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DE19828924C1 - Schaltungsanordnung zum Steuern eines Fahrwerks- oder Antriebssystems in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Steuern eines Fahrwerks- oder Antriebssystems in einem Kraftfahrzeug

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DE19828924C1
DE19828924C1 DE19828924A DE19828924A DE19828924C1 DE 19828924 C1 DE19828924 C1 DE 19828924C1 DE 19828924 A DE19828924 A DE 19828924A DE 19828924 A DE19828924 A DE 19828924A DE 19828924 C1 DE19828924 C1 DE 19828924C1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Sie weist ein Fuzzy-Logik-System auf, in dem von Sensoren gelieferte Eingangssignale ausgewer­ tet und Stellsignale für das Fahrwerks- oder Antriebssystem erzeugt werden.
Fuzzy-Logik-Systeme (im folgenden kurz: Fuzzy-Systeme) finden eine immer breitere Anwendung in den unterschiedlichsten technischen Gebieten, insbesondere auch in Steuergeräten der Kraftfahrzeugtechnik. Mit der zunehmenden Erfahrung im Umgang mit Fuzzy-Systemen nimmt auch die Forderung nach einer Ver­ wendung von immer komplexeren derartigen Systemen zu. Solche komplexen Fuzzy-Systeme werden derzeit in Form von Programmen von Rechenanlagen abgearbeitet. Dabei ergibt sich das Problem zu großer Programmlaufzeiten, insbesondere bei Echtzeitbe­ trieb.
Eine bekannte Schaltungsanordnung zum Steuern einer Einrich­ tung in einem Kraftfahrzeug, zum Beispiel einer Getriebe­ steuerung, enthält ein Fuzzy-Logik-System und einen Fahrsi­ tuationsklassifikator (DE 195 27 323 A1). Dieser Fahrsituati­ onsklassifikator bewertet den Fahrzustand und den befahrenen Straßentyp und stuft sie in Klassen wie Stop-und-Go-Verkehr, kurvige Landstraße, Autobahn usw. ein. Dabei werden von Sen­ soren gelieferte Informationen über die Fahrzeuggeschwindig­ keit, die Querbeschleunigung usw. sowie ein Antriebs-Diffe­ renzmoment als Systemeingangsgrößen verwendet. Das verwendete Fuzzy-System ist ein sogenanntes Neurofuzzy-System, bei dem das Systemübertragungsverhalten, das heißt welchen Werten der Sensoreingangssignalen des Steuergeräts welchem Fahrzustand zuzuordnen sind, bekannt sein muß, und zwar in Form von Refe­ renz- oder Lerndaten. Das Fuzzy-System wird mittels Experten­ wissen initial entwickelt, das heißt es werden die Systemgrö­ ßen wie die Anzahl der Eingänge und Ausgänge, die Regeln und die Anzahl der Zugehörigkeitsfunktionen festgelegt und in ein äquivalentes neuronales Netz übersetzt. Dieses Netz paßt dann mit wählbaren Systemparametern das Übertragungsverhalten des Fuzzy-Systems den Lerndaten an. Nach Erreichen des gewünsch­ ten Übertragungsverhaltens wird das neuronale Netz wiederum in ein äquivalentes Fuzzy-System rücktransformiert.
Mit einem solchen Verfahren können Fuzzy-Systeme mit bis zu hunderten von Regeln und vielen Eingangs- und Ausgangsgrößen entwickelt und das Übertragungsverhalten des Systems dem für das Steuergerät gewünschten Verhalten angepaßt werden. Dabei steigt die Komplexität des Systems und es können die erwähn­ ten Rechenzeit- und Rechnerleistungsprobleme auftreten.
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Vor­ teile eines Fuzzy-Systems aufweist und die in der Lage ist, bei vertretbarem Rechneraufwand die erforderlichen Regelungs- und Steuerungsaufgaben in Echtzeit zu erledigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaltungsanord­ nung nach Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Die Schaltungsanordnung weist auf eine programmgesteuerte Re­ cheneinheit, in der eine Aufbereitung der Eingangssignale er­ folgt, einen Basisspeicher, in dem Eingangs- und Ausgangs- Zugehörigkeitsfunktionen, Fuzzy-Regeln sowie die Datenstruk­ tur des Fuzzy-Systems enthalten sind, und eine fest verdrah­ tete Recheneinheit, die mit der programmgesteuerten Rechen­ einheit und dem Basisspeicher verbunden ist und in der eine Abarbeitung von Fuzzy-Algorithmen erfolgt. Diese Abarbeitung von Fuzzy-Algorithmen schließt ein: die Fuzzifizierung von Eingangssignalen, die Abarbeitung von Fuzzy-Regeln und die Defuzzifizierung der Ergebnisse, d. h. das Erzeugen von "scharfen" Ausgangssignalen.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß durch die Verwendung von zusätzlichen festverdrahteten Schal­ tungsbeständteilen, einer sogenannten Zusatzhardware, in Form eines Fuzzy-Logik-Coprozessors, die Funktion des Fuzzy­ systems nicht mehr in Form eines Programmes von dem Prozessor eines Kraftfahrzeug-Steuergerätes abgearbeitet werden muß, sondern unabhängig von diesem Prozessor ausgeführt wird. Der Prozessor oder Rechner wird dadurch erheblich entlastet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Zeichnungen näher erläutern. Es zeigen:
Fig. 1 eine ein Kraftfahrzeug-Steuergerät, z. B. eine Ge­ triebesteuerung, bildende erfindungsgemäße Schal­ tungsanordnung, und
Fig. 2 ein Flußdiagramm der in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 abgearbeiteten Programme.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 (Fig. 1) kann weitgehend der in der Anmeldung DE 195 27 332 A1, auf die hiermit verwiesen wird, entsprechen. Abwandlungen davon sind für den Fachmann aber ohne weiteres möglich, so daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch für andere Steuerungsfunktionen unter Verwendung von Fuzzy-Systemen ein­ gesetzt werden kann. Die Besonderheiten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegen insbesondere in der anderen Aufga­ benverteilung auf die einzelnen Schaltungsbestandteile, die im folgenden in einzelnen beschrieben wird.
Die Schaltungsanordnung 1 enthält eine programmgesteuerte (oder speicherprogrammierte) Recheneinheit 2 in Gestalt einer Mikroprozessoreinheit oder CPU, die hier die Funktion eines Hostrechners ausübt. Die programmgesteuerte Recheneinheit 2 ist über einen acht Bit breiten Standard-Adressen- und Daten­ bus 3 mit einer fest verdrahteten Recheneinheit 4 verbunden, die z. B. als Fuzzy-Logik-Coprozessor ausgebildet ist. Diese Recheneinheit 4 ist durch einen Adressen- und Datenbus 5 mit einem Basisspeicher 6 verbunden. Die programmgesteuerte Re­ cheneinheit 2 und die fest verdrahtete Recheneinheit 4 sind über den Adressen- und Datenbus 3 mit einem Nur-Lese-Spei­ cherbaustein oder ROM 8 verbunden.
Die programmgesteuerte Recheneinheit 2 ist über eine Daten- und Signalleitung 10 an eine Ein- und Ausgangsstufe 11 ange­ schlossen, die die Schnittstelle zu verschiedenen Sensoren im Kraftfahrzeug und zu einem oder mehreren zu steuernden Akto­ ren im Kraftfahrzeug bildet. Sie empfängt die von den Senso­ ren gelieferten Signale über eine Sensorsignalleitung 12 und sendet Steuersignale über eine Steuersignalleitung 14 an den oder die zu steuernden, hier nicht dargestellten Aktoren.
Der Adressen- und Datenbus 3 bildet zusammen mit der pro­ grammgesteuerten Recheneinheit 2 und der Daten- und Signal­ leitung 10 eine Hardware-Schnittstelle zwischen der fest ver­ drahteten Recheneinheit 4 und der Ein- und Ausgangsstufe 11 der hier als Steuergerät in einem Kraftfahrzeug dienenden Schaltungsanordnung 1. Über diese Schnittstelle werden die verwendeten und erzeugten Fuzzy-Systemgrößen - zum Beispiel scharfe Eingangswerte und Ausgangswerte des Fuzzy-Systems, Steuerbefehle für die fest verdrahtete Recheneinheit zum Aus­ wählen der Fuzzy-Algorithmen - übertragen. Fuzzy-Algorithmen sind in dem Ba­ sisspeicher 6 abgelegt, der somit als Speicher für die Wis­ sensbasis des Fuzzy-Systems bildet. Der Adressen- und Daten­ bus 5, mit dem die fest verdrahtete Recheneinheit 4 auf den Basisspeicher 6 zugreift, ist von dem Adressen- und Datenbus 2 physikalisch unabhängig.
Die Eingangsgrößen des Fuzzy-Systems werden von der programm­ gesteuerten Recheneinheit 2 an die fest verdrahtete Rechen­ einheit 4 übermittelt. Anhand dieser Eingangsgrößen und dem in dem Basisspeicher abgelegten Übertragungsverhalten des Fuzzy-Systems berechnet die fest verdrahtete Recheneinheit 4 die Ausgangsgrößen und stellt sie über den Adressen- und Da­ tenbus 3 der programmgesteuerten Recheneinheit 2 zur Verfü­ gung.
Die programmgesteuerte Recheneinheit 2 ist in dem vorliegen­ den Ausführungsbeispiel mit einer Breite von acht Bit ausge­ führt, sie kann aber auch eine größere Bitbreite aufweisen. Die Adressen können auf dem Adress- und Datenbus 3 zeitver­ setzt oder auch auf gesonderten, hier nicht dargestellten, Leitungen übertragen werden. In dem ROM-Speicherbaustein 8 sind für die Datenübertragung erforderliche Befehlscodes ab­ gelegt.
Bei Verwendung leistungsfähiger Recheneinheiten 2 können meh­ rere Adress- und Datenbusse angeschlossen werden, die ein si­ multanes Ansprechen mehrerer Speicher ermöglichen.
Dadurch, daß die fest verdrahtete Recheneinheit 4 auf den un­ abhängigen Basisspeicher 6 zugreifen kann, wird eine echte Parallelverarbeitung von Algorithmen ermöglicht.
Die als sogenannte Hardwareeinheit ausgebildete Ein- und Aus­ gangsstufe 11 bereitet einerseits eingehende Sensorsignale auf und steuert andererseits externe Aktoren, wie Ventiltrie­ be, Elektromotoren usw. in dem Kraftfahrzeug. Es enthält au­ ßerdem eine hier nicht besonders dargestellte serielle Schnittstelle zur Kommunikation mit anderen Steuergeräten und auch mit externen Rechnern. Solche externen Rechner dienen zum Beispiel zum Durchführen von Diagnosen und zum Programmieren der Schaltungsanordnung 1. Diese Schnittstelle kann als CAN-Bus ausgeführt sein.
Die in der Schaltungsanordnung 1 abgearbeiteten Programm­ schritte werden nun anhand des Flußdiagramms (Fig. 2) erläu­ tert. Nach einem Start des Programms werden in einem
Schritt S0 die Umweltdaten, d. h. insbesondere die von den Sensoren gelieferten Signale, aufbereitet. In einem
Schritt S1 erfolgt eine Abfrage, ob eine Berechnung durch das Fuzzy-System angefordert worden ist. Falls nein, erfolgt ein Rücksprung zum Start. Falls ja, werden in einem
Schritt S2 die Eingangsgrößen über den Bus 3 auf die fest verdrahtete Recheneinheit 4 transferiert. In einem
Schritt S3 werden in der Recheneinheit 4 die erforderli­ chen Fuzzy-Logic-Operationen oder -Berechnungen durchgeführt und zwar unabhängig von der Recheneinheit 2. In einem
Schritt S4 werden die Ausgangsdaten des Fuzzy-Systems über den Adressen- und Datenbus 3 an die Recheneinheit 2 übermit­ telt. Damit ist der Programmdurchlauf beendet.
Die vorstehend beschriebenen Berechnungen werden etwa 10 bis 100 mal schneller abgearbeitet als bei einer Abarbeitung in einer software- oder programmgesteuerten Recheneinheit. Die genaue Rechenzeit des Coprozessors hängt von den jeweils in dem Fuzzy-System verwendeten Operatoren und Algorithmen ab. Die programmgesteuerte Recheneinheit (Host-Controller) wird hier nur mit der Übergabe der Eingangsdaten und der Abfrage der Ergebnisdaten des Fuzzy-Systems belastet. Die eigentli­ chen Berechnungen des Fuzzy-Systems erfolgen völlig unabhän­ gig von dem Host-Controller. Dies bedeutet, daß ein echtes "Parallel-Processing" mit eindeutiger "Master-Slave-Struktur" durchgeführt werden kann.
Da der vorstehend genannte Coprozessor als Makrozelle in ei­ ner Makrozellenbibliothek zur Verfügung steht, können die fest verdrahtete Recheneinheit 4, der Basisspeicher 6 und die programmgesteuerte Recheneinheit 2 auf einem Silizium-Chip integriert werden. Dadurch ergibt sich eine geringere Anzahl von Bauteilen für die Schaltungsanordnung 1 mit demzufolge geringeren Kosten, es wird weniger Leiterplattenfläche benö­ tigt und es verringert sich die Fehleranfälligkeit.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung (1) zum Steuern eines Fahrwerks- oder Antriebssystems in einem Kraftfahrzeug mit einem Fuzzy-System (10), in der von Sensoren gelieferte Eingangssignale ausge­ wertet und Stellsignale für das Fahrwerks- oder Antriebssy­ stem erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist:
  • - eine programmgesteuerte Recheneinheit (2), in der eine Auf­ bereitung der Eingangssignale erfolgt,
  • - einen Basisspeicher (6), in dem Eingangs- und Ausgangs- Zugehörigkeitsfunktionen, Fuzzy-Regeln sowie die Datenstruk­ tur des Fuzzy-Systems enthalten sind, und
  • - eine fest verdrahtete Recheneinheit (4), die mit der pro­ grammgesteuerten Recheneinheit (2) und dem Basisspeicher (6) verbunden ist und in der eine Abarbeitung von Fuzzy-Algo­ rithmen erfolgt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die programmgesteuerte Recheneinheit (2) mit einer Ein- und Ausgangsstufe (11) verbunden ist, in der von Senso­ ren im Kraftfahrzeug gelieferte Sensorsignale empfangen und von der Steuersignale an Aktoren im Kraftfahrzeug ausgesendet werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die fest verdrahtete Recheneinheit (4) als Fuzzy-Logik-Coprozessor ausgebildet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die fest verdrahtete Rechen­ einheit (4), der Basisspeicher (6) und die programmgesteuerte Recheneinheit (2) auf einem Silizium-Chip integriert sind.
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