DE102009009888A1

DE102009009888A1 - Verfahren zur Regelung eines Fahrwerks eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102009009888A1
Application number: DE102009009888A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr.-Ing. Streiter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2009-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Regelung eines Fahrwerks eines Fahrzeugs mit wenigstens einem einen ansteuerbaren Fahrwerksaktuator aufweisenden aktiven Fahrwerk, mit einer Ermittlungsdaten erzeugenden Ermittlungseinrichtung, wobei die Ermittlungsdaten den Einfluss des Fahrbahnprofils der Fahrbahn auf die Position und/oder die Bewegung des Fahrzeugaufbaus angeben, und mit einer Aktuatorregeleinrichtung, die zur Ansteuerung des wenigstens einen Fahrwerksaktuators in Abhängigkeit von den Ermittlungsdaten der Ermittlungseinrichtung eine Ansteuergröße hervorruft, wobei bei der Berechnung der Ansteuergröße eine relative Aufbauposition zwischen Fahrzeugaufbau und einer Bezugsebene und/oder ein relativer Nickwinkel zwischen Fahrzeugaufbau und der Bezugsebene und/oder ein relativer Wankwinkel zwischen Fahrzeugaufbau und der Bezugsebene modal getrennt voneinander berücksichtigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Fahrwerks eines Fahrzeugs mit wenigstens einem einen ansteuerbaren Fahrwerksaktuator aufweisenden aktiven Fahrwerk, mit einer Ermittlungsdaten erzeugenden Ermittlungseinrichtung, wobei die Ermittlungsdaten den Einflusses des Fahrbahnprofils der Fahrbahn auf die Position und/oder die Bewegung des Fahrzeugaufbaus angeben, und mit einer Aktuatorregeleinrichtung, die zur Ansteuerung des wenigstens einen Fahrwerksaktuator in Abhängigkeit von den Ermittlungsdaten der Ermittlungseinrichtung eine Ansteuergröße hervorruft.
Ein derartiges Verfahren ist aus US 6 233 510 B1 bekannt. Der Fahrbahnzustand wird vorausbestimmt und zur Beeinflussung der Federeinheiten des Fahrzeugs verwendet. Ein Sensor – beispielsweise Lasersensor oder ein Bilderkennungssensor – erfasst die Fahrbahnoberfläche vor dem Fahrzeug und übermittelt die Sensordaten an eine Steuereinheit, die daraus das in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug liegende Fahrbahnhöhenprofil vorausbestimmt. Abhängig von diesem Fahrbahnhöhenprofil wird ein aktives Fahrwerksystem mit mehreren Feder- oder Dämpfereinheiten beeinflusst und die Federrate, die Dämpfungsrate, den Druck, das Niveau, etc. werden gesteuert oder geregelt.
Derartige Ansätze, die eine direkte Inversion der Raddynamik beinhalten und zumindest eine Teilkompensation der Straßenunebenheiten am Rad bewirken wollen sind unbefriedigend. Zum einen ist eine solche Kompensation sehr parameterempfindlich. Algebraische Ansätze dieser Art können entgegen der beabsichtigten Wirkung bis hin zu einem instabilen Verhalten der Regelung führen. Es besteht auch die Gefahr, dass ein Regler zur Regelung der Aufbauregelung und die das Fahrbahnprofil berücksichtigende vorausschauende Regelung gegeneinander arbeiten. Zum anderen agiert eine radbezogene Kompensation mehr als notwendig, da der Fahrzeugaufbau drei Freiheitsgrade aufweist, aber zumindest vier Fahrzeugräder geregelt werden. Der sich daraus ergebende vierte Freiheitsgrad – die so genannte Verspannung des Fahrwerks – hat auf den Komfort keinen Einfluss.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung dieses bekannte Verfahren zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Regelung eines Fahrwerks eines Fahrzeugs mit wenigstens einem einen ansteuerbaren Fahrwerksaktuator aufweisenden aktiven Fahrwerk werden mittels einer Ermittlungseinrichtung Ermittlungsdaten erzeugt, die den Einfluss des Fahrbahnprofils der Fahrbahn auf die Position und/oder die Bewegung des Fahrzeugaufbaus angeben. Weiterhin wird mit einer Aktuatorregeleinrichtung eine Ansteuergröße in Abhängigkeit von den Ermittlungsdaten bestimmt und der Ansteuerung des wenigstens einen Fahrwerksaktuator zugrunde gelegt. Die Ansteuergröße wird dabei als vektorielle Größe berechnet, die mehrere Modalkomponenten aufweist, insbesondere Komponenten für die voneinander unabhängigen Modi Hubbewegung, Nickbewegung und Wankbewegung. Weiterhin werden mehrere Relativgrößen bestimmt, die die Relativposition zwischen dem Fahrzeugaufbau und einer durch Radaufstandspunkte des Fahrzeugs definierten Bezugsebene beschreiben und die bei der Berechnung der Ansteuergröße modal getrennt voneinander berücksichtigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt bei der Berechnung der Ansteuergröße zwei oder mehr die Relativposition zwischen Fahrzeugaufbau und der Bezugsebene beschreibende Relativgrößen (z_rel, n_rel, w_rel) modal getrennt voneinander, insbesondere eine relative Aufbauposition zwischen Fahrzeugaufbau und der Bezugsebene und/oder ein relativer Nickwinkel zwischen Fahrzeugaufbau und der Bezugsebene und/oder ein relativer Wankwinkel zwischen Fahrzeugaufbau und der Bezugsebene. Auf diese Weise lässt sich die Aufbauposition optimal steuern bzw. regeln. Die modale aufbaubezogene Regelung ist energieeffizient, da unnötige Stellbewegungen der einzelnen Räder vermieden werden können. Zudem ist diese modale Regelung deutlich robuster.
Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Es ist vorteilhaft, wenn bei der Berechnung der Ansteuergröße mehrere die Bewegung des Fahrzeugaufbaus beschreibende Beschleunigungsgrößen, wie z. B. die Aufbaubeschleunigung des Fahrzeugaufbaus und/oder eine Nickwinkelbeschleunigung des Fahrzeugaufbaus und/oder eine Wankwinkelbeschleunigung des Fahrzeugaufbaus, modal getrennt voneinander berücksichtigt werden, wodurch die Regelung des Fahrwerks und mithin der Fahrkomfort weiter verbessert werden kann.
Die modal getrennte Berücksichtigung der Relativgrößen, sowie der Positions- und Beschleunigungsgrößen kann auf einfache Weise durch das Aufstellen der Gleichung zur Berechnung der Ansteuergröße in Vektor- bzw. Matrixform erreicht werden.
Es ist weiterhin möglich, die Ansteuergröße in Abhängigkeit von einem Fahrwerksregelanteil und einem Vorausschauanteil zu bestimmen, wobei der Fahrwerksregelanteil proportional zu einem Zählermatrixpolynom und einem inversen Nennermatrixpolynom ist. Insbesondere wird die Ansteuergröße anhand folgender Gleichung ermittelt: uG = uABC + uprev mit uABC = [Q]–1·[(K2B_R·s2 + KB_R·s)·B + KI_R·REL]wobei u_G die Ansteuergröße ist, u_ABC der Fahrwerksregelanteil ist, u_prev ein sich aus den Ermittlungsdaten ergebender Vorausschauanteil ist, Q das Nennermatrixpolynom ist, der Ausdruck ⌊(K_{2B_R}·s² + K_{B_R}·s)·B + K_{I_R}·REL⌋ das Zählermatrixpolynom ist, B ein Vektor mit den berücksichtigten Beschleunigungsgrößen
ist, REL der Vektor mit den berücksichtigten Relativgrößen (z_rel, n_rel, w_rel) ist und K_{2B_R}, K_{B_R} und K_{I_R}, Reglerzählermatrizen sind.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Nennermatrixpolynom eine mindestens um den Wert Zwei höhere Ordnung aufweist als das Zählermatrixpolynom. Dadurch ist sichergestellt, dass die Regelung nicht sprungfähig ist.
Es ist außerdem von Vorteil, wenn bei der Bestimmung des Vorausschauanteils die Filterwirkung des Nennermatrixpolynoms zumindest teilweise kompensiert wird, wodurch die Ansteuergröße besser an die Ermittlungsdaten der Ermittlungseinrichtung angepasst ist.
Die Reglerzählermatrizen ergeben sich vorteilhafterweise anhand der Vorgabe eines Wunschverhaltens und anhand von Fahrwerksparametern, die das Fahrwerk des Fahrzeugs charakterisierenden.
Der Vorausschauanteil wird vorteilhafterweise derart bestimmt, dass der oder die Fahrwerksaktuatoren kurz bevor eine Störung im Fahrbahnprofil der Fahrbahn auftritt oder gleichzeitig mit dem Auftreten der Störung agiert bzw. agieren, um den Einfluss der Störung auf den Fahrzeugaufbau möglichst vollständig oder zumindest teilweise zu kompensieren.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1a eine schematische Darstellung eines Teil-Fahrzeug-Modells mit Rad, Feder- oder Dämpfereinheit und Fahrzeugaufbau,
1b eine schematische Darstellung eines Fahrzeug-Modells mit Feder- oder Dämpfereinheiten und Fahrzeugaufbau auf einer unebenen Fahrbahn,
2a eine schematische Teildarstellung eines ersten aktiven Fahrwerksystems mit Feder- oder Dämpfereinheit,
2b eine schematische Teildarstellung eines zweiten aktiven Fahrwerksystems mit Feder- oder Dämpfereinheit,
3 ein Blockschaltbild einer Regelung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Regelung eines Fahrwerks,
In 1a ist eine schematische Darstellung eines Teil-Fahrzeug-Modells dargestellt, mit einem Fahrzeugrad 10, der diesem Fahrzeugrad 10 zugeordneten ansteuerbaren Feder- oder Dämpfereinheit 11 und dem als Masse dargestellten Fahrzeugaufbau 12, der einen Fahrzeugschwerpunkt 13 aufweist. Mit P ist in der Figur ein Radaufstandspunkt des Fahrzeugrads 10 bezeichnet, d. h. der Punkt, an dem das Fahrzeugrad 10 die Fahrbahn berührt. Das Teil-Fahrzeug-Modell stellt nur den für eines der Fahrzeugräder 10 betreffenden Teil des Gesamtfahrzeugs dar und gilt beispielsweise bei einem PKW mit zwei Achsen für jedes der vier Fahrzeugräder 10 sowie für die vier Feder- oder Dämpfereinheiten 11, wie dies in 1b schematisch gezeigt ist.
Dieses Teil-Fahrzeug-Modell ist bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem 14. Mit dem Fahrbahnprofilvektor
ist das ortsabhängige Fahrbahnprofil einer Fahrbahn F gekennzeichnet. Dieses durch den Fahrbahnprofilvektor FV beschriebene Fahrbahnprofil weist drei Anteile bzw. Modi auf:

– z_Straße beschreibt den Fahrbahnprofilanteil, der im Fahrzeugaufbau 12 eine Hubbewegung in Richtung der Fahrzeughochachse verursacht, wie z. B. eine langegezogene Bodenwelle;
– n_Straße beschreibt den Fahrbahnprofilanteil, der im Fahrzeugaufbau 12 eine Nickbewegung um die Fahrzeugquerachse verursacht, wie z. B. eine kurze Bodenwelle und
– w_Straße beschreibt den Fahrbahnprofilanteil, der im Fahrzeugaufbau 12 eine Wankbewegung um die Fahrzeuglängsachse verursacht, wie z. B. eine quergeneigte Fahrbahn.

Der Aufbaupositionsvektor
beschreibt analog zum Fahrbahnprofilvektor FV die drei Anteile bzw. Modi der Aufbauposition des Fahrzeugaufbaus 12:

– z beschreibt eine Hubposition des Fahrzeugaufbaus 12 in Richtung der Fahrzeughochachse;
– n beschreibt eine Nickposition des Fahrzeugaufbaus 12 um die Fahrzeugquerachse und
– w beschreibt eine Wankposition des Fahrzeugaufbaus 12 um die Fahrzeuglängsachse.

Das aktuelle Istniveau z_AR der Feder- oder Dämpfereinheit 11 kann durch die Ansteuerung eines Aktors 11' der Feder- oder Dämpfereinheit 11 eingestellt bzw. verändert werden. Alle Feder- oder Dämpfereinheiten 11 des aktiven Fahrwerks werden von einer Steuereinheit 20 angesteuert. Die Steuereinheit ermittelt die Einstellung für die Feder- oder Dämpfereinheiten 11 unter anderem abhängig von Sensordaten und insbesondere der Sensordaten eines Fahrbahnsensors 21, der das vor dem Fahrzeug in Fahrtrichtung 5 befindliche Fahrbahnprofil erfasst, woraus der Fahrbahnprofilvektor FV gebildet werden kann.
Wie dies in 1b schematisch dargestellt ist, kann für jedes Fahrzeugrad 10 oder zumindest für jede Fahrzeugseite ein unterschiedliches Fahrbahnniveau vorliegen, z. B. z_Straße,VL(x) am linken Vorderrad, z_Straße,VR(x) am rechten Vorderrad, z_Straße,HL(x) am linken Hinterrad und z_Straße,HR(x) am rechten Hinterrad, was durch mehrere, beispielsweise als Laserscanner ausgebildete, Abtasteinheiten 21L, 21R des Fahrbahnsensors 21 an verschiedenen Stellen des Fahrzeugs – beispielsweise links und rechts vor den Vorderrädern auf jeder Fahrzeugseite – erfasst werden kann. Auch die Istniveaus z_AR der Feder- oder Dämpfereinheiten 11 können sich unterscheiden. Daher werden diese Größen für jede der Feder- oder Dämpfereinheiten 11 separat ermittelt bzw. eingestellt.
Über die Steuereinheit 20 können die den Fahrzeugrädern 10 eines nicht näher dargestellten Fahrzeugs zugeordneten aktiven Feder- oder Dämpfereinheiten 11 unabhängig voneinander angesteuert werden, um die über den Aufbaupositionsvektor AV beschriebene Aufbauposition des Fahrzeugaufbaus 12 im Bereich aller Fahrzeugräder 10 zu beeinflussen.
Die Beeinflussung bzw. Regelung der Aufbauposition und/oder der Bewegung des Fahrzeugaufbaus 12 kann in allen Dimensionen erfolgen. Demnach werden das Nicken und/oder das Wanken und/oder das Huben, sowie optional auch die Radaufstandskräfte der Fahrzeugräder 10 auf der Fahrbahnoberfläche beeinflusst, gesteuert oder geregelt. Dadurch lässt sich auch eine Verspannung des Fahrwerks beispielsweise erreichen. Insbesondere können auch die Radaufstandskräfte zweier sich diagonal gegenüberliegender Fahrzeugräder gegenüber den Radaufstandskräften der anderen beiden sich diagonal gegenüberliegenden Fahrzeugrädern erhöht oder verringert werden. Auf diese Weise lässt sich das querdynamische Verhalten des Fahrzeugs beeinflussen.
In den 2a und 2b sind zwei Beispiele von aktiven Fahrwerksystemen schematisch anhand eines Fahrzeugrades 10 in Teildarstellung gezeigt. Als Feder- oder Dämpfereinheit 11 sind dort aktive Feder- oder Dämpfereinheiten 11a bzw. 11b mit einstellbaren Federn vorgesehen. Unter einstellbaren Federn werden hierbei Federn mit einstellbarem Aufsetzpunkt verstanden. Alternativ oder zusätzlich könnte auch aktive Feder- oder Dämpfereinheiten 11 mit einstellbaren Dämpfern verwendet werden.
2a zeigt eine aktive hydropneumatische Feder- oder Dämpfereinheit 11a mit einer Druckquelle 60 und einem Vorratsbehälter 61 die jeweils fluidisch mit einem elektrisch ansteuerbaren Federventil 62 verbunden sind. Das Federventil 62 kann abhängig von seiner Ventilstellung entweder die Druckquelle 60 oder den Vorratsbehälter 61 mit einem Druckraum 63 einer Kolben-Zylinder-Einheit 64, die den Aktor 11' der hydropneumatischen Feder- oder Dämpfereinheit 11a darstellt, fluidisch verbinden oder alle Fluidverbindungen unterbrechen, so dass das Istniveau z_AR der hydropneumatischen Feder- oder Dämpfereinheit 11a vergrößert, verkleinert oder konstant gehalten werden kann. Mit dem Druckraum 63 ist über eine Drossel 65, welche verstellbar ausgeführt sein kann, ein Arbeitsraum 66 eines Druckgasbehälters 67 verbunden. Der Arbeitsraum 66 ist durch eine flexible Membran von einem Druckgasraum 68 getrennt. Das kompressible Druckgas im Druckgasraum 68 sorgt bei der hydropneumatischen Federeinheit 11a für die Federwirkung. Die Drossel 65 bewirkt eine Dämpfung. Die Kolben-Zylinder-Einheit 64 und der Druckgasbehälter 67 stellen die einstellbare Feder 64, 67 dar.
Eine weitere Form einer aktiven Feder- oder Dämpfereinheit 11 eines aktiven Fahrwerksystems ist in 2b gezeigt, die als ABC-Federeinheit 11b bezeichnet werden kann, wobei „ABC” für „Active Body Control” steht. Gleiche Bestandteile gegenüber der hydropneumatischen Federeinheit 11a sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die ABC-Federeinheit 11b weist im Gegensatz zur hydropneumatischen Federeinheit 11a keinen Druckgasbehälter 67 auf. Die ABC-Federeinheit 11b weist eine Reihenanordnung einer Schraubenfeder 70 mit der Kolben-Zylinder-Einheit 64 auf, wobei diese Reihenschaltung die einstellbare Feder 64, 70 der Feder- oder Dämpfereinheit 11b bildet. Parallel zu dieser einstellbaren Feder 64, 70 ist ein separater Dämpfer 71 vorgesehen, der beispielsweise als Verstelldämpfer ausgebildet ist. Wie bei der hydropneumatischen Federeinheit 11a kann der Druckraum 63 der Kolben-Zylinder-Einheit 64 über das Federventil 62 befüllt, entleert oder angesperrt werden, um das Istniveau z_AR der ABC-Federeinheit 11b entsprechend einem Sollniveau einzustellen.
Im Folgenden wird anhand der 3 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Ansteuerung eines aktiven Fahrwerks eines Fahrzeugs bzw. dessen Feder- oder Dämpfereinheiten 11 im Einzelnen erläutert.
Die beiden Abtasteinheiten 21L, 21R des Fahrbahnsensors 21 erfassen die Fahrbahnprofilwerte z_Straße,L(x), z_Straße,R(x) der Fahrbahn F in Fahrtrichtung 5 vor dem Fahrzeug sowohl auf der rechten Fahrzeugseite vor dem rechten Vorderrad, als auch auf der linken Fahrzeugseite vor dem linken Vorderrad. In einer Aufbereitungseinheit 22 wird aus diesen Fahrbahnprofilwerten unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrzeuglängsgeschwindigkeit der Fahrbahnprofilvektor FV ermittelt, der ebenfalls vom Weg x bzw. über die aktuelle Fahrzeuglängsgeschwindigkeit von der Zeit t abhängt. Der Fahrbahnsensors 21 und die Aufbereitungseinheit 22 sind Teil der Ermittlungseinrichtung, zur Ermittlung der Ermittlungsdaten, die beispielsgemäß vom Fahrbahnprofilvektor FV gebildet sind.
Die Ermittlungsdaten in Form des Fahrbahnprofilvektor FV werden der Steuereinheit 20 übermittelt. In der Steuereinheit 20 wird die Ansteuergröße u_G als vektorielle Größe mit modalen Komponenten u_GZ, u_GN, u_GW für die 3 Modi Hubbewegung, Nickbewegung und Wankbewegung bestimmt. Die Ansteuergröße u_G wird über eine Koordinationseinheit 25 der aktiven Feder- oder Dämpfereinheit 11 zugeführt. Aufgabe der Koordinationseinheit 25 ist es, die drei modalen Komponenten u_GZ, u_GN, u_GW der Ansteuergröße u_G in vier Stellsignale u_s1, u_s2, u_s3, u_s4 aufzuteilen, um hiermit die Stelleingriffe an den vier Feder- oder Dämpfereinheiten 11' des Fahrwerks durchzuführen.
Die Figur zeigt weiterhin einen Block 30, der den Fahrzeugaufbau 12 zusammen mit einer Sensorik und einer Signalverarbeitungseinrichtung umfasst. Die Sensorik erfasst dabei die der Bewegung des Fahrzeugaufbaus 12 und die Signalverarbeitungseinrichtung dient der Umrechnung der erfassten Bewegung in modale Größen, welche als Vektoren B, REL Steuereinheit 10 zugeführt werden. Der Vektor B enthält dabei als Komponenten die Beschleunigungswerte für die Aufbaubeschleunigung
Nickwinkelbeschleunigung
und Wankwinkelbeschleunigung ẅ des Fahrzeugaufbaus 12. Der Vektor REL enthält als Komponenten die Relativkoordinaten der Fahrzeugaufbauposition gegenüber einer Bezugsebene. Die Bezugsebene ist dabei eine Approximation einer Radaufstandsfläche, d. h. einer Fläche, die durch die Berührungspunkte zwischen den Fahrzeugrädern 10 und der Fahrbahn F verläuft. Die Bestimmung des Vektors REL kann beispielsweise auf Basis der Messung von Federwegen erfolgen.
Die von der Steuereinheit 20 bestimmte Ansteuergröße u_G setzt sich zusammen aus einem Fahrwerksregelanteil u_ABC und einem Vorausschauanteil u_prev. Der Fahrwerksregelanteil u_ABC wird dabei von einem in der Steuereinheit 20 vorgesehenen Previewregler 23 aus den Vektoren B und REL berechnet und der Vorausschauanteil u_prev wird von einem in der Steuereinheit 20 vorgesehenen Aufbauregler 24 aus dem Fahrbahnprofilvektor FV berechnet.
Für die aktive Feder- oder Dämpfereinheit 11 kann folgende Gleichung als Modell dienen:
wobei

s: die Laplacevariable (komplexe Frequenz) darstellt
Θ_A: eine fahrzeugspezifische Trägheitsmatrix darstellt, deren Komponenten durch Messungen ermittelbar sind und den Einfluss von Masse und Trägheit auf den Fahrzeugaufbau beschreiben,
K_D:: eine fahrzeugspezifische Dämpfungsmatrix darstellt, die die am Fahrzeugaufbau resultierende dampfende Wirkung der Dämpfer beschreibt,
K_F:: eine fahrzeugspezifische Federmatrix darstellt, die die am Fahrzeugaufbau resultierende federnde Wirkung der Federn beschreibt,

Als minimale Matrixreglerstruktur kann die nachfolgende Gleichung (2) gewählt werden, wobei eine Erweiterung der Reglerstruktur durch Aufnahme von zusätzlichen Freiheitsgraden im Reglerzähler denkbar ist. Für einen Aufbauregler 24 mit minimaler Reglerstruktur gilt:
mit

⌊T₄s⁴ + T₃s³ + T₂s² + T₁s + I⌋:: Nennermatrixpolynom Q mit noch zu bestimmenden Koeffizienten T₁ bis T₄
K_{2B_R}, K_{B_R} und K_{I_R}:: noch zu bestimmende Reglerzählermatrizen

12

10

Der Vektor REL gibt somit die Differenz zwischen dem Aufbaupositionsvektor AV und dem Fahrbahnprofilvektor FV an.
Um eine ausreichende Störunempfindlichkeit der Regelung zu gewährleisten, weist die Nennermatrixpolynom Q eine um mindestens zwei höhere Ordnung auf als das Zählermatrixpolynom.
Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich unter Berücksichtigung von REL = AV – FV folgender Zusammenhang:
wobei gilt: [Q] = ⌊T₄s⁴ + T₃s³ + T₂s² + T₁s + I⌋
Würde man Gleichung (3) nach dem Aufbaupositionsvektor AV auflösen, ergäbe sich ein Nennerpolynom N, das für das Stabilitätsverhalten der Regelung verantwortlich ist. Für dieses Nennerpolynom N kann daher ein Wunschpolynom N_Wunsch gleicher Ordnung – im vorliegenden Fall 7. Ordnung – wie folgt aufgestellt werden: NWunsch = (μ7·s7 + μ6·s6 + μ5·s5 + μ4·s4 + μ3·s3 + μ2·s2 + μ1·s + I).
Dieses Wunschpolynom beschreibt das gewünschte Regelverhalten der Regelung. Es sollte eine Diagonalstruktur aufweisen, d. h. alle Matrizen μ₇, μ₆, μ₅, μ₄, μ₃, μ₂, μ₁, I des Polynoms sollen Diagonalmatrizen sein, und sich am dynamischen Verhalten des ungeregelten Systems orientieren, um ein Zusammenwirken zwischen der Regelung und der Regelstrecke zu ermöglichen. Damit ergibt sich:
Durch einen Matrixkoeffizientenvergleich können die Reglerkoeffizientenmatrizen bestimmt werden:
Der so berechnete Regler erzielt eine Entkopplung der Eigendynamik. Eine Zählerdiagonalisierung wird nur tendenziell erreicht.
Um im Unterschied zu einer radbezogenen Kompensation eine modale aufbaubezogene Regelung zu realisieren wird folgender Ansatz gewählt: uG = uABC + uprev (6)
Daraus ergibt sich auf Basis der Gleichung (4) folgender Zusammenhang für den geschlossenen Regelkreis, wie er in 3 dargestellt ist:
Die Filterwirkung eines Aufbaureglers 24 wird kompensiert, was durch folgenden Ansatz beschrieben werden kann: uprev = [Q]–1·KI_R·u*prev (8)
Aus den Gleichungen (7) und (8) erhält man:
Diese Matrixgleichung wird als entkoppelbar betrachtet. Durch die vorgegebene Diagonalstruktur des Wunschpolynoms ist dies für das Nennerpolynom N des Systems richtig, für das Zählerpolynom Z aber nur näherungsweise, was die Stabilität des Systems aber nicht beeinträchtigt, da keine Rückwirkungen auf das Nennerpolynom bestehen. Für jeden der drei Modi Huben w, Nicken n und Wanken w kann daher folgende skalare Gleichung angegeben werden:
mit
Für jeden Modus wir nun eine Pol-Nullstellen-Kürzung vorgenommen. Ohne diese Pol-Nullstellen-Kürzung würde der Fahrkomfort beeinträchtigt werden, da bereits eliminierte Bewegungsanteile durch die Regelung wieder eingekoppelt würden. Eine Beeinträchtigung der Robustheit der Regelung ist durch die Pol-Nullstellen-Kürzung nicht zu befürchten, da es sich um stabile Pole handelt. Die daraus resultierende Regelung ist für die Fahrzeuginsassen wegen der dadurch erreichten Reduktion der Bewegungskomplexität angenehm.
Gleichung (10) lässt sich unter Einführung eines gemeinsamen Polynoms N_{j_g} umformen zu:
Für die das Fahrbahnprofil berücksichtigende Regelung wird ein skalares Wunschpolynom ZWunschj_Straße für den Zählerterm Z'_{j_Straße} bestimmt.
Daraus folgt:
Dabei können Störanteile mit einer Frequenz oberhalb einer vorgegebenen Frequenzschwelle unberücksichtigt bleiben, um unerwünschte Regel- bzw. Stellvorgänge zu unterdrücken. Gleichung (13) wird dann zu:
Für alle Modi zusammengefasst ergibt sich dann folgende Gleichung für den Previewregler 23:
Das skalare Wunschpolynom ZWunschj_Straße beschreibt das Reaktionsverhalten der Regelung beim Überfahren von bestimmten Strukturen wie z. B. Stufen, Rampen, parabolische Flächen. Es muss unter Berücksichtigung von Randbedingungen sinnvoll definiert werden. Konvergenzforderungen für das Gesamtsystem sind in der Regelung bereits berücksichtigt. Daher müssen die Zählerkoeffizienten nullter, erster und zweiter Ordnung der Zählerterms Z'_{j_Straße} je nach Anforderung (Konvergenz lediglich beim Überfahren von Stufen, oder zusätzlich auch beim Überfahren von Rampen oder parabolischen Flächen) belassen werden und können nur bei sehr kleinen Geschwindigkeiten reduziert werden. Im Allgemeinen werden daher die Koeffizienten des skalaren Wunschpolynoms ZWunschj_Straße bis zur zweiten oder dritten Ordnung denen des Zählerterms Z'_{j_Straße} entsprechen. Dies führt dazu, dass das Zählerpolynom Z erst ab der zweiten oder dritten Ableitung Signale des Straßenprofils verwendet.
Da häufig die Ordnung des Terms Nredj_g ·[Z'Straße – ZWunschStraße ]red größer ist als die Ordnung des Nenners [Q] = ⌊T₄s⁴ + T₃s³ + T₂s² + T₁s + I⌋ in Gleichung (15) kann die Realisierbarkeit gefährdet sein. Durch eine phasenfreie Filterung des Fahrbahnprofils in Fahrtrichtung vom Fahrzeug weg und entgegen der Fahrtrichtung – so genannte Vorwärts-Rückwärts-Filterung – kann die erste und zweite Ableitung an den vier Radaufstandspunkten direkt berechnet werden. Die Vorwärts-Rückwärts-Filterung ist in der deutschen Patentanmeldung 10 2008 007 657 im Einzelnen beschrieben, auf die insoweit ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Ordnung des Zählers kann daher um zwei größer sein als die Nennerordnung in Gleichung (15). Reicht dies nicht aus, so muss die Ordnung des Zählers in Gleichung (15) des geschlossenen Regelkreises durch eine modale Anpassung der Frequenzreduktion weiter reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6233510 B1 [0002]
- DE 102008007657 [0058]

Claims

Verfahren zur Regelung eines Fahrwerks eines Fahrzeugs mit wenigstens einem einen ansteuerbaren Fahrwerksaktuator (11, 11') aufweisenden aktiven Fahrwerk, mit einer Ermittlungsdaten erzeugenden Ermittlungseinrichtung (21, 22), wobei die Ermittlungsdaten (FV) den Einfluss des Fahrbahnprofils der Fahrbahn (F) auf die Position und/oder die Bewegung des Fahrzeugaufbaus (12) angeben, und mit einer Aktuatorregeleinrichtung (20), die zur Ansteuerung des wenigstens einen Fahrwerksaktuator (11, 11') in Abhängigkeit von den Ermittlungsdaten der Ermittlungseinrichtung eine Ansteuergröße (u_G) hervorruft, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuergröße (u_G) als vektorielle Größe berechnet wird, die mehrere Modalkomponenten (u_GZ, u_GN, u_GW) aufweist, dass mehrere Relativgrößen (z_rel, n_rel, w_rel) bestimmt werden, die die Relativposition zwischen dem Fahrzeugaufbau (12) und einer durch Radaufstandspunkte (P) des Fahrzeugs definierten Bezugsebene beschreiben, und dass bei der Berechnung der Ansteuergröße (u_G) die Relativgrößen (z_rel, n_rel, w_rel) modal getrennt voneinander berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Relativgrößen eine relative Aufbauposition (z_rel) zwischen Fahrzeugaufbau und Bezugsebene und/oder ein relativer Nickwinkel (n_rel) zwischen Fahrzeugaufbau und Bezugsebene und/oder ein relativer Wankwinkel (w_rel) zwischen Fahrzeugaufbau und Bezugsebene verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Ansteuergröße (u_G) mehrere die Bewegung des Fahrzeugaufbaus beschreibende Beschleunigungsgrößen, insbesondere eine Aufbaubeschleunigung
des Fahrzeugaufbaus und/oder eine Nickwinkelbeschleunigung
des Fahrzeugaufbaus und/oder eine Wankwinkelbeschleunigung (ẅ) des Fahrzeugaufbaus, modal getrennt voneinander berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die modal getrennte Berücksichtigung der Positions- bzw. Beschleunigungsgrößen (z_rel, n_rel, w_rel,
durch das Aufstellen der Gleichung zur Berechnung der Ansteuergröße (u_G) in Vektor- bzw. Matrixform erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuergröße (u_G) abhängig von einem Fahrwerksregelanteil (u_ABC), der proportional zu einem Zählermatrixpolynom und einem inversen Nennermatrixpolynom (Q) ist, und einem Vorausschauanteil (u_prev) ermittelt wird, insbesondere anhand folgender Gleichung uG = uABC + uprev = [Q]–1·[(K2B_R·s2 + KB_R·s)·B + KI_R·REL] + uprev wobei B der Vektor mit den berücksichtigten Beschleunigungsgrößen
ist, REL der Vektor mit den berücksichtigten Relativgrößen (z_rel, n_rel, w_rel) ist, K_{2B_R}, K_{B_R} und K_{I_R}, Reglerzählermatrizen sind, Q das Nennermatrixpolynom ist und u_prev der sich aus den Ermittlungsdaten ergebende Vorausschauanteil ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennermatrixpolynom (Q) eine um mindestens zwei höhere Ordnung aufweist als das Zählermatrixpolynom.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Vorausschauanteils (u_prev) die Filterwirkung des Fahrwerksregelanteils und insbesondere der Nennermatrixpolynom (Q) kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Reglerzählermatrizen (K_{2B_R}, K_{B_R}, K_{I_R},) anhand der Vorgabe eines Wunschverhaltens und anhand von das Fahrwerk des Fahrzeugs charakterisierenden Fahrwerksparametern (Θ_A, K_D, K_F) ergeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorausschauanteil (u_prev) derart bestimmt wird, dass der mindestens eine Fahrwerksaktuator (11, 11') kurz bevor eine Störung im Fahrbahnprofil der Fahrbahn (F) auftritt oder gleichzeitig mit dem Auftreten der Störung agiert, um den Einfluss der Störung auf den Fahrzeugaufbau zumindest teilweise zu kompensieren.