Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine An¬ ordnung zur Erfassung und Auswertung von sicherheitskriti¬ schen Meßgrößen. Hierzu zählen insbesondere die als Ein¬ gangsgrößen eines Kraftfahrzeug-Regelungssystems benötigten Meßgrößen, die die Gierwinkelbewegungen des Kraftfahrzeugs darstellen. Zu den Regelungssystemen dieser Art gehören vor allem FahrStabilitätsregelungen (FSR oder ASMS, d.h. automa¬ tische Stabilitäts-Management-Systeme), aber auch Antiblok- kiersystem (ABS), Antriebsschlupfregelungen (ASR) und der¬ gleichen.

Verfahren und Anordnungen zur Kontrolle und Begrenzung un¬ erwünschter Fahrzeug-Gierbewegungen, also von Bewegungen um die Fahrzeughochachse, sind bekannt. Mit Hilfe von Sensoren wird bei solchen Systemen der Lenkwinkel, die Gaspedalstel¬ lung, der Bremsdruck und das Drehverhalten der einzelnen Fahrzeugräder gemessen. Auf Basis dieser Meßwerte wird auf den Fahrerwunsch geschlossen und die Soll-Gierbewegung bzw. Gierrate des Fahrzeugs berechnet. Mit weiteren Sensoren wer¬ den gleichzeitig die auf das Fahrzeug wirkende Querbeschleu¬ nigung und die Gierrate ermittelt. Überschreitet die Abwei-

chung der Ist-Gierbewegung des Fahrzeugs von der Soll-Gier¬ bewegung einen vorgegebenen, die FahrStabilität gefährdenden Wert, wird über das System durch gezielten Bremseneingriff und/oder Motoreingriff stabilisierend eingegriffen und die Gierbewegung auf zulässige Werte begrenzt.

Von Fahrzeug-Regelungssystemen, wie Fahrstabilitäts- regelungsSystemen, ist grundsätzlich eine hohe Funktions¬ sicherheit und -Zuverlässigkeit zu verlangen, weil Fehlfunk¬ tionen - z.B. Bremsbetätigung oder Bremsdruckreduzierung zum falschen

Zeitpunkt - gefährliche Situationen herbeiführen können. Die gleichen Anforderungen bezüglich Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit gelten dann natürlich auch für die Sensoren, die die Eingangssignale für derartige Regelsysteme liefern; bei falschen, unsicheren oder ungenauen Eingangssignalen ist keine zuverlässige, sichere und wirkungsvolle Regelung denk¬ bar. Es ist daher erforderlich, die Funktion der Sensoren ständig zu überwachen, Defekte zu signalisieren oder beim Auftreten von Defekten die Regelung abzuschalten, um zumin¬ dest eine Regelung in falsche Richtung - z.B. einen fälsch¬ lichen Bremsdruckabbau - zu verhindern.

Gierratensensoren werden insbesondere für Fahrstabilitäts- regelungssysteme (FSR, ASMS) benötigt. In diesem Anwendungs¬ beispiel liefern sie Informationen bzw. Meßgrößen, die si¬ cherheitskritisch sind, weil ein durch ein falsches Signal ausgelöster Bremseingriff natürlich für das Fahrzeug gefähr¬ lich werden könnte. Die bekannten, für solche Regelungssy¬ steme geeigneten Gierratensensoren sind kompliziert und re¬ lativ teuer, weil von ihnen eine hohe Meßgenauigkeit, hohe Präzision und sichere Funktion verlangt werden muß. Das Er¬ kennen von Fehlfunktionen bereitet ebenfalls Schwierigkei¬ ten, weil keine definierte Fahrzeugbewegung, die eine zum

Kalibrieren des Systems und des Sensors geeignete Gierge¬ schwindigkeit ergäbe, erzeugt werden kann; es läßt sich le¬ diglich bei Fahrzeugstillstand eine eventuelle Nullpunkt¬ abweichung erkennen und korrigieren.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den erforder¬ lichen Aufwand für die Erfassung und Auswertung solcher si¬ cherheitskritischer Meßgrößen, bei gleichzeitigem Erhalt oder Erhöhen der FunktionsSicherheit, in Grenzen zu halten oder gar zu reduzieren.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe durch das im beige¬ fügten Hauptanspruch beschriebene Verfahren gelöst werden kann, daß bzw. dessen Besonderheit darin besteht, daß die Meßgrößen mit Hilfe von zwei oder mehreren voneinander un¬ abhängigen Meßkanälen gewonnen werden, von denen ein Me߬ kanal den gesamten Meßbereich und der oder die anderen Me߬ kanäle Teilmeßbereiche erfassen. Zur Fehlererkennung werden die Ausgangsgrößen der Meßkanäle logisch verknüpft, und es wird die Übereinstimmung der Meßgrößen in dem von mehreren Meßkanälen erfaßten Meßbereich und/oder die Plausibilität der Meßgrößen oder Meßergebnisse überprüft. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens und einige vorteilhafte Aus¬ führungsbeispiele dieser Anordnung sind ebenfalls in den Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, daß sich - bezogen auf das Beispiel der Gierratenmessung für eine Fahr- stabilitätsregelung - mit Hilfe eines einzelnen Gierraten¬ sensors bzw. Gierraten-Meßkanals schon deswegen keine aus¬ reichende Funktionssicherheit und -Zuverlässigkeit erzielen läßt, weil auch bei höchstem Herstellungsaufwand durch be¬ stimmte Bauteiledefekte "schleichende" Fehler auftreten kön¬ nen, die nicht zu erkennen sind. Solche Defekte sind bei-

spielsweise die Folge von fehlerhaften Kondensatoren, offe¬ nen hochomigen Halbleitereingängen, Wackelkontakten etc.. Die Erkennung dieser Fehler muß über den Umweg von Indizien geschehen, die aus Hilfsgrößen und Kausalitäten bzw. Plausi- bilitätkriterien gewonnen werden, die mit dem Giervorgang in mehr oder weniger mittelbarem Zusammenhang stehen. Der Er¬ kennungsmechanismus reagiert daher prinzipbedingt mit gerin¬ gerer Auflösung und größerer Trägheit als bei einem unmit¬ telbaren Vergleichsverfahren. Um diesen Nachteil zu kompen¬ sieren, ist es erforderlich, entsprechend feiner zu messen. Dies führt zu der Notwendigkeit, einen noch präziseren Gier¬ ratensensor einzusetzen, der sowohl den Anforderungen nach großem Meßbereich als auch nach erhöhter Auflösung und hoher Präzision im Bereich kleiner bis mittlerer Gierraten genügen muß. Die Relation von technischem Aufwand zu erreichbarer Genauigkeit steigt hierbei jedoch überproportional. Trotz des hohen Aufwandes läßt sich nicht vermeiden, daß Fehlfunk¬ tionen des Sensors unerkannt bleiben. Um Gefahren als Folge von fälschlichen Informationen und Regelungsvorgangen auszu¬ schließen, muß daher bereits bei einem Verdacht auf eine Fehlfunktion das Regelungssystem sofort abgeschaltet werden. Tritt ein solcher Fehler während eines Regelungsvorgangs auf, ist das Systemverhalten unbestimmt. Es sind höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Bauteile und Selbsttestfunktionen des Sensors notwendig, um die Wahr¬ scheinlichkeit des Auftretens einer solchen Fehlfunktion gering zu halten.

Durch eine redundante Gierratenmessung mit zwei gleichen Meßkanälen bzw. Gierratensensoren und Vergleich der Meßer¬ gebnisse auf Übereinstimmung lassen sich diese technischen Nachteile der bekannten Systeme nur teilweise verringern. Bei geringfügigen Abweichungen muß sofort abgeschaltet wer¬ den. Beide Gierratensensoren müssen hochpräzise den gesamten

Meßbereich erfassen. Der Kostenaufwand für zwei derartige Gierratensensoren ist sehr hoch.

Die Erfindung beschreitet daher eine anderen Lösungsweg. Es werden zwei (oder mehrere) vollständige, voneinander unab¬ hängige Meßkanäle verwendet, von denen nur einer auf den gesamten Meßbereich eingestellt ist, der andere dagegen nur einen Teil des Meßbereichs erfaßt, jedoch mit wesentlich höherer Auflösung.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren und der entspre¬ chenden Ordnung erreichten Vorteile sind vielfältig. Zu¬ nächst werden durch den parallelen Betrieb zweier Meßkanäle alle Vorteile einer redundanten Gierratenmessung genutzt; es wird eine wechselseitige Überwachung der beiden unabhängigen Meßkanäle ermöglicht, wobei der Grad der Übereinstimmung der synchron erfaßten Gierraten-Meßwerte als direktes Maß für die Funktionssicherheit der Gierratensensoren ausgewertet werden kann. Diese Überwachung läßt sich permanent durch¬ führen. Sie ermöglicht eine unmittelbare und sichere Erken¬ nung langsam fortschreitender Bauteilefehler in einem der beiden Sensoren oder Meßkanäle. In bestimmten Situationen - z.B. außerhalb eines Regelungsvorgangs - und bei bestimmten Fehlern wird sofort abgeschaltet. In anderen Situationen, wenn z.B eine der beiden Meßkanäle einen definierten Total¬ ausfall zeigt, läßt sich das Regelsystem für eine Notlauf¬ zeit auch mit dem verbleibenden Meßkanal allein betreiben.

Weitere entscheidende Vorteile beruhen auf der unterschied¬ lichen Ausbildung oder Dimensionierung der beiden Meßkanäle. Ein Meßkanal erfaßt den gesamten Meßbereich. Da jedoch der andere Meßkanal nur einen Teil des gesamten Meßbereichs be¬ trachtet, diesen quasi nach Art einer Lupe herausvergrößert, wird automatisch - ohne erhöhten technischen Aufwand - durch

die höhere Steilheit der Kennlinie bzw. höhere Auflösung eine Präzisionssteigerung der Gierratenerfassung erzielt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefüg¬ ten Abbildungen hervor.

Es zeigen

Fig. IA symbolisch ein Fahrzeug und dessen Hochachse,

Fig. IB in schematischer Darstellung eine Anordnung der erfindungsgemäßen Art und

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der unter¬ schiedlichen Kennlinien bzw. Meßbereiche der Me߬ kanäle nach Fig. IB.

Fig. IA dient lediglich zur Veranschaulichung einer Gierbe¬ wegung des Fahrzeugs 1, nämlich einer Drehbewegung entlang des Pfeiles GR um die Hochachse Z eines Fahrzeugs 1.

In dem Fahrzeug 1 ist eine Anordnung 2 zur Erfassung und Auswertung von Gierbewegungen des Fahrzeugs angeordnet. Der gestrichelt dargestellte, mit einem Pfeil versehene Kreis symbolisiert die Gierbewegung oder Gierrate, die die Anord¬ nung 2 erfassen soll.

Die gesamte Anordnung 2 oder zumindest die zugehörigen Gier¬ ratensensoren sind in dem Fahrzeug 1 natürlich derart pla¬ ziert, daß sie ebenso wie das Fahrzeug die zu messende Gier¬ bewegung ausführen.

Die Anordnung 2 besteht im wesentlichen aus zwei Meßkanälen

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M1,M2 mit den Gierratensensoren Sl und S2 sowie aus einer elektronischen Schaltung 3, die festverdrahtete Schaltkreise und/oder programmgesteuerte Schaltungen, wie Microprozesso¬ ren, Microcomputer etc., umfaßt. Diese Schaltung 3 ist im dargestellten Ausführunsgbeispiel Bestandteil eines Fahrst- ablitätsregelungssystems, dem zusätzliche Meßgrößen oder Signale Sn von weiteren Sensoren (Querbeschleunigungssenso- ren, Lenkwinkelsensoren, Bremsdrucksensoren usw.) zugeführt werden. Die Schaltung 3 gibt ihrerseits Signale Sm an weite¬ re, nicht dargestellte Reglerstufen oder Regelungssysteme des Fahrzeugs ab.

Die eigentlichen Gierratensensoren S1,S2 sind Bestandteil der Meßkanäle M1,M2, die in vorliegender Ausführungsform außer den Sensoren S1,S2 noch die zugehörigen Signai-Ver- stärkungsschaltungen 4,5 umfassen. Natürlich könnten in der Praxis diese Verstärkungsschaltungen auch als Bestandteile der Schaltung 3 ausgebildet werden.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. IB ist der Meßkanal Ml derjenige, der auf den gesamten Gierraten-Meßbereich, der von der Anordnung 2 erfaßt werden soll, eingestellt ist. Der Meßkanal Ml ist zweckmäßigerweise auf einen Meßbereich von etwa ± 75 deg./s ("deg./s" ist die gängige Schreibweise für Winkelgrad pro Sekunde) eingestellt. Der Meßkanal M2 löst dagegen nur einen Meßbereich von etwa ± 25 deg./s aus, also nur ein Drittel des Meßbereichs des Meßkanals Ml.

Für die Ausbildung der Meßkanäle M1,M2 gibt es grundsätzlich mehrere Möglichkeiten. Nach einem bevorzugten Ausführungs¬ beispiel der Erfindung werden gleichartige, nach dem glei¬ chen physikalischen Prinzip aufgebaute Gierratensensoren S1,S2 verwendet und diese durch entsprechende Auslegung der zugehörigen Signal-Verstärkungsschaltungen 4,5 auf die un-

terschiedlichen Meßbereiche eingestellt. Geeignet für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind z.B. Gierratensensoren mit einer Stimmgabel aus Quarz, die durch eine entsprechende elektronische AnregungsSchaltung zu einem Stimmgabeloszillator ergänzt ist. Solche Gierratensensoren lassen sich durch entsprechende Einstellung der Signal-Ver¬ stärkungsfaktoren auf den gewünschten Meßbereich einstellen.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zwei gleichartige Gierratensensoren S1,S2 dieser Art verwendet, die mit unterschiedlichen, mit Hilfe der Signal-Ver¬ stärkungsschaltungen 4,5 fest eingestellten Skalierfaktoren betrieben werden.

Die über die beiden Meßkanäle M1,M2 gewonnen Gierraten-Me߬ größen werden parallel erfaßt und in der elektronischen Schaltung 3 ausgewertet. Der Gierratensensor Sl bzw. der Meßkanal Ml löst den gesamten Meßbereich auf, der Sensor S2 bzw. Meßbereich M2 ist dagegen nur auf einen vergleichsweise schmalen Meßbereich ausgelegt, den er jedoch wesentlich hö¬ her auflöst; das Verhältnis der Faktoren, die die Auflösung angeben, ist umgekehrt proportional zu den Meßbereichen, auf den die beiden Meßkanäle eingestellt sind.

In diesem Ausführungsbeispiel fallen die Nullpunkte der bei¬ den Meßbereiche zusammen.

Fig. 2 gilt für ein solches Auslegungsbeispiel und zeigt die Auswirkung der unterschiedlich eingestellten Meßbereiche für die Gierratensensoren S1,S2 bzw. für die Meßkanäle M1,M2. Dargestellt ist die Kennlinie oder Spannungsabgabe V _B der Meßkanäle M1,M2 in Abhängigkeit von der Gierrate GR . Die Steilheiten der Übertragungskennlinien der beiden Meßkanäle verhalten sich im dargestellten Beispiel wie 3 : 1, da der

volle Ausgangsspannungsbereich V„ bei dem Meßkanal Ml zur Auflösung von ± 75 deg./s, bei dem Meßkanal M2 dagegen nur zur Erfassung und Auflösung von ± 25 deg./s genutzt wird. Ein gleichgroßer Offset ΔV - verursacht durch eine Störspannung, eine Ungenauigkeit in der Signalaufbereitungsschaltung usw. - macht sich bei der steilen Kennlinie des Meßkanals M2 als relativ kleiner Fehler f ₂ bemerkbar, während der gleiche Off¬ set bei der flachen Kennlinie des auf den Gesamt-Meßbereich ausgelegten Meßkanals Ml zu der wesentlich höheren, fehler¬ haften Anzeige einer Gierrate f. führt. Der Gierratensensor S2 bzw. der Meßkanal M2 wirkt also gewissermaßen als Lupe, weil durch die Einstellung auf den Teil-Meßbereich - hier auf ± 25 deg./s - eine sehr viel höhere Auflösung möglich wird, was wiederum zu einer höheren Meßgenauigkeit und Prä¬ zision führt.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, Gierratensensoren S1,S' zu verwenden, die auf physikalisch unterschiedlichen Funk¬ tionsprinzipien beruhen bzw. die einen unterschiedlichen technisch-technologischen Aufbau besitzen. Die Einstellung auf den gesamten Meßbereich bzw. auf einen Teilmeßbereich kann wiederum mit Hilfe der zugehörigen Signal-Aufberei¬ tungsschaltung oder bei der Auswertung der Signale mit Hilfe der Schaltung 3 realisiert werden. Andererseits können auch Gierratensensoren verwendet werden, die aufgrund ihres Auf¬ baues unterschiedliche Meßbereiche erfassen.

Eine andere Möglichkeit zur Ausbildung der Gierratensensoren und der Meßkanäle besteht darin, den Sensor Sl bzw. den Me߬ kanal Ml mit einem fest eingestellten Skalierfaktor auf den gesamten Meßbereich einzustellen, also beispielsweise auf ± 75 deg./s, den Sensor S2 bzw. den Meßkanal M2 derart auszu¬ legen, daß dessen Skalierfaktor veränderlich und steuerbar wird. Bei Betriebsstart wird dann zweckmäßigerweise der Ska-

lierfaktor des Meßkanals M2" auf den Skalierfaktor des Me߬ kanals Ml eingestellt, so daß ebenfalls der gesamte Meßbe¬ reich aufgelöst wird. In Abhängigkeit von der Dynamik des Giervorganges oder von der erforderlichen Auflösung in der jeweiligen Fahr- oder Regelsituation wird dann der Skalier¬ faktor des Meßkanals M2 auf kleinere Werte reduziert, mit dem Ziel, den jeweils gültigen Optimalwert der Auflösung einzustellen.

Nach einer anderen Ausbildung der Meßkanäle M1,M2 ist vor¬ gesehen, den Skalierfaktor des zweiten Meßkanals in Abhän¬ gigkeit von der Dynamik des Giervorganges dergestalt zu ver¬ ändern, daß der Mittelpunkt des Auflösungsbereichs des Ka¬ nals M2 dem Mittelwert der Gierrate des Giervorganges folgt. Bei einem Mittelwert der Gierrate von 30 deg./s würde bei¬ spielsweise der Meßkanal M2 seinen Arbeitspunkt oder Null¬ punkt derart verschieben, daß M2 nicht mehr den Teilbereich von ± 25 deg./s, sondern einen Bereich von 5 deg./s bis 55 deg./s auflöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur zur Ermittlung von Gierraten geeignet, sondern läßt sich-gleichermaßen zur Erfassung und Auswertung von sicherheitskritischen Meßgrößen anderer Art anwenden. Bei Fahrstabilitätsregelungssystemen kann nach dem gleichen Verfahren die Querbeschleunigung des Fahrzeugs ermittelt werden. Hierbei könnte zweckmäßigerweise ein erster Meßkanal z.B. auf den Meßbereich von ± 1,5 g, wo¬ bei mit 'g' die Erdbeschleunigungskonstante gemeint ist, und ein zweiter Meßkanal auf dem Meßbereich von ± 0,5 g einge¬ stellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich zur Erfas¬ sung und Auswertung von Meßgrößen bei Systemen geeignet, bei denen aus Sicherheitsgründen eine redundante Erfassung der

Meßgrößen notwendig ist und die Auflösung des Meßbereichs von Bedeutung ist.

Das Verfahren nach der Erfindung ist nicht nur zur Fehler¬ erkennung bei der Erfassung und Auswertung von sicherheits¬ kritischen Meßgrößen geeignet, sondern ermöglicht generell eine wesentlich höhere Auflösung eines Meßbereichs mit ein¬ fachen Mitteln. Erreicht wird dies durch die beschriebene Erfassung der Meßgrößen mit Hilfe von voneinander unabhängi¬ gen Meßkanälen, von denen ein Meßkanal auf dem gesamten Me߬ bereich, der oder die anderen Kanäle auf Teilmeßbereiche eingestellt sind. Durch die Auflösung und Betrachtung des Teilmeßbereichs durch eine "Lupe" wird in dem Teilmeßbereich - eben als Folge der Vergrößerung - eine entsprechend höhere Auflösung erreicht.

Der Teilmeßbereich kann auf denselben Nullpunkt wie der Ge¬ samtmeßbereich gelegt werden, wobei man ausnutzt, daß bei vielen Meßsystemen oder Regelungssystemen die meisten Rege¬ lungsvorgänge nur in einem bestimmten, relativ engen Ab¬ schnitt des Gesamt-Meßbereichs stattfinden. Der Teilmeßbe¬ reich kann allerdings auch in der beschriebenen Weise nach¬ geführt werden, z.B. dem Mittelwert der Meßgröße.