DE102006033631A1

DE102006033631A1 - Stabilizing vehicle taking into account vehicle dynamics involves using transverse speed of vehicle or its time derivative as state parameter to be regulated

Info

Publication number: DE102006033631A1
Application number: DE200610033631
Authority: DE
Inventors: Achim Fehn; Sergiy Antonov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2008-01-24

Abstract

The method involves determining a demand parameter that influences the vehicle's transverse dynamics according to a driver's demand or some other demand, deriving a control parameter by comparing the demand parameter with a corresponding measured and/or estimated state parameter, feeding the control parameter to at least one actuator to alter the current setting. The transverse speed of the vehicle or its time derivative represents the state parameter to be regulated : An independent claim is also included for a regulating and control arrangement for implementing the inventive method.

Description

Stand der Technik State of the art

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stabilisierung eines Fahrzeugs unter Berücksichtigung der Fahrzeugquerdynamik nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to a method for stabilizing a Vehicle under consideration the vehicle transverse dynamics according to the preamble of claim 1.

In „ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 96", 1994, Seiten 674 bis 689 wird ein Fahrdynamik-Regelungsverfahren für Kraftfahrzeuge beschrieben, welches sowohl die Fahrzeuglängsdynamik als auch die Querdynamik berücksichtigt, um die Fahrstabilität auch in Grenzbereichen gewährleisten zu können. Zur Beeinflussung der Querdynamik wird eine Giergeschwindigkeitsregelung durchgeführt, bei der ausgehend vom Fahrerwunsch, insbesondere dem Lenkwinkel, eine Sollgiergeschwindigkeit ermittelt wird, die mit der gemessenen Gierrate verglichen und der Regelung zugrunde gelegt wird. Der Gierratenregler stellt hierbei das für die Fahrzeugquerführung erforderliche Giermoment bereit, das mithilfe der Aktuatoren im Fahrzeug, insbesondere durch gezielte Bremseingriffe an einzelnen Rädern im Fahrzeug, umgesetzt wird.In "ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 96", 1994, pages 674-689 describes a driving dynamics control method for motor vehicles, which takes into account both the vehicle longitudinal dynamics and the lateral dynamics, in order to ensure the driving stability in border areas. To influence the lateral dynamics, a yaw rate control is carried out, in which, based on the driver's request, in particular the steering angle, a desired yaw rate is determined, which is compared with the measured yaw rate and based on the regulation. The yaw rate controller hereby provides the yaw moment required for the vehicle transverse guidance, which is implemented by means of the actuators in the vehicle, in particular by targeted braking interventions on individual wheels in the vehicle.

Auch der aktuelle Fahrzustand fließt in die Berechnung der Sollwerte ein. Diese Verquickung von Fahrzustand und Sollwertbildung hat allerdings zur Folge, dass das mögliche Potenzial für die Regelung des Fahrzeuges nicht voll ausgenutzt wird.Also the current driving state flows in the calculation of the setpoints. This combination of driving condition and setpoint formation, however, has the consequence that the potential potential for the Regulation of the vehicle is not fully utilized.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug unter Berücksichtigung der Fahrzeugquerdynamik in effektiver Weise und sicher zu stabilisieren.Of the Invention is based on the object, a vehicle under consideration the vehicle transverse dynamics effectively and safely stabilize.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.These Task is according to the invention with the Characteristics of claim 1 solved. The dependent claims give expedient further education at.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus dem Fahrerwunsch eine die Querdynamik des Fahrzeugs beschreibende Sollgröße ermittelt, die mit einer korrespondierenden, gemessenen und/oder geschätzten Zustandsgröße verglichen wird, woraufhin eine Stellgröße ermittelt wird, die mindestens einem Aktuator im Fahrzeug zur Änderung der aktuellen Einstellung zugeführt wird. Als zu regelnde, die Querdynamik des Fahrzeugs beschreibende Zustandsgröße wird die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs oder deren zeitliche Ableitung herangezogen. Anstelle des Fahrerwunsches kann die Sollgröße auch aus einer anderen Vorgabe ermittelt werden, beispielsweise aus einer autonomen Streckenführung.at the method according to the invention becomes from the driver's request a transverse dynamics of the vehicle descriptive Setpoint determined, which are compared with a corresponding, measured and / or estimated state variable is, whereupon determines a manipulated variable is the at least one actuator in the vehicle for change fed to the current setting becomes. As to be regulated, describing the lateral dynamics of the vehicle State variable is the lateral velocity of the vehicle or its time derivative used. Instead of the driver's request, the target size can also be determined from another specification, for example, from a autonomous route.

Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen, die sich auf eine Gierratenregelung bzw. eine Schwimmwinkelbegrenzung stützen, liegt dem erfindungsgemäßen Verfahren die Regelung der Quergeschwindigkeit bzw. deren zeitliche Ableitung zugrunde, wodurch die Sollwertvorgabe aufgrund der strikten Trennung der Sollwertbildung von der Regelung vereinfacht ist. Ein weiterer Vorteil liegt in dem verringerten Applikationsaufwand bei modellbasierten Regelungsverfahren. Schließlich kann auch die Fahrzeugagilität und die Gesamtsystemdynamik mittels einer Vorsteuerung verbessert werden. Grundlage hierfür ist der Aufbau einer Regelungsstruktur als Trajektorienfolgeregelung, die auf einer Sollwertvorgabe und einer Rückführung basiert. Die Vorsteuerung, die optional durchgeführt werden kann, verbessert die Regelung, insbesondere das Störverhalten.in the Difference to known from the prior art designs, referring to a yaw rate control or a Schwimmwinkelbegrenzung support, lies the method according to the invention the regulation of the lateral velocity or its time derivative basis, whereby the setpoint specification due to the strict separation the setpoint formation is simplified by the control. Another The advantage lies in the reduced application effort for model-based control methods. After all can also be the vehicle agility and the overall system dynamics improved by means of a pilot control become. Basis for this is the construction of a control structure as a trajectory-successor, which is based on a setpoint input and a feedback. The feedforward control, which is optional can be improved, the control, in particular the disturbance behavior.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung wird die Quergeschwindigkeit und deren Ableitungen in einem inversen Fahrzeugmodell verarbeitet, in welchem ein Grund- bzw. Vorsteuerungswert der Stellgröße berechnet wird. Auf diesen Vorsteuerungswert wird der Reglerausgang aufaddiert, wobei der erhaltene Wert als Stellgröße dem mindestens einen Aktuator im Fahrzeug zugeführt wird. Das inverse System- bzw. Fahrzeugmodell beinhaltet die Information über die Dynamik des Fahrzeugs, wobei verschiedene Modellausführungen für das inverse Fahrzeugmodell möglich sind. Zweckmäßig wird das inverse Fahrzeugmodell als Funktion der Quergeschwindigkeit sowie der ersten und zweiten Ableitung der Quergeschwindigkeit und darüber hinaus auch des Lenkwinkels oder eines damit korrespondierenden Winkels und der Lenkwinkelgeschwindigkeit berechnet. Möglich sind aber auch weitere Abhängigkeiten, beispielsweise von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit.According to one expedient embodiment the transverse velocity and its derivatives in an inverse Vehicle model processed in which a basic or Vorsteuerungswert calculated the manipulated variable becomes. The controller output is added to this feedforward value, wherein the value obtained as a manipulated variable to the at least one actuator supplied in the vehicle becomes. The inverse system or vehicle model contains the information about the Dynamics of the vehicle, with different model designs for the inverse Vehicle model possible are. It is useful the inverse vehicle model as a function of the lateral velocity and the first and second derivative of the lateral velocity and about that In addition, the steering angle or a corresponding thereto Angle and the steering angle velocity calculated. Possible are but also more dependencies, for example, from the vehicle longitudinal speed.

Die Berücksichtigung eines inversen Fahrzeugmodells verbessert die Güte der Gesamtregelung, sie ist aber nicht zwingende Voraussetzung für das Funktionieren. Grundsätzlich reicht eine explizite Sollwertvorgabe bzw. Trajektorienbildung auf der Grundlage der Quergeschwindigkeit bzw. deren Ableitung aus.The consideration an inverse vehicle model improves the quality of the overall control, it is but not mandatory requirement for functioning. Basically enough an explicit setpoint specification or trajectory formation on the Basis of the lateral velocity or its derivative.

Als Stellgröße, die wenigstens einem Aktuator im Fahrzeug zur Änderung der aktuellen Einstellung zugeführt wird, wird vorteilhaft ein Giermoment um die Fahrzeughochachse ermittelt.When Manipulated variable, the at least one actuator in the vehicle to change the current setting supplied is, advantageously a yaw moment is determined about the vehicle vertical axis.

Zur Umsetzung dieses Giermoments werden Aktuatoren im Fahrzeug angesteuert, die insbesondere die Radbremse und/oder das Antriebssystem im Fahrzeug beeinflussen, beispielsweise motorische Größen wie Luft- und/oder Kraftstoffzufuhr oder auch den Kraftfluss im Antriebsstrang wie zum Beispiel Kupplungen oder Differenziale.to Implementation of this yawing moment actuators are controlled in the vehicle, in particular the wheel brake and / or the drive system in the vehicle affect, for example, engine sizes such as air and / or fuel supply or the power flow in the drive train such as clutches or Differentials.

Für den Fall, dass ein inverses Fahrzeugmodell berücksichtigt wird, ist die Solltrajektorie, die vorgegeben wird, zweckmäßig zweimal stetig differenzierbar, um sowohl die erste als auch die zweite Ableitung sprungfrei bilden zu können. Es handelt sich bei der Solltrajektorie insbesondere um die Quergeschwindigkeit, aus der die erste und die zweite Ableitung gebildet wird. Sofern auf ein inverses Fahrzeugmodell verzichtet wird, reicht es aber grundsätzlich aus, lediglich eine einmal stetige differenzierbare Solltrajektorie auf der Basis der Quergeschwindigkeit vorzugeben, deren zeitliche Ableitung dem Regler als Sollgröße zugeführt wird.In the case, that an inverse vehicle model is considered, is the desired trajectory, which is given, expediently twice continuously differentiable to both the first and the second To be able to form derivative without jump. The desired trajectory is, in particular, the transverse velocity the first and second derivatives are formed. Unless on an inverse vehicle model is dispensed with, but it is basically sufficient only a once continuous differentiable setpoint trajectory to specify the basis of the lateral velocity, their time derivative supplied to the controller as a nominal value.

Es kann darüber hinaus zweckmäßig sein, Parameter zu schätzen, insbesondere Reifenparameter und/oder Fahrzeugparameter und in die Ermittlung der Stellgröße einfließen zu lassen, insbesondere in die Ermittlung des Vorsteuerwertes der Stellgröße. Diese Schätzwerte fließen zweckmäßig in die inverse Modellbeschreibung ein.It can over it Be expedient, To estimate parameters in particular tire parameters and / or vehicle parameters and in the Determining the manipulated variable, in particular in the determination of the pilot control value of the manipulated variable. These estimates flow appropriate in the inverse model description.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:Further Advantages and expedient designs are the further claims, the figure description and the drawings. Show it:

1 ein Blockdiagramm mit der Darstellung einer modellbasierten Fahrzeugquerregelung, 1 a block diagram with the representation of a model-based vehicle lateral control,

2 Funktionsverläufe für den Lenkeinschlag der vorderen Räder des Fahrzeuges und der Längsgeschwindigkeit im Falle eines Testmanövers mit einem Spurwechsel, 2 Functional curves for the steering angle of the front wheels of the vehicle and the longitudinal speed in the case of a test maneuver with a lane change,

3 Funktionsverläufe mit den Soll- und Istwerten für den Schwimmwinkel und die Querbeschleunigung als Reaktion auf das Testmanöver, 3 Function curves with the setpoint and actual values for the slip angle and the lateral acceleration in response to the test maneuver,

4 Funktionsverläufe mit den Soll- und Istwerten für die Gierrate und die Stellgröße, ebenfalls als Reaktion auf das Testmanöver. 4 Function curves with the set and actual values for the yaw rate and the manipulated variable, also in response to the test maneuver.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) the invention

Folgende Symbole werden in der nachfolgenden Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet:
Lenkwinkel δ_H,
Einschlag der vorderen Räder δ_F,
Fahrzeugmasse m,
Fahrzeugträgheitsmoment um die Hochachse J,
Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x, Fahrzeugquergeschwindigkeit v_y,
Schwimmwinkel β,
Fahrzeugquerbeschleunigung a_y,
Fahrzeuggiergeschwindigkeit ψ .,
Querkraft an der Vorderachse F_F,
Querkraft an der Hinterachse F_R,
Schräglaufwinkel der vorderen Räder α_F,
Schräglaufwinkel der hinteren Räder α_R,
Steifigkeit der Vorderachse c_F,
Steifigkeit der Hinterachse c_R,
Abstand zwischen der Vorderachse und dem Fahrzeugschwerpunkt l_F,
Abstand zwischen der Hinterachse und dem Fahrzeugschwerpunkt l_R,
Moment um die Hochachse M_z.The following symbols are used in the following description and in the claims:
Steering angle δ _H ,
Impact of the front wheels δ _F ,
Vehicle mass m,
Vehicle moment of inertia about the vertical axis J,
Vehicle longitudinal velocity v _x , vehicle lateral _velocity v _y ,
Slip angle β,
Vehicle lateral _acceleration a _y ,
Vehicle yaw rate ψ.,
Lateral force at the front axle F _F ,
Lateral force at the rear axle F _R ,
Slip angle of the front wheels α _F ,
Slip angle of the rear wheels α _R ,
Stiffness of the front axle c _F ,
Stiffness of the rear axle c _R ,
Distance between the front axle and the vehicle center of gravity l _F ,
Distance between the rear axle and the vehicle center of gravity l _R ,
Moment about the vertical axis M _z .

Der Exponent „d" kennzeichnet einen Sollwert.Of the Exponent "d" denotes a Setpoint.

Der Block 1 in 1 stellt die Trajektorienplanung dar, in dem die Sollwertbildung auf der Grundlage des Fahrerwunsches durchgeführt wird. Eingang findet in den Block 1 als Fahrerwunsch der Einschlag der vorderen Räder δdF , der aus dem Lenkwinkel des Fahrers bestimmt wird, sowie die erste und zweite zeitliche Ableitung hiervon, und die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x (denkbar ist auch die Berücksichtigung der Längs- bzw. Querbeschleunigung). Im Block 1 werden aus diesen Informationen Trajektorien, also zeitliche Verläufe für die Sollwerte gebildet, und zwar für die Fahrzeugquergeschwindigkeit vdy sowie deren erste und zweite zeitliche Ableitung v .dy , v ..dy . Bei der Sollwertbildung für die Fahrzeugquergeschwindigkeit vdy und deren Zeitableitungen v .dy und v ..dy wird das dynamische Verhalten der Regelstrecke berücksichtigt, indem ausreichend oft stetig differenzierbare und damit realisierbare Sollverläufe aus dem Fahrerwunsch und dessen Zeitableitung sowie aus der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit gebildet werden. Hierfür wird ein quasi-stationäres Fahrzeugmodell verwendet, dem ein hoher Fahrbahnreibwert und ein lineares Reifenverhalten zugrunde liegt. Diese Vorgabe entspricht der Fahrererwartung, das heißt einem schnellen Ansprechen des Fahrzeugs auf Lenkeingriffe und linearem Systemverhalten. Denkbar sind aber auch alternative Ansätze, die beispielsweise auf der Sollwertbildung auf der Basis eines dynamischen Modells beruhen. Außerdem kann die Sollwertbildung auch das dynamische Aktuatorverhalten berücksichtigen.The block 1 in 1 represents the trajectory planning in which the setpoint formation is based on the driver's request is carried out. Entrance takes place in the block 1 as driver request the impact of the front wheels δ d F , which is determined from the driver's steering angle, and the first and second time derivative thereof, and the vehicle longitudinal speed v _x (conceivable is the consideration of the longitudinal or lateral acceleration). In the block 1 From this information, trajectories, that is to say temporal profiles for the nominal values, are formed for the vehicle lateral velocity v d y as well as their first and second temporal derivative v. d y , v. .. d y , In the setpoint formation for the vehicle transverse speed v d y and their time derivatives v. d y and V .. d y the dynamic behavior of the controlled system is taken into account by sufficiently frequently continuously differentiable and thus realizable target curves from the driver's request and its time derivation as well as from the vehicle's longitudinal speed are formed. For this purpose, a quasi-stationary vehicle model is used, which is based on a high road friction coefficient and a linear tire behavior. This specification corresponds to the driver's expectation, that is a fast response of the vehicle to steering interventions and linear system behavior. Conceivable, however, are alternative approaches that are based for example on the setpoint formation on the basis of a dynamic model. In addition, the setpoint formation can also take into account the dynamic actuator behavior.

Bei der Sollwertbildung im Block 1 können prinzipiell auch Sollverläufe für andere kinematische Größen als die Fahrzeugquergeschwindigkeit vorgegeben werden, um diese für eine Rückführung zu nutzen. Grundsätzlich können zur Ermittlung der benötigten Zeitableitungen im Block 1 Beobachter oder geeignete Filter eingesetzt werden.In the setpoint formation in the block 1 In principle, nominal curves for other kinematic variables than the vehicle lateral velocity can also be specified in order to use them for feedback. Basically, to determine the required time derivatives in the block 1 Observers or suitable filters are used.

Die in der Trajektorienplanung im Block 1 ermittelten Sollwerte für die Fahrzeugquergeschwindigkeit vdy sowie deren erste und zweite zeitliche Ableitungen v .dy und v ..dy werden dem Block 2 als Eingangsgrößen zugeführt, in welchem ein inverses Fahrzeugmodell realisiert wird. Weitere Eingangsgrößen in den Block 2 sind der Einschlag der vorderen Räder δdF sowie deren zeitliche Ableitung δ .dF und die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x. Mithilfe des inversen Systems im Block 2 wird aus der Sollvorgabe sowie unter Berücksichtigung von geschätzten Fahrzug- und Reifenparametern, die in einem Block 7 ermittelt werden, ein Sollgiermoment MdZ berechnet, das als Vorsteuerwert genutzt wird, wodurch die Güte der Regelung und das Störverhalten verbessert werden kann.The in trajectory planning in the block 1 determined setpoint values for the vehicle lateral velocity v d y as well as their first and second time derivatives v. d y and V .. d y be the block 2 supplied as input variables in which an inverse vehicle model is realized. Further input variables in the block 2 are the impact of the front wheels δ d F and their time derivative δ. d F and the vehicle longitudinal speed v _x . Using the inverse system in the block 2 is determined from the target specification and taking into account estimated Fahrzug- and tire parameters, in a block 7 be determined, a target yaw moment M d Z calculated, which is used as pre-control value, whereby the quality of the control and the disturbance behavior can be improved.

Das inverse Fahrzeugmodell im Block 2 stellt eine differenzialalgebraische Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Fahrzeug und Reifen dar. Die Systembeschreibung erfolgt auf der Grundlage der mathematischen Regelstreckendefinition mithilfe physikalischer Parameter. Schätzalgorithmen für die benötigte Fahrzeuglängsgeschwindigkeit sind beispielsweise aus ESP-Systemen bekannt.The inverse vehicle model in the block 2 is a differential algebraic description of the dynamic behavior of vehicle and tire. The system description is based on the mathematical rule definition using physical parameters. Estimation algorithms for the required vehicle longitudinal speed are known, for example, from ESP systems.

Bei dem inversen Fahrzeugmodell im Block 2 ist für eine genaue Berechnung des Sollgiermomentes MdZ Kenntnis des aktuellen Reibungskoeffizienten zwischen Reifen und Straße erforderlich, wobei fehlerhafte Reibungskoeffizienten durch die Rückführung kompensiert werden, so dass eine Anpassung, beispielsweise mittels Schätzung der Reibkoeffizienten nicht zwingend durchgeführt werden muss.In the inverse vehicle model in the block 2 is for an accurate calculation of the desired yaw moment M d Z Knowledge of the current coefficient of friction between the tire and the road is required, whereby erroneous friction coefficients are compensated by the feedback, so that an adjustment, for example by estimation of the coefficients of friction need not necessarily be performed.

Sollverläufe für Zustandsgrößen, beispielsweise für die Gierrate, oder von Zustandsgrößen abhängige Größen, wie zum Beispiel der Schwimmwinkel oder die Querbeschleunigung, können optional berechnet und mithilfe einer Rückführung zur Stabilisierung der Trajektorienfolge genutzt werden.Target curves for state variables, for example for the Yaw rate, or variables dependent on state variables, such as for example the slip angle or the lateral acceleration, can be optional calculated and using a return to Stabilization of Trajektorienfolge be used.

Die in der Trajektorienplanung im Block 1 ermittelte zeitliche Ableitung v .dy der Fahrzeugquergeschwindigkeit vdy wird als Sollgröße einem Additionspunkt zugeführt, in welchem ein Vergleich mit der zugeordneten Ist- bzw. Zustandsgröße v ._y durchgeführt wird. Die hieraus gewonnene Regelabweichung wird einem Regler 6 zugeführt, der beispielsweise als P-Regler ausgeführt ist und als Regelsignal einen Giermomentwert liefert, der in einem weiteren Additionspunkt zum Vorsteuerwert MdZ des Giermomentes aufaddiert wird, welcher vom inversen Fahrzeugmodell des Blockes 2 geliefert wird. Die hieraus gewonnene Stellgröße M_z für das Giermoment wird anschließend gemäß Block 3 einem oder mehreren Aktuatoren zugeführt, in denen die Stellgröße M_z in einem auf das jeweilige Aggregat, das von den Aktuatoren beeinflusst wird, bezogene Stellgröße MactZ umgesetzt wird. Hierbei kommen insbesondere Eingriffe zur Beeinflussung der Raddrehzahlen in Betracht, also Bremseingriffe an den Rädern, sowie Eingriffe in den Antrieb.The in trajectory planning in the block 1 determined time derivative v. d y the vehicle lateral velocity v d y is supplied as a setpoint to a summing point in which a comparison with the associated actual or state variable v. _{y is} performed. The resulting deviation is a controller 6 supplied, for example, is designed as a P-controller and as a control signal supplies a yaw momentum value in another addition point to the pilot control value M d Z of the yawing moment which is added to the inverse vehicle model of the block 2 is delivered. The resulting manipulated variable M _z for the yaw moment is then according to block 3 supplied to one or more actuators, in which the manipulated variable M _z in a related to the respective unit, which is influenced by the actuators manipulated variable M act Z is implemented. Here are in particular interventions for influencing the wheel speeds into consideration, so brake interventions on the wheels, as well as intervention in the drive.

Diese Eingriffe beeinflussen den Zustand des Fahrzeuges, das symbolisch im Block 4 abgebildet ist. Dieser Block 4 umfasst die Fahrzeugsensorik sowie die Schätzung beispielsweise für die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x, die am Ausgang des Blockes 4 zusätzlich zur Gierrate ψ . und der Querbeschleunigung a_y anliegt. Der Einschlag der vorderen Räder δdF , der am Eingang der Trajektorienplanung gemäß Block 1 anliegt, wird zusätzlich auch dem Block 4 als Eingang zugeführt und dort weiter verarbeitet.These interventions affect the condition of the vehicle, symbolically in the block 4 is shown. This block 4 includes the vehicle sensor as well as the estimate, for example, for the vehicle longitudinal speed v _x , which at the output of the block 4 in addition to the yaw rate ψ. and the lateral acceleration a _y is applied. The impact of the front wheels δ d F that at the entrance of trajectory planning according to block 1 In addition, is also the block 4 supplied as input and further processed there.

Die Blöcke 3 und 4 mit den Aktuatoren und dem Fahrzeug bilden gemeinsam die Regelstrecke. Die übrigen Blöcke aus 1 sind in einem Regel- und Steuergerät im Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens realisiert.The blocks 3 and 4 with the actuators and the vehicle together form the controlled system. The remaining blocks off 1 are realized in a control and regulation device in the vehicle for carrying out the method.

Der Systemausgang des Blockes 4 wird in einem weiteren Block 5 zur zeitlichen Ableitung v ._y der Quergeschwindigkeit gemäß der Beziehung v .y = ay – ψ .vx berechnet. Die zeitliche Ableitung v ._y der Quergeschwindigkeit v_y stellt die Istgröße dar, die mit dem korrespondierenden Sollwert v .dy verglichen wird, welcher aus der Trajektorienplanung gemäß Block 1 stammt.The system output of the block 4 will be in another block 5 for time derivative v. _y the lateral velocity according to the relationship v. y = a y - ψ .v x calculated. The time derivative v. _{y of} the transverse velocity v _y represents the actual size, which corresponds to the corresponding setpoint v. d y which is calculated from the trajectory planning according to block 1 comes.

Im Block 7, der dem inversen Fahrzeugmodell gemäß Block 2 vorgelagert ist, wird eine Parameterschätzung durchgeführt zur Verbesserung des Robustheitsverhaltens und der Genauigkeit der Regelung. Dem Block 7 werden die Werte, welche aus den Sensoren und Schätzalgorithmen stammen, zugeführt. Hierbei werden die wichtigsten Fahrzeug- und Reifenparameter wie zum Beispiel die Masse, die Reifensteifigkeit und der Reibwert geschätzt. Diese Parameter gehen anschließend in das inverse Fahrzeugmodell gemäß Block 2 ein.In the block 7 which corresponds to the inverse vehicle model according to block 2 A parameter estimation is performed to improve the robustness behavior and the accuracy of the control. The block 7 The values resulting from the sensors and estimation algorithms are supplied. The most important vehicle and tire parameters such as mass, tire stiffness and coefficient of friction are estimated. These parameters then go into the inverse vehicle model according to block 2 one.

Im Folgenden wird beispielhaft der Entwurf einer Trajektorienfolgeregelung für die Quergeschwindigkeit erläutert. Dabei ist zu beachten, dass bei der Sollwertvorgabe und der Systeminversion detailliertere Modelle als hier gezeigt eingesetzt werden können. Solche Modelle berücksichtigen z.B. das dynamische Verhalten von Aktor und Reifen bzw. das Wank- und Nickverhalten. Im Folgenden wird vorausgesetzt, dass die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x als Messung oder Schätzung vorliegt.In the following, the design of a trajectory-following scheme for the lateral velocity is explained by way of example. It should be noted that more detailed models than those shown here can be used for setpoint specification and system inversion. Such models take into account, for example, the dynamic behavior of the actuator and tire or the roll and pitch behavior. In the following, it is assumed that the vehicle longitudinal speed v _{x is present} as a measurement or estimate.

Die Sollwertvorgabe beruht auf dem quasi-stationären Fahrzeugmodell mit linearem Reifenverhalten: FR(αR) = cRαR, FF(αF) = cFαF. The target value specification is based on the quasi-stationary vehicle model with linear tire behavior: F R (α R ) = c R α R . F F (α F ) = c F α F ,

In diesem Fall stellt das Einspurmodell ein lineares System 2. Ordnung dar:In In this case, the single track model provides a second order linear system represents:

Durch das Auflösen des Differentialgleichungssystems (1) nach den Ruhelagen erhält man

By the dissolution of the differential equation system (1) after the rest positions one obtains

Die Gleichung (2) entspricht der an sich bekannten Ackermann-Gleichung. Eine Berücksichtigung von Gleichung (3) ist in Lösungen, die im Stand der Technik eingesetzt werden, dagegen nicht bekannt.The Equation (2) corresponds to the known Ackermann equation. A consideration of equation (3) is in solutions, those used in the prior art, however, not known.

Die Gleichung (3) sowie deren Zeitableitungen wird hier beispielhaft für die Sollwertvorgabe angewendet. Es sind aber auch andere Vorgabeverfahren denkbar, die unter anderem das Abbremsen bzw. die Beschleunigung des Fahrzeugs einbeziehen.The Equation (3) and their time derivatives will be exemplified here for the Setpoint specification applied. But there are also other default procedures conceivable, among other things, the deceleration or acceleration of the vehicle.

Zur Durchführung des Verfahrens wird das so genannte inverse System aufgestellt, dass nachfolgend an Hand eines stark vereinfachten Ausführungsbeispiels erläutert wird. Diesem liegt ein Einspurfahrzeugmodell mit nichtlinearen statischen Achskennlinien F_F(α_F), F_R(α_R) zu Grunde:To carry out the method, the so-called inverse system is set up, which will be explained below with reference to a greatly simplified exemplary embodiment. This is based on a one-track vehicle model with nonlinear static characteristic axes F _F (α _F ), F _R (α _R ).

Die nichtlinearen Funktionen F_F(α_F), F_R(α_R) in (4) und (5) hängen von dem Fahrbahnreibwert ab. Deshalb ist es sinnvoll, bei der Systeminversion einen Schätzwert für den Fahrbahnreibwert einzusetzen.The nonlinear functions F _F (α _F ), F _R (α _R ) in (4) and (5) depend on the road friction coefficient. Therefore, it makes sense to use an estimated value for the road friction coefficient during system inversion.

Durch das Einsetzen von der Gleichungen (6) und (7) in die Gleichungen (4) und (5) erhält man folgende Beziehungen für die Zustandsgrößen:

By substituting equations (6) and (7) into equations (4) and (5), the following relationships are obtained for the state quantities:

Hierbei wurde in der Gleichung (9) der Systemeingang u eingeführt, der ein zusätzliches normiertes Giermoment M_z beschreibt:

welches die Stellgröße darstellt und durch die Aktoren aufzubringen ist.Here, in the equation (9), the system input u was introduced, which describes an additional standardized yaw moment M _z :

which represents the manipulated variable and is applied by the actuators.

Mit δ_F wird hier der Einschlag der Vorderräder, gegebenenfalls der transformierte Lenkwinkel bezeichnet, der als bekannte Funktion der Zeit δ_F(t) darstellbar ist. Da Lenkwinkelsensoren zur Standardausrüstung moderner ESP-Systeme gehören, steht die Lenkwinkelinformation zur Verfügung. Darüber hinaus wird vorausgesetzt, dass die Reifenkennlinien F_F(α_F), F_R(α_R) lokal eindeutig invertierbar sind, was aber auf Grund der physikalischen Reifeneigenschaften immer der Fall ist. Die Gleichung (8) kann dann nach der Gierrate ψ . aufgelöst werden und man erhält ψ . = γ2(vy, v .y, δF) = γ2(y, y ., δF), (11)wobei y = v_y der Systemausgang ist.With δ _F is here the impact of the front wheels, possibly referred to the transformed steering angle, which can be represented as a known function of the time δ _F (t). Since steering angle sensors are standard equipment of modern ESP systems, the steering angle information is available. In addition, it is assumed that the tire characteristics F _F (α _F ), F _R (α _R ) are locally clearly invertible, but this is always the case due to the physical tire properties. The equation (8) can then after the yaw rate ψ. be dissolved and you get ψ. = γ 2 (v y , v. y , δ F ) = γ 2 (y, y., δ F ), (11) where y = v _{y is} the system output.

Die Differenzierung der Gleichung (11) nach der Zeit führt zu ψ .. = ρ(vy, v .y, v ..yδF, δ .F) = ρ(y, y ., y .., δF, δ .F) (12) The differentiation of equation (11) over time leads to ψ .. = ρ (v y , v. y , v. .. y δ F , δ. F ) = ρ (y, y., y .., δ F , δ. F ) (12)

Setzt man die Gleichungen (11) und (12) in die Gleichung (9) ein, so kann das Giermoment bestimmt werden, das die Stellgröße darstellt: Mz = u = Jθ(vy, v .y, v ..yδF, δ .F) = Jθ(y, y ., y .., δF, δ .F) (13) Substituting equations (11) and (12) into equation (9), the yaw moment representing the manipulated variable can be determined: M z = u = Jθ (v y , v. y , v. .. y δ F , δ. F ) = Jθ (y, y., Y .., δ F , δ. F ) (13)

Die Gleichung (13) beschreibt das inverse System für ein Einspurfahrzeugmodell. Mit Hilfe der Gleichung (13) erhält man durch das Einsetzen des Vorderradeinschlags (gegebenenfalls des umgerechneten Lenkradwinkels) und dessen Zeitableitungen sowie der Sollwerte für die Fahrzeugquergeschwindigkeit und deren Zeitableitungen die Vorsteuerung für das Giermoment M_z. Die Systeminversion bzw. Teile davon können auch offline durchgeführt werden, wodurch der Rechenaufwand im Steuergerät reduziert wird.Equation (13) describes the inverse system for a one-track vehicle model. With the help of equation (13) obtained by the onset of the front wheel (possibly the converted steering wheel angle) and its time derivatives and the setpoints for the vehicle lateral velocity and their time derivatives, the feedforward control for the yawing moment M _z . The system inversion or parts thereof can also be carried out offline, which reduces the computational effort in the control unit.

Die Sollgierrate erhält man algebraisch aus Gleichung (11) durch das Einsetzen von der gewünschten Quergeschwindigkeit y = vdy und den dazugehörigen Zeitableitungen. Für beide Berechnungen wird die aktuelle Fahrzeuglängsgeschwindigkeit als Schätzung oder Messung zurückgeführt.The set yaw rate is obtained algebraically from Equation (11) by substituting the desired lateral velocity y = v d y and the associated time derivatives. For both calculations, the current vehicle longitudinal speed is returned as an estimate or measurement.

Die Simulationsergebnisse für einen einfachen Spurwechsel sind in den 2 bis 4 dargestellt. Das Fahrmanöver wird bei einer nahezu konstanten Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x von 70 km/h durchgeführt. Dabei beträgt der maximale Vorderradeinschlag δ_F ca. 5°. Für die stabilisierende Rückführung wird die Ableitung der Fahrzeugquergeschwindigkeit v ._y eingesetzt. Zur Veranschaulichung ist in 3 der Schwimmwinkel β statt der Fahrzeugquergeschwindigkeit v_y dargestellt, da bei einer konstanten Längsgeschwindigkeit die beiden Größen näherungsweise linear zusammenhängen.The simulation results for a simple lane change are in the 2 to 4 shown. The driving maneuver is carried out at a nearly constant vehicle longitudinal speed v _x of 70 km / h. The maximum front wheel lock δ _{F is} approx. 5 °. For the stabilizing feedback, the derivation of the vehicle lateral velocity v. _y used. By way of illustration is in 3 the slip angle β instead of the vehicle lateral velocity v _y shown, since at a constant longitudinal speed, the two variables are approximately linearly related.

3 zeigt, dass die Soll- und Istwerte für den Schwimmwinkel β sehr gut übereinstimmen. In der Querbeschleunigung a_y (3) und der Gierrate ψ . (4) sieht man kleine Abweichungen, die die Modellungenauigkeiten widerspiegeln. Dies spielt jedoch keine Rolle, da der Schwimmwinkel entscheidend die Fahrzeugstabilität beeinflusst. 3 shows that the setpoint and actual values for the slip angle β match very well. In the lateral acceleration a _y ( 3 ) and the yaw rate ψ. ( 4 ) you see small deviations that reflect the model inaccuracies. However, this does not matter because the slip angle significantly affects vehicle stability.

Die in den 2 bis 4 dargestellten Simulationsergebnisse verdeutlichen, dass durch den Phasenunterschied zwischen der vorauseilenden Gierrate ψ . und dem Vorderradeinschlag δ_F die gewünschte Phasengleichheit zwischen Vorderradeinschlag δ_F, Quergeschwindigkeit v_y und Querbeschleunigung a_y erreicht wird. 4 zeigt den zugehörigen Verlauf der Stellgröße M_z.The in the 2 to 4 illustrated simulation results illustrate that the phase difference between the leading yaw rate ψ. and the front wheel angle δ _F the desired phase balance between front wheel angle δ _F , lateral velocity v _y and lateral acceleration a _{y is} achieved. 4 shows the associated course of the manipulated variable M _z .

Das beschriebene, modellbasierte Verfahren eignet sich für die Realisierung beliebiger Querregelungen für Kraftfahrzeuge, beispielsweise ESP, Active Front Steering, Active Rear Steering, Active Suspension. Den Schwerpunkt bildet jedoch eine ESP-Regelung, die mit Hilfe konventioneller hydraulischer Bremsanlagen oder x-by-wire Systemen (EHB, EMB) realisiert wird.The described, model-based method is suitable for the realization arbitrary transverse rules for Motor vehicles, for example ESP, Active Front Steering, Active Rear Steering, Active Suspension. The focus, however, is an ESP regulation using conventional hydraulic brake systems or x-by-wire systems (EHB, EMB) is realized.

Claims

Method for stabilizing a vehicle taking into account the vehicle lateral dynamics, in which - from the driver's request or other specification, a target variable influencing the lateral dynamics of the vehicle (v d y ) is determined, - from a comparison of the determined target size (v d y ) with a corresponding measured and / or estimated state variable (v _y ) a manipulated variable (M _z ) is determined, - the manipulated variable (M _z ) is supplied to at least one actuator in the vehicle to change the current setting, characterized in that the transverse velocity (v _y ) of the vehicle or its time derivative (v. _y ) represents the state variable to be controlled.

A method according to claim 1, characterized in that the setpoint values of the lateral velocity (v d y ) and, where appropriate, their derivatives (v. d y , v. d y ) an inverse vehicle model (θ) and in the inverse vehicle model (θ) a pilot control value (M d z ) the manipulated variable (M _z ) is calculated.

A method according to claim 2, characterized in that the inverse vehicle model (θ) as a function of the lateral velocity (v _y ), the first and second derivative (v. _Y , v .. _y ) of the lateral velocity, the steering angle (δ) and a thus corresponding angle and the steering angular velocity (δ.) is calculated: θ = θ (v y , vv y , v. .. y , δ, δ.).

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that a yaw moment manipulated variable (M _z ) is determined as a manipulated variable.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that on the manipulated variable (M _z ) to be set actuator is part of a wheel brake.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that on the manipulated variable (M _z ) to be set actuator is part of the drive system.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the derivative (v. _Y ) of the lateral velocity (v _y ) as a function of the lateral acceleration (a _y ), the yaw rate (ψ.) And the longitudinal velocity (v _x ) according to relationship v. y = a y - ψ .v x is determined.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that tire parameters are estimated and incorporated into the determination of the manipulated variable (M _z ).

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that vehicle parameters are estimated and incorporated into the determination of the manipulated variable (M _z ).

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that as a target size (v d y ) a twice continuously differentiable setpoint trajectory is given.

Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the desired speed is the transverse speed (v d y ) or the first derivative (v. _y ) of the lateral velocity (v _y ) is specified.

Control and regulating device for carrying out the Method according to one of the claims 1 to 11.