Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Erfassen einer Neigung einer Fahrbahn.

Eine Lage eines Fahrzeugs ändert sich während einer Fahrt in Abhängigkeit einer Neigung bzw. Lage einer Straße, die von dem Fahrzeug befahren wird. Winkel zum Erfassen der Lage des Fahrzeugs können durch Sensoren erfasst werden.

Ein Verfahren zum Steuern eines Systems eines Fahrzeugs ist in der Druckschrift DE 10 2006 026 937 A1 beschrieben. Dabei wird ein

Stabilitätsindex bestimmt. Außerdem werden ein erster und ein zweiter Beobachter bereitgestellt, die auf Grundlage von Betriebsgrößen des

Fahrzeugs eine Referenz-Quergeschwindigkeit sowie eine

Quergeschwindigkeit bestimmen, aus denen eine Ausgangs- Quergeschwindigkeit sowie eine Ausgangs-Längsgeschwindigkeit bestimmt werden. Ein Verfahren zum Bestimmen einer Soll-Kurvenneigung eines Fahrzeugs beim Befahren eines kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts ist aus der

Druckschrift DE 10 2012 024 984 A1 bekannt. Hierbei wird die Soll- Kurvenneigung des Fahrzeugs in Abhängigkeit einer erfassten

Fahrbahnkrümmung bestimmt. Außerdem wird eine optische

Oberflächenbeschaffenheit des kurvenförmigen Fahrbahnabschnitts berücksichtigt.

Ein Verfahren zum Verarbeiten von Sensordaten in einem Fahrzeug ist in der Druckschrift DE 10 2012 216 205 A1 beschrieben/wobei Fahrdynamikdaten und Chassissensordaten des Fahrzeugs erfasst und gefiltert werden. Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und ein System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Ausgestaltungen des Verfahrens und des Systems gehen aus den abhängigen

Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Erfassen einer Neigung einer Fahrbahn, die von einem Fahrzeug befahren wird, in zumindest einer Raumrichtung vorgesehen, wobei das Fahrzeug einen Aufbau und ein Fahrwerk mit mehreren, üblicherweise vier Rädern zu dessen Antrieb aufweist, die sich mit der Fahrbahn in Kontakt befinden. Dabei wird eine Neigung des Aufbaus in die zumindest eine Raumrichtung ermittelt.

Außerdem wird für mindestens ein Rad ein vertikaler Abstand zu dem Aufbau erfasst, wobei über den mindestens einen ermittelten Abstand eine Neigung des Fahrwerks in die zumindest eine Raumrichtung berechnet wird. Die Neigung der Fahrbahn in die zumindest eine Raumrichtung wird aus einer Differenz der Neigung des Aufbaus in die zumindest eine Raumrichtung und der Neigung des Fahrwerks in die zumindest eine Raumrichtung ermittelt, üblicherweise berechnet.

Die Neigung des Aufbaus, des Fahrwerks und der Fahrbahn werden in Abhängigkeit mindestens eines Winkels ermittelt. Als der mindestens eine Winkel wird bzw. werden ein Wankwinkel φ und/oder ein Nickwinkel Θ verwendet. Dabei ist als Wankwinkel φ jeweils der Wankwinkel φ ₃ des

Aufbaus, φί des Fahrwerks und φ ₃ der Fahrbahn sowie als Nickwinkel Θ jeweils der Nickwinkel 6 _a des Aufbaus, 0 _f des Fahrwerks und 0 _S der

Fahrbahn zu berücksichtigen. In Ausgestaltung wird die Neigung des Fahrwerks in die mindestens eine Raumrichtung durch Transformation des vertikalen Abstands des mindestens einen Rads zu dem Aufbau mit einer Transformationsmatrix ermittelt, deren Elemente in mindestens einer Spalte, bspw. in vier Spalten, und mindestens einer Zeile, bspw. zwei Zeilen, angeordnet sind. Dabei sind Werte für die Elemente der Transformationsmatrix von Längen t _v , th, l _v , lh _> üblicherweise Seitenlängen, der Seiten mindestens eines Rechtecks abhängig, wobei an einer ersten von zwei gegenüberliegenden Ecken des mindestens einen Rechtecks der Schwerpunkt des Aufbaus und an einer zweiten der zwei gegenüberliegenden Ecken das mindestens eine Rad angeordnet ist, wobei die Werte der Transformationsmatrix von einem sich in einer horizontalen Ebene erstreckenden Abstand des mindestens einen Rads von dem Schwerpunkt des Aufbaus abhängig sind. Dabei ist in

Ausgestaltung vorgesehen, dass die zu berücksichtigenden Längen t _v , th, l _v , Ih ebenfalls in der horizontalen Ebene liegen.

Weiterhin wird die Neigung des Fahrwerks durch Transformation des

Abstands dz _a ,vu dz _a ,vR, dz _a ,HL, dz _a ,HR des mindestens einen Rads, in der Regel aller vier Räder, von dem Aufbau in vertikaler Richtung senkrecht zu der horizontalen Ebene mit der Transformationsmatrix bestimmt.

Zum Ermitteln der Neigung des Aufbaus wird ein erstes, aufbaufestes

Koordinatensystem und zum Ermitteln der Neigung des Fahrwerks ein zweites, fahrwerkfestes Koordinatensystem verwendet. Außerdem wird ein drittes, inertiales Koordinatensystem als Referenz-Koordinatensystem verwendet, das auf die Gravitationskraft bzw. Gravitationsbeschleunigung bezogen ist. In Ausgestaltung wird die Neigung des Aufbaus bezüglich des Referenzkoordinatensystems über ein Quaternion beschrieben.

Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Strapdown-Algorithmus

verwendet, mit dem vorgesehen ist, dass zum Ermitteln einer korrigierten bzw. bereinigten Beschleunigung des Fahrzeugs in der horizontalen Ebene eine sensorische gemessene Beschleunigung a um eine

Zentrifugalbeschleunigung ä^ und die Gravitationsbeschleunigung

korrigiert wird und daraus eine Geschwindigkeit v _Ebene ' des Fahrzeugs in mindestens einer Raumrichtung in der horizontalen Ebene bestimmt wird, und dass die Neigung des Aufbaus berechnet wird.

Außerdem wird ein Wert eines Wankwinkels <j> _s zum Beschreiben einer Neigung der Fahrbahn in Querrichtung als Raumrichtung mit einem hierfür vorgesehenen Referenzwert verglichen, wobei ermittelt wird, dass mit dem Fahrzeug eine Steilkurve durchfahren wird, wenn der Wert größer als der Referenzwert ist.

Das erfindungsgemäße System bzw. eine entsprechende Anordnung ist zum Erfassen einer Neigung einer Fahrbahn, die von einem Fahrzeug zu befahren ist, in zumindest einer Raumrichtung ausgebildet. Das Fahrzeug, bspw. ein Kraftfahrzeug, weist einen Aufbau und ein Fahrwerk mit mehreren Rädern auf, die sich mit der Fahrbahn in Kontakt befinden. Das System umfasst mehrere Sensoren und ein Kontrollgerät, wobei mindestens ein erster Sensor dazu ausgebildet ist, eine Neigung des Aufbaus in die zumindest eine Raumrichtung zu ermitteln. Mindestens ein zweiter Sensor ist dazu ausgebildet, für mindestens ein Rad einen vertikalen Abstand zu dem Aufbau zu erfassen bzw. zu ermitteln. Das Kontrollgerät ist dazu ausgebildet, über den mindestens einen ermittelten vertikalen Abstand eine Neigung des Fahrwerks in die zumindest eine Raumrichtung zu berechnen und die Neigung der Fahrbahn in die zumindest eine Raumrichtung aus einer

Differenz der Neigung des Aufbaus in die zumindest eine Raumrichtung und der Neigung des Fahrwerks in die zumindest eine Raumrichtung zu ermitteln, üblicherweise zu berechnen.

Der mindestens eine zweite Sensor ist als Wegesensor zum Messen eines Abstands ausgebildet.

Mit dem Verfahren ist u. a. die Neigung einer von dem Fahrzeug befahrenen Fahrbahn in Längs- und Querrichtung zu erkennen. Außerdem ist auf

Grundlage der erkannten Neigung der Fahrbahn in Querrichtung eine

Steilkurve zu erkennen.

Die Neigung bzw. Lage der Fahrbahn, üblicherweise einer Straße, ist aus einer sensorisch zu ermittelnden inertialen Neigung bzw. Lage des Aufbaus des Fahrzeugs und einer Neigung bzw. Lage des Fahrwerks des Fahrzeugs zu berechnen. Hierbei wird die Neigung zwischen dem Aufbau und dem Fahrwerk über Wegesensoren zum Erfassen von Abständen, bspw. von Federwegen, zwischen Rädern als Komponenten des Fahrwerks des

Fahrzeugs und dem Aufbau berechnet, wobei folgende Gleichungen bzw. Formeln (1 ) und (2) berücksichtigt werden: (Wankwinkel_Fahrbahn = Wankwinkel_Aufbau - Wankwinkel_Fahrwerk) θ _δ = e _a - 8f (2) (Nickwinkel_ Fahrbahn = Nickwinkel_Aufbau - NickwinkeLFahrwerk) Hierbei wird der Wankwinkel φ ₅ in Querrichtung der Fahrbahn als Indikator für die Erkennung der Steilkurve herangezogen.

In einer Ausführungsform des Verfahrens werden vier geometrische Größen bzw. Parameter, hier jeweils der sich in der horizontalen Ebene erstreckende Abstand eines der Räder des Fahrzeugs zu dem Schwerpunkt des

Fahrzeugs verwendet, wobei sich derartige Abstände über eine Lebensdauer des Fahrzeugs nicht verändern. Vertikal orientierte Abstände der Räder zu dem Aufbau werden während der Fahrt ermittelt.

Dagegen werden bei anderen Verfahren zur Erkennung einer Steilkurve oder einer Steigung modellbasierte Zusammenhänge mit einer hohen Anzahl an fahrzeugindividuellen und sich über die Lebensdauer ändernden Parametern genutzt.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Einspurmodell hinzugezogen, wodurch eine Schätzgüte verbessert wird. Dies ist auch dann möglich, wenn die Parameter des Einspurmodells nicht genau bekannt sind oder sich über die Lebensdauer ändern, da diese für einen beim Verfahren einzusetzenden Algorithmus, bspw. für den Strapdown-Algorithmus, nur einen geringen Einfluss auf zu ermittelnde Schätzgrößen haben.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen

Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu

verlassen. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Bespiel für ein Fahrzeug mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.

Figur 2 zeigt ein Diagramm zu einer Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugsziffern bezeichnen dieselben Komponenten.

In Figur 1 sind ein als Kraftfahrzeug ausgebildetes Fahrzeug 2 und eine als Straße ausgebildete Fahrbahn 4, auf der sich das Fahrzeug 2 während einer Fahrt bewegt, schematisch dargestellt. Dabei umfasst das Fahrzeug 2 einen Aufbau 6 und vier zur Fortbewegung des Fahrzeugs 2 vorgesehene Räder 8, 10, von denen in Figur 1 lediglich ein vorderes linkes Rad 8 und ein hinteres linkes Rad 10 gezeigt sind. Jedes Rad 8, 10 ist zumindest über eine Feder 12, 14 mit dem Aufbau 6 verbunden und als Komponente eines Fahrwerks des Fahrzeugs 2 ausgebildet.

Die Ausführungsform des erfindungsgemäße Systems 16 umfasst als

Komponenten ein Kontrollgerät 18, mindestens einen ersten Sensor 19 zum Bestimmen der Neigung des Aufbaus 6 sowie mehrere, hier vier als

Wegesensoren 20, 22 ausgebildete, zweite Sensoren, wobei jeder Feder 12, 14 ein derartiger Wegesensor 20, 22 zugeordnet ist. Der mindestens eine erste Sensor 19 und die Wegesensoren 20, 22 sind zugleich als

Komponenten einer Sensoranordnung des Systems 16 ausgebildet. Weiterhin umfassen die Sensorariordnung und somit das System 16 nicht weiter dargestellte Sensoren zum Bestimmen, in der Regel zum Messen, mindestens einer kinetischen Größe, üblicherweise einer Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, des Fahrzeugs 2 und/oder des Aufbaus 6.

Die nachfolgend u. a. anhand des Diagramms aus Figur 2 beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mit der in Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Systems 16 durchzuführen, wobei Schritte der Ausführungsform des

Verfahrens durch das Kontrollgerät 18 zu kontrollieren und somit zu steuern und/oder zu regeln sind.

Außerdem sind in Figur 1 drei Koordinatensysteme 24, 26, 28 sowie diverse, hier geometrische Parameter dargestellt.

Dabei ist ein erstes, aufbaufestes Koordinatensystem 24 dem Aufbau 6 des Fahrzeugs 2 zugeordnet, wobei dessen Ursprung im Schwerpunkt 25 des Aufbaus 6 liegt. Das erste Koordinatensystem 24 umfasst eine erste Achse in Raumrichtung x _a , die longitudinal zu dem Aufbau 6 sowie parallel zu einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs 2 orientiert ist. Eine zweite Achse ist in

Raumrichtung y _a , die transversal zu dem Aufbau 6 sowie parallel zu Achsen des Fahrzeugs 2, die sich zwischen jeweils zwei Rädern 8, 10 des

Fahrzeugs 2 erstrecken, orientiert. Eine dritte Achse ist in Raumrichtung z _a parallel zu einer Hochachse des Aufbaus 6 orientiert. Alle drei genannten Achsen und somit Raumrichtungen x _a , y _a , z _a sind zueinander senkrecht orientiert. Dabei ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass die beiden

erstgenannten Achsen und somit die Raumrichtungen x _a und y _a eine horizontale Ebene des Fahrzeugs 2 aufspannen, in der der Schwerpunkt 25 liegt. Weiterhin zeigt Figur 1 zwei Beispiele für als Federwege ausgebildete, vertikal orientierte Abstände dz _a ,vL, dz _a ,HL- Ein erster Abstand dz _a ,vL bezieht sich auf eine Distanz zwischen dem Rad 8 vorne links und dem Aufbau 6. Ein zweiter Abstand dz _a ,HL bezieht sich auf eine Distanz zwischen dem Rad 10 hinten links und dem Aufbau 6. Diese Federwege bzw. Abstände dz _a ,vL, dz _ai HL sind entlang der Federn 12, 14 orientiert und durch die den Federn 12, 14 zugeordneten Wegesensoren 20, 22 zu erfassen.

Abstände der Räder 8, 10 zu dem Schwerpunkt 25 des Aufbaus 6 in einer zu der horizontalen Ebene parallelen Ebene sind hier über die Längen bzw.

Seitenlängen oder Strecken t _v , t _h , I _h , l _v zu definieren. Hierbei sind für das Rad 8 vorne links eine vordere, transversale Strecke t _v , die den Abstand des Rads 8 von dem Schwerpunkt 25 in transversaler Raumrichtung beschreibt, und eine vordere, longitudinale Strecke l _v , die den Abstand des Rads 8 von dem Schwerpunkt 25 in longitudinaler Raumrichtung beschreibt, zu berücksichtigen. Für das Rad 10 hinten links sind eine hintere, transversale Strecke t _h , die den Abstand des Rads 10 von dem Schwerpunkt 25 in transversaler Raumrichtung beschreibt, und eine hintere, longitudinale Strecke Ih, die den Abstand des Rads 10 von dem Schwerpunkt 25 in longitudinaler Raumrichtung beschreibt, zu berücksichtigen.

Ein weiterer Federweg bzw. ein weiterer vertikal orientierter Abstand dz _a ,vR bezieht sich auf eine Distanz zwischen einem hier nicht gezeigten Rad vorne rechts und dem Aufbau 6. Ein zusätzlicher Federweg bzw. ein zusätzlicher Abstand dz _a ,HR in vertikaler Richtung bezieht sich auf eine Distanz zwischen einem hier nicht gezeigten Rad hinten rechts und dem Aufbau 6. Die beschriebenen Abstände dz _a ,vi_, dz _a , _H L, dz _a ,vR, dz _a ,HR bzw. Distanzen zwischen den Rädern 8, 10 und dem Aufbau 6 sind in Ausgestaltung auf die horizontale Ebene bezogen, in der der Schwerpunkt 25 liegt. Weiterhin sind für das Rad vorne rechts die vordere, transversale Strecke t _v , die. den Abstand des Rads vorne rechts von dem Schwerpunkt 25 in transversaler Raumrichtung beschreibt, und die vordere, longitudinale Strecke l _v , die den Abstand des Rads vorne rechts von dem Schwerpunkt 25 in longitudinaler Raumrichtung beschreibt, zu berücksichtigen. Für das Rad hinten rechts sind die hintere, transversale Strecke t _h , die den Abstand dieses Rads von dem Schwerpunkt 25 in transversaler Raumrichtung beschreibt, und die hintere, longitudinale Strecke lh, die den Abstand des Rads hinten rechts von dem Schwerpunkt 25 in longitudinaler Raumrichtung beschreibt, zu berücksichtigen, wobei in Figur 1 die für das Rad hinten rechts zu berücksichtigende, hintere transversale Strecke nicht eingezeichnet ist.

Ein zweites, fährwerkfestes Koordinatensystem 26 ist der Fahrbahn 4 zugeordnet und umfasst eine erste Achse in Raumrichtung x _s parallel zu einer vorgesehenen Fahrrichtung bzw. Längsrichtung der Fahrbahn 4, eine zweite Achse in Raumrichtung y _s , die parallel zu einer Querrichtung der Fahrbahn 4 orientiert ist, und eine dritte Achse in Raumrichtung z _s , wobei alle genannten Achsen zueinander senkrecht orientiert sind. Eine Neigung und somit eine Lage der Fahrbahn 4 ist hier anhand eines Querwinkels bzw. Wankwinkels φ ₈₎ der eine Neigung der Fahrbahn 4 in Querrichtung

beschreibt, und anhand eines Längswinkels bzw. Nickwinkels 9 _S , der eine Neigung der Fahrbahn 4 in Längsrichtung und somit bspw. eine Steigung oder eine Gefälle beschreibt, zu beschreiben. Ein drittes Koordinatensystem 28 ist als Referenz-Koordinatensystem ausgebildet und umfasst eine erste Achse in Raumrichtung x _re f, eine zweite Achse in Raumrichtung y _re f und eine dritte Achse in Raumrichtung z _re f, die alle zueinander senkrecht orientiert sind. Außerdem sind dem ersten Koordinatensystem 24 ein Wankwinkel φ ₃ , der eine Drehung des Aufbaus 6 um die erste, in Raumrichtung Xa orientierte Achse beschreibt, ein Nickwinkel θ ₃ , der eine Drehung des Aufbaus 6 um die zweite, in Raumrichtung y _a orientierte Achse beschreibt, und ein Gierwinkel \|/ _a , der eine Drehung des Aufbaus 6 um die dritte, in Raumrichtung z _a orientierte Achse beschreibt, gezeigt.

Das erste, aufbaufeste Koordinatensystem 24 [x _a , y _a , z _a ] im Schwerpunkt 25 des Aufbaus 6 des Fahrzeugs 2 folgt translatorischen und rotatorischen Bewegungen des Aufbaus 6. Das dritte, inertiale Koordinatensystem 28 [x _re f, yref _> Zref] wird als Referenz-Koordinatensystem herangezogen, wobei berücksichtigt wird, dass die Gravitationsbeschleunigung g ausschließlich in Raumrichtung z _ref parallel zu einem Gravitationsvektor wirkt. In der Ausführungsform des Verfahrens werden zur Schätzung einer Neigung bzw. Lage des Aufbaus 6 der Nickwinkel θ ₃ und der Wankwinkel φ ₃ auf das dritte, als Referenz-Koordinatensystem ausgebildete Koordinatensystem 28 bezogen. Die zwischen dem aufbaufesten Koordinatensystem 24 und dem

Referenzsystem bzw. inertialen Koordinatensystemen 28 eingeschlossenen Winkel [θ ₃ , φ ₃ , ψ ₃ ] werden auch als inertialer Nickwinkel 9 _a , inertialer

Wankwinkel φ ₃ und inertialer Gierwinkel ψ ₃ bezeichnet. Als Neigung des Aufbaus 6 wird dessen Orientierung in Nickrichtung und Wankrichtung bezeichnet, woraus der Nickwinkel θ ₃ und der Wankwinkel φ ₃ bestimmt werden.

Um die Neigung bzw. Lage des Aufbaus 6 zu schätzen, werden die

Beschleunigung a = [x _a , y _a , z _a ] ^T des Aufbaus 6 bzw. des Fahrzeugs 2 entlang der Raumrichtungen x _a , y _a , z _a und die Drehraten ω = [ψ ₃ , φ ₃ » Θ ₃ ] mit der Sensoranordnung zum Bestimmen der Trägheit mit sechs

Freiheitsgraden (IMU- Inertial Measurement Unit) gemessen und somit ermittelt, wobei die Sensoranordnung auch unabhängig von der

Durchführung des Verfahrens in dem Fahrzeug 2 eingesetzt werden kann.

Zur Schätzung der Neigung des Aufbaus 6 ist zunächst zu berücksichtigen, welchen physikalischen Randbedingungen die von der Sensoranordnüng bspw. durch Messen zu ermittelnden Größen a und ω ausgesetzt sind. Aus Messsignalen von Beschleunigungssensoren der Sensoranordnung werden drei unterschiedliche physikalische Größen abgeleitet:

- die von den Drehraten ω und der ebenen Geschwindigkeit v _Eben e =

[ ^v Ebene,x> _E bene, _y > v _E bene,z] ^T des Fahrzeugs 2 abhängige

Zentrifugalbeschleunigung ä^: a _zf - ω x v _Ebene

(3)

- die Änderung der bereinigten, ebenen Geschwindigkeit v _Eben e und somit Beschleunigung des Fahrzeugs 2 und/oder des Aufbaus 6 in

Raumrichtung einer Achse eines jeweiligen Beschleunigungssensors in der horizontalen Ebene des Fahrzeugs: ^a vp ^— R V _E bene (4) die Gravitationsbeschleunigung (5) In obigen Formeln ist v _Eben e die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 2 in der horizontalen Ebene und R die Eulersche Drehmatrix (6), die unter

Berücksichtigung der Eulerschen Winkel in einer Drehreihenfolge des Wankwinkels φ, des Nickwinkels Θ und des Gierwinkels ψ berechnet wird. Hierbei ist v _E bene,x die übliche Geschwindigkeit des Fahrzeugs vp _zg in Längsbzw. Fahrtrichtung des Fahrzeugs 2, die über eine Drehzahl der Räder 8, 10 gemessen und dem Tachometer angezeigt wird.

( COSGCOSIJJ cos0sim{j — sin0 \ sincJ>sinGcos |j— cos(J>sini|j sinc|)sin0sirn + cos({)COSi|j siru()cos0 ) (6) οοεφβίηθοοεψ + sii jjsimJj εοΞφοοβθ/

Die jeweils zu bestimmenden Winkel φ, d. h. φ ₃ (für den Aufbau), φί (für das Fahrwerk) bzw. φ ₅ (für die Fahrbahn), und Θ, d. h. 0 _a (für den Aufbau), 0f (für das Fahrwerk) bzw. 0 _S (für die Fahrbahn), können üblicherweise über zwei unterschiedliche Berechnungsmethoden bzw. Herangehensweisen zur Berechnung ermittelt werden:

- durch zeitliche Integration der durch die Sensoranordnung gemessenen Drehraten ω, oder

- durch Eliminierung der Zentrifugalbeschleunigung und der Änderung der ebenen Geschwindigkeit v _Ebene ' und somit der Beschleunigung des Fahrzeugs 2 aus den durch die Sensoranordnung gemessenen

Beschleunigungen a^ = a - - und Berechnung der Winkel über trigonometrische Funktionen 0 _a = atan φ ₃ = atan

3gy,Z 3gy,Z

Wie bereits anhand von Gleichung (5) angedeutet, ist ein Vektor mit den drei Elementen [a _gv ,x, a _gv , _y , a _gv ,z] ^T = [g*sin6, -g*si^*cos6, -g*a^*cos9] ^T , wohingegen die Erdbeschleunigung g = 9, 81 m/s ² hier als ein Skalar verwendet wird, das sich je nach Neigung des Aufbaus 6, die mit der

Eulerschen Drehmatrix R (6) beschrieben wird, auf unterschiedliche

Elemente des Vektors auswirkt. Ist der Aufbau 6 nicht geneigt, so ist

= [0,0, -g] ^T . Bei einem Wankwinkel φ ₃ = 90° und einem Nickwinkel 9 _a = 0° ist ä _g ^ = [0, -g, 0] ^T . Ist ä _g ^ bekannt, können der Nickwinkel 9 _a und der

Wankwinkel <j> _a über die oben beschriebenen atan-Funktionen berechnet werden.

Allerdings ist bei den durchzuführenden Berechnungen zu berücksichtigen, dass aufgrund von zeitlich variablen Offset-Fehlem von Drehratensensoren eine Integration der Drehraten ggf. stationär ungenau ist. Dies bedeutet, dass berechnete Winkel niederfrequent driften und nur hochfrequente Anteile von Messsignalen nutzbar sind. Bei den über Beschleunigungssensoren ermittelten Winkeln ist dagegen mit hochfrequenten Störungen zu rechnen, da schwer zu erfassende Änderungen der Geschwindigkeit, die bspw. bei der Überfahrt von Schlaglöchern auftreten, nicht aus den Messsignalen eliminiert werden können.

In der hier beschriebenen Ausführungsform wird als Filteralgorithmus ein auf Quaternionen basierender Neigungsfilter bzw. Lagefilter verwendet. Ebenso ist es möglich, einen Kaiman-Filter für die Fusion beider

Berechnungsmethoden einzusetzen. Hierdurch werden beide

voranstehenden genannten Berechnungsmethoden vereint, wodurch ein Signal bereitgestellt wird, das sowohl niederfrequent als auch hochfrequent nutzbar ist.

Ein Quaternion ist ein vierdimensionaler Vektor q = [qi, q ₂ , q ₃ , q ₄ _ ^T _> über den die Orientierung eines starren Körpers, hier des Aufbaus 6, zu

beschreiben ist. Ist ein starrer Körper bezogen auf ein Referenzsystem um den Winkel χ und die Achse r = [r _x , r _y , r _z ] ^T gedreht, wobei r ein Einheitsvektor ist, so wird diese Orientierung bezogen auf das

Referenzs stem durch das Quaternion q = beschrieben.

Dies wird zunächst für die zeitliche Integration der durch die

Sensoranordnung gemessenen Drehraten ω genutzt, wobei der Aufbau 6 bezogen auf das inertia e Referenzsystem im vorliegenden Fall mit der Drehrate ω = [ω _χ , ω _γ , ω _ζ ] ^τ rotiert. Ausgehend von einer Ausgangslage des Aufbaus 6 wird die Änderung der Lage bzw. Neigung aufgrund der Drehraten durch die Gleichung (7): ή^ = ^0 ®[0, ω _χ , ω ω _ζ ] (7) beschrieben. Der Operator ® symbolisiert hier eine

Quaternionenmultiplikation. In einem zeitdiskreten Fall ist eine resultierende Differentialgleichung bspw. durch eine Euler-Integration (8): zu lösen, wobei At einer Schrittweite zwischen zwei Zeitpunkten k und k- 1 entspricht.

Um eine Orientierung des Aufbaus 6 aus der durch die Sensoranordnung gemessenen Beschleunigung a und resultierenden, bereinigten

Gravitationsbeschleunigung ä^ = [a^, a^y, a^] = [g * sinO , -g * sin φ * cos9 , -g * coscj) * cos θ] ^τ mit Quaternionen zu beschreiben, ist nachfolgendes Optimierungsproblem (9): ² (qL,2q _a , - q iQw) - ^a gv,x m ⁱⁿ q _L e<R ^{4 f} (ÖL» ä^) mit f(q , ä^) 2(q _L ,iqL,2 + qL,3 i., ) -

2(0,5 - ql _t 2 - qL, ₃ ) - ^a gv.z . zu lösen. Eine direkte Berechnung der Neigung ist nicht möglich, da um eine Rotationsachse, die parallel zum Gravitationsvektor orientiert ist, unendlich viele Lösungen existieren. Zur zeitdiskreten Lösung des

Optimierungsproblems kommt ein gradientenbasierter Ansatz (10):

jl^f qL.k-i'. gvJ |j mit einer einstellbaren Schrittweite μ zur Anwendung.

Um Informationen über die Neigung, die aus den gemessenen Drehraten q^k ^* und aus den Beschleunigungen resultiert, zu fusionieren, werden die beiden Quaternionen q^, q^ über Gleichung (11 ) gewichtet addiert: wobei 0 < γ < 1 ein einstellbarer Parameter ist. Die Nickwinkel und

Wankwinkel werden dann mit den Gleichungen (12a), (12b):

6 _a ,k = ~ sin-^qL^q^ + q _L , _k ,iq _L , _k , ₃ ) (12a) berechnet. Zur Eliminierung der Zentrifugalbeschleunigung ä^ und der Änderung a _vp der ebenen Geschwindigkeit v _Ebene ' aus den durch die Sensoranordnung gemessenen Beschleunigungen sind die Nick- und Wankwinkel zu

berücksichtigen, die wiederum mit Hilfe des

Gravitationsbeschleunigungsvektors berechnet werden.

Zur Durchführung der Ausführungsform des Verfahrens wird ein sogenannter Strapdown-Ansatz verwendet, der in dem Diagramm aus Figur 2 dargestellt ist. Einzelne Schritte 40, 42, 44, 46, 48 des Verfahrens werden nachfolgend näher beschrieben.

Zu Beginn des Verfahrens werden sensorisch ermittelte Werte der

Beschleunigung a und der Drehrate ω bereitgestellt. Mit diesen Werten wird in einem ersten Schritt 40 eine "Korrektur der Zentrifugalkraft" durchgeführt, wobei die durch die Sensoranordnung gemessenen Beschleunigungen um den Anteil der Zentrifugalkraft ζ = ω χ v _Ebene ' korrigiert werden. Dabei wird eine erste korrigierte Beschleunigung a - bestimmt. Diese erste

korrigierte Beschleunigung a - wird unter Berücksichtigung von Werten für den Wankwinkel φ ₃ und den Nickwinkel 0 _a in einem zweiten Schritt 42 unter Durchführung einer "Korrektur der Gravitationskraft" mit der

Gravitationsbeschleunigung korrigiert, woraus die Beschleunigung in der horizontalen Ebene resultiert.

Im Rahmen des Verfahrens sind zwei Möglichkeiten, die ebene

Geschwindigkeit v _Eben e zu berechnen, vorgesehen.

Eine "Bestimmung der Geschwindigkeiten" wird in einem dritten Schritt 44 unter Berücksichtigung der Beschleunigung des Fahrzeugs 2, der gemessenen Geschwindigkeit v des Fahrzeugs 2 und dessen Lenkwinkel öienk durchgeführt, wobei die erste ebene Geschwindigkeit des Fahrzeugs m = [vint,x, Vi _nt)y , v _lnt>z ] ^T durch Integration (13):

Vint = / ^a v _P dt (13) der Beschleunigung a _vp des Fahrzeugs 2 berechnet und somit ermittelt wird. Diese ebene Geschwindigkeit wird wiederum in einem geschlossenen Regelkreis zur "Korrektur der Zentrifugalkraft" im ersten Schritt 40 verwendet. Für die Geschwindigkeit VEbene.x in Raumrichtung einer Längsachse des Fahrzeugs 2 steht hierbei die über die Raddrehzahlen gemessene

Geschwindigkeit VF _Zg in Richtung x _a des Fahrzeugs 2 zur Verfügung. Unter Zuhilfenahme eines Einspurmodells ist es weiterhin möglich, aus dem _v Lenkwinkel 5i _en k und der gemessenen Geschwindigkeit vp _Z g eine zur

Querachse des Kraftahrzeugs wirksame Geschwindigkeit y.es zu

berechnen. Für die vertikale Geschwindigkeit v _Eben e,z steht keine weitere Mess- bzw. Berechnungsmethode zur Verfügung. Die alternativ ermittelte zweite ebene Geschwindigkeit des Fahrzeugs (14): v _a i _t — [v _Fzg , Vy _jESM , (14) und die durch Integration (13) berechnete Geschwindigkeit νϊ^ können durch einen geeigneten Filteralgorithmus, wie bspw. durch ein Kaiman-Filter (15), über eine Berechnungsvorschrift, die einen Gewichtungsfaktor τ umfasst:

VEbene =™Int + (1 ^~ x)v _alt mit 0 < τ < 1 (15) fusioniert werden. In einem vierten Schritt 46 zur "Korrektur der ebenen

Geschwindigkeitsänderung" werden Werte der gemessenen Geschwindigkeit v _F zg, des Lenkwinkels δι _βη κ, der Winkel 0 _a , φ ₃ und die durch die

Zentrifugalbeschleunigung korrigierte Beschleunigung a - berücksichtigt, wobei die korrigierte Beschleunigung durch den Anteil der Änderung der ebenen Geschwindigkeit a _vPja i _t = R korrigiert wird. Um eine negative Rückkopplung zu vermeiden, wird die Ableitung eines Vektors der Geschwindigkeit statt der laut der Berechnungsvorschrift (15) ermittelten Geschwindigkeit v _Ebene ! verwendet.

In einem fünften Schritt 48 werden unter Berücksichtigung der Drehrate ω und der Gravitationsbeschleunigung des Fahrzeugs 2 der Nickwinkel 0 _a sowie der Wankwinkel φ ₃ und somit die Neigung bzw. Lage des Aufbaus 6 des Fahrzeugs 2 mit dem voranstehend beschriebenen, auf Quaternionen basierenden Neigungsfilter berechnet. Über die voranstehend beschriebene Vorgehensweise werden der Nickwinkel 0 _a und der Wankwinkel φ ₃ bezogen auf das inertiale Koordinatensystem 28 bestimmt und in einem

geschlossenen Regelkreis zur "Korrektur der Gravitationskraft" im zweiten Schritt 42 sowie zur "Korrektur der eben Geschwindigkeitsänderung" im dritten Schritt 44 verwendet.

Ausgehend von der im fünften Schritt 48 ermittelten Neigung des Aufbaus 6 wird die Neigung und somit die Lage der Fahrbahn 4 ermittelt, wobei die

Abstände dz^ = ^' [dz _a>VL , dz _{a VR} , dz _{a HL} , dz _{a HR} ] ^T zwischen den Rädern 8, 10 und dem Aufbau 6 als gemessene Größen hinzugezogen werden, wodurch zunächst der Nickwinkel 0 _f und der Wankwinkel φί des Fahrwerks des

Fahrzeugs 2 berechnet werden, wobei eine durchzuführende Berechnung von einer Transformationsmatrix (16) abhängig ist: mit der eine geometrische Lage des Schwerpunkts 25 bezogen auf die Positionen der Räder 8, 10 beschrieben ist. Dabei beschreibt die erste Spalte den Abstand des Rads 8 vorne links, die zweite Spalte den Abstand des Rads vorne rechts, die dritte Spalte den Abstand des Rads 10 hinten links und die vierte Spalte den Abstand des Rads hinten rechts zu dem

Schwerpunkt 25 innerhalb der horizontalen Ebene.

Die Neigung des Fahrwerks wird dann über den vektoriellen Zusammenhang (17): bestimmt.

Durch die Subtraktion der Neigung des Fahrwerks von der Neigung des Aufbaus 6 wird die Neigung der Fahrbahn 4 im Bezug zum aufbaufesten, ersten Koordinatensystem 24 über den vektoriellen Zusammenhang (18): berechnet. Da eine Reifeneinfederung der Räder 8, 10 im Vergleich zu einem Federweg und somit ein zu berücksichtigender Abstand sehr gering ist, wird diese in obiger Rechnung vernachlässigt.

Da die Winkel φ ₃ und 8 _a auf den Vektor bezogene Schätzgrößen für die Neigung des Aufbaus 6 sind und φ _ί und 9 _f die relativen Winkel zwischen dem Aufbau 6 und der Oberfläche der Fahrbahn 4 beschreiben, stehen mit φ ₈ und 6 _S ebenfalls Winkel als geschätzte Größen für die Neigung der Fahrbahn 4 bzw. Straße bezogen auf den Gravitationsvektor zur Verfügung. In weiterer Ausgestaltung ist mit dem Verfahren u. a. eine zu durchfahrende Steilkurve zu erkennen, wobei es sich um eine zu einer Innenseite des Fahrzeugs 2 geneigte Kurve handelt, die bspw. auf Rennstrecken eingesetzt wird, um in der Kurve eine Geschwindigkeit erhöhen zu können. Einige Regelalgorithmen sind jedoch nicht auf die Fahrt in Steilkurven abgestimmt, weshalb eine Erkennung einer solchen vorzusehen ist.

Der oben beschriebene, durch Schätzen ermittelte Wankwinkel § _s gibt an, wie stark die Fahrbahn 4 in Querrichtung des Fahrzeugs 2 geneigt ist. Wird die Schätzgröße mit einem Schwellenwert verglichen, ist ein Indikator (19)

Wenn |φ ₅ | > j> _min ,steilkurve (19) 0 sonst anzugeben, der den Wert 1 annimmt, sobald der Wankwinkel φ ₃ für die Neigung in Querrichtung der Fahrbahn 4 einen Referenzwert ⁽ |>min,steiikurve überschritten hat. Außerdem ist eine Regelstrategie für ein von der Steilkurve betroffenes Stabilisierungssystem des Fahrwerks auf diese Situation anzupassen. Beispielsweise ist eine Niveauregulierung eines

Luftfedersystems für die Dauer einer Fahrt durch die Steilkurve auszusetzen, um nicht auf die nur in der Steilkurve erhöhte Beschleunigung in z- Raumrichtung zu reagieren.