DE4332836C1 - Vorrichtung zur spurhaltungsgeregelten Lenkung eines Fahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur spurhal­ tungsgeregelten Lenkung eines Fahrzeugs, insbesondere Straßen­ fahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen sind bereits aus Experimentalstraßen­ fahrzeugen bekannt. Hierbei wird die Lage des Fahrzeugs relativ zur Fahrbahn, z. B. mit Videokameras, erfaßt und aufgrund dieser Daten die Lenkung des Fahrzeugs auf der Straße so geregelt, daß dieses eine bestimmte Fahrspur einhält. Die Fahrbahnlageerfas­ sung kann durch Bildanalyseverfahren unterstützt werden, die den kommenden Fahrbahnverlauf und die Lage des Fahrzeugs rela­ tiv zur Fahrbahn aus einer Folge von Videobildern ermitteln. Ein derartiges Bildanalyseverfahren ist in U. Franke, Real time 3D-road modeling for autonomous vehicle guidance, Theory & Applications of Image Analysis, Hrsg. P. Johansen und S. Olsen, World Scientific, 1992 beschrieben.

Die bisher in Experimentalfahrzeugen realisierten Lenkregelver­ fahren lassen sich in zwei Gruppen unterteilen. Bei der einen Gruppe ist vorgesehen, daß der Fahrer zwischen manuellem und automatischem Lenkbetrieb umschaltet, wobei der manuelle Be­ trieb die normale Lenkradbetätigung durch den Fahrer darstellt, während im automatischen Betrieb z. B. mittels einer gattungsge­ mäßen Vorrichtung der Lenkwinkel oder die Lenkwinkelgeschwin­ digkeit alleine von einer Lenkregeleinrichtung vorgegeben wird, ohne daß der Fahrer eine direkte Eingriffsmöglichkeit besitzt. Bei den Regelverfahren der anderen Gruppe gibt ein Regler ein zusätzlich zum Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment vor, das dem Fahrer Hinweise auf die richtige Spur geben oder bei losgelas­ senem Lenkrad auch eine weitgehend automatische Fahrt realisie­ ren soll.

Eine Lenkeinrichtung dieser Art ist in der Patentschrift DE 34 14 891 C2 angegeben. Dort kann zwischen manuellem Lenken und selbsttätiger Querführung umgeschaltet werden. Die Einrich­ tung zur selbsttätigen Querführung ist hierbei an ein Hydrau­ liksystem der als Servolenkung ausgelegten manuellen Lenkein­ richtung angekoppelt, so daß der Fahrer im Notfall die selbst­ tätige Querführung überspielen kann. Dazu hat er durch Lenkrad­ betätigung ein Lenkmoment aufzubringen, das so groß ist, daß die dadurch induzierte Lenkkraft größer als diejenige ist, die von der selbsttätigen Querführungsregelung erzeugt wird. Dabei stellt die selbsttätige Querführung jeweils einen Lenkkraftwert ein, der voll demjenigen Wert entspricht, der sich aus der er­ faßten Regelabweichung der Fahrzeuglage ergibt.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Schaffung einer Vorrichtung zur spurhaltungsgeregelten Fahrzeuglenkung zugrun­ de, bei der einerseits der Fahrer seine Eingriffsmöglichkeiten in die Fahrzeuglenkung, insbesondere für größere Lenkmanöver behält und die ihn andererseits weitgehend von dauernden Lenk­ eingriffen entlastet.

Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Überlagerung der fahrerange­ forderten Lenkungseinstellung mit der regelungsangeforderten Lenkungseinstellung durch die Lenkwinkelstelleinrichtung sowie die Begrenzung der von der Regeleinrichtung angeforderten Lenk­ winkelverstellung machen es möglich, daß der Fahrer einerseits die Kontrolle über größere Änderungen der Fahrzeuglenkung be­ hält, z. B. zur Durchführung von Ausweichmanövern oder Fahrspur­ wechseln, er andererseits jedoch insbesondere auf annähernd geradlinigen oder schwach gekrümmten Streckenabschnitten von normalerweise ständig nötigen kleinen Lenkkorrekturbewegungen entlastet wird. Mit dieser Vorrichtung werden folglich gering­ fügige Lenkbewegungen zur Einhaltung eines vorgegebenen Soll­ werts der Fahrzeuglage von der Regeleinrichtung spurhaltend durchgeführt, während der Fahrer gleichzeitig die Möglichkeit zur Vornahme größerer Lenkbewegungen, die sich dem regelungsin­ duzierten Lenkverhalten überlagern, behält. Gleichzeitig wird ein sehr gleichmäßiger Übergang zwischen rein manuell gesteuer­ tem und rein automatisch geregeltem Lenkverhalten erreicht.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 dient ein einzuhaltender Abstand von einer Fahrspurberandung, z. B. eines Fahrbahnmittelstreifens, als Sollwert für die Fahr­ zeuglage, wobei zu dessen Einhaltung jeweils der momentan vor­ liegende Abstand, der Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und der Tangente an die Fahrspurberandung sowie die Krümmung der Fahrspurberandung bestimmt werden.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3, die eine Nachführung des Sollabstands an in einem vorangegangenen Zeitraum insbesondere vom Fahrer eingestellte Fahrzeuglagen, d. h. Abstände zur Fahrspurberandung, realisiert, so daß während einer Fahrt unterschiedliche Sollabstände je nach vorangegangenem Fahrverhalten einregelbar sind. Besonders günstig ist hierbei eine dynamische Nachführung gemäß den Merk­ malen des Anspruchs 4, mit der sich die Regelung gleitend an Übergänge zwischen instationären Fahrtabschnitten, z. B. vor, während und nach einem Spurwechselvorgang, anpassen läßt.

Mit einer nach Anspruch 5 vorgesehenen Diskretisierung des Lenkhilfe-Stellsignals der Lenkregeleinrichtung ist es möglich, die Lenkwinkelstelleinrichtung konstruktiv einfach und robust auszulegen, insbesondere was die Verbindung zwischen einem dort vorgesehenen Steuergerät und der zugehörigen Aktuatorik bzw. die Aktuatorik selbst betrifft.

Ein sehr wirksamer Regelungseingriff läßt sich erreichen, wenn gemäß Anspruch 6 die regelungsangeforderte Lenkungseinstellung an der Fahrzeugvorderachse additiv zur fahrerangeforderten Len­ kungseinstellung durchgeführt wird. Dabei ist es günstig, wenn gemäß Anspruch 7 gleichzeitig eine Lenkmomentkompensation stattfindet, durch die verhindert wird, daß sich die aufgrund des Reglereingriffs veränderte Rückstellkraft der Reifen für den Fahrer unangenehm bemerkbar macht.

Möglich ist nach Anspruch 8 auch die regelungsangeforderte Len­ kungseinstellung an der Fahrzeughinterachse. Dies ermöglicht besonders in dem Fall, in dem das Fahrzeug bereits mit einer elektronischen Vierradlenkung ausgerüstet ist, eine einfache Realisierung der Vorrichtung, für die es dann stellgliedseitig ausreicht, das vorhandene elektronische Steuergerät um eine zu­ sätzliche Eingangsgröße, die der Vierradlenkung einen zusätzli­ chen zu stellenden Lenkwinkel vorgibt, zu ergänzen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mit einer Video­ bildeinrichtung ausgerüsteten Straßenfahrzeugs auf einer Fahrbahn zur Veranschaulichung der fahrzeug­ lagebestimmenden Parameter,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung mit Lenkregelein­ richtung zur spurhaltungsgeregelten Lenkung für ein Fahrzeug mit elektronischer Vierradlenkung, wobei die Lenkregeleinrichtung auf den Lenkwinkel der Hinterachse einwirkt,

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung mit Lenkregelein­ richtung zur spurhaltungsgeregelten Fahrzeug­ lenkung, bei der die Lenkriegelung auf den Lenkwinkel der Vorderachse einwirkt, und

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung wie in Fig. 3, bei der zusätzlich eine Lenkmomentkompensation vor­ gesehen ist.

In Fig. 1 sind die zur Festlegung der Fahrzeuglage relevanten Parameter veranschaulicht. Das Fahrzeug, angedeutet durch sei­ nen Schwerpunkt (S), seine Längsrichtung (x) und seine Quer­ richtung (y), befindet sich auf einer Fahrspur (2), die eine Berandung (3) mit einer Krümmung (kr) aufweist. Das geregelt zu lenkende Fahrzeug ist mit einer Einrichtung (1) zur Erkennung der Fahrzeuglage relativ zur Fahrbahn ausgerüstet, die aus ei­ ner Videokamera mit nachgeschalteter Bildverarbeitungseinheit besteht. Die Bildverarbeitungseinheit bestimmt selbsttätig die Qualität der aufgenommenen Videobilder und daraus die Zuverläs­ sigkeit der gewonnenen Meßwerte, wobei bei Unterschreiten einer vorgegebenen Zuverlässigkeitsgrenze ein nicht weiter gezeigtes Signal ausgesandt wird, das bewirkt, daß ein Lenkreglereingriff unterbleibt. Zur Stützung der Bildverarbeitung bei schwierigen Umgebungsbedingungen kann das Verfahren durch eine genaue elek­ tronische Straßenkarte in einer Datenbank ergänzt werden.

Durch die Fahrzeuglageerkennungseinrichtung (1) wird der Quer­ abstand (a) des Fahrzeugs zur Fahrbahnberandung (3), die Fahr­ bahnkrümmung (kr) sowie eine Gierwinkeldifferenz (dwg) erfaßt, wobei letztere den Winkel zwischen der Fahrzeuglängsrichtung (x) und der Tangente an die Fahrspurberandung (3) darstellt. In die Beschreibung der Fahrzeuglagedynamik geht des weiteren die Giergeschwindigkeit (vg) sowie der Abstand (xk) ein, um den die Kamera der Fahrzeuglageerkennungseinrichtung (1) vor dem Fahr­ zeugschwerpunkt (S) liegt. Für die Regelung der Fahrzeuglenkung werden dann die beiden kinematischen

d(a)/dt=(v_x+vg·a)tan(dwg)+v_y+xk·vg,
d(dwg)/dt=vg-v_x·kr

sowie die beiden dynamischen Differentialgleichungen

d(v_y)/dt=-v_x·vg+(S_vcos(wl)+S_h)/m+g·ww,
d(vg)/dt=(l_v·S_v·cos(wl)-l_h·S_h)/Iz

zugrunde gelegt, wobei neben den bereits erläuterten Größen die Bezeichnungen (ww) den (Wank-)winkel zwischen Fahrzeug und Fahrspurneigung, (S_v) die vordere und (S_h) die hintere Seiten­ kraft, (g) die Erdbeschleunigung, (m) die Fahrzeugmasse, (I_z) das Trägheitsmoment um die Hochachse, (l_v) und (I_h) den Schwer­ punktabstand nach vorn bzw. hinten sowie (wl) den Lenkwinkel repräsentieren. Dieses Gleichungssystem für die Größen (a, dwg, v_y, vg) läßt sich in üblicher, hier nicht näher auszuführender Weise durch eine lineare, zeitabhängige Transformation in eine Regelungsnormalform überführen, deren genaue Form und Para­ meterwerte unter anderem davon abhängen, ob der Lenkreglerein­ griff an der Vorder- oder an der Hinterachse erfolgt. In dieser Regelungsnormalform ist dann die Bestimmung des Regelgesetzes einfach. Verschiedene daraus resultierende konkrete Beispiele von Lenkreglereingriffen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 näher erläutert.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung zur spurhaltungsgere­ gelten Fahrzeuglenkung erfaßt die Fahrzeuglageerkennungsein­ richtung (1) die Fahrspur (2), insbesondere über dort randsei­ tig angeordnete Markierungen, optisch und wertet die erhaltenen Daten aus. Das Ausgangssignal der Fahrzeuglageerkennungsein­ richtung (1) enthält die Information über den Istabstand (a_ist) von der Fahrspurberandung (3), über die momentane Fahrbahnkrüm­ mung (kr) sowie über die momentane Gierwinkeldifferenz (dwg) und wird zum einen einer Lenkregelungseinrichtung (4) und zum anderen einem Sollspurgeber (8) zugeführt.

Die Lenkregelungseinrichtung (4) enthält eine Reglereinheit (5) und einen nachgeschalteten Begrenzer (6). Der Reglereinheit (5) sind neben den Daten der Fahrzeuglageerkennungseinrichtung (1) Daten von dem Sollspurgeber (8) über einen einzuhaltenden Soll- Abstand (a_soll) sowie ein Signal über die momentane Fahrzeugge­ schwindigkeit (v) zugeführt, das von einem Geschwindigkeitssen­ sor (7) abgegeben wird. Zudem ist der Reglereinheit (5) eine Information über den von Fahrer an einem Lenkrad (11) einge­ stellten Lenkradwinkel (lrw) zugeführt. Die Zuführung dieser Information ist optional, weshalb die zugehörige Zuführungslei­ tung gestrichelt gezeichnet ist. Der Lenkradwinkel (lrw) wird außerdem über eine Lenkübersetzungseinheit (10) in ein Signal einer fahrerangeforderten Lenkwinkeleinstellung (wl_f) transfor­ miert, das seinerseits einer elektronischen Vierradlenkungsein­ heit (9) des Fahrzeugs als Lenkwinkelstelleinrichtung zugeführt ist.

Aus den ihr zugeführten Eingangssignalen ermittelt die Regler­ einheit (5) unter Zuhilfenahme des aus obigem Gleichungssystem abgeleiteten Normalform-Regelgleichungssystems ein Regelabwei­ chungssignal (ra) derart, daß sich mit diesem Regelabweichungs­ signal (ra) die Abweichung zwischen Ist-Wert und Soll-Wert des Abstands (a) von der vorgewählten Fahrspurberandung (3) voll­ ständig kompensieren ließe. Damit dies jedoch nur für kleinere Lenkkorrekturen erfolgt und der Fahrer weiterhin die Möglich­ keit größerer Lenkeingriffe hat, ist in der Lenkreglereinrich­ tung (4) der Begrenzer (6) vorgesehen, durch den das Regelab­ weichungssignal (ra) unter beidseitiger betragsmäßiger Begren­ zung in ein Lenkhilfe-Stellsignal (wl_r) transformiert wird, das als Signal über die regelungsangeforderte Lenkwinkeleinstellung gleichfalls der elektronischen Vierradlenkungseinheit (9) zuge­ führt wird. Das Lenkwinkel-Stellsignal (wl_r) ist in diesem Bei­ spiel dazu vorgesehen und in der Reglereinheit (5) entsprechend berechnet, an der Hinterachse eine zusätzliche Lenkwinkelver­ stellung dergestalt zu bewirken, daß sich der Ist-Abstand (a_ist) wieder dem Soll-Abstand (a_soll) annähert. Zur Durchfüh­ rung dieser zusätzlichen Lenkwinkelverstellung an der Hinter­ achse ist es in diesem Beispiel ausreichend, eine elektronische Vierradlenkungseinheit (9) marktüblicher Bauweise zu verwenden, bei der lediglich das elektronische Steuergerät um eine zusätz­ liche Eingangsgröße erweitert ist, die der Vierradlenkung den vom Lenkhilfe-Stellsignal (wl_r) geforderten, zusätzlich zu stellenden Hinterachs-Lenkwinkel als Stellgröße vorgibt.

Die von der elektronischen Vierradlenkungseinheit (9) durchge­ führte Lenkwinkeleinstellung findet jeweils durch eine Überla­ gerung der fahrerangeforderten und der regelungsangeforderten Lenkwinkeleinstellung statt. Durch die Begrenzung der Größe des Lenkwinkel-Stellsignals (wl_r) von der Lenkreglereinrichtung (4) ist gewährleistet, daß vom Fahrer angeforderte größere Lenkbe­ wegungen, z. B. bei Fahrspurwechseln, nicht von der Regelung eliminiert werden, sondern im wesentlichen in dem vom Fahrer angeforderten Maß eingestellt werden. Demgegenüber bleibt der Fahrer von ständig nötigen kleineren Lenkkorrekturen entlastet, die zuverlässig von der Lenkregelung durch das Lenkhilfe-Stell­ signal (wl_r) übernommen werden.

Da der Fahrer durch seine Lenkbewegungen größerer Amplitude ei­ nen wesentlichen Einfluß über die vom Fahrzeug verfolgte Fahr­ linie behält, wäre es unzweckmäßig, wenn die Lenkregelung stets auf denselben Soll-Wert eines einzuhaltenden Abstands (a_soll) von einer Fahrspurmarkierung abgestellt würde. Denn es ist in Betracht zu ziehen, daß der Fahrer beispielsweise nicht notwen­ digerweise eine stets gleiche Fahrlinie, z. B. die Mitte einer bestimmten Fahrspur als Sollkurs wünscht. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung zur spurhaltungsgeregelten Fahrzeuglenkung mit dem Sollspurgeber (8) ausgestattet, mit dem eine Nachführung des jeweils gewünschten Abstand-Sollwerts (a_soll) erzielt wird. Zu diesem Zweck wird dem Sollspurgeber (8) jeweils der Ab­ stands-Istwert (a_ist) von der Fahrzeuglageerkennungseinrichtung (1) zugeführt. Der Sollspurgeber (8) beobachtet über einen vor­ gegebenen Zeitraum (T) den Verlauf dieses Abstand-Istwertes (a_ist) und bestimmt den während diesem Zeitraum (T) auftreten­ den minimalen (a_min) und maximalen Abstand (a_max) sowie die daraus resultierende Differenz (a_d=a_max-a_min). Neben dem Zeit­ raumparamter (T), der typischerweise bis zu zwei Sekunden be­ trägt, wird zur Nachführung des bisherigen Abstand-Sollwerts (a_soll(alt)) noch ein Breitenparameter (E) vorgegeben, der ty­ pischerweise auf ungefähr 15 cm gesetzt wird. Die Nachführung erfolgt dann mittels der Beziehung:

a_soll(neu)=min(max(a_soll(alt), a_min-E), a_max+E).

Dies bedeutet, daß der alte Abstand-Sollwert beibehalten wird, wenn er innerhalb des durch den unteren Wert (a_min-E) und den oberen Wert (a_max+E) begrenzten Fensters liegt, während als neuer Abstand-Sollwert (a_soll(neu)) der obere Fenstergrenzwert (a_max+E) gewählt wird, wenn der alte Abstand-Sollwert (a_soll(alt)) oberhalb des Fensters liegt, und der untere Fen­ stergrenzwert (a_min-E) gewählt wird, wenn der alte Abstand- Sollwert (a_soll(alt)) unterhalb des Fensters liegt. Diese Maß­ nahme erlaubt die Anpassung des als Führungsgröße der Regelung vorzugebenden Abstand-Sollwerts an das jeweils vorangegangene Fahrverhalten. Hierbei wird der Sollwert (a_soll) für den einzu­ regelnden Querabstand (a) bei jedem Manöver des Fahrers in Ab­ hängigkeit vom aktuellen Istwert des Querabstands (a_ist) verän­ dert und nur dann unverändert belassen, wenn der Fahrer das Fahrzeug bereits stationär ohne größere Querabweichung parallel zur Fahrbahnrichtung steuert. Um des weiteren den Übergang zwi­ schen instationären Fahrtabschnitten, z. B. kurz vor, während und kurz nach Spurwechseln, zu verbessern, paßt der Sollspurge­ ber (8) die anfangs vorgegebenen Parameter (T, E) zusätzlich dynamisch an, wobei die beiden Parameter (T, E) jeweils ver­ kleinert werden, wenn die ermittelte Differenz (a_d) zwischen minimalem und maximalen Abstand (a_min, a_max) während der vorge­ gebenen anfänglichen Zeitdauer (T) den anfänglichen Wert des Breitenparameters (E) von z. B. 15 cm überschreitet, und die Pa­ rameter (T, E) vergrößert werden, wenn diese Differenz (a_d) den anfänglichen Wert von z. B. 15 cm unterschreitet. Die Verkleine­ rung des Zeitraumparameters (T) erfolgt linear um eine Sekunde pro Sekunde bis auf Null, seine Vergrößerung um 2 Sekunden pro Sekunde bis auf den Wert 2. Die Verkleinerung des Längenparame­ ters (E) erfolgt mit 15 cm pro Sekunde bis auf Null und die Vergrößerung mit 30 cm pro Sekunde bis auf den Wert 15 cm.

Wird der Reglereinheit (5) die Information über den vom Fahrer eingestellten Lenkradwinkel (lrw) zugeführt, so erfolgt die Re­ gelung derart, daß das Regelabweichungssignal (ra) hinsichtlich einer vollen Kompensierung des Fahrerlenkeingriffs (wl_f) ermit­ telt wird, d. h. ra=-wl_f+dra, mit (dra) als dem eigentlichen Re­ gelabweichungssignal, das bei Übereinstimmung von Abstand-Ist- und Abstand-Sollwert zu Null wird. Durch den Begrenzer (6) wird jedoch das Regelabweichungssignal (ra) größenmäßig begrenzt, z. B. so, daß es einem maximalen Lenkradwinkel von +/-3° ent­ spricht, so daß größere fahrerangeforderte Lenkeingriffe (wl_f) nicht mehr durch die Regelung eliminiert, sondern zur Lenkwin­ keleinstellung herangezogen werden. Wird, was alternativ mög­ lich ist, auf eine Zuführung der Information über die Lenkrad­ winkeleinstellung an die Reglereinheit (5) verzichtet, so muß die Regelung in dieser Hinsicht robust sein, wozu dann eine gleitende Regelung angewendet wird. Bei dieser werden für be­ stimmte Größen des Regelungs-Differentialgleichungssystems plausible Schätzungen als Eingangswerte zur Lösung dieser Glei­ chungen vorgenommen, wobei insbesondere der fahrerseitig einge­ stellte Lenkradwinkel (lrw) am besten anhand der gemessenen Fahrbahnkrümmung (kr) geschätzt wird. Mit dem dergestalt gewon­ nenen Regelabweichungssignal (ra) wird dann die Regelung wie im Fall des gemessenen und der Reglereinheit (5) zugeführten Lenk­ radwinkels (lrw) durchgeführt.

Insgesamt ergibt die Vorrichtung nach Fig. 2 eine Lenkregelung, mit der ein vorteilhaft gleichmäßiger Übergang zwischen fah­ rergesteuerter und geregelter Lenkung erreicht ist, wobei der Fahrer seine Eingriffsmöglichkeiten für größere Lenkbewegungen, z. B. für Fahrspurwechsel und Ausweichmanöver, behält, während die geringen, ausgleichenden, spurhaltenden Lenkbewegungen zuverlässig von der Regelung durchgeführt werden, die hierzu die vorhandene elektronische Vierradlenkung zu einer zusätz­ lichen Hinterachs-Lenkwinkeleinstellung veranlaßt, wobei eine dynamische Führungsgrößenanpassung erfolgt.

Alternativ ist es für ein Fahrzeug ohne vorhandene Vierradlen­ kung möglich, einen regelungsinduzierten Stelleingriff durch Anordnung eines entsprechenden zusätzlichen Stellgliedes direkt an der Hinterachse zu realisieren, wobei ein elektromechani­ sches, hydraulisches oder piezoelektrisches Stellglied verwend­ bar ist.

Wahlweise ist des weiteren vorgesehen, das Lenkhilfe-Stellsig­ nal (wl_r) zu diskretisieren, wozu die in Fig. 2 gestrichelt an­ gedeutete Diskretisierungseinheit (14) vorgesehen werden kann. Diese diskretisiert das Lenkhilfe-Stellsignal (wl_r), vorzugs­ weise auf einige wenige Werte, so daß die entsprechenden Stell­ glieder nur zur Einstellung dieser wenigen diskretisierten Wer­ te ausgelegt sein brauchen. Selbstverständlich ist es möglich, die Diskretisierungseinheit nicht, wie in Fig. 2 gezeigt, se­ parat, sondern innerhalb der Lenkreglereinrichtung (4), z. B. innerhalb der Begrenzerstufe (6), oder aber erst innerhalb der die Stelleinheit der Regelung darstellenden Vierradlenkungsein­ heit (9) anzuordnen.

Alternativ zur beschriebenen Verwendung des Lenkwinkels selbst als Stellgröße ist es zudem möglich, die Lenkwinkelgeschwindig­ keit als Stellgröße zu verwenden. In Verbindung mit einer auch in diesem Fall möglichen Diskretisierung des Lenkhilfe-Stell­ signals genügt es z. B. in einer einfachen Ausführungsform, drei diskrete Werte für die Lenkwinkelgeschwindigkeit, z. B. -0,5°/s, 0°/s und 0,5°/s, durch das Lenkhilfe-Stellsignal (wl_r) einstel­ len zu können.

Als weitere Variante der oben beschriebenen Vorrichtung nach Fig. 2 ist es möglich, zur Beschränkung der Stellgröße eine entsprechende Begrenzungseinrichtung auf der Aktuatorseite, d. h. in Fig. 2 innerhalb der Vierradlenkungseinheit (9), wie dies durch die gestrichelt markierte Begrenzungseinrichtung (13) in Fig. 2 angedeutet ist, zusätzlich bzw. bevorzugt an­ stelle des Begrenzers (6) vorzusehen. Diese aktuatorseitige Be­ grenzungseinrichtung (13) wird vorzugsweise konstruktiv einfach durch ein Stellglied mit entsprechenden Einstellbereichsgrenzen bereitgestellt. Mit einer solchen Anordnung läßt sich bei­ spielsweise als Stellgröße die Lenkwinkelgeschwindigkeit, z. B. mit den drei obigen diskreten Einstellwerten, bei gleichzeiti­ ger Beschränkung der regelungsangeforderten Lenkwinkeleinstel­ lung, z. B. auf +/-0,2°, verwenden. Durch die Sicherstellung derartiger Grenzwerte der regelungsangeforderten Lenkwinkelein­ stellung von z. B. +/-0,2° mittels entsprechender konstruktiver Auslegung der verwendeten Stellglieder ist ohne weitere zusätz­ liche Vorkehrungen ein sicherer Systembetrieb möglich, da die kleinen regelungsangeforderten Lenkwinkeleinstellungen jeder­ zeit vom Fahrer überspielt werden können. Wenn zudem die Stell­ größe stark diskretisiert wird, bietet dies den Vorteil, daß die Verbindung zwischen dem Steuergerät und der Aktuatorik in­ nerhalb der Vierradlenkungs-Stelleinrichtung (9) sowie die Ak­ tuatorik selbst einfach und robust auslegbar sind.

Ein Beispiel einer Vorrichtung zur spurhaltungsgeregelten Fahr­ zeuglenkung, bei der der regelungsangeforderte ebenso wie der fahrerangeforderte Lenkeingriff an der Vorderachse erfolgt, ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugszeichen funktionell gleiche Bauteile wie bei der Vorrichtung nach Fig. 2. Insbesondere erfolgt in gleicher Weise die Erzeugung des fahrerangeforderten Lenkwinkeleinstellsignals (wl_f) sowie des Lenkhilfe-Stellsignals (wl_r), das von der Lenkreglereinrichtung (4) erzeugt wird. Auch die Gewinnung dieses Lenkhilfe-Stellsig­ nals innerhalb der Lenkregelungseinrichtung (4) entspricht völ­ lig der zur Vorrichtung der Fig. 2 beschriebenen Vorgehensweise, wobei lediglich die in die Regelungs-Differentialgleichungen eingehenden Parameter auf die Tatsache eines Lenkeingriffs auf die Vorderachse anstatt auf die Hinterachse abzustellen und ge­ eignet zu wählen sind.

Im Unterschied zur Vorrichtung der Fig. 2 werden bei der Vor­ richtung nach Fig. 3 das fahrerseitig erzeugte Lenkwinkelstell­ signal (wl_f) und das reglerseitig erzeugte Lenkhilfe-Stellsig­ nal (wl_r) einem Addierer (15) zur Summierung zugeführt, wodurch ein resultierendes Lenkwinkelstellsignal (wl) erzeugt wird. Dieses Lenkwinkelstellsignal (wl) beaufschlagt dann eine Vor­ derachs-Lenkwinkelstelleinrichtung (9), die den entsprechenden, sich aus der additiven Überlagerung der fahrerseitig ge­ forderten und der reglerseitig geforderten lenkwinkeleinstel­ lung ergebenden Lenkwinkel einstellt. Ebenso wie bei der Vor­ richtung nach Fig. 2 ist auch hier eine Nachführung des Ab­ stand-Sollwerts (a_soll) in der zur Fig. 2 beschriebenen Weise durch die Anordnung des Sollspurgebers (8) gewährleistet.

Anstelle der Aufaddierung des Lenkhilfe-Stellsignals (wl_r) zum fahrererzeugten Lenkwinkelstellsignal (wl_f) in dem der Stell­ einrichtung (9) vorgelagerten Addierer (15) ist es als Variante möglich, das Lenkhilfe-Stellsignal (wl_r) separat vom fahrerer­ zeugten Lenkwinkelstellsignal (wl_f) der Stelleinrichtung (9) zuzuführen. Dabei wird dann ein zusätzliches Stellelement für die Vorderachse innerhalb der Stelleinrichtung (9) vorgesehen, die durch elektromechanische oder hydraulische Verstellung des Lenkgetriebes, der Spurstange bzw. ihrer Anlenkpunkte zusätz­ lich zur vom Fahrer über das Lenkrad (11) iniziierten Verstel­ lung den zusätzlichen kleinen regelungsbasierenden Lenkwinkel additiv zu dem vom Fahrer vorgegebenen einstellt. Dieses zu­ sätzliche Stellelement läßt sich wiederum konstruktiv sehr ein­ fach auslegen, wenn eine Diskretisierung des Lenkhilfe-Stell­ signals vorgenommen wird, wie dies zu der Vorrichtung nach Fig. 2 oben beschrieben ist. Auch ist es dann wiederum möglich, eine aktuatorseitige Beschränkung der reglerinduzierten Lenkwinkel­ verstellung in einfacher Weise durch Auswahl eines Stellele­ ments mit entsprechend begrenztem Stellbereich vorzunehmen.

Eine Variante der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung ist in Fig. 4 gezeigt, wobei wiederum gleiche Bezugszeichen funktionsgleiche Elemente markieren. Die Funktionsweise der Vorrichtung hin­ sichtlich der Einstellung des Lenkwinkels an der Vorderachse entspricht völlig der zur Fig. 3 beschriebenen. Zusätzlich ist im Beispiel der Fig. 4 eine Lenkmomentkompensation vorgesehen. Durch die zusätzliche Lenkwinkelverstellung aufgrund des Lenk­ hilfe-Stellsignals (wl_r) der Regelung entsteht ein für den Fah­ rer unerwarteter Verlauf des Lenkradmoments, da eine geringfü­ gige Lenkradwinkelverstellung, die in derselben Richtung wie das Lenkhilfe-Stellsignal (wl_r) wirkt, nicht zu einer effekti­ ven Lenkwinkelverstellung, sondern nur dazu führt, daß die Re­ gelung den Wert des Lenkhilfe-Stellsignals (wl_r) entsprechend zurücknimmt. Zur Kompensation wird über eine geeignete Stell­ einrichtung (12), z. B. ein auf die Lenksäule wirkendes elektri­ sches Torquemeter, ein zusätzliches Lenkradmoment bereitge­ stellt, das zusammen mit dem konventionell über Reifenmoment, Lenkgetriebe bzw. Servolenkung erzeugten Lenkradmoment (M_G) ein resultierendes Lenkradmoment (M_L) ergibt, welches dem Fahrer wieder das erwartete Lenkgefühl vermittelt. Im übrigen sind auch bei der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung zur spurhaltungs­ geregelten Fahrzeuglenkung die zu den Fig. 2 und 3 beschrieben­ en Alternativen und Varianten möglich, insbesondere hinsicht­ lich Diskretisierung des Lenkhilfe-Stellsignals und der aktua­ torseitigen Begrenzung der reglerinduzierten Lenkwinkelverstel­ lung zusätzlich oder anstatt des Vorsehens des Begrenzers in­ nerhalb der Lenkregelungseinrichtung. Außerdem sind selbstver­ ständlich statt der gezeigten Fahrzeuglageerkennungseinrichtung andere gebräuchliche Fahrzeuglagesensoranordnungen einsetzbar. Hauptsächliches Anwendungsgebiet der Lenkregelungsvorrichtung sind Straßenfahrzeuge, jedoch läßt sich die Vorrichtung auch für andere gelenkte Fahrzeuge verwenden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur spurhaltungsgeregelten Lenkung eines Fahr­ zeugs, insbesondere eines Straßenfahrzeugs, mit

• - einer Einrichtung (1) zur Erkennung der Fahrzeuglage rela­ tiv zu einer Fahrbahn,
• - einer Lenkregeleinrichtung (4), die aus der von der Fahr­ zeuglageerkennungseinrichtung (1) ermittelten Ist-Fahr­ zeuglage und einer vorgegebenen Soll-Fahrzeuglage ein Re­ gelabweichungssignal (ra) ermittelt und ein zugehöriges Lenkhilfe-Stellsignal (wl_r) abgibt sowie
• - einer mit dem Lenkhilfe-Stellsignal beaufschlagbaren Lenk­ winkelstelleinrichtung (9),

dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine die regelungsangeforderte Lenkwinkelverstellung vor­ bestimmbar begrenzende Einrichtung (6, 13) vorgesehen ist und
• - die Lenkwinkelstelleinrichtung (9) zusätzlich mit einer fahrerangeforderten Lenkwinkelstellsignalkomponente (wl_f) beaufschlagbar ist, wobei die Lenkwinkelstelleinrichtung den Lenkwinkel durch Überlagerung der vorbestimmbar be­ grenzbaren, regelungsangeforderten Lenkwinkelverstellung mit der fahrerangeforderten Lenkwinkelverstellung ein­ stellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeuglageerkennungseinrichtung (1) die Istwerte des Abstands (a) zu einer markierten Fahrspurberandung (3), der Krümmung (kr) dieser Fahrspurberandung sowie des Winkels (dwg) zwischen Fahrzeuglängsachsenrichtung (x) und der Tangente an die Fahrspurberandung ermittelt und daß als Soll-Fahrzeuglage ein Sollabstand (a_soll) zur Fahrspurberandung (3) vorgegeben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiter gekennzeichnet durch einen Sollspurgeber (8), zur Nachführung des Sollabstands (a_soll) in Abhängigkeit des während eines vorwählbaren Zeit­ raums (T) erfaßten Istabstands (a_ist).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Sollspurgeber (8) zur Durchführung einer dynamischen Sollabstandsnachführung eingerichtet ist, wobei er den anfäng­ lichen Zeitraumparameter (T) sowie eine vorgegebene erlaubte Abstandsschwankungsbreite (E) bei großen Istabstandsschwankun­ gen verkleinert und bei kleinen Istabstandsschwankungen ver­ größert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, weiter gekennzeichnet durch eine Diskretisierungseinrichtung (14), die das Lenkhilfe-Stell­ signal (wl_r) in wenige diskrete Werte einteilt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkwinkeleinstellung durch additive Überlagerung der fahrerangeforderten und der regelungsangeforderten Lenkwinkel­ einstellung und mittels einer Vorderachs-Lenkwinkelstellein­ richtung (9a, 9b) an einer Fahrzeugvorderachse vorgenommen wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12, 16) zur Lenkmomentkompensation eines durch das Lenkhilfe-Stellsignal (wl_r) hervorgerufenen Lenkrad­ spiels.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das fahrerinduzierte Lenkwinkelstellsignal (wl_f) und das Lenkhilfe-Stellsignal (wl_r) einer elektronischen Vierradlen­ kungseinheit (9) zugeführt sind, die gemäß des Lenkhilfe-Stell­ signals (wl_r) eine zusätzliche regelungsangeforderte Hinter­ achs-Lenkwinkelverstellung vornimmt.