CN101320047B - Gps辅助的车辆纵向速度确定 - Google Patents

Abstract

GPS辅助的车辆纵向速度确定。车辆包括GPS系统和纵向加速度计。基于GPS速度数据导出加速度计校正。基于GPS速度数据确定各轮转速。基于加速度计数据和各轮转速来确定纵向车辆速度。

Description

GPS辅助的车辆纵向速度确定

技术领域

本发明总的涉及车辆动力控制。更特别地，本发明涉及确定车辆动力控制系统中的纵向车辆速度。

背景技术

纵向车辆速度的精确知识可用于提高许多车辆动力控制系统。例如，防抱死制动系统(ABS)控制器可最大化制动力和最小化停止距离。但是，车辆的纵向速度通常在生产车辆中不可用。代替地，在很多情况下使用轮转速。但是，在存在过多的轮胎打滑时，轮转速不表示车辆的纵向速度。

已经提出了若干方法来确定纵向车辆速度。某些方法使用轮转速和纵向加速度来确定纵向车辆速度，并因此需要补偿传感器偏置、车轮滚动半径的变化、和纵向滑动。也已经提出了在车辆速度计算中使用全球定位卫星系统(GPS)。但是，该方法遭受了低带宽，因为一般的GPS接收器具有小于10Hz的更新速率并且其对于车辆动力控制应用来说太低。

发明内容

车辆包括纵向加速度计和GPS。一种用于确定车辆纵向加速度的方法包括测量来自纵向加速度计的信号。此外，该方法包括使用由GPS提供的车辆纵向速度的测量、车辆横向速度的测量和车辆偏航角速度的测量来确定纵向加速度计的灵敏度和偏置。最后，该方法包括向从纵向加速度计测量的信号应用所述灵敏度和偏置。车辆纵向速度可以通过对纵向加速度积分来估计。

此外，各轮转速是以下操作确定的：通过使用GPS速度和车辆偏航角速度计算车辆重心处的纵向和横向速度；根据车辆重心处的纵向和横向速度和相对于车辆重心的车轮分布计算各车轮的纵向和横向速度；并且使用各车轮的纵向和横向速度和转向角来计算各轮转速。车辆纵向速度可以通过对纵向加速度进行积分或根据各轮转速来估计。

附图说明

本发明在某些零件和零件的布置中采用物理形式，其优选实施将被详细描述并且在之后所合并的附图中图示，其中：

图1是经历转弯操纵的车辆的示意图；

图2是与GPS通信的图1的车辆的方框图；

图3是图示用于确定车轮滚动半径、纵向加速度计的偏置和灵敏度误差、和纵向车辆速度的方法的流程图；

图4是图示用于确定车轮滚动半径的方法的流程图；

图5是图示用于确定纵向加速度计的偏置和灵敏度误差的过程的流程图；

图6是具有因悬挂和道路坡度引起的俯仰角(pitch)的车辆的示意图；

图7是图示用于估计纵向加速度计的偏置和灵敏度误差的过程的流程图；

图8是图示用于基于轮转速来估计纵向车辆速度的过程的流程图；

图9是图示用于基于纵向加速度的积分来估计纵向车辆速度的过程的流程图；和

图10是图示用于确定纵向车辆速度的过程的流程图。

具体实施方式

参考图1，图示了经历转弯操纵的车辆12。在重心处的纵向和横向速度被分别表示为v_x和v_y。偏航角速度表示为r并且前转向角被表示为δ_f。车辆重心和前轴之间的距离是a，并且车辆重心和后轴之间的距离是b。T_f和T_r是前后轴的轨道宽度。并且v_x，fl、v_x，fr、v_x，rl和v_x，rr表示四个车轮(分别为左前、右前、左后、和右后)处的纵向速度。类似地，v_y，fl、v_y，fr、v_y，rl和v_y，rr表示四个车轮，左前轮22、右前轮24、左后轮26、和右后轮28处的横向速度。

图2一般地示出了车辆12中与全球定位系统(GPS)200通信的车辆动力控制系统14。多个传感器或系统16被提供以将来自多个车辆系统的信号传送到控制器20。车辆动力控制系统14包括用于从多个传感器或系统接收信息或信号的控制器20，所述信息或信号可包括防抱死制动系统(ABS)状态16a、牵引控制系统(TCS)状态16b、包括GPS速度的GPS数据16c、偏航角速度16d、(在每个车轮处的)车辆速度16e、横向加速度16f、转向角(方向盘位置)16f、来自纵向加速度计18的纵向加速度16g、俯仰角速度16h、和转向角位置16i。转向的车轮的转向角位置16i、横向加速度、纵向加速度、偏航角速度、滚动方位、和速度也可以通过使用全球定位系统(GPS)而获得。基于信号16a-i，控制器20控制车辆动力系统14并可以存储信号16a-i。取决于所期望灵敏度、控制系统的类型和各种其它因素，不是所有列举的信号都可以在商业应用中使用。

在本发明的实施例中，用于通过使用GPS来校正纵向加速度计和确定纵向车辆速度的方法30在图3中示出。初始地，确定车轮22-28的滚动半径(32)。确定纵向加速度计的偏置和灵敏度误差(34)。一旦确定纵向加速度计的偏置和灵敏度误差(34)，使用轮转速(36)和纵向加速度计(38)来估计(38)和确定(40)车辆12的纵向速度。

图4是是示出如图3概括叙述的用于确定车轮22-28的滚动半径的方法(32)的详细流程图。初始地，从传感器获得GPS速度、防抱死制动系统(ABS)和牵引控制系统(TCS)状态(即，活动/非活动)、纵向加速度和轮转速(48)。一旦从传感器获得信息，则确定新的GPS数据是否可用(50)。因为感测的GPS速度不总是可用，则只有当GPS速度可用并且当ABS或TCS都不是活动时确定和更新滚动半径，因为车轮处过多的纵向滑动会激活ABS和TCS系统。如果GPS速度不可用(52)或者如果ABS或TCS是活动的(62)，不更新滚动半径。

如果GPS速度可用(54)且如果ABS和TCS不是活动的(60)，检查(64)随后在方程式1中示出的条件，以避免车轮处存在过多滑动的情况。

|a_x|＜a_x，th          (1)

其中a_x是车辆的纵向加速度并且a_x，th是用于纵向加速度的取决于车辆的阈值。

如果a_x的绝对值小于a_x，th(68)，则使用GPS速度计算所有车轮处的纵向速度。初始地通过考虑GPS天线位置和偏航角速度从GPS速度计算(56)在重心处的纵向和横向速度。一旦计算(56)在重心处的纵向和横向速度，使用方程式(2)从重心处的纵向和横向速度计算(84)在每个车轮处的纵向和横向速度：

v_x，fl＝v_x-rT_f/2，v_y，fl＝v_y+ra

v_x，fr＝v_x+rT_f/2，v_y，fr＝v_y+ra    (2)

v_x，rf＝v_x-rT_r/2，v_y，rl＝v_y-rb

v_x，rr＝v_x+rT_r/2，v_y，rr＝v_y-rb

使用方程式3从纵向和横向速度计算(84)每个车轮处的轮转速：

v_ws，fl＝v_x，flcosδ_f+v_y，flsinδ_f

v_ws，fr＝v_x，frcosδ_f+v_y，frsinδ_f     (3)

v_ws，rl＝v_x，rl

v_ws，rr＝v_x，rr

其中v_ws，fl、v_ws，fr、v_ws，rl和v_ws，rr表示每个相应车轮22-28的速度。

从以下关系中计算(86)车轮的滚动半径：

v_ws，fl＝r_w，flw_w，fl

v_ws，fr＝r_w，frw_w，fr        (4)

v_ws，rl＝r_w，rlw_w，rl

v_ws，rr＝r_w，rrw_w，rr

其中r_w，fl、r_w，fr、r_w，rl和r_w，rr是每个相应车轮22-28的滚动半径，并且其中w_w，fl、w_w，fr、w_w，rl和w_w，rr是每个相应车轮22-28的转动速度。

接着使用统计估计或更新方法来更新(88)车轮的滚动半径，统计估计或更新方法比如是本领域已知的移动平均法或回归最小二乘法，但不限于此。统计估计方法在Arthur Gelb的“Applied OptimalEstimation”，1974，MIT出版社、麻省理工学院，Cambridge，Massachusetts 02142中公开，其合并在这里作为参考。

如果条件a_x的绝对值不小于a_x，th(66)，则确定a_x是否为正，即大于零(69)。如果a_x对于具有非驱动轮(78)的车辆来说是正的(72)，则使用类似于计算(84)，(86)的计算(80)，(90)，使用方程式2、3和4来更新(82)每个非驱动轮的滚动半径。如果a_x等于或小于零，则不更新滚动半径。

图5描绘了说明如图3概括所述的用于确定纵向加速度计的偏置和灵敏度误差的方法(34)的流程图。为了确定纵向加速度计18的偏置和灵敏度误差，从传感器或系统16获得(92)纵向加速度、GPS速度和偏航角速度。如果横向速度v_y通过测量或估计而可用，则横向速度v_y也可被获得并用于确定纵向加速度计的偏置和灵敏度误差。如果v_y可用(94，96)或者如果满足(107)方程式(5)中示出的随后的偏航角速度条件(102)，则在缓冲器19中存储(98)信息。如果v_y可用，则来自传感器或系统16的横向速度信息可被存储(98)。但是，如果v_y不可用(100)，但是满足(107)方程式5的偏航角速度条件，则v_y被设定为零(108)并被存储(98)。如果v_y不可用(100)并且如果不满足方程式5所示的偏航角速度条件(104)，则清除缓冲器(106)，并且不估计且不更新纵向加速度计的偏置和灵敏度误差。在方程式5中，r_th是偏航角速度的取决于车辆的阈值。

|r|＜r_th                         (5)

当在缓冲器中存储了传感器信息(98)后，确定GPS速度数据是否可用(112)。仅当GPS速度数据可用(116)时，如图7中更详细所示的那样估计纵向加速度计的偏置和灵敏度误差(118)。

现在参考图7，该图图示了如图5中所述那样估计纵向加速度计的偏置和灵敏度误差的过程(118)，偏置和灵敏度误差的估计基于随后方程式6中所示的运动学关系：

$a_x={\stackrel{\·}{v}}_x-r{v}_y---\left(6\right)$

其中a_x表示沿着车辆的纵轴的车辆加速度(即车辆的纵向加速度)。

对于纵向加速度计18，沿着加速度计的纵轴的车辆加速度a_x，sensor可以如方程式7中所示的来建模：

$a_{x,\mathrm{sensor}}=a_x\cos {\mathrm{\θ}}_v+g\sin ({\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\θ}}_v)$

$=({\stackrel{\·}{v}}_x-r{v}_y)\cos {\mathrm{\θ}}_v+g\sin ({\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\θ}}_v)---\left(7\right)$

其中θ_v和θ_r分别表示如图6所示的因车辆悬挂和道路坡度引起的俯仰角。

此外，使用方程式8-9来确定灵敏度和偏置对加速度测量的影响：

a_x，m＝s_axa_x，sensor+b_ax                           (8)

其中a_x，m是针对传感器灵敏度和偏移而调整的所测量的纵向加速度，其中s_ax和b_ax分别是纵向加速度计的灵敏度和偏置。

方程式7被代入方程式8，接着，由于θ_r和θ_v都是小的角度，因此方程式7和8变为方程式9：

$a_{x,m}=s_{\mathrm{ax}}{\stackrel{\·}{v}}_x-s_{\mathrm{ax}}r{v}_y+s_{\mathrm{ax}}g{\mathrm{\θ}}_r+s_{\mathrm{ax}}g{\mathrm{\θ}}_v+b_{\mathrm{ax}}---\left(9\right)$

因为GPS系统提供水平和垂直的车辆速度，所以如方程式10那样估计道路坡度θ_r(124)：

${\mathrm{\θ}}_r=\frac{v_{V,\mathrm{GPS}}}{v_{H,\mathrm{GPS}}}---\left(10\right)$

其中V_V，GPS和V_H，GPS是基于GPS值的水平和垂直的车辆速度。

使用下面的方程式11来估计如图6所示由车辆悬挂引起的俯仰角θ_v(126)：

${\mathrm{\θ}}_v=\frac{1}{k_{\mathrm{\θ}}}(a_x+g\sin {\mathrm{\θ}}_r)---\left(11\right)$

其中k_θ是车辆的纵向稳定性。

将方程式6代入到方程式11，方程式11变为方程式12：

${\mathrm{\θ}}_v=\frac{1}{k_{\mathrm{\θ}}}({\stackrel{\·}{v}}_x-r{v}_y+g{\mathrm{\θ}}_r)---\left(12\right)$

将方程式12代入到方程式9，测量的纵向加速度a_x，m可以被建模为方程式13：

$a_{x,m}=(s_{\mathrm{ax}}+\frac{s_{\mathrm{ax}}g}{k_{\mathrm{\θ}}})({\stackrel{\·}{v}}_x-r{v}_y+g{\mathrm{\θ}}_r)+b_{\mathrm{ax}}$

$=s_{\mathrm{ax},e}({\stackrel{\·}{v}}_x-r{v}_y+g{\mathrm{\θ}}_r)+b_{\mathrm{ax}}---\left(13\right)$

其中

是纵向加速度计的加速度，并且s_ax，e是纵向加速度计的有效灵敏度，其包括由于重力引起的俯仰角对加速度计的影响并且在方程式14中定义：

$s_{\mathrm{ax},e}=(s_{\mathrm{ax}}+\frac{s_{\mathrm{ax}}g}{k_{\mathrm{\θ}}})---\left(14\right)$

因为测量或估计除了纵向加速度计的灵敏度和偏置s_ax，e和b_ax之外的方程式13中的每一项，因此可以通过使用诸如最小二乘法的估计方法来估计(130)s_ax，e和b_ax，估计方法使用存储在缓冲器19中的信息。

为了估计s_ax，e和b_ax，在方程式15中定义u_x，delta(t)：

$u_{x,\mathrm{delta}}\left(t\right)={\∫}_0^t{a}_{x,m}{\mathrm{dt}}^{\′}$

$=s_{\mathrm{ax},e}(v_x\left(t\right)+{\∫}_0^t(-r{v}_y+g{\mathrm{\θ}}_r){\mathrm{dt}}^{\′})+b_{\mathrm{ax}}t+u_{x,\mathrm{delta},0}---\left(15\right)$

$=s_{\mathrm{ax},e}{u}_{x,m}\left(t\right)+b_{\mathrm{ax}}t+u_{x,\mathrm{delta},0}$

其中在方程式16中定义u_x，m(t)：

$u_{x,m}\left(t\right)=v_x\left(t\right)+{\∫}_0^t(-r{v}_y+g{\mathrm{\θ}}_r){\mathrm{dt}}^{\′}---\left(16\right)$

该问题随后在以下图17中所示的矩阵形式中用公式表示：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{x,\mathrm{delta}}\left(t_0\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ u_{x,\mathrm{delta}}\left(t_f\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{u}_{x,m}\left(t_0\right)& t_0& 1\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ u_{x,m}\left(t_f\right)& t_f& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_{\mathrm{ax},e}\\ b_{\mathrm{ax}}\\ u_{x,\mathrm{delta},0}\end{array}\right]---\left(17\right)$

方程式17可以被重写为方程式18：

$z_{\mathrm{ux}}=H_{\mathrm{ux}}{\hat{x}}_{\mathrm{ux}}---\left(18\right)$

其中，

$z_{\mathrm{ux}}=\left[\begin{array}{c}{u}_{x,\mathrm{delta}}\left(t_0\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ u_{x,\mathrm{delta}}\left(t_f\right)\end{array}\right],$ $H_{\mathrm{ux}}=\left[\begin{array}{ccc}{u}_{x,m}\left(t_0\right)& t_0& 1\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ u_{x,m}\left(t_f\right)& t_f& 1\end{array}\right],$ ${\hat{x}}_{\mathrm{ux}}=\left[\begin{array}{c}{s}_{\mathrm{ax},e}\\ b_{\mathrm{ax}}\\ u_{x,\mathrm{delta},0}\end{array}\right]---\left(19\right)$

从方程式18，使用方程式20中所示的最小二乘法来估计s_ax，e和b_ax：

${\hat{x}}_{\mathrm{ux}}={\left(H_{\mathrm{ux}}^T{H}_{\mathrm{ux}}\right)}^{-1}{H}^T{z}_{\mathrm{ux}}---\left(20\right)$

图8描绘了如图3中概括叙述的使用轮转速来估计车辆纵向速度的过程(36)的流程图。从传感器或系统16中获得(132)制动和TCS状态、纵向加速度、和轮转速。

初始地使用方程式2-4从关联的四个轮转速计算(134)车辆12的四个纵向速度，并且更新滚动半径(82)或(88)。确定(136)制动是否开启。当车辆正在制动时，四个速度的最大值表示车辆的纵向速度(160)。当车辆12没有制动(138)时，确定a_x是否超过阈值a_x，th，或者TCS是否开启(142)。如果a_x超过阈值a_x，th，如方程式(1)中所描述的，或者如果TCS开启(146)，则确定是否存在非驱动轮(148)。来自非驱动轮的速度的平均值被计算并表示具有非驱动轮的车辆的纵向速度。对于不具有非驱动轮的车辆(162)，四个驱动轮速度中的最小值被计算(158)以表示车辆的纵向车辆速度。如果不满足条件a_x＞a_x，th或TCS开启，则来自全部四个轮转速的速度的平均值被计算(154)并表示车辆的纵向速度。

如参考图4所述，使用滚动半径来计算轮转速，根据(82)或(86)来更新滚动半径。

图9描述了如图3中概括叙述的使用纵向加速度计18来估计车辆纵向速度的过程(38)的流程图。从传感器或系统16获得(164)GPS速度和纵向加速度。确定GPS速度数据是否可用(166)。如果GPS速度可用，则如图5和7中所示那样估计(118)和更新纵向加速度计的偏置和灵敏度。如果GPS速度数据不可用(168)或者如果纵向加速度计的偏置和灵敏度被更新(118)，则通过使用本领域中已知的积分方法来积分纵向加速度测量以估计车辆的纵向速度172。积分方法的估计包括例如Gene F.Franklin，J.David Poweel和Michael Workman的“DigitalControl of Dynamic System”，1998，Addison Wesley Longman，Inc.，2725 Sand Hill Road，Menlo Park，CA 94025中公开的方法，其合并在此作为参考。

图10描述了基于从传感器或系统16获得的信息192来确定车辆的纵向速度(190)的流程图。通过差分轮转速来计算车辆的纵向加速度a_x，ws。车辆的纵向加速度与从加速度计测量的纵向加速度a_x，m进行比较(194)。当方程式21所示的条件满足(196)时，如图8所示的来自轮转速的纵向速度估计(36)被使用。

|a_x，m-a_x，ws|＜Δa_x，th            (21)

其中a_x，ws是使用轮转速估计的车辆的纵向加速度，并且Δa_x，th是取决于车辆的阈值。当图21所示的条件不满足(148)时，如图9所示的来自纵向加速度计(38)的纵向速度估计被使用。

已经具体参考示例实施例及其修改来描述本发明。其他人在阅读和理解了说明书后可得出其它修改和替换。预期的是包括迄今所有这些修改和替换，只要它们在本发明的范围内。

Claims (13)

1.用于确定装备有纵向加速度计和全球定位系统(GPS)的车辆的纵向加速度的方法，包括：

测量来自纵向加速度计的信号；

使用由全球定位系统提供的车辆纵向速度的测量、车辆横向速度的测量和车辆偏航角速度的测量来确定纵向加速度计的灵敏度和偏置；和

通过向从纵向加速度计测量的信号应用所述灵敏度和偏置，来确定车辆的纵向加速度。

2.如权利要求1所示的方法，还包括：

根据GPS天线和车辆偏航角速度从GPS速度计算车辆重心(CG)处的纵向和横向速度；

根据车辆重心处的纵向和横向速度和相对于车辆重心的车轮分布来计算各车轮的纵向和横向速度；和

使用各车轮的纵向和横向速度和转向角来计算各轮转速。

3.如权利要求2所示的方法，还包括：

使用各车轮转动速度和各轮转速来计算各车轮滚动半径。

4.如权利要求1所示的方法，还包括：

通过对所确定的纵向加速度积分来确定估计的车辆纵向速度。

5.如权利要求2所示的方法，还包括：

从各轮转速确定估计的车辆纵向速度。

6.如权利要求5所示的方法，还包括：

从各轮转速中的最大一个、各轮转速的最小一个和与各车轮中的非驱动轮对应的各轮转速的平均值中的其中之一来确定估计的车辆纵向速度。

7.如权利要求2所示的方法，还包括：

通过对所确定的纵向加速度积分来确定第一估计的车辆纵向速度；

根据各轮转速来确定第二估计的车辆纵向速度；和

将车辆纵向速度确定为第一和第二估计的车辆纵向速度中的其中一个。

8.在具有纵向加速度计、全球定位系统(GPS)和多个车轮的车辆中使用车辆动力控制系统的方法，包括：

接收来自纵向加速度计的纵向加速度数据；

接收来自全球定位系统的GPS速度数据；

在确定对纵向加速度的校正中和在确定车辆速度中使用GPS速度数据；和

确定都与纵向加速度计关联的偏置和灵敏度误差。

9.如权利要求8所述的方法，还包括：

如果防抱死制动系统和牵引控制系统都不是活动的并且如果车辆的纵向加速度的绝对值小于纵向加速度的取决于车辆的阈值，则使用GPS速度数据计算全部多个车轮处的纵向速度；和

如果防抱死制动系统和牵引控制系统都不是活动的并且如果车辆的纵向加速度是正的且不小于纵向加速度的车辆阈值，则使用GPS速度数据仅计算多个车轮中的非驱动轮处的纵向速度。

10.如权利要求9所述的方法，其中计算纵向速度包括：

使用GPS速度数据计算在车辆重心处的车辆的纵向和横向速度；和

使用计算的在车辆重心处的车辆的纵向和横向速度来计算车轮处的纵向和横向速度。

11.权利要求10的方法，还包括：

使用所计算的车轮处的纵向和横向速度来计算车轮的轮转速。

12.权利要求11的方法，还包括：

使用车轮的旋转速度和所计算的车轮的轮转速来计算车轮的滚动半径。

13.权利要求8的方法，还包括：

从多个与纵向加速度、偏航角速度和GPS速度关联的传感器获得包括纵向加速度、偏航角速度和来自全球定位系统的GPS速度的数据；

如果GPS速度的横向速度可用，则在缓冲器中存储获得的数据；和

如果GPS速度的横向速度可用并且如果一旦在缓冲器中存储获得的数据，使新的GPS速度数据可用，则估计纵向加速度计的偏置和灵敏度误差。

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