DE102006037588B4

DE102006037588B4 - Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102006037588B4
Application number: DE200610037588
Authority: DE
Inventors: Sebastian Wagner; Stephan Dr.-Ing. Zipser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2026-08-12
Also published as: DE102006037588A1

Abstract

Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs, insbesondere eines Busfahrzeugs, mit n >= 2 Lenkachsen bei denen der jeweilige Lenkwinkel (γ_i mit i = 1, ..., n) jeweils durch eine Stelleinrichtung (SE) vorgebbar ist und das Fahrzeug aus einem Primärfahrzeugmodul (PM) und einem oder mehreren Sekundärfahrzeugmodulen (SM) besteht und die Fahrzeugmodule hintereinander gekoppelt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale (γS,1 ... γS,n) für die Stelleinrichtungen (SE) online von einer Datenverarbeitungseinheit (DV) durch Einbeziehen von Informationen über die Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahrzeugposition auf der Grundlage eines kinetischen Mehrkörpermodells des Fahrzeugs errechnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 23.
Stand der Technik
Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die Fahrzeugtechnik. Dort sollen beispielsweise für den öffentlichen Nahverkehr sehr lange Straßenfahrzeuge mit einer hohen Transportkapazität gebaut werden, die trotz ihrer Länge gut manövrierfähig sind. Die Lösung wird in mehrachsgelenkten Gelenkfahrzeugen mit mehreren Modulen gesehen. Stand der Technik sind mehrachsgelenkte Gelenkbusse mit maximal zwei Gelenken und einer Länge von maximal zirka 25 m. Ein wesentlicher Nachteil dieser Gelenkbusse liegt darin, dass ihre Mehrachslenkungen nicht spurtreu sind, d. h. bei Kurvenfahrten ist die Spur der Hinterachse(n), auch Schleppkurve genannt, seitlich zur Spur der Vorderachse versetzt. Wie aus [Marahrens 2006] bekannt ist, kann der Spurversatz bis zu mehreren Metern betragen.
Die Koordination der Lenkachsen von Mehrachslenkungen für Straßenfahrzeuge erfolgt bislang überwiegend über mechanische, elektromechanische und/oder hydraulische Kopplungen des Lenkwinkels der Hinterachse(n) an den Lenkwinkel einer manuell gesteuerten Vorderachse bzw. zusätzlich an den Knickwinkel des vorgelagerten Gelenks. Aufgrund des technischen Entwicklungstrends hin zum Einsatz rechnergestützter Steuerungen und Regelungen auch in der Fahrzeugtechnik (ABS, ESP, X-by-wire, ...) ist es abzusehen, dass zukünftig auch die Ansteuerung der Lenkachsen von mehrachsgelenkten Straßenfahrzeugen standardmäßig mittels elektronischer Komponenten und Software erfolgt. Das ermöglicht die Umsetzung komplizierterer aber auch leistungsfähigerer Lenkstrategien, die mit den mechanisch orientierten Mehrachslenkungen nicht umsetzbar sind.
Einachslenkungen stellen die technisch einfachste Lösung zur Fahrzeuglenkung dar. Sie sind für sehr lange Fahrzeuge mit einer Länge von über 18 m wegen der eingeschränkten Manövrierfähigkeit meist ungeeignet. Um die Manövrierfähigkeit oder auch das fahrdynamische Verhalten zu verbessern, werden bei Straßenfahrzeugen sowie landwirtschaftlichen Fahrzeugen anstatt der Einachslenkungen vielfach Zweiachslenkungen eingesetzt.
Je nach Ausgestaltung werden bei der Zweiachslenkung prinzipiell die Lenkungsarten Vorderradlenkung, Hinterradlenkung, Allradlenkung oder Synchronlenkung realisiert. Bei der Allradlenkung werden die Vorder- und Hinterachse gegensinnig eingelenkt, wodurch eine größere Wendigkeit (kleiner Wendekreis) erreicht wird, bei der Synchronlenkung wird gleichsinnig eingelenkt, wodurch ein seitliches Versetzen des Fahrzeugs gelingt (sog. Hundegang).
In Abhängigkeit von der jeweiligen Fahraufgabe (Ausparken, Kurvenfahrt bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit, Geradeausfahrt bei höherer Fahrzeuggeschwindigkeit, Queren in schrägem Gelände, ...) sind unterschiedliche Lenkungsarten sinnvoll. Die [ DE 4334279 A1 , [ EP 0872407 A2 , DE 19852155 C1 ] offenbaren eine Auswahl von Lösungen zur Umschaltung der Lenkungsart von Zweiachslenkungen.
Bei gegensinnig einlenkender Zweiachslenkung (Allradlenkung) wird die Kopplung von Vorder- und Hinterachse i. d. R. so ausgelegt, dass bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit eine Kreisbahn mit gegebenem Radius so durchfahren wird, dass der Spurversatz zwischen den Achsen minimal ist und damit auch kein Radieren der Räder auftritt. Beide Lenkachsen besitzen dann den gleichen Lenkpol. Bei demselben Radius und höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten bzw. auch bei wechselnden Verhältnissen bezüglich Radius und Fahrzeuggeschwindigkeit tritt ein größerer Spurversatz auf. Das erhöht zum einen den Reifenverschleiß und zum anderen nimmt mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit die Fahrstabilität des Fahrzeugs ab, das Fahrzeugheck neigt zum Ausbrechen.
Um die Fahrstabilität nicht zu vermindern, kann, wie beispielsweise in der [ DE 4221973 A1 ] offenbart ist, die Steuerwirkung der Vorderlenkachse auf die Hinterlenkachse(n) mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit reduziert, oder wie in der [ DE 29608229 U1 ] offenbart ist, völlig aufgehoben werden. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Mehrachslenkung dann bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten inaktiv ist und daher nur zur Verbesserung der Manövrierfähigkeit bei niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten beiträgt.
Um diesen Nachteil zu vermeiden offenbart die [ DE 3711618 A1 ] eine Zweiachslenkung, bei der in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder anderen fahrdynamischen Größen wie der Gierrate automatisch zwischen gleich- und gegensinniger Lenkachskopplung umgeschaltet wird, wobei die gleichsinnige Lenkachskopplung (Synchronlenkung) bei höherer Fahrzeuggeschwindigkeit vorteilhaft hinsichtlich der Fahrstabilität ist. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass es bei diesen Lenkungen unter bestimmten Bedingungen zu einem vom Fahrer schwer beherrschbaren unerwünschten Lenkverhalten kommt. Das ist beispielsweise der Fall, wenn die Lenkung nur aufgrund einer Veränderung der Fahrzeuggeschwindigkeit während der Kurvenfahrt zwischen gleich- und gegensinniger Lenkachsenkopplung umschaltet.
Die Zweiachslenkung ist die einfachste Mehrachslenkung. Bei Mehrachslenkungen sind vielfach weitere Lenkachsen vorhanden, zudem können auch ungelenkte Achsen vorliegen. Je größer die Anzahl der Lenkachsen, der ungelenkten Achsen und der Gelenke ist, desto komplexer ist die Aufgabe der Mehrachslenkung.
Grundsätzlich legt die Fahrzeuggeometrie fest, inwieweit theoretisch überhaupt Kurven oder andere Manöver fahrbar sind, wenn davon ausgegangen werden kann, dass alle Lenkachsen unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Praktisch schränken die Mehrachslenkungen das theoretisch vorhandene Potential mehr oder weniger ein, denn sie lassen nur bestimmte Kopplungen zwischen den Lenkachsen zu, so dass auch nur bestimmte Lenkachswinkelverhältnisse zwischen den Achsen bzw. nur bestimmte Fahrmanöver umsetzbar sind.
Das Fehlen von teilautomatischen (die Vorderachse wird durch den Fahrer gelenkt, die Hinterachsen folgen automatisch der Vorderachse) oder automatischen Mehrachslenkungen, die die Lenkachskopplungen selbsttätig an den jeweiligen Fahrzeugzustand und das Fahrmanöver anpassen, ist neben Zulassungsbeschränkungen eine Ursache dafür, dass keine mehrachsgelenkten Gelenkbusse mit mehr als zwei Gelenken und einer Länge von über 25 m gebaut werden. Die derzeit bekannten Mehrachslenkungen für Straßenfahrzeuge sind nicht auf noch längere Fahrzeuge und Fahrzeuge mit noch mehr Gliedern übertragbar, weil dann die Spurabweichungen so stark zunehmen würden, dass ein Betrieb im öffentlichen Straßenverkehr nicht mehr sicher möglich ist.
Wie die Erfahrung gezeigt hat, ist die Spurtreue der bekannten mehrachsgelenkten Gelenkfahrzeuge relativ gering. Insbesondere bei unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten gelingt es selbst bei einem relativ einfachen Manöver wie einer stationären Kreisfahrt nicht, alle Lenkachsen auf einer Spur zu halten. Anspruchsvollere Fahrmanöver wie Ausweichmanöver, S-Kurven oder Fahrspurwechsel sind stets mit deutlichen Schleppkurven verbunden. Auch das Abfahren von Haltestellen wird nicht ohne ein mehr oder weniger deutliches Ausschwenken des Fahrzeughecks bewältigt, dass für die eventuell an der Haltestelle stehenden Personen problematisch ist.
Die bei Gelenkfahrzeugen eingesetzten Mehrachslenkungen sind konzeptionell den skizzierten Zweiachslenkungen ähnlich. Eine erhebliche zusätzliche Schwierigkeit stellt allerdings die Berücksichtigung der Fahrzeuggelenke dar, deren Knickwinkel das Lenk- und Fahrverhalten beeinflussen. Besonders gilt das für die Rückwärtsfahrt, bei der das Einknicken der Fahrzeugmodule verhindert werden muss. Wie die Erfahrung gezeigt hat, ist die Rückwärtsfahrt von Gelenkfahrzeugen mit 3 oder mehr Gliedern nicht oder zumindest kaum noch sicher manuell durchführbar.
Die [ EP 00011884 B1 ] offenbart eine Mehrachsregelung für Gelenkbusse bei der durch eine mechanische Kopplung der Knickwinkel des Gelenks auf den Lenkwinkel der jeweils nachgelagerten Lenkachse übertragen wird, wodurch eine weniger ausgeprägte Schleppkurve erreicht wird.
Eine Reihe von Nachteilen entsteht jedoch dadurch, dass bei geometrisch fest gekoppelten Mehrachslenkungen die Lenkwinkelverhältnisse nicht von der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit oder anderen fahrdynamischen Einflussgrößen abhängen. Da sich die Reaktion eines Fahrzeuges auf Lenkbefehle in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit stark verändern kann, lässt sich mit einer festen Kopplungsbeziehung zwischen dem Knickwinkel und dem Lenkwinkel der nachgelagerten Achse immer nur ein Kompromiss zwischen der Spurtreue und Wendigkeit einerseits und sicheren Fahrzeugbeherrschung und hohen Fahrstabilität andererseits erreichen.
Ein fester geometrischer Zusammenhang zwischen einem Knickwinkel und dem Lenkwinkel der nachgelagerten Achse erlaubt es nicht, unterschiedliche Fahrmanöver wie konstante Kreisfahrt, Kreisein- oder -ausfahrt gleichermaßen spurtreu zu fahren. Je länger die Fahrzeuge sind und je höher die Anzahl der Gelenke ist, desto weniger gelingt ein spurtreues Manövrieren des Fahrzeugs.
Sehr lange Straßenfahrzeuge, die aus drei und mehr Teilen bestehen, können mit den bekannten Mehrachslenkungen nicht mehr zufriedenstellend geführt werden.
Für lange straßengebundene Mehrgelenkfahrzeuge wurden deshalb Mehrachslenkungen entwickelt, die eine mechanische Leitschiene benutzen. Dabei werden mechanische Einrichtungen wie Schienen, Leitplanken oder Spurrollen verwendet, die sowohl der Achslenkung als auch der Aufnahme von Querkräften dienen. Die Steuerung ihrer Lenkachsen erfolgt nicht über eine zentrale Koordination der Lenkachsen sondern dezentral über eine achsspezifische mechanische Kopplung mit der Leitschiene, die die Spurführung des Fahrzeugs vorgibt.
Die wesentlichen Nachteile mechanisch spurgeführter Fahrzeuge sind das notwendige Vorhandensein einer Leitschiene, die durch den festen Leitschienenverlauf fehlende Ausweichflexibilität, der relativ hohe Infrastrukturaufwand, die notwendige Wartung der Infrastruktur sowie der durch die Leitschiene eingeschränkte Verkehrsraum. Ihr Vorteil besteht darin, dass sie relativ einfache mechanische Lösungen darstellen und aufgrund der gummibereiften Räder weniger Fahrgeräusche entwickeln als die bekannten Schienenfahrzeuge.
Aus [Deelen 2006] ist eine Lösung zur automatischen elektronischen Spurführung von Doppelgelenkfahrzeugen bekannt, bei der anstelle einer mechanischen Leitschiene eine Leitspur verwendet wird die durch Magnete in der Straße markiert ist, und deren Verlauf durch entsprechende Sensoren erfasst wird. In Bezug auf die elektronische Ansteuerung der Lenkachswinkel durch die Überlagerung eines Steuer- und Regelsignals stellt [Deelen 2006] den der Erfindung am nächsten liegenden Stand der Technik dar.
Die vorgegebene Leitspur (Sollwegtrajektorie) wird durch elektronisch angesteuerte Lenkachsen nachgefahren, indem entsprechend der aktuellen Fahrzeugposition die notwendigen Lenkwinkeleinstellungen aus einem Speicher abgerufen und umgesetzt werden. Zusätzlich liegen jeweils Querregler vor, die die verbleibende Querabweichung von der Leitspur an jeder Lenkachse reduzieren.
Wesentliche Nachteile dieses Verfahrens sind dadurch gegeben, dass im eigentlichen Sinne keine selbst spuradaptive Mehrachslenkung vorliegt, sondern eine speicherbasierte Mehrachssteuerung. Bei einer selbst spuradaptiven Mehrachslenkung erfolgt die Koordination der Lenkachswinkel nach einem in der Lenkung selbst realisierten Algorithmus. Bei dem aus [Deelen 2006] bekannten Verfahren erfolgt die Koordination der Lenkachswinkel außerhalb der Lenkung indem in einem vorgelagerten Schritt bei dem die Lenkachswinkel so ermittelt werden, dass die Sollwegtrajektorie mit einer bestimmten vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit abgefahren wird. Die Lenkachswinkel werden dann in einem Speicher hinterlegt und zur Laufzeit passend zum jeweiligen Abschnitt der Sollwegtrajektorie umgesetzt. Damit treten zum einen Spurabweichungen auf wenn die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit von der vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit abweicht zum anderen ist keine Ausweichflexibilität gegeben.
Soll das Fahrzeug einer neuen Sollwegtrajektorie folgen, müssen zunächst alle notwendigen Lenkwinkeleinstellungen entlang der neuen Sollwegtrajektorie gewonnen werden. Dies ist selbst dann notwendig, wenn die neue Sollwegtrajektorie bereits straßenseitig durch Magnete markiert ist.
Bei den oben genannten mechanischen Leitschienen ist prinzipbedingt ein solcher Zwischenschritt nicht erforderlich. Sowohl die elektronische Spurführung als auch die mechanischen Leitschienen sind jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass beim Auftreten von Behinderungen im Bereich der Sollwegtrajektorie (Unfälle, Baumaßnahmen usw.) nicht wie bei anderen Straßenfahrzeugen flexibel durch ein Ausweichmanöver reagiert werden kann.
Die starre Umsetzung von einmalig vorgegebenen Lenkwinkeln besitzt weiterhin den Nachteil, dass nicht direkt auf veränderliche Straßenverhältnisse reagiert werden kann. Verändert sich, etwa durch Schneeglätte, der Reibbeiwert der Straße sind die einmalig für normale Straßenverhältnisse bestimmten Lenkwinkel fehlangepasst. Die Querregler müssen dann wesentlich größere Querabweichungen ausgleichen als bei einer situationsgerechten Lenkwinkelvorgabe. Wegen des nichtlinearen Verhaltens der Regelstrecke erfordert dann die Auslegung der Querregler einen hohen Aufwand zur Gewährleistung der Robustheit der Regelung.
Ein weiterer Nachteil ist dadurch gegeben, dass zwar eine automatische Spurführung realisierbar ist, bei der alle Lenkachsen einer festen Sollwegtrajektorie folgen, eine teilautomatische Spurführung bei der die Vorderachse willkürlich durch einen Fahrer gelenkt wird und die nachfolgenden Lenkachsen dem Verlauf der Vorderachse automatisch folgen sollen, ist mit der verfahrensgemäßen Steuerung der Lenkachswinkel nicht möglich.
Es sind keine selbst spuradaptiven Mehrachslenkungen für gekoppelte Gelenkfahrzeuge bekannt, bei denen die Achslenkwinkel im Sinne einer Steuerung passend zur jeweiligen Sollwegtrajektorie und dem fahrdynamischen Fahrzeugzustand während der Fahrt eingestellt werden.
Mit [ US 5979581 A , DE 2521571 C2 und US 5913376 A ] sind lediglich elektronische Lenkungen zur Spurführung einachsgelenkter Fahrzeuge bekannt. Sie setzten voraus, dass die Sollwegtrajektorie durch einen Leitdraht oder magnetische Markierungen vorgegeben ist. Zur Ansteuerung jeder Lenkachse wird ein Steuer- und ein (Quer-)Reglersignal überlagert. Das Steuersignal berücksichtigt die vor und/oder unter dem Fahrzeug über Sensoren ermittelte seitliche Krümmung der Sollwegtrajektorie. Die alleinige Berücksichtigung der Krümmung ist bei langen Fahrzeugen, vor allem aber auch bei Gelenkfahrzeugen mit Mehrachslenkung unzureichend, denn bei komplexeren Fahrmanövern wie einem Ausweichmanöver müssen die Lenkachsen verschiedenen, teilweise sogar entgegen gesetzten Krümmungen folgen. Dadurch sind derartige Lenkungen prinzipiell nicht für spurtreue Mehrachslenkungen geeignet.
Die DE 3850020 T2 beschreibt ein Verfahren zur Zweiachslenkung, bei der aus der Bewegung der Vorderräder eine Art Sollwegtrajektorie für die nachlaufende Hinterachse entsteht. Als Lenkstrategie wird der Lenkwinkel eines zentralen imaginären Vorderrades rechnerisch ermittelt und daraus der Lenkwinkel eines imaginären zentralen Hinterrades derart bestimmt, „dass der Lenkwinkel des zentralen imaginären Hinterrades in einem räumlich festgelegten, absoluten Koordinatensystem mit dem Lenkwinkel des zentralen imaginären Vorderrades übereinstimmt als sich dieses an dem Ort befand, an dem sich die gegenwärtige Position des Hinterrades befindet” (Anspruch 1). Damit offenbart dieses Dokument ein Lenkverfahren mit geometrischem Ansatz. Das Lenkverfahren ist damit nur für niedrige Geschwindigkeiten geeignet, bei der die Fahrzeugdynamik (Schwimmwinkel/Schräglaufwinkel, Reifenkennlinien, etc.) vernachlässigbar bleibt. Bei höheren, in der Praxis relevanten Geschwindigkeiten degradiert die Spurtreue erheblich. Zwar kann das u. U. bei kurzen Fahrzeugen mit einer Zweiachslenkung noch akzeptabel sein, bei langen Fahrzeugen mit mehreren Lenkachsen ist das jedoch nicht mehr der Fall. Ein weiterer Nachteil ist die geringe Spurtreue bei Krümmungsänderungen. Das lässt sich anschaulich anhand eines Übergangs von einer Geradeaus- in eine Kurvenfahrt erläutern. Während der Geradeausfahrt ist die Vorder- und die Hinterachslenkung in Neutralstellung. Am Kurveneingang wird die Vorderachse eingelenkt und die Hinterachslenkung bleibt so lange in Neutralstellung, bis sich das imaginäre Hinterrad an der Stelle befindet, an der das imaginäre Vorderrad eingelenkt wurde. In der Phase, in der die Vorderachse einlenkt und die Hinterachse neutral bleibt, schneidet die Hinterachse in die Kurve, sodass entgegen der Aussage von DE 3850020 T2 das imaginäre Hinterrad schon bei diesem einfachen Fahrmanöver nicht die Position des imaginären Vorderrades zum Zeitpunkt des Einlenkens erreicht. Die Spurtreue ist demnach auch bei niedrigen Geschwindigkeiten gering.
Die US 2003/0167107 offenbart ebenfalls einen geometrischen Ansatz, bei dem Anhand von Messdaten eine aus einem Parameter bestehende Repräsentation des Sollweges erzeugt und als Historie gespeichert wird. Als Parameter werden geometrische Größen, vorzugsweise der Knickwinkel, vorgeschlagen. Anschließend wird über die Fahrzeuggeschwindigkeit und den Abstand zwischen der Traktorhinterachse und der Anhängerachse der relevante Zeitpunkt in der Historie bestimmt und der gespeicherte Parameterwert für die Berechnung des Anhängerlenkwinkels verwendet. Dieses Vorgehen lässt sich als eine um einen bestimmten Weg verzögerte Auswahl des Parameters auffassen. Die Berechnung des Anhängerlenkwinkels basiert auf einem heuristischen, rein geometrischen Zusammenhang. Konkret wird vorgeschlagen, als Anhängerlenkwinkel den Knickwinkel wegverzögert einzustellen. In dieser Ausprägung ist selbst bei einer stationären Kreisfahrt mit geringer Geschwindigkeit keine hohe Spurtreue zu erwarten, weil die unmittelbare Abhängigkeit des Anhängerlenkwinkels vom Lenkwinkel des Traktors und von der Fahrzeuggeometrie vernachlässigt wird. Zusätzlich kommt es wie bei der Lehre nach der DE 3850020 T2 zum Kurvenschneiden bei Krümmungsänderungen. Das Kurvenschneiden wird nach der US 2003/0167107 durch eine überlagerte heuristische Afschaltung des Traktorlenkwinkels bestenfalls verringert, aber nicht verhindert. Die kinetischen Fahrzeugeigenschaften, wie Trägheit und Reifeneigenschaften werden bei der Berechnung nicht berücksichtigt. Das Lenkverfahren ist damit nur für niedrige Geschwindigkeiten ausgelegt, bei der die Fahrzeugdynamik (Schwimmwinkel/Schräglaufwinkel, Reifenkennlinien, etc.) vernachlässigbar bleibt. Bei höheren, in der Praxis relevanten Geschwindigkeiten und Querbeschleunigungen degradiert die Spurtreue erheblich. Zwar kann das u. U. bei kurzen Fahrzeugen mit einer Zweiachslenkung noch akzeptabel sein, bei langen Fahrzeugen mit mehreren Lenkachsen ist das jedoch nicht mehr der Fall.
Ziel der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für lange Straßenfahrzeuge mit mehreren Modulen und separat ansteuerbaren Lenkachsen eine Mehrachslenkung zu schaffen, die

– eine spurtreue Fahrzeuglenkung ermöglicht und
– eine teilautomatische Lenkung zulässt, bei der ein Fahrer die Vorderachse willkürlich steuert und alle anderen Lenkachsen der Vorderachse spurtreu folgen und
– auch eine automatische Lenkung zulässt, bei der die Lenkachsen einer oder mehrerer Sollwegtrajektorie spurtreu folgen,
– zwischen automatischer und teilautomatischer Lenkung umgeschaltet werden kann,
– die theoretisch vorhandenen Freiheitsgrade nicht im Sinne vordefinierter Fahrmanöver wie eine stationäre Kreisfahrt einschränkt, sondern zur Bewältigung anspruchsvollerer Fahrmanöver wie die Rückwärtsfahrt oder eine spurtreue S-Kurvenfahrt auch im Ein- und Zweirichtungsbetrieb ausnutzt und
– auch für Gelenkfahrzeuge mit mehr als 2 Modulen nutzbar ist.

Darstellung des Wesens der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 23. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweils zurückbezogenen Unteransprüchen. Auf der Grundlage eines kinetischen Mehrkörpermodells des Fahrzeugs im Sinne einer Steuerung werden online Stellsignale zur koordinierten Einstellung aller Lenkachswinkel so erzeugt, dass die Bewegungsrichtungen der Lenkachsmittelpunkte tangential zur vorgegebenen Sollwegtrajektorie ausgerichtet werden. Die Sollwegtrajektorie beschreibt den Sollwegverlauf des Fahrzeugs als ebene oder räumliche Trajektorie in mindestens einmal stetig differenzierbarer Form und ist zweckmäßigerweise bezüglich eines ortsfesten Koordinatensystems definiert. Die aufgrund von Störungen oder anderen Einflüssen unvermeidbaren Querabweichungen zwischen der Sollwegtrajektorie und der tatsächlichen Fahrzeugposition, die durch die Lage der Mittelpunkte der Lenkachsen beschrieben wird, werden gemessen, und durch unterlagerte Regelkreise an jeder Lenkachse ausgeregelt. Die Querabweichungen resultieren bei der erfindungsgemäßen Mehrachslenkung hauptsächlich aus nicht direkt messbaren Störungen wie Windkräften quer zum Fahrzeug.
Die Berechnung der modellbasierten Steuersignale erfolgt online in einer Datenverarbeitungseinheit, wobei in die Berechnung mindestens die Fahrzeuggeschwindigkeit und der Verlauf der Sollwegtrajektorie eingehen. Damit werden die Lenkwinkel stets passend zum jeweiligen Fahrmanöver und dem aktuellen Fahrzeugzustand eingestellt. Aufgrund dieser Merkmale kann die erfindungsgemäße Mehrachslenkung auch als selbst spuradaptive Mehrachslenkung bezeichnet werden. Die automatische situationsgerechte Anpassung der Lenkachswinkel bewirkt, dass das Radieren der Räder auf dem Untergrund auf das für die Querführung notwendige Maß minimiert wird.
Insbesondere ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass bei der automatischen Mehrachslenkung jede Stelleinrichtung (SE) über ein Stellsignal (γ'_i) angesteuert wird, das aus der Superposition des Regelsignals (γ_R,i) eines Querreglers (QR) und des Steuersignals (γ_S,i) einer modellbasierten Steuerung erzeugt wird, und diese Steuerung die Bewegungsrichtungen der Lenkachsmittelpunkte (A_i) tangential oder zumindest näherungsweise tangential zu einer vorgegebenen Sollwegtrajektorie (SWT) ausrichtet, wobei die Sollwegtrajektorie (SWT) den Sollwegverlauf des Fahrzeugs als ebene oder räumliche Trajektorie in mindestens einmal stetig differenzierbarer Form beschreibt, und die Steuersignale (γ_S,1, ..., γ_S,n) online von einer Datenverarbeitungseinheit (DV) durch Einbeziehen der Messsignale von einem Fahrzeugpositionssensor (GPS) und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (VS) auf der Grundlage eines kinetischen Mehrkörpermodells des Fahrzeugs errechnet werden und die daraus resultierenden Steuersignale (γ_S,1, ..., γ_S,n) mindestens von der Fahrzeuggeschwindigkeit (V) und der Sollwegtrajektorie (SWT) abhängen und der jeweilige Querregler (QR) das Regelsignal (γ_R,i) so erzeugt, dass die von einem Querabweichungssensor (QS) ermittelte Querabweichung (δ_q,i) zwischen dem jeweiligen Lenkachsmittelpunkt (A_i) und der Sollwegtrajektorie (SWT) minimal wird und bei der teilautomatischen Mehrachslenkung, die grundsätzlich wie die automatischen Mehrachslenkung abläuft, jedoch die in Vorwärtsfahrtrichtung erste Lenkachse, die Vorderachse, über eine Steuereinrichtung, typischerweise ein Lenkrad, willkürlich gelenkt wird, die verbleibenden n – 1 Lenkachsen automatisch entlang einer Sollwegtrajektorie (SWT) geführt werden, die aus der Folge von Sollwegpunkten (P) gebildet wird, die sich aus der Positionsänderung des Achsmittelpunkts der willkürlich gelenkten Vorderachse ergibt.
Die erfindungsgemäße Mehrachslenkung kann entweder automatisch oder teilautomatisch arbeiten. Bei der automatischen Lenkung werden alle Lenkachsen mit minimaler Querabweichung entlang der vorgegebenen Sollwegtrajektorie geführt. Die teilautomatische Lenkung arbeitet grundsätzlich wie die automatische Lenkung, jedoch wird die Vorderachse durch einen Fahrer willkürlich gelenkt und alle anderen Lenkachsen folgen dann der Sollwegtrajektorie, die sich aus der vorgegebenen Bewegung der Vorderachse ergibt spurtreu.
Die vorliegende Erfindung wird aus der weiteren detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, welche nur zur Erläuterung beigegeben werden und somit nicht als einschränkend für die vorliegende Erfindung zu erachten sind. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Gelenkfahrzeugs mit erfindungsgemäßer Mehrachslenkung,
2 eine schematische Darstellung des Prinzips der Steuersignalberechnung und
3 eine schematische Darstellung eines Gelenkfahrzeugs und dessen Projektion auf die Sollwegtrajektorie (SWT).
1 zeigt ein Fahrzeug das aus einem Primärmodul (PM) mit zwei Lenkachsen besteht, deren Achsmittelpunkte mit (A₁) und (A₂) bezeichnet sind, und zwei Sekundärmodulen (SM) mit je einer Lenkachse, deren Achsmittelpunkte mit (A₃) und (A₄) bezeichnet sind. In 1 verläuft die aus Sollwegpunkten (P) gebildete Sollwegtrajektorie (SWT) exakt durch alle Achsmittelpunkte (A₁, ..., A₄). Alle Lenkachsen werden jeweils über Steuereinrichtungen (SE) ausgehend von den Steuersignalen (γ_S,i, ..., γ_S,4) aus der Datenverarbeitungseinheit (DV) und den Regelsignalen (γ_R,1, γ_R,4) der Querregler (QR) angesteuert. Die Reglersignale werden durch Querregler (QR) erzeugt, in die die von den Sensoren (QS) erfassten Querabweichungen (σ₁, ..., σ₄) zwischen den Achsmittelpunkten (A₁, ..., A₄) und der Sollwegtrajektorie (STW) eingehen. Die Umschaltung vor der Stelleinrichtung (SE) der Vorderachse deutet die Umschaltung zwischen teilautomatischer und automatischer Lenkung an.
2 zeigt die Datenverarbeitungseinheit (DV), in die die Signale des Fahrzeugpositionssensors (GPS), des Wegpunktspeichers (WPS), des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors (VS) und des Lenksensors (LS) eingehen. In der Datenverarbeitungseinheit (DV) sind die Fahrzeugmodellparameter (FMP) abgelegt, die, falls erforderlich, dem aktuellen Fahrzeugzustand entsprechend angepasst werden können. Die Datenverarbeitungseinheit (DV) verfügt über einen Positionsspeicher (GPSS) der die vom Fahrzeugpositionssensors (GPS) gemessenen Positionen des Lenkachsmittelpunkts (A₁) der Vorderachse speichert, so dass die Sollwegtrajektorie (SWT) unter dem gesamten Fahrzeug berechenbar ist. Die Datenverarbeitungseinheit (DV) führt mittels Software, die Sollwegtrajektorienberechnung (SWTB), die Sollpositionsberechnung (SPB), die Sollzustandsberechnung (SZB) und die Lenkwinkelberechnung (LWB) durch. In der Sollwegtrajektorienberechnung (SWTB) wird die Sollwegtrajektorie (SWT) berechnet. Der Umschalter deutet die Umschaltung zwischen teilautomatischer und automatischer Lenkung an.
3 zeigt schematisch, wie bei der Sollpositionsberechnung (SPB) ein Gelenkfahrzeug bestehend aus einem Primärmodul (PM) mit zwei Lenkachsen und ein angekoppeltes Sekundärmodul (SM) mit einer Lenkachse auf die Sollwegtrajektorie (SWT) projiziert wird. Zur Verdeutlichung wurden die Querabweichungen (δ_q,1, ..., δ_q,3) übertrieben groß gewählt.
Durch die modellbasierte Steuerung der Achslenkwinkel ist die Mehrachslenkung prinzipiell nicht auf Fahrzeuge einer bestimmten Länge und/oder einer bestimmten Anzahl von Fahrzeugmodulen beschränkt.
Durch die modellbasierte Steuersignalberechnung lassen sich veränderte Fahrzeugeigenschaften berücksichtigen. Hierzu müssen lediglich die Fahrzeugmodellparameter entsprechend den veränderten Fahrzeugeigenschaften angepasst werden. Die Fahrzeugmodellparameter sind über an sich bekannte Identifikations- oder Messverfahren ermittelbar.
Wie die Erfahrung gezeigt hat, verbessert die erfindungsgemäße Mehrachslenkung die Fahrstabilität gegenüber den weitgehend mechanisch starr gekoppelten Mehrachslenkungen. Durch die situationsgerechte Ausrichtung der Lenkachsen werden Kurven mit höherer Sicherheitsreserve durchfahren bzw. können mit höherer Fahrzeuggeschwindigkeit bewältigt werden, ohne dass das Fahrzeug ausbricht.
Im Hauptanspruch der Erfindung wird davon ausgegangen, dass für das Fahrzeug nur eine Sollwegtrajektorie (SWT) vorliegt wie es für die Geradeausfahrt oder eine einfache Kurvenfahrt sinnvoll ist. Die Erfindung umfasst gemäß Unteranspruch 11 jedoch auch den Fall, das für eine oder mehrere Lenkachsen jeweils achsspezifische Sollwegtrajektorien (SWT) vorgegeben und umgesetzt werden, so dass beispielsweise auch das sog. Fahrmanöver Hundegang, bei dem sich das Fahrzeug seitlich nach vorn oder nach hinten bewegt ohne die Richtung seiner Längsachse zu ändern, durch die erfindungsgemäße Mehrachsregelung umsetzbar ist.
Die erfindungsgemäße Mehrachslegung ist so beschaffen, dass nicht alle Achsen des Fahrzeugs Lenkachsen sein müssen. In diesem Fall wird allerdings eine exakte Spurführung i. d. R. nicht mehr erreicht, die verbleibenden Querabweichungen sind jedoch nicht ursächlich auf die Mehrachslenkung zurückzuführen, sondern durch die fahrzeugseitigen Einschränkungen limitiert. Die erfindungsgemäße Mehrachslenkung kann in Kombination mit einem System zur Fahrzeuglängsführung für einen vollautomatischen fahrerlosen Betrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiel
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mehrachslenkung wird am Beispiel eines zweigliedrigen Fahrzeugs mit einer automatischen Mehrachslenkung beschrieben. Wie 3 zeigt, besteht es aus einem Primärfahrzeugmodul (PM) mit zwei Lenkachsen und einem Sekundärfahrzeugmodul (SM) mit einer Lenkachse. Beide Module sind durch ein Gelenk (G₁) verbunden. Die Lenkwinkel werden über jeweils eine Stelleinrichtung (SE) durch ein Stellsignal (γ'₁, ..., γ'₃) vorgegeben.
Der Fahrzeugpositionssensor (GPS) ist vorteilhafterweise so aufgebaut, dass er Signale von einem sehr genauen Trägheitsnavigationssystem und von einem ebenfalls sehr genauen differential-GPS Satellitennavigationssystem fusioniert, wobei sich beide Navigationssysteme im Primärmodul (PM) befinden.
Der Fahrzeugpositionssensor (GPS) liefert nicht nur die Position des Lenkachsmittelpunkts (A₁) der Vorderachse sondern auch die Ausrichtung (ξ) des Primärmoduls (PM) bezüglich des ortsfesten ebenen Koordinatensystems (I). Die Sollwegtrajektorie (SWT) ist ebenfalls auf das Koordinatensystem (I) bezogen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Querabweichungssensoren (QS) ebenso wie die Querregler (QR) über Softwareprogramme in der Datenverarbeitungseinheit (DV) implementiert sind. Die Querabweichungssensoren (QS) bestimmen die Querabweichungen (δ_q,1, ..., δ_q,3). Hierzu werden die Positionen der Achsmittelpunkte der zweiten (A₂) und dritten Achse (A₃) über bekannte geometrische Beziehungen aus der Position des Achsmittelpunkts der Vorderachse (A₁) sowie der Ausrichtung (ξ) und dem zusätzlich gemessenen Gelenkwinkel (ϕ) ermittelt und aus dem Verlauf der Sollwegtrajektorie (SWT), die in Form kubischen Splines vorliegt, die Querabweichungen (δ_q,1, ..., δ_q,3) bestimmt.
Die Querabweichungen (δ_q,1, ..., δ_q,3) sind die Eingangsgröße der Querregler (QR), die als konventionelle PID-Regler aufgebaut sind.
Bei der automatischen Mehrachslenkung erfolgt die Sollwegtrajektorienberechnung (SWTB) vorteilhafterweise nicht während der Fahrt, wenn auf eine bereits generierte Sollwegtrajektorie (SWT) zurückgegriffen werden kann. Die Sollpositionsberechnung (SPB) erfolgt in der Weise, dass von der Position des Lenkachsmittelpunkts (A₁) in an sich bekannte Weise der Lotfußpunkt (R_A,1) auf der Sollwegtrajektorie (SWT) berechnet wird. Der Lotfußpunkt (R_A,1) entspricht der Lenkachssollposition (SPA) der Vorderachse. Mit der Lenkachssollposition (R_A,1), der Sollwegtrajektorie (SWT) sowie den Fahrzeugmodellparametern (FMP) die die Fahrzeuggeometrie beschreiben, werden die Lenkachssollpositionen der zweiten Lenkachse (R_A,2) und der dritten Lenkachse (R_A,3) berechnet.
Die Lenkachssollposition der zweiten Achse (R_A,2) ist der Punkt, der auf der Sollwegtrajektorie (SWT) liegt und sich um den Achsabstand (I₁) in Fahrtrichtung hinter der Lenkachssollposition der ersten Lenkachse (R_A,1) befindet. Das ist in der 3 durch den Kreisbogen (B₁) mit dem Radius (I₁) verdeutlicht, dessen Mittelpunkt die Lenkachssollposition der Vorderachse (R_A,1) ist. Die Lenkachssollposition der zweiten Achse (R_A,2) wird durch ein numerisches Verfahren, beispielsweise ein Bisektionsverfahren, berechnet und beschreibt zusammen mit Lenkachssollposition der ersten Achse (R_A,1) die Sollposition (L_S), des Primärfahrzeugmoduls (PM) eindeutig.
Aus der Sollposition (L_S) des Primärfahrzeugmoduls (PM) wird mit der Länge (I_G,1), dem Abstand zwischen der zweiten Lenkachse und dem Gelenk, die Sollposition des Knickgelenks (R_G,1) berechnet. Die Lenkachssollposition der dritten Achse (R_A,3) wird in gleicher Weise ermittelt wie bei der Lenkachssollposition der zweiten Achse (R_A,2).
In der Sollzustandsbrechnung (SZB) werden die Geschwindigkeitsvektoren und die Beschleunigungsvektoren in den Lenkachssollpositionen (R_A,1, ..., R_A,3) berechnet, die zur Verfolgung der Sollwegtrajektorie (SWT) notwendig sind. Die Richtung dieser Vektoren ergeben sich aus der ersten und der zweiten Richtungsableitung der Sollwegtrajektorie (SWT) in den zugehörigen Lenkachssollpositionen (R_A,1, ..., R_A,3). Die Beträge der Vektoren sind durch die Fahrzeugstruktur und die Fahrzeuggeschwindigkeit (V) festgelegt. Die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren werden in den Sollzustandsvektor x_S sowie dessen erste zeitliche Ableitung (dx_S/dt) transformiert. Die Steuersignale (γ_S,1, ..., γ_S,3) werden berechnet, indem der Sollzustandsvektor x_S und dessen zeitliche Ableitung (dx_S/dt) sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit (V) in das inverse kinetische Mehrkörpermodell zahlenmäßig eingesetzt werden. Das kinetische Mehrkörpermodell basiert dabei auf einem sog. Einspurmodell, wodurch die Nick- und Wankbewegungen vernachlässigt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Mehrachslenkung wird auf eine geometrische Lösung zur Berechnung der Steuersignale (γ_S,1, ..., γ_S,3) zurückgegriffen, wenn sich das Fahrzeug nicht bewegt, d. h. die Fahrzeuggeschwindigkeiten (V) Null ist. Dabei werden die Lenkachsmittelpunkte parallel zur Tangente an der Sollwegtrajektorie (SWT) in den zugehörigen Lenkachssollpositionen (R_A,1, ..., R_A,3) ausgerichtet. Durch die geometrische Lösung zur Berechnung der Steuersignale (γ_S,1, ..., γ_S,3) wird berücksichtigt, dass die inverse Fahrzeugkinematik nur für Fahrzeuggeschwindigkeiten (V) gleich Null nicht definiert ist.
Die Stelleinrichtungen verzögern die Einstellung der Lenkwinkel. Besonders bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten (V) wirkt sich das negativ auf die Fahrstabilität aus. Dieses Verhalten wird vorzugsweise dadurch kompensiert, dass in der Sollpositionsberechnung (SPB) eine Vorausschau erfolgt, deren Vorschauweite (I_V) mit der Fahrzeuggeschwindigkeit (V) zunimmt. Das erfolgt, indem der Lenkachsmittelpunkt der Vorderachse (A₁) in Richtung der Längsachse des Primärfahrzeugmoduls (PM) um eine geschwindigkeitsabhängige Vorschauweite (I_V) nach vorn projiziert wird.
Die im Ausführungsbeispiel beschriebene Mehrachslenkung ist eine automatische Lenkung bei der alle drei Lenkachsen entlang der gegebenen Sollwegtrajektorie (SWT) geführt werden. In prinzipiell gleicher Weise arbeitet auch die teilautomatische Lenkung, jedoch wird dann die Vorderachse durch einen Fahrer willkürlich gelenkt. Alle anderen Lenkachsen folgen der Sollwegtrajektorie (SWT), die sich aus der Positionsänderung der Vorderachse ergibt. Auf diese Weise folgen die beiden nachlaufenden Achsen der Vorderachse spurtreu.
Wie Untersuchungen an einer derart ausgestalteten automatischen Mehrachslenkung gezeigt haben, werden bei einem 18 m langen Gelenkfahrzeug mit zwei zirka 8,5 m langen Modulen bei praxisüblichen Fahraufgaben und einer Geschwindigkeit von bis zu maximal 60 km/h typischerweise Querabweichungen (δ_q,1, ..., δ_q,3) von weniger als ±20 mm erzielt.
Literatur

[Deelen 2006] Deelen, K.: „Phileas: Straßenbahn-Technologie auf Gummireifen” In: Stadtverkehr 51 (2006), Nr. 2, S. 39–40.
[Marahrens 2006] Marahrens, W.; Landsberger, K.: „Großraumbusse auf der Hamburger MetroBus-Linie 5” In: Stadtverkehr 51 (2006), Nr. 2, S. 20–22.

Claims

Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs, insbesondere eines Busfahrzeugs, mit n >= 2 Lenkachsen bei denen der jeweilige Lenkwinkel (γ_i mit i = 1, ..., n) jeweils durch eine Stelleinrichtung (SE) vorgebbar ist und das Fahrzeug aus einem Primärfahrzeugmodul (PM) und einem oder mehreren Sekundärfahrzeugmodulen (SM) besteht und die Fahrzeugmodule hintereinander gekoppelt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale (γS,1 ... γS,n) für die Stelleinrichtungen (SE) online von einer Datenverarbeitungseinheit (DV) durch Einbeziehen von Informationen über die Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahrzeugposition auf der Grundlage eines kinetischen Mehrkörpermodells des Fahrzeugs errechnet werden.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der automatischen Mehrachslenkung in der Datenverarbeitungseinheit (DV) durch Softwareprogramme online die Steuersignale (γ_S,1, ..., γ_S,n) berechnet werden, indem aus einer Folge von Sollwegpunkten (P) durch eine Sollwegtrajektorienberechnung (SWTB) eine Sollwegtrajektorie (SWT) generiert wird und in einer Sollpositionsberechnung (SPB) aus der Sollwegtrajektorie (SWT), aus den Fahrzeugmodellparametern (FMP) und aus der Position des Lenkachsmittelpunkts der Vorderachse (A₁) die Lenkachssollpositionen (SPA) auf der Sollwegtrajektorie (SWT) berechnet werden und in der Sollzustandsberechnung (SZB) aus diesen Lenkachssollpositionen (SPA), der Fahrzeuggeschwindigkeit (V), der Sollwegtrajektorie (SWT) und den Fahrzeugmodellparametern (FMP) der Sollzustandsvektor (x_S) des Fahrzeugs und dessen erste zeitliche Ableitung (dx_S/dt) berechnet wird und in der Lenkwinkelberechnung (LWB) aus dem Sollzustandsvektor (x_S), der Fahrzeuggeschwindigkeit (V) und den Fahrzeugmodellparametern (FMP) die Steuersignale (γ_S,1, ..., γ_S,n) berechnet werden und bei der teilautomatischen Mehrachslenkung, die Vorderachse nur über die willkürliche Lenkvorgabe angesteuert wird und die Steuersignale (γ_S,2, ..., γ_S,n) für alle nachfolgenden Lenkachsen wie bei der automatischen Mehrachslenkung in der Datenverarbeitungseinheit (DV) durch Softwareprogramme berechnet werden, wobei zusätzlich in die Lenkwinkelberechnung (LWB) ein Messsignal (PHI) aus einem Lenksensor (LS) eingeht, das den willkürlich vorgegebenen Vorderachslenkwinkel wiedergibt.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Querregler (QR) zusätzliche Steuersignale γ_R,i, die die Steuersignale γ_S,i überlagern, so erzeugen, dass die von den Querabweichungssensoren (QS) ermittelten Querabweichungen (δ_q,i) zwischen den jeweiligen Lenkachsmittelpunkten (A_i) und der Sollwegtrajektorie (SWT) minimal werden.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwegtrajektorie (SWT) entweder in mindestens einmal stetig differenzierbarer Form bereits vorliegt oder in an sich bekannter Weise aus einer Folge von Sollwegpunkten (P) erzeugt wird.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der automatischen Mehrachslenkung die Sollwegtrajektorie (SWT) aus einer Folge von Sollwegpunkten (P) generiert wird, die in einem Wegpunktspeicher (WPS) gespeicherten ist, oder eine bereits generierte, vorhandene Sollwegtrajektorie (SWT) verwendet wird.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der teilautomatischen Mehrachslenkung die Sollwegtrajektorie (SWT) aus einer Folge von Sollwegpunkten (P) generiert wird, die sich aus der Änderung der Position des Lenkachsmittelpunkts der Vorderachse A₁ ergibt und diese in einem Positionsspeicher (GPSS) gespeichert ist.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wegpunktspeicher (WPS) vorliegenden Sollwegpunkte (P) und/oder die gespeicherte Sollwegtrajektorie (SWT) auch durch Softwareprogramme und/oder durch Datenübertragung veränderbar sind.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen automatischer oder teilautomatischer Mehrachslenkung umgeschaltet werden kann.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der automatischen Mehrachslenkung die Steuersignale (γ_S,1, ..., γ_S,n) so berechnet werden, dass der Beschleunigungsvektor in jedem Lenkachsmittelpunkt (A₁, ..., A_n) zumindest näherungsweise tangential zum Verlauf der Sollwegtrajektorie (SWT) im jeweiligen Achsmittelpunkt A_i ausgerichtet ist und bei der teilautomatischen Mehrachslenkung die Steuersignale (γ_S,2, ..., γ_S,n) so berechnet werden, dass der Beschleunigungsvektor in jedem Lenkachsmittelpunkt (A₂, ..., A_n) zumindest näherungsweise tangential zum Verlauf der Sollwegtrajektorie (SWT) im jeweiligen Achsmittelpunkt A_i ausgerichtet ist.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sollwegtrajektorie (SWT) auf die Lenkachsmittelpunkte (A₁, ..., A_n) bezieht.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sollwegtrajektorie (SWT) auf Fahrzeugpunkte außerhalb der Lenkachsenmittelpunkte bezieht.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Sollwegtrajektorie (SWT) optisch oder in anderer Weise auf dem Fahrweg oder im Fahrweg markiert ist und durch entsprechende Sensoren erfasst wird.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere auch partiell parallel ausgerichtete Sollwegtrajektorien (SWT) vorliegen und eine oder mehrere Lenkachsen jeweils dem Verlauf einer dieser Sollwegtrajektorien (SWT) folgen.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkachssollpositionen (LSP) in der Sollpositionsberechnung (SPB) so berechnet werden, dass zeitliche Verzögerungen die durch die Sensoren und/oder die Stelleinrichtungen (SE) und/oder die Online-Signalberechnung hervorgerufen werden, ausgeglichen werden.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Sollpositionsberechnung (SPB) eine Vorausschau erfolgt, indem die gemessene Position des Lenkachsmittelpunkts der Vorderachse (A₁) entlang der Sollwegtrajektorie (SWT) in Fahrtrichtung nach vorn projiziert wird.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder ausgewählte Parameter der Fahrzeugmodellparameter (FMP) veränderbar sind und dem aktuellen Fahrzeugzustand angepasst werden.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Softwareprogramme auf mehreren miteinander kommunizierenden Datenverarbeitungseinheiten (DV) ablaufen.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Querregler (QR) in die Datenverarbeitungseinheit (DV) integriert sind.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug mit einer Einrichtung für die Fahrzeuglängsführung betrieben wird.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Rückwärtsfahrt die in der Vorwärtsfahrt letzte Achse des Fahrzeugs eine Lenkachse ist, die dann die Vorderachse darstellt.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie für den Zweirichtungsbetrieb eingesetzt wird.
Verfahren zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein oder mehrere Achsmodule hat, die aus lenkbaren Mehrfachachsen insbesondere Doppelachsen oder Kombinationen mehrerer aktiver Nachlaufachsen bestehen, die jeweils durch ein gemeinsames Lenksignal (γ'_i) angesteuert werden.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs, insbesondere eines Busfahrzeugs, mit n >= 2 Lenkachsen bei denen die jeweiligen Lenkwinkel (γ_i mit i = 1, ..., n) jeweils durch eine Stelleinrichtung (SE) vorgebbar sind und das Fahrzeug aus einem Primärfahrzeugmodul (PM) und einem oder mehreren Sekundärfahrzeugmodulen (SM) besteht und die Fahrzeugmodule hintereinander gekoppelt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale (γ_S,1 ... γ_S,n) online von einer Datenverarbeitungseinheit (DV) erzeugbar sind, wobei Messsignale über die Fahrzeugposition und Fahrzeuggeschwindigkeit abrufbar und in ein kinetisches Mehrkörpermodell des Fahrzeugs einspeisbar sind.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet dass bei einer Vorrichtung zur automatischen Mehrachslenkung in der Datenverarbeitungseinheit (DV) online die Steuersignale (γ_S,1, ..., γ_S,n) dadurch berechenbar sind, indem aus einer Folge von Sollwegpunkten (P) durch Mittel für eine Sollwegtrajektorienberechnung (SWTB) eine Sollwegtrajektorie (SWT) generierbar ist und in Mittel zur Sollpositionsberechnung (SPB) aus der Sollwegtrajektorie (SWT), aus den Fahrzeugmodellparametern (FMP) und aus der Position des Lenkachsmittelpunkts der Vorderachse (A₁) die Lenkachssollpositionen (SPA) auf der Sollwegtrajektorie (SWT) berechenbar sind und in Mitteln zur Sollzustandsberechnung (SZB) aus diesen Lenkachssollpositionen (SPA), der Fahrzeuggeschwindigkeit (V), der Sollwegtrajektorie (SWT) und den Fahrzeugmodellparametern (FMP) der Sollzustandsvektor (x_S) des Fahrzeugs und dessen erste zeitliche Ableitung (dx_S/dt) berechenbar ist und in Mitteln zur Lenkwinkelberechnung (LWB) aus dem Sollzustandsvektor (x_S), der Fahrzeuggeschwindigkeit (V) und den Fahrzeugmodellparametern (FMP) die Steuersignale (γ_S,1, ..., γ_S,n) berechenbar sind.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Querregler (QR) zusätzliche Steuersignale γ_R,i, die die Steuersignale γ_S,i überlagern, so erzeugbar sind, dass die von den Querabweichungssensoren (QS) ermittelten Querabweichungen (δ_q,i) zwischen den jeweiligen Lenkachsmittelpunkten (A_i) und der Sollwegtrajektorie (SWT) minimierbar sind.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet dass bei einer Vorrichtung zur teilautomatischen Mehrachslenkung, die Vorderachse nur über eine willkürliche Lenkvorgabe ansteuerbar ist und die Steuersignale (γ_S,2, ..., γ_S,n) für alle nachfolgenden Lenkachsen wie bei der automatischen Mehrachslenkung in der Datenverarbeitungseinheit (DV) berechenbar sind, wobei Mittel für die Lenkwinkelberechnung (LWB) vorgesehen sind, in die ein Messsignal (PHI) aus einem Lenksensor (LS) einspeisbar ist, das den willkürlich vorgegebenen Vorderachslenkwinkel wiedergibt.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwegtrajektorie (SWT) entweder in mindestens einmal stetig differenzierbarer Form bereits vorliegt oder in an sich bekannter Weise aus einer Folge von Sollwegpunkten (P) erzeugbar ist.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass bei der automatischen Mehrachslenkung die Sollwegtrajektorie (SWT) aus einer Folge von Sollwegpunkten (P) generierbar ist, die in einem Wegpunktspeicher (WPS) gespeicherten ist, oder eine bereits generierte, vorhandene Sollwegtrajektorie (SWT) verwendbar ist.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass bei der teilautomatischen Mehrachslenkung die Sollwegtrajektorie (SWT) aus einer Folge von Sollwegpunkten (P) generierbar ist, die über Mittel zur Erfassung der Position des Lenkachsmittelpunkts der Vorderachse A₁ messbar ist und diese in einem Positionsspeicher (GPSS) speicherbar ist.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wegpunktspeicher (WPS) ablegbaren Sollwegpunkte (P) und/oder die speicherbare Sollwegtrajektorie (SWT) durch Softwareprogramme und/oder durch Datenübertragung veränderbar sind.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Umschaltung zwischen automatischer oder teilautomatischer Mehrachslenkung vorhanden sind.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass bei der automatischen Mehrachslenkung die Steuersignale (γ_S,1, ..., γ_S,n) so berechenbar sind, dass der Beschleunigungsvektor in jedem Lenkachsmittelpunkt (A₁, ..., A_n) zumindest näherungsweise tangential zum Verlauf der Sollwegtrajektorie (SWT) im jeweiligen Achsmittelpunkt A_i ausrichtbar ist und bei der teilautomatischen Mehrachslenkung die Steuersignale (γ_S,2, ..., γ_S,n) so berechenbar sind, dass der Beschleunigungsvektor in jedem Lenkachsmittelpunkt (A₂, ..., A_n) zumindest näherungsweise tangential zum Verlauf der Sollwegtrajektorie (SWT) im jeweiligen Achsmittelpunkt A_i ausrichtbar ist.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sollwegtrajektorie (SWT) auf die Lenkachsmittelpunkte (A₁, ..., A_n) bezieht.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sollwegtrajektorie (SWT) auf Fahrzeugpunkte außerhalb der Lenkachsenmittelpunkte bezieht.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die den Verlauf der Sollwegtrajektorie (SWT) optisch oder in anderer Weise auf dem Fahrweg oder im Fahrweg markierbar machen und durch entsprechende Sensoren erfassbar sind.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere auch partiell parallel ausgerichtete Sollwegtrajektorien (SWT) berechenbar sind und eine oder mehrere Lenkachsen jeweils dem Verlauf einer dieser Sollwegtrajektorien (SWT) ansteuerbar sind.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkachssollpositionen (LSP) in den Mitteln zur Sollpositionsberechnung (SPB) so berechenbar sind, dass zeitliche Verzögerungen die durch die Sensoren und/oder die Stelleinrichtungen (SE) und/oder die online-Signalberechnung hervorgerufen werden, ausgleichbar sind.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass neben Mitteln zur Berechnung der Sollposition (SPB) auch Mittel vorhanden sind, die eine Vorausschau ermöglichen, indem die messbare Position des Lenkachsmittelpunkts der Vorderachse (A₁) entlang der Sollwegtrajektorie (SWT) in Fahrtrichtung nach vorn projizierbar ist
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder ausgewählte Parameter der Fahrzeugmodellparameter (FMP) veränderbar und dem aktuellen Fahrzeugzustand anpassbar sind.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere miteinander kommunizierenden Datenverarbeitungseinheiten (DV) vorhanden sind.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Querregler (QR) und die Datenverarbeitungseinheit (DV) eine Einheit bilden.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass für das Fahrzeug eine Einrichtung für die Fahrzeuglängsführung vorhanden ist.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Rückwärtsfahrt die in der Vorwärtsfahrt letzte Achse des Fahrzeugs als Lenkachse wirkt, die dann die Vorderachse darstellt.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass sie für den Zweirichtungsbetrieb ausgelegt ist.
Vorrichtung zur automatischen oder teilautomatischen spurtreuen Mehrachslenkung eines Straßenfahrzeugs nach einem der Ansprüche 23 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein oder mehrere Achsmodule aufweist, die aus lenkbaren Mehrfachachsen insbesondere Doppelachsen oder Kombinationen mehrerer aktiver Nachlaufachsen bestehen, die jeweils durch ein gemeinsames Lenksignal (γ'_i) ansteuerbar sind.