Verfahren zur Bestimmung von Fahrwegbedingungen bei ungebremster oder gebremster Fahrt eines Fahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von

Fahrwegbedingungen bei ungebremster oder teilgebremster Fahrt eines Fahrzeugs. Systeme zur Vermeidung eines Blockierens der Fahrzeugräder von Fahrzeugen (Antiblockiersysteme, ABS) sind bekannt.

Die Regelparameter eines solchen ABS-Systems werden derart eingestellt, dass dabei unterschiedliche Fahrbahngegebenheiten, also sowohl unebene Fahrbahnen als auch Schotterfahrbahnen berücksichtigt werden, um eine Verschlechterung der Wirkung des ABS-Systems zu verhindern. Denn es ist bekannt, dass Unebenheiten der Fahrbahn eine Störgröße im ABS-Regelkreis darstellen, da die von solchen Unebenheiten bewirkten Stöße auf das Fahrzeugrad zu einer zeitlich begrenzten Schlupfeinlauf führen können, bevor das eigentliche Blockierdruckniveau erreicht wird.

Zur Berücksichtigung der Fahrbahngegebenheiten wird eine sogenannte Schlechtweg-Erkennungsfunktion in das ABS-System integriert, um bei Erkennung von welligen bzw. holprigen oder rauhen Fahrbahnoberflächen oder Schotterfahrbahnen, zusammenfassend „Schlechtweg-Fahrbahnen" genannt, Regelgrößen des ABS-Systems anzupassen, so dass bspw. die Eingriffsschwellen der Regelalgorithmen zur Erhöhung der Schlupfwerte erhöht werden.

Aus der gattungsbildenden DE 199 10 099 AI ist ein Verfahren zur Bestimmung von Fahrwegbedingungen bekannt, bei dem Kenngrößen aus dem ausschließlich vom Fahrweg unmittelbar beeinflussten dynamischen Verhalten der Fahrzeugräder abgeleitet und ausgewertet werden. Mit diesem bekannten Verfahren werden als Kenngrößen das Drehverhalten der Fahrzeugräder bzw. die Radgeschwindigkeiten zeitlich abgeleitet und über einen Vergleich des arithmetischen Mittelwertes mit dem betragsmäßigen Mittelwert Schlechtwegbedingungen erkannt, wobei als Radbe ^¬ schleunigungswerte sowohl positive als auch negative Ge ^¬ schwindigkeitsänderungen benutzt werden. Des Weiteren ist aus der EP 1 294 599 Bl ein Verfahren zur

Verbesserung des Regelverhaltens eines Bremsensystems (ABS) mit Blockierschutzregelung beim Auftreten von Fahrbahnstörungen, wie Querrillen, Schlaglöcher, Schwellen etc., bekannt, bei dem das Drehverhalten der Räder zur Blockier-schutzregelung und zum Erkennen der Fahrbahnstörungen beim Einsetzen der

Blockierschutzregelung im Anschluss an eine Teilbremsung ausgewertet wird, indem eine kurzdauernde Bremsdruckabbauphase mit starkem Bremsdruckabbau an einem Rad als Folge hoher Radverzögerung oder Radbeschleunigung, gefolgt von einer hohen Wiederbeschleunigung des Rades, als Fahrbahnstörung interpretiert wird, wenn entweder der Quotient aus der Zeitdauer des Druckabbaus und der Gesamtdauer der Druckabbauphase multi ^¬ pliziert mit der Wiederbeschleunigung des Rades oder dem Spitzenwert der Wiederbeschleunigung oder wenn die Wiederbe- schleunigungsänderung oder der Spitzenwert der Wiederbe- schleunigungsänderung vorgegebene Grenzwerte überschreiten, und als Folge der Erkennung der Fahrbahnstörung ein im Vergleich zur Standard-ABS-Regelung erhöhter Bremsdruckanstieg hervorgerufen wird .

Schließlich beschreibt auch die DE 100 20 215 AI ein Verfahren zur Erkennung einer Schotterfahrbahn oder einer ähnlichen Fahrbahn mit einem erhöhten Schlupfbedarf, bei dem das Schwingungsverhalten der einzelnen Fahrzeugräder an der angetriebenen Achse erfasst und ausgewertet wird und die Fahr ^¬ situation einer Schotterfahrbahn dann erkannt wird, wenn die Radbeschleunigung an mindestens zwei Fahrzeugrädern einen vorgegebenen Radbeschleunigungs-Grenzwert übersteigt und wenn die mindestens zwei Fahrzeugräder ein bestimmtes Schwin ^¬ gungsverhalten, welches für eine Schotterfahrbahn charakteristisch ist, aufweisen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem von Schlechtweg-Fahrbahnen hervorgerufene

Schwingungen eines Fahrzeugrades sicher und zuverlässig erkannt werden können, ohne dass bei Einsatz dieses erfindungsgemäßen Verfahrens in einem ABS-System dessen Regelung gestört wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren zur Bestimmung von Fahrwegbedingungen bei ungebremster oder gebremster Fahrt eines Fahrzeugs mittels einer radindividuellen Kenngröße, welche aus einer zeitlichen Änderung von an mindestens einem Fahrzeugrad erfassten Radgeschwindigkeit abgeleitet wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass a) ein Rucksignal durch zweifache Differentiation der Radge ^¬ schwindigkeit gebildet wird,

b) zur Bildung der Kenngröße die Differenz aus dem Absolutwert des Rucksignals und eines Toleranzwertes über die Zeit auf ^¬ summiert oder integriert wird, und

c) durch Vergleich der Kenngröße mit einem Schwingsignal- schwellwert die Fahrwegbedingung ermittelt wird. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass auf ebenem Untergrund die für die ABS-Regelung maßgeblichen Signale Radgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) und Radbeschleu ^¬ nigungen (Winkelbeschleunigung) einen stetigen Verlauf ohne große Sprünge aufweisen und dass sich insbesondere die Rad ^¬ beschleunigung von einer auf die andere Loop (Rechenzyklus des ABS-Regelalgorithmus ) nicht stark ändert, da das Drehverhalten eines Fahrzeugrades einen dynamischen Zustand beschreibt . Dieser dynamische Zustand resultiert aus der Summe der auf das

Fahrzeugrad wirkenden Momente Bremsmoment M_Brems, Antriebs ^¬ moment M_Antrieb und dem Produkt aus Reifenlängskraft F_längs und Reifendurchmesser r_dyn (zusätzliche auf das Rad wirkende Momente, wie z.B. Rekuperationsmomente könnten hier analog berücksichtigt werden) und stellt sich gemäß des Drehimpuls ^¬ erhaltungssatz folgendermaßen dar:

J-φ ^" =F_längs · r_dyn-M_Brems+M_Antrieb , (1) wobei J das Trägheitsmoment und φ ^" die Radwinkelbeschleunigung ist .

Änderungen in der Radbeschleunigung resultieren gemäß dieser Formel (1) aus einer Änderung von mindestens einem der angreifenden Momente. Im gebremsten Fall, insbesondere mit ausgekuppeltem Antriebsstrang, aber auch für nicht angetriebene Fahrzeugräder allgemein lassen sich Änderungen des Antriebsmoments vernachlässigen, so dass nur das von der ABS-Regelung beeinflusste Bremsmoment M_Brems sowie die äußere Reifen ^¬ längskraft F_längs und deren Hebelarm r_dyn als Einflussgrößen bleiben .

Daraus folgt, dass jede Änderung der Radbeschleunigung φ ^" , die nicht auf eine Änderung des Bremsmoments M_Brems folgt, aus einer Änderung der Reifenlängskraft F_längs oder des Hebelarms r_dyn resultiert und daher eine äußere Störung für die ABS-Regelung darstellt . Daher wird erfindungsgemäß das durch zweifache Differentiation der Radgeschwindigkeit φ ^' erzeugte Rucksignal (jerk) j als Größe zur Erkennung von Störungen verwendet.

Nach der Bildung dieses Rucksignals j gemäß Verfahrensschritt a) wird der absolute Wert | j | des Rucksignals j, sofern es eine Toleranzschwelle j_Toleranz überschreitet integriert, bzw. im diskreten Fall aufsummiert und gemäß Verfahrensschritt c) die Summe bzw. das Integral S_Schwing als Kenngröße nach folgender Formel

S_Schwing=JB ( I j I -j_Toleranz ) dt (2) mit einem Schwingsignalschwellwert Ggrenz verglichen und aus dem Vergleichsergebnis die Fahrwegbedingung bestimmt. Sobald die Kenngröße S_Schwing diesen Schwingsignalschwellwert erreicht, also

S_Schwing >G_grenz gilt, wird eine Schlechtweg-Fahrbahn erkannt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor Durchführung des Verfahrensschrittes b) das Rucksignal j mittels eines Tiefpassfilters , vorzugsweise mittels eines PTl-Filters gefiltert.

Da ausgehend von dem Geschwindigkeitssignal die Differentiation (Ableitung) frequenzabhängig zunimmt, weisen Schwingungen mit sehr hohen Frequenzen eine vergleichsweise große Amplitude im Rucksignal j auf, so dass hohe Frequenzen zu stark gewichtet würden, wenn das Rucksignal j nicht tiefpassgefiltert würde. Die Filterung des Rucksignals j führt zur Dämpfung der hohen Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz, so dass die durch die Ableitung der Radbeschleunigung zur Erzeugung des Rucksignals j hervorgerufene Amplitudenverstärkung vollständig kompensiert wird. Somit wird erreicht, dass der Signalverlauf des gefilterten Rucksignals j_Filt die Schwingungsgröße des für die ABS-Regelung bedeutsameren Beschleunigungssignals gut abbildet, ohne hohe Frequenzen zu stark zu gewichten.

Ein geeigneter Algorithmus für die Filterung des Rucksignals j stellt weiterbildungsgemäß ein PTl-Tiefpassfilter dar, der oberhalb der Grenzfrequenz die Amplitude mit 20 dB/Dekade abschwächt. Es ist auch möglich, einen anderen Filterungsal ^¬ gorithmus zu verwenden, etwa um die Frequenzabhängigkeit der Amplitudenverhältnisse zwischen Radgeschwindigkeit und dem Rucksignal j zu kompensieren. Die Kenngröße S_Schwing stellt sich mit dem gefilterten Rucksignal j Filt folgendermaßen dar:

S (Schwing, F) =J| ( I j Filt | -j Toleranz ) dt . (3) Mit einer solchen Kenngröße S_ ( Schwing, F) lässt sich eine Schlechtweg-Fahrbahn besonders gut erkennen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass

al) aus einem an dem Fahrzeugrad erzeugten Bremsmomentgradienten M_Bremsgrad ein erwarteter Rucksignalwert j_erwartet als Korrekturruckwert bestimmt wird, und a2) mit dem Absolutwert aus der Differenz des mit Verfahrensschritt a) bestimmten Rucksignales j bzw. j_Filt und dem Korrekturruckwert j_erwartet die Kenngröße S_ ( Schwing, F) gemäß Verfahrensschritt b) gebildet wird.

Mit diesem erwarteten Rucksignalwert j_erwartet als Korrek ^¬ turwert bestimmt sich die Kenngröße S_ ( Schwing, F, erw) nach folgender Formel: S_ ( Schwing, F, erw) =JB ( I j_Filt-j_erwartet | -j_Toleranz ) dt .

Damit kann durch die Berücksichtigung von Radbeschleunigungsänderungen, welche auf den von der ABS-Regelung erzeugten Bremsdruckänderungen beruhen, vorteilhaft die Toleranzschwelle j_Toleranz niedrig, also klein gewählt werden, da ansonsten diese Toleranzschwelle j_Toleranz groß gewählt werden muss, um eine Falscherkennung einer Schlechtweg-Fahrbahn zu verhindern, wenn die ABS-Regelung selbst durch die Druckmodulation eine

Druckänderung und damit einen Ruck anregt.

Zur Bestimmung des erwarteten Rucksignalwertes j_erwartet bei kleiner Toleranzschwelle j_Toleranz ist es weiterbildungsgemäß vorteilhaft, wenn der erwartete Rucksignalwert j_erwartet aus der das Bremsmoment M_Brems bewirkenden Bremsdruckänderung (dp_Brems) /dt bestimmt wird, da es zwischen dem Bremsdruck p und dem Bremsmoment M_Brems einerseits und andererseits über das Massenträgheits-imoment zwischen Moment und der rotatorischen Beschleunigung eines Körpers einen direkten Zusammenhang gibt. Damit ergibt sich für den erwarteten Rucksignalwert j_erwartet: j_erwartet=F · (dp_Brems) /dt, wobei (dp_Brems ) /dt der Bremsdruckgadient und F ein negativer Kalibrierungsfaktor darstellt. Dieser Kalibrierungsfaktor ist des deshalb negativ zu wählen, da ein negativer Bremsdruckgradient, der einen Druckabbau bewirkt, zu einer positiven Beschleunigungsänderung, also einem positiven Rucksignal führt.

Es hat sich jedoch als sinnvoll erwiesen, bei Verwendung des erwarteten Rucksignalwertes [ j] _erwartet, also Verfahrens ^¬ schritt a2) nur durchführen, wenn der erwartete Rucksignalwert j_erwartet und das Rucksignal j bzw. das gefilterte Rucksignal j_F gleiche Vorzeichen aufweisen.

Die Beschränkung bei der Berechnung des erwarteten Rucksignalwertes [ j] _erwartet auf die von der ABS-Regelung ausge- lösten Bremsdruckmodulationen beruht darauf, dass die

Schlupf-Regelung in der Regel ausschließlich über eine Modulation der Bremsmomente erfolgt und Antriebs-, Schlepp- oder Rekuperationsmomente sich vergleichsweise langsam ändern und daher nicht berücksichtigt werden brauchen. Falls sich diese Größen aufgrund geänderter ABS-Regelstrategie schneller ändern, müssen sie in die Berechnung des erwarteten Rucksignalwertes [ j] _erwartet additiv mit einbezogen werden.

Bei der Berechnung des erwarteten Rucksignalwertes [ j] _erwartet kann jedoch nicht das im aktuellen Zeitpunkt berechnete Druckgradientensignal des ABS-Systems verwendet werden, da sich die Radbeschleunigungsänderung in diesem Zeitpunkt auf einen weiter zurückliegenden Zeitpunkt bezieht. Das bedeutet, dass die Druckgradientensignale pgrad und die Rucksignale j bzw. j_Filt im Regler des ABS-Systems nicht synchron verlaufen; das

Druckgradientensignal muss daher verzögert werden. Für die Bestimmung der Bremsdruckänderung werden somit weiterbil- dungsgemäß vorhergehende Druckgradientensignale verwendet, d. h. es wird auf zwischengespeicherte Druckgradientensignale der letzten Rechenzyklen (loops) zurückgegriffen (also nicht auf das aktuell berechneten Druckgradientensignal) und hieraus das geeignete Druckgradientensignal (bspw. durch Mittelwertbildung) bestimmt. Ein solches verzögertes Druckgradientensignal ist dann mit dem im gleichen Zeitpunkt erfassten Beschleunigungsände- rungssignal für die Berechnung des erwarteten Rucksignalwertes [ j] _erwartet vergleichbar.

Ursächlich für die fehlende Synchronizität dieser beiden Signale liegt darin, dass das in dem ABS-Regler meistens verwendete Druckmodell bereits eine Druckänderung anzeigt, während die Hydraulikventile des ABS-Systems noch die Druckänderung aus- führen, bevor sich der neue Druck am Fahrzeugrad auswirkt. Ferner gibt es auch zwischen dem realen Drehverhalten des Fahrzeugrades und dem gemessenen Drehverhalten einen weiteren Zeitverzug.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Bestimmung des erwarteten Rucksignalwertes [ j] _erwartet das die Bremsdruckänderung bewirkende

Druckgradientensignal pgrad gefiltert, wodurch ähnliche Sig ^¬ naleigenschaften der zu vergleichenden Signale geschaffen werden und dadurch ein genauerer Wert für den Rucksignalwert [ j] _erwartet erhalten wird.

Falls eine exakte Synchronisierung des Rucksignals j bzw. j_Filt und des Bremsdruckgradientensignals nicht möglich ist, führt eine Filterung des Druckgradientensignals dazu, dass die Signale derart „verschliffen" werden, dass ein Vergleich über einen vergleichsweise langen Zeitraum erfolgen kann und sich dadurch ein Fehler in der Synchronisierung nicht so stark auswirkt. Eine weitere Verbesserung der Kenngröße S_Schwing, S_ (Schwing, F) bzw. S_ ( Schwing, F, erw) lässt sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreichen, dass die Summe bzw. die Integration gemäß Verfahrensschritt b) in Abhängigkeit des Vorzeichens des Rucksignals j bzw. j_Filt gebildet wird, indem die Zunahme der Summe bzw. die Zunahme des Integralwertes pro Rechenzyklus (loop) auf einen Gradientengrenzwert beschränkt wird oder unterschiedliche Toleranzwerte verwendet werden. Vorzugsweise ist es dabei vorgesehen, dass bei einem positiven Rucksignal j bzw. positiven gefilterten Rucksignal j_Filt und einer positiven Differenz zwischen dem Rucksignal j bzw. dem gefilterten Rucksignal j_Filt und dem erwarteten Rucksignalwert [ j] _erwartet der Gradientengrenzwert größer ist als der Gradientengrenzwert bei einem negativen Rucksignal j_Filt bzw. negativen gefilterten Rucksignal j_Filt und einer negativen Differenz zwischen dem Rucksignal j_Filt bzw. dem gefilterten Rucksignal j_Filt und der erwarteten Rucksignalwert [ j] _erwartet .

Das heißt, dass bei einem unerwarteten positiven Ruck j>0 bzw. j_Filt>0 und [ _erwartet>0 bzw. [ j_Filt-j]

_erwartet>0 schneller ansteigen zu lassen als bei einem unerwarteten negativen Ruck j<0 bzw. j_Filt<0 und [

_erwartet<0 bzw. [ j_Filt-j] _erwartet<0, da ein negativer Ruck ohne vorausgehende Druckänderung während einer ABS-Regelung auch „natürlich" auftreten kann, bspw. bei einem Anstieg der Radverzögerung, wenn das Fahrzeugrad gerade den Peak der

μ-Schlupfkurve überschreitet oder bei der Rückkehr des Fahr ^¬ zeugrades aus dem instabilen Bereich in den stabilen Bereich der Schlupfkurve, wenn die Wiederbeschleunigung endet, während bei einem positiven Ruck, also bei einem Übergang von einer Rad- Verzögerung in eine Wiederbeschleunigung in der Regel immer eine Reduzierung des Bremsmomentes vorausgeht.

Des Weiteren wird nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die mit der Kenngröße S_Schwing, S_ ( Schwing, F) bzw. S_ ( Schwing, F, erw) ermittelte Fahrwegbedingung im Rahmen einer Bremsdruckregelung sowohl bei Teil- als auch bei Vollbremsung, vorzugsweise im Rahmen eines ABS-Bremsensystems mit

Blockierschutzregelung eingesetzt, indem bei Überschreiten des Schwingsignalschwellwertes Ggrenz durch die Kenngröße

S_Schwing, S_ ( Schwing, F) bzw. S_ ( Schwing, F, erw) die Regelgrößen und oder die Filtergrößen der Bremsdruckregelung angepasst werden. Damit wird bei Erkennung einer Schlechtweg-Fahrbahn die ABS-Regelung unempfindlicher, d. h. eine Unterbremsung des Fahrzeugs vermieden und somit die Bremsleistung verbessert.

Vorzugsweise wird als Regelgröße die Schlupfschwelle angehoben, um dadurch eine Reduzierung des Bremsmomentes erst zuzulassen, wenn das Fahrzeugrad einen deutlichen Schlupf aufweist. Dabei bietet es sich an, die Anhebung der Schlupfschwelle nicht nur an demjenigen Fahrzeugrad vorzunehmen, an welchem die Kenngröße S_Schwing, S_ ( Schwing, F) bzw. S_ ( Schwing, F, erw) eine

Schlechtweg-Fahrbahn anzeigt, sondern an allen Fahrzeugrädern, um den Einfluss einer zu hohen Referenzgeschwindigkeit bei der Bestimmung des aktuellen Schlupfwertes zu kompensieren.

In der ABS-Regelung kann für Regelgrößen eine stärkere Filterung erfolgen. Eine Filterung ist jedoch im Allgemeinen immer ein Kompromiss, da der gewünschte Effekt des Herausfilterns von Störungen im Signal immer mit einem unerwünschten Effekt des Zeitverzugs im Nutzsignal verbunden ist, wobei der dadurch entstehende Zeitverzug die Regelperformance verschlechtert. Um diese negativen Effekt zu minimieren, wird im Allgemeinen nur so wenig gefiltert wie unbedingt nötig. Die erfindungsgemäße Schwingungserkennung kann diesen Effekt minimieren, indem weiterbildungsgemäß bei Überschreiten des Rucksignalschwell- wertes durch die Kenngröße [ s] _Schwing, S_ ( Schwing, F) bzw. S_ ( Schwing, F, erw) die Filterstärke der Regelgrößen der

ABS-Regelung erhöht wird. Damit wird bei Erkennen einer als Störung angesehene Schlechtweg-Fahrbahn die Filterung der ABS-Regelgrößen selektiv verstärkt, so dass der Vorteil des Herausfilterns von Störungen den Nachteil des Zeitverzugs kompensiert.

Um unnötig tiefe Druckabbauten, die etwa aus einer stark negativen Radbeschleunigung resultieren können, zu vermeiden, bietet sich auch an, für die Regelung sowohl eine gefilterte als auch eine ungefilterte Radbeschleunigung zu berechnen und dann das weniger negative Signal für die Berechnung der

ABS-Druckmodulation zu verwenden.

Durch die Anpassungen in der ABS-Regelung, die über die

Schwingungserkennung zur Bestimmung der Fahrwegbedingung erfolgen, werden indirekt sogar Vorteile für die Fahrt auf einer Nichtschlechtweg-Fahrbahn erreicht, da dort weniger Vorkehrungen für möglichen Schlechtweg getroffen werden müssen.