CN101456418B - 用于控制车辆的侧向稳定性的方法和装置 - Google Patents

用于控制车辆的侧向稳定性的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于控制车辆的侧向稳定性的方法和装置。当发生侧向扰动时，该装置稳定车辆的运行状态。该装置包括侧向扰动检测单元、目标横摆角速率计算单元以及车辆横摆角速率控制单元。侧向扰动检测单元检测侧向扰动。目标横摆角速率计算单元在检测到侧向扰动时计算驾驶员的转向角，并利用已计算的驾驶员的转向角和车辆信息(包括车辆运行状态信息和车辆规格信息)计算目标横摆角速率。车辆横摆角速率控制单元控制车辆横摆角速率，以便于减弱由侧向扰动引起的倾覆力矩，从而使得受控制的车辆横摆角速率趋进于已计算的目标横摆角速率。

Description

用于控制车辆的侧向稳定性的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制车辆的侧向稳定性的方法和装置，其控制车辆的横摆角速率，以便于减弱由侧向施加于车辆的外部扰动引起的倾覆力矩，从而避免车辆偏离行驶车道并避免交通事故。
背景技术
已经开发了许多用于车辆安全的控制技术，比如用于车辆稳定行驶的先进安全车辆技术(ASV)。
此种控制技术(比如ASV技术)采用了执行对驾驶员使车辆转向的意图低的直路进行控制干预的方法，而对驾驶员使车辆转向的意图高的弯路不执行控制干预，并且将控制移交给驾驶员。
然而，当在车辆正沿弯路行驶的同时侧向扰动(比如侧风)突然施加于车辆时，由于侧向扰动引起的横摆角分量而产生倾覆力矩。用于车辆安全的控制技术存在的问题是，它们没有提供适当的控制或措施以抵消此种侧向扰动，使得驾驶员偏离他们要沿其行驶的道路，并因此可能发生严重的交通事故。
在背景部分公开的上述信息只是用于增进对本发明背景的理解，并且因此其可能包含不形成对于本国本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
一方面，本发明提供了一种用于控制车辆的侧向稳定性的方法和装置，其控制车辆的横摆角速率，以便于减弱当发生侧向扰动时由侧向扰动引起的倾覆力矩，从而避免车辆驶离行驶车道并使交通事故的发生和危险降到最小。
在更具体的方面，本发明提供了一种用于控制车辆的侧向稳定性的装置，当发生侧向扰动时，该装置稳定车辆的运行状态。以本发明的某些特定优选方面为特征的装置包括：用于检测侧向扰动的侧向扰动检测单元；目标横摆角速率计算单元，其用于在检测到侧向扰动时计算驾驶员的转向角；以及车辆横摆角速率控制单元，其用于控制车辆横摆角速率，以便于减弱由侧向扰动引起的倾覆力矩，从而使得被控制的车辆横摆角速率趋进于已计算的目标横摆角速率。
在某些实施方式例中，本发明提供了一种用于控制车辆的侧向稳定性的装置，当发生侧向扰动时，该装置稳定车辆的运行状态，该装置包括：用于检测侧向扰动的侧向扰动检测单元；目标横摆角速率计算单元，其用于在检测到侧向扰动时计算驾驶员的转向角，并使用已计算的驾驶员的转向角以及包括车辆运行状态信息和车辆规格信息的车辆信息来计算目标横摆角速率；以及车辆横摆角速率控制单元，其用于控制车辆横摆角速率，以便于减弱由侧向扰动引起的倾覆力矩，从而使得被控制的车辆横摆角速率趋进于已计算的目标横摆角速率。
另外，在示例性的实施方式中，本发明提供了一种控制车辆的侧向稳定性的方法，当发生侧向扰动时该方法稳定车辆的运行状态，该方法包括：(a)检测侧向扰动的侧向扰动检测步骤；(b)目标横摆角速率计算步骤，该步骤在检测到侧向扰动时计算驾驶员的转向角，并使用已计算的驾驶员的转向角以及包括车辆运行状态信息和车辆规格信息的车辆信息来计算目标横摆角速率；以及(c)车辆横摆角速率控制步骤，该步骤控制车辆横摆角速率，以便于减弱由侧向扰动引起的倾覆力矩，从而使得被控制的车辆横摆角速率趋进于已计算的目标横摆角速率。
本发明包括一种机动车辆，其包括如本文所述的用于控制车辆的侧向稳定性的装置。
要理解的是本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语通常包括下列的机动车：例如，包括多功能运动车(SUV)和公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种艇和船的船只，飞行器和类似物。
本发明的上述特征和优点从附图和下面的详细描述中将是显而易见的或者在附图和下面的详细描述中得以更加详细地阐明，附图合并入并且形成本说明书的一部分，附图和下面的具体描述一起用于通过实施例来解释本发明的原理。
附图说明
从下面的详述结合附图将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点，其中：
图1是根据本发明的用于控制侧向稳定性的装置的框图。
图2是根据本发明的控制侧向稳定性的方法的流程图。
图3是示出当发生侧向扰动时，基于侧向稳定性控制方法的应用，车辆横摆角速率控制的模拟结果曲线图。
图4A到4C是模拟结果曲线图，图中示出当在车辆沿直路行驶的同时发生侧向扰动时，在应用侧向稳定性控制的情况下与在没有应用侧向稳定性控制的情况下移动度的比较。
图5A到5C是模拟结果曲线图，图中示出当在车辆沿弯路行驶的同时发生侧向扰动时，在应用侧向稳定性控制的情况下与在没有应用侧向稳定性控制的情况下移动度的比较。
具体实施方式
如本文所述，本发明的特征在于一种用于控制车辆的侧向稳定性的装置，当发生侧向扰动时该装置能稳定车辆的性能，该装置包括：用于检测侧向扰动的侧向扰动检测单元；目标横摆角速率计算单元，其用于在检测到侧向扰动时计算驾驶员的转向角；以及车辆横摆角速率控制单元，其用于控制车辆横摆角速率，以便于减弱由侧向扰动引起的倾覆力矩，从而使得被控制的车辆横摆角速率趋进于已计算的目标横摆角速率。
在本发明的某些优选实施方式中，使用已计算的驾驶员的转向角以及包括车辆运行状态信息和车辆规格信息的车辆信息计算目标横摆角速率。在本发明的其他优选实施方式中，侧向扰动检测单元使用横摆角速率传感器检测侧向扰动。在其他的某些优选实施方式中，目标横摆角速率计算单元使用转向角传感器计算驾驶员的转向角。
在其他的实施方式中，本发明包括一种用于控制车辆的侧向稳定性的方法，该方法包括：检测车辆的侧向扰动，计算转向角，以及控制横摆角速率，由此控制车辆的侧向稳定性。可根据如本文所述的任一实施方式执行该方法。
本发明还可包括一种机动车辆，其包括如本文所述的用于控制车辆的侧向稳定性的装置。
现在将参照附图，其中在所有不同附图中使用相同的附图标记来标注相同或类似的元件。
将参照附图说明本发明的实施方式。
图1是根据本发明的某些优选实施方式的用于控制侧向稳定性的装置的框图。
如图1所示，用于在行驶的车辆中发生侧向扰动时稳定车辆运行状态的侧向稳定性控制装置100可适当地包括：侧向扰动检测单元110，目标横摆角速率计算单元120，以及车辆横摆角速率控制单元130。在进一步的实施方式中，侧向稳定性控制装置100可适当地包括：用于检测转向角的转向角传感器和用于检测横摆角速率的横摆角速率传感器。
根据优选实施方式，侧向扰动检测单元110检测侧向扰动。使用横摆角速率传感器执行该检测。
当检测到侧向扰动时，目标横摆角速率计算单元120计算驾驶员的转向角，并使用已计算的驾驶员的转向角以及包括但不限于车辆运行状态信息和车辆规格信息的车辆信息来计算目标横摆角速率。
车辆横摆角速率控制单元130控制车辆横摆角速率，使得适当地由侧向扰动检测单元110检测的侧向扰动所产生的倾覆力矩被减弱，并且使得被控制的车辆横摆角速率趋进于先前由目标横摆角速率计算单元120计算的目标横摆角速率。
目标横摆角速率计算单元120使用转向角传感器适当地计算上述的驾驶员的转向角。
目标横摆角速率计算单元120可通过在采样周期的间隔提取与采样数量相等的在侧向扰动检测单元110检测到侧向扰动的时间点之前测量的转向角，并适当地计算与采样数量相等的转向角的平均值来适当地计算驾驶员的转向角。因此，如果采样周期是10秒，采样数量是5并且侧向扰动检测单元110在50秒的时间点检测到侧向扰动，则参考检测时间点是50秒的时间点，并且目标横摆角速率计算单元在0秒、10秒、20秒、30秒和40秒时从转向角传感器中适当地接收转向角，并通过将这五个接收到的转向角除以5(即采样数量)来计算平均值。计算的平均值是驾驶员的转向角。
目标横摆角速率计算单元120适当地计算前轮转向角，该转向角用于从使用上述方法计算的驾驶员的转向角来获得目标横摆角速率。在示例性的实施方式中，可使用下述方程1计算前轮转向角：
δ f = δ * π 180 * GR - - - ( 1 )
δf：前轮转向角(弧度)
δ：驾驶员的转向角(度数)
GR：齿轮齿速比
目标横摆角速率计算单元120通过基于第一车辆信息和第二车辆信息和包括车辆运行状态信息和车辆规格信息的车辆信息适当地求解下述方程2的微分方程来适当地计算目标横摆角速率，上述第一车辆信息和第二车辆信息是使用由驾驶员的转向角计算而得的前轮转向角来适当地获得的。在下述方程2中，目标横摆角加速度是通过对目标横摆角速率求微分获得的分量：
γ ′ d = - 1 T γ d + K T δ f - - - ( 2 )
：目标横摆角加速度(弧度/秒2)
γd：目标横摆角速率(弧度/秒)
δf：前轮转向角(弧度)
K：第一车辆信息
T：第二车辆信息
使用包括在车辆信息中的车辆运行状态信息和车辆规格信息，可适当地获得上述第一车辆信息K和第二车辆信息T。在优选实施方式中，使用例如但不限于组成车辆信息的车辆速度、车辆质量、前轮比拐弯力、后轮比拐弯力、从车辆的重心到车辆的前轮的距离、从车辆的重心到车辆的后轮的距离以及转向系统的惯性力矩，可获得第一和第二车辆信息K和T。在某些优选实施方式中，可使用下述方程3适当地获得第一车辆信息，并可使用下述方程4适当地获得第二车辆信息：
K = V ( l f + m * l f * l r * V 2 ) / ( 2 C f * l f * ( l f * ( l f + l r ) ) ) - - - ( 3 )
T = I z * V 2 C f * l f * ( l f + l r ) + m * l r * V 2 - - - ( 4 )
V：车辆速度(米/秒)
m：车辆质量(千克)
lf：从车辆的重心到前轮的距离(米)
lr：从车辆的重心到后轮的距离(米)
Iz：转向系统的惯性力矩(千克·米2)
Cf＝2*Kf，Kf：前轮比拐弯力(牛顿/弧度)
Cr＝2*Kr，Kr：后轮比拐弯力(牛顿/弧度)
图2是根据本发明的优选方面的控制侧向稳定性的方法的流程图。
如图2所示，用于在发生侧向扰动时稳定车辆运行状态的侧向稳定性控制方法包括：检测侧向扰动的侧向扰动检测步骤200；当检测到侧向扰动时，计算驾驶员的转向角并使用已计算的驾驶员的转向角以及包括但不限于车辆运行状态信息和车辆规格信息的车辆信息来计算目标横摆角速率的目标横摆角速率计算步骤S202；以及车辆横摆角速率控制步骤S204，该步骤控制车辆横摆角速率以减弱由侧向扰动引起的倾覆力矩，从而适当地使被控制的车辆横摆角速率趋进于先前计算的目标横摆角速率。
根据本发明的优选实施方式，在目标横摆角速率计算步骤S202中，通过优选地以采样周期的间隔使用转向角传感器提取与采样数量相等的在侧向扰动检测步骤S200中检测到侧向扰动的时间点之前测量的转向角，并计算提取的与采样数量相等的转向角的平均值来优选地计算上述驾驶员的转向角。
包括车辆运行状态信息和车辆规格信息的上述车辆信息包括但不限于：车辆速度、车辆质量、前轮比拐弯力、后轮比拐弯力、从车辆的重心到前轮的距离、从车辆的重心到后轮的距离以及转向系统的惯性力矩。
根据本发明的其他优选实施方式，在目标横摆角速率计算步骤S202中，通过使用上述驾驶员的转向角和车辆信息为目标横摆角速率建立微分方程，例如上述的方程2，并求解该微分方程来获得目标横摆角速率。如上所述获得的目标横摆角速率是可被适当地用作在车辆横摆角速率控制步骤S204中控制车辆横摆角速率的参考的信息。
图3是示出当发生侧向扰动时，基于侧向稳定性控制方法的应用，车辆横摆角速率控制的模拟结果曲线图。关于侧向扰动输入条件，以从0.5秒到2.5秒的适当周期输入侧向扰动，并且由于输入的侧向扰动产生侧力和倾覆力矩。
根据本发明，侧向稳定性控制方法优选地是用于避免驾驶员因为由侧向扰动产生的侧力或倾覆力矩而离开预定道路的方法。该方法适当地执行控制，其方式使得通过控制车辆横摆角速率来减弱由侧向扰动产生的横摆角分量所产生的倾覆力矩，由此使得车辆横摆角速率趋进于行驶所需的目标横摆角速率。
如图3所示，可以看出车辆横摆角速率通过根据本发明的侧向稳定性控制方法的适当应用而趋进于已计算的目标横摆角速率。在优选实施方式中，根据本发明的侧向稳定性控制方法执行控制，使得车辆横摆角速率趋进于目标横摆角速率。
图4A到4C是示例性的模拟结果曲线图，其示出当在车辆沿直路行驶的同时发生侧向扰动时，在应用侧向稳定性控制的情况下与在不应用侧向稳定性控制的情况下移动度的比较。
图4A是曲线图，其示出当没有发生侧向扰动时沿直路行驶的车辆的示例性运行状态，该曲线图被用作参考以确定当发生侧向扰动时的移动度。
图4B是曲线图，图中示出在车辆沿直路行驶的同时当侧向扰动发生了2秒(从0.5秒到2.5秒)时，由于其中没有设置侧向稳定性控制装置而没有应用侧向稳定性控制的车辆的示例性运行状态。
图4C是曲线图，其示出在车辆沿直路行驶的同时当侧向扰动发生了2秒(从0.5秒到2.5秒)时，由于其中设置侧向稳定性控制装置而应用侧向稳定性控制的车辆的示例性运行状态。
在图4A、4B和4C中，曲线图的水平轴代表时间，其垂直轴代表车辆随时间变化在侧向方向上的移动距离。
从图4A中可以看出，由于适当地没有发生侧向扰动，在整个时间范围内侧向方向上的移动距离是0。这表明车辆正在以正常状态沿直路行驶。
如图4B所示，由于发生侧向扰动，与正常状态中的车辆相比，在2秒的侧向扰动持续时间后的2.5秒的点处，没有设置侧向稳定性控制装置的车辆在侧向方向上移动的距离等于或大于2米。在某些实例中，这样的移动可导致交通事故。
相反地，如图4C所示，可以看出，当发生与图4B相同的侧向扰动时，与正常状态中的车辆相比，在2.5秒的点处，设置侧向稳定性控制装置的车辆在侧向方向上移动的距离等于或小于25厘米。因此，将如图4C所示的设置侧向稳定性控制装置的车辆与如图4B所示没有设置侧向稳定性控制装置的车辆进行比较，图4C中的移动距离与图4B相比减少了2米。
因此，设置在沿直路行驶的车辆中的侧向稳定性控制装置适当地控制车辆横摆角速率，以便于在发生侧向扰动时减弱由侧向扰动带来的倾覆力矩，从而避免车辆离开预定的道路并避免交通事故的发生和危险。
图5A到5C是模拟结果曲线图，图中示出当在车辆沿弯路行驶的同时适当地发生侧向扰动时，在应用侧向稳定性控制的情况下与在没有应用侧向稳定性控制的情况下移动度的比较。
图5A是曲线图，其示出当没有发生侧向扰动时沿弯路行驶的车辆的运行状态，该图被用作参考以确定当适当地发生侧向扰动时车辆移动度。
图5B是曲线图，其示出在车辆沿弯路行驶的同时，当侧向扰动适当地发生了2秒(从0.5秒到2.5秒)时，由于其中没有设置侧向稳定性控制装置而没有应用侧向稳定性控制的车辆的运行状态。
图5C是曲线图，其示出在车辆沿弯路行驶的同时，当侧向扰动适当地发生了2秒(从0.5秒到2.5秒)时，由于在其中设置侧向稳定性控制装置而应用了侧向稳定性控制的车辆的示例性运行状态。
在图5A、5B和5C中，曲线图的水平轴代表时间，其垂直轴代表车辆随时间变化在侧向方向上的移动距离
图5A示出在整个时间范围内车辆的正常行驶。从该图中可以看出，在0秒点处车辆在侧向方向上的移动距离是0米，并且在2.5秒点处车辆在侧向方向上的移动距离是大约1.5米。
如图5B所示，由于发生侧向扰动，与正常状态中的车辆相比，在侧向扰动持续了2秒后的2.5秒点处，没有设置侧向稳定性控制装置的车辆在侧向方向上移动了4米，比在正常状态中的1.5米多出约2米。这样的移动可适当地导致交通事故。
相反地，如图5C所示，可以看出，尽管发生了与图5B相同的侧向扰动，与正常状态中的车辆相比，在2.5秒的点处，设置侧向稳定性控制装置的车辆在侧向方向上移动了1.7米，比在正常状态中的1.5米多出约25厘米。也就是说，可以看出移动距离相应地非常短。这意味着与图4B中的2米相比，移动距离适当地减少。
因此，设置在车辆中的侧向稳定性控制装置控制车辆横摆角速率，以便于当在弯路以及图4的直路中发生侧向扰动时，减弱由外界扰动带来的倾覆力矩，使得侧向稳定性控制装置具有避免车辆离开预定道路并避免交通事故的发生和危险的优点。
上述发明的优点在于控制车辆横摆角速率，以便于在发生侧向扰动时减弱由外界扰动带来的倾覆力矩，从而避免车辆离开道路并避免交通事故的发生和危险。
尽管为了说明的目的已公开了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员要理解的是，在不背离如所附权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种变更、添加和置换。

Claims (11)

1.一种用于控制车辆的侧向稳定性的装置，当发生侧向扰动时所述装置稳定所述车辆的运行状态，所述装置包括： 
用于检测侧向扰动的侧向扰动检测单元； 
目标横摆角速率计算单元，其用于在检测到所述侧向扰动时计算驾驶员的转向角，并使用已计算的驾驶员的转向角以及包括车辆运行状态信息和车辆规格信息的车辆信息来计算目标横摆角速率；以及 
车辆横摆角速率控制单元，其用于控制车辆横摆角速率，以便于减弱由所述侧向扰动引起的倾覆力矩，从而使得被控制的车辆横摆角速率趋进于已计算的目标横摆角速率； 
其中所述目标横摆角速率计算单元通过以采样周期的间隔从转向角传感器提取数量与采样数量相等的、在检测到所述侧向扰动的时间点之前测量的转向角，并计算与所述采样数量相等的转向角的平均值来计算所述驾驶员的转向角。 
2.如权利要求1所述的装置，其中所述侧向扰动检测单元使用横摆角速率传感器检测所述侧向扰动。 
3.如权利要求1所述的装置，其中所述目标横摆角速率计算单元通过基于使用已计算的驾驶员的转向角计算的前轮转向角以及使用所述车辆信息获得的第一车辆信息和第二车辆信息来求解下面的微分方程而获得所述目标横摆角速率： 
目标横摆角加速度(弧度／秒2)， 
γd：目标横摆角速率(弧度／秒)， 
δf：前轮转向角(弧度)， 
K：第一车辆信息， 
T：第二车辆信息。 
4.如权利要求3所述的装置，其中使用所述车辆的速度、所述车辆的质量、前轮比拐弯力、后轮比拐弯力、从所述车辆的重心到所述车辆的前轮的距离、从所述车辆的重心到所述车辆的后轮的距离以及转向系统的惯性力矩来获得所述第一车辆信息K和所述第二车辆信息T。 
5.一种控制车辆的侧向稳定性的方法，当发生侧向扰动时所述方法稳定所述车辆的运行状态，所述方法包括： 
(a)检测侧向扰动的侧向扰动检测步骤； 
(b)目标横摆角速率计算步骤，该步骤在检测到所述侧向扰动时计算驾驶员的转向角，并使用已计算的驾驶员的转向角以及包括车辆运行状态信息和车辆规格信息的车辆信息来计算目标横摆角速率；以及 
(c)车辆横摆角速率控制步骤，该步骤控制车辆横摆角速率，以便于减弱由所述侧向扰动引起的倾覆力矩，从而使得被控制的车辆横摆角速率趋进于已计算的目标横摆角速率； 
其中所述目标横摆角速率计算步骤(b)通过以采样周期的间隔提取与采样数量相等的在检测到所述侧向扰动的时间点之前测量的转向角，并计算与所述采样数量相等的转向角的平均值来计算所述驾驶员的转向角。 
6.如权利要求5所述的方法，其中所述车辆信息包括：所述车辆的速度、所述车辆的质量、前轮比拐弯力、后轮比拐弯力、从所述车辆的重心到所述车辆的前轮的距离、从所述的车辆重心到所述车辆的后轮的距离以及转向系统的惯性力矩。 
7.一种用于控制车辆的侧向稳定性的装置，当发生侧向扰动时所述装置稳定所述车辆的运行状态，所述装置包括： 
用于检测侧向扰动的侧向扰动检测单元，其中所述侧向扰动检测单元使用横摆角速率传感器检测所述侧向扰动； 
车辆横摆角速率控制单元，其用于控制车辆横摆角速率，以便于减弱由所述侧向扰动引起的倾覆力矩；以及 
目标横摆角速率计算单元，其通过以采样周期的间隔从转向角传感器提取数量与采样数量相等的、在检测到所述侧向扰动的时间点之前测量的转向角，并计算与所述采样数量相等的转向角的平均值来计算驾驶员的转向角。 
8.如权利要求7所述的用于控制车辆的侧向稳定性的装置，其中所述车辆横摆角速率控制单元进一步使得被控制的车辆横摆角速率趋进于已计算的目标横摆角速率。 
9.如权利要求7所述的用于控制车辆的侧向稳定性的装置，其中使用已计算的驾驶员的转向角以及包括车辆运行状态信息和车辆规格信息的车辆信息来计算目标横摆角速率。 
10.一种机动车辆，其包括如权利要求1所述的用于控制车辆的侧向稳定性的装置。 
11.一种机动车辆，其包括如权利要求7所述的用于控制车辆的侧向稳定性的装置。 
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