确定齿条力的方法和系统、运行辅助方法及运行辅助装置与流程

本发明涉及一种用于确定齿条力的方法和系统、工作装置、用于工作装置的运行辅助方法和运行辅助装置以及工作装置本身。本发明尤其涉及一种用于车辆的驾驶辅助方法和驾驶辅助装置以及车辆本身。

背景技术：

在特别是结合工作装置、特别是车辆的转向辅助系统或者驾驶员辅助系统的机电转向系统中，许多功能基于作为决定性的运行参数的作为基础的转向系统的齿条力的值来控制或者调节。因此，对于这种转向系统的鲁棒的运行，齿条力的值的鲁棒的确定非常重要。

从de102010030986a1中已知一种用于确定车辆的转向装置的齿条力的值的方法，其中，以第一模型计算行驶过程的齿条力的分量，并且以第二模型计算停车过程的齿条力的分量。

de102008042666a1涉及使用单个观察模型估计齿条力时的扰动参量补偿。

us2017/0096161a1描述了一种进行转向控制的方法和装置，其中，拾取不同的运行和行驶参数来计算齿条力。

用于确定齿条力的值的这些已知设备和/或方法针对特定应用情况、例如针对行驶过程或者停车过程进行了优化。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题是，给出一种用于确定转向系统的齿条力的方法和系统以及对应的运行辅助方法和装置以及工作装置、特别是车辆，其中，可以以特别可靠的方式针对多种应用情况确定作为基础的转向系统的齿条力的鲁棒的值。

本发明要解决的技术问题通过根据本发明的用于确定齿条力的值的方法、根据本发明的运行辅助方法、根据本发明的用于确定齿条力的值的系统、根据本发明的运行辅助装置以及根据本发明的工作装置、特别是车辆来解决。有利的扩展方案是下面的描述的主题。

根据本发明的第一方面，提供一种方法，其被配置为用于确定工作装置或者车辆的转向系统的齿条力的值。根据本发明的方法具有步骤：

-提供一组齿条力模型，

-采集作为基础的工作装置或者车辆的运行参数、特别是行驶参数，

-向多个齿条力模型输送运行参数或者行驶参数，

-根据相应的齿条力模型确定齿条力的值，

-对齿条力的值进行评估，以及

-(a)基于来自齿条力模型的齿条力的值，并且基于评估的结果，确定产生的合成的值并且作为齿条力的值提供。

通过根据本发明设置的措施，即通过使用多个齿条力模型并且通过评估根据模型导出的齿条力的值，总体上得到了在更宽的应用范围内具有提高的程度的可靠性的齿条力的值。

根据本发明，特别是还涉及借助利用不同的模型多次计算齿条力的值鲁棒地确定和/或观察齿条力以及涉及对结果进行可信度测试，由此得到当单独使用各个模型时，避免各个模型的系统性缺点。

当根据一个优选实施方式，使用多层面设计，特别是三层面设计时，其中，特别是对于作为模型化层面的车辆层面、转向传动机构层面和/或转向机构内部层面，分别提供并且使用用于计算齿条力的值的模型，通过根据本发明的方法产生特别高程度的可靠性。

此外，借助附加的观察和/或测量，可以构造并且可以使用附加的学习模型，所述学习模型利用所述多层面设计的结果来描述上级模型层面。该附加的模型一定程度上用作多层面设计的模型的包络(umhüllende)，并且可以用于进一步提高根据本发明的齿条力计算的鲁棒性，特别是在各个模型层面的最优运行点之间的过渡情形中。

原则上，可以将根据不同的齿条力模型确定的齿条力的各个值以不同的方式彼此组合并且对各个值进行评估，以导出共同的合成的齿条力的值。

有利的是，按照根据本发明的方法的一个优选扩展方案，在进行评估时，基于多个值导出多数决定、特别是3选2决定，并且在此选择与多数决定对应的、齿条力的多个值中的多数，并且产生的合成的齿条力的值的确定基于所述多数。在此，例如可以检查所导出的齿条力的各个值与对应地确定的误差极限是否处于共同的值范围内，和/或所导出的齿条力的值中的哪些在这种情境下是否不合常规，由此可以被忽略或者至少可以以较小的程度进行加权。

按照根据本发明的用于确定齿条力的值的方法的另一个有利的扩展方案，基于运行参数和/或行驶参数检查齿条力模型和/或由此导出的齿条力的值的可信度。因此，可能存在如下情形：在确定齿条力的值时，特定模型在给定的区间或者值范围内对于特定运行或者行驶参数比在另一个区间或者值范围内具有更高的可信度和可靠性。就此而言，例如在评估根据模型导出的齿条力的值时，可以依据运行参数或者行驶参数考虑不同的齿条力模型的可信度和/或说服力。

就此而言，特别有利的是，对根据齿条力模型导出的齿条力的值的评估和/或产生的合成的齿条力的值的确定基于所述可信度来进行。

对应地，可以特别有利的是，依据可信度和/或权重考虑齿条力模型和/或由此导出的齿条力的值。

按照根据本发明的方法的另一个有利的扩展方案设置为，产生的合成的齿条力的值直接地或者通过针对该值的代表性信号来提供。对应的代表性信号例如可以作为调节或者控制参量在作为基础的转向系统中使用。

原则上可以使用所有可以导出齿条力的值的模型。就此而言，所使用的齿条力模型的类型和数量原则上是任意的，例如与相应的应用情况匹配。

因此，按照根据本发明的方法的另一个实施方式，对于齿条力模型组中的一个模型，可以作为在作为基础的工作装置或者车辆的转向系统上处于力均衡的力总和来确定齿条力的值。

这特别是可以通过采集驾驶员手动转矩、转向辅助单元的辅助力和/或摩擦力/惯性力和/或基于下面的关系(1)来进行：

z1＝mh/il+fu+freib。(1)

在该关系(1)中，mh表示驾驶员手动转矩的值，il表示作为基础的转向机构主动齿轮的转换因子和/或有效半径的值，fu表示辅助力的值，并且freib表示摩擦力/惯性力的值。

在此，为了确定转向系统上的辅助力，可以采集能够测量的参量、特别是电气参量并且特别是通过卡尔曼滤波、通过神经网络和/或其它学习系统进行分析。

在根据本发明的方法的另一个替换扩展方案中设置为，对于齿条力模型组中的一个模型，特别是通过采集转向轮角度、行驶速度、横向加速度和/或侧向力根据工作装置或者车辆的单辙模型或者根据双辙模型和/或基于下面的关系(2)，作为在整个装置上或者在整个车辆上处于力均衡的力总和，更准确地说基于总装置信号或者总车辆信号，来确定齿条力的值：

z2＝lh/l·is·fy。(2)

在此，lh/l表示具有作为基础的轴距l和后轴与车辆重心的距离lh的重心与前轴距离(schwerpunktrücklage)，is表示作为基础的转向横拉杆的位移和半径角之间的轴运动学转换比，并且fy表示作用于车辆重心的横向力。

在根据本发明的方法的另一个替换实施方式中设置为，对于齿条力模型组中的一个模型，根据用于运行作为基础的转向辅助系统的电动机的电流的值和/或信号，优选使用卡尔曼滤波、神经网络和/或其它学习系统，在需要时考虑温度信号和/或关于发动机输出轴的角速度的信号，来确定齿条力的值。

为了进一步改善来自模型的齿条力的值、特别是要导出的产生的合成的齿条力的值的可靠性，有利的是，将来自相应的模型的齿条力的值作为齿条力的主要值输送至下游的估计方法，并且根据其考虑测量信号矩阵和/或学习方法，特别是基于神经网络和/或卡尔曼滤波，导出校正后的齿条力的值。

根据本发明的另一方面，还提供一种用于一般的工作装置、特别是用于车辆的运行辅助方法、特别是驾驶辅助方法。在根据本发明的运行辅助方法或者驾驶辅助方法中，基于齿条力的值来控制或者调节作为基础的工作装置、特别是作为基础的车辆的运行。在所提出的方法中，通过根据本发明的用于确定齿条力的值的方法来确定齿条力的值。

此外，本发明还提供一种用于确定工作装置、特别是车辆的转向系统的齿条力的系统。所提出的系统被配置为执行根据本发明的用于确定齿条力的值的方法或者根据本发明的运行辅助方法或者驾驶辅助方法。

特别是，根据本发明的系统被构造为具有

-用于提供一组齿条力模型的单元，

-用于采集作为基础的工作装置、特别是作为基础的车辆的运行参数、特别是行驶参数的单元，

-用于向多个齿条力模型输送运行参数、特别是行驶参数的单元，

-用于根据相应的齿条力模型确定齿条力的值的单元，

-用于对齿条力的值进行评估的单元，以及

-用于(a)基于来自齿条力模型的齿条力的值，并且(b)基于评估的结果，确定并且提供产生的合成的齿条力的值的单元。

此外，本发明还提供一种用于工作装置、特别是用于车辆的运行辅助装置、特别是驾驶辅助装置。所提出的运行装置被配置为执行根据本发明的用于确定工作装置、特别是车辆的转向系统的齿条力的值的方法，特别是对应的运行辅助方法或者驾驶辅助方法。特别是，运行辅助装置或者驾驶辅助装置具有根据本发明的系统。

此外，本发明还提供一种工作装置、特别是车辆，其被配置为执行根据本发明的用于确定转向系统的齿条力的值的方法或者对应的运行辅助方法或者驾驶辅助方法或者在这些方法中使用。

所提出的运行辅助装置或者驾驶辅助装置特别是具有根据本发明的系统的实施方式。

最后，本发明还提供一种工作装置、特别是车辆，其同样被配置为执行所述根据本发明的用于确定转向系统的齿条力的值的方法和/或所述根据本发明的运行辅助方法或者驾驶辅助方法或者在这种方法中使用。

特别是，为此，所提出的工作装置和所提出的车辆可以具有根据本发明设计的运行辅助装置或者驾驶辅助装置、特别是根据本发明的系统。

附图说明

本发明的其它细节、特征和优点从下面的描述和附图中得到。

图1按照流程图的方式示意性地描述了根据本发明的用于确定工作装置或者车辆的转向系统的齿条力的值的方法和系统的实施方式。

图2至图4示意性地描述了在根据本发明的方法和系统的实施方式中可以使用的不同的齿条力模型的各方面。

具体实施方式

下面，参考图1至图4详细描述本发明的实施例和技术背景。相同和等同的以及相同或者等同地起作用的元素和部件用相同的附图标记表示。并非在它们出现的每种情况下都会再现对所表示的元素和部件的详细描述。

所示出的特征和其它特性可以以任意形式相互独立并且任意相互组合，而不脱离本发明的主旨。

图1按照流程图的方式示意性地描述了用于确定工作装置10'或者车辆10的转向系统15的齿条力fzst的值z的根据本发明的方法s和根据本发明的系统100的实施方式。

在方法s的第一步骤s1中或者结合系统100的第一单元1，提供多个齿条力模型mi的组。各个齿条模型mi例如可以作为过程、函数等存储在存储设备中，或者可以作为asic的部件，然后在调用并且输送对应的参数时，作为齿条力fzst的值提供相应的模型mi的值zi。

在方法s的第二步骤s2中或者结合系统100的第二单元2，例如通过传感器或者基于由传感器采集的数据借助对应的数值评估，采集例如行驶参数fj意义上的运行参数。

在方法s的后续步骤s3中或者结合系统100的单元3，作为输入向齿条力模型组中的模型mi输送运行参数或者行驶参数fj，并且结合之后的步骤s4和对应的单元4，从相应的齿条力模型mi采集齿条力fzst的值zi。

因此，以这种方式，形成了对应的、即与齿条力模型mi的组对应的齿条力fzst的值zi的组。

然后，在方法s的后续步骤s5中或者结合系统100的单元5，根据运行参数或者行驶参数fj对根据模型mi确定的齿条力fzst的值zi例如关于其可信度和/或关于相应地作为基础的模型mi的有效范围进行评估。

然后，在方法s的后续步骤s6中或者结合系统100的另一个单元6，基于齿条力fzst的值zi，并且在需要时考虑值和作为其基础的模型mi的可信度以及考虑可能的加权，在一定程度上作为函数或者关联f的值，确定产生的合成的齿条力fzst的值z，该函数或者关联f作为输入参数获得来自模型mi的值zi并且提供产生的合成的齿条力fzst的值z。

最后，在方法s的步骤s7中或者结合系统100的另一个单元7，直接或者间接地、即例如作为对应的代表性信号提供所确定的产生的合成的齿条力fzst的值z，以便例如在调节方法或者控制方法中使用。

图2至图4示意性地描述了在根据本发明的方法s和系统100的实施方式中可以使用的不同的齿条力模型m1、m2、m3的各方面。

图2示意性地描述了用于确定齿条力fzst的值z1的可能的第一模型m1，其中，例如通过采集驾驶员手动转矩mh、转向辅助单元15的辅助力fu和/或摩擦力/惯性力freib和/或基于下面的关系(1)，作为在作为基础的工作装置10'或者车辆10的转向系统上处于力均衡的力总和来确定齿条力fzst的值z1：

z1＝mh/il+fu+freib,(1)

其中，在那里，mh表示驾驶员手动转矩的值，il表示作为基础的转向机构主动齿轮的转换因子和/或有效半径的值，fu表示辅助力的值，并且freib表示摩擦力/惯性力的值。

图3示意性地描述了用于确定齿条力fzst的值z2的可能的第二模型m2，其中，作为基于总装置信号或者总车辆信号处于力均衡的力总和来确定齿条力fzst的值z2。这例如可以通过采集转向轮角度、行驶速度、横向加速度和/或侧向力根据工作装置10'或者车辆10的单辙模型或者根据双辙模型和/或基于下面的关系(2)来进行：

z2＝lh/l·is·fy·is。(2)

在此，lh/l表示具有作为基础的轴距l和后轴与车辆重心的距离lh的重心与前轴距离，is表示作为基础的转向横拉杆的位移和半径角之间的轴运动学转换比，并且fy表示作用于车辆重心的横向力。

最后，图4示意性地描述了用于确定齿条力fzst的值z3的可能的第三模型m3，其中，根据用于运行作为基础的转向辅助系统15的电动机12的电流的值和/或信号，优选使用卡尔曼滤波和/或神经网络11，来确定齿条力fzst的值z3。在需要时，这可以在考虑温度信号和/或关于发动机输出轴的角速度的信号或者其它参数或变量的情况下进行。

借助下面的阐述来进一步说明本发明的这些和其它特征和特性：

对于车辆的横向动态运行，行驶状态和行驶环境是决定性的影响因素。不仅人类驾驶员、而且自动或者半自动驾驶系统依赖于关于这些影响因素的信息的反馈，以对车辆进行可靠的横向引导。

虽然横向动态参量、例如横向加速度或者偏转比率利用相应的车辆的惯性来反映当前行驶状态，但是轮胎侧向力代表了横向动态作用链的发起者。

与轮胎侧向力相比，行驶状态参量可以以小的开销测量，但是总是具有时间延迟。轮胎侧向力通过轴运动学作为齿条力作用于转向机构，并且仅能够通过复杂并且昂贵的测量技术来确定。

此外，对于机电转向系统，出现了基于在转向系统中可使用的传感设备来设计用于观察施加的齿条力的算法的可能性。算法的设计很大程度上取决于进一步的应用的要求。

在现有技术中没有可独立于具体的应用情况地使用的、用于鲁棒地确定齿条力的值的方法。

已知的计算方法在高幅值保真或者高相位保真的方向上进行了优化。

此外，已知方案包含许多参数，这些参数难以确定并且还经常由于分散在生产中并且由于磨损、例如摩擦而发生改变。

效率的确定非常复杂，因为其与转向系统的当前负荷和移动方向有关。

其结果是，用于确定齿条力的值的方法和系统的开发相对复杂，此外，所开发的功能仅能够在非常有限的范围内使用。

相对于传统的电动转向系统、例如eps，在线控转向系统(steer-by-wire-lenksystemen)中存在附加的要求。由于去掉了转向柱，在那里也省去了扭矩传感器。扭矩传感器迄今为止用于确定由驾驶员引入的手动转矩。

此外，线控转向系统必须利用由于所要求的故障安全性而被实施为冗余的控制设备和电机来驱动。

其结果是，在系统中存在附加的摩擦力、惯性和弹性，由此计算变得比在传统的eps转向机构中更复杂。

还必须考虑附加的测量信号。

在本发明中，对齿条力观察的优化基于齿条力的冗余计算来实现。

这种方案的优点是，不同的计算方法在不同的齿条力模型mi的意义上以整体上在协作中补偿方法各自的缺点的方式组合。

第一模型m1或者第一方法例如在于如下齿条力观察，其中，在转向系统15上处于力均衡的力总和可以根据驾驶员的影响、即驾驶员手动转矩mh、辅助力fu和摩擦力或惯性力freib推断出通过测量技术不能直接采集的齿条力fzst，如在图2中所示出的。

在此，为了准确地确定辅助力fu，例如可以使用卡尔曼滤波。这种方案考虑在转向系统15上可测量的参量。根据本发明，转向机构的粘滑效应(stickslip-effekten)或者改变的摩擦力的情况下的可能的缺点可以通过与其它齿条力模型组合来进行补偿。

第二模型m2或者第二方法在于基于总车辆信号计算齿条力的值。

例如基于转向轮角度、车辆速度的值，可以借助模型车辆映射、例如单辙模型或者按照双辙模型的方式推断出横向加速度，由此推断出侧向力，如在图3中所示出的。

齿条力fzst的值根据侧向力和轴运动学转换比来计算。因为通过标准传感设备采集横向角速度，因此可以实时地和/或在线更新或者优化所使用的车辆模型的参数。

对于第三模型m3或者对应的第三方法，使用在电动机运行过程中采集的信号。其特别是包括测量的电流，测量的电流给出关于由电动机提供的辅助转矩的情况。

此外，例如温度信号和/或发动机输出轴的角速度的值可以用于推断施加的发动机转矩。为了确定产生的发动机转矩，由此(关于转向机构的力均衡)确定施加的齿条力，可以使用诸如卡尔曼滤波、神经网络和/或其它学习方法的计算方法，如在图4中所示出的。

基于所设想的模型m1至m3的方案或者基于除此之外的模型的齿条力的值的计算在最优情况下提供三个相同的齿条力信号。然而，对于其它情况，在不同的计算方法之间可能出现偏差。因此，优化的齿条力计算的目标要求对所确定的齿条力信号进行分析和加权。在第一步骤中，可以基于多数决定来选择有效信号。

在评估根据各个模型m1至m3产生的齿条力fzst的值z1至z3时，可以想到以下方法：

如果一种计算方法、即模型m1至m3中的一个的结果在很大程度上偏离另外两种方法或模型的结果，则将该偏差评估为有错误，并且相信齿条力fzst的其余的值或者对应的信号。此外，可以根据对齿条力计算的品质的相应的要求来调整选择方法。对行驶状态的分析在此例如可以是一种方法。对于所测量的横向加速度作为参考使得能够实现相对鲁棒的齿条力计算的准静态机动动作，对第二方法分配高的权重。

因此，在三个互为基础的层面上观察齿条力fzst的值zi，即

1.在转向机构的辅助电机和/或控制设备的电气参量的层面，

2.在转向机构的机械参量的层面，以及

3.在车辆参量的层面。

通过3选2决定，转向系统15可以在没有外部输入的情况下作出决定，这种方法在相应的行驶情形中提供最准确的结果。

为了不导致信号跳跃，特别是观察计算方法之间的过渡情形。通过几个时间步长的斜坡或者滤波算法的使用，确保了连续的过渡。

即使借助结合附图说明的实施例详细描述了根据本发明的各方面和有利实施方式，本领域技术人员也可以对所示出的实施例的特征进行变形和组合，而不脱离本发明的范围，本发明的保护范围由权利要求书来限定。

附图标记列表

1用于提供s1齿条力模型mi的组的单元

2用于采集s2运行参数/行驶参数fj的单元

3用于输送s3运行参数/行驶参数fj的单元

4用于确定s4齿条力fzst的值zi的单元

5用于评估s5齿条力fzst的值zi的单元

6用于确定s6产生的合成的齿条力fzst的值z的单元

7用于提供s7产生的合成的齿条力fzst的值z的单元

10车辆

10'工作装置

11神经网络

12电动机，辅助电机

15转向系统

100系统

fj行驶参数，其中，j＝1,2,3,...

freib摩擦力(的值)

fu辅助力(的值)

fy作用于车辆重心的横向力

fzst齿条力(的值)

i轴距

ih后轴与车辆重心的距离

lh/l重心与前轴距离

il作为基础的转向机构主动齿轮的转换因子和/或有效半径

is作为基础的转向横拉杆的位移和半径角之间的轴运动学转换比

mh驾驶员手动转矩(的值)

mi齿条力模型，其中，i＝1,2,3,...

s方法

s1提供s1齿条力模型mi的组

s2采集s2运行参数/行驶参数fj

s3输送s3运行参数/行驶参数fj

s4确定s4齿条力fzst的值zi

s5评估s5齿条力fzst的值zi

s6确定s6产生的合成的齿条力fzst的值z

s7提供s7产生的合成的齿条力fzst的值z

z(合成的/产生的)齿条力fzst的值

zi来自齿条力模型mi的齿条力fzst的值，其中，i＝1,2,3,...