DE4208404C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung von Gierimpulsen eines Fahrzeugs und Verwendung der Vorrichtung für eine Bewegungssteuereinrichtung für Fahrzeuge - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung von Gierimpulsen eines Fahrzeugs und Verwendung der Vorrichtung für eine Bewegungssteuereinrichtung für FahrzeugeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Ermittlung von Gierimpulsen eines Fahrzeugs
und eine Verwendung der Vorrichtung für eine Bewegungssteu
ereinrichtung für Fahrzeuge, wobei über Beschleunigungssen
soren Gierimpulse des Fahrzeugs erfaßt werden.
Als Detektoren zur Erfassung des Drehimpulses eines beweg
ten Gegenstandes sind verschiedene Detektoren, die bei
spielsweise ein optisches Gyroskop, ein Schwingungsgyroskop
oder dergleichen verwenden, bekannt. Bei der Verwendung
solcher herkömmlicher Drehimpulserfassungseinrichtungen in
Fahrzeugen entstehen verschiedene Probleme hinsichtlich der
Kosten und der Komplexität bei der Installation und beim
Betrieb solcher Einrichtungen.
Eine Drehimpulserfassungseinrichtung, mit der diese
Probleme gelöst werden sollen, ist beispielsweise aus
JP-60-88311-A bekannt. Eine weitere Drehimpulserfassungs
einrichtung, die ein algebraisches Verfahren zur Ausgangs
korrektur verwendet, ist aus JP 64-25203-A bekannt.
Die DE 36 08 420 A1 beschreibt eine gattungsgemäße Vorrich
tung zur Bestimmung der Bewegung eines Fahrzeugs, wobei in
Abhängigkeit einer geschätzten Gierrate eine Seitenfüh
rungskraft der Vorder- bzw. Hinterräder geändert wird
(durch eine Änderung der Über- bzw. Untersteuerungscharak
teristik).
Die DE 40 10 332 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Verbes
serung der Fahrzeugstabilität bzw. Fahrsicherheit, bei der
der Lenkwinkel und/oder das Bremsmoment entsprechend einer
erfaßten Querbeschleunigung oder einer tatsächlichen Gier
geschwindigkeit geregelt wird.
Die PCT/WO 90/12698 A1 beschreibt eine weitere Vorrichtung
zum Messen der Gierrate eines Fahrzeugs, wobei dem Ausgang
eines Gyrometers ein Korrekturwert aufgegeben wird.
Bei den obenerwähnten Einrichtungen des Standes der Technik
besteht jedoch das Problem, daß durch Alterungseffekte in
den Kennlinien der Beschleunigungssensoren und durch Unge
nauigkeiten bei der Anbringung der Beschleunigungssensoren
(insbesondere durch eine charakteristische Schwankung bei
einem Paar von Beschleunigungssensoren) Fehler bei der Er
fassung des Gierimpulses verursacht werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Ermittlung von Gierimpulsen eines Fahrzeugs
und eine Verwendung der Vorrichtung für eine Bewegungssteu
ereinrichtung für Fahrzeuge zu realisieren, die eine exakte
und andauernd genaue Gierimpulserfassung ermöglichen.
Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen An
sprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhaf
te Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung
auf.
Erfindungsgemäß können Fehler aufgrund von Alterungseffek
ten der Gierimpulserfassungskennlinie von Beschleunigungs
sensoren und aufgrund ungenauer Anbringung dieser im Fahr
zeug verwendeten Beschleunigungssensoren automatisch korri
giert werden, wobei die Gierimpulserfassungsfunktion für
lange Zeit mit hoher Genauigkeit erhalten bleibt. Weiterhin
können bei der erfindungsgemäßen Verwendung die Fahreigen
schaften eines Fahrzeugs mit hoher Genauigkeit stabil ge
steuert werden. Zudem können Fehler aufgrund einer räumli
chen Verschiebung einer Erfassungsachse bei der Anbringung
der Beschleunigungssensoren im Fahrzeug und außerdem Fehler
aufgrund nicht abgeglichener Ausgangskennlinien der Be
schleunigungssensoren, die während der Fertigung derselben
entstehen, automatisch korrigiert werden.
Erfindungsgemäß werden Beschleunigungssensoren an mehreren
Positionen angebracht, die in bezug auf eine Mittellinie
des Fahrzeugs in einer zum Boden des Fahrzeugs parallelen
Ebene symmetrisch sind, wobei eine Korrektureinrichtung zur
gegenseitigen Anpassung der Kennlinien der Beschleunigungs
sensoren vorgesehen ist. Weiterhin wird der Gierimpuls des
Fahrzeugs anhand von Ausgangssignalen von den Beschleuni
gungssensoren erfaßt, wobei die Ausgangssignale von diesen
Beschleunigungssensoren unter der vorgegebenen Bedingung,
daß das Fahrzeug geradeaus fährt, abgerufen werden, und in
dem die Sensorkennlinien anhand der abgerufenen Ausgangs
signale korrigiert werden.
Ferner steuert eine Bewegungssteuerungseinrichtung den
Lenkwinkel eines Fahrzeugs anhand eines auf den Gierimpuls
bezogenen Signals, wobei der Gierimpuls mittels der oben
beschriebenen Gierimpuls-
Erfassungseinrichtung für Fahrzeuge als Rückkopplungssi
gnal erhalten wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Gierimpuls-
Erfassungseinrichtung für Fahrzeuge können durch die Wir
kung der Korrektureinrichtung, die den als Bezugspunkt
dienenden Nullpunkt eines Beschleunigungssensors mit dem
Nullpunkt eines weiteren Beschleunigungssensors zur Über
einstimmung bringt, die folgenden Fehler beseitigt wer
den, wobei die Angleichung der erwähnten Nullpunkte unter
der Bedingung erfolgt, daß festgestellt wird, daß das
Fahrzeug stillsteht: (1) Fehler bei der Erfassung des
Gierimpulses, die durch Änderungen des Nullpunktes auf
grund von Alterungseffekten verursacht werden; (2) Fehler
bei der Erfassung des Gierimpulses, die entstehen, wenn
der Winkel zwischen einer Erfassungsachse und einer waag
rechten Ebene bei der Montage der Beschleunigungssensoren
in vertikaler Richtung verschoben wird; (3) Fehler bei
der Erfassung des Gierimpulses, der durch eine bei der
Fertigung des Sensors bewirkte Abweichung eines Null
punkt-Ausgangswertes des Beschleunigungssensors von einem
geplanten Wert verursacht wird. Folglich ist es möglich,
den Gierimpuls des Fahrzeugs richtig und genau zu erfas
sen, so daß die Steuerung der Bewegung des Fahrzeugs ver
bessert werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vor
liegenden Erfindung können in dem Fall, in dem der Be
schleunigungswert des Fahrzeugs einen vorgegebenen posi
tiven oder negativen Beschleunigungswert erreicht, wenn
das Fahrzeug geradeaus fährt, die folgenden Fehler der
Gierimpulserfassung verringert oder sogar beseitigt wer
den, sofern der Meßfaktor eines als Bezugssensor arbei
tenden Beschleunigungssensors mit dem Meßfaktor eines
weiteren Beschleunigungssensors zur Übereinstimmung ge
bracht wird: (1) Fehler bei der Erfassung des Gierimpul
ses, die verursacht werden, wenn sich der Meßfaktor auf
grund von Alterungseffekten verändert; (2) Fehler bei der
Erfassung des Gierimpulses, die dadurch verursacht wer
den, daß der Winkel zwischen einer Erfassungsachse eines
Winkelbeschleunigungssensors und einer Bezugsachse entwe
der in vertikaler Richtung oder in horizontaler Richtung
geändert wird, so daß der Meßfaktor der tatsächlichen Be
schleunigung von der tatsächlichen Beschleunigung ver
schieden ist; (3) Fehler bei der Erfassung des Gierimpul
ses, die durch eine Abweichung des Ausgangsmeßfaktors der
tatsächlichen Beschleunigung bei der Fertigung der Be
schleunigungssensoren verursacht werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus
führungsformen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläu
tert; es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild zur Erläu
terung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen
Gierimpuls-Erfassungseinrichtung und einer
diese Gierimpuls-Erfassungseinrichtung ver
wendenden Bewegungssteuerungseinrichtung für
Fahrzeuge;
Fig. 2 eine Draufsicht eines Fahrzeugs, die zur Er
läuterung der Anbringung von Beschleunigungs
sensoren in diesem Fahrzeug verwendet wird;
Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Auf
baus einer Steuereinheit, die in der Bewe
gungssteuereinrichtung für Fahrzeuge verwen
det wird;
Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur beispielhaften
Erläuterung eines Beschleunigungssensors, der
in der Bewegungssteuerungseinrichtung für
Fahrzeuge verwendet wird;
Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung
einer Ausgangskennlinie des Beschleunigungs
sensors;
Fig. 6 ein funktionales Blockschaltbild zur Erläute
rung einer Steueroperation der Bewegungs
steuereinrichtung für Fahrzeuge;
Fig. 7A-C graphische Darstellungen zur Erläuterung des
Verfahrens zur Korrektur der Beschleunigungs
sensoren-Ausgänge;
Fig. 8 ein beispielhaftes Flußdiagramm zur detail
lierten Erläuterung des Verfahrens zur Kor
rektur der Beschleunigungssensor-Ausgänge;
Fig. 9 ein weiteres beispielhaftes Flußdiagramm zur
detaillierten Erläuterung des Verfahrens zur
Korrektur der Beschleunigungssensor-Ausgänge;
Fig. 10 ein Flußdiagramm zur detaillierten Erläute
rung eines Gierimpuls-Rückkopplungssteue
rungsverfahren, das in der Bewegungssteue
rungseinrichtung für Fahrzeuge verwendet
wird; und
Fig. 11A, B eine Darstellung zur Erläuterung der Gierim
puls-Rückkopplungssteuerung bzw. ein Aus
gangssignaldiagramm.
In Fig. 1 ist eine Bewegungssteuerungseinrichtung für
Fahrzeuge gezeigt, die im Fahrzeug auftretende Gierbewe
gung erfaßt und außerdem unter Verwendung der erfaßten
Gierbewegung die Fahrzeugbewegung in einen stabilen Zu
stand steuert. In der Zeichnung wird der Gierimpuls des
Fahrzeugs durch Verwendung eines Beschleunigungssensors
(der im folgenden mit "G-Sensor" bezeichnet wird) erfaßt.
Genauer werden eine Gierwinkelbeschleunigung und eine
Gierwinkelgeschwindigkeit erfaßt, wobei die Gierbewegung
des Fahrzeugs unter Verwendung der Gierwinkelbeschleuni
gung und der Gierwinkelgeschwindigkeit als Rückkopplungs
signale gesteuert wird.
In der Bewegungssteuerungseinrichtung gemäß dieser Aus
führungsform sind zwei G-Sensoren "GA" und "GB" und eine
weitere Sensorgruppe 14 vorgesehen. Außerdem werden zur
Steuerung der Gierbewegung des Fahrzeugs beispielsweise
ein Brems-Antiblockiersystem (das im folgenden mit "ABS"
bezeichnet wird) 15, ein Vierrad-Lenksystem (das im fol
genden mit "4WS" bezeichnet wird) 16 und dergleichen ver
wendet. Zusätzlich ist eine Steuereinheit 6 vorgesehen,
die die von den oben erwähnten Sensoren ausgegebenen Si
gnale empfängt und eine vorgegebene Rechenverarbeitung
ausführt, um die Betätigungselemente des ABS, des 4WS
usw. zu steuern.
Zunächst werden die zwei G-Sensoren "GA" und "GB" erläu
tert. Diese zwei G-Sensoren sind symmetrisch zu einer
Ebene angeordnet, die parallel zur Längsrichtung des
Fahrzeugs orientiert ist und den Schwerpunkt des Fahr
zeugs enthält. Genauer sind die beiden G-Sensoren, wie in
Fig. 2 gezeigt, in einer zur Bodenebene des Fahrzeugs 100
parallelen Ebene so angebracht, daß sie sich an symmetri
schen Positionen in bezug auf eine Mittellinie "L" des
Fahrzeugs 100 in Längsrichtung (die in Fig. 2 nach links
weist) befinden. Die Erfassungsrichtungen dieser Sensoren
sind durch die Pfeile "I" und "II" angegeben. D.h., daß
diese Sensoren in der obenerwähnten Ebene so angebracht
sind, daß sie der Fahrtrichtung des Fahrzeugs entgegenge
richtet sind.
Diese G-Sensoren werden nun im einzelnen beschrieben. Wie
in Fig. 4 gezeigt, ist ein solcher G-Sensor ein Halblei
ter-G-Sensor, in dem ein elektrostatisches Servosystem
zur Anwendung kommt. In dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel
wird auf einen Trägheitskörper 30 eine Trägheitskraft
ausgeübt, wenn in Pfeilrichtung eine Beschleunigung
wirkt; somit wird der einseitig unterstützte Hebel 31 ab
gelenkt, so daß seine Position in der Richtung, in der
die Beschleunigung wirkt, verschoben wird. Gleichzeitig
wird aufgrund einer Änderung der Größe des Abstandes zwi
schen dem Trägheitskörper 30 und den auf die isolierenden
Platten 32 und 33 ausgebildeten Elektroden 34 bzw. 35 die
Kapazität (elektrostatische Kapazität) des durch die
obere und die untere Elektrode 34 bzw. 35 und den Träg
heitskörper 30 gebildeten Kondensators geändert.
Allgemein ist die Kapazität "C" eines Kondensators fol
gendermaßen gegeben:
C = εs/d,
wobei das Symbol "ε" die dielektrische Konstante, das
Symbol "s" die Fläche einer Elektrode und das Symbol "d"
den Abstand zwischen zwei Kondensatorplatten bezeichnet.
Das bedeutet, daß der in der vorliegenden Erfindung ver
wendete G-Sensor die Beschleunigung mittels einer Be
schleunigungserfassungsschaltung 36 erfaßt, wobei diese
Erfassungsschaltung 36 die Beschleunigungsabhängigkeit
die Kapazität ausnutzt. Ein solches Beschleunigungserfas
sungssystem ist ein sogenanntes elektrostatisches Servo
system, in dem die zwischen den Elektroden anliegende
Spannung auf der Grundlage einer Rückkopplungsgröße ent
sprechend dem Ausmaß der erfaßten Beschleunigung gesteu
ert wird, so daß die Position des Trägheitskörpers 30
kontinuierlich in der Mitte zwischen den zwei Elektroden
34 und 35 positioniert wird. In der Beschleunigungserfas
sungsschaltung 36 wird eine Veränderungsgröße "ΔC" der
Kapazität "C" von einem Detektor 37 erfaßt, anschließend
wird die erfaßte Veränderungsgröße "ΔC" von einem Ver
stärker 38 verstärkt. Damit wird beispielsweise ein Im
pulsbreitenmodulations-Inverter (PWM-Inverter) 39 so ge
steuert, daß das sich ergebende Signal den Wert "0" an
nimmt. Außerdem wird mittels der elektrostatischen Kraft,
die durch die Elektroden 34 und 35 erzeugt wird, eine
Steuerung ausgeführt, derart, daß sich der Trägheitskör
per 30 stets an derselben Position (d. h. im wesentlichen
in der Mitte zwischen den Elektroden 35 und 35) befindet,
indem an die vertikal übereinander angeordneten Elektro
den 34 und 35 ein Spannungssignal angelegt wird, das
durch die Umwandlung eines Ausgangs des PWM-Inverters 39
in einem Wandler 40 erhalten wird. Außerdem wird das
Steuersignal des PWM-Inverters 39 über ein Tiefpaßfilter
41 in einen Verstärker 42 eingegeben, wobei dieser Ver
stärker 42 die gesuchte Beschleunigung ausgibt.
In Fig. 5 ist die Beziehung zwischen dem Ausgang des G-
Sensors durch eine durchgezogene Linie dargestellt. Die
Ausgangskennlinie (d. h. die durchgezogene Linie 18) wird
als Basis-Ausgangskennlinie dieses G-Sensors bezeichnet.
Nun wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Sensor
gruppe 14 umfaßt verschiedene an sich bekannte Sensoren
wie etwa einen Handbremsschalter 1, einen Fußbremsschal
ter 2, einen Radgeschwindigkeitssensor 3, einen Lenkwin
kelsensor 4, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 5 und
dergleichen.
Eine Einrichtung 7 zur Steuerung der Gierbewegung des
Fahrzeugs umfaßt einerseits ein ABS 15, das eine ABS-
Steuereinheit 10 und ABS-Betätigungselemente 12 aufweist,
und andererseits das 4WS 16, das eine 4WS-Steuereinheit
11 und 4WS-Betätigungselemente 13 aufweist.
Wie in Fig. 3 gezeigt, umfaßt die Steuereinheit 6 eine
Zentraleinheit (CPU) 150, einen Festwertspeicher (ROM)
151, der als Speichereinrichtung dient, und einen
Schreib-/Lesespeicher (RAM) 152. Die CPU 150 führt mit
tels der vier Grundrechenarten vorgegebene Berechnungen,
eine Vergleichsberechnung und ferner die Steuerung von
Eingangs-/Ausgangssignalen aus, während im ROM 151 die in
den obigen Berechnungen verwendeten Konstanten oder der
gleichen und außerdem Programme gespeichert sind. Das RAM
152 wird zum Speichern von Variablen und dergleichen ver
wendet. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die Steuereinheit 6
außerdem eine Gierimpuls-Erfassungseinheit 8, eine
Gierimpuls-Vorhersageeinheit 9, die ABS-Steuereinheit 10
und die 4WS-Steuereinheit 11. Die Signalwege zwischen
diesen Konstruktionseinheiten sind in Fig. 1 durch Pfeile
gekennzeichnet.
Zunächst werden in die Gierimpuls-Vorhersageeinheit 9 ein
vom Lenkwinkelsensor 4 ausgegebenes Signal θf und ein vom
Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 5 ausgegebenes Signal V
eingegeben. Dann schließt die Gierimpuls-Vorhersageein
heit 9 anhand dieser Signale auf die Gierwinkelgeschwin
digkeit ωT und auf die Gierwinkelbeschleunigung dωT/dt
des Fahrzeugs.
In die Gierimpuls-Erfassungseinheit 8 werden die Aus
gangssignale der G-Sensoren GA und GB, ein Signal SS vom
Handbremsschalter 1, ein Signal FS vom Fußbremsschalter
2, ein Signal WV vom Radgeschwindigkeitssensor 3, ein Si
gnal θf vom Lenkwinkelsensor 4 und ein Signal FABS von
der ABS-Steuereinheit 10 eingegeben. Damit berechnet die
Gierimpuls-Erfassungseinheit 8 gemäß einem bestimmten
Verfahren (das später beschrieben wird) anhand von ωs und
von dωs/dt den Gierimpuls.
Das Signal FS vom Fußbremsschalter 2, das Signal WV vom
Radgeschwindigkeitssensor 3, das Signal V vom Fahrzeugge
schwindigkeitssensor 5, die Gierimpulssignale ωs und
dωs/dt von der Gierimpuls-Erfassungseinheit 8 und außer
dem die gefolgerten Gierimpulssignale ωT und dωT/dt von
der Gierimpuls-Vorhersageeinheit 9 werden in die obener
wähnte ABS-Steuereinheit 10 eingegeben. Anhand dieser Si
gnale gibt die ABS-Steuereinheit 10 an das ABS-Betäti
gungselement 12 ein Signal aus, mit dem unter Beibehal
tung der Bremskraft oder -wirkung die Gierbewegung ge
steuert wird. Außerdem werden die Gierimpulssignale ωs,
dωs/dt von der Gierimpuls-Erfassungseinheit 8, das Signal
θf vom Lenkwinkelsensor 4, das Signal V vom Fahrzeugge
schwindigkeitssensor 5 und außerdem die gefolgerten
Gierimpulssignale ωT und dωT/dt von der Gierimpuls-Vor
hersageeinheit 9 in die 4WS-Steuereinheit 11 eingegeben,
die anhand dieser Signale an das 4WS-Betätigungselement
13 ein Steuersignal ausgibt, mit dem ebenfalls die Gier
bewegung des Fahrzeugs gesteuert wird.
Nun wird mit Bezug auf Fig. 6 ein Verfahren zur Gewinnung
der Gierimpulsgrößen ωs und dωs/dt des Fahrzeugs aus den
Ausgangssignalen SGA und SGB von den G-Sensoren GA und GB
genauer erläutert. Dieses Verfahren wird in der obener
wähnten Gierimpuls-Erfassungseinheit 8 ausgeführt.
Zunächst werden die Signale SGA und SGB von den G-Senso
ren GA und GB in eine G-Sensorausgang-Holeinheit 19 ge
holt, in der diese Signale gefiltert werden, um Rausch
komponenten und dergleichen zu beseitigen.
Die von der G-Sensorausgang-Holeinheit 19 gefilterten
Kennlinien der Signale SGA und SGB unterscheiden sich von
der in Fig. 5 gezeigten Basis-Ausgangskennlinie 18 auf
grund von Differenzen zwischen den den G-Sensoren eigen
tümlichen Kennlinien, aufgrund von Änderungen der Umge
bungstemperaturen der G-Sensoren und aufgrund linearer
Verschiebungen und Verdrehungen beim Anbringen der G-Sen
soren und dergleichen. Wenn beispielsweise die Erfas
sungsachse der G-Sensoren (die der Richtung entspricht,
entlang der der in Fig. 4 gezeigte Trägheitskörper 30 be
wegt wird, d. h. der vertikalen Richtung) um einen vorge
gebenen Betrag gegenüber der horizontalen Richtung ge
neigt wird, weil der G-Sensor bei der Montage eine li
neare Verschiebung oder eine Drehung erfährt, können die
Ausgänge der G-Sensoren durch die Erdbeschleunigung be
einflußt werden, so daß die Ausgangskennlinie dieses Sen
sors von der obenerwähnten Basis-Ausgangskennlinie ab
weicht.
Wenn daher beispielsweise die Ausgangssignale SGA und SGB
eines Paars von G-Sensoren GA und GB eine Kennlinie wie
die in Fig. 7A gezeigte Kennlinie bilden, wird auf der
Grundlage von Ausgangswerten SG₁-Φ bzw. SG₂-Φ der G-Sen
soren unter der Bedingung, daß die auf die G-Sensoren
wirkende Beschleunigung den Wert "0" besitzt (z. B. wenn
das Fahrzeug stillsteht), in der Nullpunkt-Korrekturein
heit 20 ein Bezugsausgangswert SG-Φ für die Nullpunkt-
Korrektur SGS bestimmt. Außerdem werden in der Nullpunkt-
Korrektureinheit 20 die Ausgangswertkennlinien SG₁ und
SG₂ am neutralen Punkt der Bezugs-Ausgangswertkennlinie
SGS zum Schnitt gebracht, indem diese Kennlinien anhand
der Differenz zwischen der Bezugs-Ausgangswertkennlinie
SGs und den Ausgangswertkennlinien SG₁ und SG₂ parallel
verschoben werden. Durch die obigen Korrekturoperationen
ergeben sich aus den Ausgangskennlinien der G-Sensoren
Kennlinien, die durch die Symbole SG₁′ und SG₂′ bezeich
net sind und deren neutrale Punkte miteinander überein
stimmen, wie in Fig. 7B gezeigt ist.
Ferner wird in einer Meßfaktor-Korrektureinheit 21 auf
der Grundlage eines Ausgangswertes, der erhalten wird,
wenn auf die G-Sensoren eine bestimmte Beschleunigung
wirkt, ein Meßfaktorkorrekturwert für die Bezugsausgangs
kennlinie bestimmt. Anschließend wird durch einen Ver
gleich zwischen der Neigung der Bezugsausgangskennlinie
SGS und den Neigungen der Ausgangskennlinien SG₁′ und
SG₂′ die Neigung der Ausgangskennlinie so bestimmt, daß
Ausgangskennlinien SG₁′′ und SG₂′′ erhalten werden, die
sowohl hinsichtlich ihrer neutralen Punkte als auch hin
sichtlich ihrer Neigungen miteinander übereinstimmen, wie
in Fig. 7C gezeigt ist. Anschließend wird auf der Grund
lage der Ausgangssignale, deren Ausgangskennlinien auf
die obenbeschriebene Weise korrigiert worden sind, in der
Gierimpuls-Erfassungseinheit 22 der Gierimpuls berechnet.
Nun wird mit Bezug auf Fig. 2 das Prinzip der Berechnung
des Gierimpulses erläutert.
Es wird angenommen, daß der Schwerpunkt 23 des Fahrzeugs
100 als Ursprung eines x-Y-Koordinatensystems gewählt
wird. Hierbei weist die positive Richtung der Y-Achse in
Fahrtrichtung des Fahrzeugs 100 (d. h. in Fig. 2 nach
links), während die positive Richtung der X-Achse in der
Zeichnung nach oben weist. Es wird festgestellt, daß zwei
der obenbeschriebenen G-Sensoren GA und GB in bezug auf
die obige Y-Achse symmetrisch und in der obenerwähnten X-
Y-Ebene parallel zur Bodenebene des Fahrzeugs angeordnet
sind.
Ferner werden die geraden Linien, die vom Schwerpunkt 23
des Fahrzeugs durch die Anbringungspunkte A und B der G-
Sensoren GA bzw. GB verlaufen, mit RA und RB bezeichnet.
Dann gilt für die Winkel ΘA und ΘB zwischen der X-Achse
und den geraden Linien RA bzw. RB, die auf die Punkte A
bzw. B weisen, die folgende Beziehung:
ΘB = π - ΘA (π = 180°).
Da die bei der Erfassung der Beschleunigung erzeugten
Ausgänge der G-Sensoren vektorielle Größen sind, werden
die in der Zeichnung durch die Pfeile I und II bezeichne
ten Richtungen positiv gezählt.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Anbringungsstruktur der G-
Sensoren GA und GB wird keine Fahrzeugrollkomponente er
faßt. Ferner können durch die Berechnung einer Differenz
zwischen den Ausgangssignalen SGA und SGB der G-Sensoren
GA bzw. GB die Nickbewegungskomponenten kompensiert wer
den. Daher entsprechen die Geschwindigkeiten VA und VB
entlang der Y-Achse in den Anbringungspunkten A und B in
Fig. 2 einer Geschwindigkeit, die durch die Kombination
der die Y-Komponente der translatorischen Bewegung dar
stellenden Geschwindigkeit Vg mit der Geschwindigkeit der
Y-Komponente der Gierbewegung erhalten wird. Daher werden
die Beschleunigungssignale SGA und SGB, die von den G-
Sensoren erfaßt werden, folgendermaßen erhalten:
SGA = dVA/dt = dVG/dt + RA · dω/dt · cosΘA,
SGB = dVB/dt = dVG/dt + RB · dω/dt · cosΘB.
SGB = dVB/dt = dVG/dt + RB · dω/dt · cosΘB.
Die Differenz ΔG zwischen den erfaßten Beschleunigungen
ergibt sich folgendermaßen:
ΔG = SGA - SGB = dω/dt · (RAcosΘA - RBcosΘB).
Da RAcosΘA - RBcosΘB = R gilt, ergibt sich:
dω/dt = ΔG/R,
wobei das Symbol "R" den Abstand zwischen den beiden An
bringungspunkten der G-Sensoren der GA und GB angibt.
Daher kann, wie oben beschrieben, die Gierwinkelbeschleu
nigung dω/dt des Fahrzeugs anhand der von den G-Sensoren
GA und GB ausgegebenen Erfassungssignale SGA und SGB er
halten werden.
In den Fig. 8 und 9 sind Flußdiagramme zur genauen Erläu
terung der obenerwähnten Operationen gezeigt.
In den Schritten 201 und 202, die der Operation der oben
mit Bezug auf Fig. 6 erläuternden G-Sensorausgang-Holein
heit 19 entsprechen, werden die Ausgänge SGA und SGB nach
jeweils 1 ms beispielsweise von einem 10-Bit-A/D-Umsetzer
von den G-Sensoren geholt, anschließend wird ein aus vier
Sätzen von geholten Daten berechneter Mittelwert nach je
weils 5 ms als Ausgangssignal SG₁ bzw. SG₂ an die G-Sen
sorausgang-Holeinheit 19 geliefert.
In den Schritten 203 bis 213, die der Operation der Null
punkt-Korrektureinheit 20 entsprechen, werden unter der
Voraussetzung, daß die im folgenden genannten Bedingungen
erfüllt sind, die neutralen Punkte SG₁-Φ und SG₂-Φ der
Ausgänge der jeweiligen Sensoren GA und GB durch Korrek
turwerte aktualisiert. Die erwähnten Bedingungen lauten:
(1) die Handbremse und/oder die Fußbremse wird betätigt,
wenn das Fahrzeug stillsteht; (2) die Fahrzeuggeschwin
digkeit ist gleich oder kleiner 10 km/h; (3) sämtliche
Radgeschwindigkeiten sind gleich oder kleiner als 10
km/h; (4) die Werte der G-Sensorausgänge SG₁ und SG₂ sind
angenähert gleich dem neutralen Punkt (d. h. einem der Be
schleunigung "0" entsprechenden Punkt) der Bezugsaus
gangskennlinie, so daß sie etwa im Bereich ± 10% des der
erfaßten maximalen Beschleunigung entsprechenden Ausgangs
liegen. Die Aktualisierungsoperation wird wiederholt,
wenn die obigen Bedingungen (1) bis (4) erfüllt sind;
diese Operation entspricht einer linearen Verschiebung
des neutralen Punktes der Ausgangskennlinie aufgrund vor
übergehender Temperaturschwankungen.
Die obenerwähnten Bedingungen (1) bis (4) werden auch
dazu verwendet, sämtliche Erfassungsoperationen für den
Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 5, den Radgeschwindig
keitssensor 3 und die G-Sensoren GA und GB zu bestätigen.
In der obenbeschriebenen bevorzugten Ausführungsform wer
den außerdem durch die Ausgangssignale SGA und SGB der G-
Sensor GA bzw. GB zwei neutrale Punkte erzeugt, so daß
einer von diesen neutralen Punkten als Korrekturwert aus
gegeben werden kann. Gemäß dieser bevorzugten Ausfüh
rungsform werden die beiden neutralen Punkte miteinander
verglichen, wobei der höherwertigere neutrale Punkt als
Korrekturwert ausgegeben wird. In anderen Verfahren kön
nen auch der niederwertigere neutrale Punkt oder der dem
neutralen Punkt der Bezugsausgangskennlinie am nächsten
befindliche neutrale Punkt oder der neutrale Punkt der
Bezugsausgangskennlinie als Korrekturwert ausgegeben wer
den.
Aus diesen erwähnten Verfahren wird unter Berücksichti
gung des Rechenaufwandes und der Verwendung der Ausgänge
der G-Sensoren in anderen Steuereinheiten das geeignete
Verfahren ausgewählt.
Anschließend wird zum unkorrigierten Ausgang die Diffe
renz zwischen dem neutralen Punkt der korrigierten Aus
gangskennlinie und dem neutralen Punkt der nicht korri
gierten Ausgangskennlinie kontinuierlich addiert, so daß
die neutralen Punkte der beiden Ausgangskennlinien mit
einander übereinstimmen. Dieser Punkt, in dem die Aus
gangskennlinien miteinander übereinstimmen, wird als ge
meinsamer Punkt SG-Φ bezeichnet.
Anschließend aktualisiert die Meßfaktor-Korrektureinheit
21 zur Meßfaktorkorrektur die Verstärkungsfaktoren SPAN-N
und SPAN-W, wenn das Fahrzeug mit einer bestimmten Be
schleunigung geradeaus fährt, keine Gierbewegung auftritt
und die Differenz zwischen den Ausgängen der beiden G-
Sensoren sehr klein ist. Beispielsweise werden die Ver
stärkungsfaktoren dann aktualisiert, wenn sämtliche der
folgenden Bedingungen (a) bis (f) erfüllt sind: (a) der
Lenkwinkel befindet sich in bezug auf die neutrale Posi
tion in einem Bereich von ± 2°; (b) die Fahrzeuggeschwin
digkeit beträgt 10 km/h oder mehr; (c) die Verzögerung
(negative Beschleunigung) beträgt 0,5 g; (d) die Diffe
renz zwischen den Geschwindigkeiten des linken und des
rechten nicht angetriebenen Rades beträgt weniger als 1
km/h; (e) das ABS arbeitet nicht; (f) die Differenz zwi
schen den Ausgangssignalen SG₁′ und SG₂′ beträgt 0,1 g
oder weniger.
Obwohl der oben erwähnte bestimmte Beschleunigungswert
vorzugsweise während eines Bremsvorgangs des Fahrzeugs
gewählt wird, so daß im Vergleich zum Wert im neutralen
Punkt ein größerer Absolutwert erhalten werden kann, wird
darauf hingewiesen, daß der bestimmte Beschleunigungswert
auch während einer positiven Beschleunigung des Fahrzeugs
aufgenommen werden kann. Wenn die obenerwähnten Bedingun
gen (a) bis (f) erfüllt sind, kann auch eine Differenz
zwischen dem Signal SG-Φ und dem Signal SG₁′ oder zwi
schen dem Signal SG-Φ und dem Signal SG₂′ berechnet wer
den, so daß für den einen Verstärkungsfaktor SPAN-W zur
Meßfaktorkorrektur ein großer Wert verwendet wird, wäh
rend für den anderen Verstärkungsfaktor SPAN-N zur Meß
faktorkorrektur ein kleiner Wert verwendet wird. D.h.,
daß der große Meßfaktor als Bezugsausgang verwendet wird
und die Meßfaktorkorrektur durch die Multiplikation des
nicht als Bezugsausgang dienenden Ausgangs mit dem Ver
hältnis von SPAN-W zu SPAN-N ausgeführt wird.
Es sind ein Verfahren zur Auswahl eines kleinen Meßfak
tors als Korrekturwert und ein weiteres Verfahren zur
Auswahl eines Ausgangs in der Nähe des Meßfaktors und zur
Auswahl des Korrekturwertes aus den korrigierten Ausgän
gen denkbar, die sich von den obenbeschriebenen Verfahren
unterscheiden. Genauso kann ein geeignetes Meßfaktor
korrekturverfahren unter Berücksichtigung des Rechenauf
wandes und der Verwendung der Ausgänge der G-Sensoren in
anderen Steuereinheiten ausgewählt werden.
Die obenbeschriebene Korrekturoperation wird jedesmal
wiederholt, wenn die obenbeschriebenen Bedingungen er
füllt sind; somit spricht die Korrekturoperation auf Meß
faktoränderungen aufgrund von Temperaturschwankungen an.
Schließlich können mit den obenerwähnten Bedingungen die
Funktionen des Radgeschwindigkeitssensors, der G-Sensors
und dergleichen bestätigt werden.
Die Gierimpuls-Erfassungseinheit 22 berechnet eine soge
nannte "Gierwinkelbeschleunigung (dω/dt)", indem sie
zunächst die Differenz zwischen den Ausgangssignalen SG₁′′
und SG₂′′, die durch das obenbeschriebene Verfahren korri
giert worden sind, berechnet und anschließend diese Dif
ferenz mit einem auf den Anbringungsabstand zwischen den
G-Sensoren und der Einheit 22 bezogenen Koeffizienten
"VERSTÄRKUNG" multipliziert.
Danach wird der Gierimpuls, der gemäß dem obenbeschriebe
nen Verfahren erfaßt worden ist, als Rückkopplungssignal
verwendet, um die Gierbewegung des Fahrzeugs 100 zu steu
ern, die nun erläutert wird. Wenn das Fahrzeug auf einer
Fahrbahn mit unterschiedlichen Reibungskoeffizienten µ
(d. h. auf einer Fahrbahn, auf der die Reibungskoeffizien
ten an den rechten und an den linken Rädern des Fahrzeugs
verschieden sind) plötzlich gebremst wird, führt das
Fahrzeug beispielsweise entgegen dem Uhrzeigerzinn eine
Gierbewegung aus, wie in Fig. 11A gezeigt ist. In Fig.
11B sind der Gierwinkel Θ des Fahrzeugs und die Gierge
schwindigkeit ω desselben während eines solchen Bremsvor
gangs dargestellt. In dieser graphischen Darstellung
stellen durch durchgezogene Linien gekennzeichnete Kurven
81 und 83 den Gierwinkel des Rades und die Gierwinkelbe
schleunigung für den Fall dar, in dem das Vierradlenksy
stem nicht betätigt wird, während die durch unterbrochene
Linien angegebenen Kurven 82 und 84 den Gierwinkel des
Rades und die Giergeschwindigkeit für den Fall darstel
len, in dem das Vierradlenksystem in Betrieb ist. Wenn
eine solche Gierbewegung auftritt, kann ein Fahrer das
Fahrzeug nicht nach seinem Willen steuern, so daß ein ge
fährlicher Zustand entsteht. Diese Gierbewegung wird
durch nicht im Gleichgewicht befindliche Kräfte an den
jeweiligen Rädern des Fahrzeugs verursacht, so daß der
erwähnte gefährliche Zustand dadurch verhindert werden
kann, daß die Bremskräfte und der Einschlagwinkel der Rä
der gesteuert wird. Daher wird erfindungsgemäß das Vier
radlenksystem (4WS) unter Verwendung des durch die oben
beschriebene Operation erfaßten Gierimpulses als Rück
kopplungssignal gesteuert, so daß die Gierbewegung des
Fahrzeugs gesteuert werden kann.
In Fig. 10 ist ein Flußdiagramm gezeigt, in dem ein Ver
fahren zur Berechnung des Radeinschlagwinkels oder Lenk
winkels Θr bzw. ein Vierradlenkverfahren zur Steuerung
der Gierbewegung des Fahrzeugs dargestellt ist. Diese
Routine wird jeweils nach einem konstanten Zeitintervall
(von beispielsweise 5 ms) begonnen und abgearbeitet.
In einem ersten Verarbeitungsschritt 71 wird anhand der
Ausgänge eines oder mehrerer Radgeschwindigkeitssensoren
3 die Fahrzeuggeschwindigkeit V berechnet und über einen
A/D-Umsetzer oder dergleichen geholt. Im nächsten Verar
beitungsschritt 72 wird ein Einschlagwinkel Θf auf ähnli
che Weise über den A/D-Umsetzer oder dergleichen geholt.
Anhand dieses Einschlagwinkels Θf wird eine erste Zeitab
leitung dΘf/dt gewonnen. In einem Verarbeitungsschritt 73
wird anhand der geholten Signale V, Θf und dΘf/dt eine
Soll-Gierwinkelbeschleunigung dωT/dt bestimmt. Anschlie
ßend wird in einem Verarbeitungsschritt 74 die von der
Gierimpuls-Erfassungseinheit 22 (siehe Fig. 6) erhaltene
Gierwinkelbeschleunigung dωs/dt geholt. Dann wird in ei
nem Verarbeitungsschritt 75 die Abweichung Δ(dω/dt) zwi
schen den geholten Beschleunigungssignalen dωT/dt und
dωs/dt berechnet. Anhand dieser Abweichung Δ(dω/dt) wird
in einem Verarbeitungsschritt 76 der Einschlagwinkel Θr
berechnet, um so das 4WS-System zu steuern. Gemäß dieser
Ausführungsform der Erfindung können durch die Steuerung
des 4WS-Systems sichere Fahreigenschaften und ein Gierim
puls, der durch die Kurven 82 und 84 gegeben ist, erhal
ten werden.
Aus der obigen Beschreibung der vorliegenden Erfindung
ist ersichtlich, daß verschiedene Fehler bei der Erfas
sung des Gierimpulses erfindungsgemäß beseitigt werden
können, die durch den Beschleunigungssensoren eigentümli
che Eigenschaften und außerdem durch die Anbringung der
Sensoren oder dergleichen verursacht werden. Somit kann
der Gierimpuls des Fahrzeugs richtig erfaßt werden. Daher
ergibt sich erfindungsgemäß der besondere technische Vor
teil, daß eine Bewegungssteuerungseinrichtung mit ausge
zeichneten Bewegungssteuerungsfähigkeiten geschaffen wer
den kann, wenn der richtig erfaßte Gierimpuls verwendet
wird.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur Ermittlung von Gierimpulsen eines Fahr
zeugs mit
- - zumindest zwei Beschleunigungssensoren (GA, GB), die bezüglich einer durch den Schwerpunkt (23) des Fahr zeugs (100) verlaufenden vertikalen Achse symmetrisch in einer dazu senkrechten Ebene angeordnet sind,
- - einer Gierimpulserfassungseinheit (8) zur Erfassung von Gierimpulsen des Fahrzeugs (100), basierend auf Ausgänge (SG₁, SG₂) der Sensoren (GA, GB),
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Korrektureinheit (20, 21) zur gegenseitigen An gleichung der Ausgänge (SG₁, SG₂) der Sensoren (GA, GB) vorgesehen ist, wobei die Angleichung der Sensorkennli nien bei zumindest zwei bekannten Beschleunigungswerten erfolgt
und
eine Berechnungseinheit (22) auf der Grundlage der kor rigierten Kennlinien den auftretenden Ist-Gierimpuls ermittelt.
eine Korrektureinheit (20, 21) zur gegenseitigen An gleichung der Ausgänge (SG₁, SG₂) der Sensoren (GA, GB) vorgesehen ist, wobei die Angleichung der Sensorkennli nien bei zumindest zwei bekannten Beschleunigungswerten erfolgt
und
eine Berechnungseinheit (22) auf der Grundlage der kor rigierten Kennlinien den auftretenden Ist-Gierimpuls ermittelt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Korrektureinheit (20) eine Nullpunkt-Korrektur
durchführt, wobei bei einer bekannten Beschleunigung,
die im wesentlichen 0 beträgt, die Kennlinien der Sen
soren (GA, GB) an einem Bezugspunkt zur Deckung ge
bracht werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Korrektureinheit (20) die Kennlinien parallel
verschiebt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Korrektureinheit (21) eine Meßfaktor-
Korrektur durchführt, wobei bei einer bekannten Be
schleunigung, die nicht im wesentlichen 0 beträgt, die
Kennlinien der Sensoren (GA, GB) miteinander bezüglich
ihrer Neigung in Übereinstimmung gebracht werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschleunigung negativ ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinheit
(20, 21) die Kennlinien-Korrektur nur beim Vorliegen
von bestimmten Fahrzeugbetriebsbedingungen durchführt,
wobei eine oder mehrere der Betriebsbedingungen
Radgeschwindigkeit, Unterschiede der Radgeschwindig
keiten von verschiedenen Rädern, Lenkwinkel, Bremsbe
tätigung, Handbremsbetätigung, abgefragt werden.
7. Verfahren zur Ermittlung von Gierimpulsen eines Fahr
zeugs, mit den folgenden Schritten
- (A) Erfassen von Ausgängen (SG₁, SG₂) von zumindest zwei Beschleunigungssensoren (GA, GB), die bezüg lich einer durch den Schwerpunkt (23) des Fahr zeugs (100) verlaufenden vertikalen Achse symme trisch in einer dazu senkrechten Ebene angeordnet sind,
- (B) gegenseitiges Angleichen der Ausgänge (SG₁, SG₂) der Sensoren (GA, GB), wobei die Angleichung der Sensorkennlinien bei zumindest zwei bekannten Be schleunigungswerten erfolgt
und
- (c) Berechnen des Ist-Gierimpulses auf der Grundlage der korrigierten Kennlinien.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Nullpunkt-Korrektur durchgeführt wird, wobei bei
einer bekannten Beschleunigung, die im wesentlichen 0
beträgt, die Kennlinien der Sensoren (GA, GB) an einem
Bezugspunkt zur Deckung gebracht werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kennlinien zur Nullpunkt-Korrektur parallel ver
schoben werden.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich
net, daß eine Meßfaktor-Korrektur durchgeführt wird,
wobei bei einer bekannten Beschleunigung, die nicht im
wesentlichen 0 beträgt, die Kennlinien der Sensoren
(GA, GB) miteinander bezüglich ihrer Neigung in Über
einstimmung gebracht werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschleunigung zur Meßfaktor-Korrektur negativ ist.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinien-Korrek
tur nur beim Vorliegen von bestimmten Fahrzeugbetriebs
bedingungen durchgeführt wird, wobei eine oder mehrere
der Betriebsbedingungen Radgeschwindigkeit, Unterschie
de der Radgeschwindigkeiten von verschiedenen Rädern,
Lenkwinkel, Bremsbetätigung, Handbremsbetätigung, ab
gefragt wurden.
13. Verwendung der Vorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 6 für eine Bewegungssteuereinrichtung
für Fahrzeuge, wobei
- (A) basierend auf einer erlangten Fahrzeuggeschwindig keit (V) und eines Lenkwinkels (Θf) ein Soll- Gierimpuls (dωt/dt) ermittelt wird, und
- (B) basierend auf einem Angleich zwischen dem ermit telten Soll-Gierimpuls (dωt/dt) und dem auftreten den Ist-Gierimpuls (dωs/dt) eine Lenkeinheit (11, 13) und/oder eine Bremseinheit (10, 12) entspre chend angesteuert werden.
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