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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln
der Relativgeschwindigkeit eines Fahrzeugs zu einem oder mehreren
vorausfahrenden Fahrzeugen gemäß den Oberbegriffen der
unabhängigen
Ansprüche.
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In
modernen Fahrzeugregelungen wird die Relativgeschwindigkeit eines
Fahrzeugs durch Sensoren gemessen. Insbesondere wird dabei die Relativgeschwindigkeit
des eigenen Fahrzeugs zu einem oder mehreren vorausfahrenden Fahrzeugen
gemessen. Im Sinne dieser Anmeldung umfaßt dabei der Ausdruck ”Relativgeschwindigkeit” auch die
Bestimmung von Geschwindigkeiten des eigenen Fahrzeugs bezüglich beliebiger
Hindernisse. Diese Hindernisse können
entweder vorausfahrende Fahrzeuge sein, feste Hindernisse auf der
Fahrbahn, langsamer Kolonnenverkehr usw. Die ermittelte Relativgeschwindigkeit
wird in sog. ICC-Systemen (ICC = Intelligent Cruise Control) zur
Erzeugung von Soll- und Führungsgrößen verwendet.
So können
beispielsweise Sollgeschwindigkeiten, Sollbeschleunigungen oder
Sollabstände
nach Maßgabe
einer Relativgeschwindigkeit erzeugt werden. Ausführliche
Darstellungen zu ICC-Systemen befinden sich in der
DE 196 54 769 A1 vom gleichen
Anmelder, deren Gehalt hiermit vollinhaltlich in diese Anmeldung
mit einbezogen wird.
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Eine
ICC-Komponente, die die Relativgeschwindigkeit des eigenen Fahrzeugs
als Eingangsgröße verwendet,
ist die Fahrzeugfolgeregelung. Bei ihr wird die Längsdynamik
des eigenen Fahrzeugs u. a. nach Maßgabe des Verhaltens eines
vorausfahrenden Fahrzeugs geregelt. Das vorausfahrende Fahrzeug
wird dabei durch einen Sensor im eigenen Fahrzeug erfaßt. Insbesondere
wird dessen Relativgeschwindigkeit durch Sensoren gemessen. Solche Sensoren
können
Radargeräte
oder Infrarotsensoren sein. Die Relativgeschwindigkeit ergibt sich
beispielsweise aus der Untersuchung der Dopplerverschiebung zwischen
ausgesandtem und reflektiertem Signal. Die so bestimmte Relativgeschwindigkeit
wird im Sinne dieser Anmeldung als ”gemessene Relativgeschwindigkeit” bezeichnet,
wobei der gemessene Wert auch noch bestimmte Filterungen zum Herausfiltern
elektrischer Störungen
etc. durchlaufen haben kann.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
26 23 643 A1 offenbart ein Verfahren zum autarken Regeln
des Sicherheitsabstandes eines Fahrzeuges zu vorausfahrenden Fahrzeugen
und eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens. Zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit werden
Radarsensoren vorgeschlagen.
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Die
DE 42 31 192 A1 zeigt
eine Fahrgeschwindigkeitsmeßeinrichtung
zum Erfassen der Bodengeschwindigkeit eines Fahrzeugs in bezug auf eine
vom Fahrzeug befahrene Fahrbahn.
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Es
hat sich gezeigt, daß die
gemessene Relativgeschwindigkeit immer wieder deutliche Sprünge aufweist,
die z. B. durch Fehlmessungen aufgrund überlappender Ziele oder Änderungen
in der Objektstruktur, erklärbar
sind. 1 zeigt zwei zeitliche Verläufe, oben ist der zeitliche
Verlauf des Abstands s zweier fahrender Fahrzeuge gezeigt, darunter
der Verlauf der Relativgeschwindigkeit v. Theoretisch müßte der
Wert von v die Ableitung von s nach der Zeit sein. Es zeigt sich
jedoch, daß es
Zeitpunkte gibt, zu denen diese Beziehung deutlich verletzt ist. 1 zeigt
bei ca. 88 s einen plötzlichen
Sprung der gemessenen Relativgeschwindigkeit, obwohl der Abstand
s in etwa konstant blieb. Abstand s konstant bedeutet jedoch Relativgeschwindigkeit
v = 0. Der bei ca. 88 s gezeigte plötzliche Sprung der Relativgeschwindigkeit
v entspricht damit nicht der Realität. Solche Sprünge können zustande
kommen, weil plötzlich
andere Objekte im Gesichtsfeld des Sensors auftauchen, oder aufgrund
elektrischer Störungen
oder ähnlichem.
Solche plötzlichen
drastischen Sprünge
führen
zu starken Auswirkungen auf die nachfolgende ICC-Regelung und sind
deshalb von Nachteil.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln
der Relativgeschwindigkeit eines Fahrzeugs anzugeben, mit denen
Fehlbestimmungen der Relativgeschwindigkeit zuverlässig vermieden
werden können.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind
auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gerichtet.
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Vorgeschlagen
wird eine weitere Überprüfung bzw.
Verarbeitung des gemessenen Relativgeschwindigkeitssignals. Eine
Möglichkeit
ist die Tiefpaßfilterung
des gemessenen, die Relativgeschwindigkeit darstellenden Signals
mittels eines Tiefpaßfilters.
Damit können
Sprünge,
wie sie in 1 gezeigt sind, eliminiert werden.
Tiefpaßfilter
haben jedoch den Nachteil, daß sie
vergleichsweise lange Zeitkonstanten haben und damit zu einer Verlangsamung der
Regeldynamik führen.
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Eine
weiter verbesserte Verarbeitung des gemessenen Relativgeschwindigkeitssignals
liegt deshalb darin, den die Relativgeschwindigkeit darstellenden
Wert auf seine Plausibilität
hin zu überprüfen und
dann, wenn ein nicht plausibler Wert festgestellt wird, den Meßwert entweder
für ungültig zu
erklären
oder zu korrigieren. Vorteil dieser Strategie ist es, daß die Plausibilitätsprüfung schnell
vollzogen werden kann, so daß beim
Auffinden eines nicht plausiblen Werts auch schnell Gegenmaßnahmen
ergriffen werden können.
Wie bei der Tiefpaßfilterung erhält man dann
den Vorteil, daß ein
brauchbares Relativgeschwindigkeitssignal entsteht. Darüber hinaus
müssen
aber nicht die langen Zeitkonstanten einer Tiefpaßfilterung
abgewartet werden. Vielmehr gelangt man schnell zu einer brauchbaren
Meß- bzw. Regelstrategie.
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Vorzugsweise
findet die Plausibilitätsprüfung statt,
indem der zeitliche Verlauf des gemessenen Werts der Relativgeschwindigkeit
betrachtet wird.
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Nachfolgend
werden einzelne Ausführungsformen
der Erfindung Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben. Es
zeigen:
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1 Phänomene bei
der Messung der Relativgeschwindigkeit, wie sie bei bisher bekannten Verfahren
und Vorrichtungen auftreten,
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2 ein
System, in dem die Erfindung angewendet werden kann,
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3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung, und
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4 bis 6 Signalverläufe.
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2 zeigt
als Blockschaltbild in allgemeiner Form eine moderne Fahrzeugregelung,
in der die Erfindung zum Einsatz kommen kann. Mit 21 ist
dabei eine Einrichtung bezeichnet, mit der Beziehungen zu einem
vorausfahrenden Fahrzeug erfaßt
werden können.
Die Einrichtung kann ein Sensor sein, insbesondere ein Radar- oder
Infrarotsensor. Mit ihm können
der Abstand (anhand der Laufzeit) und/oder die Relativgeschwindigkeit
(anhand der Dopplerverschiebung oder Ableitung des Abstands nach
der Zeit) zu einem vorausfahrenden Fahrzeug und/oder zu sonstigen
Hindernissen auf der Fahrbahn oder am Fahrbahnrand ermittelt werden.
Bezugsziffer 22 bezeichnet einen ICC-Regler. Unter anderem
empfängt er
das Signal vom Sensor 21 und erzeugt Sollwerte für die Getrieberegelung 25 und/oder
die Motorregelung 26 und/oder die Bremsregelung 27.
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Um
Störungen
der gemessenen Relativgeschwindigkeit, wie sie anhand von 1 erläutert wurden,
zu eliminieren, wird die gemessene Relativgeschwindigkeit bzw. das
sie darstellende Signal auf Plausibilität überprüft. Diese Überprüfung kann auf verschiedene
Weise erfolgen: Es kann eine Überprüfung auf
einen bestimmten Betrag hin erfolgen. Bevorzugt wird jedoch der
zeitliche Verlauf der Relativgeschwindigkeit überprüft. Dies kann beispielsweise in
der Weise erfolgen, daß die
gemessene Relativgeschwindigkeit zyklisch abgefragt wird und der
bei der Abfrage ermittelte Wert mit einem früheren Wert verglichen wird.
Ist der Betrag der Differenz zwischen beiden Werten größer als
ein Schwellenwert, wird ein nicht plausibler Sprung angenommen.
Die oben beschriebene Differenzbildung ist ein Ansatz für zeitdiskrete
Systeme. Ihm entspricht das Differenzieren der Relativgeschwindigkeit
nach der Zeit. Die Ableitung einer Relativgeschwindigkeit nach der
Zeit entspricht einer Beschleunigung. Eine Überprüfungsstrategie kann damit sein,
die Relativgeschwindigkeit nach der Zeit abzuleiten und zu überprüfen, ob
das Ergebnis einen bestimmten Bereich von zulässigen Relativbeschleunigungen
verlassen hat. Diese Überprüfung kann
analog kontinuierlich oder digital zeitdiskret erfolgen. Das gemessene
Relativgeschwindigkeitssignal kann beispielsweise dann für ungültig erklärt werden,
wenn der Betrag der bei der Überprüfung ermittelten
Relativbeschleunigung einen 1,5 g entsprechenden Wert übersteigt.
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Wenn
bei der Plausibilitätsprüfung ein
nicht plausibler Wert der Relativgeschwindigkeit festgestellt wird,
können
verschiedene Maßnahmen
ergriffen werden:
- – Es wird der Regelzustand
der Fahrzeugfolgeregelung beibehalten. Erst zu dem Zeitpunkt, zu dem
die bei der Plausibilitätsprüfung ermittelte Relativbeschleunigung
wieder zulässige
Werte eingenommen hat, wird mit der normalen Regelung fortgefahren.
- – Wenn
die bei der Plausibilitätsprüfung ermittelte Relativbeschleunigung
einen Grenzwert überschritten
hat, wird der Wert der Relativgeschwindigkeit vor dem Überschreiten
des Grenzwerts beibehalten. Mit diesem Wert wird die Fahrzeugfolgeregelung
fortgesetzt.
- – Sobald
der obengenannte Grenzwert überschritten
wurde, wird die gemessene Relativgeschwindigkeit anhand des Grenzwerts
für die
Relativbeschleunigung extrapoliert, bis die bei der Plausibilitätsüberprüfung bestimmte
Relativbeschleunigung wieder im zulässigen Bereich liegt. Danach wird
die Regelung mit der tatsächlich
gemessenen Relativgeschwindigkeit fortgesetzt.
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3 zeigt
als Blockdiagramm eine Ausführungsform,
mit der die zuletzt beschriebene Maßnahme umgesetzt werden kann.
Dabei ist eine zeitdiskrete Ausführungsform
gezeigt. Der obere Zweig von 3 zeigt
die zur Plausibilitätsprüfung durchgeführte Ermittlung
eines einer Relativbeschleunigung entsprechenden Wertes sowie dessen
Abfrage, der untere Zweig zeigt das ggf. stattfindende Extrapolieren der
Relativgeschwindigkeit mit der Grenzbeschleunigung.
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Im
Addierer 33a (mit einem invertierenden Eingang) wird die
Differenz zwischen einem momentanen Meßwert und einem früheren Meßwert, der
die Zeitverzögerung 31a durchlaufen
hat, gebildet. Die Zeitverzögerung
kann dabei der Abtastfrequenz entsprechen. Die Abtastfrequenz kann
beispielsweise 20 Hz sein. Die Zeitverzögerung entsprechend Tsample wäre
dann 50 ms. Der Ausgang des Addiereres 33a ist ein Maß für die zeitliche
Veränderung
der gemessenen Relativgeschwindigkeit. Da seine Größe von der
Abtastzeit abhängt,
wird er mit einem von der Abtastzeit abhängigen Faktor 32a gewertet.
Danach erfolgt eine Betragsbildung 34. In der Abfrage 36 wird überprüft, ob die
Ausgabe der Betragsbildung 34 größer oder kleiner als ein Grenzwert 35 ist.
Die Abfrage 36 kann einen ”digitalen” Ausgangswert liefern, der anzeigt,
ob die Abfragebedingung erfüllt
ist oder nicht.
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Dieses
Ausgangssignal wird den Umschaltern 38a und 38b zugeführt, die
nach Maßgabe
dieses Signals zwischen jeweils zwei Eingängen u2 und u3 umschalten.
Die Verschaltung erfolgt dabei so, daß dann, wenn die Ausgabe der
Betragsbildung 34 kleiner als der Grenzwert 35 ist,
die Umschalter 38a und 38b so schalten, daß das gemessene
Relativgeschwindigkeitssignal vom Eingang 30 her durchgeschaltet
wird (u2), ansonsten werden Ergebnisse der Signalverarbeitung (u3)
auf den Ausgang 39 geschaltet.
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Im
Addierer 33b wird die Differenz gebildet zwischen dem Meßwert am
Signaleingang 30 und einem Signal, das letztendlich einem
alten Wert entspricht (über
Umschalter 38a, Eingang u3 und Verzögerung 31b). Die Differenz
wird mit einem Faktor 32b bewertet, der wiederum die Abtastzeit
Tsample berücksichtigt. An seinem Ausgang
liegt dann ein einer Beschleunigung entsprechender Wert an. Das
Ergebnis wird im Begrenzer 37 begrenzt. Dessen Ausgang wird
einer Struktur zugeführt,
die letztendlich einer Integration entspricht. Dadurch wird ein
Wert, der dem Grenzwert der zulässigen
Beschleunigung entspricht, aufintegriert, so daß dadurch die gemessene Geschwindigkeit
extrapoliert wird.
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Sobald
die bei der Plausibilitätsprüfung ermittelte
Beschleunigung wieder zulässige
Werte eingenommen hat, erfolgt ein Umschalten von den verarbeiteten
Werten (Eingang u3 im Umschalter 38a) hin zu den gemessenen
Werten (Eingang u2 im Umschalter 38a), so daß dann die
Fahrzeugregelung wieder mit der tatsächlich gemessenen Relativgeschwindigkeit
erfolgt.
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Die 4 bis 6 zeigen
die Auswirkungen dieses Verfahrens auf drei sinusförmige Testverläufe der
Relativgeschwindigkeit. Die Amplituden der Sinusschwingungen sind
dabei unterschiedlich groß, so
daß unterschiedliche
Steigungen auftreten. Die durchgezogene Linie bezeichnet dabei im
oberen Teil der jeweiligen Figuren ein beispielhaft angenommenes
und für
eine gemessene Relativgeschwindigkeit stehendes Signal am Eingang 30 in 3,
während die
untere Figur jeweils den Ausgang der Betragsbildung 34 zeigt.
Die gestrichelte Linie oben zeigt den Ausgang 39.
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In 4 steigt
anfänglich
die Relativgeschwindigkeit steil an. Dies führt zu einer ermittelten Relativbeschleunigung
in 4 unten. Als zulässiger Grenzwert der für die Plausibilitätsprüfung ermittelten Relativbeschleunigung
werden 15 m/s2 angenommen. Die ermittelte
Relativbeschleunigung liegt anfänglich über diesem
Wert, so daß die
Entscheidungseinrichtung 36 die Umschalter 38a und 38b anfänglich jeweils
auf ihren Eingang u3 umschaltet. Somit wird nicht das Eingangssignal
am Eingang 30 durchgeschaltet, sondern am Ausgang 39 liegt
das extrapolierte Signal an. In 4 oben ist
die gestrichelt gezeigt.
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Zu
einem Zeitpunkt von etwa 0,6 s sinkt die ermittelte Relativbeschleunigung
auf einen Wert unterhalb des Schwellenwerts. Dies führt dazu,
daß die Entscheidungseinrichtung 36 die
Umschalter 38a und 38b dahingehend beeinflußt, daß sie vom
Eingang u3 auf u2 umschalten. Dadurch wird das gemessene Signal
vom Eingang 30 (Eingang u2 im Umschalter 38a)
auf den Eingang 39 geschaltet. Es folgt dann solange direkt
dem gemessenen Signal, bis abermals eine Überschreitung des Grenzwerts
für die
zulässige
Relativbeschleunigung erfolgt. Dann wird abermals extrapoliert.
In 4 ist dies der Fall etwa für die Zeiten zwischen 1,5 s
und 2,6 s, danach ist das gemessene Signal wieder ”gültig” und kann unmittelbar
durchgeschaltet werden.
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5 zeigt
einen Fall, bei dem die Signalamplitude der Sinusschwingung der
gemessenen Relativgeschwindigkeit kleiner ist. Überschreitungen der zulässigen Grenzwerte
treten deshalb nur kurzzeitig auf, im gezeigten Beispiel etwa zwischen
den Zeitpunkten 0 und 0,2 s bzw. 1,8 und 2,2 und 3,8 und 4,2 s.
In diesen Zeiten wird extrapoliert. Ansonsten wird das gemessene
Signal durchgeschaltet. 6 zeigt abschließend ein
Beispiel mit sehr hoher Amplitude der Schwingung der gemessenen
Relativgeschwindigkeit. In diesem Beispiel wird das gemessene Signal
etwa zwischen den Zeitpunkten 0 und 0,8 s sowie 1,4 und 2,8 s und
3,4 und 4,8 s für ”ungültig” erklärt. Statt
dessen wird das extrapolierte Signal verwendet. In den ”gültigen” Zeiträumen (etwa
0,8 bis 1,4 s und 2,8 bis 3,4 s), wird das gemessene Signal durchgeschaltet.
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Die
beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren können funktional
unmittelbar in der Nähe
des Sensors bzw. in dessen Bewertungselektronik implementiert sein
und ausgeführt
werden. Es ist auch möglich,
sie funktional in der eigentlichen Motorelektronik bzw. im ICC-Regler
zu implementieren bzw. auszuführen.
Durch die Erfindung erfolgt eine Verarbeitung des gemessenen Signals
(wobei ”gemessen” in diesem
Zusammenhang auch ein Signal bezeichnet, das schon Vorverarbeitungen
durchlaufen hat). Mit der Verarbeitung werden Sprünge der gemessenen
Relativgeschwindigkeit gefiltert bzw. eliminiert, indem das Signal
z. B. in geeigneter Weise fortgeschrieben wird.