Beschreibung

Lenksystem fr Kraftfahrzeuge mit gleitender Nulllaqe

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem mit Hilfskraftuntersüzung Gr Kraftfahrzeuge gerrßdem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie ein Verfahren zur Untersüzung eines Fahrers beim Lenken eines Fahrzeugs gerr&dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Moderne Fahrzeuge sind üblicherweise mit einer Hilfskraftlenkung (Servolenkung) ausgestattet, die den Fahrer beim Lenken untersüzt, indem sie die vom Fahrer aufzubringenden Lenkkεfte reduziert. Bekannte Hilfskraftlenkungen umfassen eine Stelleinrichtung, wie z.B. einen Elektromotor oder eine Hydraulikpumpe, mittels der ein bestimmtes Untersüzungsmoment auf die Lenkung ausgeübt wird. Die Hihe des Untersüzungsmoments istüblicherweise abhängig vom Lenk- bzw. Lenkradwinkel und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und wird von einem Steuergeägerräeiner vorgegebenen Charakteristik eingestellt.

Neben den genannten Hilfskraftlenkungen, die den Kraftaufwand beim Lenken verringern, sind aus dem Stand der Technik auch Lenksysteme bekannt, die den Fahrer aktiv beim Halten des Fahrzeugs in der Fahrspur untersüzen. Diese Systeme werden auch als LKS-Systeme (LKS: Lane Keeping Support) bezeichnet.

Bekannte LKS-Systeme umfassenüblicherweise ein Fahrspurerkennungssystem, wie z.B. ein Videosystem, mit dem die Kämmung der Fahrspur sowie die relative Position des Fahrzeugs (die so genannte Ablage und Orientierung) in der Fahrspur bestimmt werden kinnen. Im Normalfall, wenn die Bewegungsbahn des Fahrzeugs etwa dem Fahrspurverlauf entspricht, wird in herlömmlicher Weise ein Untersützungsmoment auf die Lenkung aufgebracht, das die am Lenkrad wirkenden Kefte reduziert. Wenn jedoch die Bewegungsbahn des Fahrzeugs von einer durch den Fahrspurverlauf vorgegebenen optimalen Bewegungsbahn stark abweicht, variiert das System das auf die Lenkung ausgeübte

Untersützungsmoment und erzeugt dadurch köstliche Lenkköfte. Diese Lenkköfte

sind so stark, dass sie vom Fahrer haptisch erfasst werden können und den Fahrer darauf hinweisen, wie er die Lenkung befitigen rrüsste, um das Fahrzeug in seiner Fahrspur zu halten. Bei einem zu geringen Lenkradeinschlag spürt der Fahrer beispielsweise eine Abnahme der Lenkköfte, wodurch er das Lenkrad automatisch särker in die Kurve einschlägt. Bei einem zu starken Lenkradeinschlag erhöht das System dagegen die am Lenkrad wirkenden Lenkköfte, wodurch der Fahrer das Lenkrad weiter in Nulllage bewegt.

Fig. 1 zeigt einenCberblicküber ein Lenksystem mit LKS-Funktion, das den Fahrer beim Halten des Fahrzeugs 1 in seiner Fahrspur 15 untersützt. Das Gesamtsystem umfasst eine am Fahrzeug 1 angeordnete Sensorik 13 zur Fahrspurerkennung, wie z.B. ein Videosystem, mittels der die Ablage und Orientierung des Fahrzeugs 1 bezüglich seiner Fahrspur 14, sowie die Fahrspurkümmung ermittelt werden lönnen. Das Fahrspurerkennungssystem 13 umfasst eine Videokamera und eine spezielle Bildverarbeitungssoftware, die aus den Bilddaten die gewünschten geometrischen Daten ermittelt.

Die geometrischen Daten als auch weitere Fahr-Zustandsgtßen, wie z.B. die Fahrgeschwindigkeit, werden einem mathematischen Referenzmodell 3 zugefihrt, das daraus einen Referenz-Lenkwinkel öR _θ f berechnet. Dieser Referenzlenkwinkel öR _e f ist derjenige Lenkwinkel, der an der Lenkung eingeschlagen werden rrüsste, um das Fahrzeug 1 optimal in seiner Fahrspur zu halten. Solange das Fahrzeug 1 seiner Fahrspur 14 mit ausreichender Genauigkeit folgt, wird in bekannter Weise ein Untersüzungsmoment Mu bzw. ein hierzu proportionales Servomoment Ms auf die Lenkung 12 ausgeübt, um die Lenkköfte zu verringern. Wenn die Abweichung des Fahrer-Lenkwinkels δ vom Referenzlenkwinkel öR _e f eine vorgegebene

Schwelleüberschreitet, wird ein zuätzliches Führungsmoment M _A erzeugt, das zum Untersüzungsmoment Mu hinzu addiert wird (Knoten 7) und das das Gesamt- Untersüzungsmoment Mu' bzw Ms entsprechend modifiziert.

Zur Berechnung des Führungsmoments M _A umfasst das Lenksystem ein

übertragungsglied 6 (blicherweise eine Kennlinienschar), das das Führungsmoment M _A in Abhängigkeit von der Lenkwinkelabweichung δδ ermittelt. Die Lenkwinkelabweichung δδ wird an einem Addierknoten 4 berechnet und dem übertragungsglied 6 zugeführt. DasLbertragungsglied kann gegebenenfalls noch weitere Eingangsgßen berücksichtigen.

Das Untersüzungsmoment Mu wird ebenfalls mit Hilfe einesϊbertragungsglieds 5 (jblicherweise eine Kennlinienschar) bestimmt. Dasϊbertragungsglied 5 beücksichtigt insbesondere den Lenkwinkel δ bzw. Lenkradwinkel, die Fahrgeschwindigkeit und das vom Fahrer am Lenkrad ausgeübte Moment M _F . Das Untersüzungsmoment Mu (bei optimaler Verfolgung der Fahrspur) wird an einem Addierknoten 7 mit dem Führungsmoment M _A addiert und daraus ein Gesamt-

Untersüzungsmoment Mu' berechnet, das vom Lenksteiler 11 umgesetzt wird. Das entsprechende Servomoment Ms wird hier mittels eines Regelkreises 8 auf den Sollwert Mu geregelt.

Fig. 2 zeigt eine typische Lenkcharakteristik einer Kfz-Lenkanlage. Die

Lenkcharakteristik 17 gibt das Moment M _F an, das vom Fahrer in Abhängigkeit vom Lenkwinkel δ am Lenkrad ausgeübt werden muss. Die Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und vom Untergrund ist hier nicht dargestellt. Wie zu erkennen ist, muss der Fahrer mit zunehmendem Lenkwinkel δ ein gtSeres Moment M _F aufbringen.

Wenn der Fahrer die durch den Fahrspurverlauf vorgegebene Idealspur verösst, wird der Lenkung 12 ein zuätzliches Führungsmoment M _A aufgepögt, wodurch sich das am Lenkrad wirkende Moment M _F in Richtung der Pfeile a, bändelt Wenn der Fahrer das Lenkrad zu weit eingeschlagen hat, wird das Gesamt-

Untersüzungsmoment Mu' reduziert, wodurch sich das am Lenkrad wirkende Moment M _F erhöht (Pfeil a) und der Fahrer eine höhere Gegenkraft spürt. Bei einem zu geringen Lenkradeinschlag wird das am Lenkrad wirkende Moment M _F entsprechend reduziert (Pfeil b), wodurch der Fahrer eine geringere Gegenkraft spürt. Durch diese Beeinflussung der Lenkung wird jedoch das charakteristische Lenkverhalten der Lenkung veendert, d.h. der Fahrer spürt am Lenkrad pözlich eine unterschiedliche Gegenkraft. Das unterschiedliche Lenkgefjhl ist Orden Fahrer ungewohnt und kann irritierend sein.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kfz-Lenkanlage zu schaffen, die den Fahrer beim Halten der Fahrspur untersttzt, deren Lenkcharakteristik sich aus Sicht des Fahrers jedoch nicht veendert.

Gefist wird diese Aufgabe gerrftder Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteranspüchen.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, die Nulllage der Lenkung (in der keine Käfte auf das Lenkrad wirken) immer auf einen Lenkwinkel öR _e f einzustellen, der durch den Fahrspurverlauf und die Position des Fahrzeugs vorgegeben ist, wobei sich die Nulllage der Lenkung mit dem Referenzlenkwinkel (δ _Re f) laufend verschiebt. Dies hat zur Folge, dass der Fahrer, solange er sich auf bzw. nahezu auf einer durch den Fahrspurverlauf vorgegebenen Idealspur bewegt, keinerlei Rjckstellköfte am Lenkrad verspürt (genauso wie bei Geradeausfahrt bei einer herlömmlichen Lenkung). Verösst der Fahrer diese Idealspur in die eine oder andere Richtung, übt das Lenksystem automatisch eine Rickstellkraft bzw. ein entsprechendes Moment am Lenkrad aus, das in Richtung der Nulllage gerichtet ist und den Fahrer wieder in die Idealspur zuückfJhren soll. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass die Lenkcharakteristik aus Sicht des Fahrers konstant bleibt und die Lenkkraft nur von der hthe der Abweichung zur Idealspur abhängt.

Ein erfindungsgerrfies Lenksystem mit Hilfskraftuntersüzung umfasst entsprechend einen Lenksteiler, mit dem ein Untersüzungsmoment auf die Lenkung des Fahrzeugs ausgeübt werden kann, ein Fahrspurerkennungssystem, mit dem der Fahrspurverlauf sowie die relative Position des Fahrzeugs bestimmt werden kinnen, ein Referenzlenkwinkelermittlungsmittel bzw. ein Referenzmodell, das in Abhängigkeit von den vom Fahrspurerkennungssystem erhaltenen Daten einen Referenzlenkwinkel berechnet und einLbertragungsglied zum Berechnen des Untersützungsmoments, das auf die Lenkungibertragen werden soll. Das übertragungsglied ist dabei erfindungsgerräderart ausgelegt, dass die Nulllage der Lenkcharakteristik gleich dem Referenzlenkwinkel ist und sich in Abhängigkeit vom Kurvenradius der Fahrbahn mit dem Referenzlenkwinkel verschiebt.

Die Lenkcharakteristik ist vorzugsweise beziglich ihrer Nulllage symmetrisch. Dies hat den Vorteil, dass der Fahrer unabhängig von der Richtung der Abweichung am Lenkrad die gleichen Rjckstellköfte erfährt ähnlich wie bei einer herlömmlichen Lenkung bei Abweichung von der Geradeausfahrt).

Die an der Lenkung beim Abweichen von der Idealspur auftretenden Rjckstellköfte sind so ausgelegt, dass sie vom Fahrer vorzugsweiseübersteuert werden kinnen.

Die hϋhe der vom Lenksystem bei einer Abweichung ausgeübten Rckstellköfte sind vorzugsweise abhängig, insbesondere linear abhängig von der hϋhe der Abweichung von der Idealspur. Das Untersüzungsmoment ist entsprechend eine Funktion der Abweichung von der Idealspur. Das Lenksystem ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass die am Lenkrad wirkenden Rckstellkefte mit zunehmender Abweichung von der Idealspur zunehmen.

Gerräeiner bevorzugten Ausfihrungsform der Erfindung wird das am Lenkrad wirkende Moment auf einen vorgegebenen Wert geregelt. Durch unterschiedliche Fahrbedingungen wie z.B. unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten oder Untergrund-Beschaffenheiten.ändert sich das an den gelenkten Rädern wirkende Rbkstellmoment. Der Fahrer soll bei eineränderung der Fahrbedingungen jedoch keineänderung der Lenkkefte am Lenkrad wahrnehmen. Solange sich der Fahrer auf der bzw. nahezu auf der Idealspur bewegt, sollten die Lenkkεfte stetig etwa gleich Null sein. Es wird daher vorgeschlagen, das am Lenkrad wirkende Moment auf einen vorgegebenen Wert zu regeln. Das am Lenkrad wirkende Moment wird hierzu vorzugsweise mittels Momentensensoren gemessen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erautert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Kfz-Lenkanlage mit LKS-Funktion;

Fig. 2 eine typische Lenkcharakteristik einer aus dem Stand der Technik bekannten Lenkanlage;

Fig. 3 eine schematische Blockdarstellung einer Kfz-Lenkanlage gerräeiner Ausfihrungsform der Erfindung; und

Fig. 4 die Lenkcharakteristik einer erfindungsgerräen Kfz-Lenkanlage gerräeiner Ausfihrungsform der Erfindung.

Bezüglich der Er&jterung der Fig. 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Kfz-Lenkanlage gerrfieiner

Ausfihrungsform der Erfindung, die den Fahrer beim Halten des Fahrzeugs in der Fahrspur untersüzt. Gleiche Elemente wie in Fig. 1 sind dabei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im unteren Bereich der Fig. 3 ist ein Fahrzeug 1 dargestellt, das sich in seiner Fahrspur 15 mit einer Geschwindigkeit v vorwjrts bewegt. Die Fahrspur 15 ist durch seitliche Markierungen 14 begrenzt.

Das Fahrzeug umfasst ein Fahrspurerkennungssystem 13, mit dem die Kämmung der Fahrspur 15 und die relative Position des Fahrzeugs 1 in der Fahrspur 15 bestimmt werden kinnen. Das Fahrspurerkennungssystem 13 kann beispielsweise als Videosystem mit einer Signalverarbeitungssoftware realisiert sein, die aus den Videosignalen die Fahrspurkümmung als auch die Ablage und Orientierung des Fahrzeugs 1 ermittelt. Wahlweise kinnten auch andere Systeme, wie z.B. Magnetsensoren, die die Fahrzeugposition in Verbindung mit in der Fahrbahn integrierten Magneten bestimmt oder auch Radarsensoren vorgesehen sein. Eine Satelliten gesüzte Bestimmung der gesuchten geometrischen Daten (Fahrspurkümmung, Ablage, Orientierung) ist ebenfalls denkbar.

Die ermittelten geometrischen Daten werden dann einem Referenzmodell (Algorithmus) zugefihrt, der in Abhängigkeit davon einen Referenzlenkwinkel öR _θ f berechnet, der an der Lenkung 12 eingeschlagen werden rrüsste, um das Fahrzeug 1 optimal in seiner Fahrspur 15 zu halten.

Aus dem am Fahrzeug 1 eingestellten Lenkwinkel δ bzw. Lenkradwinkel und dem Referenzlenkwinkel öR _e f wird nachfolgend eine Differenz δδ berechnet. Hierzu ist ein Addierknoten 4 vorgesehen, dem die entsprechenden GiBen δ, δ _Ref zugefihrt werden.

Das Herzstick der Lenkanlage bildet einLbertragungsglied 16, das in Abhängigkeit vom Fahrzustand (Lenkwinkel δ, Fahrgeschwindigkeit, Fahrbahnbeschaffenheit, etc. ...) ein Untersüzungsmoment Mu ermittelt, das auf die Lenkung 12 ausgeübt wird. DasLbertragungsglied 16 erzeugt hier ein Untersüzungsmoment M _u , das so grcfiist, dass die am Lenkrad wirkenden Kräfte etwa gleich Null sind und der Fahrer kein Rickstellmoment verspürt, wenn sich das Fahrzeug 1 auf der Idealspur bewegt. D.h., das Lenkrad ist köftefrei, wenn die Winkelabweichung δδ gleich Null ist oder zumindest innerhalb vorgegebener Grenzen liegt. Wenn das Fahrzeug 1 in seiner

Spur 15 fährt, verhält sich die Lenkung 12 auch bei einer Kurvenfahrt so, als winde das Fahrzeug 1 (mit einer herlömmlichen Lenkung) geradeaus fahren.

Da das am Lenkrad wirkende Rickstellmoment von verschiedenen FahrzustandsgiBen, wie z.B. der Fahrgeschwindigkeit und der Untergrundbeschaffenheit abhängig ist, umfasst dasϊbertragungsglied 16 vorzugsweise eine Regeleinrichtung (nicht gezeigt), mit der das Rickstellmoment geregelt werden kann. Dadurch wird sichergestellt, dass die am Lenkrad wirkenden Lenkkefte auch bei eineräxJerung der Fahrbedingungen konstant bleiben, solange das Fahrzeug 1 seiner Fahrspur 15 folgt. DasLbertragungsglied 16 verarbeitet neben dem Referenzlenkwinkel öR _e f, der Fahrgeschwindigkeit v, der Winkelabweichung δδ und dem Lenkrad- bzw. Fahrermoment M _F vorzugsweise auch den Schwimmwinkel und die Gierrate ß des Fahrzeugs.

Fig. 4 zeigt die zugehörige Lenkcharakteristik, die sich aufgrund dieser Auslegung desϊbertragungsglieds 16 ergibt. Wie zu erkennen ist, ist die Nulllage der Lenkcharakteristik 17 immer gleich dem Referenzwinkel ö _Ref . Wenn sich der Referenzlenkwinkel öR _e f aufgrund eineränderung der Fahrbahnkümmung ebenfalls ändert, verschiebt sich die Nulllage der Lenkcharakteristik 17 entsprechend (siehe Pfeile nach links und rechts). Solange der Fahrer die Idealspur hat bzw. die Winkelabweichung δδ kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert, ist das am Lenkrad wirkende Rickstellmoment (bzw. das vom Fahrer auszuübende Moment M _F ) gleich Null. Wenn der Fahrer dagegen die Idealspur verässt und die Winkelabweichung δδ den Schwellenwertüberschreitet, erzeugt das übertragungsglied 16 ein modifiziertes Untersüzungsmoment Mu. Dadurch wird am Lenkrad ein Rickstellmoment wirksam, das in Richtung des Referenzwinkels gerichtet ist und den Fahrer darauf hinweist, wie er lenken rriisste, um das Fahrzeug 1 in die Idealspur zuück zu Ghren. Das Rickstellmoment nimmt mit zunehmender Abweichung des Lenkwinkels δ vom Referenzlenkwinkel öR _θ f zu. Das zugehörige Untersüzungsmoment Mu wird von einem Lenksteiler 11 , wie z.B. einem Elektromotor 11 auf die Lenkung 12übertragen. Das vom Elektromotor 11 erzeugte Servomoment Ms wird hier mittels einer Regelschleife mit den Elementen 9,10 geregelt.

20.06.2006

ROBERT BOSCH GMBH; 70442 Stuttgart

Bezugszeichenliste

1 Fahrzeug

2 Fahrer

3 Referenzmodel

4 Addierknoten

5 übertragungsglied

6 Führungskennlinie

7 Addierknoten

8 Lenksteiler mit Regelkreis

9 Addierknoten

10 übertragungsglied

11 Elektromotor

12 Lenkung

13 Fahrspurerkennungssystem

14 Fahrspurmarkierung

15 Fahrspur

16 übertragungsglied

17 Lenkcharakteristik

Mu Unersüzungsmoment

Mu' Gesamt-Unersüzungsmoment

M _F Fahrermoment

M _R Rickstellmoment

MA Führungsmoment

Ms Servomoment δ Lenkwinkel δRef Referenzlenkwinkel

V Fahrgeschwindigkeit

K Fahrspurkümmung pos Ablagedaten