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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Vernetzung von Regelungs- und/oder Steuerungsfunktionen
für ein
Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Heutzutage wird in Kraftfahrzeugen
eine Vielzahl von unterschiedlichen Systemen eingesetzt, wobei sich
in Zukunft die Anzahl der Systeme erhöhen wird; Beispiele für derartige
Systeme sind die elektronische Motorsteuerung, die elektronische
Getriebesteuerung, die Funktionen ASR (Antriebsschlupfregelung)
und ABS (Antiblockiersystem), die Schaltstrategiesteuerung, die
Niveauregulierung etc.
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Hierbei kann die Situation eintreten,
dass sich die Funktionen gegenseitig in negativer Weise beeinflussen;
ferner erfolgt die Aufteilung von Steuer- und Regelalgorithmen auf
Funktionsmodule häufig nicht
systematisch. Dies wiederum bedeutet, dass eine Erweiterung der
Funktionsstruktur sehr zeit- und kostenaufwändig ist.
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Durch die Vielzahl der eingesetzten
Systeme, die z. T. auf die selbe Fahrzeugkomponente eingreifen,
wie beispielsweise Komfort- und Fahrstabilitätsfunktionen, die beide die
Stossdämpfer
beeinflussen, ist ein definiertes optimales Zusammenwirken dieser
Systeme notwendig, um ein sicheres und komfortables Fahrverhalten
zu gewährleisten.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bzw.
Systeme zur Steuerung und/oder Regelung von Komponenten eines Kraftfahrzeugs
bekannt. Beispielsweise ist im Rahmen der
DE 411 10 23 A1 ein System
beschrieben, welches aus Elementen zur Durchführung von Steueraufgaben wenigstens
bezüglich
der Motorleistung, der Antriebsleistung und des Bremsvorgangs sowie
aus Elementen, die das Zusammenwirken der Elemente zur Durchführung von
Steueraufgaben koordinieren, besteht, wobei die Elemente in Form
einer Hierarchie angeordnet sind, so dass Elemente einer Hierarchieebene
auf Elemente der nächsten
Hierarchieebene eingreifen können.
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Des weiteren ist aus der
DE 198 38 336 A1 ein
System zur Steuerung der Bewegung eines Kraftfahrzeugs bekannt,
welches aus mehreren Ebenen besteht, wobei in einer ersten Ebene
mindestens eine Komponente zur Steuerung der Fahrzeugbewegung vorgesehen
ist, welche in einer zweiten Ebene im Rahmen einer Verfeinerung
mindestens eine Komponente Vortrieb und Bremse umfasst. Des weiteren
ist in einer dritten Ebene diese Komponente wenigstens in zwei Einzelkomponenten
Vortrieb und Bremssystem strukturiert. Hierbei können die Komponenten miteinander
zum Austausch von Informationen kommunizieren.
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Bei diesen bekannten Verfahren wird
demnach eine grobe Strukturierung für Funktionen des Antriebsstrangs
und des Bremssystems angegeben; die Funktionsstruktur ist als Baumstruktur
organisiert, was das Zusammenwirken der Funktionen einschränkt, insbesondere
was die Vorgabe von Soll-Betriebsmoden
oder Sollwerten anbelangt.
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Des weiteren wird bei den bekannten
Ansätzen
die Strukturierung von Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen,
die auf untere Strukturierungsebenen wirken, sowie die Detaillierung
der Kommunikationsbeziehungen zwischen den Funktionen nicht definiert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vernetzung von Regelungs-
und/oder Steuerungsfunktionen für
ein Kraftfahrzeug anzugeben, welches die Nachteile des Standes der
Technik vermeidet.
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Insbesondere soll eine definierte
Vorschrift zur Erstellung einer Funktions- und Kommunikationsstruktur
bis auf untere Hierarchie-Ebenen angegeben werden. Zudem soll die
mittels des Verfahrens erzeugte Struktur ausfallresistent vernetzt
sein, so dass die Steuerungsfunktionen aktiv bleiben, wenn die Kommunikation
gestört
ist oder wenn andere Funktionen ausfallen. Ein weiteres Ziel ist
es, eine leichte Erweiterbarkeit um weitere Steuerungs- und/oder
Regelungsfunktionen zu ermöglichen,
ohne die bestehenden Strukturen zu verändern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere Varianten und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach wird vorgeschlagen, die Aufteilung der
Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen und die Kommunikationsstruktur
der Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen mittels Graphen, enthaltend
Knoten und gerichtete Kanten, zu definieren, wobei die Knoten des
Graphen Steuerungs- und/ oder Regelungsfunktionen und dessen gerichtete Kanten
definierte Kommunikationspfade der Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen
darstellen.
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Für
ein Fahrzeug mit einer definierten Menge an Stelleingriffen durch
entsprechende Aktuatoren, beispielsweise Niveauregulierung oder
Betriebsbremse, und einer definierten Menge an zu steuernden bzw.
zu regelnden Systemgrößen, beispielsweise
Fahrzeugniveau oder Radschlupf, werden gemäß der Erfindung die verschiedenen
Steuer- und Regelalgorithmen auf verschiedene Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen
aufgeteilt und die Kommunikation der Steuerungs- und/ oder Regelungsfunktionen definiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet
ein hinsichtlich der Sicherheit, des Fahrkomforts sowie des jeweiligen
Fahrerwunsches optimales Systemverhalten, insbesondere aufgrund
der geordneten Wechselwirkung der Steuer- und Regelalgorithmen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
der beigefügten
Figuren beispielhaft näher
erläutert.
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Es stellen dar:
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1 eine
schematische Darstellung zweier Knoten und einer gerichteten Kante
sowie der Kommunikation zwischen den beteiligten Steuerungs- und/oder
Regelungsfunktionen gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung zweier Knoten und einer gerichteten Kante
sowie der Kommunikation zwischen den beteiligten Steuerungs- und/oder
Regelungsfunktionen in einer der 1 dargestellten
Kommunikation entgegengesetzten Richtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Ausführungsbeispiel
einer zur Erstellung eines erfindungsgemäßen Graphen verwendbaren Tabelle
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 ein
Ausführungsbeispiel
einer weiteren zur Erstellung eines erfindungsgemäßen Graphen
verwendbaren Tabelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5 ein
Ausführungsbeispiel
eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
erstellten Graphen und
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
erstellten Graphen.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufteilung
der Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen eines Kraftfahrzeugs
und die Kommunikationsstruktur der Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen
mittels Graphen, enthaltend Knoten und gerichtete Kanten definiert;
hierbei stellen die Knoten der Graphen Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen
und deren gerichtete Kanten definierte Kommunikationspfade der Steuerungs-
und/oder Regelungsfunktionen dar.
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Die gerichteten Kanten der Graphen
sind gemäß der Erfindung
geordnete Paare (X, Y) von Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen
und können als
Pfeile zwischen den Knoten, also den Funktionen, dargestellt werden.
Dies wird in den 1 und 2 schematisch dargestellt.
Ein Graph weist eine endliche Anzahl von Knoten auf.
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Gemäß der Erfindung werden die
Knoten wie folgt definiert: Sie stellen Steuerungs- oder Regelungsfunktionen
Gi, Ri, und Si dar, wobei Gi mindestens
eine für
jede zu steuernde Systemgröße gi definierte Funktion ist, die Sollwerte sollγi für
gi definiert, Ri mindestens
eine für
jede zu steuernde und/oder zu regelnde Systemgröße gi definierte
Funktion ist, die gi mittels Sollwertvorgaben
für andere
Funktionen X1, X2,
X3, ... steuert und/oder regelt und wobei
Si eine für jeden Stelleingriff si definierte Funktion ist, welche Zugriffe
von Funktionen X1, X2,
X3, ... auf den Stelleingriff si organisiert.
Gemäß der Erfindung
wird für
eine Funktion nur ein Knoten definiert.
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Erfindungsgemäß kann statt zwei Funktionen
Gi und Gj eine einzige
Funktion G Sollwerte für die
Systemgrößen gi und gj definieren
oder kann statt zwei Funktionen Ri und Rj eine einzige Funktion R die Systemgrößen gi und gj steuern,
so dass Funktionen, die unterschiedliche Bezeichnungen wie z. B.
Xi und Xj oder Si und Sj tragen,
nicht notwendigerweise getrennte Funktionen sein müssen, sondern
auch zusammengefasst werden können.
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Für
jede Funktion Z ist erfindungsgemäß eine Größe Ist-Betriebsmodus istbZ definiert,
die beispielsweise die Werte „aktiv", „inaktiv", „limp home", ... annehmen kann.
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Hierbei erfolgt die Berechnung des
Ist-Betriebsmodus istbZ auf
folgende Weise:
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- – Die
Funktion Z erhält
von n anderen Funktionen X1, X2,
X3, ..., Xn Soll-Betriebsmodi sollbX1, sollbX2, sollbX3, sollbXn.
- – Die
Funktion Z erhält
von m anderen Funktionen Y1, Y2,
Y3, ..., Ym Ist-Betriebsmodi istbY1, istbY2, istbY3, .., istbYm.
- – Des
weiteren liegt ein interner Soll-Betriebsmodus der Funktion Z sollbZintern vor
(der interne Soll-Betriebsmodus kann z. B. einen Fehlermodus der
Funktion anzeigen).
- – Der
Ist-Betriebsmodus istbZ der
Funktion Z wird mittels einer funktionsspezifischen Funktion f berechnet:
ist soll soll soll soll ist
istbZ = f(sollbX1, sollbX2, sollbX3, ..., sollbXn, istbY1, istbY2, istbY3, ..., istbYm, sollbZintern) wobei die Berechnung beispielsweise
mit Hilfe eines Zugriffs auf ein (n + m + 1)-dimensionales Array
realisiert werden kann:
istbZ = Array (sollbX1, sollbX2, sollbX3, ..., sollbXn, istbY1, istbY2, istbY3, ..., istbYm, sollbZintern).
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Wenn die Funktion Z keinen externen
Betriebsmodus erhält,
dann erfolgt die Berechnung des Ist-Betriebsmodus allein auf Basis
des internen Soll-Betriebsmodus: istbZ = sollbZintern; die Mitteilung eines Fehlermodus
an andere Funktionen erfolgt mittels des Ist-Betriebsmodus istbZ.
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Für
zwei Knoten X und Y wird die gerichtete Kante (X, Y) genau dann
in den Graphen eingetragen, wenn die Funktion X an die Funktion
Y einen Soll-Betriebsmodus übermittelt
(1). Wenn die Kante
(X, Y) eingetragen ist, dann kann optional die Funktion X der Funktion
Y einen oder mehrere Sollwerte α, β, χ, ... für System-
oder Stellgrößen a, b,
c, ... übermitteln.
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Des weiteren muss, wenn (X, Y) eine
Kante im Graph ist, die Funktion Y der Funktion X genau einen Ist-Betriebszustand istbY übermitteln,
wie in 2 gezeigt. Wenn
X, Y eine Kante im Graph ist, dann kann optional die Funktion Y
der Funktion X einen oder mehrere Sollwerte λ, μ, ν, ... für System- oder Stellgrößen l, m,
n, ... übermitteln,
wie in 2 veranschaulicht.
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Mittels des Ist-Betriebszustands istbY kann die Funktion
X beispielsweise beurteilen, ob die Funktion Y die Vorgabe des Soll-Betriebsmodus
und gegebenenfalls der Sollwerte umsetzt. Setzt die Funktion Y die
Vorgaben nicht in hinreichender Weise um, dann muss die Funktion
X für die
Umsetzung ihrer Zielvorgaben erfindungsgemäß Alternativen suchen. Beispielsweise
könnten
Ziele der Funktion X mit Hilfe anderer Funktionen Y2,
Y3, Y4, ... realisiert werden;
es kann auch vorgesehen sein, dass die Funktion X mit einem Wechsel
des eigenen Betriebsmodus reagiert.
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Erfindungsgemäß kann, wenn (X, Y) eine Kante
im Graph ist, die Funktion Y der Funktion X optional Grenzen αmin, αmax, βmin, βmax, χmin, χmax, ... übermitteln,
innerhalb derer die Funktion Y Sollwertvorgaben der Funktion X für System- oder Stellgrößen a, b, c,...
realisieren kann. Auf diese Weise kann die Funktion X die Realisierbarkeit
ihrer Sollwertvorgaben durch die Funktion Y prüfen und falls erforderlich
weitere Funktionen Y2, Y3,
Y4, ... aktivieren.
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Obwohl bei einer gerichteten Kante
(X, Y) die Funktion Y der Funktion X keinen Soll-Betriebsmodus übermittelt, kann
die Funktion Y über
die Sollwertübermittlung
an die Funktion X Einfluss auf X nehmen, um die Zielvorgaben von
Y zu realisieren. Gegebenenfalls muss die Funktion X die Sollwerte
an weitere Funktionen weiterleiten. Beispielsweise können so
Ressourcen (beispielsweise hinsichtlich der Energieversorgung) beantragt
werden. Zudem kann eine Funktion X einer Funktion Y Ist-Systemgrößen übermitteln,
ohne dass die Kante (X, Y) im Graphen definiert ist; dies kann beispielsweise
bei Sensorwerten der Fall sein.
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Wenn mehrere Funktionen X1, X2, X3,
... Sollwerte sollwX1, sollwX2, sollwX3, ... für eine Größe w an
die Funktion Y übermitteln,
dann werden gemäß der Erfindung
Zugriffskonflikte wie folgt verhindert:
In Abhängigkeit
vom Ist-Betriebsmodus der Funktion Y istbY, wird von der Funktion Y entschieden, welcher der
Sollwerte sollwX1, sollwX2, sollwX3, ... verwendet
wird bzw. wie der zu verwendende Sollwert für die Größe w aus sollwX1, sollwX2, sollwX3, ... berechnet wird. Zudem wird die Berechnung
des Ist-Betriebsmodus mittels Soll-Betriebsmodi bzw. Ist-Betriebsmodi, derart durchgeführt, dass
eine eindeutige Auswahl bzw. Berechnung des Sollwertes für w aus
der Menge der Sollwerte {sollwX1, sollwX2, sollwX3, ...} gegeben
ist.
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Alternativ kann die Entscheidung,
welcher der Sollwerte {
sollw
X1,
sollw
X2,
sollw
X3, ...} bzw.
welche Berechnungsvorschrift verwendet werden soll, durch eine definierte
Funktion Z mit Z
{X
i} und Z ≠ Y
vorgegeben werden, wobei in diesem Fall die Funktion Z der Funktion
Y einen Betriebsmodus
sollb
Z übermittelt und
wobei die Berechnung des internen Ist-Betriebsmodus
istb
Y und damit die Auswahl eines Sollwer tes bzw.
einer Berechnungsvorschrift derart erfolgt, dass der verwendete
Sollwert bzw. die Berechnungsvorschrift des Sollwertes für w nur
von
sollb
Z abhängt.
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Die Sollbetriebsmoden regeln somit
das Zusammenwirken der Steuerungsfunktionen auf eindeutige und deterministische
Weise.
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Gemäß der Erfindung werden die
Kanten der Graphen derart gewählt,
dass kein gerichteter Kreis entsteht. Dies bedeutet, dass sich eine
Funktion entlang einer Kommunikationskette X1 – X2 – X3 – ...
Xn – X1 nicht indirekt selbst einen Betriebsmodus
vorgeben darf. Es ist beispielsweise gemäß der Erfindung nicht möglich, dass
sowohl (X, Y) als auch (Y, X) gerichtete Kanten im Graph sind, da
auf diese Weise ein gerichteter Kreis X – Y – X entsteht.
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Die gerichteten Kanten eines Graphen
können
erfindungsgemäß beispielsweise
mittels des folgenden Verfahrens ermittelt werden:
Es wird
eine erste Tabelle gemäß 3 erstellt, wobei in die
erste Spalte die Funktionen Gi und in die erste
Zeile die Funktionen Ri eingetragen werden,
so dass Zellen (Gi, Ri)
entstehen. Wenn Gi einen Sollwert für gi definiert, dann wird in die Zelle (Gi, Ri) der Tabelle
ein Kreuz „x" eingetragen bzw.
die Zelle (Gi, Ri)
wird markiert.
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Anschließend wird eine zweite Tabelle
gemäß 4 erstellt, wobei in die
erste Zeile die Funktionen Si und in die
erste Spalte die Funktionen Ri eingetragen
werden. Wenn die Stellgröße si Einfluss auf die Systemgröße gj hat und die Funktion Ri die
Funktion Si zur Steuerung und/oder Re gelung
von gj nutzt dann wird in die Zelle (Ri, Sj) der Tabelle
ein Kreuz „x" eingetragen (oder
die Zelle (Ri, Sj)
wird markiert).
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Gemäß der Erfindung sind die in
den Tabellen mit „x" gekennzeichneten
Zellen die notwendigen Kanten des zugehörigen Graphen, der Gegenstand der 5 ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
eines Anwendungsbeispieles näher
beschrieben.
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Es werden die Stelleingriffe
- – s1 variable Dämpfung,
- – s2 Stabilisatormoment,
- – s3 Niveauregulierung und
- – s4 Motormoment
und die entsprechenden
Funktionen S1, S2,
S3 und S4 definiert.
Hierbei werden die Stelleingriffe auf gleichartige Stellgrößen zur
Vereinfachung der Darstellung des Anwendungsbeispiels zu einem Stelleingriff
zusammengefasst. So werden beispielsweise die radindividuellen Dämpfungseingriffe
vereinfachend als ein Stelleingriff s1 zusammengefasst.
Als Systemgrößen werden - – g1 Aufbau – Vertikalbeschleunigung,
- – g2 Wankwinkel,
- - g3 Nickwinkel,
- – g4 Fahrzeugniveau und
- – g5 Radschlupf
sowie die entsprechenden
Funktionen G1, G2,
G3, G4 und G5 definiert. Hierbei definiert G1 einen
Sollwert sollγ1 für die Vertikalbeschleunigung,
G2 einen Sollwert sollγ2 für den Wankwinkel,
G3 einen Sollwert sollγ3 für den Nickwinkel,
G4 einen Sollwert sollγ4 für das Fahrzeugniveau
und G5 einen Sollwert sollγ5 für den Radschlupf.
Des weiteren werden die Funktionen R1 Steuerung/Regelung
Aufbau Vertikalbeschleunigung, R2 Steuerung/Regelung
Wankwinkel, R3 Steuerung/Regelung Nickwinkel,
R4 Niveauregulierung und R5 Regelung
Radschlupf definiert.
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Gemäß der in 3 dargestellten Tabelle werden beispielsweise
zwischen {Gi} und {Ri}
folgende gerichtete Kanten ermittelt:
(G1,
R1), (G2, R2), (G3, R3), (G4, R4), (G5, R5)
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Die gerichteten Kanten zwischen den
Funktionen {Ri} und {Si}
sind der Tabelle gemäß 4 zu entnehmen:
(R1, S1), (R2, S1), (R3, S1), (R2, S2), (R5, S2) (R4, S3), (R5, S4)
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Beispielsweise trägt die Kante (R5,
S4) der Möglichkeit Rechnung, dass eine
Funktion R5, die den Radschlupf regelt,
in sicherheitskritischen Fahrsituationen direkt in den Stabilisator
eingreift, um entsprechende Radlast zu erhalten.
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Als Resultat des Verfahrens zur Vernetzung vom
Regelungs- und/oder Steuerungsfunktionen ergibt sich der Graph in 5. Diese Funktionsstruktur ist
mittels eines Baumes nicht darstellbar.
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Wie bereits erwähnt, ist es möglich, Funktionen
zusammenzufassen. Wenn beispielsweise G1, G2 und G3 zu einer
Funktion G zusammengefasst werden, entsteht der in 6 dargestellte Graph.