DE10242123A1 - Fahrdynamikregelungssystem mit Steilkurvenerkennung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Sensoren (1-5) eines Fahrdynamikregelungssystems anhand mathematischer Modelle, mit denen das Messsignal eines der Sensoren (1-5) auf der Grundlage von Messsignalen anderer der Sensoren (1-5) verifiziert wird. Eine von der Fahrbahnneigung unabhängige Überprüfung der Sensoren (1-5) umfasst einen ersten Schritt (10), in dem eine erste Gruppe von Sensoren (1-5) mittels eines ersten Modells (M1) überprüft wird, das von der Fahrbahnneigung unabhängig ist, sowie einen zweiten Schritt (11), in dem eine zweite Gruppe von Sensoren (1-5) mittels eines zweiten Modells (M2) überprüft wird, das von der Fahrbahnneigung (alpha) unabhängig ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Sensoren eines Fahrdynamikregelungssystems anhand mathematischer Modelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Fahrdynamikregelungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
• Moderne Fahrzeuge werden zunehmend mit Fahrdynamikregelungssystemen, wie z.B. ESP (elektronisches Stabilitäts-Programm), ausgestattet, die in Gefahrensituationen in den Fahrbetrieb eingreifen.
• Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Fahrdynamikregelungslsystem ist schematisch in 1 dargestellt. 1 zeigt ein Fahrdynamikregelungssystem, umfassend Sensoren 1–5 zur Bestimmung des Fahrverhaltens eines Kfz (Reglereingangsgrößen), Stellglieder 6 und 7 zur Beeinflussung der Brems- und Antriebskräfte sowie eine hierarchisch strukturierte Regel- bzw. Steuereinheit 9, die aus einem überlagerten Fahrdynamikregler 16 und unterlagerten Schlupfreglern 17 besteht. Der überlagerte Regler 16 gibt Sollwerte für den unterlagerten Regler 17 in Form von Sollschlupf vor. In einem sogenannten Beobachtersystem 15 werden die geregelten Zustandsgrößen, nämlich der Schwimmwinkel und die Giergeschwindigkeit, des Fahrzeugs ermittelt.
• Die Sensoren 1–5 umfassen im einzelnen einen Rad-Drehzahlsensor 1, einen Vordrucksensor 2, einen Lenkradwinkelsensor 3, einen Giergeschwindigkeitssensor 4 und einen Querbeschieunigungssensor 5. Die Stellglieder 6, 7 umfassen eine Einrichtung zur Druckmodulation 6 sowie ein Motormanagement 7.
• Wenn das Fahrzeug z.B. beim freien Rollen in einer Rechtskurve übersteuert und die Giersollgeschwindigkeit überschritten wird, wird am linken Vorderrad ein Sollbremsschlupf vorgegeben, der bewirkt, dass ein nach links drehendes Giermoment auf das Fahrzeug wirkt, welches die zu große Giergeschwindigkeit abbaut.
• Eine fehlerfreie Funktion des Fahrdynamikregelungssystems und insbesondere der zugehörigen Sensoren 1–5 ist für die Fahrzeugsicherheit von wesentlicher Bedeutung. Das Fahrdynamikregelungssystem umfaßt daher ein Sicherheitssystem mit dem alle Komponenten, ihre elektrischen Verbindungen, sowie deren Signale und Funktionen überwacht werden können. Dabei werden die Sensoren 1–5 üblicherweise mehrstufig überwacht:
  In einer ersten Stufe werden die Sensoren während des ganzen Fahrbetriebs auf Leitungsbruch und nicht plausibles Signalverhalten (Out-Off-Range-Check, physikalische Plausibilität) überwacht.
• In einer zweiten Stufe werden die wichtigsten Sensoren 1–5 aktiv getestet. Dabei wird z.B. der Giergeschwindigkeitssensor 4 durch aktive Verstimmung des Sensorelements und Auswertung der Signalantwort geprüft.
• In einer dritten Stufe erfolgt die Überwachung der Sensoren 1–5 während des gesamten Fahrbetriebs durch „analytische Redundanz", indem in einer Modellrechnung geprüft wird, ob die über die Fahrzeugbewegung ermittelten Beziehungen zwischen den Sensorsignalen nicht verletzt werden. D.h., es wird überprüft, ob ein von einem der Sensoren 1–5 geliefertes Sensorsignal mit einem Rechenergebnis, das aus einer Modellrechnung auf der Grundlage von Messsignalen der anderen Sensoren 1–5 ermittelt wurde, übereinstimmt oder nicht.
• Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Sensor- bzw. Signalüberwachung anhand mehrerer mathematischer Modelle durchzuführen, die einen Zusammenhang zwischen Giergeschwindigkeit und Querbeschleunigung einerseits, sowie zwischen Giergeschwindigkeit und Lenkradwinkel andererseits, darstellen. Hierbei wird in einem ersten Schritt die „Giergeschwindigkeit aus der Querbeschleunigung" und in einem zweiten Schritt die „Giergeschwindigkeit aus dem Lenkradwinkel" berechnet und beide Ergebnisse untereinander sowie mit der gemessenen Giergeschwindigkeit verglichen. Die mathematischen Modelle zur Berechnung der Giergeschwindigkeit ω_Z,S sind ωZ,S = ay ,S/V,

  
• Mit δ_L als Lenkradwinkel, i_L der Lenkübersetzung, l dem Radstand, v der Fahrzeuggeschwindigkeit, v_{C H} einer charakteristischen Geschwindigkeit und a_y,S der Fahrzeug-Querbeschleunigung; der Index S weist dabei auf eine sensierte Grösse hin.
• Wie zu erkennen ist, gelten die genannten Modelle nur für eine Fahrt in der Ebene. Befindet sich das Fahrzeug dagegen auf einer geneigten Fahrbahn, so führt die Überprüfung der Sensoren zu Fehlermeldungen trotz voll funktionsfähiger Sensorik. Bei Anwendung der genannten Modelle kann beispielsweise eine Fahrt in einer Steilkurve nicht von einer übersteuerten Kurvenfahrt unterschieden werden. In beiden Fällen ist das Querbeschleunigungssignal a_y,S im Vergleich zur gemessenen Gierrate ω_Z,S zu gering (der Querbeschleunigungs sensor zeigt wegen der Fahrbahnneigung eine zu geringe Querbeschleunigung an). Die Sensoren werden daher mittels weiterer Modelle mehrfach überprüft. Bis zur sicheren Unterscheidung zwischen einem Sensorfehler, dem Fahren in einer Steilkurve oder einem kritischen Übersteuern vergeht Zeit, in der der Fahrzeugregler nicht eingreift und somit das Fahrzeug nicht optimal kontrolliert werden kann.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung der Sensoren eines Fahrdynamikregelungssystems zu schaffen, mit dem auch eine Fahrt auf geneigter Fahrbahn schnell erkannt werden kann.
• Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie 8 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, eine erste Gruppe von Sensoren mittels eines ersten mathematischen Modells zu überprüfen, das von der Fahrbahnneigung unabhängig ist und danach eine zweite Gruppe von Sensoren mittels eines zweiten Modells zu überprüfen, das von der Fahrbahnneigung unabhängig ist (eine Gruppe von Sensoren kann dabei einen oder mehrere Sensoren umfassen). Schließlich kann der Neigungswinkel der Fahrbahn berechnet werden, der wiederum Grundlage für die Anwendung anderer Modelle ist, die nicht neigungsunabhängig sind.
• In einem ersten Schritt wird beispielsweise die von einem Gierratensensor gemessene Gierrate ω_z,S mittels eines ersten Modells auf der Grundlage des Lenkradwinkels und der Querbeschleunigung überprüft. Ist die Modellgleichung erfüllt, kann daraus gefolgert werden, dass die Sensoren (Lenkradwinkelsensor, Gierratensensor und Querbeschleunigungssensor) fehlerfrei arbeiten, ist sie dagegen nicht erfüllt, gibt es einen Fehler in (mindestens) einem der Sensoren oder in den zugehörigen Signalpfaden.
• Die Gierrate wird vorzugsweise auch mittels eines zweiten mathematischen Modells z.B. auf der Grundlage der Rad-Umfangsgeschwindigkeiten berechnet. Letztere werden wiederum aus der von einem Drehzahlsensor gelieferten Rad-Drehzahl ermittelt.
• Bei der Berechnung der Rad-Umfangsgeschwindigkeit aus der Rad-Drehzahl wird vorzugsweise berücksichtigt, dass sich der Radradius in Abhängigkeit von der jeweiligen Radaufstandskraft verändert. Bei Kurvenfahrt werden bekanntlich die kurveninneren Räder entlastet und die kurvenäußeren Räder zusätzlich belastet. Dies wird bei der Berechnung der Radumfangsgeschwindigkeit vorzugsweise berücksichtigt.
• Ein Fahrdynamikregelungssystem umfasst vorzugsweise eine sogenannte ROSE-Sensorik mit einem Quer- und Vertikalbeschleunigungssensor und einem Wankratensensor zur Erfassung der Karosserieneigung. Diese kann in einem dritten Schritt mittels eines weiteren Modells verifiziert werden.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht eines Fahrdynamikregelungssystems gemäß dem Stand der Technik;
• 2 eine Darstellung eines Fahrzeugs auf einer geneigten Fahrbahn; und
• 3 ein Flussdiagramm zur Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte bei einer Sensorüberwachung in einem Fahrdynamikregelungssystem von 1.
• Bezüglich der Erläuterung von 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
• 2 zeigt ein Fahrzeug auf einer geneigten Fahrbahn (Neigungswinkel a), sowie die am Fahrzeug wirkenden Kräfte. Die wesentlichen Kräfte sind dabei die Gewichtskraft g, die Zentrifugalkraft a_zentri in Horizontalrichtung, die vom Querkraftsensor gemessene Querbeschleunigung a_y,S, sowie die in z-Richtung wirkende Beschleunigung a_z auf Grund der Fahrdynamik.
• Die Indizes y,z bezeichnen die in 2 gezeigten Fahrzeugfesten Koordinaten; die Giergeschwindigkeit ω_z ist dabei die Komponente der Winkelgeschwindigkeit bezüglich der Fahrzeug-Hochachse bzw. z-Achse.
• Für eine sichere Funktion des in 1 dargestellten Fahrdynamikregelungssystems muss die Sensorik 1–5 einschließlich der elektrischen Verbindungen, sowie deren Signale und Funktionen überwacht werden. Dies erfolgt mittels mathematischer Modelle, mit denen überprüft wird, ob ein von einem der Sensoren 1–5 geliefertes Sensorsignal mit einem Rechenergebnis aus einer Modellrechnung auf der Grundlage von Messsignalen der anderen Sensoren 1–5 übereinstimmt oder nicht
• 3 zeigt die wesentlichen Schritte bei einer modellgestützten Sensorüberwachung in Form eines Flussdiagramms. Dabei wird in einem ersten Schritt 10 zunächst der Gierratensensor 4 bzw. dessen Sensorsignal mittels eines ersten mathematischen Modells M1 verifiziert, das einen Zusammenhang zwischen der Gierrate ω_z,S, der Fahrzeuggeschwindigkeit v, dem Lenkwinkel δ_L,S/i_L, dem Achsabstand 1, der Querbeschleunigung a_y,S und der charakteristischen Geschwindigkeit v_CH darstellt:

  
• Diese Formel ist unabhängig von der Fahrbahnneigung und gilt somit auch in einer. Steilkurve. Ist die angegebene Gleichung erfüllt, arbeiten der Lenkradwinkelsensor 3, der Gierratensensor 4 sowie der Querbeschleunigungssensor 5 fehlerfrei; ist sie dagegen nicht erfüllt, gibt es einen Fehler in (mindestens) einem der Sensoren 3, 5 oder in den zugehörigen Signalpfaden.
• Wie erwähnt, kann dieses erste Modell M1 sowohl in der Steilkurve als auch in der Ebene verwendet werden. Das Modell gilt im übrigen auch für den Grenzfall „Geradeausfahrt auf geneigter Fahrbahn" (r → ∞), da der Bahnradius r in der Beziehung nicht auftritt.
• Ist die Beziehung in Schritt 10 nicht erfüllt, ist es erforderlich, in Schritt 13 die beteiligten Sensoren 3, 4, 5 anderweitig zu testen. Dies kann in bekannter Weise z.B. mittels aktiver Verstimmung der Sensoren durchgeführt werden.
• Ist die Gleichung dagegen erfüllt, wird die Gierrate ω_z,S in Schritt 11 mittels eines zweiten Modells M2 überprüft, das einen Zusammenhang zwischen der Gierrate ω_z,S und der. Differenz der Radumfangsgeschwindigkeiten Δv der nicht-angetriebenen Räder darstellt. Dabei gilt: ωz,S = Δv/d mit der Spurweite d des Fahrzeugs.
• Die Radumfangsgeschwindigkeit v wird dabei aus der von den Raddrehzahlsensoren 1 erhaltenen Rad-Winkelgeschwindigkeit errechnet. Dabei wird berücksichtigt, dass sich der Radradius R_dyn in Abhängigkeit von der jeweiligen Radaufstandskraft F_N verändert. Es gilt: Rdyn(FN) ≅ R0 – b*ΔFN
• Hierbei ist R₀ der Radradius bei der in der Ebene wirkenden Normalkraft und b eine reifenspezifische Konstante. Bei einer Kurvenfahrt werden die kurveninneren Räder um ΔF_N entlastet und die kurvenäußeren Räder um ΔF_N zusätzlich belastet. Die Kraftänderung ΔF_N berechnet sich nach: ΔFN = m*ay*h/d
• Dabei ist m die von einer Achse abzustützende Masse und h die entsprechende Schwerpunkthöhe.
• Neben der dynamischen Belastung der Räder aufgrund einer Kurvenfahrt wird die Radaufstandskraft auch aufgrund einer Addition von Zentrifugal- und Erdbeschleunigung erhöht (siehe 2). Dieser Term kann berücksichtigt werden, spielt aber bei der Berechnung der Differenz der Radumfangsgeschwindigkeiten Δv keine wesentliche Rolle.
• Außerdem wird bei der Berechnung der Radumfangsgeschwindigkeiten v aus der von den Drehzahlsensoren 1 gelieferten Drehzahl die Radgeschwindigkeit berücksichtigt. Aufgrund der am Reifen wirkenden Zentrifugalkraft wird der Reifenlatsch nach außen gedrückt und vergrössert auf diese Weise den Radradius. Dieser Effekt geht ebenfalls in die Rechnung der Radumfangsgeschwindigkeiten v mit ein.
• Für die Korrektur des Reifenradius wird dabei nicht die gemessene bzw. geschätzte Giergeschwindigkeit verwendet, sondern ein Mess- oder Schätzwert für die Querbeschleunigung a_{y ,S}
• Ist die Beziehung in Schritt 11 nicht erfüllt, ist es erforderlich, in Schritt 14 die beteiligten Sensoren 3, 4, 5 anderweitig zu testen. Dies kann in bekannter Weise z.B. mittels aktiver Verstimmung der Sensoren durchgeführt werden.
• Ist das zweite Modell M2 dagegen erfüllt, wird in Schritt 12 eine Sensorik zur Ermittlung der Fahrbahnneigung überprüft.
• Die Fahrbahnneigung kann beispielsweise nach folgender Formel ermittelt werden:

  
• Eine weitere Möglichkeit zur Berechnung der Karosserie- bzw. Fahrbahnneigung α gibt folgende Beziehung:

  
• Stimmen die beiden Schätzgrößen sin α überein, arbeiten alle Sensoren 3, 4, 5 fehlerfrei.
• Bei einem Fahrdynamikregelungssystem mit einer Rollover-Sensing-Funktion (ROSE), die einen Quer- und Vertikalbeschleunigungssensor sowie. einen Wankratensensor umfaßt, können diese Sensoren mittels des folgenden Modells verifiziert werden. Ist die Karosserie gegen die Horizontale geneigt, mißt der Vertikalbeschleunigungssensor in einer Kurvenfahrt bei geringem Schwimmwinkel folgenden Wert: aZ = g*cos(α) + v*ωz,S*tan(α)
• Mit den vorstehend genannten Beziehungen zur Abschätzung der Karosserieneigung α bzw. sin α kann durch Einsetzen in das zuletzt genannte Modell ein Schätzwert für die Vertikalbeschleunigung a_z berechnet werden. Ist das Modell M3 erfüllt, ist der Vertikalbeschleunigungssensor funktionsfähig, ebenso wie die übrigen bei der Abschätzung berücksichtigten Sensoren.
• Ist das dritte Modell M3 dagegen nicht erfüllt, so müssen die bei der Abschätzung berücksichtigten Sensoren in Schritt 18 anderweitig überprüft werden.
• Die von einem Wankratensensor gemessene Wankrate kann beispielsweise durch die zeitliche Ableitung der Karosserieneigung dα/dt gemäß einer der vorstehend genannten Beziehungen verifiziert werden. Somit ist auch die Überprüfung des Wankratensensors möglich.
• Bei stationären Kreisfahrten stellen sich Wankwinkel ein, die in erster Näherung proportional zur Querbeschleunigung a_y sind. Ist die Querbeschleunigung bekannt, kann auf den aktuellen Wankwinkel und gegebenenfalls auch auf dessen zeitliche Veränderung geschlossen werden.
• Bei Kenntnis der Karosserieneigung α können Modelle, die von der Fahrbahnneigung nicht unabhängig sind, ebenfalls verwendet werden, um weitere Sensoren zu überprüfen.

1

Raddrehzahlsensoren

2

Vordrucksensor

3

Lenkradwinkelsensor

4

Giergeschwindigkeitssensor

5

Querbeschleunigungssensor

6

Druckmodulation

7

Motormanagement

8

Sensorsignale für ESP

δ_L

Lenkradwinkel

λ_So

Reifensollschlupf

α_S

Reifenschräglaufwinkel

9

Regel- bzw. Steuereinheit

10–14

Verfahrensschritte

15

Beobachter

16

Fahrdynamikregler

17

Schlupfregler

g

Erdbeschleunigung

x,y,z

Fahrzeugkoordinaten

a_zentri

Zentrifugalkraft

a_ges

effektive Beschleunigung

Claims (8)

1. Verfahren zur Überprüfung der Sensoren (1–5) eines Fahrdynamikregelungssystems anhand mathematischer Modelle, mit denen ein Messsignal eines der Sensoren (1–5) auf der Grundlage von Messsignalen der anderen Sensoren (1–5) überprüft wird, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Schritt (10) eine erste Gruppe der Sensoren (1-5) mittels eines ersten Modells (M1) überprüft wird, das von der Fahrbahnneigung (α) unabhängig ist, und – in einem zweiten Schritt (11) eine zweite Gruppe der Sensoren mittels eines zweiten Modells (M2) überprüft wird, das von der Fahrbahnneigung (α) unabhängig ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste oder zweite Modell (M1,M2) eine Beziehung zwischen einer Gierrate (ω_z,_S) und einer Rad-Drehzahl oder dazu proportionaler Größen darstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste oder zweite Modell (M1,M2) eine Beziehung zwischen einer Gierrate (ω_z,_S), einem Lenkradwinkel (δ_L) und einer Querbeschleunigung oder dazu proportionaler Größen darstellt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Schritt (12) eine Sensorik zur Ermittlung der Karosserieneigung (α) mittels eines dritten Modells (M3) überprüft wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste oder zweite Modell M1 M2 folgende Formel umfaßt:

   
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste oder zweite Modell (M1,M2) folgende Formel umfaßt:

   
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (1–5), der bei einer Modell-Überprüfung (10–12) als funktionsfähig festgestellt wurde, in einem nachfolgenden Verfahrensschritt (11,12) zur Überprüfung eines anderen der Sensoren (1–5) herangezogen wird.
8. Fahrdynamikregelungssystem mit mehreren Sensoren (1–5) und einer Steuereinheit (9), das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche eingerichtet ist.