Neigungsregelungsvorrichtung und Verfahren zur Neigungsregelung eines Fahrzeugs Die Erfindung betrifft eine Neigungsregelungsvorrichtung für ein Fahrzeug, mit Erfassungsmitteln zur Erfassung ei- nes die Wankgeschwindigkeit des Fahrzeugs repräsentieren- den Wankgeschwindigkeitssignals und zur Erfassung eines Solllenkwinkelsignals, mit Regelungsmitteln zur Erzeugung eines Lenksignals anhand des Wankgeschwindigkeitssignals und des Solllenkwinkelsignals, und mit Ausgabemitteln zur Ausgabe des Lenksignals an einen Lenkaktor zum Lenken ei- nes oder mehrerer Räder mindestens einer Achse des Fahr- zeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbe- sondere ein mehrspuriges Fahrzeug, mit einer derartigen Neigungsregelungsvorrichtung sowie ein in der Art der Neigungsregelungsvorrichtung funktionierendes Verfahren.

Eine derartige Neigungsregelungsvorrichtung ist bei- spielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 40 32 317 AI bekannt. Die dort beschriebene Neigungsregelung dämpft die Wankbewegungen von Fahrzeugen mit Vierradlen- kung und von Fahrzeugen mit Frontlenkung. Die bekannte Neigungsregelungsvorrichtung basiert auf der Wankdynamik des Fahrzeugaufbaus, wobei Signale berücksichtigt werden, die mittelbar oder unmittelbar die Wankwinkelgeschwindig- keit präsentieren. Zudem wird der Fahrrichtungswunsch des Fahrers, also der Solllenkwinkel, berücksichtigt.

Ein verbessertes Stabilitätsverhalten bewirkt eine Zu- satzlenkung gemäß der deutschen Offenlegungsschrift DE 33 00 640 A1, bei der unter anderem die Fahrgeschwindigkeit, die Gierwinkelgeschwindigkeit, die Querbeschleunigung, die Längsbeschleunigung, der Lenkraddrehwinkel, also der Solllenkwinkel, Reifenzustände oder dergleichen berück- sichtigt werden. Das Wankverhalten des Fahrzeuges bleibt unberücksichtigt.

Bei der Regelungsvorrichtung gemäß der WO 99/01320 sind zwei voneinander unabhängige Teil-Regelungsvorrichtungen vorhanden, die in die Lenkung eines Fahrzeugs und/oder in Fahrwerksaktuatoren des Fahrzeuges eingreifen. Die Rege- lungsvorrichtung basiert beispielsweise auf Raddrehzahl- signalen, Gierratensignalen, Querbeschleunigungssignalen und Lenkwinkelsignalen.

Ein verbessertes Notlaufverhalten beim Ausfall von bei- spielsweise einem Querbeschleunigungssensor oder einem Gierratensensor, bietet ein Fahrzeuglenksystem gemäß der deutschen Offenlegungsschrift DE 44 22 031. In solch ei- ner Schadensfallsituation wird ein unterstützendes Lenk- drehmoment verringert, so dass die Bedienbarkeit des Lenksystems auch im Schadensfall möglichst optimal bleibt.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zielen darauf ab, ein Kraftfahrzeug, in den konkreten Fällen Automobile, im stabilen Fahrbetrieb auf vier Rä- dern zu halten. Bei einspurigen Fahrzeugen, beispielswei- se Motorrädern oder dergleichen, sind diese jedoch gerade in einem ausbalancierten Kippzustand zu halten. Ferner können auch mehrspurige Fahrzeuge kippen, so dass sie zu- mindest zeitweise in einem einspurigen Fahrbetrieb zu betreiben sind. Derartige Betriebszustände kennt man bei- spielsweise von Filmen und artistischen Vorstellungen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optimierte Neigungsregelung für einspurige Fahrzeuge oder für mehrspurige Fahrzeuge im einspurigen Fahrbetrieb be- reitzustellen.

Diese Aufgabe wird bei der Neigungsregelungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sie mit dem Lenksignal den Lenkaktor derart ansteuert, dass das Fahrzeug zumindest zeitweise in einem einspurigen Fahrbe- trieb gehalten wird.

Das von der Neigungsregelungsvorrichtung erzeugte Lenk- signal sorgt für einen stabilen einspurigen Fahrbetrieb des Fahrzeugs, das sich so verhält, als sei ein fiktives drittes Rad vorhanden. Gegebenenfalls fehlerhafte Lenk- eingriffe des Fahrers werden durch die Neigungsregelungs- vorrichtung korrigiert. Auch ein mehrspuriges Fahrzeug, das versehentlich auf zwei Räder gelangt, kann zumindest zeitweise in einem einspurigen Fahrbetrieb gehalten und somit wieder stabilisiert werden, bevor es zweckmäßiger- weise anschließend wieder im mehrspurigen Fahrbetrieb weiterbetrieben wird.

Die Neigungsregelungsvorrichtung kann eine separate Bau- einheit sein oder beispielsweise in eine Fahrstabilitäts- steuerung des Fahrzeugs integriert sein. Sie kann in Hardware und/oder Software ausgeführt sein, sie kann bei- spielsweise Programmcode enthalten, der durch ein Steuer- mittel, z. B. einen Mikroprozessor, ausführbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung.

Zweckmäßigerweise steuern die Regelungsmittel bei einer durch das Solllenkwinkelsignal vorgegebenen Richtungsän- derung des Fahrzeugs in eine erste Richtung den Lenkaktor in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung an, soweit dies für Regelungszwecke erforderlich ist. Beispielsweise wird eine Richtungsänderung zunächst durch eine Gegenlenkbewegung eingeleitet. Sodann wechselt die Neigungsregelungsvorrichtung die Richtung des Soll- lenkwinkels und schlägt stärker ein als durch den Soll- lenkwinkel vorgegeben. Am Ende der Richtungsänderung kon- vergiert das Lenksignal in Richtung des Solllenkwinkel- signals zu einem stationären Zielwert.

Zweckmäßigerweise sind Erfassungsmittel zur Erfassung ei- nes oder mehrerer der nachfolgend genannten Signale aus- gestaltet. In entsprechender Weise werten die Regelungs- mittel vorteilhafterweise diese Signale bei der Bildung des Lenksignals aus : - ein die Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs reprä- sentierende Gierwinkelgeschwindigkeitssignal - ein die Geschwindigkeit des Fahrzeugs repräsentierendes Geschwindigkeitssignal - ein den Wankwinkel des Fahrzeugs repräsentierendes Wankwinkelsignal, - ein das Reifenrückstellmoment des Fahrzeugs repräsen- tierendes Reifenrückstellmomentsignal, - ein die Querbeschleunigung des Fahrzeugs repräsentie- rendes Querbeschleunigungssignal, - ein die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs repräsentie- rendes Längsbeschleunigungssignal, - ein die Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs repräsentie- rendes Quergeschwindigkeitssignal, und/oder - ein den Schwimmwinkel des Fahrzeugs repräsentierendes Schwimmwinkelsignal.

Es versteht sich, dass eines oder mehrere der oben ge- nannten Signale von der Neigungsregelungsvorrichtung vor- teilhafterweise erfasst und ausgewertet werden.

Ein besonders vorteilhaftes Regelungskonzept der erfin- dungsgemäßen Neigungsregelungsvorrichtung beruht auf ei- nem Modellansatz, bei dem sich das Verhalten des Fahr- zeugs mit sechs Zustandgrößen beschreiben lässt, die zu einem Zustandsvektor zut zusammengefasst sind.

Z T = [# vq # # Fqv Fqh] Dabei sind W die Gier (winkel) geschwindigkeit, vg die Quergeschwindigkeit, r der Wankwinkel, » die Wankge- schwindigkeit, 7 und F Reifenseitenkräfte am Vorderrad und Hinterrad des Fahrzeugs, die aus den vorgenannten Größen ermittelbar sind. Insgesamt lässt sich das dynami- sche Verhalten des Fahrzeugs somit durch einen nichtline- ares Zustandsmodell 6. Ordnung beschreiben : Dabei ist ÖL der am Fahrzeug eingestellte Lenkwinkel (der Index L'bezieht sich nachfolgend immer auf die Lenkung des Fahrzeugs) und Fs eine auf das Fahrzeug wir- kende Seitenkraft. In stationären Betriebszuständen B, d. h. wenn sich die Zustandsgrößen mit der Zeit nicht än- dern, gilt : die einzelnen Zustandsgrößen stehen folglich in einem Zu- sammenhang gB zum eingestellten Lenkwinkel ÖL. So erhält man zum Beispiel folgende Relation zwischen Wankwinkel K und Giergeschwindigkeit : Dabei ist hw die Höhe des kinematischen Wankpols und lw der Schwerpunktabstand des kinematischen Wankpols in Längsrichtung. Nimmt man nun an, dass sich die Systemdy- namik in der Umgebung des jeweiligen Betriebspunktes B im wesentlichen konstant ist, kann man auf der Basis der Formel (2) näherungsweise eine linearisiertes Zustandsmo- dell ableiten : Die Systemmatrix A sowie die Führungsvektoren ai, d2 und der Störvektor e ergeben sich unmittelbar aus der Sys- temübertragungsfunktion f : Auf dieser Basis kann man zunächst formal eine Zustands- rückführung k zur Stabilisierung des Systems einführen, mit #Lsoll als dem vom Fahrer vorgegebenen Solllenkwinkel : #L = #T(# - #B) + #Lsoll; mit #B =: #B(#Lsoll). als Gleichgewichtszustand oder Zielzustand. Dabei ist kT (Z-_ZB) eine von der Neigungsregelung ermittelte Stabi- lisierungskomponente und 5Ls"'die Vorgabekomponente. Die Gesamt-Systemdynamik ergibt sich damit zu : Der Stabilisierungs-Ansatz (6) zieht als Betriebs-bzw.

Entwicklungspunkt B unmittelbar den über #Lsoll angestreb- ten Zielzustand #B =:#B(#Lsoll) des Gesamtsystems heran. So- mit werden alle relevanten Nichtlinearitäten korrekt er- fasst.

Die Rückführungsparameter im Stabilisierungsvektor k müssen nun so bestimmt werden, dass stets ein stabiler Betriebszustand in endlicher Zeit erreicht wird. Ent- scheidend dafür sind die Eigenwerte des geschlossenen Re- gelkreises (7). Dessen Systemmatrix A* ergibt sich zu : Die Eigenwerte R, i = 1... n können somit aus bestimmt werden. Bei der Forderung nach stabilen, d. h. negativ reellen Eigenwerten, die eine vorbestimmte Min- dest-Dämpfung Dmin aufweisen und zudem eine Eigenfrequenz feSoll nicht unterschreiten, können Rückführungsparameter ki (i = 1... n) mittels Optimierung anhand der Formeln (8) und (9) eindeutig bestimmt werden. Vorzugsweise wer- den die Nichtlinearitäten des Gesamtsystems dadurch be- rücksichtigt, dass nicht nur für den Betriebspunkt B, sondern auch für eine möglichst große Umgebung um B eine geeignete Stabilisierungskonfiguration ermittelt wird.

Zweckmäßigerweise wird jeweils in 3-6 fahrgeschwindig- keitsspezifische Lösungen sowie ggf. in 3-6 längsbe- schleunigungsoptimierte Lösungen segmentiert, zwischen denen jeweils umgeschaltet bzw. interpoliert werden kann.

Alternativ dazu kann auf der Basis des vorgestellten Mo- dell-und Synthese-Konzepts selbstverständlich auch di- rekt ein nichtlinearer Reglerentwurf erfolgen.

Zweckmäßigerweise sind die Regelungsmittel zur Erzeugung eines Lenkrückwirkungssignals ausgestaltet und die Ausga- bemittel zur Ausgabe dieses Signals an einen Lenkrückwir- kungsaktuator, mit dem an einer Lenkhandhabe des Fahr- zeugs, z. B. an einem Lenkrad oder an einer Lenkgabel ein Lenkrückwirkungsmoment für den Fahrer des Fahrzeugs er- zeugbar ist. Der Fahrer erhält somit eine Rückkoppelung zu seinen Lenkvorgaben.

Die nachfolgenden zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfin- dung beziehen sich insbesondere auf ein mehrspuriges Fahrzeug, das durch die erfindungsgemäße Neigungsregelung zeitweise in einem einspurigen Fahrbetrieb gehalten wird.

Üblicherweise werden mehrspurige Fahrzeuge möglichst dau- erhaft so betrieben, dass alle Räder Fahrbahnkontakt ha- ben. Es kann jedoch zu Fahrsituationen kommen, bei denen das Fahrzeug kippt. Im Gegensatz zu bekannten Regelungen jedoch ermittelt die erfindungsgemäße Neigungsregelungs- vorrichtung zweckmäßigerweise einen zur Stabilisierung des Fahrzeugs erforderlichen Kippzustand, bei dem das Fahrzeug in dem einspurigen Fahrzeugfahrbetrieb ist. In diesem Kippzustand bzw. in dem einspurigen Fahrbetrieb wird das Fahrzeug so lange betrieben, bis es stabilisiert ist. Beispielsweise wird in dem einspurigen Fahrbetrieb eine Richtungsänderung durchgeführt. Erst nach der Rich- tungsänderung wird das Fahrzeug wieder in einen derarti- gen Fahrzustand gebracht, dass alle seine Räder Fahrbahn- kontakt aufweisen.

Zweckmäßigerweise halten die Regelungsmittel das mehrspu- rige Fahrzeug bis nach der Ermittlung eines Kippende- signals im Kippzustand. Das Kippendesignal kann durch die Neigungsregelungsvorrichtung selbst ermittelt werden. Es ist aber auch möglich, dass eine Fahrdynamikregelung des Fahrzeugs der erfindungsgemäßen Neigungsregelungsvorrich- tung ein entsprechendes Kippendesignal zusendet.

Zweckmäßigerweise enthalten die Regelungsmittel einen Zu- standsbeobachter.

Bei einem erfindungsgemäß ausgestalteten einspurigen oder mehrspurigen Fahrzeug sind zweckmäßigerweise Sensoren zur Erzeugung des Wankgeschwindigkeitssignals und zur Ermitt- lung des Sollwinkelsignals sowie gegebenenfalls für wei- tere der vorgenannten Signale vorhanden. Das Fahrzeug enthält zudem einen durch die Neigungsregelungsvorrich- tung ansteuerbaren Lenkaktor. Vorteilhafterweise ist auch ein Lenkrückwirkungsaktor zur Erzeugung eines Lenkrück- wirkungssignals bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug vor- handen.

Zweckmäßigerweise wirkt eine Lenkhandhabe, an der das Solllenkwinkelsignal ermittelt wird, nur über den oder die Lenkaktoren auf das oder die lenkbaren Räder des Fahrzeugs. Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Neigungsregelungsvorrichtung auch für eine Mehrachslen- kung ausgestaltet sein kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungs- beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu- tert. Es zeigen : Fig. 1 ein teilweise stark schematisiert dargestelltes erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungs- gemäßen Neigungsregelungsvorrichtung, Fig. 2 ein schematisiert dargestelltes erfindungsgemäßes einspuriges Fahrzeug, Fig. 3 Lenkwinkel und Quergeschwindigkeitsverläufe einer Neigungsregelungsvorrichtung gemäß Figur 1, und Fig. 4 Giergeschwindigkeits-und Wankwinkelverlauf und die Wirkung einer Neigungsregelungsvorrichtung gemäß Figur 1.

Ein in den Figuren 1 und 2 gezeigtes Fahrzeug 10, z. B. ein Motorrad oder ein Automobil weist eines oder mehrere lenkbare Räder 11 auf, beispielsweise Vorderräder, sowie nicht lenkbare, durch einen Motor 13 angetriebene Räder 12, bei denen es sich beispielsweise um das oder die Hin- terräder des Fahrzeugs 10 handelt. Mittels eines Lenkra- des 14, einer Lenkstange oder einer sonstigen Lenk- Handhabe sind die Räder 11 lenkbar. Allerdings erfolgt der Lenkeingriff nicht direkt, sondern mittels eines Len- kaktors 15, der durch eine Neigungsregelungs-Vorrichtung 16 angesteuert wird.

Eine Betätigung des Lenkrades 14 des Fahrzeugs 10 erfasst ein Lenkwinkelsensor 18. Der Lenkwinkelsensor 18 meldet ein Solllenkwinkelsignal aL SO an die Vorrichtung 16. Ein Eingang 19 von Erfassungsmitteln 20 der Vorrichtung 16 erfasst das Solllenkwinkelsignal aL SOLL und übermittelt es einem Regelungsmodul 21.

Fahrzustandssensoren 22 bis 26 übermitteln den Erfas- sungsmitteln 20, bei denen es sich beispielsweise um ei- nen oder mehrere Schnittstellenbausteine zur Erfassung digitaler und/oder analoger Signale handelt, ein (Längs- ) Geschwindigkeitssignal V, ein Quergeschwindigkeitssignal Vq, ein Giergeschwindigkeitsignal, ein Wankwinkelsig- nal K sowie ein Wankgeschwindigkeitssignal K. Diese Sig- nale sowie ein von einem Reifenrückstellmomentsensor 27 erfasstes Rückstellmomentensignal MR, das an einem Ein- gang 28 der Erfassungsmittel 20 ansteht, werden einem Fahrzustandsbeobachter 29 übermittelt.

Der Fahrzustandsbeobachter 29 ermittelt einen stationären Betriebspunkt gB sowie einen Zustandsvektor Z, beispiels- weise gemäß der oben genannten Formeln (1) und (3). Der Fahrzugstandsbeobachter 29 übermittelt den stationären Betriebspunkt gB dem Regelungsmodul 21. Das Regelungsmo- dul 21 ermittelt einen stationären Zustand ZB des Zu- standsvektors Z gemäß beispielsweise der Formel (3), und übermittelt diesen einem Regelungsmodul 30.

Das Regelungsmodul 30 berechnet beispielsweise gemäß der Formel (6) anhand der Zustandsvektoren Z und ZB die Sta- bilisierungskomponente K (Z-ZB). Diese Stabilisierungs- komponente wird zu der Vorgabekomponente ÖL SOLL addiert, so dass insgesamt das Lenksignal jL (siehe Formel (6)) gebildet wird. Das Lenksignal ÖL wird von Ausgabemitteln 31, die beispielsweise digitale und/oder analoge Span- nungssignale ausgeben können, an den Lenkaktor 15 ausge- geben, der gemäß dem Lenksignal ÖL das oder die lenkba- ren Räder 11 steuert.

Eine Rückkoppelung über seine Bedienhandlungen erhält ein Fahrer des Fahrzeugs 10 durch einen Lenkrückwirkungsaktor 32, beispielsweise einen Servomotor, der auf das Lenkrad 14 wirkt. Eine Fahrer-Lenkmomentenregelung 34 steuert den Lenkrückwirkungsaktor 32 durch ein Lenkrückwirkungssignal MF an. Eingangsgrößen der Lenkmomentenregelung 34 sind der Solllenkwinkel 8L soLL, das Lenksignal aL sowie der Zu- standsvektor Z.

Die Vorrichtung 16 ist vorzugsweise als Mikroprozessorre- gelung ausgeführt, bei der beispielsweise die Module 21, 29,30 und 32 als Software, beispielsweise in Form von Softwarefunktionen oder Programm-Modulen ausgeführt sind.

Der Programmcode der Programm-Module wird durch einen in der Figur nicht dargestellten Mikroprozessor ausgeführt und ist beispielsweise in einem Speichermittel gespei- chert, z. B. einem Flash-Baustein.

Die vorteilhafte Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vor- richtung 16 wird anhand der Diagramme in den Figuren 3 und 4 sichtbar.

Zu einem Zeitpunkt tl wird am Lenkrad 14 eine Richtungs- änderung eingeleitet, wobei das strichpunktiert einge- zeichnete Solllenkwinkelsignal aL SOLL ansteigt bis es zu einem Zeitpunkt t2 einen stationären Wert erreicht. Die Vorrichtung 16 generiert das gepunktet eingezeichnete Lenksignal aL, das im Anschluss an den Zeitpunkt tl zu- nächst einem zum Solllenkwinkel aL SO entgegengesetzten Verlauf hat, dann schneller als der Vorgabeverlauf aL SOLL ansteigt und nach einem Überschwinger, der zum Zeitpunkt t2 beginnt, auf den stationären Zielwert, der mit dem Signal 8L soLL übereinstimmt, einschwenkt. Während des Ein- lenkens zwischen den Zeitpunkten tl und t2 resultiert ei- ne positive Quergeschwindigkeit Vq aus der Wankbewegung des Fahrzeugs 10.

Figur 4 enthält die in Figur 3 gezeigten Signale sowie zusätzlich die Giergeschwindigkeit und den Wankwinkelver- lauf des Fahrzeugs 10 bei einem Richtungswechsel gemäß Figur 3. Allerdings ist im Vergleich zu Figur 3 die Ska- lierung verändert, damit die Relation des Wankwinkels K (in durchgezogener Linie gezeichnet) zu den Lenkwinkel- signalen SL und EL SOLL korrekt dargestellt ist. Alle Win- kelsignale sind z. B. in Grad angegeben. Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass durch die Vorrichtung 16 innerhalb kur- zer Zeit von beispielsweise einer halben Sekunde ein Zielwankwinkel von von z. B. 20 Grad erreicht wird. Das Stabilisierungsmodell der Vorrichtung 16 eignet sich so- mit für Fahrmanöver bis in Grenzbereiche.