DE102006045303B3

DE102006045303B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Absolutneigungserkennung eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102006045303B3
Application number: DE102006045303A
Authority: DE
Inventors: Jens Fiedler; Andreas Dr. Jung; Rainer Marstaller; Andreas Dr. Mayer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Aumovio Germany GmbH
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-09-27

Abstract

Ein Fahrzeug (1) hat eine Beschleunigungserfassungseinheit (2), die eine Beschleunigung (ay, ax) des Fahrzeugs in Richtung einer ersten Achse (YV, XV) misst, die zur Hochachse (ZV) des Fahrzeugs (1) orthogonal ist. Das Fahrzeug hat ferner eine Gierratenerfassungseinheit (16) und eine Geschwindigkeitserfassungseinheit (15), die Geschwindigkeiten (vy, vx) in Richtung der ersten Achse (YV, XV) und in Richtung einer zweiten Achse (XV, YV) bestimmt, wobei die zweite Achse (XV, YV) senkrecht zur Hochachse (ZV) und nicht parallel zur ersten Achse (YV, XV) verläuft. Die Beschleunigung (ay, ax) des Fahrzeugs (1) wird in Richtung der ersten Achse (YV, XV) erfasst. Eine erste und eine zweite Geschwindigkeit (vy, vx) des Fahrzeugs (1) werden in Richtung der ersten Achse (YV, XV) beziehungsweise der zweiten Achse (XV, YV) erfasst. Ferner wird eine Gierrate (gr) des Fahrzeugs (1) erfasst und die zeitliche Ableitung der ersten Geschwindigkeit (vy, vx) bestimmt. Der Absolutneigungswinkel (alpha) wird basierend auf der Beschleunigung (ay, ax), der zeitlichen Ableitung der ersten Geschwindigkeit (vy, vx), der zweiten Geschwindigkeit (vx, vy) und der Gierrate (gr) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absolutneigungserkennung eines Fahrzeugs mit einer Beschleunigungserfassungseinheit, die eine Beschleunigung des Fahrzeugs in Richtung einer ersten Achse misst, die zur Hochachse des Fahrzeugs orthogonal ist. Das Fahrzeug umfasst ferner eine Gierratenerfassungseinheit und eine Geschwindigkeitserfassungseinheit, die Geschwindigkeiten in Richtung der ersten Achse und in Richtung einer zweiten Achse bestimmt, wobei die zweite Achse senkrecht zur Hochachse und nicht parallel zur ersten Achse verläuft. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Absolutneigungserkennung solch eines Fahrzeugs.
In Fahrzeugen können Maßnahmen vorgesehen sein, um die Sicherheit der Fahrzeuginsassen im Falle eines Überschlags, der auch als "Rollover" bezeichnet wird, zu erhöhen. Zu diesen Maßnahmen können gehören, Gurte zu straffen, Airbags auszulösen oder einen Überrollbügel auszufahren. Es ist erforderlich, das Überschlagen des Fahrzeugs rechtzeitig und sicher zu erkennen, um diese Maßnahmen einleiten zu können.
In konventionellen Ansätzen zur Überschlagserkennung werden für verschiedene Unfalltypen Charakteristika für Sensorsignale vorgegeben und diesbezüglich mit den erfassten Sensorsignalen verglichen, um zu erkennen, ob einer dieser Unfalltypen, insbesondere Überschlagstypen, auftritt. Die Güte dieser Detektionsverfahren hängt von der Parametrisierung ab, bei der zwischen der Gefahr von falsch positiv oder falsch negativer Überschlagserkennung abzuwägen ist. Fehlentscheidungen können zu einer Fehlauslösung des Airbags führen. Die Parametrisierung erfolgt deshalb konservativ, was bedeutet, dass unter Umständen Lücken im Auslöseverhalten entstehen und es zu Situationen kommen kann, in denen der Airbag beim Überschlag nicht auslöst.
Im Allgemeinen werden in Systemen zur Erkennung von Überschlagszuständen basierend auf den vorhandenen Sensorsignalen Unterscheidungen hinsichtlich des auftretenden Falles vorgenommen. Die Unterscheidbarkeit der möglichen Fälle hängt sehr stark vom jeweiligen Fahrzeug und den Genauigkeitsanforderungen des Fahrzeugherstellers ab. Die Unterscheidungskriterien werden für jeden Fahrzeugtyp empirisch ermittelt.
Die DE 100 44 567 B4 beschreibt ein Sicherheitssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von Sensoren, die jeweils ein Sensorsignal bereitstellen, umfassend mindestens einen Beschleunigungssensor, mit einer Verarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten der Vielzahl von Sensorsignalen sowie einer Steuervorrichtung zum Ansteuern mindestens einer Sicherheitsvorrichtung, wenn die Verarbeitungsvorrichtung ein Auslösesignal liefert, das mit einer Situation korreliert ist, in der für das Kraftfahrzeug zumindest die Gefahr eines Überrollvorgangs besteht. Die Vielzahl von Sensoren umfassen mindestens einen Wegsensor, wobei mit dem mindestens einem Wegsensor ein Sensorsignal bereitstellbar ist, das mit der Entfernung zwischen einem Rad des Kraftfahrzeugs und der Karosserie des Kraftfahrzeugs korreliert ist. In der Verarbeitungseinheit werden die Sensorsignale, mit oder ohne vorherige Verknüpfung miteinander, zur Bereitstellung mindestens eines potentiellen Auslösesignals verarbeitet, wobei das mindestens eine potentielle Auslösesignal gegen ein zugehöriges Schwellensignal verglichen wird und, wenn ein Überschreiten des zugehörigen Schwellensignals festgestellt wird, ein Auslösesignal an die Steuervorrichtung erzeugt wird, wobei mindestens eines der Schwellensignale im Hinblick auf mindestens ein Signal modifizierbar ist, das mit einem Sensorsignal eines der Wegsensoren korreliert ist.
Die US 5,825,284 offenbart ein Fahrzeugüberschlagerkennungssystem mit einem Beschleunigungssensor, der ein Signal bereitstellt, das eine seitliche Beschleunigung des Fahrzeugs anzeigt. Ein Prozessor berechnet ein Rollmoment, basierend auf dem Sensorsignal und liefert eine visuelle Anzeige, die die Wahrscheinlichkeit eines Fahrzeugüberschlags anzeigt.
In der DE 10019418 A1 ist eine Anordnung beschrieben, die einen Beschleunigungssensor aufweist, der eine Beschleunigung des Fahrzeugs in Richtung seiner Hochachse misst. Es ist ein Klassifikator vorhanden, der, wenn die gemessene Beschleunigung oberhalb einer Schwelle von 1 G liegt, auf ein Fahrmanöver entscheidet, bei dem das Fahrzeug, wie bei einer Rampenüberfahrt, einseitig nach oben abhebt. Liegt die gemessene Beschleunigung zwischen 0 G und 1 G, so entscheidet der Klassifikator auf ein Fahrmanöver, bei dem das Fahrzeug, wie bei einer Fahrt über eine Böschung, einseitig nach unten kippt.
Die DE 10019416 A1 offenbart Mittel, welche die Plausibilität einer Überrollentscheidung signalisieren, wenn entweder eine in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs gemessene Beschleunigung oberhalb eines vorgegebenen oberen Schwellwerts oder unterhalb eines vorgegebenen unteren Schwellwerts liegt, oder wenn die in Richtung der Hochachse gemessene Beschleunigung zwischen den beiden Schwellen liegt, aber eine in Richtung der Querachse des Fahrzeugs gemessene Beschleunigung eine Schwelle überschreitet, welche von der in Richtung der Hochachse gemessenen Beschleunigung abhängt.
Eine Unterscheidung zwischen Situationen, in denen das Fahrzeug sich überschlägt oder nicht überschlägt, welche auch als „Fire"- beziehungsweise „No-Fire"-Situationen bezeichnet werden, ist ohne Kenntnis eines Absolutneigungswinkels des Fahrzeugs auf Grund einer Fahrbahnneigung schwierig und fehlerträchtig.
Es stellt sich die Aufgabe, den Absolutneigungswinkel zur Verbesserung der Überschlagserkennung bereitzustellen und ein entsprechendes Verfahren vorzusehen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und auch eine Vorrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe sind ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zur Absolutneigungswinkelerkennung eines Fahrzeugs vorgesehen. Das Fahrzeug hat eine Beschleunigungserfassungseinheit, die eine Beschleunigung des Fahrzeugs in Richtung einer ersten Achse misst, die zur Hochachse des Fahrzeugs orthogonal ist. Das Fahrzeug hat ferner eine Gier ratenerfassungseinheit und eine Geschwindigkeitserfassungseinheit, die Geschwindigkeiten in Richtung der ersten Achse und in Richtung einer zweiten Achse bestimmt, wobei die zweite Achse senkrecht zur Hochachse und nicht parallel zur ersten Achse verläuft. Die Beschleunigung des Fahrzeugs wird in Richtung der ersten Achse erfasst. Eine erste und eine zweite Geschwindigkeit des Fahrzeugs werden in Richtung der ersten Achse beziehungsweise der zweiten Achse erfasst. Ferner wird eine Gierrate des Fahrzeugs erfasst und die zeitliche Ableitung der ersten Geschwindigkeit bestimmt. Der Absolutneigungswinkel wird basierend auf der Beschleunigung, der zeitlichen Ableitung der ersten Geschwindigkeit, der zweiten Geschwindigkeit und der Gierrate bestimmt.
Es sei bemerkt, dass unter Erfassen auch das Einlesen von Messwerten über Schnittstellen fällt. Die Erfassungseinheiten können Sensoren zur direkten Erfassung der Größen sein oder über andere ermittelte Betriebsgrößen den zu erfassenden Wert indirekt bestimmen oder schätzen.
So steht mit dem ermittelten Absolutneigungswinkel des Fahrzeugs ein Indikator bereit, anhand dessen ein Überschlag besser detektierbar ist.
Vorteilhafterweise wird im Rahmen der Absolutneigungswinkelbestimmung ein Gravitationsanteil der erfassten Beschleunigung ermittelt, indem von der ermittelten Beschleunigung ein fahrdynamischer Anteil abgezogen wird, wobei der fahrdynamische Anteil die zeitliche Ableitung der ersten Geschwindigkeit sowie das Produkt aus der zweiten Geschwindigkeit und der Gierrate umfasst. Der Absolutneigungswinkel kann dann über trigonometrische Zusammenhänge aus dem ermittelten Gravi tationsanteil und der erfassten Beschleunigung bestimmt werden.
Vorteilhafterweise wird zur Überschlagdetektion eine kritische Winkelgeschwindigkeit basierend auf einem Winkelgeschwindigkeitsenergiekriterium bestimmt, in das der Absolutneigungswinkel eingeht. Die kritische Winkelgeschwindigkeit ist eine minimale Winkelgeschwindigkeit zu Beginn eines Fahrzeugaufkippens, sodass das Fahrzeug umkippt. Damit kann im Fall einer Quer- oder einer Längsneigung des Fahrzeugs, wie sie beispielsweise bei Fahrten entlang einer Böschung beziehungsweise über abschüssige Wege auftreten, ohne Weiteres das Winkelgeschwindigkeitsenergiekriterium zur Überschlagserkennung angewandt werden.
In einer vorteilhaften Verfahrensausgestaltung wird eine Anhebung des Fahrzeugschwerpunkts basierend auf dem ermittelten Absolutneigungswinkel bestimmt, der für das Winkelgeschwindigkeitsenergiekriterium erforderlich ist. Somit fließt die Fahrzeugneigung in die Überschlagsdetektion ein.
Vorteilhafterweise wird eine Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs erfasst und diese mit der kritischen Winkelgeschwindigkeit verglichen, um zu ermitteln, ob das Fahrzeug bei der ermittelten Winkelgeschwindigkeit umkippt. In Folge eines derart detektierten Überschlags können geeignete Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung geht die erfasste Winkelgeschwindigkeit in das Winkelgeschwindigkeitsenergiekriterium ein, um einen kritischen Winkel zu Beginn des Fahrzeugaufkippens zu ermitteln, bei dem das Fahrzeug umkippt. Dieser wird mit dem ermittelten Absolutneigungswinkel verglichen, um zu bestimmen, ob das Fahrzeug umkippt. In Folge eines derart detektierten Überschlags werden geeignete Sicherheitsmaßnahmen durchgeführt.
Zur Erhöhung der Genauigkeit umfasst eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung, die Masse des Fahrzeugs in Abhängigkeit von zumindest einer Betriebsgröße und/oder die Höhe des Fahrzeugschwerpunkts in Abhängigkeit von zumindest derselben oder einer anderen Betriebsgröße zu schätzen.
Alternativ oder zusätzlich ist eine Verbesserung der Genauigkeit zu erreichen, wenn eine relative Verkippung des Fahrgestells und des Fahrzeugaufbaus erfasst wird und in die Bestimmung der Beschleunigung einfließt.
Vorteilhafterweise werden Abstandsveränderungen des Fahrzeugaufbaus relativ zu Radaufhängungen des Fahrwerks ermittelt, anhand derer die Winkelgeschwindigkeit ermittelt wird. Dieses dient zur Stützung der Neigungswinkelinformation.
Vorteilhafterweise wird die Beschleunigung in Abhängigkeit erfasster Reifenkräfte bestimmt. Vorteilhafterweise wird die Gierrate in Abhängigkeit erfasster Reifenkräfte bestimmt. Dieses Vorgehen ermöglicht Plausibilitätsabschätzungen.
Zur vorteilhaften Erkennung von seitlichem Umkippen ist die erste Achse eine Fahrzeugquerachse und die Winkelgeschwindigkeit ist eine Wankgeschwindigkeit. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, zur vorteilhaften Detektion von Überschlägen um die Querachse, ist die erste Achse eine Fahrzeuglängsachse und die Winkelgeschwindigkeit eine Nickgeschwindigkeit. Auch diese selten auftretende Form des Überschlags zu erkennen, erhöht die Fahrzeugsicherheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dient der absolute Nickwinkel als Eingangsgröße einer adaptiven Getriebesteuerung, um den Fahrzeugkomfort an die Neigung des Untergrundes anzupassen, beispielsweise durch automatisches Hoch- und Runterschalten in hügeligem Gelände.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen erklärt.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs auf horizontaler und auf quer geneigter Fahrbahn,
2 eine schematische Darstellung des Fahrzeugs auf der horizontalen Fahrbahn, auf der quer geneigten Fahrbahn und quer aufkippend,
3 eine schematische Darstellung des Fahrzeugs auf einer längs geneigten Fahrbahn,
4 eine schematische Darstellung eines Überschlagerkenners,
5 eine kritische Wankgeschwindigkeit in Abhängigkeit eines Absolutneigungswinkels bei einem ersten Fahrzeugtyp in verschiedenen Beladungssituationen und
6 die kritische Wankgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Absolutneigungswinkels bei einem zweiten Fahrzeugtyp in verschiedenen Beladungssituationen.
1 zeigt, mit I gekennzeichnet, ein Fahrzeug 1 mit einem Schwerpunkt 4 auf einer horizontalen Fahrbahn 10. Das Fahrzeug 1 umfasst ein Fahrgestell 11 und einen Fahrzeugaufbau 12.
Zur Veranschaulichung dienen im Folgenden ein ortsfestes Koordinatensystem und ein fahrzeugfestes Koordinatensystem. Das ortsfeste Koordinatensystem X, Y, Z hat eine Hochachse Z in Gegenrichtung der Gravitationsrichtung.
Die horizontale Fahrbahn 10 ist in der X-Y-Ebene ausgerichtet. Das fahrzeugfeste Koordinatensystem XV, YV, ZV mit einer Fahrzeughochachse ZH, einer Fahrzeugquerachse YV und einer Fahrzeuglängsachse XV, ist in gleicher Weise wie das ortsfeste Koordinatensystem X, Y, Z ausgerichtet.
Bei einer Kurvenfahrt in der Ebene auftretende Beschleunigungen sind in 1, I dargestellt. Neben der Erdbeschleunigung g wirkt eine dazu senkrechte Querbeschleunigung ayh in Richtung der Y-Achse.
Reifenkraftsensoren 3 messen Reifenkräfte, in der 1 I beispielhaft mit F gekennzeichnet, aus denen bei bekannter Fahrzeugmasse m die Querbeschleunigung ayh mittels folgender Gleichung ermittelt werden kann: ay·m = FLV_L·sin(δLV) + FRV_L·sin(δRV) + FLV_Q·cos(δLV) + FRV_Q·cos(δRV) + FLH + FRH.
FLV_L ist eine Reifenlängskraft auf das vordere linke Rad. FLV_Q ist eine Reifenquerkraft auf das vordere linke Rad. δLV ist ein Lenkwinkel vorne links. FRV_Q ist eine Reifenquer kraft auf das vordere rechte Rad. FRV_L ist eine Reifenlängskraft auf das vordere rechte Rad. δLV ist ein Lenkwinkel vorne rechts. FLH ist eine Reifenquerkraft auf das hintere linke Rad. FRH ist eine Reifenquerkraft auf das hintere rechte Rad. ay·m ist eine Querkraft Fay, die auf das Fahrzeug 1 wirkt.
Die Erfassung der Beschleunigung über die Reifenkräfte kann auch bei geneigter Fahrbahn angewandt werden, um die Fahrzeugquerbeschleunigung ay zu erfassen.
Auf diese Weise kann alternativ oder zusätzlich die Querbeschleunigung durch Reifenkraftsensoren 3 ermittelt werden. Bei einer Ermittelung der Querbeschleunigung ayh auf zwei verschiedenen Wegen, können die Ergebnisse zur Erhöhung der Genauigkeit gemäß ihrer Qualität gewichtet gemittelt werden oder einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden.
In der 1, gekennzeichnet mit II, ist das Fahrzeug 1 bei einer Kurvenfahrt auf geneigter Fahrbahn 10 dargestellt. Die Fahrbahn 10 ist um den Fahrbahnwinkel α um die X-Achse geneigt. Durch die Neigung der Fahrbahn 10 ist auch das Fahrzeug, wenn es mit beiden Rädern die Fahrbahn 10 berührt, um einen Winkel, der mit dem Fahrbahnwinkel α übereinstimmt, geneigt.
Neben der Erdbeschleunigung g tritt eine Querbeschleunigung ayh senkrecht dazu auf.
Eine Fahrzeugquerbeschleunigung ay wirkt in Richtung der Fahrzeugquerachse YV. Die Fahrzeugquerbeschleunigung ay hat einen Gravitationsanteil ayg. Die Fahrzeugquerbeschleunigung ay kann durch den Querbeschleunigungssensor 2 gemessen werden, der im Fahrzeugaufbau 12 montiert ist. Es sei bemerkt, dass der Querbeschleunigungssensor 2 auch bei einer Geradeausfahrt entlang der quer geneigten Fahrbahn 10 eine von Null verschiedene Fahrzeugquerbeschleunigung ay anzeigt, die vom Gravitationsanteil herrührt. Alternativ oder zusätzlich kann die Fahrzeugquerbeschleunigung ay auch mittels der Reifenkraftsensoren 3 ermittelt werden. Auch andere Ausgestaltungen des Querbeschleunigungssensors sind denkbar.
Anhand des Gravitationsanteils ayg der ermittelten Fahrzeugquerbeschleunigung ay kann auf den Absolutneigungswinkel α geschlossen werden. Um diesen Gravitationsanteil ayg zu bestimmen, ist es erforderlich, einen so genannten fahrdynamischen Anteil von der ermittelten Fahrzeugquerbeschleunigung ay abzuziehen. Dieser fahrdynamische Anteil setzt sich zusammen aus der zeitlichen Ableitung einer Quergeschwindigkeit vy des Fahrzeugs 1 und dem Produkt der Längsgeschwindigkeit vx und der Gierrate des Fahrzeugs 1 bezogen auf das fahrzeugfeste Koordinatensystem XV, YV, ZV.
Zur Erfassung der für die Bestimmung des Gravitationsanteils ayg erforderlichen Größen sind im Fahrzeug 1 ein Sensor 15 zur Erfassung der Längs- und Quergeschwindigkeit vx, vy vorgesehen. Zum selben Zweck kann alternativ auch eine entsprechende Schätzvorrichtung vorgesehen sein. Aus der ermittelten Quergeschwindigkeit vy wird deren zeitliche Ableitung bestimmt. Die Quergeschwindigkeit vy kann beispielsweise durch einen so genannten Schwimmwinkelschätzer bestimmt werden.
Zur Bestimmung der Gierrate ist ein Gierratensensor 16 vorgesehen, der die Drehung des Fahrzeugs 1 um die Fahrzeughochachse ZV bestimmt.
Anhand des Anteils des derart ermittelten Gravitationsanteils ayg an der ermittelten Fahrzeugquerbeschleunigung ay lässt sich der Absolutneigungswinkel α, beispielsweise über trigonometrische Zusammenhänge, bestimmen. Im einfachsten Fall, bei horizontaler Fahrbahn, verschwindet der Gravitationsanteil ayg.
2 zeigt die Veränderung einer Schwerpunkthöhe h des Fahrzeugs 1 auf der horizontalen Fahrbahn 10, was mit I gekennzeichnet ist, auf der geneigten Fahrbahn 10, was mit II gekennzeichnet ist, und beim Umkippen, was mit III gekennzeichnet ist.
Der Schwerpunkt 4 hat bei der horizontalen Fahrbahn 10 eine Höhe h über der X-Y-Ebene, siehe I. Bei der Fahrt auf einer um den Fahrbahnwinkel α geneigten Fahrbahn 10 erhöht sich die Höhe des Schwerpunktes 4 um eine Höhendifferenz Δh', wie in II dargestellt. Die geneigte Fahrbahn führt zu einer Neigung des Fahrzeugs 1 um einen Kipprotationspunkt K.
Des Weiteren ist in 2, II dargestellt, dass ein Winkel χ zwischen der Verbindungslinie vom Schwerpunkt 4 und dem Kipprotationspunkt K sowie der Verbindungslinie der Radaufstandspunkte des Fahrzeugs 1 auf der geneigten Fahrbahn 2 aufgespannt ist.
Ein Aufkippen des Fahrzeugs 1 um den Kipprotationspunkt K ist unter III dargestellt. Beim Aufkippen des Fahrzeugs 1 heben die höher stehenden Räder des Fahrzeugs 1 ab, sodass das Fahrzeug 1 um einen Aufkippwinkel β zwischen der Verbindungslinie der Radunterseiten und der geneigten Fahrbahn 10 aufkippt. Dabei wird auch der Schwerpunkt 4 weiter angehoben.
Eine maximale Schwerpunktshöhe hmax tritt auf, wenn der Schwerpunkt 4 senkrecht über dem Kipprotationspunkt K steht, wie unter III dargestellt. In diesem Fall tritt auch eine maximale Höhendifferenz Δh auf.
Erfolgt das Aufkippen derart, dass die maximale Schwerpunktshöhe hmax nicht erreicht wird, so kippt das Fahrzeug 1 üblicherweise mit allen Rädern zurück auf die Fahrbahn 10. Dies ist ein Effekt, der bei rasanter Kurvenfahrt auftreten kann, bei der kurzzeitig zwei Räder abheben. Erfolgt das Aufkippen jedoch derart, dass die maximale Schwerpunktshöhe hmax überschritten wird, so kippt das Fahrzeug 1 um. Dieser Effekt soll detektiert werden, um geeignete Sicherheitsmaßnahmen einleiten zu können.
Das Umkippen des Fahrzeugs 1 tritt nicht nur in Form von seitlichem Umkippen, das oben beschrieben ist, auf. Das Fahrzeug 1 kann sich auch über die Fahrzeugfront überschlagen, was jedoch eine selten auftretende Form des Überschlags ist.
3 zeigt eine Fahrsituation, die zu solch einem Überschlag führen kann. Das Fahrzeug 1 fährt auf einer abschüssigen Fahrbahn 2, die gegenüber der Y-Achse um den Fahrbahnwinkel α geneigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel basiert die Absolutneigungswinkelerkennung auf der sensorisch ermittelten Fahrzeuglängsbeschleunigung ax und/oder den ermittelten Reifenkräften F, aus denen die Fahrzeuglängsbeschleunigung ax ermittelt wird.
In diesem Fall ist der fahrdynamische Anteil, der von der ermittelten Fahrzeuglängsbeschleunigung ax abzuziehen ist, die zeitliche Ableitung der Längsgeschwindigkeit vx des Fahrzeugs 1 abzüglich dem Produkt seiner Quergeschwindigkeit vy und der Gierrate.
Die Detektion des Absolutneigungswinkels ist nicht nur zur Überschlagserkennung geeignet. Alternativ oder zusätzlich kann der erfasste Winkel α als Eingang auch für eine adaptive Getriebesteuerung 9 verwendet werden, um die Fahrsicherheit und den Fahrkomfort insbesondere in hügeligem Gelände zu verbessern.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Überschlagerkenners 6 mit einem Neigungswinkeldetektor 5 zur Ermittlung des Absolutneigungswinkels α.
Die Funktionsweise des Überschlagerkenners 6 wird exemplarisch zunächst für die Bestimmung eines Wankwinkels α um die Fahrzeuglängsachse XV beschrieben.
Die Absolutneigungswinkelbestimmung erfolgt durch einen Winkeldetektor 5. Eingangsseitig liegt ein vom Querbeschleunigungssensor 2 erfasstes Fahrzeugquerbeschleunigungssignal ay an. Dieses Signal ay kann direkt von einem entsprechenden Sensor und/oder mittelbar über die Reifenkräfte bereitgestellt werden. Des Weiteren liegen am Winkeldetektor 5 eingangsseitig die Längs- und die Quergeschwindigkeit vx, vy sowie die Gierrate gr an, die von den entsprechenden Erfassungseinheiten 15, 16 bereitgestellt werden.
Die Bestimmung des Fahrbahnneigungswinkels α erfolgt durch den Winkeldetektor 5 in der zuvor genannten Weise. Die Genauigkeit der Winkelbestimmung hängt von der Genauigkeit der Beschleunigungsmessung ab. Um für letzt genanten eine ausreichende Güte zu erreichen, sind eine Sensor-Offseterkennung und eine entsprechende Kompensation des Offsets erforderlich. Die Kompensation erfolgt üblicherweise mittels einer Offsetabgleichfunktion, die bei genügend langer Fahrt in vordefinierten Situationen, beispielsweise der Fahrt in der Ebene, erfolgt, um den Sensor-Offset zu bestimmen und diesen vom aktuellen Sensormesswert zu subtrahieren. Die vordefinierten Situationen können durch andere Sensoren und/oder Plausibilitätsbetrachtungen ermittelt werden.
Ferner ist ein Mittel 61 zur Bereitstellung der Fahrzeugmasse m vorgesehen. Der bereitgestellte Wert kann fix sein oder in Abhängigkeit von Kenngrößen des Fahrzeugs 1 geschätzt werden. Eine denkbare Schätzung basiert auf einer beladungsabhängigen Veränderung des Abstandes zwischen dem Fahrzeugaufbau 12 und dem Fahrwerk 11, die durch Federwegsensoren ermittelbar ist.
Der Winkel α wird einer Vergleichseinrichtung 8 zugeführt, an der eingangsseitig ferner ein Wankgeschwindigkeitssignal av_wank anliegt. Die Wankgeschwindigkeit av_wank, auch als Rollrate bezeichnet, wird durch einen Wankratensensor 7 ermittelt.
Alternativ können auch Ersatzwerte bereitgestellt werden, die aus anderen Sensorsignalen ermittelt werden. Beispielsweise ist es denkbar, die Wankgeschwindigkeit av_wank in erster Näherung auf horizontaler Fahrbahn mittels der Federwegsensoren zu ermitteln, die Abstandsveränderungen LF zwischen Radaufhängungen und dem Fahrzeugaufbau 12 zu detektieren.
Die ermittelte Wankgeschwindigkeit av_wank wird als Eingang eines so genannten Winkelgeschwindigkeitsenergiekriteriums verwendet. Im Folgenden wird das Winkelgeschwindigkeitsenergiekriterium beispielhaft für die Wankgeschwindigkeit erläu tert, sodass von „Wankgeschwindigkeitsenergiekriterium", auch als Rollenergiekriterium bezeichnet, die Rede ist.
In das Wankgeschwindigkeitsenergiekriterium gehen auch die Fahrzeugmasse m und die Schwerpunktshöhe h ein, die von entsprechenden Mitteln 61, 62 bereitgestellt werden.
Mit einem von Null verschiedenen Neigungswinkel α erhöht sich der Schwerpunkt 4 um Δh'. Befindet sich das Fahrzeug 1 mit allen Rädern auf der Fahrbahn, entspricht der Neigungswinkel α des Fahrzeugaufbaus 12 bei Nichtberücksichtigung eines Verkippungswinkels zwischen Fahrzeugaufbau 12 und Fahrwerk 11 dem Straßenquerneigungswinkel α, wie in 2, II veranschaulicht. Ist das Fahrzeug aufgekippt, setzt sich der Winkel zusammen aus dem Fahrbahnneigungswinkel α und dem Aufkippwinkel β, wie in 2, III veranschaulicht.
Das Fahrzeug 1 kippt um, wenn eine Wankenergie größer ist als die Differenz der potentiellen Energie vor Beginn des Aufkippens und der potentiellen Energie beim Kippen bis zur maximalen Schwerpunkthöhe hmax. Folgende Ungleichung muss erfüllt sein, damit das Fahrzeug 1 umkippt: 1/2·Θ·av_wank2 > m·g·Δhe.
Der linke Term gibt die Wankgeschwindigkeitsenergie an. Der rechte Term gibt die Differenz der potentiellen Energien an. Θ ist ein fahrzeugspezifisches Massenträgheitsmoment um den Kipprotationspunkt K. Δhe ist die noch erforderliche Anhebung des Schwerpunktes 4 bis zur maximalen Schwerpunktshöhe hmax.
Die erforderliche Anhebung Δhe des Schwerpunktes 4 zu Beginn des Aufkippens, damit das Fahrzeug umkippt, ergibt sich aus folgendem Zusammenhang: Δhe = hmax – hmax·sin(χ + α).
Die maximale Schwerpunkthöhe hmax ist
c ist eine fahrzeuggeometrische Konstante, die die Entfernung des Kipprotationspunkts K vom Schwerpunkt 4 in Richtung der Y-Achse angibt.
Der Winkel χ ergibt sich damit zu χ = arctan(h/c).
Durch Einsetzen obiger Zusammenhänge in das Wankgeschwindigkeitsenergiekriterium ergibt sich 1/2·Θ·av_wank2 > m·g·hmax·(1 – sin (χ + α)).
Durch Umformen ergibt sich für eine kritische Wankgeschwindigkeit
Bei einer Wankgeschwindigkeit av_wank, die größer als die kritische Wankgeschwindigkeit av_wank_k ist, kippt das Fahrzeug 1 um.
Natürlich ist auch die Auflösung des Wankgeschwindigkeitsenergiekriteriums nach anderen Größen denkbar, beispielsweise nach dem Winkel α. In diesem Fall kann basierend auf der aktuellen Wankgeschwindigkeit av_wank ein kritischer Neigungswinkel α_k bestimmt werden, oberhalb dessen das Fahrzeug 1 umkippt.
In das Wankgeschwindigkeitsenergiekriterium gehen die Masse m und die Schwerpunktshöhe h ein. Die Schwerpunktshöhe h kann als konstant angenommen werden. Weitere Verbesserungen hinsichtlich der Genauigkeit lassen sich erreichen, wenn die Schwerpunktshöhe h geschätzt wird und/oder die Masse m geschätzt wird. Dies hat insbesondere bei Geländelimousinen, auch als Sport Utility Vehicles oder kurz SUV bezeichnet, sowie Kleinlastwagen einen entscheidenden Einfluss auf die Aussagegenauigkeit.
In 5 sind die kritischen Wankgeschwindigkeiten gegen den kritischen Neigungswinkel aufgetragen. Die Kurve 21 steht für ein SUV mit Fahrer. Die Kurve 22 steht für ein SUV mit Fahrer und Dachlast. Die Kurve 23 steht für ein voll beladenes SUV. Wie zu erkennen ist, variiert die kritische Rollrate bei Sport Utility Vehicles zwischen zirka 200°/s (unbeladen) und zirka 220°/s (beladen), wohingegen der kritische Fahrbahnneigungswinkel zwischen zirka 50° (beladen) und zirka 54° (unbeladen) variiert.
Die kritischen Wankgeschwindigkeiten gegen den kritischen Neigungswinkel werden in 6 für einen Kleinlastwagen dargestellt. Die Kurve 26 steht für einen Kleinlastwagen mit Fahrer. Die Kurve 25 steht für einen Kleinlastwagen mit Fahrer und 1000 kg Zuladung. Die Kurve 24 steht für einen voll beladenen Kleinlastwagen. Hierbei variiert die kritische Rollrate zwischen zirka 190°/s (unbeladen) und zirka 325°/s (beladen). Der kritische Rollwinkel variiert zwischen 40° (beladen) und 50° (unbeladen).
Es ist also bei einigen Fahrzeugtypen von Vorteil, sowohl den Fahrbahnneigungswinkel als auch den Fahrzeugschwerpunkt zu kennen, um die Aussagegüte zu verbessern.
Vorteilhafterweise kann auch berücksichtigt werden, dass bei einer Straßenquerneigung das Fahrwerk 11 gegen den Fahrzeugaufbau 12 verkippt ist. Diese Verkippung kann mit einem Federmodell berechnet werden, welches beispielsweise als Eingangsgröße das Ausgangssignal des Querbeschleunigungssensors 2 hat. Dabei wird der Verkippungswinkel zwischen dem Fahrwerk 11 und dem Fahrzeugaufbau 12 in einfacher Näherung als proportional zur Querbeschleunigung angenommen. Die Proportionalitätskonstante ist fahrzeugspezifisch. Weitere Ausführungsbeispiele nutzen als Eingangsgröße die Federwegsensorsignale oder das Ausgangssignal des Wankgeschwindigkeitssensors 7.
Alternativ oder zusätzlich zur Wankgeschwindigkeitsenergiebedingung kann eine Nickgeschwindigkeitsenergiebedingung betrachtet werden. In diese Bedingung gehen die Fahrbahnlängsneigung sowie das Massenschrägheitsmoment um den Überschlagrotationspunkt bei der Fahrzeugfront ein.
Das oben beschriebene Vorgehen kann in entsprechender Weise zur Überschlagsdetektion für diesen Fall eingesetzt werden. Anstatt der Wankgeschwindigkeit av_wank wird eine Nickgeschwindigkeit av_nick, anstatt des Neigungswinkels α wird ein Nickwinkel und anstatt der Fahrzeugquerbeschleunigung ay wird die Fahrzeuglängsbeschleunigung ax sowie angepasste Fahrzeugparameter c, Θ und χ betrachtet.
Ferner kann natürlich auch eine Kombination beider Überschlagsszenarien berücksichtigt werden. Dabei wird sowohl das Wankgeschwindigkeitsenergiekriterium als auch das Nickgeschwindigkeitsenergiekriterium berücksichtigt.

Claims

Verfahren zur Absolutneigungswinkelerkennung eines Fahrzeugs (1) mit einer Beschleunigungserfassungseinheit (2), die eine Beschleunigung (ay, ax) des Fahrzeugs in Richtung einer ersten Achse (YV, XV) misst, die zur Hochachse (ZV) des Fahrzeugs (1) orthogonal ist, einer Gierratenerfassungseinheit (16) und einer Geschwindigkeitserfassungseinheit (15), die Geschwindigkeiten (vy, vx) in Richtung der ersten Achse (YV, XV) und in Richtung einer zweiten Achse (XV, YV) bestimmt, wobei die zweite Achse (XV, YV) senkrecht zu der Hochachse (ZV) und nicht parallel zur ersten Achse (YV, XV) verläuft, und wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Erfassen der Beschleunigung (ay, ax) des Fahrzeugs (1) in Richtung der ersten Achse (YV, XV), – Erfassen einer ersten Geschwindigkeit (vy, vx) des Fahrzeugs (1) in Richtung der ersten Achse (YV, XV), – Erfassen einer zweiten Geschwindigkeit (vx, vy) des Fahrzeugs (1) in Richtung der zweiten Achse (XV, YV), – Erfassen einer Gierrate (gr) des Fahrzeugs (1), – Bestimmen der zeitlichen Ableitung der ersten Geschwindigkeit (vy, vx), – Bestimmen des Absolutneigungswinkels (α) basierend auf der Beschleunigung (ay, ax), der zeitlichen Ableitung der ersten Geschwindigkeit (vy, vx), der zweiten Geschwindigkeit (vx, vy) und der Gierrate (gr).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gravitationsanteil (ayg, axg) der erfassten Beschleunigung (ay, ax) ermittelt wird, indem von der ermittelten Beschleunigung (ay, ax) ein fahrdynamischer Anteil abgezogen wird, wobei der fahrdynamische Anteil die zeitliche Ableitung der ersten Geschwindigkeit (vy, vx) sowie das Produkt aus der zweiten Geschwindigkeit (vx, vy) und der Gierrate (gr) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine kritische Winkelgeschwindigkeit (av_wank_k, av_nick_k) basierend auf einem Winkelgeschwindigkeitsenergiekriterium bestimmt wird, in das der Absolutneigungswinkel (α) eingeht, wobei die kritische Winkelgeschwindigkeit (av_roll_k, av_nick_k) eine minimale Winkelgeschwindigkeit zu Beginn eines Fahrzeugaufkippens angibt, sodass das Fahrzeug (1) umkippt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein für das Winkelgeschwindigkeitsenergiekriterium erforderlicher Wert für eine Anhebung eines Schwerpunkts (4) des Fahrzeugs (1), bei dem das Fahrzeug (1) umkippt, in Abhängigkeit des Absolutneigungswinkels (α) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelgeschwindigkeit (av_wank, av_nick) des Fahrzeugs (1) erfasst wird und mit der kritischen Winkelgeschwindigkeit (av_wank_k, av_nick_k) verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit (av_wank, av_nick) des Fahrzeugs (1) erfasst wird und basierend auf dem Winkelgeschwindigkeitsenergiekriterium ein kritischer Winkel (α_k) zu Beginn eines Fahrzeugaufkippens bestimmt wird, wobei beim Fahrzeugaufkippen das Fahrzeug (1) umkippt, und dass der kritische Winkel (αk) mit dem ermittelten Absolutneigungswinkel (α) verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Masse (m) des Fahrzeugs (1) in Abhängigkeit von einer erfassten Betriebsgröße geschätzt wird, wobei die Masse (m) in die Bestimmung der zweiten Beschleunigung (ayh, axh) und/oder das Winkelgeschwindigkeitsenergiekriterium eingeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe (h) für einen Schwerpunkt (4) des Fahrzeugs (1) in Abhängigkeit von einer erfassten Betriebsgröße geschätzt wird, wobei die Höhe in das Winkelgeschwindigkeitsenergiekriterium eingeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) ein Fahrgestell (11) und einen Aufbau (12) umfasst, und dass eine Verkippung des Fahrgestells (11) gegen den Aufbau (12) erfasst wird und in die Bestimmung der Beschleunigung (ay, ax) einfließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Abstandsveränderungen des Fahrzeugaufbaus (12) relativ zu Radaufhängungen des Fahrwerks (11) ermittelt werden, anhand derer die Winkelgeschwindigkeit (av_wank, av_nick) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung (ay, ax) in Abhängigkeit erfasster Reifenkräfte bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gierrate (gr) in Abhängigkeit erfasster Reifenkräfte bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Achse eine Querachse (YV) ist und die Winkelgeschwindigkeit eine Wankgeschwindigkeit (av_wank) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Achse eine Längsachse (XV) ist und die Winkelgeschwindigkeit (av_nick) eine Nickgeschwindigkeit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Neigungswinkel (α) als Eingangsgröße einer adaptiven Getriebesteuerung (9) des Fahrzeugs (1) verwendet wird.
Vorrichtung zur Absolutneigungswinkelerkennung eines Fahrzeugs (1) mit einer Beschleunigungserfassungseinheit (2), die eine Beschleunigung (ay, ax) des Fahrzeugs in Richtung einer ersten Achse (YV, XV) misst, die zur Hochachse (ZV) des Fahrzeugs (1) orthogonal ist, einer Gierratenerfassungseinheit (16) und einer Geschwindigkeitserfassungseinheit (15), die Geschwindigkeiten (vy, vx) in Richtung der ersten Achse (YV, XV) und in Richtung einer zweiten Achse (XV, YV) bestimmt, wobei die zweite Achse (XV, YV) senkrecht zur Hochach se (ZV) und nicht parallel zur ersten Achse (YV, XV) verläuft, wobei die Vorrichtung umfasst: – eine erste Schnittstelle, an der ein erstes Signal anlegbar ist, das die Beschleunigung (ay, ax) des Fahrzeugs (1) in Richtung der ersten Achse (YV, XV) angibt, – eine zweite Schnittstelle, an der ein zweites Signal anlegbar ist, das eine erste Geschwindigkeit (vy, vx) des Fahrzeugs (1) in Richtung der ersten Achse (YV, XV) angibt, – eine dritte Schnittstelle, an der ein drittes Signal anlegbar ist, das eine zweite Geschwindigkeit (vx, vy) des Fahrzeugs (1) in Richtung der zweiten Achse (XV, YV) angibt, – eine vierte Schnittstelle, an der ein viertes Signal anlegbar ist, das eine Gierrate (gr) des Fahrzeugs (1) angibt, – eine Verarbeitungsvorrichtung (5), die an die erste, die zweite, die dritte und die vierte Schnittstelle gekoppelt ist und die ausgebildet ist, die zeitliche Ableitung der ersten Geschwindigkeit (vy, vx) zu bestimmen und den Absolutneigungswinkels (α) basierend auf der Beschleunigung (ay, ax), der zeitlichen Ableitung der ersten Geschwindigkeit (vy, vx), der zweiten Geschwindigkeit (vx, vy) und der Gierrate (gr) zu bestimmen.