winkelfehler bzw. ein Nacheilwinkel entstanden ist. Überschreitet das angeforderte Geschwindigkeitssignal ein bestimmtes Maß wird direkt mit einem hohen modifizierten Geschwindigkeitssignal reagiert, so daß bei einem anschließenden stark erhöhten Geschwindigkeitsbedarf, der über die Kapazität des Steuermittels hinausgeht, schon im vorhinein ein Voreilwinkel aufgebaut wird, der dann z.B. bei anhaltendem Übersteigen der Kapazität wieder abgebaut wird. Die Häufigkeit und Intensität von Winkelfehlern werden so in starkem Maße reduziert.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird bei Erhöhung des angeforderten Geschwindigkeitssignals das modifizierte Geschwindigkeitssignal proportional zu dem angeforderten Geschwindigkeitssignal erhöht, sofern das angeforderte Geschwindigkeitssignal kleiner als der Vergleichswert ist. Diese Weiterbildung ist sehr vorteilhaft, da sie insbesondere den Vorabausgleich auf Fälle begrenzt, in denen Geschwindigkeitssignale oberhalb des Vergleichswerts angefordert werden, während im Bereich geringerer Lenkgeschwindigkeiten die modifizierten Geschwindigkeitssignale sich in proportionaler Weise aus den angeforderten Geschwindigkeitssignalen ergeben.
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In einfachen Ausgestaltungen entspricht das modifizierte Geschwindigkeitssignal dem angeforderten Geschwindigkeitssignal, sofern das angeforderte Geschwindigkeitssignal unterhalb des Vergleichswerts liegt. Weiterhin kann der Vergleich auch direkt mit der Lenkgeschwindigkeit des Fahrers erfolgen, so daß ein proportionaler Zusammenhang zwischen Lenkgeschwindigkeit des Fahrers und modifiziertem Geschwindigkeitssignal vorliegt.
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Vorzugsweise wird das modifizierte Geschwindigkeitssignal in einem Bereich eingestellt und ausgegeben, der von Grenzwerten umgeben ist, wobei in einfachen Fällen der obere und der untere Grenzwert vom Betrag her gleich sind.
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In bevorzugten Weiterbildungen wird bei Erhöhung der angeforderten Geschwindigkeitssignals und bei Überschreiten des Vergleichswerts der Grenzwert als modifiziertes Geschwindigkeitssignal bestimmt und ausgegeben. Diese Vorgehensweise erfolgt also insbesondere dann, wenn die Lenkgeschwindigkeit des Fahrers zunimmt (nach rechts oder nach links) und wenn gleichzeitig das sich ergebende angeforderte Geschwindigkeitssignal zunimmt, bis es den Grenzwert übersteigt. Dann erfolgt eine Begrenzung des Signals auf die Höhe des Grenzwerts bzw. der Grenzwerte.
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Es ist auch möglich, daß mehrere abgestufte Vergleichswerte definiert werden, bei deren betragsmäßigem Überschreiten eine entsprechend vergleichbare Reaktion ausgelöst wird. In Standardfällen ist das modifizierte Geschwindigkeitssignal ein konstantes Signal, welches z. B. gleich dem Grenzwert ist. Möglich ist aber auch eine abgestufte Reaktion, bei der zunächst ein gewisser Prozentsatz des Grenzwerts als modifiziertes Geschwindigkeitssignal ausgegeben wird.
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Vorteilhafterweise wird in einer Weiterbildung aus einer Differenz zwischen angefordertem und modifiziertem Geschwindigkeitssignal über der Zeit eine Winkeldifferenz abgeleitet. Die Signale können über der Zeit integriert oder zeitscheibchenweise addiert werden. Die sich gegebenenfalls ergebende Winkeldifferenz ist größer Null bei einem Vorauseilwinkel und kleiner Null bei einem Nacheilwinkel. Anhand der Winkeldifferenz steht dem Steuersystem immer die Information zur Verfügung, ob ein Voraus- oder Nacheilwinkel vorliegt.
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In bevorzugten Weiterbildungen wird die Winkeldifferenz zur Steuerung verwendet, indem der Grenzwert als modifiziertes Geschwindigkeitssignal ausgegeben wird, wenn das angeforderte Geschwindigkeitssignal unter den Grenzwert sinkt und ein Nacheilwinkel vorliegt.
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Umgekehrt kann auch bei einem unter den Grenzwert sinkenden angeforderten Geschwindigkeitssignal ein modifiziertes Geschwindigkeitssignal ausgegeben werden, das überproportional kleiner ist, sofern ein Vorauseilwinkel vorliegt. Das kann z. B. dann der Fall sein, wenn der Fahrer die Lenkgeschwindigkeit von einem hohen Niveau aus reduziert und das angeforderte Geschwindigkeitssignal wieder unter den Grenzwert fällt. Liegt zu diesem Zeitpunkt dann ein Vorauseilwinkel vor, so kann das modifizierte Geschwindigkeitssignal stärker als das angeforderte Geschwindigkeitssignal reduziert werden, um die vorliegende Winkeldifferenz zu verkleinern.
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In Weiterbildungen ist es z.B. möglich, daß bei Unterschreiten des Grenz- und/oder des Vergleichswerts das modifizierte Geschwindigkeitssignal auf Null reduziert wird, bis der Vorauseilwinkel abgebaut ist.
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In einfachen Ausgestaltungen ist der Vergleichswert eine vorbestimmte Größe, die einmal festgelegt wird. Ebenso kann der Vergleichswert auch wiederholt in regel- oder unregelmäßigen Abständen festgelegt werden.
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In bevorzugten Weiterbildungen wird der Vergleichswert dynamisch ermittelt. Dabei ist es möglich, daß der Vergleichswert von der aktuellen Fahrzeugsituation abhängt. Beispielsweise kann der Vergleichswert von der Fahrgeschwindigkeit abhängen.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen kann auch der Vergleichswert oder es können die Vergleichswerte von dem Grenzwert oder von den Grenzwerten abhängen, um eine flexible Steuerung zu ermöglichen.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
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Es zeigen
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1 ein schematisches Blockdiagramm, bei dem die grundsätzliche Verfahrensweise dargestellt ist,
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2 die angeforderten und die modifizierten Winkelgeschwindigkeitssignale an einem ersten Beispiel,
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3 an einem zweiten Beispiel die Verläufe der angeforderten und modifizierten Winkelgeschwindigkeiten, und
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4 den effektiven und modifizierten Lenkradsteuerwinkel des Beispiels aus 3.
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In 1 ist in schematischer Form ein Blockdiagramm dargestellt, aus dem der grundsätzliche Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ersichtlich ist.
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Die Lenkradbewegung des Fahrers wird über einen Winkelsensor erfaßt und die angeforderte Winkelgeschwindigkeit abgeleitet und in Form eines angeforderten Geschwindigkeitssignals 1 in das Steuersystem eingebracht.
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Zur Steuerung sind grundsätzlich wenigstens vier Steuereinheiten 3, 5, 6, und 8 vorhanden.
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Die Steuereinheit 3 erhält von der Auswerteeinheit 2 das Ergebnis, ob die angeforderte Winkelgeschwindigkeit einen vorbestimmten Vergleichswert 10 übersteigt. Wenn die angeforderte Winkelgeschwindigkeit den Vergleichswert 10 übersteigt, wie es z.B. beim Einparken von Kraftfahrzeugen oft der Fall ist, dann wird von der Steuereinheit 3 ein Bedarfssignal für einen Vorauseilwinkel an die Steuereinheit 6 ausgegeben. Falls die angeforderte Winkelgeschwindigkeit kleiner als der Vergleichswert 10 ist, wird in der Steuereinheit 3 kein Bedarf für einen Vorauseilwinkel gesehen und die Steuereinheit 3 beeinflußt die von der Steuereinheit 6 in Form eines modifizierten Geschwindigkeitssignals 9 auszugebende modifizierte Winkelgeschwindigkeit nicht.
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Der Vergleichswert ist einstellbar und hängt von den Fahrzeugbedingungen und von der aktuellen Fahrzeugsituation ab. Hier im Ausführungsbeispiel ist ein Vergleichswert 10 von zwanzig Grad/Sekunde gewählt worden.
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In der Auswerteeinheit 4 wird überprüft, ob die angeforderte Winkelgeschwindigkeit oberhalb der zulässigen Maximalgeschwindigkeit liegt, die einen Grenzwert 20 darstellt. Falls ja, wird von der Steuereinheit 5 ein Begrenzungssignal an die Steuereinheit 6 ausgegeben, wodurch die von der Steuereinheit 6 auszugebende modifizierte Winkelgeschwindigkeit auf den Grenzwert 20 begrenzt wird, der hier im dargestellten Ausführungsbeispiel bei 200 Grad/Sekunde liegt. In anderen Ausführungen kann der Wert aber auch größer oder kleiner gewählt werden. Die Höhe des Wertes hängt u.a. von dem eingesetzten Steuermittel ab.
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Die Steuereinheit 8 empfängt von der Auswerteeinheit 7 die Information, ob ein Bedarf für einen Nacheilwinkel besteht. Falls ja, wird von der Steuereinheit 8 ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit 6 ausgegeben.
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Die Steuereinheit 6 wiederum verarbeitet die Signale der Steuereinheiten 3, 5 und 8 und die angeforderte Winkelgeschwindigkeit sowie die modifizierte Winkelgeschwindigkeit. Als weitere Parameter können die Fahrzeuggeschwindigkeit und sonstige Fahrzeugparameter verarbeitet werden. Über eine Integriereinheit der Steuereinheit 6 wird aus den zeitlichen Verläufen von angeforderter Winkelgeschwindigkeit und modifizierter Winkelgeschwindigkeit die aktuell vorliegende Winkeldifferenz bestimmt, die z.B. etwa gleich null sein kann oder aber je nach Vorzeichen einen Vorauseil- oder Nacheilwinkel bedeuten kann.
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Die Steuereinheit 6 berücksichtigt außerdem den bisherigen Ablauf. So ist es ein Unterschied, ob ein Lenkvorgang gerade gestartet oder ob er gerade beendet wird. Das wird anhand der Tendenz des Signals unterschieden.
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Anhand gemessener Daten zeigen die 2 bis 4 den Ablauf des Verfahrens.
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In 2 ist eine Situation dargestellt, in der zunächst kein Lenkvorgang stattfindet und die Lenkradwinkelgeschwindigkeit in der ersten Sekunde etwa bei 0 Grad/Sekunde liegt. Davon ausgehend erfolgt eine Lenkbewegung, deren Geschwindigkeit bei dem Zeitwert von etwa 1,3 Sekunden den Vergleichswert 10 von 20 Grad/Sekunde übersteigt. Die angeforderte Geschwindigkeit 11 übersteigt hier nach etwa 1,7 Sekunden den zulässigen Maximalwert von 200 Grad/Sekunde, der bei etwa 2,7 Sekunden wieder unterschritten wird.
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Bei einer solchen Signalfolge erhält die Auswerteeinheit 2 nach etwa 1,3 Sekunden das erste Mal ein angefordertes Geschwindigkeitssignal 1, dessen Betrag größer ist als der Vergleichswert. Die Steuereinheit 3 gibt daraufhin ein Bedarfssignal für ein Vorauseilwinkel an die Steuereinheit 6, die daraufhin ein modifiziertes Geschwindigkeitssignal 9 ausgibt, das in der Höhe dem Grenzwert 20 entspricht. Es entsteht folglich in der Zone 1 ein Vorauseilwinkel 13, dessen Größe der Fläche der Zone entspricht.
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Da die Lenkgeschwindigkeit und das angeforderte Geschwindigkeitssignal 1 noch weiter zunimmt, übersteigt nach etwa 1,7 Sekunden das angeforderte Geschwindigkeitssignal 1 den Grenzwert 20. Die Auswerteeinheit 4 registriert das und die Steuereinheit 5 gibt ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit 6 aus, die daraufhin ein modifiziertes Geschwindigkeitssignal 9 ausgibt, welches dem Grenzwert 20 entspricht.
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In der Zone 2 ist folglich das modifizierte Geschwindigkeitssignal 9 kleiner als das tatsächlich angeforderte Geschwindigkeitssignal 1, so daß die tatsächliche Winkeldifferenz wieder verringert wird.
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Wenn nun die Lenkgeschwindigkeit abnimmt und das angeforderte Geschwindigkeitssignal 1 wieder unter den Grenzwert 20 fällt, wird zunächst das modifizierte Geschwindigkeitssignal 9 auf dem hohen Wert 20 beibehalten, so daß in der Zone 3 wiederum ein relativer Vorauseilwinkel 15 entsteht. Schließlich wird der modifizierte Winkel wieder reduziert und eine eventuell bestehende Winkeldifferenz abgebaut, so daß am Ende des Lenkvorgangs kein bleibender Winkelfehler vorliegt.
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Einige aufeinander folgende Lenkvorgänge sind auch in den 3 und 4 abgebildet. Das angeforderte Geschwindigkeitssignal 21 der Lenkradwinkelgeschwindigkeit weist zu etwa dem Zeitpunkt 2 Sekunden eine Spitze von 400 Grad/Sekunde auf, wobei das ausgegebene modifizierte Geschwindigkeitssignal 22 durch die Steuereinheit 5 auf den hier geltenden Maximalwert 20 von 200 Grad/Sekunde begrenzt wird. Da der Maximalwert auch gehalten wird, nachdem das angeforderte Geschwindigkeitssignal wieder abgefallen ist, um den aufgetretenen Nacheilwinkel wieder auszugleichen, decken sich die entsprechen Kurven 31 und 32 schon etwa zum Zeitpunkt 2,3 Sekunden, so daß eine Winkeldifferenz zwischen angefordertem Winkel und tatsächlichem Winkel nur für einige Zehntel Sekunden vorlag.
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Auch bei einer Lenkbewegung in die andere Richtung arbeitet das System verläßlich, wie die Winkelverläufe des angeforderten Winkels 33 und des tatsächlichen Winkels 34 und die zugehörigen Winkelgeschwindigkeiten des angeforderten Winkelsignals 23 und des modifizierten Winkelsignals 24 zeigen. Sobald der Betrag des angeforderten Geschwindigkeitssignals den Grenzwert übersteigt wird das ausgegebene Geschwindigkeitssignal modifiziert und auf den Grenzwert begrenzt. Gleichzeitig wird die Winkelabweichung registriert. Ein Nacheilwinkel wird wieder ausgeglichen, indem das modifizierte Geschwindigkeitssignal auf der Höhe des Grenzwerts belassen wird, bis der Nacheilwinkel wieder ausgeglichen ist.
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Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung wird das Steuerungs- und Lenkgefühl insbesondere dann verbessert, wenn die Winkelgeschwindigkeiten in den Grenzbereich geraten oder diesen überschreiten. Das Fahrzeug folgt den Anforderungen besser und ohne bleibende Abweichungen.