CN101204953B - 运载工具的自适应制动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于具有多个装有轮胎(2)和制动器(4)的轮子(1)的运载工具的制动控制方法，该控制方法包括响应制动指令为每个轮子产生制动设定点(C_f，set)，以及包括用于每个轮子的下列步骤：步骤A：有规律地更新代表着摩擦系数(μ)和轮子滑移率(τ)之间的关系的抓地力模型；步骤B：用该有规律地更新的抓地力模型及其特征形状在给定的预测视距内确定制动设定点的变化，且同时既遵守制动指令和在预测视距中的可预测的变化，也遵守给定的计算约束；以及把用这一方式所确定的变化的对应于预测视距内的第一计算循环的值保持作为所述制动设定点的值。

Description

运载工具的自适应制动控制方法

技术领域

本发明涉及一种自适应地控制运载工具的制动的方法。

背景技术

现在已知有各种用于控制有多个装有轮胎和制动器的轮子的运载工具的制动的方法，这些控制方法可响应制动指令为每个轮子产生一个制动设定点。这种控制方法包括防抱死保护，例如包括用于每个轮子的以下步骤：

·估算轮子的滑移率，其等于τ＝1-Rω/v，其中R是轮子的滚转半径，ω是轮子的角速度，以及v是飞机的纵向速度；以及

·如果估算的滑移率大于一个最佳滑移率，就降低轮子的制动设定点，以使滑移率回到小于最佳滑移率，所谓最佳滑移率，是装在轮子上的轮胎与跑道协作而产生最大的摩擦系数的情况下的滑移率。

在制动器是液压制动器的情况下，也可以用施加于活塞的液压压力来等同地建立制动设定点；而在制动器是电气制动器的情况下，可以根据由机电执行器的推进器所施加的力来建立制动设定点，或者，还可以用将由所关注的制动器产生的制动力矩。

那种控制方法可用于限制轮子的抱死，因而能够明显地改善制动性能并能使运载工具在较短的距离内停止。

一般地说，最佳滑移率是预先确定的，例如确定为8％。然而，内行人知道，轮子和跑道之间的摩擦特性是变化很大的，最佳滑移率可能随轮子遇到的地面状况(跑道是干的、湿的、被雪覆盖、或被冰覆盖等等)而变化，这使得预先确定的最佳滑移率不可能对应于所有这些状况。

某些已知的估算方法可用于更新轮子和跑道之间的某些摩擦特性。例如专利文件DE 10 2005 001 770揭示了一种用于调节防抱死系统中的滑移率的方法，这种方法包括对一个代表着摩擦系数和滑移率之间的关系的参数化的抓地力模型进行更新，并且从这种模型推导出一个更新的最佳滑移率的步骤。

类似地，专利文件EP 1 372 049揭示了如何考虑若干估算值和测量值来确定一个最佳滑移率，以及如何在那个最佳滑移率周围调节的制动作用。

专利文件US 2003/0154012也揭示了一种预测性的防抱死控制，其可基于一个非参数化的抓地力模型来预测一个未来的滑移率，以检测发生抱死的任何趋势，并相应地修改制动设定点，以便避免那样的抱死。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善的制动控制方法。

为达到这一目的，本发明提供一种用于具有多个装有轮胎和制动器的轮子的运载工具的制动控制方法，该控制方法包括响应制动指令为每个轮子产生制动设定点，以及包括用于每个轮子的下列步骤：

·步骤A：有规律地更新代表着摩擦系数和轮子滑移率之间的关系的抓地力模型；

·步骤B：用该有规律地更新的抓地力模型及其特征形状在给定的预测视距内确定制动设定点的变化，且同时既遵守制动指令和在预测视距中的可预测的变化，也遵守给定的计算约束；以及把用这一方式所确定的所述变化的对应于预测视距中的第一计算循环的值保持作为制动设定点的值。

有规律地更新整个抓地力模型使得可以用代表着跑道的实际状况的动态特性进行工作。具体地说，由于通过有规律地更新抓地力模型而自动地考虑了跑道状况和滚转半径，就不再需要作任何关于跑道状况和滚转半径的假设。

因此，不再需要如专利文件US 2003/0154012中那样根据不变的抓地力模型，而是根据一个可被有规律地更新的以考虑了跑道的实际状况的抓地力模型，来预测制动系统的未来性能。如果那个专利文件的那种不变的抓地力模型不对应于跑道的实际状况(例如，如果抓地力模型只是适用于干的跑道，而跑道却是湿滑的或被雪覆盖)，则根据不变的抓地力模型来预测就可能导致轮子抱死。

优选的是，计算约束在于确保轮子在预测视距内不会抱死，且优选的是，在于确保滑移率不超过抓地力为一个最大值时的最佳滑移率。

附图说明

借助于下面参照附图的详细说明，可以更好地理解本发明，各附图中：

图1是一个飞机轮子的示意的侧视图；

图2是本发明的一个特定实施例的控制框图；

图3是一个抓地力模型的曲线图，其描绘出抓地力矩是滑移率的函数，并且可被按照本发明进行更新；以及

图4是一个类似于图3的曲线图，其表示出被用在本发明的一个特定实施例的控制方法中的预测调节器的工作。

具体实施方式

下面以应用于飞机为例来说明本发明。参照图1，飞机轮子1的轮胎2与跑道3接触。轮子1装有一个制动器4，其构造成可响应一个制动设定点而选择性地施加一个制动力矩C_f。轮子1有垂向载荷Z，并在轮胎2和跑道3的界面处承受摩擦力X，这个摩擦力与垂向载荷Z的关系可表示为X＝μ·Z，其中μ是轮胎2和跑道3之间的摩擦系数，该摩擦系数本身取决于滑移率，而滑移率是τ＝1-Rω/v，其中R是轮子1的滚转半径，ω是轮子1的角速度，以及v是飞机的纵向速度。可以以等同的方式将摩擦力X与由C_a＝R·X＝R·μ·Z给出的抓地力矩关联起来。应该注意到，抓地力矩是代表着摩擦系数随着滑移率的变化，只要抓地力矩和摩擦系数基本上在同一个最佳滑移率下有一个最大值。

轮子1的动态特性可由差分方程给出，其中I是轮子1的惯量。

本发明的控制方法首先包括有规律地更新抓地力模型的步骤。这里，就是对把抓地力矩C_a的变化与已经决定的滑移率关联起来的一个抓地力模型进行更新。为此目的，采用：

·由转速表输出的轮子1的转速测量值ω；

·估算的飞机速度v，例如由飞机的惯性单元提供的飞机速度。在一个变型方案中，可以用飞机轮子的转速测量值重建出飞机速度v；以及

·由制动器4施加于轮子1的制动力矩C_f的测量值。这里，用一个连接于制动器4的牵制杆5阻止制动器4的转动，可将测量仪器装在牵制杆5上以输出由制动器4施加的力矩的测量值。

通过测量ω和v，可估算滑移率τ。通过测量制动力矩C_f，可以用动态方程式

推导出抓地力矩。可通过用一个参照力矩C₀来除抓地力矩C_a而将其正规化，借以在每一计算循环得出一个点(C_a/C₀，τ)_k，其中k是计算循环的序号下标。

一旦选择了参数化的抓地力模型，例如选择了众所周知的给出抓地力矩和滑移率之间的特性关系的Pacejka抓地力模型，就可用回归法，例如用最小二乘法，更新抓地力模型的各参数。图3是表示这种更新的曲线。由粗黑曲线表示的关系C_a/C₀＝f_q1...qn(τ)被相对于在最后20个计算循环中建立的20个点(C_a/C₀，τ)_k用通过回归估算的各参数q₁，...，q_n进行了更新。

这种有规律的更新可用于确保能获得代表着跑道的当前状态的逼真抓地力模型。在实际应用中，可将抓地力模型足够频繁地进行更新，以避免跑道状况的任何突然变化(例如经过一个水坑)使轮子变成被抱死。进行的仿真已经表明，对于5ms(毫秒)的计算循环长度，每50ms到100ms进行一次更新是适当的，也就是，对每20个计算循环至少更新一次。如果有很大的计算能力可供利用，在每个计算循环都对抓地力模型进行更新当然是更有利的。

以这种方式得到的曲线使得可以确定最佳滑移率τ_opt，如图3所示。这个是对应于抓地力矩的最大值的滑移率。这个最佳滑移率τ_opt可以用更新的参数q_i，...，q_n来确定，就是把这些参数代入一个可给出最佳滑移率τ_opt的解析公式，或者也可以用迭代法来确定，就是反复地探求可使抓地力模型曲线的斜率为零的那个滑移率。这意味着，一个被有规律地更新的最佳滑移率τ_opt可用于考虑跑道的当前状态。但是，由于整个曲线被更新了，对处于0到1范围内的滑移率，制动的整个动态范围也是可用的，这个动态范围是由这一关系在每个工作点(C_a/C₀，τ)处的特征形状给出。

按照本发明，被有规律地更新的抓地力模型使得可以对整个制动过程实行预测性的控制，这样就可大大降低轮子抱死的任何危险。

参照图2，本发明的控制方法用飞机上的一个制动计算机来实现，该计算机接收一个设定点形式的制动指令，在这里就是一个参照角速度ω_ref，其被发送到一个预测调节器11，这将在下文更详细地说明。预测调节器11产生一个制动设定点，在这里呈制动力矩的一个设定点C_f.set的形式。一个控制器12用这个制动力矩设定点C_f.set和测量的制动力矩C_f来计算出一个发送给制动器执行器构件的命令U。这个执行器构件可以是一个可把压力输送到制动器的伺服阀，在这种情况中，命令U是馈送到伺服阀的一个电流。这个执行器构件也可以等同地是一个机电制动执行器，在这种情况中，命令U可以是一个用于一个变换器的位置设定点或力设定点，而该变换器为执行器的电动机供电。

制动器响应命令U对轮子施加制动力，而轮子的响应是其自身的动态特性、飞机的动态特性、以及跑道的当前状况的函数。

这种控制方法还包括一个估算器13，用于基于测量的制动力矩C_f和轮子的转速ω估算出可给出一个估算的抓地力矩

的抓地力矩。这个估算的抓地力矩

被发送给预测调节器11和发送给用于更新抓地力模型的更新模块14，该更新模块就像以上说明的那样，有规律地更新抓地力模型C_a/C₀＝f_q1...qn(τ)的参数q₁，...，q_n。被更新的参数q₁，...，q_n被发送到预测调节器11，以便它可利用从被更新的抓地力模型导出的动态特性，而被更新的抓地力模型已考虑了跑道的当前状况。

在每一计算循环中，即在这一例子中是在每5ms进行一次的计算循环中，预测调节器11给制动力矩C_f，set计算出一个新的设定点值，这个值是按下述方式确定。考虑到预测视距的不断减短，这里取截止当前计算循环之前的20个计算循环。预测调节器11，利用更新的抓地力模型并考虑其特征状态，确定应该如何改变制动力矩设定点C_f，set，以便在由抓地力模型的最近一次更新给出的跑道当前状况下遵循制动指令，或计算出这个制动指令在同一预测视距上将会如何变化。

在所有可能的变化中，这里最好是保持制动力矩设定点的这样一个变化，对于这个制动力矩设定点，在一个给定的计算约束下，滑移率不会超过用已被更新的抓地力模型所确定的最佳滑移率τ_opt。在实际应用中，并且是以已知的方式，这样的变化可用迭代过程来确定，迭代过程可使在约束τ≤τ_opt下的费用函数J为最小。

图4中，以曲线形式表示出由调节器11进行的各个计算循环的结果，可以看出，从更新的抓地力模型上的初始工作点20开始，这个预测调节器11是怎样计算出制动力矩设定点C_f，set的一个第一变化，这个第一变化使这一预测视距终点处的工作点变到代表模型的曲线上的点21，对于这个点，滑移率超过最佳滑移率τ_opt，以及然后用上述迭代过程，计算出制动力矩设定点C_f，set的各个变化，这些变化可使在这一预测视距终点处的工作设定点变到点22，在这一点，滑移率仍然是低于最佳滑移率τ_opt。

一旦确定了制动力矩设定点C_f，set的这样的变化，就可保留对应于这一预测视距的第一计算循环的值并将其用作制动力矩C_f，set的设定点值。

在一个变型方案中，可以只进行一个简化的预测，在简化的预测中，假定在整个预测视距上制动指令保持为不变。然后，探求一个值，让这个值在预测视距的终点处给出接近但不超过最佳滑移率的一个工作点。

为了作一个好的预测，重要的是，首先要有一个可被有规律地更新的抓地力模型(与提出用一个不能被更新的抓地力模型进行预测的专利文件US 2003/0154012不同)，以及还要利用这个抓地力模型的由它的特征形状给出的非线性动态特性。应该注意到，抓地力模型是高度非线性的，在最佳滑移率附近尤其如此。所以重要的是要用抓地力模型的真实动态特性进行工作，如图4所示。对于一个有20个计算循环的预测视距，工作点的移动可能很大，以致很远离初始工作点。图4中，只有曲线的在初始工作点处的切线23能被保持，那么在这一预测视的距终点处的工作点24才能被预测到，其对应于一个实际上不存在的抓地力矩，但对应的滑移率还没超过最佳滑移率。通过把抓地力模型在初始工作点周围线性化来进行预测使预测是更为随机的，在工作点接近最佳滑移率时尤其如此，并且由此可导致把轮胎对跑道的抓地能力估算过高，而这可导致轮子抱死。(应该注意到，在专利文件DE 10 2005 001 770中，模型的动态特性，具体地说，斜率C1的值不是用于计算一个制动设定点。只是将它的符号用于确定最佳滑移率的位置。)

因此，优选的是，用抓地力模型的非线性动态特性进行工作，并且进而考虑它的被更新的特征形状，至少在当前工作点周围应如此。

这样，由于决定利用一个可被有规律地更新的抓地力模型，以及在预测中考虑该抓地力模型在一个很宽的滑移率范围内而不只是工作点近旁的动态特性，所以，可以大大降低轮子抱死的任何危险。

在实际应用中，预测调节器11和抓地力模型估算器14并行地工作，并且有利的是，它们构成两个不同的模块，每个模块可被修改而不牵涉另一个。这样，在用同一个预测调节器11的情况下，可以改变抓地力模型估算器，或者反之，在保持同一抓地力模型的同时，例如可以通过修改其预测视距或费用准则J，来改变预测调节器。

本发明不限于以上的描述，而是涵盖属于权利要求书所定义的范围内的任何变型方案。

具体地说，虽然本文中说明，预测是用有20个计算循环的范围来进行，但是也可以用更远或更近的范围。特别是，可以用仅限于一个计算循环的范围，这样，就是实行所谓最佳控制。

也可以利用除不超过最佳滑移率之外的计算约束。可以接受这样的过调量，只要它们不会导致过于频繁的轮子抱死。例如，作为约束，可以用一个预先确定的滑移率，或一个最佳滑移率的函数，例如1.1倍的最佳滑移率。反之，可以利用一个乃是最佳滑移率的函数并等于最佳滑移率的0.9倍的滑移率，以便改善轮胎在低速下的侧向抓地力。

应该注意到，不用滑移率而用轮子的转速进行工作也是等效的。这可用以下公式从滑移率导出：

$\mathrm{\ω}=\frac{V}{R}(1-\mathrm{\τ})$

因此，替代用乃是滑移率的函数的抓地力模型进行工作，可以用乃是轮子的转速的函数的抓地力模型进行工作。

Claims (6)

1.一种用于具有多个装有轮胎(2)和制动器(4)的轮子(1)的运载工具的制动控制方法，该控制方法包括响应制动指令为每个轮子产生制动设定点(C_f.set)，以及还包括用于每个轮子的下列步骤：

·步骤A：有规律地更新代表着摩擦系数(μ)和轮子滑移率(τ)之间的关系的抓地力模型；

·步骤B：用所述有规律地更新的抓地力模型及其特征形状在给定的预测视距内确定制动设定点的变化，且同时既遵守所述制动指令和在所述预测视距中的所述制动指令的可预测的变化，也遵守给定的计算约束；以及把用先前所确定的所述制动设定点的变化的对应于所述预测视距内的第一计算循环的值保持作为所述制动设定点的值。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述抓地力模型的所述更新每20个所述方法的计算循环进行至少一次。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述抓地力模型的所述更新每个所述方法的计算循环进行至少一次。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述计算约束是要求所述滑移率在所述预测视距内，以保持不超过利用从所述有规律地更新的抓地力模型推导出来的最佳滑移率(τ_opt)所确定的滑移率。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述确定的滑移率等于所述最佳滑移率。

6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述预测视距被限制于一个计算循环。

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