DE10225975B4

DE10225975B4 - Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs und Lenkeinrichtung

Info

Publication number: DE10225975B4
Application number: DE10225975A
Authority: DE
Inventors: Johan Van Beek
Original assignee: Sauer Danfoss Nordborg ApS
Current assignee: Danfoss Power Solutions ApS
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: JP3860140B2; JP2004010043A; US6912455B2; US20030229430A1; DE10225975A1

Abstract

Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs, bei dem ein Lenkmotor in Abhängigkeit von einer Betätigung eines Lenkorgans betätigt wird, ein Lenkmotorwinkel und ein Lenkorganwinkel ermittelt werden und ein Fehler im Zusammenhang zwischen Lenkorgan und Lenkmotor kompensiert wird, wobei man zum Kompensieren des Fehlers gespeicherte Daten verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten durch eine Kalibrierungsroutine ermittelt werden, die einen Zusammenhang zwischen dem Lenkmotorwinkel und dem Lenkorganwinkel abbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs, bei dem ein Lenkmotor in Abhängigkeit von einer Betätigung eines Lenkorgans betätigt wird, ein Lenkmotorwinkel und ein Lenkorganwinkel ermittelt werden und ein Fehler im Zusammenhang zwischen Lenkorgan und Lenkmotor kompensiert wird, wobei man zum Kompensieren des Fehlers gespeicherte Daten verwendet. Ferner betrifft die Erfindung eine Lenkeinrichtung mit einem Lenkmotor, der einen Lenkmotorwinkelsensor aufweist, einem Lenkorgan, das einen Lenkorganwinkelsensor aufweist, und einer Kompensationseinrichtung, die eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit von Signalen des Lenkmotorwinkelsensors und. des Lenkorganwinkelsensors ansteuert.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Lenkeinrichtung sind aus US 5 549 173 bekannt.

Die Erfindung wird der Einfachheit halber in Verbindung mit einem Radfahrzeug, beispielsweise einem Dreirad-Gabelstapler, beschrieben, bei dem das Lenkorgan als Lenkhandrad ausgebildet ist. Ein derartiges Lenkhandrad hat normalerweise einen Knauf oder eine andere auffallende Markierung, die anzeigt, wann sich das gelenkte Rad in der Neutralstellung befindet, d.h. der Stellung, in der das Fahrzeug geradeaus fährt. In einer anderen Alternative ist das Lenkhandrad asymmetrisch ausgebildet, um dem Fahrer die Bedienung zu erleichtern. Grundsätzlich möchte man erreichen, daß einer vorbestimmten Winkellage des Lenkhandrads auch eine vorbestimmte Winkellage des gelenkten Rades zugeordnet ist. Es gibt auch Lenkhandräder mit Knöpfen, bei denen die "richtige" Position besonders wichtig ist, damit der Bediener die Knöpfe immer richtig erreichen kann. Die Knöpfe sind Bedienungselemente, mit denen bestimmte Funktionen ausgelöst werden können.

Das gleiche gilt natürlich auch bei anderen Fahrzeugen, beispielsweise Booten oder Flugzeugen, bei denen das Lenkorgan als Lenkhandrad oder als Steuerknüppel auf andere Weise ausgebildet ist. In allen diesen Fällen möchte man der Bedienungsperson oder dem Fahrer eine Information über die Stellung des gelenkten Elements des Fahrzeugs geben. Dies gilt auch dann, wenn das Lenkorgan, beispielsweise das Lenkhandrad, zum vollständigen Ausnutzen des Winkelbereichs des Lenkmotors mehr als eine Drehung durchführen muß. In diesem Fall wird die Neutralstellung zwar mehrfach durchlaufen. In einer Position des Lenkhandrades sollte jedoch die Neutralstellung mit der Neutralstellung der gelenkten Räder übereinstimmen.

In derartigen Lenksystemen treten Fehler auf, die beispielsweise bewirken, daß die Neutralstellung des Lenkorgans nicht mehr mit der Geradeausstellung des gelenkten Rades übereinstimmt. Diese Fehler sind in Systemen, die eine hydraulische Lenkung beinhalten, beispielsweise dadurch bedingt, daß hydraulische Komponenten eine Leckage aufweisen. Andere Ursachen für fehlerhafte Übereinstimmungen sind Verschleißerscheinungen, die sich beispielsweise in Gelenkverbindungen bemerkbar machen können.

Es ist daher aus der eingangs genannten US 5 549 173 bekannt, Abweichungen, die zwischen der Stellung des Lenkorgans und der Stellung des Lenkmotors auftreten, zu kompensieren. Hierzu sind Daten in einer Tabelle abgespeichert, die den Wirkzusammenhang zwischen dem Signal des Lenkorgans und der Wirkung des Lenkmotors in Abhängigkeit von Unterschieden zwischen dem Lenkmotorwinkel und dem Lenkorganwinkel verändern können. Beispielsweise kann der Lenkmotor in der normalen Richtung bewegt werden. Er kann aber auch angehalten oder sogar in umgekehrter Richtung bewegt werden.

Aus älteren Veröffentlichungen, beispielsweise DE 40 42 153 C2 oder DE 40 42 151 C2 , ist es bekannt, bei einer hydraulischen Lenkung den Fluß der Hydraulikflüssigkeit zur Kompensation eines derartigen Lenkwinkelfehlers zu vergrößern oder zu verkleinern, um wieder eine Übereinstimmung zwischen dem Lenkmotorwinkel und dem Lenkorganwinkel zu erreichen.

In den bekannten Fällen ist es allerdings nur möglich, den Lenkwinkelfehler, d.h. die Abweichung zwischen dem Lenkorganwinkel und dem Lenkmotorwinkel, an bestimmten Stellen zu kompensieren. Fehler durch Leckagen oder Schlupf, die an anderen Stellen auftreten, z.B. zwischen einem Lenkhandrad und einer Lenksäule oder in einer Verbindung zu einer Lenkeinheit, können nicht kompensiert werden.

DE 197 54 916 A1 zeigt ein Lenkkurvenkalibrierungsverfahren und eine entsprechende Vorrichtung für eine Pflastermaschine mit Gummirädern. Die Pflastermaschine weist angetriebene Räder und gelenkte Räder auf. Bei einer Kurvenfahrt müssen die angetriebenen Räder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben werden. Diese unterschiedlichen Geschwindigkeiten hängen zusätzlich noch von der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Man erzeugt daher eine programmierbare Kurve, die die resultierenden Antriebsdrehzahlen als eine Funktion des Winkels der gelenkten Räder darstellt. Diese Kurve wird in einem Speicher abgelegt. Man kann auch verschiedene Kurven für verschiedene Fahrzeuggeschwindigkeiten erzeugen und speichern.

EP 0 809 167 B1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines Lenksignals. Hierbei versucht man im Laufe des Verfahrens, ein Lenkstellungssignal möglichst genau zu bestimmen, wobei zu Beginn die Neutralstellung, d.h. die Stellung der Lenkung, bei der das Fahrzeug geradeaus fährt, nicht exakt bekannt ist. Im Zuge des Verfahrens werden u.a. Informationen über die Seitenbeschleunigung des Fahrzeugs, evtl. Vorzei chen der Lenkrichtung, linke und rechte Drehzahlen der Räder und eine Giergeschwindigkeit berücksichtigt. Das Verfahren verläuft hierbei iterativ, d.h. ausgehend von einem geschätzten Anfangswert werden unter Einbeziehung der gewonnenen Informationen Berechnungen angestellt, um den geschätzten Anfangswert zu überprüfen und evtl. zu korrigieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lenkung eines Fahrzeugs zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Daten durch eine Kalibrierungsroutine ermittelt werden, die einen Zusammenhang zwischen dem Lenkmotorwinkel und dem Lenkorganwinkel abbildet.

Man ist also nicht mehr darauf angewiesen, daß man mit fest vorgegebenen Daten arbeitet. Diese fest vorgegebenen Daten können zwar in bestimmten Situationen ausreichen, um die Kompensation des Lenkwinkelfehlers vornehmen zu können. Wenn sich jedoch Verschiebungen oder Änderungen in Komponenten des Lenksystems ergeben, passen diese Daten nicht mehr. Dieser Nachteil wird nun dadurch umgangen, daß man eine Kalibrierungsroutine ablaufen läßt, die die Daten neu ermitteln und zwar anhand des aktuellen Lenksystems. Es wird nämlich ein Zusammenhang zwischen dem Lenkmotorwinkel und dem Lenkorganwinkel abgebildet. Wenn diese Beziehung von Zeit zu Zeit ermittelt wird, dann hat man ein zuverlässiges Werkzeug an der Hand, mit dessen Hilfe man die Kompensierung des Lenkwinkelfehlers vornehmen kann. Dabei werden alle Störungen erfaßt, die zwischen dem Lenkmotorwinkel und dem Lenkorganwinkel auftreten könne, also auch solche Störungen, die vor oder hinter der Steuereinrichtung auftreten können. Die Kalibrierungsroutine kann im Fahrzeug selbst ablaufen. Es ist also nicht erforderlich, daß man Komponenten aus- und einbaut, um die Kalibrierung durchzuführen. Auch ist ein Nachstellen von Sensoren nicht erforderlich. Man muß lediglich wissen, wann das Fahrzeug geradeaus läuft. Die Kalibrierung erfolgt einfach dadurch, daß Daten eingestellt und unter Umständen verändert werden. Dies wiederum hat zur Folge, daß die Kosten der Kalibrierung außerordentlich niedrig gehalten werden können. Dies gilt vor allem dann, wenn die Kalibrierungsroutine automatisch ablaufen kann und zwar beispielsweise unter der Steuerung eines Programms. Die Kalibrierung kann beispielsweise zu vorbestimmten Zeitpunkten ablaufen oder nach Bedarf. Ein Bedarf kann anhand von Positionsfehlern festgestellt werden. Bei dem eingangs erwähnten Fehler handelt es sich um einen Positionsfehler. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß ein Austausch von Komponenten nicht stört, sondern bei der Kalibrierung berücksichtigt wird. Beispielsweise kann man den Lenkzylinder oder die Lenkeinheit ersetzen, ohne daß komplizierte Justierungen erforderlich sind.

Vorzugsweise läuft die Kalibrierungsroutine bei einem Start des Fahrzeugs ab. Dies kann, muß aber nicht jeder Start des Fahrzeugs sein. Wenn die Kalibrierungsroutine öfters abläuft, dann werden Veränderungen, die sich seit dem letzten Lauf der Kalibrierungsroutine ergeben haben, schnell und zuverlässig erkannt und können bei der nächsten Kompensierung des Lenkwinkelfehlers be rücksichtigt werden. Da die Änderungen, die sich zwischen zwei Kalibrierungsroutinen ergeben, in der Regel nur klein sind, ist damit keine nennenswerte negative Änderung des Fahrverhaltens des Fahrzeugs verbunden.

Vorzugsweise wird bei der Kalibrierungsroutine der Lenkmotorwinkel als Führungsgröße verwendet. Im Gegensatz zum normalen Fahrbetrieb des Fahrzeugs, bei dem der Lenkorganwinkel als Führungsgröße verwendet wird, verwendet man hier den Lenkmotorwinkel und stellt fest, welcher Lenkorganwinkel (oder eine davon abgeleitete Größe) dazu gehört. Diese Vorgehensweise erleichtert es wiederum, beim nachfolgenden Betrieb des Fahrzeugs die Kompensation in die umgekehrte Richtung laufen zu lassen, also den Lenkmotorwinkel dem Lenkorganwinkel nachzuführen.

Vorzugsweise werden die Daten in einer Tabelle abgelegt. Eine Tabelle ist allgemein ein reservierter Dateibereich, in dem die Daten mit einer vorbestimmten Struktur abgelegt werden. Die Anordnung der Daten in einer Tabelle hat den Vorteil, daß sie übersichtlich ist und die Daten leicht und vor allem schnell wiedergefunden werden können. Das schnelle Auffinden zugehöriger Daten ist beim Lenken von einer gewissen Bedeutung, um die Verzögerungszeiten beim Lenken eines Fahrzeugs kleinzuhalten.

Vorzugsweise wird der mögliche Lenkmotorwinkel in eine vorbestimmte Anzahl von Intervallen aufgeteilt und Werte, die einem Intervall zugeordnet werden, werden in einer Zeile der Tabelle abgelegt. Die Aufteilung kann auch rechnerisch erfolgen, beispielsweise in einem Pro gramm. Der mögliche Lenkmotorwinkel ist der Winkel, den das gelenkte Organ insgesamt zurücklegen kann. Bei einem Dreirad-Gabelstapler kann dieser Lenkmotor beispielsweise 360° betragen. Die Anzahl der Intervalle kann im Prinzip willkürlich gewählt werden. Bevorzugt werden 5 bis 50 Intervalle und ganz besonders bevorzugt größenordnungsmäßig 20 Intervalle. Wenn man die Anzahl der Intervalle zu klein wählt, ist die Auflösung nicht ausreichend. Wenn man die Anzahl der Intervalle zu groß wählt, dann wird die Tabelle zu groß und die Anzahl der RAM-Kreisläufe wird ebenfalls sehr groß, was kostenmäßig unter Umständen negativ ist. Die Intervalle müssen nicht unbedingt gleich sein. Bereits nach dem Durchlaufen weniger Intervalle hat man jedenfalls für einen ausreichenden Bereich genügend Informationen für eine Kompensierung.

Vorzugsweise wird eine Kalibrierung eines Intervalls dann abgeschlossen, wenn der Lenkmotorwinkel eine Intervallgrenze überschreitet. Man definiert also die Intervalle durch ihre Grenzen. Bei einem Überschreiten einer Grenze stellt man fest, welche Bewegung das Lenkorgan durchgeführt hat. Im Falle eines Lenkhandrades kann man beispielsweise den Winkel feststellen, den das Lenkhandrad von einer Ausgangsstellung, beispielsweise dem Überschreiten der vorherigen Intervallgrenze, zurückgelegt hat. Dadurch erhält man nach und nach eine Zuordnung zwischen dem Lenkmotorwinkel und dem Lenkorganwinkel. Gegebenenfalls muß man hierbei noch berücksichtigen, daß für eine vollständige Drehung des gelenkten Rades mehr als eine Umdrehung des Lenkhandrades notwendig sind, beispielsweise vier Umdrehungen. Bei dieser Gelegenheit kann man auch gleich berücksichti gen, daß die Daten der Sensoren möglicherweise nicht unmittelbar in Winkelform vorliegen, sondern analog/digital-gewandelt worden sind. In diesem Fall kann man das Überschreiten der Intervallgrenzen einfach durch Zahlenvergleiche feststellen. Die Kalibrierung kann bei dieser Vorgehensweise im Betrieb des Fahrzeugs vorgenommen werden, beispielsweise in einem Zeitabschnitt, der auf das Starten des Fahrzeugs folgt. Dabei macht man sich zu nutze, daß im Betrieb des Fahrzeugs das Lenkorgan betätigt wird und der Lenkmotor folgt. Auf diese Weise erhält man in relativ kurzer Zeit ein ausreichendes Überschreiten von Intervallgrenzen durch den Lenkmotor, bei denen man die Position oder den Winkel des Lenkorgans feststellen kann.

Vorzugsweise wird die Kalibrierung nur unvollständig oder gar nicht vorgenommen, wenn sich beim Durchlaufen eines Intervalls äußere Bedingungen ändern. Dabei vermeidet man Diskontinuitäten, die sich beispielsweise durch eine Rückwärtsbewegung des Lenkorgans oder durch Aufbauzeiten für Drücke ergeben. Im Druckaufbau könnte sich beispielsweise eine Hysterese ergeben, z.B. aufgrund der Reifen, bei denen Gummi komprimiert wird, wodurch Druck eingesperrt wird. Öl kann beispielsweise Luft enthalten oder es gibt nach einem Ölwechsel eine andere Kompressibilität des Öls. Man überwacht also, ob die Inkremente, mit denen der Lenkorganwinkel verändert wird, immer nur positiv oder nur negativ ist.

Vorzugsweise ist die Tabelle am Beginn der Kalibrierungsroutine leer. Dies gilt natürlich mit Ausnahme von solchen Informationen, die zur Aufrechterhaltung der Ordnung in der Tabelle notwendig sind, beispielsweise die Intervallgrenzen oder andere Ordnungsgrößen, wie Zeilennummern. Wenn die Tabelle am Beginn einer Kalibrierungsroutine leer ist, dann läßt sich am leichtesten überwachen, ob alle notwendigen Daten für die Kalibrierung bereits gesammelt worden sind oder nicht. Man überschreibt also nicht einfach Daten, sondern löscht sie vor dem Beginn der Kalibrierung.

Vorzugsweise nimmt man eine Kalibrierung in Abhängigkeit von der Richtung vor, in die das Lenkorgan bewegt wird. Man unterscheidet also, ob das Fahrzeug rechts herum oder links herum gesteuert wird. In beiden Fällen können sich durchaus unterschiedliche Fehler ergeben, die durch diese Vorgehensweise berücksichtigt werden.

Bevorzugterweise nimmt man die Kalibrierung nur dann vor, wenn das Lenkorgan um einen vorbestimmten Bereich bewegt worden ist. Dies läßt sich am leichtesten anhand einer hydraulischen Lenkung erläutern. Dort muß der Schiebersatz vor einem Druckaufbau um einen vorbestimmten Winkel, beispielsweise +2,5°, gedreht werden. Zusätzlich kann man einen Spielraum von beispielsweise +12,5° vor Anfang der Kalibrierung einführen, um einen gewissen Sicherheitsbereich zu haben. Man beginnt mit der Kalibrierung also erst dann, wenn das Lenkhandrad um +15° gedreht worden ist. Dieser Winkel ist noch relativ klein. Er wird also von der Bedienungsperson ohne Schwierigkeiten zu Beginn des Betriebs des Fahrzeugs erreicht werden. Wenn man den Winkel zu groß wählt, dann kann dies die Kalibrierungszeit negativ beeinflussen. Wenn die Kalibrierungszeit zu kurz ist, kann auch die Kalibrierung selbst negativ beeinflußt werden. Prinzipiell sind bei einem Lenkhandrad Winkel in der Größenordnung von etwa 5 bis 45° vorstellbar, die abgewartet werden müssen, bevor Daten für die Kalibrierung ausgewertet werden.

Vorzugsweise werden die Sensoren während der Kalibrierung mit einer Abtastfrequenz im Bereich von 10 bis 100 Hz abgetastet. Dies ist eine relativ hohe Abtastfrequenz. Bei 50 Hz werden beispielsweise Abtastungen alle 20 Millisekunden vorgenommen. In dieser kurzen Zeit ist weder das Lenkorgan noch der Lenkmotor um einen größeren Winkel bewegt worden. Man kann also das Überschreiten einer Intervallgrenze mit einer hohe Zuverlässigkeit feststellen.

Die Aufgabe wird bei einer Lenkeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Kompensationseinrichtung eine Lenksystem-Adaptionseinrichtung vorgeschaltet ist.

Die Lenksystem-Adaptionseinrichtung erlaubt es, die Kompensation des Lenkwinkelfehlers an das konkrete Lenksystem anzupassen. Man kann eine derartige Lenksystem-Adaptionseinrichtung unter Umständen auch bei unterschiedlichen Lenksystemen verwenden. Die Lenksystem-Adaptionseinrichtung erlaubt es, die Kompensation des Lenkwinkelfehlers tatsächlich in Abhängigkeit von dem im System auftretenden Fehlern vorzunehmen.

Vorzugsweise ist die Lenksystem-Adaptionseinrichtung zu vorbestimmten Zeitpunkten an die Lenkeinrichtung anpassbar. Damit wird wiederholt die Möglichkeit geschaffen, die Lenksystem-Adaptionseinrichtung zu aktualisieren und die Kompensationseinrichtung in Abhängigkeit von den in der Lenkeinrichtung auftretenden Fehlern anzusteuern.

Bevorzugterweise weist die Lenksystem-Adaptionseinrichtung eine Tabelle auf, die für jedes Intervall des Lenkmotorwinkels eine Zeile aufweist. Wie oben im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert, wird der maximal mögliche Lenkmotorwinkel in eine vorbestimmte Anzahl von Intervallen aufgeteilt. Die Daten für jedes Intervall legt man in einer Zeile der Tabelle ab.

Vorzugsweise weist die Tabelle für unterschiedliche Bewegungsrichtungen des Lenkorgans getrennte Spalten auf. Dies erleichtert die Ordnung bei der Verwaltung der Daten. Die Begriffe "Zeile" und "Spalte" sind hier austauschbar, d.h. man kann eine Tabelle natürlich auch an ihrer Diagonalen spiegeln, ohne daß die Informationen dabei verlorengehen.

Bevorzugterweise weist die Lenksystem-Adaptionseinrichtung zwei Eingänge auf, von denen der eine Eingang als Führungseingang mit dem Lenkmotorwinkelsensor und der andere Eingang als Folgeeingang mit dem Lenkorganwinkelsensor verbunden ist. Die Lenksystem-Adaptionseinrichtung prüft also, welche Werte der Lenkorganwinkelsensor zeigt, wenn der Lenkmotorwinkelsensor bei vorbestimmten Werten, beispielsweise dem Überschreiten von Intervallgrenzen, angelangt ist. Dies erlaubt eine relativ schnelle und einfache Identifizierung des Zusammenhangs zwischen dem Lenkmotorwinkel und dem Lenkorganwinkel. Wenn diese Werte dann in der Tabelle abgespeichert sind und man später Zwischenwerte benötigt, kann man die entsprechenden zugehörigen Werte durch eine einfache Interpolation ermitteln.

Vorzugsweise ist zwischen dem Lenkorganwinkelsensor und der Lenksystem-Adaptionseinrichtung eine Positionsänderungseinrichtung angeordnet. Die Positionsänderungseinrichtung bereitet die Daten des Lenkorganwinkelsensors auf.

Vorzugsweise zweigt eine Verbindung zwischen dem Lenkorganwinkelsensor und der Kompensationseinrichtung vor der Positionsänderungseinrichtung ab. Der Winkel des Lenkorganwinkelsensors wird der Kompensationseinrichtung also unmittelbar zugeführt, während der Winkel des Lenkmotorwinkelsensors der Kompensationseinrichtung aufbereitet zugeführt wird und zwar durch die Lenksystem-Adaptionseinrichtung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Lenkeinrichtung,
2 eine Tabelle und
3 einen Zusammenhang zwischen einem Lenkmotorwinkel und einem Lenkorganwinkel.
1 zeigt schematisch eine Lenkeinrichtung 100 mit einem Lenkhandrad 1 als Lenkorgan, das mit einer Lenksäule 2 verbunden ist. Die Lenksäule 2 ist mit einer Lenkeinheit 3 verbunden, die in der vorliegenden Ausführungsform als hydraulische Lenkeinheit 3 ausgebildet ist. Die Lenkeinheit 3 ist mit einem als Lenkzylinder ausgebildeten Lenkmotor 4 verbunden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Lenkeinrichtung 100 als vollhydraulische Lenkeinrichtung ausgebildet, d.h. es besteht kein mechanischer Wirkzusammenhang zwischen dem Lenkhandrad 1 und dem Lenkmotor 4. In der Lenkeinheit 3 ist in an sich bekannter und nicht näher dargestellter Weise zunächst ein Mengenabschnitt vorgesehen, der in Abhängigkeit von der Drehung des Lenkhandrades 1 eine vorbestimmte Ölmenge zum Lenkmotor 4 gelangen läßt. Dem Mengenabschnitt nachgeschaltet ist ein Richtungsabschnitt, der mit Hilfe von Ventilen oder auf andere Weise regelt, zu welcher Seite des Lenkmotors 4 das Hydrauliköl unter Druck zugeführt wird.
An der Lenksäule 2 (oder an anderer geeigneter Stelle, beispielsweise im Lenkhandrad oder an der Lenkeinheit) ist ein Lenkorganwinkelsensor 5 angeordnet, der erfaßt, um welches Winkelinkrement dx das Lenkhandrad 1 gedreht wird. Der Lenkorganwinkelsensor 5 ist vorzugsweise als inkrementaler Sensor ausgebildet, d.h. er überwacht die Zu- oder Abnahme des Lenkwinkelinkrements dx. Damit ist es möglich, die Drehung des Lenkhandrades 1 auch dann zu überwachen, wenn das Lenkhandrad 1 für eine volle Auslenkung des Lenkmotors 4 mehr als eine Umdrehung zurücklegen muß, beispielsweise vier Umdrehungen.
In ähnlicher Weise ist am Lenkmotor 4 ein Lenkmotorwinkelsensor 6 angeordnet, der eine Bewegung des Lenkmotors 4 erfaßt. Da der Lenkmotor 4 in der Regel ein Lenkelement, beispielsweise ein gelenktes Rad winkelmäßig verstellt, wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, daß der Lenkmotorwinkelsensor 6 einen Lenkmotorwinkel erfaßt.
Alternativ dazu kann auch ein Lenkmotorwinkelsensor 6' vorgesehen sein, der unmittelbar am gelenkten Organ, beispielsweise einem Rad 12, angeordnet sein kann und die Drehung dieses Rades 12 erfaßt. Damit ist es auch möglich, Ungenauigkeiten zu erfassen, die sich durch die Verbindung zwischen dem Rad 12 und dem Lenkmotor 4 ergeben.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 5, 6, 6' als absolute Sensoren ausgebildet. Es ist aber im Prinzip möglich, alle möglichen anderen Sensoren zu verwenden, die eine Messung von Lenkhanddrehung und Lenkmotorauslenkung ermöglichen.
Die Signale der beiden Sensoren 5, 6 werden einer Lenksystem-Adaptionseinheit 7 zugeführt. Die Lenksystem-Adaptionseinheit 7 wird weiter unten erläutert werden. Zwischen dem Lenkorganwinkelsensor 5 und der Lenksystem-Adaptionseinheit 7 ist noch eine Positionsänderungseinheit 8 angeordnet, die das Signal des Lenkorganwinkelsensors 5 aufbereitet, bevor es der Lenksystem-Adaptionseinheit 7 zugeführt wird. Die Lenksystem-Adaptionseinheit 7 ist hier als mechanisches Bauteil eingezeichnet. Sie kann aber vorzugsweise auch softwaremäßig als Routine oder Programm realisiert werden.
Dies erleichtert auch die Anpassung an Sensoren. Sensoren können beispielsweise entweder steigende oder fallende Werte liefern, wenn sie eine Winkelveränderung melden, je nach Bauart.
Die Ansteuerung der Lenkeinheit 3 erfolgt nicht direkt, sondern aufgrund der Ausgangssignale der Sensoren 5, 6 über eine Kompensationseinrichtung 13. Die Kompensationseinrichtung 13 ist mit der Lenksystem-Adaptionseinrichtung 7 einerseits und mit dem Lenkorganwinkelsensor 5 andererseits verbunden. Hierzu zweigt eine Leitung 14 zweckmäßigerweise zwischen dem Lenkorganwinkelsensor 5 und der Positionsänderungseinrichtung 8 ab.
Die Kompensationseinrichtung 13 weist bekannte Elemente auf, beispielsweise eine Einheit 9, die berechnet, wann eine Kompensation erforderlich ist, eine Spule 10 und ein Ventil 11, die die physische Kompensierung durchführen und beispielsweise der Lenkeinheit 3 mehr oder weniger Hydraulikflüssigkeit zuführt. Eine Möglichkeit der Kompensierung ist in DE 40 42 151 C2 beschrieben, wo die Elemente 10, 11 Hilfsfluidpfade frei geben oder verschließen. Damit ist es möglich, die Position des Lenkhandrades 1 mit der Position des Lenkmotors 4 im Laufe des Betriebes in Übereinstimmung zu bringen.
Mit Hilfe der Lenksystem-Adaptionseinrichtung ist es nun möglich, die Lenkeinrichtung 100 wiederholt zu kalibrieren. Zweckmäßigerweise erfolgt eine Kalibrierung bei jedem Start der Lenkeinrichtung 100. Jedes Mal, wenn das Fahrzeug, das mit der Lenkeinrichtung 100 ausgerüstet ist, gestartet wird, wird kalibriert und dadurch erreicht man, daß beispielsweise ein Verschleiß, der seit dem letzten Start erfolgt ist, immer berücksichtigt wird.
Die Lenksystem-Adaptionseinheit 7 enthält hierzu eine Tabelle, die bereits teilweise gefüllt in 2 dargestellt ist.
Der maximal mögliche Winkel des Lenkmotors 4 wird in zwanzig Intervalle unterteilt. Diese Unterteilung muß nicht vom Sensor vorgenommen werden. Sie kann auch in der Lenkystem-Adaptionseinheit 7 vorgenommen werden. Der Lenkmotorwinkelsensor 6 unterteilt den maximal möglichen Lenkmotorwinkel in 1.000 Inkremente, so daß man bei einer Unterteilung in zwanzig Intervalle Grenzen bei jedem Vielfachen von 50 erhält. Diese Grenzen sind fest in einer Spalte Uc gespeichert. Im übrigen ist zu Beginn der Kalibrierung die Tabelle leer oder zum Oberschreiben vorbereitet.
Der Lenkmotorwinkelsensor 6 wird nun abgetastet mit einer Frequenz von beispielsweise 50 Hz, d.h. man erhält alle 20 ms eine neue Information über die Auslenkung und damit die aktuelle Position des Lenkmotors 4. In dieser relativ kurzen Zeit kann der Lenkmotor aufgrund einer begrenzten Geschwindigkeit keine allzu großen Winkeländerungen durchführen. Bei einer größeren Anzahl von Intervallen wird man die höhere Frequenz wählen und bei einer kleineren Anzahl eine niedrigere. Man erhält also relativ zuverlässig eine Aussage über den Zeitpunkt, wann eine Grenze zwischen Intervallen überschritten worden ist. Beispielsweise kann der Lenkmotorwinkelsensor 6 von einem Abtastzeitpunkt zum anderen von 499 auf 501 springen. Die Überschreitung einer In tervallgrenze wird als Bedingung angesehen, das ein Intervall kalibriert wird.
Hierbei startet man von einer Geradeausstellung, bei der der Lenkmotor 4 im Bereich der Mitte seiner mittleren Auslenkung ist, im vorliegenden Fall also bei 450 oder 500. Diese beiden Intervalle sind in der Tabelle der 2 grau unterlegt.
Eine Bedingung für die Kalibrierung in einem Intervall ist, daß dieses Intervall noch nicht vorher kalibriert worden ist und der Lenkmotorwinkel die Intervallgrenze überschritten hat, also von einem Intervall n in das Intervall n+1 oder n–1 gelangt ist. Hierbei ist noch zu berücksichtigen, daß die Richtung der Überschreitung wichtig ist. Bei einem Überschreiten in Aufwärtsrichtung werden lediglich die Spalten aktualisiert, die mit dem Index r versehen sind (r für raising oder ansteigen). Bei einem Abwärtsbewegen werden die Spalten aktualisiert, die mit dem Index f versehen sind (f für falling oder fallend).
In den Spalten Sr und Sf sind Zustandsvariablen gespeichert. Diese Zustandsvariablen können folgende vier Werte haben:
Wait: Das Intervall ist noch nicht kalibriert.
Start: Die Kalibrierung erfolgt derzeit.
Stop: Die Kalibrierung für dieses Intervall ist teilweise abgeschlossen.
Lock: Die Kalibrierung für dieses Intervall ist vollständig abgeschlossen.
Wenn die Kalibrierung in einem Intervall begonnen hat, d.h. nach Überschreiten der Intervallgrenze, werden die vom Lenkorganwinkelsensor 5 erfaßten Lenkwinkelinkremente dx aufsummiert und in der Spalte Σdxr gespeichert. Hierbei hängt es davon ab, ob der Lenkhandradwinkel zunimmt oder abnimmt. Allerdings muß während der Kalibrierung eines Intervalls das Lenkwinkelinkrement entweder positiv oder negativ sein. Dies wird von der Positionsänderungseinrichtung 8 (die auch als Softwareroutine realisiert sein kann) überwacht. Die strikte Einhaltung dieser Bedingung verhindert, daß kleine Rückwärtsbewegungen des Lenkhandrades oder Diskontinuitäten, die durch eine Druckaufbau-Zeit entstehen könnten, die Kalibrierung negativ beeinflussen könnten. Das bedeutet, daß im Fall einer derartigen Diskontinuität die Zustandsvariable Sr oder Sf für dieses Intervall auf "wait" zurückgesetzt wird.
Wenn die nächste Intervallgrenze überschritten wird, dann hat man einen kinematischen Zusammenhang zwischen den akkumulierten Lenkwinkelinkrementen dx und den zugehörigen Positionen des Lenkmotorwinkels, der durch den Sensor 6 erfaßt worden ist. Es ist hierbei zu beachten, daß der Lenkmotorwinkel beim Kalibrieren die Führungsgröße bildet, der der Lenkorganwinkel folgt. Man erhält also zu definierten Inkrementen des Lenkmotors 4 die entsprechenden tatsächlichen Winkel des Lenkhandrades 1. Nach dem Durchlaufen eines Intervalls wird die Summe der Winkelinkremente übertragen in die Spalte Xr bzw. Xf und dort zu der bereits gespeicherten Größe Xr bzw. Xf aus dem vorherigen Intervall addiert. Danach wird die Instandsvariable Sr bzw. Sf auf "Lock" gesetzt.
Gleichzeitig mit der Kalibrierung werden die Inhalte der Tabelle in den Spalten Sr und Sf daraufhin überwacht, ob die volle kinematische Beziehung zwischen der Bewegung des Lenkhandrades 1 und des Lenkmotors 4 beschrieben werden kann. Dies wird erreicht durch Umordnen der Tabelleninhalte durch Verlagern der Daten von der Spalte Σdxr nach Xr und Σdxf nach Xf.
Die Kalibrierung beginnt bei den Zeilen, die in der Tabelle der 2 grau unterlegt sind. Hier wird angenommen, daß das Fahrzeug in diesem Bereich geradeaus fährt. Man definiert vier Zeiger a, b, c und d, die anfangs in diese graue Zone der Tabelle der 2 zeigen. Die graue Zone befindet sich bei 50 % des maximalen Ausschlagwinkels des Lenkmotors 4.
Wenn die Zustandsvariable Sr (a) gleich Start ist und die Zustandsvariable Sr (a+1) Stop ist, dann wird Σdxr (a) und Xr (a+1) in das Feld Xr (a) addiert. Der Zähler "a" wird um eins vermindert, um in das nächst niedrigere Intervall zu gelangen.
Wenn die Zustandsvariable Sr(b) gleich Start ist und die Zustandsvariable Sr(b–1) gleich Stop ist, dann wird Σdxr (b) und Xr (b) addiert in das Feld Xr (b+1). Der Zeiger "b" wird um 1 erhöht, um in die darüber befindliche Zeile zu zeigen.
Die gleiche Vorgehensweise wird verwendet für Sf und Xf für die Zeiger c und d.
Die kinematische Beziehung ergibt sich nun zwischen den Spalten Ur und Xr und reicht von Zeile a bis Zeile b und zwischen den Spalten Uf und Xf, die von den Reihen c bis d reicht.
In Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Bewegung des Lenkhandrades 1 kann nun die Lenkhandrad-Abweichung berechnet werden, wobei die kinematische Beziehung beschrieben werden kann unter Verwendung der Spalten Xr oder Xf. Eine derartige Beziehung ist in 3 dargestellt. Hier liegen die Kurven für eine Linksbewegung des Lenkhandrades 1 und eine Rechtsbewegung des Lenkhandrades 1 praktisch aufeinander. Um kleine Unterschiede zu verdeutlichen, sind die Abweichungen neben einzelnen Kreuzungspunkten von Intervallen daneben dargestellt. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Lenkmotorwinkel (waagrechte oder x-Achse) und dem Lenkhandradwinkel (senkrechte oder y-Achse) dar.
Der Lenkmotor 4 hat nur einen begrenzten Arbeitsbereich, der beispielsweise durch Endanschläge begrenzt sein kann. Diese Endanschläge müssen nicht unbedingt symmetrisch ausgebildet sein. Aus diesem Grunde ist in 3 eine mögliche Bewegung von –750 bis +625 dargestellt.
Vor dem Anfang der Kalibrierung gibt es eine "Verzögerung", weil ein Schlupf in der Längssäule 2, einer Verzögerung des Druckaufbaus, eine Öffnung des Schiebersatzes und andere Diskontinuitäten die Kalibrierung nicht beeinflussen dürfen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel muß der Schiebersatz der Lenkeinheit 3 vor einem Druckaufbau um etwa 2,5° gedreht werden und ein zusätzlicher Sicherheitsbereich von 12,5° vor Beginn der Kalibrierung ist eingeführt worden, so daß die Kalibrierung im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach einer Drehung des Lenkhandrades 1 um 15° beginnt. 15° ist ein relativ kleiner Winkel, so daß die Kalibrierung kurz nach dem Start beginnen kann, wenn die Bedienungsperson anfangs kleinere Bewegungen am Lenkhandrad durchführt.
Zu Beginn des Betriebs des Fahrzeugs, wo die Kalibrierungstabelle (2) noch leer ist, wird sich zwar unter Umständen nicht ein optimales Fahrverhalten zeigen. Bereits nach einer relativ kleinen Betriebsdauer, d.h. nach einigen Kurvenfahrten, sind aber sämtliche Winkelbereiche des Lenkmotors 4 durchlaufen worden, so daß die Tabelle gefüllt ist und der Ist-Zustand der Beziehung zwischen dem Lenkorganwinkel und dem Lenkmotorwinkel darstellbar ist.
Wenn diese Beziehung ermittelt worden ist, dann kann man die tatsächlichen Verhältnisse der Beziehung verwenden, um mit Hilfe der Kompensationseinheit 13 die Kompensierung in der Lenkeinheit 3 zu bewirken.
In einem linearen System würde man für die Kurve tatsächlich eine Gerade erhalten, d.h. eine linearen Zusammenhang zwischen dem Lenkhandradwinkel und dem Lenkmotorwinkel. In der Situation, die in 3 dargestellt ist, verwendet man einen Sensor 6', der direkt am gelenkten Rad angeordnet ist. Da hier noch Übertra gungsmechanismen zwischen dem Lenkmotor 4 und dem gelenkten Rad eine Rolle spielen, ist der Zusammenhang deutlich nicht linear.
Der Aufbau der Tabelle ist zufällig. Man geht von dem grau hinterlegten Startpunkt aus. Es kommt dann darauf an, in welche Richtung der Fahrer das Lenkhandrad dreht. Xr, Xf werden zunächst von Null ausgehend aufgebaut, d.h. von der Neutralstellung. Wenn eine Übertragung zu Xr, Xf stattgefunden hat, wird die Zustandsvariable auf Lock geschaltet. In 2 sind noch die Zeiger a–d eingezeichnet, Im Beispiel zeigen die Zeiger a, b auf die Grenzen der Bereiche, zwischen denen eine Kalibrierung erfolgt ist. Das gleiche gilt für die Zeiger c, d. In diesen Bereichen kann dann eine Kompensierung erfolgen. Eine Kompensierung erfolgt nur, wenn das Lenkhandrad gedreht wird und die Kompensierung hängt auch von der Größe des Fehlers ab.
Dargestellt wurde eine vollhydraulische Lenkung. Es liegt aber auf der Hand, daß die Vorgehensweise im Prinzip bei allen Lenkungen angewandt werden kann, insbesondere bei solchen, bei denen kein mechanischer Wirkzusammenhang zwischen einem Lenkhandrad und dem gelenkten Rad besteht. Derartige Lenkungen können beispielsweise auch elektrisch ausgebildet sein.

Claims

Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs, bei dem ein Lenkmotor in Abhängigkeit von einer Betätigung eines Lenkorgans betätigt wird, ein Lenkmotorwinkel und ein Lenkorganwinkel ermittelt werden und ein Fehler im Zusammenhang zwischen Lenkorgan und Lenkmotor kompensiert wird, wobei man zum Kompensieren des Fehlers gespeicherte Daten verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten durch eine Kalibrierungsroutine ermittelt werden, die einen Zusammenhang zwischen dem Lenkmotorwinkel und dem Lenkorganwinkel abbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierungsroutine bei einem Start des Fahrzeugs abläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kalibrierungsroutine der Lenkmotorwinkel als Führungsgröße verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten in einer Tabelle abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mögliche Lenkmotorwinkel in eine vorbestimmte Anzahl von Intervallen aufgeteilt wird und Werte, die einem Intervall zugeordnet werden, in einer Zeile der Tabelle abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kalibrierung eines Intervalls dann abgeschlossen wird, wenn der Lenkmotorwinkel eine Intervallgrenze überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung nur unvollständig oder gar nicht vorgenommen wird, wenn sich beim Durchlaufen eines Intervalls äußere Bedingungen ändern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabelle am Beginn der Kalibrierungsroutine leer ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Kalibrierung in Abhängigkeit von der Richtung vornimmt, in die das Lenkorgan bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kalibrierung nur dann vornimmt, wenn das Lenkorgan um einen vorbestimmten Bereich bewegt worden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren während der Kalibrierung mit einer Abtastfrequenz im Bereich von 10 bis 100 Hz abgetastet werden.
Lenkeinrichtung mit einem Lenkmotor, der einen Lenkmotorwinkelsensor aufweist, einem Lenkorgan, das einen Lenkorganwinkelsensor aufweist, und einer Kompensationseinrichtung, die eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit von Signalen des Lenkmotorwinkelsensors und des Lenkorganwinkelsensors ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationseinrichtung (13) eine Lenksystem-Adaptionseinrichtung (7) vorgeschaltet ist.
Lenkeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenksystem-Adaptionseinrichtung (7) zu vorbestimmten Zeitpunkten an die Lenkeinrichtung (100) anpassbar ist.
Lenkeinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenksystem-Adaptionseinrichtung (7) eine Tabelle aufweist, die für jedes Intervall des Lenkmotorwinkels eine Zeile aufweist.
Lenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabelle für unterschiedliche Bewegungsrichtungen des Lenkorgans (1) getrennte Spalten aufweist.
Lenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenksystem-Adaptionseinrichtung (7) zwei Eingänge aufweist, von denen der eine Eingang als Führungseingang mit dem Lenkmotorwinkelsensor (6, 6') und der andere Eingang als Folgeeingang mit dem Lenkorganwinkelsensor (5) verbunden ist.
Lenkeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lenkorganwinkelsensor (5) und der Lenksystem-Adaptionseinrichtung (7) eine Positionsänderungseinrichtung (8) angeordnet ist.
Lenkeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung zwischen dem Lenkorganwinkelsensor und der Kompensationseinrichtung (13) vor der Positionsänderungseinrichtung (8) abzweigt.