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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Architektur
bzw. Bauart eines Lenksystems für
ein Kraftfahrzeug. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf ein verteiltes Steuerungs- bzw. Regelungssystem unter Verwendung
eines zeit-ausgelösten
bzw. -getriggerten Protokoll (TTP)-Kommunikationsnetzwerks, um ein Lenksystem
für das
Fahrzeug zu steuern bzw. zu regeln, insbesondere ein steer-by-wire
Lenksystem, also ein nichtmechanisches Lenksystem.
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Kraftfahrzeuge
werden überall
in der Welt dazu verwendet, um Menschen zu verschiedenen Bestimmungsorten
bzw. -zielen zu befördern.
Diese Kraftfahrzeuge weisen Lenksysteme auf, welche es den Fahrern
erlauben, die Fahrzeuge zu lenken und damit die Richtung anzugeben,
welche das Fahrzeug nehmen soll. In typischer Weise weisen diese
Lenksysteme eine mechanische Verbindung bzw. Kraftübertragung
zwischen dem Lenkrad und den Fahrbahn- bzw. Laufrädern auf.
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Es
gibt eine Reihe von Schwierigkeiten mit den oben erwähnten Lenksyste men.
Erstens können solche
Lenksysteme unnötiges
Gewicht dem Fahrzeug hinzufügen.
Als nächstes
sind viele solche Lenksysteme in modularen Anordnungen enthalten, die
kompliziert und schwierig zu testen bzw. erproben sind, was es schwierig
macht, Probleme zu korrigieren, die hierin auftreten. Schließlich können derartige Lenksysteme
oftmals in einem Fahrzeug nicht flexibel platziert werden, was ihren
Einbau in einem Fahrzeug und ihre Entnahme aus einem Fahrzeug mühsam macht.
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Dementsprechend
besteht eine Notwendigkeit für
ein Lenksystem, welches nicht unnötiges Gewicht einem Fahrzeug
hinzufügt,
eine vereinfachte modulare Anordnung aufweist und in dem Fahrzeug leicht
platziert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es, ein leichtgewichtiges
und platzgünstig
in einem Fahrzeug einbringbares Lenksystem anzugeben, das eine modulare
Struktur hat. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Lenksystem nach
Anspruch 1.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung gibt diese ein verteiltes
Steuerungs- bzw. Regelungssystem zum Steuern bzw. Regeln einer Lenkbewegung
eines Fahrzeugs an. Das System weist eine Fahrerinterfaceanordnung
(101), einen Fahrerinterfaceknoten mit einem ersten zeitausgelösten bzw.
-getriggerten Protokoll (TTP)-Verarbeitungssystem und einen Fahrbahn-
bzw. Laufradknoten mit einem zweiten zeit-ausgelösten bzw. -getriggerten Protokoll
(TTP)-Verarbeitungssystem auf. Der Fahrerinterfaceknoten mit dem
ersten zeit-getriggerten Protokoll (TTP)-Verarbeitungssystem ist
mit der Fahrerinterfaceanordnung gekoppelt, wobei der Fahrerinterfaceknoten
Lenkradparameter von der Fahrerinterfaceanordnung empfängt. Der
Laufradknoten mit dem zweiten zeit-getriggerten Protokoll (TTP)-Verarbeitungssystem
ist mit dem Fahrerinterfaceknoten gekoppelt, wobei der Laufradknoten
Sensormessungen von einem Fahrzeug zu dem Fahrerinterfaceknoten überträgt. Der
Laufradknoten erzeugt ein aufgebrachtes bzw. angelegtes Drehmoment,
welches ein Rad des Fahrzeugs einstellt.
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Bei
einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung bezieht sich
diese auf ein verteiltes Verfahren zum Steuern bzw. Regeln der Lenkoperation
eines Fahrzeugs. Es werden Messungen von einer Fahrerinterfaceanordnung
empfangen. Sensormessungen von einem Fahrzeug werden empfangen.
Die empfangenen Messungen von der Fahrerinterfaceanordnung und die
Sensormessungen von dem Fahrzeug werden in einer aufgebrachtes-Drehmoment-Gleichung
kombiniert, um ein aufgebrachtes Drehmoment zu erzeugen. Ein Rad
des Fahrzeugs wird beruhend auf dem aufgebrachten Drehmoment eingestellt.
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Jeder
der obigen Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung ergibt die
Vorteile der Erzeugung eines Lenksystems, welches Gewicht zu einem
Fahrzeug nicht hinzufügt,
eine vereinfachte modulare Anordnung aufweist und in dem Fahrzeug
leicht platziert werden kann.
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Diese
und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch vollständiger offensichtlich werden,
wenn die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung
gelesen wird. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine Draufsicht auf eine
Ausführungsform
eines Fahrzeugs, welches Fahrerinterfaceknoten und Laufradknoten
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung aufweist;
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2 schematisch eine Ausführungsform
einer höheren
Architektur bzw. Bauart der Fahrerinterfaceknoten, die mit den Laufradknoten
des Fahrzeugs gemäß 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung verbunden sind;
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3 ein schematisches Blockschaltbild
einer Ausführungsform
von Fahrerinterfaceknoten des Fahrzeugs nach 1 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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4 ein schematisches Blockschaltbild
der Laufradknoten des Fahrzeugs nach 1 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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5 ein Flussdiagramm, welches
einen Modus der Wechselwirkung der Fahrerinterfaceanordnung, der
Fahrerinterfaceknoten, der Laufradknoten und der Räder des
Fahrzeugs nach 1 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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6 eine schematische Darstellung
von TTP-Signalen, welche in den Fahrerinterfaceknoten und den Laufradknoten
des Fahrzeugs nach 1 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Wie
in 1 gezeigt, weist
ein Fahrzeug 100 auf: eine Fahrerinterfaceanordnung 101,
eine Laufradanordnung 103 und eine Laufradanordnung 105, Fahrzeugpegelsensoren 107 und
ein verteiltes Steuerungs- bzw. Regelungsnetzwerk 109.
Die Fahrerinterfaceanordnung 101 weist ein Lenkrad 101a,
wenigstens einen Lenkradsensor 101b und einen Aktuator 101c auf.
Die Laufradanordnungen 103 und 105 weisen Laufräder 111 und 113,
Aktuatoren 111a und 113a und Absolutradpositionssensoren 111b und 113b auf.
Die Fahrzeugpegelsensoren 107 weisen einen Seiten- bzw.
Querbeschleunigungssensor 115, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 117,
einen Gierraten- bzw. -geschwindigkeitssensor 119 und zwei
Raddrehzahlsensoren 111c und 113c auf. Das verteilte
Steuerungsnetzwerk 109 weist zwei Fahrerinterfaceknoten 121 und 123,
einen zeit-ausgelösten bzw.
-getriggerten Protokoll (TTP)-Kommunikationsbus 110 und
zwei Laufradknoten 125 und 127 auf. Diese Knoten 121, 123, 125 und 127 enthalten
Leistungselektroniken 121a, 123a, 125a und 127a.
Diese Knoten sind durch den TTP-Kommunikationsbus 110 miteinander
verbunden.
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Die
Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 enthalten die
Leistungselektroniken 121a und 123a, die mit dem
Aktuator 101c gekoppelt sind. Die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 sind
ferner mit der Fahrerinterfaceanordnung 101 durch den Lenkradsensor 101b gekoppelt.
Laufradknoten 125 und 127 enthalten die Leistungselektroniken 125a und 127a und
sie sind mit den Aktu atoren 111a und 113a, den
Absolutradpositionssensoren 111b und 113b, dem
Querbeschleunigungssensor 115, dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 117,
dem Giergeschwindigkeitssensor 119 und den Raddrehzahlsensoren 111c und 113c gekoppelt.
Die Aktuatoren 111a und 113a sind weiterhin mit
den Laufrädern 111 und 113 gekoppelt. Bei
einer alternativen Ausführungsform
können
die Komponenten des Fahrzeugs 100 in irgendeiner geeigneten
Kombination miteinander verbunden sein.
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Wenn
man sich der grundlegenden Operation des Fahrzeugs 100 zuwendet,
so empfangen die Lenkradsensoren 101b eine Messung des
Lenkradwinkels (Absicht des Fahrers) von dem Lenkrad 101a.
Die Absicht des Fahrers ist ganz und gar als die Lenkradparameter,
z.B. als ein Lenkradwinkel und eine Lenkradgeschwindigkeit, definiert,
die zu dem Lenkrad 101a durch den Fahrer übertragen
werden soll. Der Lenkradsensor 101b gibt über seine Verbindung
mit den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 Messungen
zu diesen Knoten. Die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 empfangen
ferner Laufradwinkel oder -positionen, Querbeschleunigung und Fahrzeuggeschwindigkeit
zusammen mit anderen Fahrzeugmessungen von den Laufradknoten 125 und 127 durch
das TTP-Kommunikationsnetzwerk 110, wobei diese Messungen
als Messungen von dem Fahrzeugkarosserie 100 bezeichnet
werden. Die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 empfangen diese
Messungen, wandeln sodann die Lenkradwinkelkomponente der Messungen
zu einer Laufradaktuatorreferenz um, welche zu den Laufradknoten 125 und 127 durch
den TTP-Kommunikationsbus 110 übertragen wird. Der Lenkradwinkel
wird zu der Laufradaktuatorreferenz entsprechend der folgenden Gleichung
umgewandelt:
Laufradaktuatorreferenz=Lenkradwinkel·Lenkverhältnis,
worin
der Lenkradwinkel von dem Lenkradsensor 101b ist und das
Lenkverhältnis
eine typische Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit von den Lauf radknoten 125 und 127 ist.
Dieses Lenkverhältnis
kann konstant oder variabel sein. Die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 verwenden
diese entsprechenden Messungen von den Laufradknoten 125 und 127 zusammen
mit der Lenkradwinkelmessung, um ein Lenkrad-Feedback- bzw. -Rückkopplungsgefühl in der
Form eines Reaktionsdrehmoments an dem Aktuator 101c durch
Verwendung der folgenden Gleichungen zu erzeugen:
Reaktionsdrehmoment=k1·(Lenkradwinkel-Laufradwinkel)+
k2·Querbeschleunigung
k1=k5·(Fahrzeuggeschwindigkeit
+ kv2)
k2=k6·(Fahrzeuggeschwindigkeit
+ kv3),
worin kv2, kv3, k5 und k6 positive konstante Einheitsskalierungs-
bzw. -normierungswerte sind, die für jedes Kraftfahrzeug bekannt
sind, der Lenkradwinkel eine Winkelmessung ist, die von dem Sensor 101b des
Fahrzeugs 100 empfangen ist, die Laufradknoten 125 und 127 Messungen
des Laufradwinkels, der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Querbeschleunigung
von dem Fahrzeug zu den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 liefern.
Dieses Reaktionsdrehmoment ist notwendig, um ein Lenkradrückkopplungsgefühl aufgrund
der Tatsache zu ergeben, dass es keine mechanische Verbindung zwischen
dem Lenkrad 101a und den Laufrädern 111 und 113 gibt.
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Die
Werte für
k1 und k2, wie oben angegeben, sind von der Fahrzeuggeschwindigkeit
und dem Lenkradrückkopplungsgefühl abhängig, das
durch die Fahrzeugsystemerfordernisse von einem Kunden definiert
ist.
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Die
Laufradknoten 125 und 127 empfangen jeweils ihre
Laufradaktuatorreferenz mittels des TTP-Kommunikationsnetzwerks 110 und
kombinieren sie mit Messungen des Laufradwinkels von den Absolutradpositionssensoren 111b und 113b,
der Fahrzeuggeschwindigkeit von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 117,
der Querbeschleunigung von dem Querbeschleuni gungssensor 115,
der Giergeschwindigkeit von dem Giergeschwindigkeitssensor 119 und
der Raddrehung oder -drehzahl, welche durch die Sensoren 111c und 113c gemessen
wird, welche den Gesamtstatus der Laufradanordnungen 103 und 105 ergeben.
Zusätzlich
empfangen die Laufradknoten 125 und 127 Messungen
von Aktuatorstrom, -temperatur und -position von (nicht gezeigten)
Aktuatorsensoren bei den Aktuatoren 111a und 113a,
wobei alle diese Messungen und der Gesamtstatus der Laufradanordnungen
als Sensormessungen von der Fahrzeugkarosserie 100 bezeichnet werden.
Diese Sensormessungen werden dazu verwendet, um ein aufgebrachtes
Drehmoment bei den Aktuatoren 111a und 113a durch
Verwendung folgender Gleichungen zu erzeugen.
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Aufgebrachtes
Drehmoment=K·(Laufradaktuatorreferenz-Laufradwinkel)
K=k3·(Fahrzeuggeschwindigkeit
+ kv1); wenn Aktuatortemperatur <Aktuatortemperaturschwellenwert und
Aktuatorstrom < Aktuatorstromschwellenwert, andernfalls
K=k3·(Fahrzeuggeschwindigkeit+kv1)·(k4/max(|Strom|,
|Temperatur|)),
worin k3, k4 & kv1 positive Einheitsskalierungs-
bzw. -normierungskonstanten sind, die für jedes Kraftfahrzeug bekannt
sind, worin K eine Funktion von Fahrzeuggeschwindigkeit, Aktuatorstrom
und Aktuatortemperatur ist, die von den Aktuatoren
111a und
113a bei
den Laufradknoten
125 und
127 empfangen werden,
wobei der Aktuatortemperaturschwellenwert und der Aktuatorstromschwellenwert
Werte sind, die in den Laufradknoten
125 und
127 gespeichert
sind.
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Die
Laufradknoten 125 und 127 verwenden jeweils das
aufgebrachte Drehmoment, um ein bekanntes elektrisches impulsbreitenmoduliertes (PWM)-Signal zu erzeugen,
das zu ihren Leistungselektroniken 125a und 127a übertragen
wird. Die Leistungselektroniken 125a und 127a empfangen
dieses PWM-Signal und verstärken
dieses Signal sowohl in der Spannung als auch im Strom, um die Aktuatoren 111a und 113a in
geeigneter Weise anzutreiben. Das PWM-Signal wird dazu verwendet,
um den zum Antreiben der Aktuatoren 111a und 113a verwendeten, mittleren
Strom zu steuern bzw. zu regeln, welcher seinerseits das Drehmoment
und die Position der Aktuatoren 111a und 113a steuert
bzw. regelt. Dieses aufgebrachte Drehmoment für jeden Aktuator stellt seinerseits
die Bewegung der Laufräder 111 und 113 ein
oder steuert bzw. regelt die Bewegung der Laufräder 111 und 113,
um sich an jede Laufradaktuatorreferenz anzupassen, die von den
Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 beruhend auf
der Rückkopplung entweder
von dem (nicht gezeigten) Relativaktuatorpositionssensor bei den
Aktuatoren 111a und 113a oder von den Absolutradpositionssensoren 111b und 113b empfangen
wird.
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Die
Fahrerinterfaceanordnung 101 weist ein Lenkrad 101a,
welches zu irgendeinem Typ von Lenkrad äquivalent ist, welches für irgendein
Fahrzeug verwendet wird, und einen Lenkradwinkelsensor 101b auf.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann
das Lenkrad 101a einen Steuerknüppel oder irgendeine andere
Vorrichtung zusammen mit einem Sensor aufweisen, um eine erwünschte Änderung
in der Bewegung des Steuerknüppels
oder irgendeiner anderen Vorrichtung zu detektieren, die dazu verwendet
wird, um die Bewegung der Räder
eines Fahrzeugs zu steuern. Bei dieser Ausführungsform weist die Fahrerinterfaceanordnung 101 ein
Lenkrad 101a und den Lenkradwinkelsensor 101b auf.
Ein Fahrer verwendet das Lenkrad 101a, um die Bewegung
der Räder 111 und 113 des
Fahrzeugs 100 zu steuern.
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Wenn
man sich dem Sensor 101b betrachtet, so ist dieser Sensor
zu irgendeinem Typ von Lenkradwinkelsensor äquivalent, der für ein Fahrzeug
verwendet wird. Der Sensor 101b kann eine Mehrzahl bzw.
Vielzahl von Sensoren aufweisen, von denen jeder unterschiedliche
Technologien in Abhängigkeit
von der erforderlichen Zuverlässigkeit
aufweist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Sensor 101b ein "low-end"Sensor, also ein
preis günstiger
und technisch relativ einfacher Sensor, ein "high-end"-Sensor, also ein der höchsten bzw.
verhältnismäßig hohen
Preis- und Leistungskategorie zuzuordnender Sensor usw. sein. Vorzugsweise
ist der Sensor 101b ein Sensor vom Kodierer-Typ. Der Sensor 101b wird
dazu verwendet, um die Absicht eines Fahrers zu erfassen und/oder
zu messen, der das Lenkrad 101a steuert. Wenn der Fahrer
das Lenkrad 101a der Lenkradanordnung 101 bewegt oder
dreht, dann detektiert der Sensor 101b den Lenkradwinkel
und überträgt diese
Messung zu den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123.
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Wie
zuvor erwähnt,
empfangen die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 diese
Messung von dem Sensor 101b. Die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 sind
ferner mit dem Aktuator 101c gekoppelt, wobei der Aktuator
ein Reaktionsdrehmoment für
das Lenkrad 101a liefert, um ein Lenkradrückkopplungsgefühl zu erzeugen.
Der für
die Erzeugung eines Reaktionsdrehmoments verwendete Algorithmus
ist eine Funktion der Differenz zwischen dem Lenkradwinkel und dem
Laufradwinkel, der Querbeschleunigung des Fahrzeugs und der Geschwindigkeit
des Fahrzeugs. Hinzu kommt, dass der Algorithmus von den ursprünglichen
Ausrüstungsherstellungs (OEM)-Erfordernissen
abhängig
ist. Weiterhin kann ein Verbraucher den Algorithmus innerhalb der
gegebenen Stabilitätsbegrenzung
des Steuerungssystems dynamisch einstellen.
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Wenn
die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 die Lenkradwinkelmessung
empfangen, übertragen
sie jeweils eine Laufradaktuatorreferenz durch den zeit-getriggerten
Protokoll (TTP)-Kommunikationsbus 110. Das TTP-Kommunikationsnetzwerk 110 ist
ein typischer Kommunikationsbus, der mit einer TTP-Schaltung verwendet
wird. Dieser Kommunikationsbus wird dazu verwendet, um Nachrichten/Signale
zwischen den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 und
den Laufradknoten 125 und 127 zu übertragen und
zu empfangen. Das TTP-Kommunikationsprotokoll ergibt eine in Echtzeit
vorliegende, fehlertolerante Art und Weise zum Kommunizieren von
Information, die für
die verteilte Steuerung bzw. Regelung von Mikrosteuergeräten in den
Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 und den Laufradknoten 125 und 127 erforderlich
ist. Wenn das TTP-Kommunikationsprotokoll nicht verfügbar war,
würde es
mühsam
sein, eine Art und Weise ausfindig zu machen, um die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 und
die Laufradknoten 125 und 127 innerhalb des verteilten
Steuerungs- bzw. Regelungssystems 109 zu synchronisieren
und zu koordinieren.
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Die
Laufradknoten 125 und 127 empfangen die Laufradaktuatorreferenz
von den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123. Die
Laufradknoten 125 und 127 enthalten die Leistungselektroniken 125a und 127a, welche
mit den Aktuatoren 111a und 113a gekoppelt sind.
Zusätzlich
sind die Laufradknoten 107 und 109 mit den Raddrehzahlsensoren 111c und 113c bei
jedem entsprechenden Rad 111 und 113, um die Raddrehzahlinformation
zu detektieren oder zu empfangen, und mit den Absolutlaufradpositionssensoren 111b und 113b gekoppelt,
um die absolute Laufradposition zu empfangen. Die Laufradknoten 125 und 127 sind
ferner mit dem Querbeschleunigungssensor 115, dem Giergeschwindigkeitssensor 119,
der an dem Schwerpunkt des Fahrzeugs 100 angeordnet ist,
und mit dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 117 gekoppelt.
Der Querbeschleunigungssensor 115 ist eine Messung der
Beschleunigung des Fahrzeugs 100 von Seite zu Seite, wobei
diese Beschleunigung in typischer Weise mit einer Rate von 9,81
m/sec2 bewertet wird. Die Giergeschwindigkeit
ist die Geschwindigkeit, mit welcher sich das Fahrzeug 100 um eine
z-Achse dreht. Diese z-Achse verläuft durch die Oberseite des
Fahrzeugs 100 in den Boden. Die Giergeschwindigkeit wird
in Grad/pro Sekunde gemessen.
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Der
Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 117 ist ein typischer Fahrzeuggeschwindigkeitssensor,
welcher die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs in Kilometern pro Stunde,
Meilen pro Stunde oder irgendeiner geeigneten Messung für die Fahrzeuggeschwindigkeit
misst. Die Messungen des Fahrzeugge schwindigkeitssensors 117,
der Absolutlaufradpositionssensoren 111b und 113b,
der (nicht gezeigten) Aktuatorsensoren, des Querbeschleunigungssensors 115 und
des Giergeschwindigkeitssensors 119 werden mit der Laufradaktuatorreferenz
kombiniert, um ein elektrisches puls- bzw. impulsbreitenmoduliertes (PWM)-Signal
zu erzeugen. Dieses erzeugte PWM-Signal wird zu den Leistungselektroniken 125a und 127a geschickt,
welche das Signal dazu verwenden, um die Bewegung der Aktuatoren 111a und 113a anzutreiben
oder zu steuern. Diese Leistungselektroniken 125a und 127a beinhalten
die typischen Komponenten, die dazu verwendet werden, um einen Aktuator
anzutreiben. Vorzugsweise weisen die Leistungselektroniken 125a und 127a Festkörpertransistoren
auf. Diese Festkörpertransistoren
empfangen das PWM-Signal und verstärken dieses Signal sowohl in
der Spannung als auch im Strom, um die Aktuatoren 111a und 113a anzutreiben.
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Die
Aktuatoren 111a und 113a empfangen das verstärkte Signal
von den Leistungselektroniken 125a und 127a, um
die Räder 111 und 113 zu
bewegen. Die Aktuatoren 111a und 113a sind typische
Aktuatoren, die in Fahrzeugen verwendet werden. Beispielsweise bewegen
die Aktuatoren 111a und 113a die Räder in derselben
Art und Weise wie die typische Zahnstange Fahrzeuge lenkt. Alternativ
können die
Aktuatoren irgendein Typ von Vorrichtung sein, die dazu verwendet
wird, um die Bewegung der Räder
in einem Fahrzeug zu steuern. Vorzugsweise sind die Aktuatoren 111a und 113a bürstenlose Gleichstrommotoren.
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Wie
in 2 gezeigt, weist
eine Hochpegel-Architektur die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 auf,
welche mittels des TTP-Kommuniationsbusses oder mittels des TTP-Kommunikationsnetzwerkes 110 mit
den Laufradknoten 125 und 127 gekoppelt sind.
Die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 arbeiten
in der fehlertoleranten Art und Weise, so dass, wenn ein Fahrerinterfaceknoten
nicht aktiv ist, dann der andere Fahrerinterfaceknoten aktiv und
dazu befähigt
ist, die Lenkradwinkelmessung von dem Sensor 101b zu empfangen
und ein Lenkradrückkopplungsgefühl durch
den Aktuator 101c zu erzeugen. Wenn man sich den Laufradknoten 125 und 127 zuwendet,
so arbeiten sie ebenfalls in der fehlertoleranten Art und Weise,
so dass, wenn ein Laufradknoten nicht aktiv ist, sodann der andere
Laufradknoten dazu befähigt
ist, Messungen des Aktuatorstroms, der Aktuatorposition, der Aktuatortemperatur
von den Aktuatorsensoren bei den Aktuatoren 111a und 113a, der
Fahrzeuggeschwindigkeit von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 117,
der Raddrehzahl von den Radsensoren 111c und 113c,
dem Querbeschleunigungssensor 115 und dem Giergeschwindigkeitssensor 119 zu
empfangen und das Fahrzeug durch die Betätigung des anderen Aktuators
zu lenken.
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Die
Wechselwirkung zwischen dem Lenkrad 101a, den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 und dem
Aktuator 101c ist in 3 gezeigt.
Jeder Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 weist
ein Mikrosteuergerät 301 auf,
das mit einem zeit-getriggerten Protokoll (TTP)-Chip 303 gekoppelt
ist, welcher als ein erstes TTP-Verarbeitungssystem bezeichnet wird.
Das Mikrosteuergerät 301 innerhalb
der Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 empfängt die
Lenkradwinkelinformation von dem Sensor 101b. Das Mikrosteuergerät 301 verarbeitet
diese Messungen und liefert die Lenkradrückkopplung in einem Reaktionsdrehmomentalgorithmus,
wie oben beschrieben, um ein Reaktionsdrehmoment zu erzeugen. Das
Reaktionsdrehmoment wird in einer solchen Art und Weise erzeugt,
dass es die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die Querbeschleunigung
des Fahrzeugs und die Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs von den
Sensoren 117, 115 und 119 in Betracht
zieht. Zusätzlich zieht
das Reaktionsdrehmoment sowohl Laufradparameter als auch die Parameter
der Geschwindigkeit des Lenkradwinkels in Betracht.
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Wenn
man nun den vielen unterschiedlichen Formen des Mikrosteuergeräts 301 betrachtet,
so ist das Mikrosteuergerät 301 eine
elektrische Vorrichtung, die dazu befähigt ist, sich an einen zeit-getriggerten
Protokoll (TTP)-Chip 303, einen Lenkradwinkelsensor 101b und
an Leistungselektroniken 121a oder 123a anschließen zu lassen.
Diese Hardware-Vorrichtung kann ein Mikroprozessor, ein Mikrosteuergerät oder ein
digitaler Signalprozessor sein, mit einem elektrisch löschbaren,
programmierbaren Festwertspeicher (electrically erasable program
read only memory = EEPROM) oder Flash-Memory bzw. Flash-Speicher
und einem statischen Schreib/Lesespeicher (random access memory
= RAM). Das Mikrosteuergerät
weist einen Software-Algorithmus auf, welcher es ihm ermöglicht,
die Messungen von dem Sensor 101b kontinuierlich zu überwachen
und zu lesen, eine Laufradaktuatorreferenz zu erzeugen und ein Lenkradrückkopplungsgefühl durch
den Aktuator 101c zu erzeugen.
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Wendet
man sich dem TTP 303 zu, so ist dies ein TDMA (time division
multiple access = Zeitmultiplex-Verfahren)-Echtzeit-fehlertolerantes-Kommunikationsprotokoll,
das für
eine verteilte Steuerung von sicherheitskritischen Systemen verwendet
wird. Dieses TTP weist die Fähigkeit
auf, über
ein Netzwerk in einer Echtzeit-fehlertoleranten Art und Weise zu
kommunizieren. Zusätzlich
ist das TTP ein Kommunikations-Mikrochip oder -Schaltung, welche
es den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 ermöglicht, Information
durch den Kommunikationsbus 110 zu den Laufradknoten 125 und 127 und
umgekehrt zu übertragen.
Der TTP-Chip 303 kann irgendein typischer, zeit-getriggerter
Protokollchip sein. Vorzugsweise ist der TTP-Chip 303 von
Austria Microsystems in Österreich,
welcher eine Produktnummer des Herstellers von AS8202 aufweist.
Der TTP-Chip 303 empfängt
die gefühlten
Signale/Messungen und das Reaktionsdrehmoment von dem Mikrosteuergerät 301,
sodann überträgt der TTP-Chip 303 das
Drehmoment und die Messungen durch den TTP-Kommunikationsbus 110 zu
den Laufradknoten 125 und 127.
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Die
Wechselwirkung zwischen den Laufradknoten 125 und 127 und
den Aktuatoren 111a und 113a zusammen mit sämtlichen
Sensoreingaben ist in 4 gezeigt.
Jeder Laufradknoten 125 und 127 weist ein Mikrosteuergerät 401 auf,
das mit einem zeit-getriggerten Protokoll (TTP)-Chip 403 gekoppelt ist,
welcher als ein zweites TTP-Verarbeitungssystem bezeichnet wird.
Das Mikrosteuergerät 401 innerhalb
der Laufradknoten 125 und 127 empfängt die Laufradaktuatorreferenz
von den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 durch
den TTP-Kommunikationsbus 110 und kombiniert diese Information
mit der Fahrzeugpegelsensor-107-Information von den Sensoren 116, 117 und 119 zusammen
mit der (nicht gezeigten) Aktuatorsensorinformation, um ein aufgebrachtes
Drehmoment bei dem Aktuator 111a und 113a zu erzeugen,
um ein elektrisches impulsbreitenmoduliertes (PWM)-Signal zu erzeugen,
das zu den Leistungselektroniken 125a und 127a übertragen wird.
Ein Mikrosteuergerät 401 und
ein zeit-getriggerter Protokoll (TTP)-Chip 403 werden in
den Laufradknoten 125 und 127 dazu verwendet,
um das PWM-Signal
zu den Leistungselektroniken 125a und 127a zu übertragen.
Die Leistungselektroniken 125a und 127 empfangen
das PWM-Signal, welches den Strom richtet, um das durch die Aktuatoren 111a und 113a erzeugte
Drehmoment zu steuern, welches die Bewegung der Räder 111 und 113 einstellt
oder steuert.
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Wendet
man sich den vielen verschiedenen Formen des Mikrosteuergeräts 401 zu,
so ist das Mikrosteuergerät 401 ein
Prozessor, der dazu befähigt ist,
sich an einen zeit-getriggerten Protokoll (TTP)-Chip 403,
einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 117, einen Querbeschleunigungssensor 115, einen
Giergeschwindigkeitssensor 119, an Absolutradpositionssensoren 111b und 113b,
einen Raddrehzahlsensor 111ca oder 113c, an (nicht
gezeigte) Aktuatorsensoren und Leistungselektroniken 125a oder 127a anschließen zu lassen.
Diese Hardware-Vorrichtung kann ein Mikroprozessor, ein Mikrosteuergerät oder ein
digitaler Signalprozessor sein, mit einem elektrisch löschbaren,
programmierbaren Festwertspeicher (electrically erasable program
read only memory = EEPROM) oder Flash-Memory bzw. Flash-Speicher
und einem statischen Schreib/Lesespeicher (random access memory
= RAM). Das Mikrosteuergerät
weist einen Software-Algorithmus auf, welcher es ihm er möglicht,
die Messungen von allen oben erwähnten
Sensoren kontinuierlich zu überwachen
und zu lesen und ein aufgebrachtes Drehmoment zu erzeugen, um die Laufräder 111 und 113 einzustellen
oder zu bewegen oder zu drehen.
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Das
Mikrosteuergerät 301 bzw. 401 lässt sich
an einem zeit-getriggerten Protokoll (TTP)-Chip 303 bzw. 403 anschließen, um
Nachrichten mit anderen Knoten auszutauschen. Die TTP-(Time-Triggered-Protocol
= Zeit-Getriggerte Protokoll)-Chips 303 und 403 verwenden
ein TDMA (time division multiple access)-Echtzeit-fehlertolerantes
Kommunikationsprotokoll, das für
Echtzeitverteilte Steuerung von sicherheitskritischen Systemen verwendet
wird. Der TTP-Chip 403 ist zu dem TTP-Chip 303 äquivalent.
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Wie
in 5 gezeigt, wird die
Gesamtoperation des verteilten elektronischen Lenkungs-Steuerungssystems
wie folgt beschrieben. Bei dem Block 501 detektieren oder
fühlen
und empfangen die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 eine
Fahrerabsicht, wenn ein Fahrer das Lenkrad 101a dreht oder
einen Steuerknüppel
der Fahrzeugkarosserie 100 bewegt. Wie oben festgestellt,
wird die Fahrerabsicht als Lenkradparameter oder Fahrerinterfacestatus
bezeichnet, welche einen Lenkradwinkel und eine Lenkradgeschwindigkeit
beinhalten. Zusätzlich
empfangen die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 Fahrzeuginformation
von anderen Fahrzeugsystemen des Fahrzeugs.
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Bei
dem Block 503 verwenden die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 das
Mikrosteuergerät 301,
um die Fahrerabsicht zu einer Laufradaktuatorreferenz umzuwandeln,
die durch den TTP-Kommunikationsbus oder -netzwerk 110 in
einer fehlertoleranten Art und Weise zu den Laufradknoten 127 und 129 übertragen
wird. Zusätzlich übertragen
die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 den Fahrerinterfacestatus
und die Fahrzeuginformation durch den TTP-Kommunikationsbus 110 in
einer fehlertoleranten Art und Weise zu den Laufradknoten 125 und 127.
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Bei
dem Block 505 detektieren oder messen die Laufradknoten 127 und 129 die
Laufradpositionen, wie oben beschrieben, und übertragen die Laufradpositionen,
die Querbeschleunigung und die Fahrzeuggeschwindigkeit zusammen
mit anderen Fahrzeugmessungen, welche als Messungen von einer Fahrzeugkarosserie 100 durch
den TTP-Kommunikationsbus 110 bezeichnet werden, zu dem
Mikrosteuergerät 301 in
den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123.
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Bei
dem Block 507 verwendet das Mikrosteuergerät 301 die
jeweiligen Messungen von den Laufradknoten 127 und 129 zusammen
mit der Lenkradwinkelkomponente der Lenkradparameter, um eine Lenkradrückkopplung
in der Form des oben erläuterten
Reaktionsdrehmoments zu erzeugen.
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Bei
dem Block 509 empfängt
das Mikrosteuergerät 401 in
den Laufradknoten 127 und 129 jeweils die Laufradaktuatorreferenz
mittels des TTP-Kommunikationsbusses 110.
Die Laufradknoten 125 und 127 fühlen die
Querbeschleunigung von dem Querbeschleunigungssensor 115,
die Fahrzeuggeschwindigkeit vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 117,
die Giergeschwindigkeit von dem Giergeschwindigkeitssensor 119,
die Absolutradposition von den Sensoren 111b und 113b,
den Aktuatorstrom, die Aktuatorposition, die Aktuatortemperatur von
den (nicht gezeigten) Aktuatorsensoren bei den Aktuatoren 111a und 113a.
Die Absolutradpositionssensoren 11 1b und 113b ergeben
die Position des linken Vorderrades.
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Bei
dem Block 511 kombiniert das Mikrosteuergerät 401 die
Laufradaktuatorreferenz, die abgefühlte Querbeschleunigung von
dem Querbeschleunigungssensor 115, die Fahrzeuggeschwindigkeit von
dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 117, die Giergeschwindigkeit
von dem Giergeschwindigkeitssensor 119, die Absolutradposition
von den Sensoren 111b und 113b, den Aktuatorstrom,
die Aktuatorposition, die Aktuatortemperatur von den (nicht gezeigten)
Aktuatorsensoren bei den Aktuatoren 111a und 113a,
welche als Sensormessungen von der Fahrzeugkarosserie 100 bezeichnet
werden, um ein aufgebrachtes Drehmoment bei den Aktuatoren 111a und 113a zu
erzeugen, wie oben beschrieben.
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Bei
dem Block 513 verwenden jeweils die Laufradknoten 125 und 127 das
aufgebrachte Drehmoment, um ein bekanntes, elektrisches Impulsbreiten
(PWM)-Signal zu erzeugen, das zu den Leistungselektroniken 125a und 127a übertragen
wird.
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Bei
dem Block 515 empfangen die Leistungselektroniken 125a und 127a das
PWM-Signal und verstärken
dieses Signal sowohl in der Spannung als auch im Strom in geeigneter
Weise, um die Aktuatoren 111a und 113a anzutreiben,
um die Räder 111 und 113 einzustellen.
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Bei
dem Block 517 kann dieser Algorithmus enden oder bei dem
Block 501 fortgesetzt werden.
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Es
soll darauf hingewiesen werden, dass die Steuerung dieses verteilten
Steuerungssystems auf der Zeit beruht bzw. zeitabhängig ist
und diese Zeit durch das TTP-Kommunikationssystem festgelegt wird.
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6 ist eine schematische
Darstellung von zeit-getriggertem-Protokoll (TTP)-Signalen entsprechend
der vorliegenden Erfindung. Diese schematische Darstellung zeigt
ein Beispiel von zwei Signalen, die von den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 durch
den TTP-Kommunikationsbus 110 oder das TTP-Kommunikationsnetzwerk 110 zu
den Laufradknoten 125 und 127 übertragen werden. Die TTP-Kommunikation
beruht auf TDMA (Zeitmultiplex-Verfahren) und jeder Knoten weist
einen Zeitschlitz zum Übertragen
von Information auf. Jeder Knoten muss innerhalb seines vordefinierten
Zeitschlitzes übertragen.
Die Sequenz bzw. Abfolge der Knotenzeitschlitze, in welchen jeder
Knoten eine Übertragung
ausführt,
bildet eine TDMA- Kommunikationsrunde.
Jeder Fahrerinterfaceknoten und jeder Laufradknoten müssen Information übertragen,
um die in 6 gezeigte
Kommunikationsrunde zu bilden. Folglich wird das erste, zwischen
den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 zu den Laufradknoten 125 und 127 übertragene
Signal als eine erste TDMA-Kommunikationsrunde bezeichnet. Das zweite, zwischen
den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 zu den Laufradknoten 125 und 127 übertragene
Signal ist eine zweite TDMA-Kommunikationsrunde. Dies ist gerade
ein Beispiel von Kommunikationsinformation innerhalb dieses verteilten
elektronischen Lenkungs-Steuerungssystems.
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Wenn
man sich dem ersten, von den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 und
den Laufradknoten 125 und 127 übertragenen Signal zuwendet,
so wird dieses Signal an zwei Kanälen A und B durch zwei Kommunikationsbusse
von den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 zu den
Laufradknoten 125 und 127 übertragen. Wenn ein Kanal an
einem Fahrerinterfaceknoten oder einem Laufradknoten verlorengegangen
ist, kann sodann ein anderer Kanal verwendet werden, um das Signal
an dem aktiven Fahrerinterfaceknoten oder Laufradknoten zu übertragen.
Zusätzlich,
wenn ein Signal oder eine Nachricht von einem der Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 zu
einem der Laufradknoten 125 und 127 übertragen
wird, empfangen sodann die Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 und
die Laufradknoten 125 und 127 das Signal oder
die Nachricht. Die Übertragung
des Signals zwischen den Fahrerinterfaceknoten 103 und 105 und
den Laufradknoten 125 und 127 arbeitet ähnlich zu
einer Telefonleitung, welche für
jemand an der Leitung verfügbar
ist, um zu hören
und zu sprechen. Z.B. ist, wenn eine Person eine andere Person an
der Telefonleitung anruft, jeder an dieser Telefonleitung oder TTP-Kommunikationsbus
dazu befähigt,
zu empfangen, zu hören
und mit dem Anrufer zu sprechen.
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Wenn
man sich den aktuellen Signalen zuwendet, die zwischen den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 und
den Laufradknoten 125 und 127 übertra gen werden, so werden
diese Signale als M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9, M10, M11 und
M12 bezeichnet. M1 ist ein Linkes-Vorder-Rad-111 ( 1)-Aktuatorpositionssignal,
das bei dem Laufradknoten 125 empfangen ist. M2 ist ein
Linkes-Vorder-Rad-111-Drehzahlsignal, das an dem Laufradknoten 125 empfangen
ist. M3 ist ein Querbeschleunigungssignal von dem Querbeschleunigungssensor 115,
das an den Laufradknoten 125 und 127 M4 ist ein
Giergeschwindigkeitssignaempfangen ist. l von dem Giergeschwindigkeitssensor 119,
das bei den Laufradknoten 125 und 127 empfangen
ist. M5 ist ein Linkes-Vorder-Rad-Statussignal von dem Laufradknoten 125.
M6 ist ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von dem Sensor 106,
das bei den Laufradknoten 125 und 127 empfangen
ist. M7 ist das Aktuatorreferenzsignal, das von den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 berechnet
ist. M8 ist das Fahrzeuginformationssignal, das von anderen Fahrzeugsystemen
genommen ist und bei den Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 empfangen
ist. M9 ist ein Fahrerinterfacestatussignal von jedem Fahrerinterfaceknoten.
M10 ist ein Rechtes-Vorder-Rad-Aktuatorpositionssignal, das bei
dem Laufradknoten 127M11 ist ein Rechtes-Vorder-Raddrehzah
empfangen ist. lsignal von dem Sensor 113c, das bei dem
Laufradknoten 127 empfangen ist. M12 ist ein Rechtes-Vorder-Radstatussignal
von dem Laufradknoten 127.
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Die
M1-M12-Nachricht oder -Signale, die übertragen werden, können ein
oder zwei Bytes sein, wobei ein Byte anzeigt, dass es eine kleinere
Nachricht ist, als die zwei Bytes. Wie oben angegeben, werden alle
Nachrichten M1-M12
von unterschiedlichen Komponenten in dem Fahrzeug 100 empfangen
und jede Nachricht kann ein oder zwei Bytes sein, die unter Fahrerinterfaceknoten 121 und 123 und
Laufradknoten 125 und 127 übertragen werden.
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Die
Laufradknoten 125 und 127 verwenden die M3-, M4-,
M6- und M7-Nachrichten
in der Gleichung des aufgebrachten Drehmoments, wie oben beschrieben,
um die Leistungselektroniken 121a, 123a, 125a und 127a zu
leiten, um die Aktuatoren 111a und 113a zu zwingen,
die Räder 111 und 113 in einer
Drehbewegung einzustellen oder zu bewegen.
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Aus
dem vorhergehenden kann erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung
ein verteiltes Steuerungssystem mit einem zeit-getriggerten Protokoll-Kommunikationsnetzwerk
ergibt, welches ein Lenksystem für
ein Fahrzeug steuert. Diese Erfindung ergibt den Vorteil eines fehlertoleranten
Steuerungssystems, welches ausfall- bzw. betriebssicher ist. Zusätzlich ermöglicht die
verteilte Struktur, dass dieses System mühelos zu bauen und instandzuhalten
bzw. zu warten ist.
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Während eine
besondere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden ist, so können Modifikationen
bzw. Abwandlungen durchgeführt
werden. Es ist daher in den beigefügten Ansprüchen beabsichtigt, solche Änderungen
und Modifikationen abzudecken, welche dem wahren Gedanken und dem
Umfang der Erfindung folgen.