WO2005113269A1 - Semi-active chassis concept having a reduced number of sensor - Google Patents
Semi-active chassis concept having a reduced number of sensorInfo
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- WO2005113269A1 WO2005113269A1 PCT/EP2005/004705 EP2005004705W WO2005113269A1 WO 2005113269 A1 WO2005113269 A1 WO 2005113269A1 EP 2005004705 W EP2005004705 W EP 2005004705W WO 2005113269 A1 WO2005113269 A1 WO 2005113269A1
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Definitions
- the invention relates to a semi-active chassis system with a reduced number of sensors for vehicles, in particular motor vehicles, with level sensors, acceleration sensors, a control device and adjusting devices, and a method for generating control signals for adjusting devices of a semi-active chassis system.
- the invention further relates to a method for generating control signals for control devices of a semi-active chassis system, in particular a semi-active chassis system.
- An advantageous arrangement provides that the sixth device and the seventh device are arranged parallel to one another and in each case parallel to the fourth and fifth device and each have a calculation stage for their have output signals from the signals of the first and second acceleration sensors.
- the software components of the sensor fusion algorithm which forms the so-called observer or has the function of an observer
- the control algorithm which forms the so-called control algorithm
- the sensor fusion algorithm calculates the state variables of the vehicle body and transfers them directly to the control algorithm.
- a feedback is arranged between the output of the control algorithm and the block for calculating spring and damper forces. This feedback enables information about the actuation of the actuating devices, which are required for the damper force calculation.
- FIG. 1 shows a simplified schematic illustration of a vehicle with a semi-active chassis system according to the prior art.
- a stroke movement ZZ in the direction of the z-axis a so-called roll movement KAPPA as a swivel movement around the x-axis (represented by a semicircle with arrow head) and a so-called pitch movement THETA as a swivel movement around the y-axis (represented by a semicircle with arrow) ,
- the input signals A_Z__VL of the acceleration sensor 7 at the front left and A_Z_VR of the acceleration sensor 8 at the front right are used by a sixth device 16 for calculating roll acceleration and a seventh device 17 for calculating superimposition of stroke and pitching accelerations.
- the respective output signals of devices 16 and 17 and the output signals of device 15 are used as input signals in addition to the signals coming from device 15 for an eighth device 18 for calculating modal speeds.
- the output 24 of the control algorithm generation 12 is connected via a feedback connection 23 to an input of the device 14 for calculating spring and damper forces. This is the only connection between the control algorithm 12 and the software component sensor fusion algorithm 13. In addition to this, the aforementioned functional parts are completely decoupled, so that the effort required to change the control unit software is advantageously minimal.
- the functional principle of the sensor fusion algorithm is shown below using the calculation processes of the individual devices as shown in FIG. 5.
- the vertical speed signals of the vehicle body 1 above the rear axle are reconstructed from four sensor equations evaluated in each time step. Two of these are based on the acceleration sensors 7, 8 of the vehicle body 1 and two on a force and torque balance. There are therefore four equations for calculating three modal speeds (vertical stroke, roll, pitch).
- the linear system of equations is thus over-determined.
- the over-determination can be in resolve each time step using the so-called "Weighted Linear Least Squares Method" - that is, using the weighted, smallest error squares method.
- the stroke and pitching accelerations are calculated on a force and moment balance basis.
- Device 15 determines the stroke and pitch acceleration on the basis of four strut forces of the vehicle and a fixed vehicle mass or pitch inertia.
- the device 16 determines a further equation for determining the modal accelerations of the vehicle body 1. Based on the signals A_Z_JVL from the acceleration sensor 7 at the front left and the signal A_Z_VR from the acceleration sensor 8 at the front right with the difference of which the roll acceleration of the vehicle is calculated by means of the distance between the two acceleration sensors 7, 8 remaining in the vehicle. Thus, despite the omission of the third acceleration sensor 9, this comfort-relevant variable continues to be directly available as a measurement signal for the control algorithm 12 at the rear right.
- a pseudo integration In order to convert from the modal acceleration signals to modal speeds, a pseudo integration (Pl) is necessary. This filters out high-frequency as well as DC components from the acceleration signals and realizes an integration in the body's natural frequency range due to clever amplification-phase relationships.
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Abstract
Description
Semi-aktives Fahrwerksystem mit reduzierter Sensorzahl Semi-active chassis system with a reduced number of sensors
Die Erfindung betrifft ein semi-aktives Fahrwerksystem mit reduzierter Sensorzahl für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit Niveausensoren, Beschleunigungssensoren, einer Steuereinrichtung und Stelleinrichtungen, sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Ansteuersignalen für Stelleinrichtungen eines semi-aktiven Fahrwerksystems. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung von Ansteuersignalen für Stelleinrichtungen eines semi-aktiven Fahrwer Systems, insbesondere eines semi-aktiven Fahrwerksystems.The invention relates to a semi-active chassis system with a reduced number of sensors for vehicles, in particular motor vehicles, with level sensors, acceleration sensors, a control device and adjusting devices, and a method for generating control signals for adjusting devices of a semi-active chassis system. The invention further relates to a method for generating control signals for control devices of a semi-active chassis system, in particular a semi-active chassis system.
Semi-aktive Fahrwerksysteme, beispielsweise für Kraftfahrzeuge mit Luftfederung, weisen verstellbare Stoßdämpfer alsStelleinrichtungen auf. Bei derartigen Systemen set.zen die meisten Fahrzeughersteller drei Aufbaubeschleunigungssensoren ein. Der Aufbau und die Funktionsweise solcher semi-aktiven Fahrwerksysteme ist' allgemein bekannt, so dass darauf nicht näher eingegangen wird.Semi-active chassis systems, for example for motor vehicles with air suspension, have adjustable shock absorbers as actuating devices. Most vehicle manufacturers use three body acceleration sensors in such systems. Is not discussed in detail the structure and operation of such semi-active suspension systems is' generally known, so that it.
Die deutsche Patentschrift DE 198 55 310 C2 beschreibt ein aktives FederungsSystem für Fahrzeuge, bei welchem mehrere Sensoren zur Erzeugung von Signalen verwendet werden, die zumindest mit vertikalen Aufbaubeschleunigungen korreliert sind. Nachteilig bei einer derartigen Anordnung sind vor allem die relativ hohen Kosten, welche für die Installation ei- nes jeden Sensors sowie für die Verkabelung der Sensoren mit Anschluss- und Versorgungsleitungen und den zugehörigen Steuergeräte und Halterungen entstehen.German patent specification DE 198 55 310 C2 describes an active suspension system for vehicles in which several sensors are used to generate signals which are at least correlated with vertical body accelerations. The disadvantage of such an arrangement is, above all, the relatively high costs involved in installing nes each sensor and for the wiring of the sensors with connection and supply lines and the associated control units and brackets.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine kostengünstigeres Federungssystem für Fahrzeuge sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Ansteuersignalen für Stelleinrichtungen des Federungssystems bereit zu stellen, wobei insbesondere ein gleicher Fahrkomfort beibehalten wird.The object on which the present invention is based is to provide a more economical suspension system for vehicles and a method for generating control signals for actuating devices of the suspension system, in particular maintaining the same driving comfort.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein semi-aktives Fahrwerksystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst .This object is achieved according to the invention by a semi-active chassis system with the features of patent claim 1 and by a method with the features of patent claim 7.
Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly, it is provided:
Ein semi-aktives Fahrwerksystem mit reduzierter Sensorzahl für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit Niveausensoren, die eine Veränderung eines Weges eines Fahrzeugaufbaus zwischen diesem und Achsen in Vertikal- richtung aufnehmen und davon abhängige erste Sensorsignale bereit stellen; Beschleunigungssensoren, die Beschleunigungen des Fahrzeugaufbaus in Vertikalrichtung aufnehmen und davon abhängige zweite Sensorsignale bereit stellen; einer Steuervorrichtung zur Bereitstellung von Ansteuersignalen für Stelleinrichtungen, wobei die Steuervorrichtung ■ eine erste Einrichtung zur Signalaufbereitung und - Verarbeitung, ■ eine zweite Einrichtung zur Berechnung von Zustands- größen des Fahrzeugaufbaus basierend auf den ersten und zweiten Sensorsignalen, die einen Sensorfusionsalgorithmus aufweist, mit welchem mindestens ein weiteres Sensorsignal kompensiert wird, und ■ eine dritte Einrichtung zur Generierung der Ansteuer- signale für die Stelleinrichtungen enthält; Stelleinrichtungen zur Verstellung des Fahrzeugaufbaus in Vertikalrichtung. (Patentanspruch 1)A semi-active chassis system with a reduced number of sensors for vehicles, in particular motor vehicles, with level sensors which record a change in a path of a vehicle body between the latter and the axles in the vertical direction and provide dependent first sensor signals; Acceleration sensors that record accelerations of the vehicle body in the vertical direction and provide dependent second sensor signals; a control device for providing control signals for actuating devices, the control device ■ a first device for signal processing and processing, ■ a second device for calculating state variables of the vehicle body based on the first and second sensor signals, which has a sensor fusion algorithm with which at least one further sensor signal is compensated, and ■ contains a third device for generating the control signals for the actuating devices; Actuators for adjusting the vehicle body in the vertical direction. (Claim 1)
Ein Verfahren zur Erzeugung von Ansteuersignalen für Stelleinrichtungen eines semi-aktiven Fahrwerksystems, mit den Verfahrensschritte : (a) Aufbereiten von Sensorsignalen; (b) Berechnen von Feder- und Dämpferkräften; (c) Berechnen von Hub- und Nickbeschleunigungen des Fahrzeugaufbaus ; (d) Berechnen von Wankbeschleunigung des Fahrzeugaufbaus ; (e) Berechnen von Überlagerung von Hub- und Nickbeschleunigung des Fahrzeugau baus; (f) Berechnen von Zustandsgrößen des Fahrzeugaufbaus ; (g) Auswerten eines Ansteueralgorithmus oder Regelalgorithmus mittels der berechneten Zustandsgrößen ; und (h) Erzeugen von Ansteuersignalen. (Patentanspruch 7)A method for generating control signals for control devices of a semi-active chassis system, with the method steps: (a) processing sensor signals; (b) calculating spring and damper forces; (c) calculating lift and pitch accelerations of the vehicle body; (d) calculating roll acceleration of the vehicle body; (e) calculating superimposition of the lift and pitch acceleration of the vehicle body; (f) calculating state variables of the vehicle body; (g) evaluating a control algorithm or control algorithm using the calculated state variables; and (h) generating drive signals. (Claim 7)
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und den Beschreibungen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous refinements and developments of the invention can be found in the subclaims and the descriptions with reference to the drawings.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, die Zahl der benötigten vertikalen Aufbaubeschleunigungssensoren zu reduzieren. Die Zahl der so entfallenen Aufbaubeschleunigungssensoren ist ersatzlos und wird lediglich durch einen zusätzlichen Algorithmus im zugehörigen Steuergerät kompensiert. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Fahrwerksystem zwei Beschleunigungssensoren über der Vorderachse des Fahrzeugs auf, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Ein dritter üblicher Beschleunigungssensor über der Hinterachse kann vorteilhafterweise ebenfalls ersatzlos entfallen.The idea underlying the present invention is to reduce the number of vertical body acceleration sensors required. The number of body acceleration sensors not required in this way is without replacement and is only compensated for by an additional algorithm in the associated control unit. In a preferred embodiment, the chassis system according to the invention has two acceleration sensors above the front axle of the vehicle, which are arranged at a distance from one another. A third conventional acceleration sensor above the rear axle can advantageously also be omitted without replacement.
Das Signal des fehlenden dritten Beschleunigungssensors wird vorteilhafterweise mittels eines Sensorfusionsalgorithmus kompensiert, welcher in der Steuervorrichtung implementiert ist. Dieser Sensorfusionsalgorithmus der zweiten Einrichtung beinhaltet folgende funktionale Blöcke: eine vierte Einrichtung zur Berechnung von Feder- und Dämpferkräften, - eine fünfte Einrichtung zur Berechnung von Hub- und Nickbeschleunigungen des Fahrzeugaufbaus eine sechste Einrichtung zur Berechnung von Wankbeschleunigung des Fahrzeugaufbaus eine siebte Einrichtung zur Berechnung von Überlagerung von Hub- und Nickbeschleunigung des Fahrzeugauf- baus - eine achte Einrichtung zur Berechnung von Zustandsgrößen des FahrzeugaufbausThe signal of the missing third acceleration sensor is advantageously compensated for by means of a sensor fusion algorithm which is implemented in the control device. This sensor fusion algorithm of the second device contains the following functional blocks: a fourth device for calculating spring and damper forces, - a fifth device for calculating lifting and pitching accelerations of the vehicle body, a sixth device for calculating roll acceleration of the vehicle body, and a seventh device for calculating superimposition of lifting and pitching acceleration of the vehicle body - an eighth device for calculating state variables of the vehicle body
Die Berechnung der Wankbeschleunigung des Fahrzeugs und der Überlagerung von Hub- und Nickbeschleunigung erfolgt typischerweise mittels der Signale der verbleibenden Beschleunigungssensoren über der Vorderachse.The roll acceleration of the vehicle and the superimposition of lift and pitch acceleration are typically calculated using the signals from the remaining acceleration sensors above the front axle.
Eine vorteilhafte Anordnung sieht vor, dass die sechste Einrichtung und die siebte Einrichtung parallel zueinander und jeweils parallel zu der vierten und fünften Einrichtung angeordnet sind und jeweils eine Berechnungsstufe für ihre Aus- gangssignale aus den Signalen des ersten und zweiten Beschleunigungssensors aufweisen.An advantageous arrangement provides that the sixth device and the seventh device are arranged parallel to one another and in each case parallel to the fourth and fifth device and each have a calculation stage for their have output signals from the signals of the first and second acceleration sensors.
Insbesondere die modalen Geschwindigkeiten als Beispiel für Zustandsgrößen des Fahrzeugaufbaus werden typischerweise mittels einer Integrationsstufe und einer Gewichtungsstufe berechnet. Hierbei ist es möglich, dass die Integrationsstufe im Signalverlauf zeitlich vor der Gewichtungsstufe angeordnet ist. Es ist vorteilhaft, wenn die in der Gewichtungsstufe durchgeführte Berechnung mittels der so genannte Weighted- Linear-Least-Squares-Methode erfolgt .In particular, the modal speeds as an example of state variables of the vehicle body are typically calculated using an integration level and a weighting level. It is possible for the integration stage to be arranged in the signal course before the weighting stage. It is advantageous if the calculation carried out in the weighting stage is carried out using the so-called weighted linear least squares method.
Vorteilhafterweise sind die Softwarekomponenten des Sensorfusionsalgorithmus, der den so genannten Beobachter bildet oder die Funktion eines Beobachters aufweist, und des Ansteueralgorithmus, der den so genannten Regelalgorithmus bildet, nahezu vollständig entkoppelt. Der Sensorfusionsalgorithmus berechnet die Zustandsgrößen des Fahrzeugaufbaus und übergibt diese direkt an den Ansteueralgorithmus . Für die Dämp erkraftberechnung des Sensorfusionsalgorithmus ist es von Vorteil, wenn eine Rückkopplung zwischen dem Ausgang des Ansteueralgorithmus zu dem Block zur Berechnung von Feder- und Dämpferkräften angeordnet ist. Diese Rückkopplung ermöglicht Informationen über die Ansteuerung der Stelleinrichtungen, welche für die Dämpferkraftberechnung erforderlich sind.Advantageously, the software components of the sensor fusion algorithm, which forms the so-called observer or has the function of an observer, and the control algorithm, which forms the so-called control algorithm, are almost completely decoupled. The sensor fusion algorithm calculates the state variables of the vehicle body and transfers them directly to the control algorithm. For the damping force calculation of the sensor fusion algorithm, it is advantageous if a feedback is arranged between the output of the control algorithm and the block for calculating spring and damper forces. This feedback enables information about the actuation of the actuating devices, which are required for the damper force calculation.
Durch den Sensorfusionsalgorithmus ist es vorteilhafterweise möglich, einen Beschleunigungssensor mit seinen Installationskomponenten einzusparen. Die Kompensation seiner Signale mittels einer Softwarekomponente ist vorteilhafterweise einfach und erfordert beispielsweise nur geringe Änderungen bzw. Ergänzungen an vorhandenen Systemen. So können beispielsweise die verbleibenden Aufbaubeschleunigungssensoren über der Vorderachse vorne links und vorne rechts an ihrem üblichen In- stallationsort verbleiben. Ebenfalls müssen die Niveausensoren nicht an einer anderen Stelle platziert werden. Zudem müssen aufgrund der Entkopplung von Ansteueralgorithmus und Sensorfusionsalgorithmus nur geringe Änderungen im Steuergerät vorgenommen werden.The sensor fusion algorithm advantageously makes it possible to save an acceleration sensor with its installation components. The compensation of its signals by means of a software component is advantageously simple and, for example, requires only minor changes or additions to existing systems. For example, the remaining body acceleration sensors above the front axle at the front left and front right at their usual in- remain at the installation site. Likewise, the level sensors do not have to be placed elsewhere. In addition, due to the decoupling of the control algorithm and sensor fusion algorithm, only minor changes need to be made in the control device.
In einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Einrichtung einen Kaiman-Filter auf.In a further embodiment, the second device has a Cayman filter.
Bei dem Verfahren werden die Verfahrensschritte (d) und (e) mit Signalen des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors durchgeführt. Der Verfahrensschritt (f) weist in einer Ausgestaltung folgende Verfahrensteilschritte auf: (al) Pseudo-Integrieren von Beschleunigungssignalen der Verfahrensschritte (c) , (d) und (e) und (a2) Gewichten der pseudo-integrierten Signale entsprechend ihrer jeweiligen Signalgüte.In the method, method steps (d) and (e) are carried out with signals from the first and second acceleration sensors. In one embodiment, method step (f) has the following method sub-steps: (al) pseudo-integrating acceleration signals of method steps (c), (d) and (e) and (a2) weights of the pseudo-integrated signals according to their respective signal quality.
Der Verfahrensteilschritt (a2) beinhaltet ein Gewichten mittels der Weighted Linear-Least-Squares-Methode .Process sub-step (a2) includes weighting using the weighted linear least squares method.
Der Verfahrensschritt (b) wird zusätzlich mit rückgekoppelten Ansteuersignalen aus dem Verfahrensschritt (h) durchgeführt.Method step (b) is additionally carried out with feedback control signals from method step (h).
Die Verfahrensschritte (b) bis (f) können in einer weiteren Ausführung mittels eines Kaiman-Filters erfolgen.The process steps (b) to (f) can be carried out in a further embodiment by means of a Cayman filter.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert . Es zeigt dabei :The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments given in the schematic figures of the drawing. It shows:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem semi-aktiven Fahrwerksystem nach dem Stand der Technik; Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung für das Fahrwerksystem nach Figur 1 gemäß dem Stand der Technik; Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen semi-aktiven Fahrwerksystem; und Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung für das erfindungsgemäße Fahrwerksystem nach Figur 3. Fig. 5 eine detaillierte Darstellung des Blockschaltbildes der Figur 4.Figure 1 is a simplified schematic representation of a vehicle with a semi-active chassis system according to the prior art. 2 shows a block diagram of a control device for the chassis system according to FIG. 1 according to the prior art; 3 shows a simplified schematic illustration of a vehicle with a semi-active chassis system according to the invention; and FIG. 4 shows a block diagram of a control device for the chassis system according to the invention according to FIG. 3. FIG. 5 shows a detailed illustration of the block diagram of FIG. 4.
In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Teile und/oder Baugruppen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit den selben Bezugszeichen versehen worden.In all figures of the drawing, the same or functionally identical parts and / or assemblies - unless otherwise stated - have been given the same reference numerals.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem semi-aktiven Fahrwerksystem nach dem Stand der Technik.1 shows a simplified schematic illustration of a vehicle with a semi-active chassis system according to the prior art.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein stark vereinfacht dargestellter Fahrzeugaufbau bezeichnet. Voderräder 26 und Hinterräder 27 des Fahrzeugs, sowie Stelleinrichtungen Vorderräder 2 und Stelleinrichtungen Hinterräder 3 sind vereinfacht gezeigt. Dabei sind die Stelleinrichtungen Vorderräder und Hinterräder 2, 3 beispielsweise verstellbare Stoßdämpfer mit Federn und verbinden den Fahrzeugaufbau 1 über nicht dargestellte Achsen mit den jeweiligen Rädern 26, 27. Ein erster Niveausensor 4 vorne links und ein zweiter Niveausensor 5 vorne rechts misst jeweils den Abstand des Fahrzeugaufbaus 1 zur jeweiligen Achse. An der Hinterseite des Fahrzeugs wird der Abstand des Fahrzeugaufbaus 1 zur Achse oder zum Stabilisator der Hinterräder 27 über einen dritten Niveausensor 6 gemessen. Weiterhin ist der Fahrzeugaufbau 1 an der Vorderseite im Bereich seiner Vorderachse 25 in derem Anbindungsbereich mit einem ersten Beschleunigungssensor 7 vorne links, einem zweiten Beschleunigungssensor 8 vorne rechts und hinten mit einem dritten Beschleunigungssensor 9 hinten rechts ausgerüstet.In Fig. 1, the reference numeral 1 designates a vehicle body which is shown in a highly simplified manner. Front wheels 26 and rear wheels 27 of the vehicle, as well as actuators front wheels 2 and actuators rear wheels 3 are shown in simplified form. The actuating devices are front wheels and rear wheels 2, 3, for example adjustable shock absorbers with springs and connect the vehicle body 1 to the respective wheels 26, 27 via axles (not shown). A first level sensor 4 at the front left and a second level sensor 5 at the front right each measure the distance between the Vehicle body 1 for the respective axle. At the rear of the vehicle, the distance of the vehicle body 1 to the axle or to the stabilizer of the rear wheels 27 is measured via a third level sensor 6. Furthermore, the vehicle body 1 is equipped on the front in the area of its front axle 25 in its connection area with a first acceleration sensor 7 at the front left, a second acceleration sensor 8 at the front right and at the rear with a third acceleration sensor 9 at the rear right.
Links oben in der Fig. 1 ist ein Koordinatensystem gezeigt, welches die Achsen x (Fahrtrichtung) , y und die Vertikalachse z zeigt . Die Bewegung des Fahrzeugaufbaus 1 wird in diesem vereinfachten linearen Fahrzeugmodell in drei Bewegungsfreiheitsgrade aufgeteilt:A coordinate system is shown at the top left in FIG. 1, which shows the axes x (direction of travel), y and the vertical axis z. The movement of the vehicle body 1 is divided into three degrees of freedom in this simplified linear vehicle model:
Eine Hubbewegung ZZ in Richtung der z-Achse, eine so genannte Wankbewegung KAPPA als Schwenkbewegung um die x-Achse (dargestellt durch einen Halbkreis mit Pfeilspitze) und eine sogenannte Nickbewegung THETA als Schwenkbewegung um die y-Achse (dargestellt durch einen Halbkreis mit Pfeil) .A stroke movement ZZ in the direction of the z-axis, a so-called roll movement KAPPA as a swivel movement around the x-axis (represented by a semicircle with arrow head) and a so-called pitch movement THETA as a swivel movement around the y-axis (represented by a semicircle with arrow) ,
Aus den Signalen der Niveausensoren 4, 5, 6 und der Beschleunigungssensoren 7, 8, 9 werden Informationen für die Berechnungen der oben genannten Geschwindigkeiten in den drei Bewegungsfreiheitsgraden verwendet. Dieses erfolgt in einer Steuervorrichtung 10, wie in Fig. 2 dargestellt.Information from the signals from the level sensors 4, 5, 6 and the acceleration sensors 7, 8, 9 is used for the calculations of the above-mentioned speeds in the three degrees of freedom of movement. This takes place in a control device 10, as shown in FIG. 2.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung für das Fahrwerksystem nach Fig. 1 gemäß dem Stand der Technik. Zum Beispiel kann das Fahrwerksystem ein so genanntes ADS- Luftfedersystem (ADS = Adaptives DämpfungsSystem) sein. Die bekannte Steuervorrichtung 10 besteht aus einem Block zur Signalaufbereitung 11. Als Eingangssignale dienen die jeweiligen Signale der Niveausensoren 4, 5, 6 und der Beschleunigungssensoren 7, 8, 9, wobei A_Z_VL das Signal des ersten Beschleunigungssensors 7 vorne links, A_Z_VR das Signal des zweiten Beschleunigungssensors 8 vorne rechts, A Z H das Sig- nal des dritten Beschleunigungssensors 9 hinten rechts, N_VL das Signal des ersten Niveausensors 4 vorne links, N_VR das Signal des zweiten Niveausensors 5 vorne rechts und N_HM das Signal des dritten Niveausensors 6 hinten Mitte bezeichnet.FIG. 2 shows a block diagram of a control device for the chassis system according to FIG. 1 according to the prior art. For example, the chassis system can be a so-called ADS air suspension system (ADS = Adaptive Damping System). The known control device 10 consists of a block for signal processing 11. The respective signals of the level sensors 4, 5, 6 and the acceleration sensors 7, 8, 9 serve as input signals, with A_Z_VL the signal of the first acceleration sensor 7 at the front left, A_Z_VR the signal of the second Acceleration sensor 8 front right, AZH the sig- nal of the third acceleration sensor 9 rear right, N_VL the signal of the first level sensor 4 front left, N_VR the signal of the second level sensor 5 front right and N_HM the signal of the third level sensor 6 rear center.
Die Signalaufbereitung 11 errechnet die notwendigen Werte für den Ansteueralgorithmus 12 der Steuervorrichtung 10. Der Ansteueralgorithmus 12 bildet daraus entsprechend der jeweiligen Fahrsituation des Fahrzeugs bestimmte Ansteuersignale aus seinem Ausgang 24 für die Stelleinrichtungen Vorderräder und Hinterräder 2, 3, welche hier nicht weiter dargestellt sind.The signal processor 11 calculates the necessary values for the control algorithm 12 of the control device 10. The control algorithm 12 uses this to generate certain control signals from its output 24 for the front wheel and rear wheel control devices 2, 3, which are not shown here, in accordance with the respective driving situation of the vehicle.
In der Fig. 3 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen semi-aktiven Fahrwerksystem gezeigt. Die vereinfachte Darstellung des Fahrzeugaufbaus 1 und der weiteren Komponenten entspricht der Fig. 1 bis auf die durch einen gestrichelten Kreis markierte Stelle im hinteren Bereich des Fahrzeugaufbaus 1. An dieser Stelle ist der dritte Beschleunigungssensor 9 hinten rechts ausgelassen. Es verbleiben die vorderen Beschleunigungssensoren 7 vorne links und 8 vorne rechts und behalten ihren Installationsort bei. Die Niveausensoren 4, 5, 6 bleiben ebenfalls an ihren ursprünglichen Ort erhalten.3 shows a simplified schematic illustration of a vehicle with a semi-active chassis system according to the invention. The simplified representation of the vehicle body 1 and the other components corresponds to FIG. 1 except for the point marked by a dashed circle in the rear area of the vehicle body 1. At this point the third acceleration sensor 9 is omitted at the rear right. The front acceleration sensors 7 remain at the front left and 8 at the front right and retain their installation location. The level sensors 4, 5, 6 also remain in their original location.
Die Nutzung der Informationen der drei Niveausensoren 4, 5, 6 in Verbindung mit den zwei verbleibenden Beschleunigungssensoren 7, 8 ermöglicht den ersatzlosen Entfall des dritten Beschleunigungssensors 9 hinten rechts. Der Sensorverlust wird mittels einer Softwarekomponente in der Steuervorrichtung 10 kompensiert, wie Fig. 4 zeigt.The use of the information from the three level sensors 4, 5, 6 in conjunction with the two remaining acceleration sensors 7, 8 enables the third acceleration sensor 9 to be omitted without replacement at the rear right. The sensor loss is compensated for by means of a software component in the control device 10, as shown in FIG. 4.
In Fig. 4 ist das Blockschaltbild der Steuervorrichtung 10 ähnlich Fig. 2 dargestellt. Die Steuervorrichtung 10 weist die bereits vorhandene Einrichtung 12 zur Berechnung der An- Steuersignale auf. Innerhalb der ersten Einrichtung 11 zur Signalaufbereitung befindet sich eine zweite Einrichtung 13 Sensorfusionsalgorithmus, welche die Signale des entfallenen Beschleunigungssensors 9 kompensiert. Die Eingangssignale der Signalaufbereitung 11 bleiben bis auf das Signal des entfallenen Beschleunigungssensors 9 A_Z_HR bestehen.FIG. 4 shows the block diagram of the control device 10 similar to FIG. 2. The control device 10 has the already existing device 12 for calculating the Control signals. Within the first device 11 for signal processing there is a second device 13 sensor fusion algorithm which compensates for the signals of the omitted acceleration sensor 9. The input signals of the signal processing 11 remain except for the signal from the omitted acceleration sensor 9 A_Z_HR.
In der Fig. 5 ist eine detaillierte Darstellung des Blockschaltbildes der Fig. 4 dargestellt, welche insbesonders zur Berechnung der radbezogenen, vertikalen Aufbaugeschwindigkei- ten über den Rädern 26, 27 verwendet wird, welche wiederum Eingangsgrößen in den Ansteueralgorithmus 12 sind. Die Eingangssignale der Beschleunigungssensoren 7, 8 und der Niveausensoren 4, 5, 6, wie in Fig. 2 und Fig. 4 beschrieben, sind an die Signalaufbereitung 11 angeschlossen. Die Signalaufbereitung 11 gibt ihre Ausgangssignale an eine vierte Einrichtung 14 zur Berechnung von Feder- und Dämpferkräften weiter. Deren Ausgangssignale werden in einer fünften Einrichtung 15 zur Berechnung von Hub- und Nickbeschleunigungen weiterverarbeitet. Gleichzeitig werden die EingangsSignale A_Z__VL des Beschleunigungssensors 7 vorne links und A_Z_VR des Beschleunigungssensors 8 vorne rechts jeweils durch eine sechste Einrichtung 16 zur Berechnung von Wankbeschleunigung und eine siebte Einrichtung 17 zur Berechnung von Überlagerung von Hub- und Nickbeschleunigungen verwendet. Die jeweiligen Ausgangssignale der Einrichtungen 16 und 17 und die Ausgangssignale der Einrichtung 15 werden als EingangsSignale zusätzlich zu den aus der Einrichtung 15 stammendem Signalen für eine achte Einrichtung 18 zur Berechnung von modalen Geschwindigkeiten verwendet .FIG. 5 shows a detailed illustration of the block diagram of FIG. 4, which is used in particular for calculating the wheel-related, vertical assembly speeds above the wheels 26, 27, which in turn are input variables in the control algorithm 12. The input signals of the acceleration sensors 7, 8 and the level sensors 4, 5, 6, as described in FIGS. 2 and 4, are connected to the signal processing unit 11. The signal processor 11 passes on its output signals to a fourth device 14 for calculating spring and damper forces. Their output signals are processed in a fifth device 15 for calculating stroke and pitching accelerations. At the same time, the input signals A_Z__VL of the acceleration sensor 7 at the front left and A_Z_VR of the acceleration sensor 8 at the front right are used by a sixth device 16 for calculating roll acceleration and a seventh device 17 for calculating superimposition of stroke and pitching accelerations. The respective output signals of devices 16 and 17 and the output signals of device 15 are used as input signals in addition to the signals coming from device 15 for an eighth device 18 for calculating modal speeds.
Die Einrichtung 18 weist eine Integrationsstufe 19 und eine Gewichtungsstufe 20 auf. Die in Einrichtung 18 berechneten modalen Geschwindigkeiten werden als Signale V Z als Signal- hubgeschwindigkeit, VJKAPPA als Signalwankgeschwindigkeit und V_THETA als Signalnickgeschwindigkeit an eine neunte Einrichtung 21 zur Berechnung von radbezogenen Aufbaugeschwindigkei- ten weitergeleitet. Die Einrichtung 21 weist in ihrer Eingangsstufe eine zehnte Einrichtung 22 zur Signalnachbereitung auf. Die in der Einrichtung 21 erzeugten radbezogenen Aufbaugeschwindigkeiten werden als Eingangssignale für die bekannte und unveränderte Einrichtung 12 zur Berechnung der Ansteuersignale verwendet.The device 18 has an integration level 19 and a weighting level 20. The modal speeds calculated in device 18 are used as signals VZ as signal stroke speed, VJKAPPA as signal roll speed and V_THETA as signal pitch speed are forwarded to a ninth device 21 for calculating wheel-related body speeds. The device 21 has a tenth device 22 for signal postprocessing in its input stage. The wheel-related body speeds generated in the device 21 are used as input signals for the known and unchanged device 12 for calculating the control signals.
Es ist vorteilhaft, dass der Ausgang 24 der Ansteueralgorithmuserzeugung 12 über eine Rückkopplungsverbindung 23 mit einem Eingang der Einrichtung 14 zur Berechnung Federkräfte und Dämpferkräfte verbunden ist. Dieses ist die einzige Verbindung zwischen Ansteueralgorithmus 12 und der Softwarekomponente Sensorfusionsalgorithmus 13. Außer diesem sind die vorgenannten Funktionsteile vollständig entkoppelt, so dass sich ein Änderungsaufwand für die Steuergerätesoftware vorteilhaft minimal gestaltet.It is advantageous that the output 24 of the control algorithm generation 12 is connected via a feedback connection 23 to an input of the device 14 for calculating spring and damper forces. This is the only connection between the control algorithm 12 and the software component sensor fusion algorithm 13. In addition to this, the aforementioned functional parts are completely decoupled, so that the effort required to change the control unit software is advantageously minimal.
Die zweite Einrichtung 13 ist in der Figur 4 mit strichpunktierten Linien dargestellt.The second device 13 is shown in FIG. 4 with dash-dotted lines.
Das Funktionsprinzip des Sensorsfusionsalgorithmus wird nachstehend beispielhaft an Berechnungsvorgängen der einzelnen Einrichtungen gemäß Fig. 5 aufgezeigt. Die vertikalen Geschwindigkeitssignale des Fahrzeugaufbaus 1 über der Hinterachse werden aus vier in jedem Zeitschritt ausgewerteten Sensorgleichungen rekonstruiert. Davon basieren zwei auf den Beschleunigungssensoren 7, 8 des Fahrzeugaufbaus 1 und zwei auf einer Kraft- und Momentenbilanz. Es existieren somit zur Be- rechung von drei modalen Geschwindigkeiten (Vertikalhub, Wanken, Nicken) vier Gleichungen. Damit ist das lineare Gleichungssystem überbestimmt. Die Überbestimmtheit lässt sich in jedem Zeitschritt mittels der sogenannten „Weighted-Linear- Least-Squares-Methode" - also nach der Methode der gewichte- ten, kleinsten Fehlerquadrate - auflösen.The functional principle of the sensor fusion algorithm is shown below using the calculation processes of the individual devices as shown in FIG. 5. The vertical speed signals of the vehicle body 1 above the rear axle are reconstructed from four sensor equations evaluated in each time step. Two of these are based on the acceleration sensors 7, 8 of the vehicle body 1 and two on a force and torque balance. There are therefore four equations for calculating three modal speeds (vertical stroke, roll, pitch). The linear system of equations is thus over-determined. The over-determination can be in resolve each time step using the so-called "Weighted Linear Least Squares Method" - that is, using the weighted, smallest error squares method.
In Einrichtung 15 erfolgt die Berechung von Hub- und Nickbeschleunigungen auf einer Kraft- und Momentenbilanzenbasis . Einrichtung 15 ermittelt auf der Basis von vier Federbeinkräften des Fahrzeugs und einer fix hinterlegten Fahrzeugmas- se bzw. Nickträgheit die Hub- und Nickbeschleunigung.In device 15, the stroke and pitching accelerations are calculated on a force and moment balance basis. Device 15 determines the stroke and pitch acceleration on the basis of four strut forces of the vehicle and a fixed vehicle mass or pitch inertia.
Neben den zwei Gleichungen für Hub- und Nickbeschleunigungen (siehe Einrichtung 15) ermittelt die Einrichtung 16 eine weitere Gleichung zur Bestimmung der modalen Beschleunigungen des Fahrzeugaufbaus 1. Auf Basis der Signale A_Z_JVL des Beschleunigungssensors 7 vorne links und des Signals A_Z_VR des Beschleunigungssensors 8 vorne rechts wird mit deren Differenz die Wankbeschleunigung des Fahrzeugs mittels des Ab- stands der beiden im Fahrzeug verbleibenden Beschleunigungs- sensoren 7, 8 berechnet. Somit steht diese komfortrelevante Größe trotz des Wegfalls des dritten Beschleunigungssensors 9 hinten rechts weiterhin für die Auswertungen für den Ansteueralgorithmus 12 als Messsignal direkt zur Verfügung.In addition to the two equations for lifting and pitching accelerations (see device 15), the device 16 determines a further equation for determining the modal accelerations of the vehicle body 1. Based on the signals A_Z_JVL from the acceleration sensor 7 at the front left and the signal A_Z_VR from the acceleration sensor 8 at the front right with the difference of which the roll acceleration of the vehicle is calculated by means of the distance between the two acceleration sensors 7, 8 remaining in the vehicle. Thus, despite the omission of the third acceleration sensor 9, this comfort-relevant variable continues to be directly available as a measurement signal for the control algorithm 12 at the rear right.
Weiterhin werden die beiden Signale A_Z_VL des Beschleuni- gungssensors 7 vorne links und A_Z_VR des Beschleunigungssensors 8 vorne rechts zur Berechnung in Einrichtung 17 für eine Größe verwendet, die die Überlagerung von Hub- und Nickbeschleunigungen des Fahrzeugaufbaus 1 über der Vorderachse 25 beschreibt. Somit existiert eine weitere Gleichung für die nachfolgende Ermittlung der drei Beschleunigungen in den Freiheitsgraden des Fahrzeugaufbaus 1.Furthermore, the two signals A_Z_VL of the acceleration sensor 7 at the front left and A_Z_VR of the acceleration sensor 8 at the front right are used for the calculation in device 17 for a variable which describes the superimposition of lifting and pitching accelerations of the vehicle body 1 over the front axle 25. There is therefore another equation for the subsequent determination of the three accelerations in the degrees of freedom of the vehicle body 1.
Im Folgenden werden beispielhafte Berechnungsvorgänge für die oben genannten vier Gleichungen angegeben. Die vier Gleichungen werden zunächst zusammenfassend in Matrixdarstellung angegeben:Exemplary calculation procedures for the above four equations are given below. The four equations are first summarized in a matrix:
-*Vi?,/>r ) - * Vi?, /> R)
A X = BA X = B
Hierbei bedeuten die Variablen: z Hubbeschleunigung k Wankbeschleunigung θ Nickbeschleunigung az,vi Aufbaubeschleunigung vorne links az,vr Aufbaubeschleunigung vorne rechts FFB.VI FpB. r PpB,hi# FFB,hr Federbeinkräfte vorne links/rechts, hinten links/rechts m Gesamtmasse des FahrzeugsThe variables mean: z stroke acceleration k roll acceleration θ pitch acceleration a z , vi body acceleration front left a z , vr body acceleration front right FFB.VI FpB. r PpB, hi # F FB , hr strut forces front left / right, rear left / right m total mass of the vehicle
I0 Nickträgheitsmoment des Fahrzeugs s Abstand Aufbaubeschleunigungssensoren (y- Richtung) lv Abstand Fahrzeugschwerpunkt zu Federbeinanlenk- punkten VA (x-Richtung) lh Abstand Fahrzeugschwerpunkt zu Federbeinanlenk- punkten HA (x-Richtung)I 0 moment of inertia of the vehicle s distance of body acceleration sensors (y direction) l v distance of vehicle center of gravity to strut linkage points VA (x direction) l h distance of vehicle center of gravity to strut linkage points HA (x direction)
In der Gewichtungsstufe 20 wird die so genannte Weighted- Linear-Least-Squares-Methode verwendet, um das überbestimmte lineare GleichungsSystem im Sinne der Güte der genutzten Signale zu jedem Zeitschritt bestmöglich zu lösen. Mit einer Gewichtungsmatrix W ergibt sich für die modalen Beschleunigungen x folgende Gleichung:In the weighting stage 20, the so-called weighted linear least squares method is used in order to best solve the overdetermined linear system of equations in terms of the quality of the signals used at each time step. With a weighting matrix W, the following equation results for the modal accelerations x:
x(t) = (AT W A) -1 Aτ W b(t) mitx (t) = (A T WA) -1 A τ W b (t) with
* 0 0 0 0* 0 0 0 0
W = w, 0 0 ,wobei die Wi die Gewichtungen für die 0 0 w2 0 0 0 0 w,W = w, 0 0, where the Wi is the weightings for the 0 0 w 2 0 0 0 0 w,
Hub- und Nickbeschleunigungen sind.Lift and pitch accelerations are.
In der Integrationsstufe 19 erfolgt eine sogenannte PseudoIntegration nach der Gleichung:In integration stage 19, a so-called pseudo-integration takes place according to the equation:
Um von den modalen Beschleunigungssignalen auf modale Geschwindigkeiten umzurechnen ist eine Pseudo-Integration (Pl) notwendig. Diese filtert hochfrequente wie auch Gleichanteile aus den Beschleunigungssignalen heraus und realisiert aufgrund geschickter Verstärkungs-Phase-Zusammenhänge eine Integration im Aufbaueigenfrequenzbereich.In order to convert from the modal acceleration signals to modal speeds, a pseudo integration (Pl) is necessary. This filters out high-frequency as well as DC components from the acceleration signals and realizes an integration in the body's natural frequency range due to clever amplification-phase relationships.
Im Anschluss an die Berechnung der Hub-, Wank- und Nickgeschwindigkeiten werden diese mittels der geometrischen Verhältnisse in vertikalen Aufbaugeschwindigkeiten über den einzelnen Rädern umgerechnet. Es gilt folgende Gleichung für die radbezogenen, vertikalen Aufbaugeschwindigkeiten v_vl, v_vr, v_hl, v_hr (vl= vorne links, vr = vorne rechts, hl = hinten links, hr = hinten rechts) : Following the calculation of the lifting, rolling and pitching speeds, these are converted into vertical body speeds above the individual wheels using the geometric relationships. The following equation applies to the wheel-related, vertical body speeds v_vl, v_vr, v_hl, v_hr (vl = front left, vr = front right, hl = rear left, hr = rear right):
Die Einrichtung 12 Ansteueralgorithmuserzeugung erhält die radbezogenen, vertikalen Aufbaugeschwindigkeiten als Eingangssignale von Einrichtung 13 mit Sensorfusionsalgorithmus. Somit kommt zum bisherigen Serienstand nur eine Vorschaltung des Sensorfusionsalgorithmus hinzu. Lediglich eine Information über die Ansteuerung der Stelleinrichtungen Vorderräder und Hinterräder 2, 3 über beispielsweise Ventile wird in Form der Rückkopplungsverbindung 23 für die Dämpferkraftberechnung im Block 14 Berechnung von Feder- und Dämpferkräften benötigt.The device 12 control algorithm generation receives the wheel-related, vertical assembly speeds as input signals from device 13 with sensor fusion algorithm. This means that only the sensor fusion algorithm has been added to the previous series version. Only information about the actuation of the actuating devices front wheels and rear wheels 2, 3 via, for example, valves is required in the form of the feedback connection 23 for the damper force calculation in block 14 calculation of spring and damper forces.
Versuchsergebnisse haben bereits gezeigt, dass das semi- aktive Fahrwerksystem mit nur einem ersten und zweiten Beschleunigungssensor 7 und 8 identischen Fahrkomfort ermöglicht wie mit einem Fahrwerkssystem des Standes der Technik mit einem dritten Beschleunigungssensor 9. Durch den ersatzlosen Entfall des dritten Beschleunigungssensors 9 hinten rechts auf dem Fahrzeugaufbau 1 entfällt ebenfalls vorteilhafterweise die Verkabelung von diesem Beschleunigungssensor 9 zum Steuergerät sowie die Steuergerätearibindung/- verarbeitung der entfallenden Sensorinformationen. Die Umsetzung des Sensorfusionsalgorithmus 13 erfolgt in der vorhandenen Steuervorrichtung 10 im Bereich der Software.Test results have already shown that the semi-active chassis system with only a first and second acceleration sensor 7 and 8 enables identical driving comfort as with a chassis system of the prior art with a third acceleration sensor 9. Due to the replacement of the third acceleration sensor 9 on the rear right without replacement Vehicle body 1 also advantageously dispenses with the wiring from this acceleration sensor 9 to the control unit and the control unit connection / processing of the sensor information which is omitted. The sensor fusion algorithm 13 is implemented in the existing control device 10 in the software area.
Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. So ist es zum Beispiel denkbar, dass die Erfindung nicht nur bei einem Fahrwerksystem mit Luf feder, sondern auch bei FahrwerksSystemen mit anderen Komponenten verwendet werden kann, beispielsweise in aktiven Fahrwerken. Ebenfalls ist es denkbar, dass die verbleibenden Beschleunigungssensoren 7, 8 an unterschiedlichen Installationsorten am Fahrzeugaufbau 1 auf- oder angebracht werden.Although the present invention has been described above on the basis of a preferred exemplary embodiment, it is not restricted to this but can be modified in a variety of ways. For example, it is conceivable that the invention can be used not only in a chassis system with an air spring, but also in chassis systems with other components, for example in active chassis. It is also conceivable that the remaining acceleration sensors 7, 8 are installed or attached to the vehicle body 1 at different installation locations.
Weiterhin ist es möglich, die zweite Einrichtung mit einem Kaiman-Filter-Entwurf zu realisieren. It is also possible to implement the second device with a Cayman filter design.
Claims
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