Motor vehicle e.g. passenger car, driving dynamics controlling device, has actuator that is controlled according to result of comparison between measured yaw rate and stationary desired yaw rate, from control module

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Fahrdynamik eines Fahrzeuges.

Moderne Kraftfahrzeuge werden heute mit fahrdynamischen Systemen ausgestattet, die die Fahrdynamik von Personenkraftwagen und insbesondere das Fahrverhalten in fahrdynamischen Grenzsituationen verbessern. Diese Systeme sollen das Fahrzeug in Notsituationen stabilisieren und somit Unfälle vermeiden helfen. Im Speziellen seien hier das Elektronische Stabilitäts-Programm (ESP), die Überlagerungslenkung (AFS) und die elektrische Servolenkung (Electric Power Steering – EPS) erwähnt. In Zukunft werden noch weitere Regelsysteme, wie z. B. die aktive Hinterachslenkung (Active Rear Wheel Steering – ARWS) und das Torque-Vectoring (TV), für diesen Zweck eingesetzt werden. Ziel dieser Systeme ist dabei nicht mehr alleine die Stabilität des Fahrzeuges in allen Fahrsituationen zu gewährleisten, sondern auch den Fahrspaß und den Komfort des Fahrers zu steigern.

Ein aus dem Stand der Technik bekannter Parameter zur Steuerung der Fahrdynamik des Fahrzeuges ist die Gierrate. In Gierratenregelungssystemen wird der Fahrerwunsch, der grundsätzlich durch den Lenkwinkel und die Geschwindigkeit des Fahrzeuges gegeben ist, in eine Sollgierrate umgesetzt. Diese wird mit der, über einen geeigneten Gierratensensor, am Fahrzeug gemessenen Gierrate verglichen. Entsprechend dem Ergebnis dieses Vergleiches wird nachfolgend über ein Fahrdynamikregelsystem, beispielsweise über ein Bremssystem, die Fahrdynamik des Fahrzeuges derart beeinflusst, dass die Gierrate des Fahrzeuges der Sollvorgabe (Sollgierrate) bestmöglich folgen kann.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Methoden zur Gierratenregelung bekannt.

In der DE102004006944DE 10 2004 006 944 A1A1 wird dazu ein modellbasiertes Regelungsverfahren und eine entsprechende Regelungsvorrichtung zur Fahrdynamikregelung eines mehrspurigen Fahrzeuges gelehrt.

Aus der DE102005046612DE 10 2005 046 612 A1A1 ist ein Verfahren zur Realisierung von Fahrdynamikfunktionen unter Verwendung eines echtzeitfähigen Reifenmodells bekannt.

In der DE19515059DE 195 15 059 A1A1 ist ein Fahrstabilitätsregler mit reibwertabhängiger Begrenzung der Referenzgierrate geoffenbart.

Schließlich ist aus der EP1745953EP 1 745 953 A1A1 ein Fahrdynamik-Regelsystem bekannt.

Aus der DE19617590DE196 17 590 A1A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrzeug-Sollverhaltens auf Basis linearer Zusammenhänge bekannt, wobei eine Sollgierrate durch Reduktion der vorderen Schräglaufsteifigkeiten bestimmt wird.

Aus der US6547343US 6,547,343 B1B1 ist ein Bremsensteuerungssystem bekannt, dabei wird ein vereinfachtes Verfahren zur Berechung des Schwimmwinkels eingesetzt.

Aus der EP0775617EP 0 775 617 B1B1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung von geschätzten Bewegungszustandsgrössen eines Fahrzeuges mit einem Fahrzustandsbeobachter bekannt.

Schließlich ist aus der US6161905US 6,161,905 ein einfaches Steuer- bzw. Regelsystem auf Basis von Schätzungen für Istgrößen und aus der US7184868US 7,184 868 B2B2 ein Fahrzustandsbeobachter bekannt.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen erweisen sich in der Praxis besonders bei höheren Querbeschleunigungen, vorzugsweise ab ca. 4 m/s², als unzureichend und führen in manchen Situationen zu einem für den Fahrer unkomfortablen Regelungseingriff.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine entsprechende Vorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren zu entwickeln, dass sich durch hohe Effizienz bei gleichzeitig geringen Kosten und optimierter Rechenlaufzeit sowie durch möglichst realistische Vorgaben für die zu berechnende Sollgierrate auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie das Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.

Definitionsgemäß entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste von dem zweiten Berechnungsmodell auch dann verschieden, wenn das erste und das zweite Berechnungsmodell jeweils eine Funktion mit konstanter Steigung aufweisen, die beiden Steigungen jedoch betragsmäßig verschieden sind.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Steigung einer Funktion mit konstanter Steigung größer 0.

Nach einer besonderen Ausführungsform wird die Fahrzeuggeschwindigkeit aufgrund der Raddrehzahl bestimmt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine harmonischere Regelung der Fahrdynamik möglich.

Trotzdem die Erfindung nach einer besonderen Ausführungsform mit zwei Berechnungsmodellen und entsprechenden Funktionen geoffenbart ist, ist die Verwendung von mehr als zwei Berechnungsmodellen zur Modellierung des Reifenmodells durch die vorliegende Erfindung mit umfasst. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist das Reifenmodellierungsmodul beispielsweise 3 Untermodule mit 3 verschiedenen Berechnungsmodellen und entsprechenden unterschiedlichen Funktionen auf. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Reifenkennlinie (Verlauf der Seitenkraft in Abhängigkeit des Schräglaufwinkels) abschnittsweise durch verschiedene Funktionen mit, vorzugsweise unterschiedlichen, konstanten Steigungen angenähert werden.

Nach einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in dem ersten oder dem zweiten Berechnungsmodell die Seitenkraft als eine erste Funktion des Schräglaufwinkels vorgesehen, wobei die erste Funktion eine konstante Steigung aufweist. Nach einer weiteren möglichen Ausführungsform ist in beiden Berechnungsmodellen die Seitenkraft als Funktion des Schräglaufwinkels vorgesehen, wobei beide Funktionen konstante, aber, insbesondere betragsmäßig, unterschiedliche, Steigungen aufweisen.

Nach einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das erste Berechnungsmodell eine zweite Funktion mit nicht-linearem, insbesondere nicht-linearem degressiven, Verhalten und das zweite Berechnungsmodell die erste Funktion auf. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellen die erste und die zweite Funktion dabei die stationären Seitenkräfte in Abhängigkeit des Schräglaufwinkels dar.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird definitionsgemäß unter einer nicht-linearen Funktion eine Funktion mit nicht-konstanter Steigung, beispielsweise eine polynomische Funktion, verstanden.

Nach einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Lösungsmodul eine Logik zur iterativen numerischen Lösung des Sollgierratenmodells durch ein numerisches Lösungsverfahren, bevorzugt durch ein Nullstellenverfahren, besonders bevorzugt nach dem Bisektionsverfahren, auf, wobei die Logik des Lösungsmoduls eine Berechnungsschleife aufweist und das Reifenmodellierungsmodul in die Berechnungsschleife so eingebunden ist, dass die Berechnungsschleife solange, bevorzugt mehr als einmal, besonders bevorzugt zumindest zwanzigmal, durchlaufen werden kann, bis die Sollgierrate des Fahrzeuges in einer gewünschten Genauigkeit bestimmt ist.

Nach einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein der Einrichtung zur Sollgierratenberechnung vorgeschaltetes Vorgabemodul vorgesehen, über welches eine, insbesondere lineare, Abschätzung von am Fahrzeug auftretenden stationären Seitenkräften anhand eines, insbesondere linearen, Reifenmodells durchführbar ist, wobei über diese Abschätzung geeignete Startwerte für das numerische Lösungsverfahren, insbesondere Nullstellenverfahren, bestimmbar sind. Unter einer linearen Abschätzung der Seitenkräfte wird nach einer Ausführungsform definitionsgemäß eine Abschätzung der am Fahrzeug auftretenden Seitenkräfte mittels eines linearen Modells, vorzugsweise mittels eines linearen Einspurmodells, besonders bevorzugt nach der Ackermann-Gleichung, verstanden.

Nach einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Sensor zur Bestimmung des Lenkwinkels einen Sensor zur Bestimmung des Radeinschlages zumindest eines der vorderen Räder des Fahrzeuges sowie einen Sensor zur Bestimmung des Radeinschlages zumindest eines der hinteren Räder des Fahrzeuges auf.

Nach einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Schräglaufwinkelbestimmungsmodul in die Berechnungsschleife des Lösungsmoduls eingebunden.

Nach einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Schräglaufwinkelbestimmungsmodul ein erstes Schräglaufwinkeluntermodul zur Bestimmung des Schräglaufwinkels zumindest eines der vorderen Räder des Fahrzeuges sowie ein zweites Schräglaufwinkeluntermodul zur Bestimmung des Schräglaufwinkels zumindest eines der hinteren Räder des Fahrzeuges auf.

Nach einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Einrichtung zur Sollgierratenberechnung ein Aufstandskraftmodul zur Bestimmung der Aufstandskräfte des Fahrzeuges auf. Nach einer besonderen Ausführungsform ist dabei das Aufstandskraftmodul in die Berechnungsschleife des Lösungsmoduls eingebunden.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung durch ein Verfahren nach Anspruch 8 gekennzeichnet.

Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist entweder in dem ersten oder zweiten Berechnungsmodell die Seitenkraft als eine erste Funktion des Schräglaufwinkels formuliert, wobei die erste Funktion eine konstante Steigung aufweist. Nach einer weiteren möglichen Ausführungsform ist in beiden Berechnungsmodellen die Seitenkraft als Funktion des Schräglaufwinkels vorgesehen, wobei beide Funktionen konstante, aber unterschiedliche, Steigungen aufweisen.

Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das erste Berechnungsmodell eine zweite Funktion mit nicht-linearem Verhalten auf und weist das zweite Berechnungsmodell die erste Funktion auf.

Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Lösungsmodul eine Logik zur iterativen numerischen Lösung des Sollgierratenmodells durch ein numerisches Lösungsverfahren, vorzugsweise durch ein Nullstellenverfahren, besonders bevorzugt nach dem Bisektionsverfahren, auf. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind der zweite und dritte Verfahrensschritt in der Logik des Lösungsmoduls in eine Berechnungsschleife eingebunden, wobei der zweite und dritte Verfahrensschritt in der Berechnungsschleife durch Anwendung des numerischen Lösungsverfahrens solange, bevorzugt mehr als einmal, besonders bevorzugt zumindest zwanzigmal, abgearbeitet werden, bis die Sollgierrate des Fahrzeuges in einer gewünschten Genauigkeit bestimmt ist.

Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mathematisch formulierte Sollgierratenmodell als Funktion der Seitenkraft nach dem Intervallhalbierungsverfahren durch Nullstellensuche gelöst.

Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein der Einrichtung zur Sollgierratenberechnung vorgeschaltetes Vorgabemodul vorgesehen, über welches eine Abschätzung der am Fahrzeug auftretenden stationären Seitenkräfte, anhand eines, insbesondere linearen, Reifenmodells durchgeführt wird, wobei über diese Abschätzung geeignete Startwerte für das numerische Lösungsverfahren bestimmt werden.

Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Einrichtung zur Sollgierratenberechnung ein Aufstandskraftmodul auf, wobei über das Aufstandskraftmodul die Aufstandskräfte des Fahrzeuges bestimmt werden und das Aufstandskraftmodul in die Berechnungsschleife eingebunden und abgearbeitet wird.

Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Schräglaufwinkelbestimmungsmodul ein erstes Schräglaufwinkeluntermodul zur Bestimmung des Schräglaufwinkels der vorderen Räder des Fahrzeuges sowie ein zweites Schräglaufwinkeluntermodul zur Bestimmung des Schräglaufwinkels der hinteren Räder des Fahrzeuges auf.

Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Sensor zur Bestimmung des Lenkwinkels einen Sensor zur Bestimmung des Radeinschlages zumindest eines der vorderen Räder des Fahrzeuges und/oder einen Sensor zur Bestimmung des Radeinschlages zumindest eines der hinteren Räder des Fahrzeuges auf.

Die Erfindung ist ferner durch ein Verfahren nach Anspruch 14 gekennzeichnet.

Nach einer besonderen Ausführungsform des Verfahren zur Generierung eines Kennfeldes zur Sollgierratenregelung eines Fahrzeuges werden ein erster Parameterbereich für den Lenkwinkel und ein zweiter Parameterbereich für die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt, und über das erste und das zweite Vorgabemodul in den beiden Parameterbereichen zugehörige stationäre Sollgierraten rechnerisch bestimmt und in dem Kennfeld abgelegt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform durch mehrere schematische Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ablaufschemas einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Fahrdynamik eines Fahrzeuges hinsichtlich der Bestimmung einer Sollgierrate

2(a) ein schematisches Diagramm zur Darstellung der Seitenkraft Fy als Funktion des Schräglaufwinkels α

2(b) der Zusammenhang zwischen f(Fy) und Fy zur Bestimmung der Sollgierrate aus einem Sollgierratenmodell

3 eine schematische Darstellung eines Ablaufschemas einer Fahrzeugdynamikregelung auf Basis der Sollgierrate

4 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit einem Subsystem zur Regelung/Steuerung der Fahrdynamik eines Fahrzeuges

5 eine schematische Darstellung der Modularität der dargestellten Ausführungsform Bei einer Sollwertregelung der Fahrzeugdynamik werden bei der Berechnung einer Sollwertvorgabe, im vorliegenden Fall einer Sollgierrate, entsprechend der dargestellten bevorzugten Ausführungsform, stationäre Verhältnisse dargestellt. Dabei werden nach einer bevorzugten Ausführungsform beispielsweise keine Einschwingvorgänge in der Berechnung berücksichtigt.

Die im Folgenden beschriebenen Module bilden die Funktionalität sowie zumindest teilweise Funktionen eines Berechnungsverfahrens bzw. eines entsprechenden Prozesses zur Sollwertregelung ab. Demnach können beispielsweise mehrere Module baulich getrennt oder kombiniert in einem oder mehreren Steuergeräten untergebracht werden.

Wie aus 1 in Verbindung mit 5 ersichtlich, werden ausgehend von einem Startprozessschritt 1 in einem zweiten Prozessschritt 2, durch ein entsprechendes Beobachtungsmodul 26 die fahrdynamischen Zustands- und Eingangsgrößen des Fahrzeuges gemessen bzw. aufgenommen. Auf Basis der gemessenen Größen, beispielsweise der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder des vorderen und gegebenenfalls hinteren Lenkwinkels, wird die sich am Fahrzeug stationär einstellende Seitenkraft Fy durch ein Vorgabemodul 26a in einem Schritt 3 abgeschätzt. Eine solche Abschätzung kann beispielsweise auf Basis der, aus der Literatur bekannten, Ackermann-Gleichung oder nach einem anderen, insbesondere aus einem linearen Einspurmodell abgeleiteten, vereinfachten Modell erfolgen. Nach einer weiteren Ausführungsform könnte diese Abschätzung auch mit einer anderen Berechnungsvorschrift, beispielsweise unter Berücksichtigung einer festgelegten oberen und unteren Schranke und/oder auch durch Einbeziehung des Reibwertes, erfolgen.

Nach der Abschätzung der Seitenkräfte in Schritt 3, werden in einem Schritt 4 in dem Vorgabemodul 26a aus der geschätzten Seitenkraft mittels geeigneter Berechnungsvorschriften geeignete Seitenkraft-Startwerte (obere und untere Seitenkraftschranke) für die nun folgenden Berechnungsschritte, insbesondere für den folgenden numerischen Algorithmus zur Bestimmung der Sollgierrate gewählt. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Abschätzung der oberen und unteren Schranke auf Basis des, aus einem linearen Modell, insbesondere in Prozessschritt 3, berechneten, Schätzwertes durch Multiplikation mit zwei vorbestimmten Koeffizienten, d. h. jeweils einem Koeffizienten für die untere Schranke sowie jeweils einem Koeffizienten für die obere Schranke, erfolgen. Wurden bereits in Prozessschritt 3 geeignete Schranken bestimmt kann Prozessschritt 4 ersatzlos entfallen.

In einem Schritt 5 werden mittels eines Aufstandskraftmoduls 28 die sich an den Rädern stationär einstellenden Aufstandskräfte des Fahrzeuges berechnet. Die Aufstandskraft hat einen wesentlichen Einfluss auf die am Fahrzeug wirkende Seitenkraft und damit auf die zu bestimmende Sollgierrate.

In einem Schritt 6 werden durch das Schräglaufwinkelbestimmungsmodul 29 die am Fahrzeug, vorzugsweise an der Vorderachse und gegebenenfalls an der Hinterachse, auftretenden Schräglaufwinkel der Reifen am Fahrzeug bestimmt. Entsprechende Berechnungsvorschriften, beispielsweise auf Basis von inversen Reifenmodellen bzw. auf Basis von fahrdynamischen Zusammenhängen, sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt, und werden an dieser Stelle deshalb nicht näher erläutert.

In Schritt 7 werden auf Basis eines mathematisch formulierten Reifenmodells in einem Reifenmodellierungsmodul 30 die Gleichungen zur Bestimmung der Seitenkräfte, vorzugsweise für jedes Rad des Fahrzeuges angesetzt. Das nach einer möglichen Ausführungsform der Erfindung verwendete Reifenmodell weist in einem ersten Bereich, der durch kleine Schräglaufwinkel bis zu einem, in Abhängigkeit der Aufstandskraft und/oder gegebenenfalls einem Reibwert, vordefinierten Grenzschräglaufwinkel bestimmt ist, eine mathematische Funktion mit nichtlinearem Verhalten (erstes Untermodul), sowie in einem zweiten Bereich, welcher höheren Schräglaufwinkeln als dem vordefinierten Grenzschräglaufwinkel entspricht, eine mathematische Funktion mit einer konstanten Steigung (zweites Untermodul) auf. Dementsprechend werden dem Reifenmodell zwei getrennte Funktionsgleichungen, im Sinne einer zusammengesetzten Funktion, zugeordnet. Eine erste Funktionsgleichung bzw. Teilfunktion entspricht dabei dem ersten Untermodul, eine zweite Funktionsgleichung bzw. Teilfunktion entspricht dem zweiten Untermodul. Nach einer besonderen Ausführungsform werden die berechneten Seitenkräfte der Räder des Fahrzeuges zu einer vorzugsweise im Schwerpunkt des Fahrzeuges angreifenden (Gesamt-)Seitenkraft des Fahrzeuges addiert. Aus dem Reifenmodell wird in weiterer Folge das Sollgierratenmodell formuliert. Das Sollgierratenmodell weist nach einer Ausführungsform eine implizite Gleichung auf, die analytisch nicht lösbar ist. Zur Lösung des Sollgierratenmodells wird nach einer Ausführungsform der Erfindung ein numerisches Lösungsverfahren vorgeschlagen. Dazu wird die Funktionsgleichung des Sollgierratenmodells vorzugsweise so umgeformt, dass sich die Lösungssuche auf eine Nullstellensuche der Funktion in Abhängigkeit der Seitenkraft reduziert. Diese Nullstellensuche, die in Schritt 8 in dem Lösungsmodul 31 durchgeführt wird, wird iterativ nach dem Bisektionsverfahren (Intervallhalbierungsverfahren) durchgeführt. Bei diesem, dem Fachmann aus der Fachliteratur zu numerischen Algorithmen bekannten, Verfahren erfolgt eine Eingrenzung der Nullstelle durch fortwährende Halbierung des Intervalls in welchem die Nullstelle vermutet wird. Durch Vorzeichenvergleich wird bestimmt, welche Hälfte des geteilten Intervalls für die weitere numerische Annäherung an die zu bestimmende Nullstelle weiter verfolgt werden soll. Somit kann die Nullstelle rasch eingegrenzt und mit einer von der Anzahl der Iterationsschritte abhängigen Genauigkeit bestimmt werden. Nach einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung können auch andere numerische Nullstellenverfahren, wie beispielsweise das so genannte Newton-Raphson-Verfahren zur numerischen Nullstellensuche verwendet werden. In Versuchen wurde jedoch beobachtet, dass die Nullstelle des Sollgierratenmodells über das Intervallhalbierungsverfahren schneller und sicherer berechnet werden kann, als beispielsweise über das Newton-Raphson Verfahren.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann im Bereich sehr kleiner Fahrzeuggeschwindigkeiten, beispielsweise unterhalb von 0,1 m/s, insbesondere über den gesamten nutzbaren Schräglaufwinkelbereich ein vereinfachter, insbesondere linearer, Ansatz für das Reifenmodell und somit für das Sollgierratenmodell verwendet werden. Ein solcher linearer Ansatz könnte beispielsweise auf der aus der Literatur bekannten Abschätzung nach Ackermann basieren.

Nach weiteren Ausführungsformen kann das Reifenmodell in eine beliebige Anzahl von Untermodulen mit entsprechenden getrennten Funktionsgleichungen aufgegliedert werden, wodurch sich die Rechenzeit womöglich weiter verringern lässt.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen sowohl das erste als auch das zweite Untermodul Funktionen mit konstanter Steigung auf. Nach einer besonderen Ausführungsform wird der Bereich vor Erreichen des vordefinierten Grenzschräglaufwinkels durch mehrere Funktionen mit konstanter Steigung angenähert.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird definitionsgemäß der aus der Literatur bekannte Grenzschräglaufwinkel bzw. kritische Schräglaufwinkel bzw. der Schräglaufwinkel bei maximaler Seitenkraft als vorbestimmter Schräglaufwinkel, wie er Gegenstand der Ansprüche ist, bezeichnet.

Als nichtlineares Reifenmodell findet nach einer beispielhaften Ausführungsform entweder das aus der Literatur bekannte Pacejka-Modell oder alternativ das TM-Easy Modell Verwendung. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung dieser beiden Modelle beschränkt und eignet sich auch zur Anwendung für viele andere Modelle. Die aus der Literatur bekannten nicht-linearen Gleichungen nach Pacejka und TM-Easy werden dabei nur in jenem Teilbereich Verwendung finden, in welchem sie einen streng monotonen Verlauf zeigen, also insbesondere bis zum Erreichen des Grenzschräglaufwinkel. Wird im Sinne einer zusammengesetzten Funktion die nichtlineare Gleichung aus dem ersten Untermodul durch eine Funktion mit konstanter Steigung aus dem, an das erste Modul anschließenden, zweiten Modul kombiniert, kann über den gesamten relevanten Verlauf der Seitenkraft in Abhängigkeit des Schräglaufwinkel ein streng monotones Verhalten der zusammengesetzten Modellgleichung und somit eine eindeutige Lösung des Sollgierratenmodells erreicht werden.

Die nach einer Ausführungsform der Erfindung in Prozessschritt 7 angewandte adaptierte Reifenfunktion zur Bestimmung der Seitenkraft Fy als Funktion des Schräglaufwinkels α weist in einem ersten Teilbereich (erstes Untermodul) eine nicht-lineare, auf dem TM-Easy Modell basierende, erste Funktion, entsprechend Gleichung (1), sowie in einem zweiten Teilbereich (zweites Untermodul) eine durch eine konstanten Steigung charakterisierte zweite Funktion, entsprechend Gleichung (2), auf, und kann, wie folgt, mathematisch formuliert werden:

α

Schräglaufwinkel

α_m

Schräglaufwinkel bei maximaler Seitenkraft (Umschaltkriterium), vorzugsweise abhängig von der Radaufstandskraft und/oder einem Reibwert

K₀

Anfangssteigung des Reifenmodells

Fy

Seitenkraft

Fy_m

maximale Seitenkraft, vorzugsweise in Abhängigkeit der Radaufstandskraft und gegebenenfalls des Reibwertes

C

Konstante

K_Korr

Korrekturwert

Es gilt weiters Fy(α) = –Fy(–α) für α < 0. Somit ist für negative Schräglaufwinkel die berechnete Seitenkraft mit einem negativen Vorzeichen versehen.

Das verwendete Reifenmodell ist in 2(a) in einem Diagramm vereinfacht dargestellt. Dabei ist die Seitenkraft Fy als Funktion des Schräglaufwinkels α dargestellt. Wie aus 2(a) ersichtlich, wird das Reifenmodell in einem Bereich niedriger Schräglaufwinkel durch die erste Funktion (1) in dem ersten Untermodul, und in einem Bereich höherer Schräglaufwinkel durch die zweite Funktion (2) in dem zweiten Untermodul, angenähert. Als Umschaltpunkt zwischen den beiden Funktionen (1) und (2) ist der vordefinierte maximale Schräglaufwinkel α_m, der dem vordefinierten oder vorbestimmten (Grenz-)Schräglaufwinkel entspricht, festgelegt.

Fügt man die aus der Literatur bekannten Gleichungen zusammen, so erhält man die folgende implizite Funktion für die Berechnung der Sollgierrate : ψ.Soll = f(νF, δV, δH, ψ.Soll)(3)

ψ._Soll

Sollgierrate

ν_F

Fahrzeuggeschwindigkeit

δ_V

Radeinschlag der Vorderräder

δ_H

Radeinschlag der Hinterräder

Diese Formel ist analytisch nicht lösbar. Durch Umformen, wie aus der Literatur bekannt, kann sie auf die Berechnung der Seitenkräfte zurückgeführt werden: Fy = f(ν_F, δ_V, δ_H, Fy) (4)

Die Berechnung der Seitenkräfte kann weiter auf ein Nullstellenproblem vereinfacht werden: f(Fy) = F_y – f(ν_F, δ_V, δ_H, Fy) = 0 (5)

Die Lösung bzw. Auswertung dieser Gleichung bzw. Funktion, die als Sollgierratenmodell durch das Lösungsmodul 31 gelöst wird, und in 2(b) schematisch dargestellt ist, ist Gegenstand des Prozessschrittes 8. Wie ersichtlich, vereinfacht sich die Lösung dieser Gleichung zur Nullstellensuche. Durch fortwährende Iteration nach dem Intervallhalbierungsverfahren (Bisektionsverfahren) kann die unbekannte stationäre Seitenkraft Fy bestimmt werden. Im Allgemeinen reichen 20 Iterationen aus, um die Seitenkraft ausreichend genau zu bestimmen. Ein entsprechender Entscheidungsprozessschritt ist als Teil des Lösungsmoduls in Prozessschritt 9 vorgesehen. Dabei wird beispielsweise über eine Genauigkeitsschranke entschieden, ob die Iteration weitergeführt oder abgebrochen werden soll.

Wie in 1 ersichtlich, sind die Prozessschritte 5–9 in eine Berechnungsschleife 12 des Nullstellenalgorithmus 11 der Logik des Lösungsmoduls 31, die im Wesentlichen den Nullstellen-Algorithmus, also insbesondere das Bisektionsverfahren, abbildet, eingebunden. Ist nach einem Durchlauf durch diese Prozesskette eine vordefinierte und gewünschte Genauigkeit noch nicht erreicht, wird mittels der Abbruchbedingung 9 eine weitere Intervallhalbierung durchgeführt, worauf nachfolgend die Prozessschritte 5–9 der Berechnungsschleife 12 nochmals abgearbeitet werden.

Ist die Seitenkraft genügend genau bestimmt, kann in einem Prozessschritt 10 aus der ermittelten Seitenkraft, wie aus der Literatur bekannt, mit der Masse des Fahrzeuges in dem Sollgierratenmodell die stationäre Querbeschleunigung des Fahrzeuges und nachfolgend aus der Querbeschleunigung mittels Division durch die Geschwindigkeit des Fahrzeuges die Sollgierrate bestimmt werden.

Wie in 3 schematisch dargestellt, erfolgen nach der Sollgierratenbestimmung 10 in einem Prozessschritt 11 ein Vergleich der Sollgierrate mit der tatsächlich gemessenen Gierrate und nachfolgend, vorzugsweise über einen Fahrdynamikregler bzw. ein Regelmodul 11a die Ansteuerung eines Subsystems zur gezielten Beeinflussung der Fahrdynamik des Fahrzeuges. Als Subsysteme sind beispielsweise ein System zur Regelung und/oder Steuerung einer aktiven Vorderradlenkung 13 und/oder ein System zur Regelung und/oder Steuerung einer Hinterradlenkung 14 und/oder ein System zur Regelung und/oder Steuerung eines Torque Vectoring (variable Momentenverteilung im Antriebsstrang) und/oder Allradsystems 15 und/oder ein System zur Regelung und/oder Steuerung eines Bremssystems 16, beispielsweise im Rahmen eines ESP-Systems, und/oder ein System zur Regelung und/oder Steuerung einer Allradkupplung 17 und/oder ein System zur Regelung und/oder Steuerung eines Getriebes 17 und/oder eines Motors 17, beispielsweise über ein Motormanagementsystem, und/oder eines anderen Subsystems möglich.

Die Sollgierrate wird mit der tatsächlich am Fahrzeug gemessenen Gierrate verglichen und im Falle einer Diskrepanz zwischen Soll- und Istwert, vorzugsweise entsprechend einem Regelgesetz, steuernd und/oder regelnd in die Fahrzeugdynamik eingegriffen. Durch diesen Eingriff soll der Ist-Wert der Gierrate dem Sollwert (Sollgierrate) angeglichen und so die Stabilität der Fahrdynamik des Fahrzeuges wieder hergestellt werden.

Zur Verdeutlichung ist in 4 schematisch ein Fahrzeug 18 dargestellt, dass über verschiedene Sensoren zur Beobachtung der Fahrzeugdynamik verfügt. Beispielhaft sind hier ein Sensor 19 zur Bestimmung des Lenkwinkels an den vorderen Rädern 21 des Fahrzeugs sowie ein Sensor 20 zur Bestimmung des Lenkwinkels an den hinteren Rädern 22 des Fahrzeuges vorgesehen. Weiters weist diese beispielhafte Ausführungsform einen Gierratensensor 23a und einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 23b auf, der ebenso wie die Sensoren 19 und 20 mit einer zentralen Regel-/Steuereinheit 24 des Fahrzeuges verbunden ist. In der zentralen Regel-/Steuereinheit sind die entsprechenden Module zur Berechnung der Sollgierrate sowie zum Vergleich der Sollgierrate mit der über den Gierratensensor 23 gemessenen Gierrate integriert. Entsprechend einer Regel- und/oder Steuerlogik regelt und/oder steuert die zentrale Regel-/Steuereinheit 24 ein Subsystem 25, das in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform als Allradkupplung ausgeführt ist. In der vorliegenden Allradkupplung ist ein entsprechender Aktuator 25a, beispielsweise ein Kolben zum Schließen einer Lamellenkupplung, vorgesehen, durch den die Fahrdynamik des Fahrzeuges beeinflussbar ist.

Zur weiteren Verdeutlichung der erläuterten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist in 5 die Modularität der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Dazu ist ein Fahrzeugbeobachtungsmodul 26 zur Aufnahme zumindest der Lenkwinkel δ_v zumindest eines der vorderen Räder und δ_h zumindest eines der hinteren Räder sowie der Geschwindigkeit v des Fahrzeuges vorgesehen. Das Fahrzeugbeobachtungsmodul liefert entsprechende Daten an das Vorgabemodul 26a, welches wiederum Vorgabewerte, insbesondere für die erstmalige Abschätzung der Seitenkräfte an die Einrichtung zur Sollgierratenberechnung 27 liefert. Die Einrichtung zur Sollgierratenberechnung 27 weist ein Aufstandskraftmodul 28, ein Schräglaufbestimmungsmodul 29, ein Reifenmodellierungsmodul 30 sowie ein Lösungsmodul 31 auf. Über das Lösungsmodul 31, das das Sollgierratenmodell, also die notwendigen Berechnungsvorschriften zur Berechnung der Sollgierrate, sowie die Logik zur Abarbeitung des numerischen Lösungsalgorithmus enthält wird schließlich die Sollgierrate bestimmt. Wie aus 5 ersichtlich ist, weist das Lösungsmodul 31 nach einer besonderen Ausführungsform eine Rückkopplung zu den anderen Modulen der Einrichtung zur Sollgierratenberechnung 27 auf, wodurch die numerische Iteration ermöglicht wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird jene stationäre Sollgierrate bestimmt bzw. vorausberechnet, die sich nach Abklingen von Einschwingvorgängen, insbesondere Gieren, Wanken und/oder Nicken am Fahrzeug gemäß dem verwendeten Fahrzeugmodell einstellen soll. Diese Sollgierrate wird als stationäre Sollgierrate bezeichnet.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird nach der beschriebenen Berechnungsmethode ein Kennfeld zur Sollgierratenbestimmung eingerichtet. In einem Applikationsdurchlauf werden dabei für verschiedene Fahrzeuggeschwindigkeiten und/oder Lenkwinkel gemäß dem skizzierten Verfahren stationäre Sollgierraten errechnet und in dem Kennfeld abgelegt. Im Rahmen der Fahrdynamikregelungen wird für die Fahrzeuggeschwindigkeit und den Lenkwinkel die zugeordnete stationäre Sollgierrate aus dem Kennfeld ausgelesen. Durch diese Vereinfachung stehen die benötigten Werte der Sollgierrate einfach und schnell für die Sollgierratenregelung zur Verfügung.

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• - DE 102004006944 A1 [0005]
• - DE 102005046612 A1 [0006]
• - DE 19515059 A1 [0007]
• - EP 1745953 A1 [0008]
• - DE 19617590 A1 [0009]
• - US 6547343 B1 [0010]
• - EP 0775617 B1 [0011]
• - US 6161905 [0012]
• - US 7184868 B2 [0012]