DE102016201205A1 - Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug zur Regelung der Längsdynamik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Regler zur Regelung der Längsdynamik (Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Längsbeschleunigung), dessen Stellgröße die Sollbeschleunigung ist und der einen Störgrößenbeobachter dergestalt aufweist, dass das Summenradmoment oder eine dem gemessenen Summenradmoment zumindest proportionale Größe als Eingangsgröße des Störgrößenbeobachters erfassbar und mit der gemessenen Ist-Längsbeschleunigung vergleichbar ist (sogenannter „kooperativer” Störgrößenbeobachter).

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug zur Regelung der Längsdynamik, insbesondere der Fahrzeuggeschwindigkeit.
• Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs sind bereits seit langem bekannt. Ein typisches Beispiel ist ein sogenanntes ACC-System (Adaptive Cruise Control). Bei einem solchen Fahrerassistenzsystem wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs automatisch auf eine vom Fahrer vorgebbare Wunschgeschwindigkeit geregelt. Weiterhin umfasst ein derartiges System eine Abstands-Sensorik, mit der vorausfahrende Fahrzeuge ermittelt werden können. Droht der Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug zu gering zu werden, wird die Geschwindigkeit des eigenen Fahrzeugs derart reduziert, dass ein sicherer oder vorgegebener Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug eingehalten wird.
• Bei derartigen Längsführungssystemen wird auf der Basis der Differenz zwischen Soll- und Ist-Geschwindigkeit grundsätzlich eine Sollbeschleunigung des Fahrzeugs vorgegeben, die durch Steuerung des Antriebs (Motor und/oder Getriebe) und/oder durch Betätigung der Radbremse des Fahrzeugs eingeregelt wird. Im Rahmen eines derartigen Soll-Beschleunigungsreglers ist weiterhin ein Störgrößenbeobachter bekannt, durch den die Regelgüte des Beschleunigungsreglers verbessert wird.
• Ein Störgrößenbeobachter ist beispielsweise bei einem in der DE 10 2005 036 924 A1 beschriebenen Fahrerassistenzsystem enthalten. Dieses Fahrerassistenzsystem geht von einem Verfahren zur adaptiven Abstands- und/oder Fahrgeschwindigkeitsregelung bei einem Kraftfahrzeug aus, bei dem die Fahrzeugbeschleunigung aus Komfort- und Sicherheitsgründen nicht in belieben Sprüngen verändert werden, sondern bei dem der als zeitliche Änderung der Beschleunigung definierte Ruck in positiver und negativer Richtung durch Grenzwerte beschränkt wird. Das Fahrerassistenzsystem nach der DE 10 2005 036 924 A1 weist einen Regler zur Regelung der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs gemäß einer Sollbeschleunigung auf, das ein Einkoppelglied zur Einkoppelung einer vom Fahrer des Kraftfahrzeugs vorgebbaren Zusatzbeschleunigung aufweist. Durch die Verwendung eines Einkoppelglieds zur Einkoppelung einer vom Fahrer des Kraftfahrzeugs vorgebbaren Zusatzbeschleunigung wird es dem Fahrer durch eine überlagerte Regelung ermöglicht, zusätzliche Beschleunigungsanforderungen in das Geschwindigkeitsregelsystem einzuspeisen, ohne dieses zuvor abschalten zu müssen. Hierbei ist jedoch ein eigenes Einkoppelglied zusätzlich zum Fahrpedal und zum Bremspedal vorzusehen.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Störgrößenbeobachter im Rahmen einer Längsführungsregelung weiter zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
• Die Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Regler zur Regelung der Längsdynamik (Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Längsbeschleunigung), dessen Stellgröße die Sollbeschleunigung ist und der einen Störgrößenbeobachter dergestalt aufweist, dass das Summenradmoment, gebildet aus dem vom Fahrer und/oder von einem Fahrdynamikregelsystem (z. B. ABS, ASC, DSC, DXC) und/oder von einem Fahrerassistenzsystem vorgegebenen Antriebsmoment und/oder Bremsmoment, oder eine dem Summenradmoment zumindest proportionale Größe (wie z. B. die entsprechend umgerechnete gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit) als Eingangsgröße des Störgrößenbeobachters erfassbar und mit der gemessenen Ist-Längsbeschleunigung vergleichbar ist (sogenannter „kooperativer” Störgrößenbeobachter).
• Vorzugsweise ist dieser kooperative Störgrößenbeobachter abhängig von mindestens einer vorgegebenen Bedingung in einen sogenannten „nicht-kooperativen” Störgrößenbeobachter umschaltbar, der dadurch gekennzeichnet ist, dass anstelle des Summenradmoments die Sollbeschleunigung als Eingangsgröße des Störgrößenbeobachters erfassbar und mit der gemessenen Ist-Längsbeschleunigung vergleichbar ist. Dabei ist eine mögliche vorgegebene Bedingung für die Umschaltung, wenn weder ein Fahrereingriff noch ein Fahrdynamikregeleingriff stattfindet und sich damit das Summenradmoment nur durch die gestellte Vorgabe des Fahrerassistenzsystems ergibt.
• Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde:
  Die Fahrgeschwindigkeitsregelung oder das ACC-System ermöglichen es in der Regel, dass der Fahrer die Wunschgeschwindigkeit mittels eines Bedienelements, zum Beispiel mittels eines Lenkstockhebels oder mittels Tasten am Lenkrad, setzt oder verändert und dass das System dann die vorgegebene Geschwindigkeit gegebenenfalls in Abhängigkeit von einem vorgegebenen zeitlichen Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug mittels eines Beschleunigungsreglers regelt.
• Diese Fahrereingaben in Form von Fahrerbremsmomenten oder Fahrerantriebsmomenten führen zu einer veränderten Soll-Vorgabe im Regelkreis des Beschleunigungsreglers, ebenso wie Störgrößen, die beispielsweise aufgrund von Veränderungen des Fahrwiderstands, auftreten. Erfindungsgemäß wird ein Störgrößenbeobachter derart ausgestaltet, dass zur Verbesserung der Regelgüte (robuste Regelung gegen Störeinflüsse) die Einflüsse der Störgrößen von den Einflüssen durch die Fahrervorgaben unterscheidbar sind.
• Im Folgenden wird näher auf den Störgrößenbeobachter im Zusammenhang mit der Anforderung an eine robuste Regelung (insbesondere Längstrajektorienfolgeregelung) eingegangen:
  Um die Regelungsstruktur in einem breiten Betriebsbereich anwenden zu können, wird ein robuster Regelungsentwurf angestrebt. Ziel ist es dabei, möglichst wenig Modellwissen zu benötigen. Ein robuster Regelungsentwurf kommt mit den Modell-Unsicherheiten zurecht. Dabei spielt der Störgrößenbeobachter eine wichtige Rolle. Es kann bei der Erfindung beispielsweise von dem bekannten Störgrößenbeobachtern nach Ohnishi (1987) ausgegangen werden, der erfindungsgemäß abgewandelt wird.
• Dem Regelungsentwurf wird meist ein Modell des dynamischen Verhaltens der Strecke zugrunde gelegt. Dieses Modell gibt das wahre Verhalten mehr oder weniger gut wieder. Vor allem bei linearen Modellen, die um einen Arbeitspunkt linearisiert worden sind, kann das Verhalten stark abweichen, sofern der Arbeitspunkt verlassen wird. Des Weiteren können aufgrund von Modellierungsunsicherheiten oder Parameterschwankungen erhebliche Abweichungen vom zugrunde gelegten nominellen Modell auftreten. Letztere können durch variierende Betriebszustände wie beispielsweise die schwankende Masse eines Fahrzeugs aufgrund unterschiedlicher Beladung auftreten.
• Aufgabe der robusten Regelung ist es daher einen Regler zu finden, der bestimmte Mindestanforderungen an den Regelkreis erfüllt, ganz gleich welchen Wert die variierenden Parameter annehmen.
• Mathematische Modelle können physikalische Systeme nicht exakt abbilden und stellen immer eine Näherung dar. Oft ist eine sehr genaue Modellierung auch gar nicht erwünscht, da so die Modellordnung ansteigt und ein einfaches Modell sich besser für Entwurf und Analyse der Regelung eignet. In der Regelungstechnik ist es üblich, Unsicherheiten in Modelle einzufügen, um Aussagen über Modellabweichungen machen zu können.
• Dynamischen Unsicherheiten entstehen dagegen durch nicht berücksichtigte oder nicht abgebildete Dynamiken und sind frequenzabhängig. Beispiele hierfür stellen nicht abgebildete Aktuatoren dar. Mathematisch beschreiben lassen sich unstrukturierte Unsicherheiten durch multiplikative Eingangs- oder Ausgangsunsicherheiten.
• Die grundlegende Fragestellung der robusten Regelung besteht darin, für welchen Bereich der geschlossene Regelkreis stabil ist.
• Robuste Längstrajektorienfolgeregelung:
• Die Hauptaufgabe der Längstrajektorienfolgeregelung ist die Unterdrückung von Störungen durch Fahrwiderstände. Weiterhin müssen die Unzulänglichkeiten der Vorsteuerung kompensiert werden. Die Stellgröße ist eine Sollbeschleunigung. Diese wird durch die Aktuatorkoordinierung auf die beiden Aktuatoren Antrieb und Bremse aufgeteilt. Als Hilfsgröße wird das Summenradmoment verwendet. Im Folgenden wird die Umsetzung des Störgrößenbeobachters des Folgereglers erläutert:
  Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine nicht-kooperative und eine kooperative Ausführung des Störgrößenbeobachters umgesetzt werden kann. Letztere bietet den Vorteil, dass Fahrereingaben über das Fahrpedal und/oder das Bremspedal nicht als Störungen unterdrückt werden. In beiden Umsetzungen wird als Eingang die gemessene Fahrzeuglängsbeschleunigung verwendet, da mittels diesem Signal alle wesentlichen Störungen erfassbar sind.
• Klassische, nicht-kooperative Umsetzung des Störgrößenbeobachters:
• Bei der klassischen, nicht-kooperativen Umsetzung wird der Systemeingang, im vorliegenden Fall die Sollbeschleunigung, mit der gemessenen Ist-Beschleunigung verglichen. Da die Längsaktuatorik erhebliche Totzeiten aufweist, wird im Vorwärtszweig des Störgrößenbeobachters vorzugsweise der angenommene (z. B. empirisch ermittelte) Wert der Totzeit berücksichtigt.
• Diese Umsetzung prägt dem Regelkreis das nominelle Verhalten der Dynamik der Aktuatorik und der Raddynamik (Einlaufdynamik) auf und unterdrückt Störungen auf Beschleunigungsebene stationär genau. Neben den insbesondere durch Fahrwiderstände verursachten Störungen kompensiert diese Umsetzung allerdings auch Fahrereingaben über das Fahrpedal und/oder das Bremspedal. Aus diesem Grund wird im Folgenden die erfindungsgemäß bevorzugte kooperative Umsetzung erläutert.
• Bei der kooperativen Ausführung des Störgrößenbeobachters wird als Zwischengröße das Summenradmoment aus Antriebs- und/oder Bremsmoment als Eingang des Störgrößenbeobachters verwendet. Dieses wird ebenfalls mit der gemessenen Längsbeschleunigung verglichen. Dies bietet im Vergleich mit der nicht-kooperativen Umsetzung folgende Vorteile:
  Aktuator-Begrenzungen werden so direkt im Störgrößenbeobachter berücksichtigt (beispielsweise das begrenzte Beschleunigungspotenzial des Antriebs). Weiterhin werden Fahrereingaben durch Gas- oder Bremspedal oder der Eingriff von unterlagerten Fahrdynamikreglern (wie z. B. ABS, DSC, ASR), welche das Antriebsmoment begrenzen, um eine maximale Traktion des Fahrzeugs zu erreichen, nicht als Störungen wahrgenommen. Vielmehr wird versucht, die tatsächlich vorliegenden Störungen zu unterdrücken. Abweichungen, die durch Sättigungen oder Fahrer- oder Fahrdynamikregelsystemeingriffe erfolgen, werden im kooperativen Störgrößenbeobachter erkannt. Es wird daraufhin nicht versucht, gegen diese „anzukämpfen”.. Der Störgrößenbeobachter arbeitet so nicht gegen diese Effekte. Im Gegensatz zur üblichen Umsetzung muss hier keine Totzeit im Störgrößenbeobachter berücksichtigt werden, da diese im Signal des Summenradmoments bereits enthalten ist. Dabei wird die angenommene Fahrzeugmasse und der angenommene dynamische Rollradius, die Zeitkonstante und Dämpfung der Aktuatorik sowie die Zeitkonstante der Reifendynamik berücksichtigt. Die Zeitkonstante hängt von der jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Schlupf ab. Die Zeitkonstante des Aktuators sollte möglichst exakt bekannt sein, da durch die kooperative Umsetzung hier kein Aufprägen des Wunschverhaltens möglich ist.
• Zusammenfassend werden durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Störgrößenbeobachters Störungen auf Beschleunigungsebene, die insbesondere durch Fahrwiderstände verursacht werden, unterdrückt. Dabei werden aber bevorzugt durch die kooperative Ausgestaltung des Störgrößenbeobachters die beschleunigungsrelevanten Fahrer- und/oder Fahrdynamikregelsystemeingriffe nicht unterdrückt. Weiterhin werden Begrenzungen und die Robustheit des Reglers berücksichtigt.
• In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es zeigen
• 1a eine Gesamtreglerstruktur für eine Längstrajektorien-Folgeregelung mit der einfachsten erfindungsgemäßen kooperativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Störgrößenbeobachters, wobei
• 1b die in der Reglerstruktur berücksichtigten wesentlichen Größen näher beschreibt,
• 2 ein Beispiel für einen modifizierten kooperativen Störgrößenbeobachter für die Folgeregelung und
• 3 ein Beispiel für einen nicht-kooperativen Störgrößenbeobachter für die Folgeregelung.
• 1a zeigt eine sogenannte Zweifreiheitsgrade-Struktur als Gesamtreglerstruktur für eine Längstrajektorien-Folgeregelung, bestehend aus:
• – Dynamische Vorsteuerung
• – Trajektorienfolgeregelung:
• • Folgeregler
• • Störgrößenbeobachter
• Dabei ist a* die geplante Sollbeschleunigung, v* die geplante Sollgeschwindigkeit und x* die geplante Sollposition der Trajektorienplanung. Der Störgrößenbeobachter 1 ist hier grundsätzlich kooperativ ausgestaltet. Bei der sogenannten kooperativen Ausführung des Störgrößenbeobachters 1 wird als Zwischengröße das gemessene Summenradmoment M_sum als Eingang des Störgrößenbeobachters 1 verwendet. Dieses Summenradmoment M_sum (oder eine diesem Summenradmoment proportionale Größe) wird ebenfalls mit der gemessenen Längsbeschleunigung a verglichen.
• In 1b werden ergänzend die wesentlichen Größen der in 1a dargestellten Reglerstruktur mathematisch beschrieben, wobei G_a ein mathematisches Modell der Antriebs- und Bremsdynamik und G_r ein mathematisches Modell der Raddynamik darstellen.
• In 2 ist eine modifizierte kooperative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Störgrößenbeobachters im Detail mit folgenden Kriterien dargestellt:
• – Vergleich des Summenradmoments M_sum (in Beschleunigung umgerechnet) mit der gemessenen Ist-Beschleunigung a.
• – Berücksichtigung von Totzeiten 2 im Vorwärtszweig.
• – Aufprägen eines Wunschverhaltens 3.
• In 3 ist eine nicht-kooperative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Störgrößenbeobachters im Detail mit folgenden Kriterien dargestellt:
• – Vergleich von Sollbeschleunigung a_soll und gemessener Ist-Beschleunigung a.
• – Berücksichtigung von Totzeiten 2 im Vorwärtszweig.
• – Aufprägen eines Wunschverhaltens 3.
• Die nicht-kooperative Ausgestaltung des Störgrößenbeobachters ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Summenradmoments M_sum sich nur die Anforderung des jeweils aktiven Fahrerassistenzsystems ergibt und damit keine Fahrervorgaben oder Fahrdynamikregelsystemeingriffe stattfinden.
• Daher wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere in Form von entsprechenden Programmmodulen im elektronischen Fahrerassistenz-Steuergerät, ein erster kooperativer Störgrößenbeobachter 1a (2) und ein zweiter nicht-kooperativer Störgrößenbeobachter 1b (3) vorgesehen, wobei zwischen diesen beiden Störgrößenbeobachtern 1a und 1b abhängig von definierten Bedingungen umschaltbar sind.
• Beispielsweise kann der erste Störgrößenbeobachter 1a grundsätzlich aktiviert sein und der Störgrößenbeobachter 1b automatisch nur dann aktiviert werden, wenn keine Fahrdynamikregelsystem- oder Fahrereingriffe stattfinden.
• Eine Umschaltung findet abhängig von jeweils aktuell gewünschten Vorteilen statt.
• Vorteil der kooperativen Ausgestaltung:
• – Fahrervorgaben werden nicht als Störung wahrgenommen, für kooperative Funktionen geeignet.
• – Begrenzungen und Totzeiten werden vom Störgrößenbeobachter direkt gesehen und damit nicht kompensiert.
• – Entwurf und Stabilitätsbeweis des Reglers erheblich erleichtert.
• Nachteil der kooperativen Ausgestaltung:
• – Aufprägen des Wunschverhaltens nur noch für hinteren Teil der Strecke möglich (Raddynamik).
• Vorteil der nicht-kooperativen Ausgestaltung:
• – Aufprägen eines dynamischen Wunschverhaltens auf die unterlagerte Strecke (Antriebsaktuatorik und Raddynamik).
• – Robustheit, für hohe Regelanforderungen geeignet.
• Nachteil der nicht-kooperativen Ausgestaltung:
• – Fahrervorgaben werden genauso wie Störungen kompensiert.
• – Begrenzungen und Fahrdynamikeingriffe werden im Beobachter nicht gesehen – Anti-Windup notwendig.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102005036924 A1 [0004]

Claims (3)

1. Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Regler zur Regelung der Längsdynamik, dessen Stellgröße die Sollbeschleunigung (a_soll) ist und der einen Störgrößenbeobachter (1; 1a) dergestalt aufweist, dass von ihm ein Summenradmoment (M_sum) oder zumindest eine dem Summenradmoment proportionale Größe als Eingangsgröße erfassbar und mit der gemessenen Ist-Längsbeschleunigung (a) vergleichbar ist („kooperativer” Störgrößenbeobachter).
2. Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kooperative Störgrößenbeobachter (1; 1a) abhängig von mindestens einer vorgegebenen Bedingung in einen nicht-kooperativen Störgrößenbeobachter (1b) umschaltbar ist und umgekehrt.
3. Fahrerassistenzsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Bedingung für die Umschaltung des kooperativen Störgrößenbeobachters (1; 1a) in einen nicht-kooperativen Störgrößenbeobachter (1b) das Nichtvorliegen eines Fahrdynamikregelsystem- oder Fahrereingriffs ist.

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