DE102005021819A1

DE102005021819A1 - Steuersystem und Verfahren zum Steuern eines Sicherheitssystems für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102005021819A1
Application number: DE102005021819A
Authority: DE
Inventors: Todd A. Dearborn Brown; Daniel D. Ann Arbor Eisele; Michael P. Dearborn Lopez
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2005-12-22
Also published as: US20050273240A1; GB2414815A; GB0510023D0; US7451032B2; GB2414815B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System 18 und Verfahren zum Steuern eines Kraftfahrzeugs 10 mit einem Lateralbeschleunigungssensor 32, der ein Lateralbeschleunigungssignal liefert, einem Gierratensensor 28, der ein Gierratensignal liefert, und einem Sicherheitssystem 44. Das Sicherheitssystem 44 und die Sensoren 28, 32 sind mit einer Steuerung 26 verbunden. Die Steuerung 26 bestimmt eine Frontlateralreifenkraft und eine hintere Lateralreifenkraft aus dem Fahrzeug Gierratensignal und dem Fahrzeug Lateralbeschleunigungssignal, bestimmt eine berechnete Lateralgeschwindigkeit aus der Frontlateralreifenkraft, der hinteren Lateralreifenkraft und einem Bankettwinkel, bestimmt eine berechnete Gierrate aus der Frontlateralkraft und der hinteren Lateralreifenkraft und steuert ein Sicherheitssystem 44 entsprechend der berechneten Lateralgeschwindigkeit und der berechneten Gierrate.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Steuern eines Sicherheitssystems für Fahrzeuge; insbesondere die Bestimmung einer erwünschten Gierrate und lateralen Gierrate aus der Eingabe des Fahrers bestimmen. Allgemein bezieht sie sich auf eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugsystem entsprechend einem gemessenen dynamischen Verhalten.

Dynamische Steuersysteme werden zur Zeit in verschiedenen Fahrzeugen angeboten. Dynamische Steuersysteme umfassen Wankstabilitätssteuersysteme und Gierstabilitätssteuersysteme. Es werden auch andere Typen Sicherheitssysteme in Fahrzeugen angeboten, wie Auslösevorrichtungen, eingeschlossen aktive Überrollbügel und Seitenairbags. Bei derartigen Systemen werden verschiedene Steuerwinkel bestimmt, die wiederum in Steuersignale zur Auslösung der Steuerung umgewandelt werden.

Verschiedene Straßenbedingungen, wie die des Bankettes oder der Straßenwölbung bestimmen, wie der Fahrer kompensieren muß. Beispielsweise muß der Fahrer nach links kompensieren, wenn er auf einer gewölbten Straße fährt. Die Reifen Lenkwinkel werden ebenfalls durch die Rand- oder Bankettwinkel beeinflußt. Typischerweise berücksichtigen Steuersystemmodelle bei der Lenkeingabe des Fahrers die Bankettwinkel nicht. Demzufolge können diese Modelle nicht zwischen einer Lenkeingabe, die zu einem abweichendem Fahrzeugverhalten auf einer ebenen Straßenoberfläche führen könnte und einem, das dazu benötigt wird, um den Fahrweg aufrechtzuerhalten, wenn hinsichtlich eines Bankettes kompensiert wird, unterscheiden.

Es ist daher erwünscht, ein Stabilitätssteuersystem zu schaffen, welches den Bankettwinkel berücksichtigt.

Es ist demzufolge ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das mit einem dynamischen Stabilitätssteuersystem des Fahrzeugs eingesetzt werden kann, um Wanken zu bestimmen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Steuersystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Steuern eines Sicherheitssysstems für Fahrzeuge mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Nach einem Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs die Bestimmung einer berechneten Lateralgeschwindigkeit aus einer Frontlateralreifenkraft, einer hinteren Lateralreifenkraft und einem Bankettwinkel das bestimmen einer berechneten Gierrate aus der Frontlateralreifenkraft und der hinteren Lateralreifenkraft, und Steuern eines Sicherheitssystems entsprechend der berechneten Lateralgeschwindigkeit und der Gierrate.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Steuersystem für ein Kraftfahrzeug einen Lateralbeschleunigungssensor, der ein Lateralbeschleunigungsignal liefert, einen Gierratensensor, der ein Gierratensignal liefert und ein Sicherheitssystem. Sicherheitssystem und Sensoren sind mit einer Steuerung verbunden. Die Steuerung bestimmt eine Frontlateralreifenkraft und eine hintere Lateralreifenkraft aus dem Fahrzeug Gierratensignal und dem Lateralbeschleunigungssignal, bestimmt eine berechnete Lateralgeschwindigkeit aus der Frontlateralreifenkraft, der hinteren Lateralreifenkraft und einem Bankettwinkel und bestimmt eine berechnete Gierrate aus der Frontlateralreifenkraft und der hinteren Lateralreifenkraft, wobei die Steuerung ein Sicherheitssystem entsprechend der berechneten Lateralgeschwindigkeit und der berechneten Gierrate steuert.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Wünsche des Fahrers unter Berücksichtigung von Variationen des Straßenwinkels leicht bestimmt werden können.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen und anliegenden Ansprüchen. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit variablen Vektor- und Koordinatenrahmen gemäß der Erfindung;
2 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Stabilitätssystems;
3 ein Zweiradmodell entsprechend einem Vorderrad und einem Hinterrad des Fahrzeugs;
4 eine Rückansicht eines Kraftfahrzeugs auf einem Bankett;
5 eine Draufsicht auf ein Fahrzeugrad;
6 eine Darstellung der Frontkraft und der Rückkraft eines Fahrzeugs, bezogen auf den Schwerpunkt; und
7 ein Flußdiagramm auf hoher Hierarchieebene der Zustandsbestimmung und der daraus resultierenden Aktionen.
In den nachfolgenden Figuren werden gleiche Bezugszeichen für die gleichen Komponenten verwendet. Die Erfindung kann mit einem Wanksteuersystem für ein Fahrzeug eingesetzt werden. Sie kann aber auch mit einem Auslösegerät, wie einem Airbag oder einem aktiven Überrollbügel eingesetzt werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen, die sich auf ein in einem dreidimensionalem Terrain bewegendes Kraftfahrzeugs beziehen, näher erläutert.
In 1 ist ein Kraftfahrzeug 10 mit einem erfindungsgemäßen Sicherheitssystem gemeinsam mit den verschiedenen Kräften und Momenten während eines Überschlags dargestellt. Das Fahrzeug 10 besitzt vordere rechte (FR), vordere linke (FL) Räder/Reifen 12a und 12b, hintere rechte (RR) Räder/Reifen 13a und hintere linke (RL) Räder/Reifen 13b. Das Fahrzeug 10 kann auch verschiedene Typen Frontlenksysteme 14a und hintere Lenksysteme 14b aufweisen, wobei jedes die Vorder- und Hinterräder mit einem entsprechend steuerbarem Aktuator einstellen kann, wobei die Front- und Hinterräder ein konventionelles System haben, bei dem Vorderräder und beide Hinterräder jeweils gemeinsam gesteuert werden, ein System mit einer konventionellen Frontlenkung und einer unabhängig davon steuerbaren Hinterradlenkung für jedes Rad oder umgekehrt. Das Fahrzeug hat ein mit Mg bezeichnetes Gewicht am Schwerpunkt, wobei g = 9,8 m/s² und M = Gesamtmasse des Fahrzeugs.
Wie oben erläutert, kann das System auch mit Sicherheitssystemen mit aktiven/semiaktiven Federungssystemen, Überrollbügeln, Airbags oder anderen Sicherheitsvorrichtungen eingesetzt werden, die bei Messen vorherbestimmter dynamischer Bedingungen des Fahrzeugs ausgelöst werden.
Das Meßsystem 16 ist mit einem Steuersystem 18 verbunden. Das Meßsystem 16 kann viele verschiedenen Sensoren, eingeschlossen das meist typischerweise in einem dynamischen Steuersystem vorliegende Sensorset (mit Lateralbeschleunigungsmesser, Gierratensensor, Lenkwinkelsensor und Radgeschwindigkeitssensor) gemeinsam mit einem Rollgeschwindigkeitssensor, einem Vertikalbeschleunigungsmeter und einem Longitudinalbeschleunigungsmesser aufweisen. Die verschiedenen Sensoren werden nachfolgend näher beschrieben. Die Radgeschwindigkeitssensoren 20 sind an jeder Fahrzeugecke angebracht und generieren Signale entsprechend der Drehgeschwindigkeit jedes Rades. Der Rest der Sensoren des Meßsystems 16 kann direkt auf dem Schwerpunkt 16 der Fahrzeugkarosserie, entlang der in 1 dargestellten Richtungen x, y und z befestigt werden. Die Lateral-, Vertikal- und Longitudinal-Beschleunigung sowie die Wank-, Gier- und Nick-Geschwindigkeit können auch in einer Inertialmeßeinheit (IMU) aufgenommen sein. Wie dem Fachmann offensichtlich, wird der Rahmen aus b1, b2 und b3 Karosserierahmen genannt, dessen Ursprung ebenfalls am Schwerpunkt der Fahrzeugkarosserie angeordnet ist, wobei b1 der nach vorne gerichteten x-Achse, b2 der von der Fortbewegungsrichtung (nach links) weggerichteten y-Achse und b3 der nach oben gerichteten z-Achse entspricht. Die Winkelgeschwindigkeiten der Fahrzeugkarosserie um ihre jeweiligen Achsen werden als w_x für die Rollgeschwindigkeit, w_y für die Nickgeschwindigkeit und w_z für die Gierrate bezeichnet. Die erfindungsgemäßen Berechnungen können in einem Inertialrahmen 24 stattfinden, der vom Karosserierahmen 22, wie unten beschrieben, ableitbar ist.
Die Winkelgeschwindigkeitssensoren und Beschleunigungsmesser können auf der Fahrzeugkarosserie entlang der Fahrzeugrahmenrichtungen b₁, b₂ und b₃ angeordnet werden, den die x-, y- und z-Achsen der trägen Masse des Fahrzeugs.
Der Longitudinalbeschleunigungssensor ist auf der Fahrzeugkarosserie am Schwerpunkt angeordnet, mit Messrichtung entlang der b₁-Achse, seine Ausgabe wird als a_x bezeichnet. Der Lateralbeschleunigungssensor ist auf der Automobilkarosserie am Schwerpunkt mit Meßrichtung entlang der b_b-Achse angeordnet, seine Ausgabe wird als a_y bezeichnet.
Der in der nachfolgenden Diskussion verwendete äußere Rahmen umfaßt den Straßenrahmen, wie in 1 dargestellt. Das Straßenrahmensystem r₁r₂r₃ ist auf der Oberfläche der befahrenen Straße befestigt, wobei sich die r₃-Achse entlang der durchschnittlichen Normalrichtung der Straße erstreckt, die aus den Normalrichtungen der vier Reifen/Straßenkontaktflächen berechnet wird.
In der nachfolgenden Diskussion werden die Eulerwinkel des Fahrzeugrahmens b₁b₂b₃ zum Straßenrahmen r₁r₂r₃ als q_xbr,q_ybr und q_zbr bezeichnet, die auch als relative Eulerwinkel (relativer Wank-, relativer Nick- und relativer Gierwinkel) bezeichnet werden.
In 2 ist das Wank-Stabilisierungssteuersystem 18 detaillierter mit einer Steuerung 26 zum Empfang von Informationen einer Anzahl Sensoren, wie einem Gierratensensor 28, Geschwindigkeitssensor 20, Lateralbeschleunigungssensor 32, Vertikalbeschleunigungssensor 33, Rollwinkelgeschwindigkeitssensor 34, Lenkrad-(Handrad) Winkelsensor 35, Longitudinalbeschleunigungssensor 36, Nickgeschwindigkeitssensor 37, Lenkwinkelpositionssensor 38 (der Räder oder des Aktuators aufgrund der Fahrereingabe auf der Straßenoberfläche), Federlastsensor 40 und Federungspositionssensor 42, dargestellt. Einige Sensoren können gemeinsam in einer IMU gruppiert sein, wie jene, die Lateralbeschleunigung, Vertikalbeschleunigung, Longitudinalbeschleunigung, Gier, Nick- und Rollgeschwindigkeit messen.
Die Steuerung 26 kann einen Signalmultiplexer 50 umfassen, der Signale von den Sensoren 28–42 empfangen kann. Der Signalmultiplexer 50 übermittelt die Signale einem Radabhebedetektor 52, einem Fahrzeugrollwinkelrechner 54 und an einen Wankstabilitätssteuerungs-Rückmeldesteuerbefehlstand (RSC) 56. Der Radabhebedetektor 52 kann mit dem Fahrzeugüberrollwinkelrechner 54 verbunden sein. Der Fahrzeugrollwinkelrechner 45 kann auch mit dem RSC Rückmeldungsbefehlstand 56 verbunden sein. Der Fahrzeugrollwinkelrechner 54 ist in den Provisional US-Anmeldungen 60/400,376 und 60/400,172 und der US-Anmeldung 10/459,697 beschrieben, auf deren Offenbarung hierin zur Vermeidung von Wiederholungen Bezug genommen wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sensoren am Schwerpunkt des Fahrzeugs angeordnet. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass der Sensor auch außerhalb des Schwerpunkts und entsprechend verschoben angeordnet sein kann.
Eine Lateralbeschleunigung, Wankorientierung und Geschwindigkeit kann unter Verwendung eines globalen Positionierungs Systems (GPS) erhalten werden. Auf Grundlage der Eingaben der Sensoren kann die Steuerung 26 eine Sicherheitsvorrichtung 44 steuern. Abhängig von der erwünschten Empfindlichkeit des Systems und verschiedener andere Faktoren müssen in einer handelsüblichen Ausführungsform nicht alle Sensoren 28–52 eingesetzt werden. Die Sicherheitsvorrichtung 44 kann einen Airbag 45 oder eine Lenkhilfe (46A–46D) für ein oder mehrere Räder 12a, 12b 13a, 13b des Fahrzeugs 10 steuern. Es können auch andere Fahrzeugkomponenten, wie eine Federungssteuerung 48, dazu verwendet werden, die Federung so einzustellen, dass ein Überschlagen vermieden wird.
Der Rollwinkelgeschwindigkeitssensor 34 und der Nickgeschwindigkeitssensor 37 können Überschlagen oder Abheben des Fahrzeugs auf Basis einer Messung des Höhenniveaus eines oder mehrerer Punkte am Fahrzeug gegenüber der Straßenoberfläche messen. Dazu einsetzbare Sensoren umfassen einen Näherungssensor auf Radarbasis, einen Näherungssensor auf Laserbasis und einen Näherungssensor auf Sonarbasis.
Der Rollgeschwindigkeitssensor 34 und Nickgeschwindigkeitssensor 37 können auch den Zustand eines Überschlags oder Abhebens auf Basis der Messung der linearen oder Rotations-Verschiebung oder Verschiebungsgeschwindigkeit einer oder mehrerer Chassis-Federungskomponenten messen. Dies kann zusätzlich zu oder in Kombination mit dem Federungspositionssensor 42 erfolgen. Der Positi onssensor 42, der Rollgeschwindigkeitssensor 34 und/oder der Nick-Geschwindigkeitssensor 37 können einen linearen Höhen- oder Fortbewegungssensor, einen Rotations-Höhen- oder Fortbewegungssensor, einen Radgeschwindigkeitssensor für Geschwindigkeitsänderung, einen Lenkradpositionssensor, einen Lenkradgeschwindigkeitssensor und eine Fahrerbefehlseingabe von einer elektronischen Komponente, die das Lenken über Lenkzüge mittels eines handbetätigten Rades oder eines Joysticks umfassen kann.
Der Überschlagzustand oder Abheben kann auch durch direktes Messen oder Abschätzen der Kraft oder des Drehmoments, das mit der Belastung einer oder mehrerer Federungs- oder Chassiskomponenten zusammenhängt, eingeschlossen einem Druckwandler in einer Luftfederungseinrichtung, einem Dämpferabsorbersensor, wie einem Lastsensor 40, einem Spannungsmesser des Lenksystems, der absoluten oder relativen Motorlast, des Lenksystemdrucks der Hydraulikleitungen, eines Lateralreifenkraftsensor oder Sensoren, eines Longitudinal Reifenkraftsensors, Vertikalreifenkraftsensors oder Reifen Seitenwandtorsionssensors erfasst werden. Der Gierratensensor 28, der Rollgeschwindigkeitssensor 34, der Lateralbeschleunigungssensor 32 und der Longitudinalbeschleunigungssensor 36 können gemeinsam dazu verwendet werden, festzustellen, ob das Rad abgehoben hat. Derartige Sensoren können dazu eingesetzt werden, um festzustellen, ob das Rad abhebt oder die Normallast abschätzen, die Radabheben entspricht. Dies sind ebenfalls passive Verfahren.
Der Überschlagszustand des Fahrzeugs kann auch durch eine oder mehrere der nachfolgenden Translations- oder Rotationspositionen, Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen des Fahrzeugs festgestellt werden, mit einem Wankgyrometer, dem Rollgeschwindigkeitssensor 34, dem Gierratensensor 28, dem Lateralbeschleunigungssensor 32, dem Vertikalbeschleunigungssensor 33, einem Fahrzeugslongitudinalbeschleunigungssensor 36, Lateral- oder Vertikalgeschwindigkeitssensoren, mit einem Geschwindigkeitssensor auf Radarbasis 20, einem Geschwindigkeitssensor auf Sonarbasis, einem Geschwindigkeitssensor auf Laserbasis oder einem Geschwindigkeitssensor auf optischer Basis. Die Sicherheitsvorrichtung 44 kann die Position des vorderen rechten Radaktuators 46A, des vorderen linken Radaktuators 46B. des linken Hinterradaktuators 46C und des rechten Hinterradaktuators 46D steuern. Es können auch, wie bereits oben beschrieben, zwei oder mehrere Aktuatoren gleichzeitig gesteuert werden. Beispielsweise können in einem Zahnstangen/Ritzelsystem die beiden miteinander gekoppelten Räder gleichzeitig gesteuert werden. Auf Basis der Eingabe der Sensoren 28–42 bestimmt die Steuerung 26 einen Überschlagszustand und/oder ein Abheben des Rades und steuert die Lenkposition der Räder.
Die Sicherheitsvorrichtung 44 kann mit einer Bremssteuerung 60 verbunden sein. Die Bremssteuerung 60 steuert die Größe des Bremsdrehmoments an einer vorderen rechten Bremse 62A, vorderen linken Bremse 62B, hinteren linken Bremse 62C und einer rechten hinteren Bremse 62D. Andere Sicherheitssysteme, wie ein Antiblockiersystem 64, ein Gierstabilitätssteuersystem 66 und ein Traktionssteuersystem 68 können auch von den hier bestimmten dynamischen Bedingungen profitieren. Unter Verwendung dieser Informationen kann die Steuerstrategie, wie das Bremsausmaß, modifiziert werden.
Der Geschwindigkeitssensor 20 kann einer von vielen Geschwindigkeitssensoren, die dem Fachmann bekannt sind, sein. Beispielsweise kann ein geeigneter Geschwindigkeitssensor einen Sensor an jedem Rad umfassen, die durch die Steuerung 26 gemittelt werden. Die Steuerung kann die Radgeschwindigkeiten in die Fahrzeuggeschwindigkeit übersetzen. Die Gierrate, der Lenkwinkel, Radgeschwindigkeit und möglicherweise eine Rutschwinkelabschätzung jeden Rades können in die Fahrzeuggeschwindigkeit am Schwerpunkt rückübersetzt werden. Verschiedene andere Algorithmen sind dem Fachmann bekannt. Die Geschwindigkeit kann auch aus einem Transmissionssensor erhalten werden. Beispielsweise kann bei einer Bestimmung der Geschwindigkeit während der Beschleunigung oder beim Bremsen in einer Kurve die kleinste und größte Radgeschwindigkeit aufgrund ihrer Fehler nicht verwendet werden. Es kann auch ein Transmissionssensor verwendet werden, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen.
Der Lastsensor 40 kann eine Lastzelle, die mit einer oder mehreren Federungskomponenten gekoppelt ist, sein. Durch Messung der Beanspruchung, der Spannung oder Belastung des Lastsensors kann eine Lastverschiebung bestimmt werden.
Der Überschlags- oder Wankzustand eines Fahrzeugs kann durch den relativen Rollwinkel zwischen der Fahrzeugkarosserie und der Radachse und dem Radabhebewinkel (zwischen Radachse und der durchschnittlichen Straßenoberfläche) charakterisiert werden. Sowohl der relative Rollwinkel als auch der Radabhebewinkel können in einem relativen Rollwinkelabschätzungsmodul berechnet werden, in dem die Rollgeschwindigkeit und die Lateralbeschleunigungssensorsignale verwendet werden. Falls sowohl der relative Rollwinkel als auch die Radabhebewinkel ausreichend groß sind, kann das Fahrzeug sich in einem Zustand des Abhebens eines Rades oder zweier Räder befinden. Andererseits stehen, falls beide Winkel ausreichend klein sind, die Räder wahrscheinlich alle am Boden auf.
Der Überschlagszustand eines Fahrzeugs kann durch Rollen eines auf einem Radius basierenden Radabhebe-Rollwinkels charakterisiert sein, der den Winkel zwischen der Radachse und der durchschnittlichen Straßenoberfläche durch die dynamischen Rollradien des linken und rechten Rades, wenn beide Räder Bodenhaftung haben, erfaßt. Da die Berechnung des Rollradius mit der Radgeschwindigkeit und der linearen Geschwindigkeit des Rades zusammenhängt, wird ein auf dem Rollradius basierender Radabhebewinkel abnormale Werte annehmen, wenn starkes Raddurchdrehen erfolgt. Dies tritt auf, falls ein Rad angehoben wird und ein Drehmoment ausgeübt wird. Demzufolge wird, falls der auf dem Radius basierende Radabhebewinkel schnell wächst, das Fahrzeug abgehobenen Räder haben. Falls dieser Winkel klein ist, zeigt dies an, dass alle Räder Bodenhaftung haben.
Der Wankzustand des Fahrzeugs kann indirekt aus dem longitudinalen Rutschen des Rades ersichtlich sein. Falls während eines normalen Bremsens oder Antriebsdrehmoments die Räder an einer Seite des Fahrzeugs stärker durchdrehen, verlieren die Räder auf dieser Seite longitudinales Straßendrehmoment. Dies setzt voraus, dass die Räder entweder angetrieben sind oder auf einer Oberfläche geringer Reibung sind, oder abgehoben.
oder abgehoben sind.
Der Wankzustand des Fahrzeugs kann dadurch charakterisiert sein, dass die Normallast jedes Rades aufrechterhalten wird. Theoretisch wird dann, falls die Nor mallast auf ein Rad auf 0 abnimmt, das Rad nicht mehr in Kontakt mit der Straßenoberfläche stehen. In diesem Fall ist ein potentieller Überschlag in Vorbereitung. Falls die Last groß ist, zeigt dies an, dass das Rad Bodenhaftung hat.
Der Wankzustand kann identifiziert werden, indem die auf die Räder angewandten aktuellen Straßendrehmomente und die Straßendrehmomente, die dazu benötigt werden, um die Räder zu halten, wenn sie Bodenhaftung haben, überprüft werden. Die tatsächlichen Straßendrehmomente können erhalten werden, indem ein Drehmomentausgleich für jedes Rad unter Verwendung der Radbeschleunigung, des Antriebsdrehmoments und des Bremsdrehmoments durchgeführt wird. Falls das Rad die Straßenoberfläche kontaktiert, müssen die berechneten tatsächlichen Straßendrehmomente gleich oder größer als die Drehmomente sein, die aus den nicht-linearen Drehmomenten bestimmt werden, die aus den Normal Lasten und dem longitudinalen Rutschen jedes Rades berechnet werden.
Der Wankzustand des Fahrzeugs kann auch durch den relativen Rollwinkel θ_xt. der Fahrzeugkarosserie und der Radachse charakterisiert sein, der unter Verwendung der Rollgeschwindigkeit und der Signale des Lateralbeschleunigungssensors berechnet wurde. Falls dieser Rollwinkel schnell wächst, kann sich das Fahrzeug kurz vor dem Abheben von Rädern oder Überschlagen befinden. Ein kleiner Rollwinkel gibt an, dass die Räder nicht abgehoben sind oder alle Bodenhaftung haben.
Der Wankzustand eines Fahrzeugs kann auch durch den Rollwinkel zwischen der Radachse und der durchschnittlichen Straßenoberfläche charakterisiert sein, dieser wird als Radabhebewinkel bezeichnet. Falls dieser Rollwinkel schnell wächst, sind ein oder mehrere Räder des Fahrzeugs abgehoben und es muß eine aggressive Steueraktion durchgeführt werden, um das Fahrzeug am Überschlagen zu hindern. Ein kleiner Rollwinkel zeigt an, dass die Räder nicht abgehoben sind. Dieser Abschnitt beschreibt, wie der Fahrzeugrollwinkel quantitativ bestimmt wird, wenn qualitatives Abheben eines Rades identifiziert wurde. Dies bedeutet, dass, falls qualitatives Abheben eines Rades entdeckt wurde, quantitative Berechnung des Radabhebens initiiert werden kann.
In 3 ist ein Zweiradmodell dargestellt – dies entspricht im wesentlichen einer Longitudinalhälfte des Fahrzeugs mit Vorderrad 12b und Hinterrad 13b. Das Modell kann sich auch auf die andere Seite des Fahrzeugs beziehen. In der nachfolgenden Beschreibung werden die folgenden Konstanten verwendet:

CC_f, CC_r – Eckverhalten der Vorder- und Hinterachsen (rad/N)
a, b – Abstand vom Schwerpunkt zu den Vorder- und Hinterachsen (m)
– Verstärkung des Karosserierollwinkels um die x-Achse gegenüber dem Lenkwinkel für die Front- und Hinterachsen (rad/rad)
– Verstärkung des Karosserienickwinkels um die y-Achse gegenüber dem Lenkwinkel für die Front- und Hinterachsen (rad/rad)
m – Gesamtmasse des Fahrzeugs (kg)
g – Schwerkraftbeschleunigung (m/s²)
I_z – Fahrzeuggierträgheitsmoment (kg-m²)

In der nachfolgenden Beschreibung werden die folgenden Eingaben verwendet:
θ_bank – Straßenbankettwinkel um die x-Achse (rad), Bestimmung auf verschiedene Arten ist bekannt, wie aus FGT 1660 – entsprechend der US 2004/0254707 A1
θ_body – Karosserie-Rollwinkel (relativer Rollwinkel) um die x-Achse (rad), Bestimmung auf verschiedene Arten ist bekannt, wie aus der FGT 1660 – entsprechend der US 2004/0254707 A1
u – Fahrzeuglongitudinalgeschwindigkeit entlang der x-Achse (m/s) – kann aus den individuellen Radgeschwindigkeiten abgeleitet werden
δ_driver – Lenkwinkel der Fahrereingabe (rad); kann aus einem Sensor stammen oder auf Basis des SWA berechnet werden.
In der nachfolgenden Beschreibung werden die folgenden Zwischenvariablen verwendet:
F_yf, F_yr – Front- und hintere Lateralreifenkräfte (N)
α_f, α_r – Front- und Hinterreifenrutschwinkel, Winkel zwischen den Richtungen, in welche die Reifen zeigen und der Richtung der Geschwindigkeitsvektoren an den entsprechenden Achsen (rad).
In der nachfolgenden Beschreibung werden die nachfolgenden Zustandsvariablen verwendet:
r – Fahrzeug-Roll-Gierrate um die z-Achse (rad/sec)
v – Fahrzeug Lateralgeschwindigkeit entlang der y-Achse (m/s)
In der nachfolgenden Beschreibung werden folgende Annahmen getroffen:
α_f und α_r sind klein
δ_r ist klein, aber δ_f kann groß sein
Die Reifenkräfte verlaufen normal zur Reifenebene.
In 4 ist eine Rückansicht des Fahrzeugs dargestellt, welche die Beziehung der verschiedenen Winkel des Fahrzeugs 10 zur Straßenoberfläche 11 illustriert. Nachfolgend wird ein Referenzstraßenbankettwinkel θ_bank gegenüber dem Fahrzeug 10 auf einer Straßenoberfläche gezeigt. Das Fahrzeug 10 besitzt eine Fahrzeugkarosserie 10a und Radachse 10b. Der Karosserie- oder relative Rollwinkel θ_body ist der Winkel zwischen der Radachse 10b und der Karosserie 10a. Der Gesamt Rollwinkel θ_x ist der Winkel zwischen der horizontalen Ebene (beispielsweise auf Meereshöhe) und der Fahrzeugkarosserie 10a.
5 ist eine Zeichnung zur Erläuterung der Frontreifengeschwindigkeitsprojektionen. Die Variable vel_f ist die resultierende Geschwindigkeit der Frontreifen entlang der Achse x', die Lateralgeschwindigkeit v+a·r und die Longitudinalgeschwindigkeit u. Sie werden verwendet, eine Projektion auf die x'- und y'-Achsen durchzuführen.
In 6 ist ein freies Diagramm der Karosserie eines Fahrzeugs, das die Frontlateralkraft F_f und die hintere Lateralkraft F_r zeigt. Das Diagramm wird dazu verwendet, die Summe der Kräfte und die Summe der Momente am Schwerpunkt c. g. des Fahrzeugs darzustellen.
In 7 ist eine Ableitung der Gleichung der Bewegung dargestellt. Zunächst werden die verschiedenen Sensoren und Konstanten und Fahrzeugbedingungen im Schritt 100 abgelesen oder bestimmt. Im Schritt 102 werden die Bewegungsgleichungen aufgestellt.
Die Bewegungsgleichungen werden in der Radebene aufgestellt. Die Hinterreifenkraft in x-Richtung wird durch die nachfolgende Beziehung in Schritt 102 berechnet:
wobei der hintere Rutschwinkel α_r ist:
Der hintere Lenkwinkel ist gegeben durch:
An der Front des Fahrzeugs ist δ_f nicht notwendigerweise klein, wie δ_r. Die Frontreifenkraft in x-Richtung wird in Schritt 104 bestimmt durch:
Ferner wird, um den Winkel α_f zwischen der resultierenden Geschwindigkeit der Frontreifen (vel_f) und der Longitudinalachse des Reifens (x') zu bestimmen, die resultierende Geschwindigkeit auf die Longitudinal- und Querachsen senkrecht und parallel zum Rad (x' und y') projiziert. Dazu können die Longitudinalgeschwindigkeits (u) und Lateralgeschwindigkeits (v+a·r) Komponenten der Frontreifen Geschwindigkeit in den Karosseriekoordinatenachsen (x und y) auf die x'- und y'-Achsen trigonometrisch projiziert werden. Diese Projektionen, v_latf und v_longf können dann dazu verwendet werden, den Rutschwinkel des Reifens zu bestimmen. 5 zeigt die für die Projektionen verwendete Trigonometrie. In Schritt 106 kann dann der Frontreifenrutschwinkel bestimmt werden zu:
Indem die Summe der Kräfte in y-Richtung in Schritt 108 und die Summe der Momente um den Schwerpunkt in z-Richtung in Schritt 110 genommen wird, sind die Bewegungsgleichungen die nachfolgenden:
Man beachte, dass die Schwerpunktskomponente aufgrund des Bankettwinkels nur die Summe der Kräfte in y-Richtung beeinflußt, da die Momente um den Schwerpunkt summiert werden.
In Schritt 112 können die Differentialgleichungen aus den Schritten 108 und 112 numerisch integriert werden, um die Fahrzeugzustandsvariablen, eine erwünschte oder berechnete Gierrate und eine erwünschte oder berechnete Lateralgeschwindigkeit zu erhalten. Das Steuersystem kann dann in Schritt 114 gemäss den erwünschten Werten gesteuert werden. Beispielsweise wird ein Gierratensystem, das diese Werte verwendet, Werte, wie das Nicken und den Straßenbankettwinkel, wie in der Wölbung der Straße, berücksichtigen.
Sicherheitssysteme wie Giersteuer- und Wanksteuersysteme können speziell von derartigen Bestimmungen profitieren. Die Auslösung von Sicherheitsvorrichtungen, wie Seitenairbags oder aktiven Überrollbügeln kann ebenfalls davon profitieren.
Während spezielle Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sind vielfältige Abweichungen und alternative Ausführungsformen dem Fachmann offensichtlich. Demzufolge soll die Erfindung nur durch den Schutzumfang der Ansprüche begrenzt sein.

10: Kraftfahrzeug
10a: Karosserie
10b: Radachse
12a: vordere rechte Räder/Reifen
12b: vordere linke Räder/Reifen
13a: hintere rechte Räder/Reifen
13b: hintere linke Räder/Reifen
14: Lenksystem
14b: hinteres Lenksystem
16: Meßsystem
18: Steuersystem
20: Radgeschwindigkeitssensor
22: Karosserierahmen
24: Inertialrahmen
26: Steuerung
28: Gierratensensor
32: Lateralbeschleunigungssensor
33: Vertikalbeschleunigungssensor
34: Rollgeschwindigkeitssensor
35: Lenkrad-(Handrad) Winkelsensor
36: Longitudinalbeschleunigungssensor
37: Nickgeschwindigkeitssensor
38: Lenkwinkelsensor
40: Aufhängungslastsensor
42: Federungspositionssensor
44: Sicherheitssystem
45: Airbag
46A: Lenkhilfe
46B: Lenkhilfe
46C: Lenkhilfe
46D: Lenkhilfe
48: Federungssteuerung
50: Signalmultiplexer
52: Radabhebedetektor
54: Rollwinkelrechner
56: Rollstabilitätssteuer-Rückmeldung
56: RSC Rückmeldungsbefehl
64: Antiblockiersystem
66: Gierstabilitätssteuersystem
68: Traktionssteuersystem

Claims

Steuersystem für ein Fahrzeug (10) mit: einem Gierratensensor (28), der ein Fahrzeug Gierratensignal generiert; einem Lateralbeschleunigungssensor (32), der ein Fahrzeug Lateralbeschleunigungssignal generiert; mindestens einem Sicherheitssystem (44) und einer mit dem Gierratensensor (28) und dem Lateralbeschleunigungssensor (32) gekoppelten Steuerung (26), die: eine Frontlateralreifenkraft und eine hintere Lateralreifenkraft aus dem Gierratensignal und dem Lateralbeschleunigungssignal bestimmt, eine berechnete Lateralgeschwindigkeit aus der Frontlateralreifenkraft, der hinteren Lateralreifenkraft und einem Bankettwinkel (θ_bank) bestimmt, eine berechnete Gierrate aus der Frontlateralreifenkraft und der hinteren Lateralreifenkraft bestimmt; und das mindestens eine Sicherheitssystem (44) nach der berechneten Lateralgeschwindigkeit und der berechneten Gierrate steuert.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Sicherheitssystem (44) ein Überschlagsteuersystem umfaßt.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Sicherheitssystem (44) ein Giersteuersystem umfaßt.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die berechnete Gierrate aus der Frontlateralreifenkraft, einem ersten Abstand zwischen der Vorderachse und dem Schwerpunkt (c.g.) und einem zweiten Abstand zwischen Hinterachse und dem Schwerpunkt (c.g.) und der hinteren Lateralgeschwindigkeit bestimmt ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die hintere Lateralreifenkraft nach einem hinteren Reifenrutschwinkel und einem Verhalten der hinteren Ecken bestimmt wird.
Steuersystem nach Anspruch 5, wobei der hintere Reifenrutschwinkel aus einer Fahrzeug Lateralgeschwindigkeit, einem Gierratensignal und einer Fahrzeug Longitudinalgeschwindigkeit bestimmt wird.
Steuersystem nach Anspruch 6, wobei der hintere Reifenrutschwinkel aus einer Fahrzeug Lateralgeschwindigkeit, einem Gierratensignal, einer Fahrzeug Longitudinalgeschwindigkeit und einem hinteren Lenkwinkel bestimmt ist.
Steuersystem nach Anspruch 7, wobei der hintere Lenkwinkel durch die Verstärkung der Karosserierollbewegung während eines Lenkwinkels einer Hinterachse bestimmt ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die laterale Frontreifenkraft nach einem Frontreifenrutschwinkel und einem Verhalten der vorderen Ecken bestimmt ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die laterale Frontreifenkraft nach einem Reifen Frontrutschwinkel, einem Verhalten der vorderen Ecken und einem Frontlenkwinkel bestimmt ist.
Steuersystem nach Anspruch 10, wobei der Frontlenkwinkel nach einem vom Fahrer eingegebenen Lenkwinkel, einer ersten Verstärkung des Karosserierollwinkels aufgrund eines Lenkwinkels der Vorderachse und einer zweiten Verstärkung des Körper-Nickwinkels aufgrund eines Lenkwinkels der Vorderachse bestimmt ist.
Steuersystem nach Anspruch 10, wobei der Frontreifenrutschwinkel aus einer Fahrzeug Longitudinalgeschwindigkeit, einer Fahrzeug Lateralgeschwindigkeit, einem Frontreifenrutschwinkel und einem Gierratensignal von einem Gierratensensor (28) bestimmt wird.
Verfahren zum Steuern eines Sicherheitssystems für ein Fahrzeug mit: Generieren eines Fahrzeug Gierratensignals; Generieren eines Fahrzeug Lateralbeschleunigungssignals; Bestimmen einer Frontlateralreifenkraft und einer hinteren Lateralreifenkraft aus dem Fahrzeug Gierratensignal und dem Fahrzeug Lateralbeschleunigungssignal; Bestimmen einer berechneten Lateralgeschwindigkeit aus der Frontlateralreifenkraft, der hinteren Lateralreifenkraft und einem Bankettwinkel; Bestimmen einer berechneten Gierrate aus der Frontlateralreifenkraft und der hinteren Lateralreifenkraft; und Steuern eines Sicherheitssystems nach der berechneten Lateralgeschwindigkeit und der berechneten Gierrate.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Generieren eines Fahrzeug Lateralbeschleunigungssignals das Generieren durch einen Lateralbeschleunigungssensor umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Generieren eines Fahrzeug Gierratensignals das Generieren durch aus einen Gierratensensor umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Bestimmung einer berechneten Gierrate aufweist: Bestimmen einer berechneten Gierrate aus der Front Lateralreifenkraft, Bestimmen eines ersten Abstands von der Vorderachse zum Schwerpunkt, Bestimmen eines zweiten Abstands von der Hinterachse zum Schwerpunkt und Bestimmen der hinteren Lateralgeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die hintere Lateralreifenkraft entsprechend einem hinteren Reifenrutschwinkel und einem Verhalten der hinteren Ecken (cornering compliance) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der hintere Reifenrutschwinkel aus einer Fahrzeug Lateralgeschwindigkeit, einem Gierratensignal und einer Fahrzeug Longitudinalgeschwindigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der hintere Reifenrutschwinkel aus einer hinteren Fahrzeug Lateralgeschwindigkeit, einem Gierratensignal, einer Fahrzeug Longitudinalgeschwindigkeit und einem hinteren Lenkwinkel bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der hintere Lenkwinkel durch eine Verstärkung des Karosseriewankens durch einen Lenkwinkel der Hinterachse bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Frontlateralreifenkraft nach einem Frontreifenrutschwinkel und einem Verhalten der vorderen Ecken bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Frontlateralreifenkraft nach einem Frontreifenrutschwinkel, einem Verhalten der vorderen Ecken und einem Frontlenkwinkel bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Frontreifenrutschwinkel aus einer Fahrzeug Longitudinalgeschwindigkeit, einer Fahrzeug Lateralgeschwindigkeit, einem Frontreifenrutschwinkel und einem Gierratensignal von einem Gierratensensor bestimmt wird.
Verfahren zum Steuern eines Sicherheitssystems eines Fahrzeugs mit: Bestimmen einer berechneten Lateralgeschwindigkeit aus einer Frontlateralreifenkraft, einer hinteren Lateralreifenkraft und einem Bankettwinkel; Bestimmen einer berechneten Gierrate aus der Frontlateralreifenkraft und der hinteren Lateralreifenkraft; und Steuern eines Sicherheitssystems entsprechen der berechneten Lateralgeschwindigkeit und der berechneten Gierrate.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Bestimmung einer berechneten Lateralgeschwindigkeit die Bestimmung der berechneten Lateralgeschwindigkeit aus einer Frontlateralreifenkraft, einer hinteren Lateralreifenkraft, einem Bankettwinkel und der Fahrzeugmasse umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Bestimmung einer berechneten Gierrate die Bestimmung einer berechneten Gierrate aus der Frontlateralreifenkraft, einem ersten Abstand einer Vorderachse zum Schwerpunkt, einem zweiten Abstand einer Hinterachse zum Schwerpunkt und der hinteren Lateralgeschwindigkeit umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die hintere Lateralreifenkraft nach einem hinteren Reifenrutschwinkel und einem Verhalten der hinteren Ecken bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der hinteren Reifenrutschwinkel aus einer Fahrzeug Lateralgeschwindigkeit, einem Gierratensignal und einer Fahrzeug Longitudinalgeschwindigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der hintere Reifenrutschwinkel aus einer Fahrzeug Lateralgeschwindigkeit, einem Gierratensignal, einer Fahrzeug Longitudinalgeschwindigkeit und einem hinteren Lenkwinkel bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der hintere Lenkwinkel durch die Verstärkung des Karosseriewankens aufgrund eines Lenkwinkels einer Hinterachse bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Frontlateralreifenkraft nach einem Frontreifenrutschwinkel und einem Verhalten der vorderen Ecken bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Frontlateralreifenkraft nach einem Frontreifenrutschwinkel, einem Verhalten der vorderen Ecken und einem Frontlenkwinkel bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Frontlenkwinkel nach einem vom Fahrer eingegebenen Lenkwinkel, einer ersten Verstärkung eines Körperrollwinkels aufgrund eines Lenkwinkels der Vorderachse und einer zweiten Verstärkung eines Karosserie Nickwinkels aufgrund eines Lenkwinkels einer Vorderachse bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Frontreifenrutschwinkel aus einer Projektion einer Longitudinalgeschwindigkeit und einer Lateralgeschwindigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Frontreifenrutschwinkel aus einer Fahrzeug Longitudinalgeschwindigkeit, einer Fahrzeug Lateralgeschwindigkeit, einem Frontreifenrutschwinkel und einem Gierratensignal eines Gierratensensors bestimmt wird.