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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung
zum Erkennen einer Rollover-Situation eines Fahrzeugs.
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Um
geeignete Sicherheits- und Rückhaltemittel
in Kraftfahrzeugen auslösen
zu können,
ist es notwendig eine Überschlags- oder Rollover-Situation
des Fahrzeugs rechtzeitig zu erkennen. Unter Rollover versteht man
im Wesentlichen den Fahrzeugüberschlag
durch eine Drehbewegung des Fahrzeugs um seine Längsachse derart, dass das Fahrzeug
auf seine Seite oder sein Dach umkippen kann. Dies kann beispielsweise beim
Rutschen der Räder
einer Seite des Fahrzeugs in ein Sandbett auftreten, wobei die in
den Sand einfahrende Seite absinkt und sich eine Rotation um die
Fahrzeuglängsachse
ergeben kann. Ein weiteres Beispiel wäre das Auffahren bei hoher
Geschwindigkeit gegen ein Hindernis wie z. B. ein Leitplankenende,
wodurch die Räder
einer Seite des Fahrzeugs in die Höhe geschleudert werden und
eine Drehung um eine durch die zwei Radaufstandspunkte gegebene
Achse der anderen Fahrzeugseite erfolgen kann. Je nach Heftigkeit
des Ereignisses kann es dabei zu einer Rollover-Situation kommen.
Ein derartiges Ereignis wird für
die Algorithmusauslegung zur Detektion der jeweiligen kritischen
Fahrzeugsituation und Auslöseentscheidung
für ein Rückhaltesystem
durch eine Rampenüberfahrt
simuliert. Weitere Beispiele wären
eine Böschungsfahrt
oder ein Anrutschen des Fahrzeugs an einen Bordstein. Alle vier
Ereignisse (Rutschen in ein Sandbett, Bordsteinanschlag, Böschungsfahrt
und Rampenüberfahrt)
können
als repräsentativ
für die
Gesamtheit der Fahrzeugüberschlagsereignisse
im Feld angenommen werden.
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Um
in einer derartigen kritischen Fahr- oder Unfallsituation Sicherheits-
und Rückhaltemaßnahmen
für die
Fahrzeuginsassen auszulösen,
ist ein schnelles und zuverlässiges
Erkennen der Rollover-Situation notwendig. In der Vergangenheit
wurden dazu mehrere Beschleunigungssensoren und ein Drehratensensor
im Fahrzeug verbaut. Entsprechende Beschleunigungssensoren liefern
kontinuierlich Informationen zum Beispiel über die Neigung hinsichtlich
einer ausgezeichneten Fahrzeugachse oder einer Beschleunigung in
eine bestimmte Richtung. Um eine Rampenüberfahrt mit möglicher
Rollover-Situation zu erkennen, ist bislang insbesondere ein Sensor
notwendig, der eine Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugs misst.
Unter der Vertikalbeschleunigung versteht man in der Regel eine
Beschleunigung in Z-Richtung, das heißt in Richtung der Erdbeschleunigung. Üblicherweise
wird die Längsachse
des Fahrzeugs als X-Achse bezeichnet und weist in Vorwärtsrichtung,
eine Y-Achse verläuft
dann normal zur üblichen
Vorwärtsbewegung
des Fahrzeugs nach Links. Die Z-Achse des Fahrzeugs weist dann nach
unten. Somit kann die X-Achse auch als Längsachse und die Y-Achse als
Querachse des Fahrzeugs betrachtet werden.
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In
der Regel sind immer lineare Y-Beschleunigungssensoren Fahrzeugs
vorhanden, da auf die entsprechenden Messdaten zur Auslösentscheidung
für z.
B. Lenkrad- oder Beifahrerairbags bzw. der Seitenairbags zurückgegriffen
werden muss. Zusätzliche
Z-Beschleunigungssensoren sind derzeit notwendig, um die Fensterairbags
im Rolloverlastfall "Rampenüberfahrt" zu steuern. Alle
anderen Lastfälle
lassen sich allein aus einem Rollratensensor und der Erfassung der
y-Beschleunigung heraus lösen.
Der Z-Beschleunigungssensor trägt
erheblich zu den Kosten derartiger Sicherheitssysteme bei. Unter
Lastfall versteht man eine kritische Fahrzeugsituation in der eine
Sicherheitseinrichtung, wie zum Beispiel ein Airbag, ausgelöst werden
sollte.
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Die
WO 99/473831 A1 offenbart
ein Verfahren zum Erkennen einer Rollover-Situation, bei dem der Wert
eines Rollratensensors mit einer ersten Schwelle und der Wert eines
Querbeschleunigungssensors mit einer zweiten Schwelle verglichen
werden. Alternativ hierzu ist vorgeschlagen, den Wert des Rollratensensors mit
einem von der Querbeschleunigung abhängigen Schwellwert zu vergleichen
oder auch eine Kombination dieser zwei Methoden.
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Die
DE 101 12 315 B4 offenbart
ein Verfahren zur Bestimmung eines Seitenüberschlags eines Fahrzeugs
und ein Insassenschutzsystem in einem Fahrzeug, bei dem eine Rollrate
und ein daraus gewonnener Rollwinkel daraufhin untersucht werden,
ob sie eine Kombination von Werten bilden, die jenseits einer kritischen,
von der Querbeschleunigung des Fahrzeugs abhängigen Schwelle liegen. Dabei
wird letztendlich untersucht, ob beispielsweise Werte für die Rollrate
ober- oder unterhalb einer vom Rollwinkel und der Querbeschleunigung
abhängigen
Schwelle liegen; je größer die
Rollrate, bei desto kleinerem Rollwinkel ist bereits eine kritische
Situation erreicht. Auch hier werden jedoch im Wesentlichen die
direkt gemessenen Werte der Sensoren zur Auswertung herangezogen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
anzugeben, dass zuverlässiger eine
Rollover-Situation erkennt und dabei möglichst wenige Beschleunigungseingangsgrößen verwendet.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Demgemäß ist ein
Verfahren zum Erkennen einer Rollover-Situation eines Fahrzeugs angegeben,
bei dem eine Rollover-Situation
ausschließlich
in Abhängigkeit
von einer Querbeschleunigung des Fahrzeugs und einer Rollrate um
eine Längsachse
des Fahrzeugs (1) ermittelt wird, wobei die Rollover-Situation erkannt
wird, falls eine Kombination von gleichzeitig ermittelten Werten
eines ersten Entscheidungsparameters und eines zweiten Entscheidungsparameters
mit gespeicherten kritischen Kombinationen von Werten für die Querbeschleunigung
und die Rollrate übereinstimmt,
wobei der erste Entscheidungsparameter durch zeitliches Ableiten
der Querbeschleunigung, durch zeitliches Integrieren der Querbeschleunigung
oder durch Messen eines Zeitraumes, für den die Querbeschleunigung
ansteigt, ermittelt wird.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit die Einsparung eines üblicherweise
verwendeten Z-Beschleunigungssensors, was eine erhebliche finanzielle
Ersparnis in Steuerungen von Sicherheitssystemen für Kraftfahrzeuge bedeutet.
Es genügt
die Querbeschleunigung des Fahrzeugs zu kennen, beispielsweise Beschleunigungen, welche
senkrecht zur Erdbeschleunigung wirken und nicht in Fahrtrichtung
gemessen werden. Bei der Rollrate handelt es sich um die Winkelgeschwindigkeit
einer Rollbewegung des Kraftfahrzeugs um eine Drehachse, die in
der Regel parallel zur Fahrzeuglängsachse
verläuft.
Eine mögliche
Drehachse ist beispielsweise die Achse durch die Auflagepunkte von
zwei Rädern
mit Bodenhaftung, während
die auf der gegenüberliegenden
Seite vorliegenden Räder
des Fahrzeugs auf einer Rampe oder freischwebend liegen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erfordert lediglich einen Drehratensensor oder einen Drehbeschleunigungssensor
und einen Linearbeschleunigungssensor, wobei insbesondere der Linearbeschleunigungssensor
in der Regel immer bereits im Fahrzeug vorhanden ist.
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Es
wird eine Auslöseentscheidung
für eine
Sicherheitseinrichtung, insbesondere einen Gurtstraffer, Seiten-
und/oder Fensterairbag getroffen, falls die miteinander verknüpften Entscheidungsparameter
den Schwellwert überschreiten.
dass die Rollrate mittels einem Drehratensensor oder einem Drehbeschleunigungssensor,
wobei eine Drehbeschleunigung zu der Drehrate aufintegriert wird,
gemessen wird.
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Es
ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
möglich,
bekannte Rollover-Situationen entsprechenden Kombinationen zuzuordnen.
Somit wird bevorzugt die kritische Kombination von Werten der Querbeschleunigung
und der Rollrate durch Messen der Querbeschleunigung und der Rollrate
in einer vorbestimmten Rollover-Situation des Fahrzeugs bestimmt.
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Vorzugsweise
wird die gemessene Querbeschleunigung einer Tiefpassfilterung unterzogen,
was hochfrequente Störanteile
an der gemessenen Beschleunigung eliminiert. Damit werden störende Schwingungen,
die beispielsweise durch Eigenschwingungen des Fahrzeugs oder kurzen
Stößen auf
die Stoßdämpfer auftreten
können,
nicht bei der Bewertung hinsichtlich dem Vorliegen einer Rollover-Situation
berücksichtigt.
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Die
Querbeschleunigung wird vorzugsweise in der Nähe des Schwerpunkts des Fahrzeugs
gemessen. Vorteilhaft kann auch eine Messung der Querbeschleunigung
an einer besonders hohen Stelle des Fahrzeugs gemessen werden. Die
Verwendung der Y-Linearbeschleunigung
zum Erkennen der Rollover-Situation wird in der Regel verbessert,
je höher
diese am Fahrzeug gemessen wird.
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Bevorzugt
werden zum Bestimmen der kritischen Kombination die folgenden Verfahrensschritte
durchgeführt:
- a) Herbeiführen
einer Rollover-Situation des Fahrzeugs;
- b) Messen der Rollrate um die X-Achse des Fahrzeugs und der
Y-Beschleunigung des Fahrzeugs; und
- c) Speichern des ersten und zweiten Erkennungsparameters als
kritische Kombination oder des dritten Erkennungsparameters als
kritischen Schwellwert.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zum Erkennen einer Rollover-Situation
eines Fahrzeugs mit einem linearen Beschleunigungssensor zum Messen
einer Querbeschleunigung des Fahrzeugs, einem Drehbeschleunigungssensor
oder eines Drehratensensors zum Messen einer Rollrate des Fahrzeugs
und einer Steuereinrichtung zum Auswerten der gemessenen Querbeschleunigung
der Rollrate. Dabei führt
die Steuereinrichtung ein oben genanntes Verfahren zum Erkennen
einer Rollover-Situation
eines Fahrzeugs durch.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Anordnung weist die Steuereinrichtung eine Speichereinrichtung
mit abgespeicherten kritischen Kombinationen von Werten ersten und
zweiten Entscheidungsparameters, beispielsweise der Querbeschleunigungen
und der Rollrate auf. Bei Übereinstimmung
einer gemessenen Kombination von Werten der Querbeschleunigung und
der Rollrate mit einer der gespeicherten kritischen Kombinationen
erzeugt die Steuereinrichtung ein Auslösesignal für eine Sicherheitseinrichtung,
insbesondere einen Seitenairbag des Fahrzeugs.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie
der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Im
Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen des Verfahrens
und der Anordnung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es
zeigt dabei:
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1:
die in einer Rollover-Situation eines Fahrzeugs betrachteten Größen;
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2:
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Anordnung
zur Erkennung einer Rollover-Situation;
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3:
die in einem erfindungsgemäßen Verfahren
abgeleiteten Größen einer
Rollover-Situation; und
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4: die zeitliche Änderung der Rollrate und der
Querbeschleunigung eines Fahrzeugs in einer Rollover-Situation.
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In
den Figuren sind – sofern
nichts Anderes angegeben ist – gleiche
bzw. funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen
worden.
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In
der 1 ist der Querschnitt eines Fahrzeugs 1 dargestellt,
wobei das Fahrzeug mit den Rädern einer
Seite auf eine Rampe 2 aufgefahren ist. In der 1 entspricht
die Zeichenebene der Y-Z-Ebene des Fahrzeugs 1. Durch die
Auffahrt auf die Rampe 2 vollzieht das Fahrzeug eine Drehbewegung
um die Auflageachse A, welche auf einer Verbindungslinie zwischen
den Radaufstandspunkten, der nicht auf die Rampe 2 gefahrenen
Räder,
liegt. Die entsprechende Drehbewegung bezüglich der Horizontalen E ist
durch den mit ω bezeichneten
Pfeil angedeutet. Ein zur Messung der Drehbewegung und insbesondere
der linearen Querbeschleunigung des Fahrzeugs vorgesehener Messsensor
ist mit dem Bezugszeichen 3 versehen. Es ergibt sich somit
für die
Position des Messsensors 3 aus dem Ortsvektor r → und dem
Vektor der Winkelgeschwindigkeit ω → die Bahngeschwindigkeit aus dem
Vektorprodukt der Winkelgeschwindigkeit ω → mit dem Ortsvektor r →: v → = ω → × r → (Gleichung 1)
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Durch
zeitliches Ableiten ergibt sich die Bahnbeschleunigung a → an der Position
des Beschleunigungssensors 3 im Fahrzeug zu:
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In
herkömmlichen
Systemen für
die Erkennung einer Rollover-Situation
wird die Z-Komponente der Bahnbeschleunigung detektiert, welche
mit dem Bahnbeschleunigungsvektor r → einen Winkel α einschließt. Ein entsprechender linearer
Z-Beschleunigungssensor wird durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens überflüssig.
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Die 2 zeigt
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Anordnung
zur Erkennung einer Rollover-Situation eines Fahrzeugs. Die Anordnung 4 weist
einen linearen Beschleunigungssensor 5 auf, welcher eine
quer zum Fahrzeug wirkende oder horizontal wirkende Y-Beschleunigung
misst. Die Anordnung 4 weist ein Drehratensensor 6 auf,
welcher eine Rollrate RR des Fahrzeugs, also eine Drehung um die
Längsachse
des Fahrzeugs erfasst. Die Rollrate kann auch durch Integration
von gemessenen Drehbeschleunigungsdaten eines Drehbeschleunigungssensors
ermittelt werden. Beschleunigungssensoren sind in der Regel preiswerter.
Die von den Sensoren 5, 6 gelieferten Werte ay, RR werden einer Steuereinrichtung 7 zugeführt. Die
Steuereinrichtung 7 weist einen Speicher 9 für Schwellwerte
für kritische
Kombinationen aus der Rollrate und einem von der Y-Beschleunigung
abgeleiteten Entscheidungsparameter, wie zum Beispiel das Integral
der Y-Beschleunigung über vorbestimmte
Zeitintervalllängen,
auf. Die Steuereinrichtung 7 ist über eine Steuerleitung 10 mit
einer Sicherheitseinrichtung 8 beispielsweise einem Airbag
für das
Fahrzeug gekoppelt. Sofern durch die Steuereinrichtung 7 eine
Rollover-Situation erkannt wird, sendet diese ein Auslösesignal
FI an die Airbageinrichtung 8, welche sich dann entfaltet
und entsprechende Fahrzeuginsassen bei dieser Gefahrensituation
schützt.
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Durch
die Steuereinrichtung 7 wird ein Verfahren zum Erkennen
einer Rollover-Situation eines Fahrzeugs 1 durchgeführt.
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In
der 3 sind die bei der Durchführung des Verfahrens verwendeten
Größen näher erläutert. In
der 3 sind dieselben Bezeichnungen wie in der 1 verwendet,
wobei a →T den tangentialen Anteil der
Beschleunigung um die Drehachse A bezeichnet, welche an dem Einbauort
der Beschleunigungssensoren 3 wirkt. Dies ist die Richtung
der Bahngeschwindigkeit und die Richtung der Bahnbeschleunigung
der Drehbewegung. Die Pfeile SRZ und SRY deuten die Sensierungsrichtung
eines möglichen
Z-Sensors bzw. eines Y-Sensors in dem Fahrzeug an. Ein Messsignal,
welches einer linearen Z-Beschleunigung entspricht, ergibt sich
aus dem Produkt aus dem Betrag der Beschleunigung mit dem Kosinus
des Drehwinkels α: az = |a →| cos α = a cos α (Gleichung 3)
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Aus
den sich aus der 3 ergebenden Winkelbeziehungen
kann ein gemessenes Signal für
die Querbeschleunigung, also horizontal in Y-Richtung als proportional
zu dem Produkt aus dem Betrag der Beschleunigung mit dem Sinus des
Drehwinkels α bestimmt
werden: ay =
a·cos(90° – α) = –a·sin α (Gleichung 4)
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Aus
der Gleichung 4 ergibt sich, dass allein durch Messen einer Y-Beschleunigung
auch die Drehbeschleunigung abgeleitet werden kann. Es ergibt sich
ferner, dass je höher
die Einbauposition des Querbeschleunigungssensors, also des Sensors
zum Messen der linearen Y-Beschleunigung, ist, desto mehr das Signal
der Y-Beschleunigung gegenüber
dem der Z-Beschleunigung überwiegt,
weil der absolute Winkel α größer ist.
Dies ist aus den 1 und 3 ersichtlich,
da mit einer Erhöhung
der Einbauposition des entsprechenden Sensors 3 der Winkel α zwischen
dem Ortsvektor r und der Horizontalen E ansteigen muss.
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Erfindungsgemäß werden
auf die Beschleunigungssignale herkömmlich anwendbare Entscheidungsalgorithmen
gegebenenfalls in abgewandelter Form nur noch auf ein Y- Beschleunigungssensorsignal
angewendet, um beispielsweise einen Rampencrash bzw. eine Rollover-Situation
zu erkennen.
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In
der 4 sind die zeitlichen Verläufe des
Drehwinkels α,
der Rollrate RR sowie der erfindungsgemäßen Querbeschleunigung ay (4A, 4B)
dargestellt. Ferner ist in 4C der
herkömmlich
verwendete zeitliche Verlauf der Z-Beschleunigung az dargestellt.
In der 4A ist der Winkel α in Grad
angegeben und die sich ergebende Rollrate in Grad/Sekunden. Die
Beschleunigungen ay bzw. az sind
in Einheiten der Erdbeschleunigung g angegeben.
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Die
zeitlichen Verläufe
umfassen das Auffahren eines Fahrzeugs bei hoher Geschwindigkeit
auf eine einseitige Rampe. Dadurch vollzieht das Fahrzeug eine Linksdrehung,
was in 4A durch die zunächst negativen
Winkel α dargestellt
ist. Etwa zum Zeitpunkt t = 40 ms treffen die Vorderräder auf
die Rampe. Bei dem mit HR bezeichneten Zeitbereich erfolgt die Rampenauffahrt.
Bis zum Zeitpunkt RTTF muss durch die Steuereinrichtung erkannt
werden, ob eine Überschlagssituation
bzw. eine Rollover-Situation für
das Fahrzeug vorliegt. Der in der 4 dargestellte
Fall stellt einen Fahrzeug-Rollover dar. Ab etwa 500 ms liegt die
Z-Beschleunigung bei etwa 1 g, das Fahrzeug befindet sich somit
im freien Fall. Zeiten größer als
1000 ms sollen hier nicht weiter betrachtet werden.
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Um
die Sicherheitssysteme des Fahrzeugs zuverlässig und rechtzeitig auslösen zu müssen, muss eine
Auslöseentscheidung
bis zum Zeitpunkt RTTF (required time to fire) erfolgen. Dazu wird
von der Steuereinrichtung kontinuierlich überprüft, ob ein gewähltes Entscheidungskriterium
eine jeweilige Schwellwert überschreitet.
Zum Beispiel kann geprüft
werden, ob die Rollrate RR und die Y-Beschleunigung ay gleichzeitig
jeweilige Schwellwerte überschreiten.
Ist dies der Fall, sendet die Steuereinrichtung 7 ein Auslösesignal
FI an den Airbag 8.
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Ein
geeignetes Kriterium bzw. ein möglicher
Entscheidungsparameter für
die Auslöseentscheidung
ist auch das Produkt oder die Summe aus der integrierten Y-Beschleunigung
mit der gemessenen Rollrate. Überschreitet
dann dieses Kriterium einen vorgegebenen Schwellwert erzeugt die
Steuereinrichtung 7 ein Auslösesignal FI.
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Anhand
der 4C ist auch erkennbar, dass anstelle des herkömmlichen
Z-Beschleunigungssignals erfindungsgemäß auf die Y-Beschleunigung
zurückgegriffen
werden kann. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Anordnung
zum Erkennen der Rollover-Situation besteht darin, dass ein Z-Beschleunigungssensor
ersatzlos ausfallen kann. Damit kann erheblich Hardware eingespart
werden. Auch der Testaufwand, den der zusätzliche Z-Sensor normalerweise
benötigt,
entfällt,
da ein Y-Beschleunigungs-sensor in der Regel immer vorhanden ist.
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Um
die Signalqualität
der Beschleunigungssensoren 5, 6 zu verbessern,
können
die Signale ay, RR optional vor der Bewertung
durch die Steuereinrichtung 7 tiefpassgefiltert werden.
Dadurch können
höherfrequente
Eigenschwingungen des Fahrzeugs, beispielsweise durch Stoßdämpfer bedingt,
auftreten können,
unterdrückt
werden.
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Eine
Auslöseentscheidung
kann auch derart getroffen werden, dass zunächst in dem Speicher 9 Daten
von typischen Crash-Situationen,
in denen eine Rollover-Situation vorliegt, für die Y-Beschleunigung und die
Rollrate abgelegt werden. Die Steuereinrichtung 7 vergleicht
dann die aktuell vorliegenden Messergebnisse RR und ay mit
den abgespeicherten kritischen Kombinationen dieser Werte und erzeugt
ein Auslösesignal FI,
falls gemäß der kritischen
Kombinationen eine Unfallsituation vorliegt.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert wurde,
ist sie nicht darauf beschränkt,
sondern vielfältig
modifizierbar. Insbesondere sind beliebige Ausführungen der Linearbeschleunigungssensoren
und der Drehraten- oder Drehbeschleunigungssensoren denkbar. Bei spielhaft
sei nur die Realisierung mit Piezoelementen oder mikromechanischen
Elementen auf Halbleiterbasis genannt. Ferner ist die in der 4 dargestellte Rollover-Situation lediglich
beispielhaft zu verstehen. Bei der Eichung bzw. Einstellung von
Schwellwerten für
die Auslöseentscheidung
sind abweichende Szenarien zum Herbeiführen von vorbestimmten Rollover-Situationen
möglich.