DE102008043475B4

DE102008043475B4 - Verfahren zum Steuern einer Einrichtung und Vorrichtung zum Steuern der Einrichtung

Info

Publication number: DE102008043475B4
Application number: DE102008043475.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Ulm; Mathias Reimann; Harald Emmerich; Udo-Martin Gomez; Emma Abel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: FR2937924A1; ITMI20091822A1; US20100225500A1; DE102008043475A1; US8786419B2; IT1396570B1; FR2937924B1

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Einrichtung (2, 3) unter Verwendung eines Drehratensensors (13), mit den folgenden Schritten:- Erfassen eines ersten Sensorsignals (S1) für eine erste seismische Masse (11) des Drehratensensors (13);- Erfassen eines zweiten Sensorsignals (S2) für eine zweite seismische Masse (12) des Drehratensensors (13);- Ermitteln einer linearen Beschleunigungsgröße auf Basis des ersten Sensorsignals (S1) und des zweiten Sensorsignals (S2); und- Ermitteln einer Drehratengröße auf Basis des ersten Sensorsignals (S1) und des zweiten Sensorsignals (S2); und- Steuern der Einrichtung (2, 3) in Abhängigkeit von der linearen Beschleunigungsgröße und der Drehratengröße.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Einrichtung gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung zum Steuern der Einrichtung gemäß Patentanspruch 4.
Ein solches Verfahren zum Steuern einer Einrichtung unter Verwendung eines Drehratensensors ermittelt eine Drehrate und steuert die Einrichtung abhängig von der ermittelten Drehrate und einer Beschleunigungsgröße, die von einem Beschleunigungssensor gemessen wird. Bei der Einrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Sicherheitseinrichtung wie ein frontales Airbag, ein seitliches Airbag oder einen Überrollbügel, welches bzw. welcher den oder die Insassen eines Kraftfahrzeugs beim Überschlagen schützt. Zum Steuern der Einrichtung wird ein Auslösesignal so bestimmt, dass die seitlichen Airbags aufgeblasen werden bzw. der Überrollbügel herausgefahren wird, wenn sich das Kraftfahrzeug überschlägt. Für die Auslösung dieser Sicherheitseinrichtung ist höchste Zuverlässigkeit erforderlich, da die Auslösung der Sicherheitseinrichtung selbst einen Unfall verursachen kann.
Ein Nachteil liegt darin, dass sämtliche vorhandene Signale, d.h. die Drehratengröße und die Beschleunigungsgröße, für die Auslösung benötigt werden. Wenn eines der Signale fehlerbehaftet wäre, könnte die Sicherheitseinrichtung versagen. Aus diesem Grund wird das Verfahren mit verschiedenen Maßnahmen überwacht und plausibilisiert. Insbesondere wenn beide Signale fehlerbehaftet wären, wie es für sogenannte Common-Cause-Fehler der Fall wäre, könnte die Sicherheitseinrichtung ausgelöst werden, ohne dass ein Überschlag vorliegt. Der Beschleunigungssensor und der Drehratensensor werden daher in separaten Gehäusen mit jeweils einem Auswertungs-ASIC ausgeführt, um gemeinsame Fehlerpfade aufgrund einer Ursache oder externen Störung in beiden Sensoren zu gleichen Zeiten zu vermeiden. Dies erhöht die Herstellungskosten.
In Druckschrift DE 10 2007 012 163 A1 ist ein Drehratensensor offenbart, bei dem seismische Massen in eine Schwingung versetzt werden, wobei eine Rotation des Sensors über eine durch die Rotation hervorgerufene Corioliskraft auf die schwingenden Massen detektiert werden kann. Dieser Sensor kann zur Erfassung einer oder mehrerer Drehbeschleunigungen oder Gierbeschleunigung verwendet werden. Kernidee dieser Druckschrift ist, mittels eines Kopplungsbalkens die seismischen Massen derart aneinander zu koppeln, dass eine lineare Störgröße, die zu einer Bewegung der seismischen Massen in eine Richtung führen würde, unterdrückt wird.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern einer Einrichtung und eine Vorrichtung zum Steuern der Einrichtung zu schaffen, die eine besonders kompakte Ausbildung der Vorrichtung ermöglichen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern einer Einrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Steuern einer Einrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 4 gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Einrichtung unter Verwendung eines Drehratensensors,
unter Verwendung eines Drehratensensors mit den folgenden Schritten: Erfassen eines ersten Sensorsignals für eine erste seismische Masse des Drehratensensors; Erfassen eines zweiten Sensorsignals für eine zweite seismische Masse des Drehratensensors; Ermitteln einer linearen Beschleunigungsgröße auf Basis des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals; Ermitteln einer Drehratengröße auf Basis des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals; und Steuern der Einrichtung in Abhängigkeit von der linearen Beschleunigungsgröße und der Drehratengröße. Vorteilhafterweise wird mit der linearen Beschleunigungsgröße eine weitere Messgröße neben der Drehratengröße für die Steuerung der Einrichtung nutzbar gemacht. Die Beschleunigungsgröße ist eine Größe, die von einer Beschleunigung in einem interessierenden Bereich injektiv abhängt, vorzugsweise proportional zu einer linearen Beschleunigung in einem Bezugssystem proportional ist. Die Verwendung einer Beschleunigungsgröße und einer Drehratengröße hat sich in der Praxis als Kriterium zur Bestimmung eines Auslösesignals bereits bewährt.
In noch einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren die folgenden weiteren Schritte auf: Erfassen einer weiteren Beschleunigungsgröße; und Steuern der Einrichtung in Abhängigkeit von der weiteren Beschleunigungsgröße. Die Beschleunigungsgröße wird als eine redundante Messgröße verwendet, um die Richtigkeit der weiteren Messgröße zu überprüfen und somit die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu erhöhen.
In einer Weiterbildung der letztgenannten bevorzugten Ausführungsform wird die Einrichtung ausgelöst, wenn die lineare Beschleunigungsgröße einen Schwellwert überschreitet, und wenn die weitere Beschleunigungsgröße einen weiteren Schwellwert überschreitet. Ein derartiges Kriterium lässt sich besonders einfach umsetzen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Steuern einer Einrichtung unter Verwendung eines Drehratensensor der eine erste seismische Masse und eine zweite seismische Masse aufweist, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, eine lineare Beschleunigungsgröße auf Basis des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals zu ermitteln, eine Drehratengröße auf Basis des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals zu ermitteln und die Einrichtung in Abhängigkeit von der Beschleunigungsgröße und der Drehratengröße auszulösen.
In noch einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung ferner eingerichtet, die Einrichtung in Abhängigkeit von einer weiteren Beschleunigungsgröße von einem Beschleunigungssensor zu steuern. Auch das Auslösesignal und das noch eine weitere Auslösesignal können identisch sein, wenn die Sicherheitseinrichtung nur durch ein Signal ausgelöst werden soll.
In noch einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Auswertungseinrichtung für den Drehratensensor, eine Auswertungseinrichtung für den Beschleunigungssensor und eine Plausibilitätsüberprüfungseinrichtung als eine integrierte Schaltung ausgebildet.
In einer Weiterbildung der letztgenannten bevorzugten Ausführungsform sind die Vorrichtung, der Beschleunigungssensor, der Drehratensensor und die integrierte Schaltung auf einem Chip integriert. Der Chip ist in einem Gehäuse verpackt. Die Gesamtgröße der einzelnen Elemente kann verringert werden, und das Fertigungsverfahren kann vereinfacht werden. Daraus ergeben sich Kosteneinsparungen. Es ist auch möglich, die Auswertungseinrichtung für den Drehratensensor und den Drehratensensor auf einem Chip zu integrieren und/ oder die Auswertungseinrichtung für den Beschleunigungssensor und den Beschleunigungssensor auf einem Chip zu integrieren.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine Vorderansicht eines seitlich geneigten Kraftfahrzeugs;
2 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Drehratensensors; und
3 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zum Steuern von Airbags.

1 zeigt eine Vorderansicht eines seitlich geneigten Kraftfahrzeugs 1. Das Kraftfahrzeug 1 weist in der Fahrgastzelle zwei seitliche Airbags 2 und 3 auf. Eine Vorrichtung 4 zum Steuern von Airbags 2, 3 überprüft zunächst, was für eine Fahrsituation vorliegt, d.h. ob zum Beispiel das Kraftfahrzeug 1 eine kritische seitliche Neigung überschreiten wird und sich höchstwahrscheinlich überschlagen wird, und veranlasst abhängig davon eine Auslösung der Airbags 2, 3. Die seitlichen Airbags 2 und 3 und die Vorrichtung 4 zum Steuern der Airbags 2, 3 sind durch die Karosserie des Kraftfahrzeugs 1 verborgen und daher gestrichelt gezeichnet, um ihre Positionen anzuzeigen. Eine Drehung des Kraftfahrzeugs 5, die zu der seitlichen Neigung führt, wird durch einen Winkelgeschwindigkeitsvektor $\vec{ω}$
beschreiben, der entlang der x-Achse eines ortsfesten Koordinatensystems 5 gerichtet ist. Damit die seitlichen Airbags für den Fall eines Überschlags rechtzeitig ausgeblasen sind, um den oder die Fahrzeuginsassen zu schützen, wird ein Betrag einer Drehrate des Kraftfahrzeugs in Grad/s und ein Betrag einer Beschleunigung in y- bzw. z-Richtung als Auslösekriterium verwendet. Zusätzlich kann auch der Drehwinkel herangezogen werden, um den die y-Achse gegenüber einer Horizontalen gedreht ist. Der Drehwinkel kann durch Integration des Winkelgeschwindigkeitsvektors $\vec{ω}$
berechnet werden.
2 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines Drehratensensors 13. Der Drehratensensor 13 ist symmetrisch ausgebildet und umfasst eine erste seismische Masse 6 mit der Masse m1 und eine zweite seismische Masse 7 mit der Masse m2, die aufgrund der Symmetrie beide gleich schwer sind (m = m1 = m2). Die seismischen Massen 6, 7 sind über eine Feder 8 miteinander gekoppelt und direkt über weitere Federn (nicht dargestellt) oder indirekt über weitere Federn und weitere Elemente mit einem darunter liegenden Substrat verbunden. Die seismischen Massen 6, 7 haben ein bestimmtes elektrisches Potential. Antriebeinrichtungen 9 versetzen die seismischen Massen 6, 7 unter Verwendung eines Wechselspannung entlang der y'-Achse eines Koordinatensystems 10, welches sich zusammen mit dem Drehratensensor 13 bewegt, in entgegen gesetzte Schwingungen mit der Frequenz Ω. Die erste seismische Masse 6 schwingt dann mit der Geschwindigkeit ${\vec{v}}_{1} = {\vec{v}}_{0} \cdot sin (Ω \cdot t) .$
Die zweite seismische Masse 7 schwingt dann mit der Geschwindigkeit ${\vec{v}}_{2} = {\vec{v}}_{0} \cdot sin (Ω \cdot t + π) = - {\vec{v}}_{0} \cdot sin (Ω \cdot t)$
Die Achsen x', y' und z' fallen jeweils mit den Achsen x, y und z zusammen, wenn das Kraftfahrzeug 1 nicht geneigt ist. Unter der ersten seismischen Masse 6 ist eine erste Elektrode 11 auf dem Substrat vorgesehen. Unter der zweiten seismischen Masse 7 ist eine zweite Elektrode 12 auf dem Substrat vorgesehen. Die beiden seismischen Massen 6, 7 sind jeweils elektrisch von den Elektroden isoliert. Wenn sich der Drehratensensor 13 mit dem Koordinatensystem 5 und die x-Achse dreht, wirkt in dem Koordinatensystem x', y' und z' auf die erste seismische Masse 6 in dem Koordinatensystem 10 mit den Achsen x', y' und z' eine erste Corioliskraft ${\vec{F}}_{c} = 2 m \cdot ({\vec{v}}_{1} \times \vec{ω}) = 2 m \cdot ({\vec{v}}_{0} \times \vec{ω}) \cdot sin (Ω \cdot t)$
und auf die zweite seismische Masse 7 in dem Koordinatensystem x', y', z' eine zweite Corioliskraft ${\vec{F}}_{c} = 2 m \cdot ({\vec{v}}_{2} \times \vec{ω}) = - 2 m \cdot ({\vec{v}}_{0} \times \vec{ω}) \cdot sin (Ω \cdot t) .$
Zusätzlich können auf jeder der seismischen Massen 6, 7 eine lineare identische Beschleunigungskraft ${\vec{F}}_{l m}$
wirken. An der ersten Elektrode 11 wird ein erstes Signals S1 erzeugt, welches proportional zu einer ersten Kraft ${\vec{F}}_{c} = 2 m \cdot ({\vec{v}}_{0} \times \vec{ω}) \cdot sin (Ω \cdot t) + {\vec{F}}_{z}$
ist. An der zweiten Elektrode 12 wird ein zweites Signals S2 erzeugt, welches proportional zu einer zweiten Kraft ${\vec{F}}_{c} = 2 m \cdot ({\vec{v}}_{0} \times \vec{ω}) \cdot sin (Ω \cdot t) + {\vec{F}}_{z}$
ist. Durch Addition des ersten Signals S1 und des zweiten Signals S2 ergibt sich eine Beschleunigungsgröße $S_{a c c} \propto {\overset{\leftarrow}{F}}_{1} + {\overset{\leftarrow}{F}}_{1} = 2 {\overset{\leftarrow}{F}}_{z}$
welches proportional zu einer Beschleunigung in z'-Richtung ist. Durch Subtraktion des ersten Signals S1 von dem zweiten Signal S2 ergibt sich eine Drehratengröße $S_{r o t} \propto 4 m \cdot ({\vec{v}}_{0} \times \vec{ω}) \cdot sin (Ω \cdot t)$
welches proportional zur Drehung um die x-Achse ist. Aus dem Stand der Technik sind Drehratensensoren mit unterschiedlichem Aufbau bekannt. Dementsprechend können auch Beschleunigungsgrößen bestimmt werden, die in jeder beliebigen Richtung gerichtet sind.
3 zeigt eine schematische Ansicht der Vorrichtung 4 zum Steuern von Airbags 2, 3. Die Vorrichtung umfasst den Drehratensensor 13, den Beschleunigungssensor 14 und die integrierte Schaltung 15. Die beiden Signale S1 und S2 des Drehratensensors 13 und ein Signal S3 des Beschleunigungssensors 14 werden zu der integrierten Schaltung 15 zugeführt. Die integrierte Schaltung 15 ist ein ASIC, der eine Schaltung zum Auswerten der beiden Signale S1 und S2 des Drehratensensors 13, eine Schaltung zum Auswerten des Signals S3 des Beschleunigungssensors 14 und eine Plausibilitätsüberprüfungseinrichtung umfasst. Die Schaltung zum Auswerten der beiden Signale S1 und S2 des Drehratensensors 13 bestimmt aus den Signalen S1 und S2 ein Beschleunigungsgröße Sacc, welches proportional zu einer Beschleunigung in z'-Richtung ist, und eine Drehratengröße Srot. Das Signal S3 kann entsprechend dem Aufbau des Beschleunigungssensors 14 abhängig von einer Beschleunigung in x', y' und/oder z'-Richtung sein. Die Schaltung zum Auswerten des Signals S3 des Beschleunigungssensors 14 bestimmt aus dem Signal S3 eine Beschleunigungsgröße in x', y' und/oder z'-Richtung. Die Plausibilitätsüberprüfungseinrichtung überprüft nun, ob die ermittelten Drehraten- und Beschleunigungsgrößen plausibel sind, d.h. eindeutig eine bestimmte Fahrsituation wie ein Überschlagen des Kraftfahrzeugs anzeigen oder nicht.
Die Vorrichtung 15 gibt dann ein Fahrsituationssignal SOUT an die Auslöseeinrichtungssteuerungen 18, 19 aus. Das Fahrsituationssignal SOUT gibt an, dass eine bestimmte Fahrsituation vorliegt. Ob sich das Kraftfahrzeug überschlägt, wird anhand der folgenden Kriterien erkannt:

i.) die Beträge der Drehrate um eine Drehachse in x'-Richtung und der Beschleunigung in y'-Richtung überschreiten jeweils einen bestimmten Wert für eine gewisse Zeitdauer;
ii.) die Beträge der Drehrate um eine Drehachse in x'-Richtung und der Beschleunigung in z'-Richtung überschreiten jeweils einen bestimmten Wert für eine gewisse Zeitdauer;
iii.) die Beträge der Drehrate um eine Drehachse in x'-Richtung und der Beschleunigung in y'-Richtung überschreiten jeweils einen bestimmten Wert für einen bestimmten Neigungswinkel a; oder
iv.) die Beträge der Drehrate um eine Drehachse in x'-Richtung und der Beschleunigung in z'-Richtung überschreiten jeweils einen bestimmten Wert für einen bestimmten Neigungswinkel a.

Die Beträge der Beschleunigung in z'-Richtung können als Linearkombination der beiden Beschleunigungswerte in z'-Richtung bestimmt werden. Alternativ können die Kriterien ii.) und iv.) dahingehend modifiziert werden, dass der Betrag des Beschleunigungswerts, der mit Hilfe des Drehratensensors bestimmt wurde, und der Betrag des Beschleunigungswerts, der mit Hilfe des Beschleunigungssensor bestimmt wurde, jeweils einen bestimmten Wert überschreiten müssen. Für bekannte Drehratensensoren, die anders aufgebaut oder ausgerichtet sind, können ebenfalls die Beschleunigungen in y'-Richtung als Linearkombination der Beschleunigung in y'-Richtung bestimmt werden oder die modifizierten Kriterien angewendet werden. Abhängig von der vorliegenden Fahrsituation steuern die Auslöseeinrichtungssteuerungen 18, 19 schließlich die Auslöseeinrichtungen 16 und 17 so, dass die seitlichen Airbags 2, 3 für eine hohe Überschlagswahrscheinlichkeit ausgelöst werden, was zum Aufblasen der seitlichen Airbags 2, 3 führt. Die Auslöseeinrichtungssteuerungen 18, 19 und die Auslöseeinrichtungen 16 und 17 sind in den seitlichen Airbags 2,3 integriert.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Einrichtung (2, 3) unter Verwendung eines Drehratensensors (13), mit den folgenden Schritten: - Erfassen eines ersten Sensorsignals (S1) für eine erste seismische Masse (11) des Drehratensensors (13); - Erfassen eines zweiten Sensorsignals (S2) für eine zweite seismische Masse (12) des Drehratensensors (13); - Ermitteln einer linearen Beschleunigungsgröße auf Basis des ersten Sensorsignals (S1) und des zweiten Sensorsignals (S2); und - Ermitteln einer Drehratengröße auf Basis des ersten Sensorsignals (S1) und des zweiten Sensorsignals (S2); und - Steuern der Einrichtung (2, 3) in Abhängigkeit von der linearen Beschleunigungsgröße und der Drehratengröße.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den folgenden weiteren Schritten: - Erfassen einer weiteren Beschleunigungsgröße (S3); und - Steuern der Einrichtung (2, 3) in Abhängigkeit von der weiteren Beschleunigungsgröße (S3).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung (2, 3) ausgelöst wird, wenn die lineare Beschleunigungsgröße einen Schwellwert überschreitet, und wenn die weitere Beschleunigungsgröße (S3) einen weiteren Schwellwert überschreitet.
Vorrichtung zum Steuern einer Einrichtung (2, 3) unter Verwendung eines Drehratensensor (13), wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, eine lineare Beschleunigungsgröße auf Basis eines ersten Sensorsignals (S1) für eine erste seismische Masse (11) des Drehratensensors (13) und eines zweiten Sensorsignals (S2) für eine zweite seismische Masse (12) des Drehratensensors (13) zu ermitteln, eine Drehratengröße aus dem ersten Sensorsignal (S1) und dem zweiten Sensorsignal (S2) zu berechnen und die Einrichtung (2, 3) in Abhängigkeit von der linearen Beschleunigungsgröße und der Drehratengröße zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung ferner eingerichtet ist, die Einrichtung (2, 3) in Abhängigkeit von einer weiteren Beschleunigungsgröße zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei eine Auswertungseinrichtung für den Drehratensensor (13), eine Auswertungseinrichtung für den Beschleunigungssensor (14) und eine Plausibilitätsüberprüfungseinrichtung als eine integrierte Schaltung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 abhängig von Anspruch 5, wobei die Vorrichtung, der Beschleunigungssensor, der Drehratensensor (13) und die integrierte Schaltung auf einem Chip integriert sind.