Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein Fahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen oder ei¬ nen Lastkraftwagen, zur Ermittlung mindestens eines Seiten¬ wind-Wertes eines Seitenwind-Einflusses, der durch aiif das Fahrzeug wirkenden Seitenwind erzeugt wird.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der DE 41 27 725 Al beschrieben. Die bekannte Vorrichtung benötigt Druck¬ sensoren, um den Seitenwind-Einfluss zu erfassen. Drucksenso¬ ren an der Außenseite eines Fahrzeugs anzubringen, ist jedoch ästhetisch oft nicht vorteilhaft. Zusätzlich ist der kon¬ struktive und kostenmäßige Aufwand für derartige Sensoren nicht unbeträchtlich. Andererseits sind Seitenwind-Werte zur Qualifizierung eines Seitenwind-Einflusses hilfreich, bei¬ spielsweise um ein Lenkassistenzsystem zu realisieren, das Seitenwind-Einflüsse kompensiert. Der Fahrer des Fahrzeugs muss dann die Seitenwind-Einflüsse auf das Fahrzeug nicht durch manuelle Lenkeingriffe aktiv beseitigen, sondern wird diesbezüglich durch das Lenkassistenzsystem unterstützt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern, um Seitenwind-Einflüsse auch ohne Drucksensoren zu erfassen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs ge¬ nannten Art gelöst, die Schätzmittel zur Schätzung des min¬ destens einen Seitenwind-Wertes anhand eines Querbeschleuni- gungswerts und eines Gierratenwerts auf der Basis eines Fahr¬ zeugmodells aufweist. Zur Lösung der Aufgabe dient ferner ein entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren.

Vorteilhafterweise wird der Querbeschleunigungswert als Quer- beschleunigungs-Sensorwert mit Hilfe eines Querbeschleuni- gungssensors erfasst. Vorteilhafterweise wird ergänzend oder alternativ der Gierratenwert als Gierraten-Sensorwert mit Hilfe eines Gierratensensors erfasst. Die Erfassung dieser beiden Werte bzw. Größen mit Hilfe entsprechend ausgestalte¬ ter Sensormittel soll keine Einschränkung darstellen. Es ist ebenso denkbar, diese beiden Werte bzw. Größen mit Hilfe ge¬ eigneter Modelle oder Schätzmittel, beispielsweise aus der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Lenkradwinkel zu ermitteln.

Bei dem vorstehend erwähnten Fahrzeugmodell handelt es sich vorteilhafterweise um ein linearisiertes Querdynamik- Einspurmodell des Fahrzeuges.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass die beiden Begriffe Gier¬ rate und Giergeschwindigkeit dieselbe physikalische Größe be¬ schreiben und somit gleichbedeutend sind.

Ein Grundgedanke der Erfindung ist, anhand von durch Fahr¬ zeug-Sensoren erfassten Sensorwerten und eines linearisierten Einspurmodells der Querdynamik des Fahrzeugs, beispielsweise mit den Formeln (1) und (2)

= a sensor _ ^ c - gφ (D

einen oder mehrere Seitenwind-Werte, insbesondere einen Sei¬ tenwind-Kraftwert Sw, zu ermitteln. Dies wird durch das er¬ findungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrich¬ tung erreicht. Der mindestens eine Seitenwind-Wert kann bei¬ spielsweise durch ein Lenkassistenzsystem und/oder ein Steer- by-wire-System zur Unterstützung des Fahrzeug-Fahrers ausge¬ wertet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugs¬ weise als Lenkassistenzsystem ausgestaltet bzw. in einem sol¬ chen enthalten. Die Vorrichtung eignet sich für eine Vielzahl von Fahrzeug-Typen, z.B. Personen-Fahrzeuge und Nutzfahrzeu¬ ge, aber z.B. auch für Motorräder.

Bei den Formeln (1) und (2) bedeuten:

vy Quergeschwindigkeit, bzw. v Querbeschleunigung des Fahr¬ zeugs,

ayse"s wankbereinigte Querbeschleunigung des Fahrzeugs,

ψ Giergeschwindigkeit und ψ Gierbeschleunigung des Fahr¬ zeugs,

Vx Längsgeschwindigkeit oder Fahrgeschwindigkeit des Fahr¬ zeugs,

g Erdbeschleunigung,

Φ Straßenquerneigung,

Sv Seitenkraft an der Vorderachse des Fahrzeugs,

lv Abstand der Vorderachse des Fahrzeugs von dessen Schwer¬ punkt SP,

Sh Seitenkraft an der Hinterachse des Fahrzeugs,

lh Abstand der Hinterachse des Fahrzeugs von dessen Schwer¬ punkt SP, Sw durch Seitenwind-Einfluss verursachte Seitenwind-Kraft,

e Abstand ("Seitenwind-Hebelarm") zwischen Fahrzeugschwer¬ punkt SP und aerodynamischen Angriffspunkt AP,

J22 Trägheitsmoment um die Hochachse des Fahrzeugs.

Die obengenannten Großen sind größtenteils auch in Figur 1 der Zeichnung eingezeichnet .

Für bekannte Steuerungsaufgaben des Fahrzeugs, insbesondere für ein Fahrstabilitätssystem, z.B. ein elektronisches Stabi- litätsprogramm (ESP) , oder dergleichen, stehen bereits Mess¬ werte bzw. Sensorwerte zur Verfügung. Für Druck-Sensorwerte zur Erfassung von Seitenwind hingegen würde man zusätzliche Sensoren benötigen, was einen zusätzlichen Aufwand verur¬ sacht. Druck-Sensoren an der Außenseite des Fahrzeugs sind zudem nicht ästhetisch. Solche zusätzlichen Sensoren sind er¬ findungsgemäß nicht erforderlich. Vielmehr werden von ohnehin vorhandenen Sensoren ermittelte Messwerte bzw. Sensorwerte erfindungsgemäß ausgewertet, z.B. Drehzahl-Messwerte, Gierra¬ ten-Messwerte, Querbeschleunigungs-Messwerte und Lenkwinkel- werte.

Erfindungsgemäß werden ein z.B. von einem Gierratensensor er- fasster Giergeschwindigkeitswert ψ und/oder Gierbeschleuni¬ gungswert ψ und ein wankbereinigter, d.h. um ein Wanken des Fahrzeugs in Querrichtung bereinigter Querbeschleunigungs- Sensorwert ase"s ausgewertet .

Ferner wird vorzugsweise die Längsgeschwindigkeit oder Fahr¬ geschwindigkeit Vx des Fahrzeugs ausgewertet, die anhand von Drehzahlmesswerten der Räder des Fahrzeugs ermittelbar ist. Auch ein Lenkwinkelwert δ, der beispielsweise von einem Lenk¬ sensor stammt, kann ausgewertet werden.

Gemäß Formel (1) wird die Querbeschleunigung v des Fahrzeugs um die Komponenten Coriolis-Beschleunigung und Straßenquer- neigungsbeschleunigung sozusagen "bereinigt". Eine erfin¬ dungsgemäße Grundidee ist, dass eine durch Seitenwind- Einfluss verursachte Längskraft, die Seitenwind-Kraft und das hervorgerufene Giermoment in einem bestimmten, durch die Ae¬ rodynamik des Fahrzeuges vorgegebenen, spezifischen Verhält¬ nis zueinander stehen. Folglich zeigen auch die mit den typi¬ scherweise beim Fahrzeug bereits vorhandenen Sensoren gemes¬ senen Größen bei einer Seitenwindstörung ein spezifisches Muster, das bei anderen Störungen, wie z.B. Fahrbahnquernei¬ gung, nicht auftritt.

Bei Kenntnis der aerodynamischen Beiwerte, die z.B. für ein Fahrzeug ohne Anbauten als konstant vorausgesetzt werden kön¬ nen, lassen sich auf der Grundlage einer erfindungsgemäßen Fusion bekannter Sensorwerte z.B. Anströmwinkel und Anström¬ geschwindigkeit des Seitenwindes berechnen.

Für den Querbeschleunigungs-Sensorwert ayse"sor gilt die folgen¬ de Formel

\

bei der m die Fahrzeugmasse des Fahrzeugs ist. Setzt man die Formel (3) in die Formel (1) ein ergibt sich:

In der Formel (2) ist die folgende Beziehung Mw=e(τw)-Sw (5)

berücksichtigt, bei der τw der resultierende Anströmwinkel des Seitenwindes ist, nämlich der Winkel zwischen der Längs¬ geschwindigkeit Vx des Fahrzeugs und einer resultierenden, auf die Fahrzeug-Mitte MP des Fahrzeugs wirkenden Anströmge¬ schwindigkeit vres . Die Längsgeschwindigkeit Vx des Fahrzeugs

und die Seitenwindgeschwindigkeit vw addieren sich geomet¬

risch zu der Anströmgeschwindigkeit vres . Mw ist ein zusätz¬ liches, durch Seitenwind verursachtes Giermoment, das auf den Schwerpunkt SP des Fahrzeugs wirkt.

Für die Seitenkräfte Sv und Sh an der Vorderachse und der Hinterachse des Fahrzeugs gelten z.B. linearisierte Seiten- kraftbeZiehungen

bei denen die Cv und ch die Schräglaufsteifigkeiten der Vor¬ derräder und der Hinterräder des Fahrzeugs sind.

Es wird angenommen, dass sich die Straßenquerneigung Φ und die Seitenwind-Kraft Sw nur sprungförmig ändern:

Φ=0 (8)

Sw=0 (9)

Aufgrund der Formeln (3), (6) und (7) gilt:

bzw. in vereinfachter Darstellung:

wobei Sw und vy gesucht sind. Ferner gilt die folgende Mess¬ gleichung: Ψ = C21V7 + C23^w +Uψ (ψ > δ> Vx ) (12) bzw. in vereinfachter Darstellung: y=C-x+D-u (13) Sowie die Zustandsgieichung:

bzw. in vereinfachter Darstellung: x = A-x + B-u (15) mit X = Φ (16) I Sensor

Zur Ermittlung bzw. Schätzung von Schätzwerten Sw, vy und Φ für die Seitenwind-Kraft, die Quergeschwindigkeit des Fahr¬ zeugs sowie die Straßenquerneigung hat sich ein Beobachter oder Kaimanfilter als zweckmäßig erwiesen. Die Zustände von Sw, vy und Φ werden sozusagen beobachtet.

Beispielsweise werden bei dem Beobachter eine Integration der Gleichung (15) und eine Differenzbildung durchgeführt, d.h. ein Vergleich, zwischen gemessenen und geschätzten Werten für die Gierbeschleunigung (ψ , ψ) und die Querbeschleunigung

{ayse"sor, äy) durchgeführt, wobei die Differenzwerte mit einem Korrekturfaktor K korrigiert werden. Dies kann durch die For¬ mel

ausgedrückt werden.

Anhand cler geschätzten Seitenwind-Kraft Sw ermittelt dann die erfindungsgemäße Vorrichtung zweckmäßigerweise weitere von Seitenwind abhängige Seitenwind-Werte, wobei diese z.B. durch die nachfolgenden aerodynamischen Beziehungen reali¬ siert sind:

F -Z-A XO- (20) Sw = ^As - cs(τw) -vn2 ( 21 )

M1V = |4 -L - cn(Tw) -vr2es (22 )

bei denen Fw eine durch eine Seitenwindstörung entstehende Längskraft , p die Luftdichte, A3 die Seiten-Bezugsfläche des Fahrzeugs, L die Bezugslänge des Fahrzeugs und cw, cs und Cn die in Frontalrichtung, Seitenrichtung und Normalrichtung des Fahrzeugs wirksamen aerodynamischen Beiwerte sind.

Die Verläufe der aerodynamischen Beiwerte cS/ Cn und cw sind vom resultierenden Anströmwinkel τw des Seitenwindes abhängig und für ein Beispiel-Fahrzeug gemäß Figur 1 beispielhaft in den Figuren 2, 3 und 5 dargestellt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann z.B. anhand der Formel (21) und einem bekannten, z.B. in einer Tabelle gespeicher¬ ten, und z.B. in Figur 2 gezeigten Verlauf des aerodynami¬ schen Beiwertes cs den resultierenden Anströmwinkel τw des Seitenwindes ermitteln. Anhand von Formel (5) kann die erfin¬ dungsgemäße Vorrichtung z.B. den Abstand bzw. die Hebellänge e ermitteln.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein. Fahrzeug mit eingezeichneten, teilweise von Sei¬ tenwind abhängigen Werten, Fig. 2 einen Verlauf eines von einem resultierenden Anström¬ winkel τw des Seitenwindes abhängigen aerodynamischen Beiwerts C3 für das Fahrzeug gemäß Figur 1, Fig. 3 einen Verlauf eines von einem resultierenden Anström¬ winkel τw des Seitenwindes abhängigen aerodynamischen Beiwerts Cn für das Fahrzeug gemäß Figur 1, Fig. 4 von einem resultierenden Anströmwinkel τw des Seiten¬ windes abhängige "Seitenwind-Hebelarm"-Verlaufe für das Fahrzeug gemäß Figur 1 sowie ein zweites, nicht dargestelltes Fahrzeug, Fig. 5 einen Verlauf eines von einem resultierenden Anström¬ winkel τw des Seitenwindes abhängigen aerodynamischen Beiwerts cw für das Fahrzeug gemäß Figur 1, und Fig. 6 eine schematische Darstellung des Fahrzeugs gemäß Fi¬ gur 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den Figuren 1 und 6 ist ein Fahrzeug 10, z.B. ein Perso¬ nenkraftwagen, mit einer Vorderachse 11 und einer Hinterachse 12 dargestellt. Räder 13, 14 der Vorderachse 11 sind lenkbar, hintere Räder 15, 16 der Hinterachse 12 nicht. Mittels Brem¬ sen 17 bis 20 sind die Räder 13 bis 16 abbremsbar. Drehzahl¬ sensoren 21 bis 24 erfassen die jeweilige Drehzahl der Räder 13 bis 16 und senden Drehzahlsignale 30 bis 34 an eine Fahr¬ dynamikvorrichtung 25. Anhand der Drehzahl kann beispielswei¬ se eine Fahr/zeuglängsgeschwindigkeit Vx ermittelt werden.

Das Fahrverhalten des Fahrzeugs 10, insbesondere dessen Len¬ kung, wird durch die erfindungsgemäße Fahrdynamik-Vorrichtung 25 beeinflusst. Beispielsweise steuert die Fahrdynamikvor- richtung 25 mittels BremseingriffSignalen 26 bis 29 die Brem¬ sen 17 bis 20 an und bildet z.B. ein sogenanntes Brake-by- Wire-System, ein Fahrstabilitätssystem oder dergleichen. Mit¬ tels eines Motorsteuersignals 35 kann die Fahrdynamikvorrich¬ tung 25 z.B. einen Motor 36 oder eine nicht dargestellte Mo¬ torsteuerung des Motors 36 ansteuern. Die Fahrdynamikvorrichtung 25 beeinflusst beim Ausführungs- beispiel die Lenkung des Fahrzeugs 10 und bildet z.B. ein Steer-by-Wire-System und/oder ein Lenkassistenzsystem. Ein Fahrer 37 des Fahrzeugs 10 gibt an einem Lenkrad 38 oder ei¬ ner sonstigen Len.khandh.abe des Fahrzeugs 10 einen Lenkwinkel δH vor. Der Vorgabe-Lenkwinkel δH wird durch einen Lenkwinkel¬ sensor 39 erfasst und als Vorgabe-Lenkwinkelsignal 40 einer Lenkaktoranordnung 41 übermittelt, die die Räder 13, 14 lenkt gemäß dem Vorgabe-Lenkwinkelsignal 40.

Die Fahrdynamikvorrichtung 25 generiert in einer nachfolgend noch näher erläuterten Weise ferner ein Lenkassistenzsignal 42 und ein Lenkeingriffssignal 43 und steuert mit diesen die Lenkaktoranordnung 40 an. Die Lenkaktoranordnung 40 meldet den eingestellten Lenkwinkel δ anhand eines Lenkwinkelsignals 44 an die Fahrdynamikvorrichtung 25.

Die Fahrdynamikvorrichtung 25 ist vorliegend in Hardware und Software realisiert, wobei ein Prozessor 45 Programmcode von nicht dargestellten Programmmodulen ausführt, der in einem Speicher 46 gespeichert ist. Der Programmcode repräsentiert nachfolgend erläuterte Mittel, beispielsweise Schätz¬ mittel 50 und Falαrstabilitätsmittel 48. Die Fahrdynamikvor¬ richtung 25 kommuniziert über Schnittstellenmittel 49 mit ex¬ ternen Aktoren und Sensoren des Fahrzeugs 10, z.B. den Brem¬ sen 17-20 und den Drehzahlsensoren 21- 24.

Die Fahrdynamikvoxrichtung 25 erhält ferner von einem Gierra¬ ten-Sensor 51 ein Gierratensensorsignal 52, das beispielswei¬ se die Giergeschwindigkeit ψ und/oder die Gierbeschleunigung ψ des Fahrzeugs 10 enthält.

Ein Querbeschleunigungssensor 53 übermittelt ein Querbe- schleunigungssigna.1 54 an die Fahrdynamikvorrichtung 25, in dem beispielsweise die wankbereinigte Querbeschleunigung ase„Sor des pa;hrZeug-s 10 enthalten ist. Die Schnittstellenmit¬

tel 49 ermitteln aus den DrehzahlSignalen 30 bis 34 ein Längsgeschwindigkeitssignal 55, das beispielsweise die Fahr- zeuglängsgeschwindigkeit Vx des Fahrzeugs 10 enthält.

Die Schätzmittel 50 generieren anhand der Signale 52, 54, 55, 44 Seitenwindwerte 56, die beispielsweise eine Seitenwind- Kraft Sw, einen Anströmwinkel Tw sowie den Hebelarm e enthal¬ ten. Zur Ermittlung der Seitenwindwerte 56 wenden die Schätz¬ mittel 50 ein lineares Einspurmodell der Querdynamik des Fahrzeugs, beispielsweise auf der Grundlage der Formeln (1) und (2) an, wobei die weiteren erläuterten Formeln und Bezie¬ hungen (3) bis (22) bei den Schätzmitteln 50 zumindest teil¬ weise realisiert sind, beispielsweise in Form von entspre¬ chendem Programmcode.

Bei den Schätzmittel 50 sind feste oder teilweise variable Parameter des Fahrzeugs 10, beispielsweise dessen Trägheits¬ moment um die Hochachse Jsz, dessen Masse m, die Abstand lv, lh, die Schräglaufsteigigkeiten Cv und Ch als Parameter hin¬ terlegt. Ferner sind die in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Verläufe der Beiwerte cs, Cn und cw zumindest abschnittsweise in Form von beispielsweise digitalen Parametern, z.B. in Ta¬ bellenform, gespeichert. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Wert cw durch die Schätzmittel 50 auch als konstant ange¬ nommen werden kann, beispielsweise auf 0,38 oder dergleichen. Die programmtechnische Realisierung der vorgenannten Formeln (1) bis (22) sowie die Parametrisierung und Speicherung von Werteverläufen sind dem Fachmann bekannt und sollen an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Die Schätzmittel 50 enthalten einen Beobachter 57, der im we¬ sentlichen auf einer progammtechnisehen Realisierung der For¬ meln (8) bis (19) basiert.

Ein Integrator 58 führt eine Integration auf der Grundlage der Formel (15) und der Formel (13) durch und geniert dabei Schätzwerte 59, die beispielsweise vy, ψ und sw enthalten. Ferner berechnet der Inegrator 58 beispielsweise anhand der Formel (13) , einex Messgleichung, Rechenwerte 60, die z.B. einen Querbeschleuinigungswert ay sowie einen Gierbeschleuni¬ gungswert ψ enthalten. Die Rechenwerte 60 werden mit den tatsächlich gemessenen Werten 54 und 52 durch einen Verglei¬ cher 61, der beispielsweise Differenzwerte bildet, vergli¬ chen, der beispielsweise Differenzwerte 62 bildet. Ein Ver¬ stärker 63 verstärkt die Differenzwerte 62 mit einem Faktor K und bildet Korrekturwerte 64, die er dem Integrator 58 zu¬ führt. Der Vergleάcher 61 sowie der Verstärker 63 realisieren beispielsweise die Formel (19) .

Ein Generator 65 generiert anhand der Schätzwerte 59, die un¬ ter anderem einen geschätzten Wert für die Seitenwind-Kraft Sw enthalten, weitere Seitenwind-Werte, beispielsweise für den Anströmwinkel τw und den Hebelarm e. Der Generator 65 re¬ alisiert hierzu beispielsweise die Formeln (21) und (5) . Fer¬ ner stützt sich der Generator 65 auf beispielsweise den Ver¬ lauf des Beiwert cs gemäß Figur 2 zur Ermittlung des Anström¬ winkels τw und/oder auf einen Verlauf des Hebelarms e gemäß Figur 4, um den Hebelarm e zu ermitteln.

Aus Figur 5 geht riervor, dass bei der Realisierung der Schätzmittel 50 cw = constant von z.B. 0,35 angenommen werden kann, wobei aber .auch ein dynamischer, vom Anströmwinkel τw abhängiger Verlauf des Werts cw erfindungsgemäß berücksich¬ tigt sein kann.

Anhand der; Seitenwindwerte 56 können beispielsweise die Fahr- stabilitätsmittel 48 das Lenkeingriffssignal 43 erzeugen, um das Fahrzeug 10 zu stabilisieren.

Ferner wertet ein Lenkassistenzmittel 66 den Seitenwindwert 58 aus, um das Lenkassistenzsignal 42 zu generieren. Entspre¬ chend dem Lenkassistenzsignal 42 erzeugt die Lenkaktoranord¬ nung 41 zusätzliche Lenkkräfte zur Kompensation von Seiten¬ windeinflüssen, die auf das Fahrzeug 10 wirken.

Es versteht sich, dass verschiedene Abwandlungen und Erweite¬ rungen der Erfindung ohne weiteres möglich sind.

Beispielsweise ist eine Realisierung ganz oder teilweise in Hardware möglich.

Ferner ist es möglich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren einen winkelabhängigen Hebelarm e bei ent¬ sprechend linearisierten Modell-Gleichungen realisieren. Fer¬ ner ist es möglich, auch das Giermoment Mw mit zu schätzen. Zur Herstellung einer Beobachtbarkeit kann dann auch ein Mar- kov-Prozess für die Windseitenkraft Sw benutzt werden.