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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und ein entsprechendes System zum
Verarbeiten von Sensorsignalen eines Kraftfahrzeugs.
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Moderne
Kraftfahrzeuge weisen regelmäßig Steuersysteme
auf, die in vorgegebenen Situationen in eine Steuerung des Kraftfahrzeugs
eingreifen. Das Steuerungssystem kann beispielsweise ein Fahrdynamikregelsystem
und/oder ein Fahrdynamikkomfortsystem sein. Für Eingriffe in die Steuerung
des Kraftfahrzeugs ist zum Vermeiden eines unnötigen oder falschen Eingriffs
die Kenntnis eines genauen Fahrzeugzustands des Kraftfahrzeugs von
hoher Bedeutung.
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Gleiches
gilt für
die Steuerung eines Personenschutzsystems. Die Ermittlung einer
zuverlässigen
Auslöseentscheidung
für ein
oder mehrere Personenschutzmittel des Personenschutzsystems ist abhängig von
mehreren kritischen Faktoren, welche eine hohe Genauigkeit der von
den in einem Kraftfahrzeug vorhandenen Sensoren und der nachfolgenden
Datenauswertung erfordern. Die Auswertung erfolgt üblicherweise
in einem Steuergerät
für das Personenschutzsystem,
z.B. einem Airbag-Steuergerät (Airbag
Control Unit ACU). Die hierbei in einem Algorithmus ausgewerteten
Informationen basieren auf mit diesem Steuergerät verbundenen Sensoren.
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Im
Falle eines Seitenaufpralls oder eines Überschlags kann aus der Quergeschwindigkeit
des Kraftfahrzeugs wertvolle Information für eine rechtzeitige Auslöseentscheidung
für ein
Personenschutzmittel gewonnen werden. Große Quergeschwindigkeiten treten
beispielsweise beim Schleudern des Kraftfahrzeugs auf, z.B. abseits
einer befestigten Straße
auf sandigem oder unbefestigtem Untergrund, auf feuchten Straßen, Schnee
oder Eis. Die direkte Messung der Quergeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs,
z.B. durch optische Sensoren, ist für die Praxis jedoch zu kostspielig.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein entsprechendes
System zum Verarbeiten von Sensorsignalen eines Kraftfahrzeugs zu
schaffen, das präzise
und zuverlässig
die Bestimmung der Quergeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen
abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung zeichnet sich durch ein Verfahren und ein entsprechendes
System zum Verarbeiten von Sensorsignalen eines Kraftfahrzeugs aus,
bei dem mindestens ein Sensorsignal erfasst wird, das repräsentativ
ist für
eine Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs. Es wird mindestens ein
Sensorsignal erfasst, das repräsentativ
ist für
eine Längsgeschwindigkeit
des Kraftfahrzeugs. Es wird mindestens ein Sensorsignal erfasst,
das repräsentativ
ist für
eine Gierrate oder ein Lenkwinkel des Kraftfahrzeugs. Die erfassten
Sensorsignale werden einer gemeinsamen Recheneinheit zugeführt. Die
durch die gemeinsame Recheneinheit erfassten Sensorsignale werden
verarbeitet. Es wird ein dadurch abgeleitetes, von den erfassten
Sensorsignalen abhängiges
Signal ermittelt, das repräsentativ
für eine
Quergeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ist, indem das die Querbeschleunigung
repräsentierende
Signal einem Zustandsbeobachter zur Ermittlung des abgeleiteten
Signals zugeführt
wird, wobei als Korrekturgrößen die
Sensorsignale berücksichtigt
werden, welche die Längsgeschwindigkeit
und die Gierrate oder den Lenkwinkel repräsentieren.
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Die
erfassten Sensorsignale werden der gemeinsamen Recheneinheit bevorzugt
als im Wesentlichen unverarbeitete Rohsignale zugeführt, wie
sie beispielsweise durch einen Analog-Digital-Wandler bereitgestellt werden. Der gemeinsamen
Recheneinheit können
jedoch ebenso bereits vorverarbeitete Sensorsignale zugeführt werden.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Sensorsignale zentral
in der gemeinsamen Rechenarbeit verarbeitet werden und durch diese
als abgeleitetes Signal die gewünschte
Quergeschwindigkeit bereitgestellt werden kann. Die gemeinsame Recheneinheit
kann beispielsweise in einem Steuergerät für ein Personenschutzsystem
angeordnet sein. Dann werden zumindest einige der Sensorsignale
von einer anderen Recheneinheit, insbesondere einem Steuergerät für ein Fahrdynamikregelsystem, bereitgestellt.
Ebenso kann das abgeleitete Signal durch die gemeinsame Recheneinheit
zumindest einer Funktionseinheit des Kraftfahrzeugs bereitgestellt
werden, welche insbesondere durch ein Steuergerät für ein Personenschutzsystem
gebildet ist. Die gemeinsame Recheneinheit kann dann in einer anderen
Recheneinheit, z.B. für
die Fahrdynamikregelung, angeordnet sein.
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Die
Verarbeitung der Sensorsignale erfolgt nicht separat für jedes
Sensorsignal oder für
eine Funktionseinheit (welche z.B. eine Fahrdynamiksteuereinheit,
eine Airbag-Steuereinheit,
eine Motorsteuereinheit oder eine Navigationseinheit sein kann), sondern
kann zentral für
alle mit der gemeinsamen Recheneinheit gekoppelten Funktionseinheiten durchgeführt werden.
Dadurch, dass der gemeinsamen Recheneinheit zur zentralen Verarbeitung
verschiedene Sensorsignale zugeführt
werden, steht der gemeinsamen Recheneinheit mehr Information über einen
aktuellen Zustand des Kraftfahrzeugs zur Verfügung als wenn die Recheneinheit
lediglich auf die ihr üblicherweise
zugeordneten Sensorsignale zurückgreifen
könnte.
Durch diese Information kann die Verarbeitung der Sensorsignale
so erfolgen, dass das abgeleitete Signal besonders präzise und
zuverlässig
ist. Hierdurch kann auf die Verwendung besonders teurer Sensoren
zur direkten Messung des abgeleiteten Signals verzichtet werden.
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Das
der Erfindung zu Grunde liegende Verfahren zur Ermittlung der Quergeschwindigkeit
des Kraftfahrzeugs beruht darauf, die Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs
zu messen und z.B. über
einen Kalman-Filter aufzuintegrieren. Die Querbeschleunigung kann
z.B. durch einen Sensor bereitgestellt werden, der mit der Recheneinheit
für das
Personenschutzsystem gekoppelt ist. Da die derartige Integration
jedoch mit Fehlern behaftet sein kann, werden zur Korrektur Sensorsignale
berücksichtigt, welche
die Längsgeschwindigkeit
und die Gierrate oder stattdessen den Lenkwinkel des Kraftfahrzeugs repräsentieren.
Diese Sensorsignale können
z.B. von Sensoren bereitgestellt werden, welche üblicherweise nicht der Recheneinheit
für ein
Personenschutzsystem zugeordnet sind. Vielmehr werden diese Größen typischerweise
durch eine Fahrdynamiksteuereinheit ausgewertet. Zur Ermittlung
einer zuverlässigen,
für die
Ansteuerung eines Personenschutzsystems geeigneten Querbeschleunigung werden
damit Sensorsignale verwendet, welche unterschiedlichen Recheneinheiten
bzw. Steuergeräten zugeordnet
sind. Die Korrektur der über
den Kalman-Filter aufintegrierten Querbeschleunigung erfolgt damit über ein
Reifenmodell, bei dem Querkräfte an
den Rädern
des Kraftfahrzeugs über
die Längsgeschwindigkeit
und die Gierrate bzw. den Lenkwinkel ermittelt werden.
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In
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
wird zur Kompensation des Einflusses einer Gravitationskraft auf
das abgeleitete Signal die Orientierung des Kraftfahrzeugs ermittelt,
indem eine Nickrate und eine Rollrate des Kraftfahrzeugs erfasst
werden, aus welchen der Nickwinkel und der Rollwinkel des Kraftfahrzeugs
ermittelt werden, wobei der Nickwinkel und der Rollwinkel der gemeinsamen
Recheneinheit bereitgestellt werden. Ein die Nickrate und die Rollrate repräsentierendes
jeweiliges Sensorsignal wird der gemeinsamen Recheneinheit zusätzlich zur
Verarbeitung zugeführt.
Hierdurch kann die Präzision
bei der Bestimmung des abgeleiteten Signals weiter verbessert werden.
Die Nickrate wird zweckmäßigerweise
mit einem Nick-Drehratensensor
erfasst. Die Rollrate wird mit einem Roll-Drehratensensor erfasst. Darüber hinaus
kann aus der Rollrate sowie der Nickrate und der Gierrate durch
die gemeinsame Recheneinheit die Orientierung des Kraftfahrzeugs
präzise ermittelt
werden. Bei Kenntnis der Orientierung des Kraftfahrzeugs lässt sich
die Quergeschwindigkeit noch präziser
bestimmen, so dass sich das Personenschutzmittel noch gezielter
ansteuern lässt.
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In
einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
wird zumindest ein zusätzliches
Sensorsignal erfasst, das jeweils repräsentativ ist für eine Längsbeschleunigung
und/oder eine Vertikalbeschleunigung. Das jeweilige Sensorsignal
wird der gemeinsamen Recheneinheit zusätzlich zur Verarbeitung zugeführt. Dies
hat den Vorteil, dass Sensorsignale von Inertialsensoren, d.h. von
Beschleunigungssensoren und von Drehratensensoren, gemeinsam in
der gemeinsamen Recheneinheit verarbeitet werden können, wodurch
eine Information über
die aktuelle Bewegung des Kraftfahrzeugs besonders präzise und zuverlässig herstellbar
ist. Dies ist besonders vorteilhaft für die Verarbeitung der Sensorsignale
eines Sensorclusters, der die Inertialsensoren des Kraftfahrzeugs
und gegebenenfalls auch die gemeinsame Recheneinheit umfasst.
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In
einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
ist der Zustandsbeobachter z.B. durch eine der folgenden Arten implementiert:
einen Kalman-Filter, einen Recursive Least Mean Square Algorithmus (RLS-Algorithmus),
einen nicht-linearen Zustandsbeobachter, einen linearen Zustandsbeobachter.
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Es
ist weiterhin zweckmäßig, wenn
das abgeleitete Signal für
einen Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs ermittelt wird. Speziell bei
der Berücksichtigung
von Seitwärtsbewegungen
des Kraftfahrzeugs (sei es ein Schleudern oder ein drohender oder
tatsächlicher Überschlag)
kann es vorteilhaft sein, wenn zusätzlich das abgeleitete Signal
für weitere
Karosseriepunkte des Kraftfahrzeugs ermittelt wird. Solche Karosseriepunkte
können
beispielsweise Vorder- und/oder Hintertüren, eine A- und/oder B- und/oder C-Säule der
Karosserie sein. Allgemein können
die Karosseriepunkte Bereiche der Karosserie darstellen, welche in
der Nähe
von potentiell auszulösenden Personenschutzsystemen
angeordnet sind. Hierdurch kann beispielsweise mit größerer Zuverlässigkeit
und schneller ein Personenschutzmittel aktiviert werden, um einen
Insassen des Kraftfahrzeugs vor Verletzungen zu schützen. Das
abgeleitete Signal für weitere
Karosseriepunkte kann beispielsweise durch Transformation der der
gemeinsamen Recheneinheit zur Verfügung gestellten Sensorsignale
ermittelt werden.
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In
einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
wird zumindest eines der erfassten Sensorsignale beim Verarbeiten
in der gemeinsamen Recheneinheit auf ein Vorliegen des Signalfehlers überprüft. Ebenso
kann zumindest eines der erfassten Sensorsignale durch das Verarbeiten
in der gemeinsamen Recheneinheit korrigiert werden. Signalfehler und/oder
korrigierte Signale können
als abgeleitete Signale der gemeinsamen Recheneinheit bereitgestellt
werden. Insbesondere können
Sensorsignale der Sensoren auf Signalfehler überprüft und gegebenenfalls korrigiert
werden. Der Vorteil ist, dass die erfassten Sensorsignale durch
das Überprüfen plausibilisiert
werden können.
Dies bedeutet, sie können daraufhin überprüft werden,
ob ein Wert des jeweiligen erfassten Sensorsignals im Lichte der
insgesamt in der gemeinsamen Recheneinheit oder der Funktionseinheit
zur Verfügung
stehenden Information plausibel ist oder nicht. Ist der Wert des
jeweiligen erfassten Sensorsignals unplausibel, dann liegt der Signalfehler
für dieses
erfasste Sensorsignal vor. Ferner kann gegebenenfalls der Wert des
jeweiligen Sensorsignals im Lichte der insgesamt zur Verfügung stehenden
Information korrigiert werden. Dadurch werden durch die gemeinsame
Recheneinheit zentral Informationen zu Signalfehlern und korrigierten Signalen
als abgeleitete Signale bereitgestellt. Durch die Korrektur der
erfassten Signale kann die Präzision,
die Zuverlässigkeit
und die Verfügbarkeit
des jeweiligen Sensorsignals verbessert werden.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
wird zusätzlich
mindestens ein Sensorsignal erfasst, das jeweils reprä sentativ
ist für
eine Position und/oder Orientierung des Kraftfahrzeugs. Bei Kenntnis
der Position und/oder Orientierung des Kraftfahrzeugs kann ein Signal-Offset
der der gemeinsamen Recheneinheit zur Verfügung gestellten Sensorsignale
auf einfache Weise erkannt werden. Die Position und/oder die Orientierung
des Kraftfahrzeugs lassen sich aus den Sensorsignalen der Inertialsensoren
auf einfache Weise ermitteln.
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In
einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
wird zusätzlich
mindestens ein Sensorsignal erfasst, das jeweils repräsentativ
ist für
eine der folgenden Größen: einen
Radschlupf eines oder mehrerer Räder
des Kraftfahrzeugs; einen Reibwert des Untergrunds, auf dem sich
das Kraftfahrzeug bewegt; eine Fahrtrichtung (z.B. Vorwärtsfahrt
oder Rückwärtsfahrt)
des Kraftfahrzeugs; eine Bodenbeschaffenheit (z.B. die Erkennung
von μ-Split)
des Untergrunds, auf dem sich das Kraftfahrzeug bewegt; eine Instabilität in der
Bewegung des Kraftfahrzeugs. Die Berücksichtigung zumindest einer
der genannten Größen ermöglicht in
Verbindung mit der Kenntnis der Quergeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs
eine besonders zuverlässige
und schnelle Ermittlung einer Auslöseentscheidung für das Personenschutzsystem.
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Um
die Genauigkeit des Zustandsbeobachters zu verbessern, wird gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
ein Gain-Faktor des Zustandsbeobachters in Abhängigkeit einer fahrdynamischen
Situation bestimmt, welcher aus einem oder mehreren der durch die
gemeinsame Recheneinheit erfassten Sensorsignale ermittelt wird.
Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Zustandsbeobachter
als Kalman-Filter, als Recursive Least Mean Square Algorithmus oder
als nicht-linearer Zustandsbeobachter ausgebildet ist.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung wird zusätzlich
mindestens ein Sensorsignal erfasst, das jeweils repräsentativ
ist für
eine der folgenden Größen: eine
Neigung des Untergrunds, auf dem sich das Fahrzeug bewegt (hierdurch
kann überprüft werden,
ob die Orientierungsbestimmung in der gemeinsamen Recheneinheit
korrekt arbeitet. Die Bestimmung der Neigung des Untergrunds stellt
damit eine weitere Plausibilisierung dar.); eine Änderung
der Straßenneigung;
einen Zustand der Umgebung des Kraftfahrzeugs, welcher beispielsweise
durch Fahrerassistenzsysteme, wie z.B. Sensoren einer Einparkhilfe,
Radar, einer Kamera oder Infrarotsensoren erfasst werden kann; ein
automatisches Beschleunigen und/oder Abbremsen des Kraftfahrzeugs.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung wird durch die gemeinsame Recheneinheit unter
Verwendung eines globalen Positionsbestimmungssystems zusätzlich ein
Signal ermittelt, das repräsentativ
ist für
eine aktuelle Position und/oder Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs.
Durch ein globales Positionsbestimmungssystem kann eine aktuelle,
dreidimensionale Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ermittelt werden,
welche mit der berechneten Quergeschwindigkeit verglichen werden
kann. Ferner kann die Funktion des Zustandsbeobachters verbessert
werden, indem durch das für
eine aktuelle Position und/oder Geschwindigkeit repräsentative
Signal Stützstellen
bereitgestellt werden. Der Vorteil besteht darin, dass dieses zusätzliche
Signal nicht auf einem fahrdynamischen Sensorsignal beruht, sondern
einen „objektiven" Wert darstellt.
Daher weist ein Signal, das repräsentativ
für eine
aktuelle Position und/oder Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ist
und unter Verwendung eines globalen Positionsbestimmungssystems
ermittelt wurde bei einer Plausibilisierung ein hohes Gewicht auf.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
wird das abgeleitete Signal von der zumindest einen Funktionseinheit
als Startwert zur weiteren Verarbeitung und/oder zur Überprüfung auf
ein Vorliegen eines Signalfehlers herangezogen und/oder zur Korrektur
zumindest eines durch die zumindest eine Funktionseinheit erfassten
Sensorsignals herangezogen. Diese Ausgestaltung geht davon aus,
dass in dem Kraftfahrzeug zwei voneinander prinzipiell abhängige Recheneinheiten
vorgesehen sind, welche unabhängig
voneinander entsprechende abgeleitete Signalgrößen ermitteln. Dies tun sie üblicherweise
auf Basis der ihnen zur Verfügung
gestellten Sensorsignale, welche sich hinsichtlich ihrer Signalqualität und/oder
Auflösung
unterscheiden können.
Diesen Umstand macht sich die Erfindung zunutze, indem ein von der
gemeinsamen Recheneinheit ermitteltes abgeleitetes Signal der Funktionseinheit
zur Verfügung
gestellt wird, um entweder die eigenen Berechnungen zu plausibilisieren
oder aber verbessern oder schneller durchführen zu können.
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Ein
erfindungsgemäßes System
zum Verarbeiten von Sensorsignalen eines Kraftfahrzeugs, das eine
gemeinsame Recheneinheit und zumindest einen Querbeschleunigungssensor,
einen Längsgeschwindigkeitssensor
und einen Gierratensensor umfasst und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausgebildet ist, weist die gleichen Vorteile auf, wie sie vorstehend
in Verbindung mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgeführt wurden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher
anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems in einem Kraftfahrzeug,
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2A, 2B zwei
Graphen, in denen eine gemäß dem Verfahren
ermittelte Quergeschwindigkeit im Vergleich zu einer mit einem Referenzsensor
gemessenen Referenzgeschwindigkeit über die Zeit bei unterschiedlichen
Reibwerten des Untergrunds, auf dem sich das Kraftfahrzeug bewegt,
dargestellt sind, und
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3 ein
kartesisches Koordinatensystem, in dem die in einem Kraftfahrzeug
erfassten Signale eingezeichnet sind.
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In
einem Kraftfahrzeug sind eine Mehrzahl an Recheneinheiten 10, 20, 30 angeordnet,
welche jeweils mit einer Anzahl an Sensoren 11, 12, 13 bzw. 21, 22 bzw. 31, 32, 33 verbunden
sind (1). Die Recheneinheit 10 stellt beispielsweise
ein Fahrdynamiksteuergerät
dar. Das Fahrdynamiksteuergerät 10 ist
mit einem Beschleunigungssensor 11, einem Drehratensensor 12 sowie
einem Geschwindigkeitssensor 13 gekoppelt. Die Recheneinheit 20 stellt
beispielsweise ein Steuergerät
zur Ansteuerung eines Personenschutzsystems 100 dar. Dieses
ist mit einem Beschleunigungssensor 21 sowie einem Drehratensensor 22 gekoppelt,
wobei der Drehratensensor 22 eine Drehrate um die Fahrzeuglängsachse (x-Achse)
ermittelt. Die Recheneinheit 30 stellt ein Steuergerät für ein Fahrerassistenzsystem
des Kraftfahrzeugs dar. Diese ist beispielhaft mit einem Kamerasensor 31,
sowie einem Radarsensor 32 und einem Lidarsensor 33 gekoppelt,
um die Umgebung des Kraftfahrzeugs erfassen zu können. Die Recheneinheiten 10, 20, 30 sind über einen
Datenbus 1 zum Datenaustausch miteinander gekoppelt. Mit
dem Datenbus 1 ist ferner ein GPS-Empfänger 40 gekoppelt, welcher
zur Bestimmung einer aktuellen Position und/oder Geschwindigkeit
des Kraftfahrzeugs dient. Der GPS-Empfänger 40 liefert beispielsweise
Sensorsignale für
eine Navigationseinheit (nicht dargestellt), welche beispielsweise
ebenfalls mit dem Datenbus 1 verbunden ist.
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Bevorzugt
sind Inertialsensoren des Kraftfahrzeugs, d.h. Beschleunigungssensoren
und Drehgeschwindigkeitssensoren in einem Sensorcluster 14 zusammengefasst.
Das Sensorcluster 14 ist bevorzugt als sog. sechsdimensionaler
Sensorcluster ausgebildet. Das Sensorcluster 14 kann in
einer Ausgestaltung auch die Recheneinheit 10 umfassen.
Das Sensorcluster 14 ist ausgebildet, mittels des Beschleunigungssensors 11 eine
Querbeschleunigung a_y und mittels des Drehratensensors 12 eine
Gierrate w_z des Kraftfahrzeugs zu erfassen. Ferner können weitere
Sensoren in dem Sensorcluster 14 vorgesehen sein, insbesondere
Inertialsensoren, die eine Längsbeschleunigung
a_x des Kraftfahrzeugs, eine Vertikalbeschleunigung a_z des Kraftfahrzeugs, eine
Rollrate w_x des Kraftfahrzeugs und/oder eine Nickrate w_y des Kraftfahrzeugs
erfassen. Die Nickrate w_y repräsentiert
dabei eine Bewegung um die Querachse (y-Achse) des Kraftfahrzeugs und die Rollrate
w_x repräsentiert
eine Bewegung um eine Längsachse
(x-Achse) des Kraftfahrzeugs (vgl. auch 3). Inertialsensoren
können
auch separat in dem Fahrzeug vorgesehen sein und beispielsweise
einer der Recheneinheiten 20, 30 zugeordnet sein.
Beispielsweise kann ein Rollratensensor zusätzlich oder alternativ zu dem
Sensorcluster 14 in der Recheneinheit 20 angeordnet
oder dieser zugeordnet sein.
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Die
Inertialsensoren und entsprechend das Sensorcluster 14 müssen für das Erfassen
der Längs-,
Quer- bzw. Vertikalbeschleunigung a_x, a_y, a_z und für das Erfassen
der Roll-, Nick- bzw. Gierrate w_x, w_y, w_z entsprechend in dem
Kraftfahrzeug angeordnet und ausgerichtet sein, z.B. entlang der Längsachse,
der Querachse oder einer Hochachse des Kraftfahrzeugs und insbesondere
eines Aufbau des Kraftfahrzeugs oder entlang von Flächendiagonalen
oder einer Raumdiagonalen zwischen den jeweiligen Achsen. Sind die
Inertialsensoren oder das Sensorcluster 14 nicht entsprechend
ausgerichtet, dann erfassen die Sensoren Beschleunigungen bzw. Drehraten
des Kraftfahrzeugs, die jedoch durch eine geeignete Koordinatentransformation
in die Längsbeschleunigung
a_x, die Querbeschleunigung a_y, die Vertikalbeschleunigung a_z,
die Rollrate w_x, die Nickrate w_y bzw. die Gierrate w_z transformierbar sind.
Vorzugsweise sind die Inertialsensoren und entsprechend das Sensorcluster 14 in
einem Schwerpunkt eines Chassis des Kraftfahrzeugs oder in einem
Schwerpunkt eines Aufbaus des Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Inertialsensoren
und entsprechender Sensorcluster 14 können auch an einem anderen Einbauort
in dem Kraftfahrzeug angeordnet sein.
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Neben
den genannten Sensoren können
beispielsweise Sensoren zum Erfassen eines Federswegs des Kraftfahrzeugs,
zum Erfassen von Radantriebs- oder Radbremsmomenten oder zum Erfassen eines
Bremslichtsignals vorgesehen sein, die bevorzugt eben falls über den
Datenbus 1 oder eine der Recheneinheiten 10, 20, 30 angekoppelt
sind.
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Das
Personenschutzsystem 100 kann beispielsweise Frontairbags,
Seitenairbags, Fensterairbags, Gurtstraffer und dergleichen umfassen.
Für eine
gezielte Auslösung
des Personenschutzsystems 100 durch die Recheneinheit 20,
insbesondere im Falle eines Seitenaufpralls, eines drohenden oder beginnenden Überschlags,
ist die Kenntnis einer Quergeschwindigkeit v_y des Kraftfahrzeugs
von großer
Bedeutung. Bei Kenntnis der Quergeschwindigkeit kann eine gezielte
und schnellere Auslösung des
Personenschutzsystems für
einen verbesserten Schutz der in dem Kraftfahrzeug befindlichen
Insassen erfolgen. Da die direkte Messung der Quergeschwindigkeit
die Verwendung von sehr teuren Sensoren erforderlich macht, wird
die Quergeschwindigkeit auf Basis der in dem Kraftfahrzeug vorhandenen Sensorsignale
ermittelt.
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Die
Ermittlung der Quergeschwindigkeit erfolgt zweckmäßigerweise
in der Recheneinheit 20, welche die Auslöseentscheidung
für das
Personenschutzsystem 100 trifft. Zu diesem Zweck umfasst
die Recheneinheit 20 z.B. einen Kalman-Filter, welchem die
durch den Beschleunigungssensor 21 ermittelte Querbeschleunigung
a_y zur Integration zugeführt wird.
Ergebnis dieser Integration ist die Quergeschwindigkeit v_y. Zur
Verbesserung des Integrationswerts werden dem Kalman-Filter in der
Recheneinheit 20 als Korrekturgrößen Sensorsignale zugeführt, welche
die Längsgeschwindigkeit
und die Gierrate des Kraftfahrzeugs repräsentieren. Statt der Gierrate
kann dem Kalman-Filter auch ein Lenkwinkel zugeführt werden. Diese Daten stehen
der Recheneinheit 20 nicht unmittelbar zur Verfügung. Jedoch
werden entsprechende Sensorsignale dem Fahrdynamiksteuergerät 10 durch
die Sensoren 11, 12 zugeführt, welches diese der Recheneinheit 20 für die weitere
Verwendung zur Verfügung
stellt.
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In
bekannter Weise werden durch den Kalman-Filter die folgenden Schritte
ausgeführt:
- – Vorhersage
eines Zustandsvektors;
- – Vorhersage
einer Kovarianz-Matrix;
- – Ermittlung
des Gain-Faktors des Kalman-Filters;
- – Aktualisierung
der Zustandsvorhersage; und
- – Aktualisierung
der Kovarianz-Matrix.
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Es
ist zweckmäßig, wenn
der Gain-Faktor an eine gegenwärtige
fahrdynamische Situation des Kraftfahrzeugs angepasst wird. Die
dazu entsprechenden Steuersignale können der Recheneinheit 20 insbesondere
durch das Fahrdynamiksteuergerät 10 bereitgestellt
werden, welches die entsprechenden Informationen aus den Sensorsignalen
ermitteln kann, die es von den daran angeschlossenen Sensoren 11, 12, 13 erhält.
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Es
ist im Allgemeinen ausreichend, wenn die modellierte Quergeschwindigkeit
sich auf den Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs bezieht. Nachdem die
Quergeschwindigkeit jedoch insbesondere für Seitenaufpralle, Überschläge oder
auch seitliches Schleudern des Kraftfahrzeugs von Bedeutung ist,
ist es zweckmäßig, wenn
die Quergeschwindigkeit zusätzlich
für weitere
Karosseriepunkte auf der linken und rechten Seite durchgeführt wird.
Solche Karosseriepunkte können
beispielsweise die jeweiligen Vorder- und Hintertüren und/oder
die A-, B-, C-Säulen
des Chassis des Kraftfahrzeugs darstellen.
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Für eine weitere
Präzisierung
der Ermittlung der Quergeschwindigkeit ist ferner vorgesehen, den Einfluss
der Gravitationskraft auf die durch den Kalman-Filter ermittelte
Quergeschwindigkeit zu kompensieren. Die Kompensation kann unter
Verwendung der Nickrate und Rollrate des Kraftfahrzeugs erfolgen,
welche durch den Inertialsensor 12 bereitgestellt wird,
welcher dem Fahrdynamiksteuergerät 10 zugeordnet
ist. Aus der Nickrate und der Rollrate können der Nickwinkel und der
Rollwinkel des Kraftfahrzeugs ermittelt werden, wobei dies zweckmäßigerweise
bereits in dem Fahrdynamiksteuergerät 10 erfolgt. Der
ermittelte Nickwinkel und Rollwinkel können dann der Recheneinheit 20 zur
weiteren Verarbeitung durch den Kalman-Filter bereitgestellt werden.
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Die
dem Fahrdynamiksteuergerät 10 sowie der
Recheneinheit 20 zur Verfügung stehenden Sensorsignale
sind zumindest teilweise vom gleichen physikalischen Typ. So steht
beispielsweise sowohl dem Fahrdynamiksteuergerät 10 als auch der
Recheneinheit 20 jeweils eine über die Beschleunigungssensoren 11 und 21 ermittelte
Querbeschleunigung zur Verfügung,
wobei diese jedoch in einem unterschiedlichen Beschleunigungsbereich
erfasst sind. Die Beschleunigungssensoren 11 und 21 weisen
damit unterschiedliche Empfindlichkeiten auf. Dieser Umstand kann
sich zunutze gemacht werden, indem in der Recheneinheit 20 anhand
des durch den Beschleunigungssensor 11 bereitgestellte
und gegebenenfalls durch das Fahrdynamiksteuergerät 10 vorverarbeitete
Sensorsignal zur Plausibilisierung des von dem Beschleunigungssensor 21 gelieferten Sensorsignals
herangezogen wird. Neben einer Plausibilisierung ist auch eine Korrektur
des durch die Recheneinheit 20 verwendeten Sensorsignals möglich.
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Insbesondere
ist die Recheneinheit
20 in der Lage, temporäre Variationen
individueller Sensor-Offset-Fehler sowie Drifts in der Messgenauigkeit zu
erkennen und zu kompensieren. Eine entsprechende Vorgehensweise
ist beispielsweise in der
DE 10 2005 054 208 B3 der Anmelderin beschrieben.
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Die
Bestimmung der Quergeschwindigkeit bzw. die Funktionsweise des Kalman-Filters
kann bei Kenntnis der Position und Orientierung des Kraftfahrzeugs,
bei bekannten Signal-Offsets sowie gegebenenfalls bekannten Umgebungsbedingungen
weiter präzisiert
werden. Hierzu können
entsprechende Sensorsignale des Sensorclusters 14, welches
mit dem Fahrdynamiksteuergerät 10 gekoppelt
ist, herangezogen werden. Die hier zur Verfügung gestellten Informationen
können
als Startbedingungen für
Integrale, z.B. der Quergeschwindigkeit, aber auch eines Winkels
herangezogen werden.
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Bezüglich der
Umgebungsbedingungen sind von besonderem Interesse der Radschlupf
eines oder mehrerer Räder
des Kraftfahrzeugs, womit das Durchdrehen von Rädern berücksichtigt werden kann. Für die Bestimmung
der Quergeschwindigkeit ebenfalls von Interesse ist der Reibwert
des Untergrunds, auf dem sich das Kraftfahrzeug bewegt. Eine weitere
Erhöhung
der Genauigkeit lässt
sich durch die Kenntnis der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs (Vorwärtsfahrt
oder Rückwärtsfahrt),
die Bodenbeschaffenheit des Untergrunds, auf dem sich das Fahrzeug
bewegt (z.B. die Erkennung von μ-Split) sowie
eine Instabilität
in der Bewegung des Kraftfahrzeugs gewinnen. Diese Informationen
können
insbesondere zur Adaption des Gain-Faktors des Kalman-Filters verwendet
werden.
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Zusätzliche
Informationen zur weiteren Präzisierung
der ermittelten Quergeschwindigkeit v_y können der Recheneinheit 20 von
der Recheneinheit 30 für
das Fahrerassistenzsystem des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
Die durch die Recheneinheit 30 erfassten Informationen
umfassen beispielsweise Kameradaten im sichtbaren, aktiven oder
passiven Infrarotbereich und/oder Radar- und/oder Lidarinformationen,
aus welchen die Position und Orientierung des Fahrzeugs und Objekten, welche
das Fahrzeug umgeben, ermittelt werden können. Ebenso können Geschwindigkeiten,
Winkelraten des Fahrzeugs und der Objekte ermittelt werden. Die
Informationen lassen sich für
eine Situationsanalyse verwenden, welche beispielsweise den Startwert
des Integrals für
die Quergeschwindigkeit oder eine Winkelrate beeinflussen können.
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Darüber hinaus
lassen sich die Daten des globalen Positionsbestimmungssystems zur
Stützung
der Funktion des Kalman-Filters
verwenden, da das globale Positionsbestimmungssystem nicht fahrdynamisch
beeinflusste Signalwerte, sondern objektive Signalwerte bereitstellt.
Insbesondere kann anhand des Signals des globalen Positionsbestimmungssystems
eine aktuelle dreidimensionale Geschwindigkeit ermittelt werden,
welche zum Abgleich mit der ermittelten Quergeschwindigkeit verwendet werden
kann.
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Die 2A und 2B zeigen
zwei Graphen, in denen eine gemäß der Erfindung
ermittelte Quergeschwindigkeit v_y im Vergleich zu einer mit einem
Referenzsensor gemessenen Referenzgeschwindigkeit über die
Zeit bei unterschiedlichen Reibwerten des Untergrunds, auf dem sich
das Kraftfahrzeug bewegt, dargestellt sind. Die gemäß der Erfindung
ermittelte Quergeschwindigkeit v_y ist in den 2A, 2B mit
LVO gekennzeichnet. In entsprechender Weise ist in den 2A, 2B die
mit dem Referenzsensor gemessene Referenzgeschwindigkeit mit Ref
gekennzeichnet. 2A zeigt hierbei eine Situation
mit hohem Reibfaktor, während 2B eine
Situation mit geringem Reibfaktor darstellt. Aus den Figuren ist
gut ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren in einer extremen Schleudersituation
des Kraftfahrzeugs die über
einen optischen Sensor gemessene Referenzgeschwindigkeit gut nachbildet.
In den durchgeführten
Versuchen basiert die Ermittlung der Quergeschwindigkeit auf Signalen,
die repräsentativ
sind für
eine Gierrate, eine Querbeschleunigung, eine Längsbeschleunigung, den Lenkradwinkel
und die Radgeschwindigkeiten.
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Im
beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist der Kalman-Filter zur Ermittlung der Quergeschwindigkeit in
der Recheneinheit zur Ansteuerung des Personenschutzsystems angeordnet.
Dies ist nicht zwingend notwendig. Stattdessen könnten der Kalman-Filter und die Berechnung
der Quergeschwindigkeit auch in dem Fahrdynamiksteuergerät 10 erfolgen
und ein die Quergeschwindigkeit repräsentierendes Sensorsignal zur
weiteren Verarbeitung an die Recheneinheit 20 übermittelt
werden.
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Ebenso
ist es in einer weiteren alternativen Ausgestaltung denkbar, dass
sowohl das Fahrdynamiksteuergerät 10 als
auch die Recheneinheit 20 über einen Kalman-Filter zur
Berechnung der Quergeschwindigkeit verfügen, wobei dann eine Plausibilisierung
mit den Ergebnissen der jeweils anderen Recheneinheit vorgenommen
werden kann.
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Der
Kalman-Filter kann alternativ durch einen Recursive Least Mean Square
Algorithmus (RLS-Algorithmus), einen nicht-linearen Zustandsbeobachter oder einen
linearen Zustandsbeobachter ersetzt sein.