CN102416956A

CN102416956A - 汽车质心侧偏角和轮胎侧偏角软测量方法

Info

Publication number: CN102416956A
Application number: CN2011102670042A
Authority: CN
Inventors: 任孝平; 蔡自兴
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2012-04-18

Abstract

本发明公开了一种汽车质心侧偏角和轮胎侧偏角软测量方法，该软测量方法只需要知道汽车行驶中的方向角、横滚角、俯仰角以及导航坐标系中的东向、北向、天向速度，便可以实时计算出汽车的质心侧偏角和前、后轮侧偏角。可以进而分析侧向加速度与汽车横向操作稳定性问题。采用该软测量方法，不需要在汽车内部加装轮速传感器，或通过CAN总线读取汽车内部ABS和ESP数据，具有方便、快捷、可靠的特点。

Description

汽车质心侧偏角和轮胎侧偏角软测量方法

技术领域

本发明涉及一种汽车质心侧偏角和轮胎侧偏角软测量方法，，属于机动车控制和检测领域。

背景技术

要确定汽车稳定性控制系统的控制目标，必须准确的获得当前汽车的运行状态，即汽车行驶中车辆的状态参数。试验表明，汽车横向操作稳定性不仅仅与轮胎侧偏角有关，而且与汽车的质心侧偏角有关。如能准确的获得车辆的质心侧偏角，便可在车辆行驶入非线性区域时进行相应的控制操作。

通常采用直接测量汽车运行姿态的侧向加速度传感器和横摆角速度传感器来获得汽车行驶时的姿态，然而该种方法需要昂贵的陀螺仪等设备，且要很稳定的安装在车体上，因此精度和稳定性受到很大的限制。

此外测定汽车“侧向加速度”与汽车“质心侧偏角”间的函数关系，通常采用“变侧向加速度”法和“固定侧向加速度”法，如“前后轴中点喷水轨迹法”测试汽车稳态的方法。该方法不仅精确不高，且试验场地受限，必须进行原地转向，不能在汽车实际行驶过程中进行测定。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提供一种汽车质心侧偏角和轮胎侧偏角软测量方法，该汽车质心侧偏角和轮胎侧偏角软测量方法具有测量方便、快捷、可靠的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种汽车质心侧偏角和轮胎侧偏角软测量方法，包括以下步骤：

步骤1：采集汽车在行驶过程中的运动及姿态参数：东向速度v_e、北向速度v_n、天向速度v_u、汽车的方向角θ、横滚角γ和俯仰角Ψ，并获取汽车的轴距l；

步骤2：计算汽车质心侧偏角和轮胎侧偏角；

汽车质心侧偏角的计算公式如下：

β = \arctan \frac{(\cos θ \sin γ + \sin θ \sin ψ \sin γ) v_{e} + (\cos θ \sin ψ \sin γ - \sin ψ \cos γ) v_{n} - \cos ψ \sin γ v_{u}}{\sin θ \cos ψ v_{e} + \cos θ \cos ψ v_{n} + \sin ψ v_{u}};

轮胎侧偏角包括汽车前轮侧偏角α_f和后轮侧偏角α_r，计算公式如下：

其中：

V = \sqrt{{(V_{X_{R}})}^{2} + {(V_{Y_{R}})}^{2} + {(V_{Z_{R}})}^{2}},

[\begin{matrix} V_{X_{R}} \\ V_{Y_{R}} \\ V_{Z_{R}} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \cos θ \sin γ + \sin θ \sin ψ \sin γ & \cos θ \sin ψ \sin γ - \sin θ \cos γ & - \cos ψ \sin γ \\ \sin θ \cos ψ & \cos θ \cos ψ & \sin ψ \\ \cos θ \sin γ - \sin θ \sin ψ \cos γ & - \cos θ \sin ψ \cos γ - \sin θ \sin γ & \cos ψ \cos γ \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} v_{e} \\ v_{n} \\ v_{n} \end{matrix}];

其中T为传感器的采样时间间隔，t为时间变量，表示t时刻。

所述的运动及姿态参数通过安装在汽车上的GPS/INS组合导航系统或双GPS天线系统采集。

本发明的有益效果：

本发明所提供的汽车质心侧偏角、轮胎侧偏角软测量方法，仅需要汽车的轴距信息，以及能测量汽车的方向角、横滚角和俯仰角，以及在导航坐标系中的东向速度、北向速度、天向速度的任何传感器，如GPS/INS组合导向系统，或者双GPS天线系统。

该软测量方法只需要知道汽车行驶中的方向角、横滚角、俯仰角以及导航坐标系中的东向、北向、天向速度，便可以实时计算出汽车的质心侧偏角和前、后轮侧偏角。通过软测量得出的汽车侧向加速度，拟合其与汽车质心侧偏角，前后轮侧偏角间的函数关系，可以进而分析侧向加速度与汽车横向操作稳定性问题。采用该软测量方法，不需要在汽车内部加装轮速传感器，或通过CAN总线读取汽车内部ABS和ESP数据，具有方便、快捷、可靠的特点。

附图说明

图1是汽车的运动学模型示意图。

图2是汽车载体坐标系和全局坐标系示意图。

图3单轨模型中前轮胎侧偏角α_f的定义。

图4汽车转弯时瞬时沿圆周运动示意图。

图5单轨模型轮胎侧偏角α_r的定义。

图6实时求取汽车质心侧偏角、前后轮侧偏角流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

实施例1：

按照本发明所提供的汽车质心侧偏角、轮胎侧偏角软测量方法，仅需要在车上安装GPS/INS组合导航系统。GPS/INS组合导航系统能实时测量汽车的GPS位置，导航坐标系中的东向、北向和天向速度、以及汽车姿态角(包括：俯仰角、横滚角和方向角)即可。

本发明中用到的数学符号所代表的含义如下所示：

X_R：汽车的X_R轴，即汽车的横向、侧向；

Y_R：汽车的Y_R轴，即汽车的纵向、前进方向；

Y_R：汽车的Z_R轴，即汽车的垂向、天顶方向；

X_RY_RZ_R：汽车的载体坐标系，即局部坐标系，原点为O；

X_I：导航坐标系的X_I轴，指向东(E)方向；

Y_I：导航坐标系的Y_I轴，指向北(N)方向；

Z_I：导航坐标系的Z_I轴，指向上(U)方向；

X_IY_IZ_I：导航坐标系，即汽车运动的全局坐标系，也叫“东北天(ENU)”坐标系，原点O_I位于汽车的出发点；

ICR：汽车的瞬时转向中心；

C：汽车重心(Center ofGravity)的位置，即X_RY_RZ_R坐标系的原点；

l：汽车的轴距(wheel base)；

ρ_r：后轴中点M_r到瞬时转向中心ICR的距离；

ρ_f：前轴中点M_f到瞬时转向中心ICR的距离；

X_W：汽车前轮坐标系的X_W轴，垂直于轮胎平面指向外侧；

Y_W：汽车前轮坐标系的Y_W轴，指向轮胎滚动方向；

Z_W：汽车前轮坐标系的Z_W轴，垂直于轮胎X_WY_W平面且指向上；

汽车前轮的转向角(车辆纵轴Y_R和车轮平面Y_WZ_W的夹角，其中内轮的相对转向角为

外轮的相对转向角为

)；

V：汽车车速，无侧滑发生时，沿汽车纵轴Y_R方向；

汽车发生侧滑时，速度V在OX_R轴上的分量；

汽车发生侧滑时，速度V在OY_R轴上的分量；

汽车在OX_R轴上的加速度；

汽车在OY_R轴上的加速度；

汽车在OZ_R轴上的加速度；

v_e：汽车在导航坐标系中东向(X_I轴)的速度分量；

v_n：汽车在导航坐标系中北向(Y_I轴)的速度分量；

v_u：汽车在导航坐标系中天向(Z_I轴)的速度分量；

β：汽车的质心侧偏角(slip angle of vehicle)，车辆有侧滑时，重心C点的汽车速度V与汽车纵轴Y_R的夹角，计算公式为

α：轮胎的侧偏角(前轮侧偏角为α_f，后轮侧偏角为α_r)；

θ：汽车的方向角(heading)，姿态角之一，也称作“横摆角”(yaw angle)，此时用

表示；

Ψ：汽车的俯仰角(pitch)，姿态角之一；

γ：汽车的横滚角(也叫倾侧角，roll)，姿态角之一；

汽车的横摆角速度；

T：GPS/INS组合导航系统数据采样间隔，即前述的采样间隔；

图1所示为汽车的运动学模型，汽车载体坐标系为X_RY_RZ_R，原点位于汽车的重心点C，汽车右手方向为X_R轴，沿着汽车纵轴并指向汽车前进的方向为Y_R轴，Z_R轴指向汽车天顶方向。建立汽车运动的全局坐标系X_IY_IZ_I，也即导航坐标系ENU，X_I轴指向东，Y_I轴指向北，Z_I轴指向上。图2所示为载体坐标系和导航坐标系的示意图。

第一步，车辆质心侧偏角的计算。

汽车在“东北天”导航坐标系里运动时，可以利用GPS\INS组合导航系统测得汽车的三个东向、北向和天向速度v_e，v_n，v_u，接着只要建立车辆速度在“载体坐标系”和“导航坐标系”中的变化矩阵就可以计算求得车辆在载体坐标系中的速度

而车速V的计算公式为：

V = \sqrt{{(V_{X_{R}})}^{2} + {(V_{Y_{R}})}^{2} + {(V_{Z_{R}})}^{2}} - - - (1)

根据“东北天导航坐标系”到“载体坐标系”的旋转矩阵为

汽车载体坐标系中速度计算公式为：

[\begin{matrix} V_{X_{R}} \\ V_{Y_{R}} \\ V_{Z_{R}} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \cos θ \sin γ + \sin θ \sin ψ \sin γ & \cos θ \sin ψ \sin γ - \sin θ \cos γ & - \cos ψ \sin γ \\ \sin θ \cos ψ & \cos θ \cos ψ & \sin ψ \\ \cos θ \sin γ - \sin θ \sin ψ \cos γ & - \cos θ \sin ψ \cos γ - \sin θ \sin γ & \cos ψ \cos γ \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} v_{e} \\ v_{n} \\ v_{n} \end{matrix}] - - - (2)

化简求汽车速度在载体坐标系中的速度分量

\{\begin{matrix} V_{X_{R}} = (\cos θ \sin γ + \sin θ \sin ψ \sin γ) v_{e} + (\cos θ \sin ψ \sin γ - \sin ψ \cos γ) v_{n} - \cos ψ \sin γ v_{u} \\ V_{Y_{R}} = \sin θ \cos ψ v_{e} + \cos θ \cos ψ v_{n} + \sin ψ v_{u} \\ V_{Z_{R}} = (\cos θ \sin γ - \sin θ \sin ψ \cos γ) v_{e} - (\cos θ \sin ψ \cos γ + \sin θ \sin γ) v_{n} - \cos ψ \cos γ v_{u} \end{matrix} - - - (3)

其中，θ为方向角，Ψ为俯仰角，γ为横滚角。

又由于车辆侧偏角β计算公式为：

β = \arctan \frac{V_{X_{R}}}{V_{Y_{R}}} - - - (4)

将公式(3)代入(4)，则可求得车辆的侧偏角β：

β = \arctan \frac{(\cos θ \sin γ + \sin θ \sin ψ \sin γ) v_{e} + (\cos θ \sin ψ \sin γ - \sin ψ \cos γ) v_{n} - \cos ψ \sin γ v_{u}}{\sin θ \cos ψ v_{e} + \cos θ \cos ψ v_{n} + \sin ψ v_{u}} - - - (5)

第二步，前后轮胎侧偏角的计算。

图3为前轮轮胎侧偏角α_f的定义，即车轮Y_W轴与车轮和地面接触点速度V_W之间的夹角。由于车轮前进速度V_W在X_R轴方向上的分量为：

在Y_R轴方向上的分量为：

而汽车底盘上运动既有平移速度又有横摆角转动速度，其中平移速度(即车速V)在X_R轴方向上分量为：Vsinβ，在Y_R轴方向上分量为：Vcosβ；转动速度

在X_R轴方向上分量为：

在Y_R轴方向上分量为0。

则前轮在横向X_R轴方向上，下式成立：

同理在纵向Y_R轴方向上，下式成立：

化简公式(6)和(7)得：

即：

在Δt时间内，汽车瞬时沿着圆轨迹运动室，瞬时前进的距离为Δs，则有ds＝ρdθ(弧长)，如图4所示。此时下式成立：

ρ·dθ＝V·dt (10)

另在直角三角形内有：

则有：

即：

则可知汽车稳态转向的横摆角速度

为：

在GPS采样间隔时间T内，有下式成立：

则由GPS测得的汽车行驶方位角θ的变化率求得虚拟转向角

或

将公式(16)、(15)、(11)、(5)和(1)代入公式(9)，则可以求得前轮轮胎侧偏角α_f。

图5所示为后轮轮胎侧偏角α_r的定义。同理可得车轮前进速度V_W在X_R轴方向上的分量为：V_Wsinα_r，在Y_R轴方向上的分量为：V_Wcosα_r；汽车平移速度在在X_R轴方向上分量为：-Vsinβ，在Y_R轴方向上分量为：Vcosβ；转动速度

在X_R轴方向上分量为：

在Y_R轴方向上分量为0。

则后轮在横向X_R轴方向上，下式成立：

同理在纵向Y_R轴方向上，下式成立：

V_Wcosα_r＝Vcosβ (19)

化简公式(18)和(19)得：

即：

将(15)、(11)、(5)和(1)代入公式(21)，则可以求得前轮轮胎侧偏角α_r。

由公式(3)可以求得相邻间隔内的汽车X_R轴(横向)，Y_R轴(纵向)，Z_R轴(垂向)三个方向的速度分量分别为

则可以求得汽车的X_R轴(横向加速度)，Y_R轴(纵向加速度)，Z_R轴(垂向加速度)分别为：

\{\begin{matrix} a_{X_{R}} (t) = \frac{V_{X_{R}} (t + 1) - V_{X_{R}} (t)}{T} \\ a_{Y_{R}} (t) = \frac{V_{Y_{R}} (t + 1) - V_{Y_{R}} (t)}{T} \\ a_{Z_{R}} (t) = \frac{V_{Z_{R}} (t + 1) - V_{Z_{R}} (t)}{T} \end{matrix} - - - (22)

这样便可以通过GPS/INS组合导航系统计算得到汽车三个方向的加速度信息

这样通过GPS/INS组合导航系统求得的加速度信息，比直接用惯性元器件求得的误差要小。

此时可以利用拟合的方法得出前\后轮侧偏角α_f、α_r与车辆侧向加速度

的公式关系。同理可以利用拟合的方法得出车辆质心侧偏角β与车辆侧向加速度

的公式关系。(拟合车辆轮胎侧偏角与侧向加速度的公式、质心侧偏角与侧向加速度的公式，目的是为了从数学的角度给出侧偏角与加速度之间的关系。拟合是基本的数学方法，这里侧偏角和加速度之间是非线性关系，需要用曲线拟合公式才能较好的拟合出两者之间的关系，从而分析加速度对侧偏角(轮胎侧偏角、质心侧偏角)的影响。

本发明提出的质心侧偏角、轮胎侧偏角软测量方法，其中所需的外带传感器为GPS/INS组合导航系统，或者双GPS系统，能提供汽车的姿态角信息(方向角θ，俯仰角Ψ，横滚角γ)，东向速度v_e、北向速度v_n和天向速度v_u即可。

本发明中所需的汽车参数为轴距l，查阅汽车的说明书即可。

本发明中所提供的拟合前后轮侧偏角α_f、α_r和侧向加速度

间的函数关系，以及拟合质心侧偏角β与车辆侧向加速度

间关系，较为简易的可以分析出汽车稳态转向特性与汽车侧向加速度间的关系，对于汽车的稳定控制和具有辅助作用。

通过上述硬件设备和汽车参数软测量汽车质心侧偏角、轮胎侧偏角的算法程序计算步骤如图6所示。

在步骤S0时算法开始工作；

在步骤S1，在汽车上安装好GPS/INS组合导航系统，获得汽车的各项参数；

步骤S2时，汽车开始行驶，GPS/INS组合导航系统开始工作，实时获取汽车的姿态角信息，以及东向、北向和天向速度v_e，v_n，v_u；

步骤S3时，根据公式(5)实时计算汽车的质心侧偏角β，根据公式(1)求取车速V，以及汽车的三轴加速度

步骤S4时，根据公式(15)和公式(16)，实时计算汽车的虚拟转向角

和横摆角速度

步骤S5时，将虚拟转向角

代入公式(11)，求得ρ_r和ρ_f；

步骤S6时，将当前时刻t的虚拟转向角

横摆角速度

质心侧偏角β、车速V以及ρ_r和ρ_f代入公式(9)和(21)，求得当前时刻汽车轮胎侧偏角α_f和α_r；

步骤S7时，输出当前时刻计算的汽车质心侧偏角β以及轮胎侧偏角α_f和α_r，随后返回到步骤S2采集下一时刻的GPS/INS组合导航系统传感器信号，进行新一轮的计算；

步骤S8时，汽车停止行驶，整个算法停止工作。

根据本发明所述的汽车质心侧偏角、轮胎侧偏角软测量和实时估计方法，只需要在汽车加装GPS/INS组合导航系统即可进行测量，不需要在轮胎上加装转速传感器，或者通过很难获取的汽车CAN总线信号来计算侧偏角角，具有不破坏汽车原有结构的基础上实现汽车长时间的性能监测。

Claims

1.一种汽车质心侧偏角和轮胎侧偏角软测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2：计算汽车质心侧偏角和轮胎侧偏角；

汽车质心侧偏角的计算公式如下：

β = \arctan \frac{(\cos θ \sin γ + \sin θ \sin ψ \sin γ) v_{e} + (\cos θ \sin ψ \sin γ - \sin ψ \cos γ) v_{n} - \cos ψ \sin γ v_{u}}{\sin θ \cos ψ v_{e} + \cos θ \cos ψ v_{n} + \sin ψ v_{u}};

其中：

V = \sqrt{{(V_{X_{R}})}^{2} + {(V_{Y_{R}})}^{2} + {(V_{Z_{R}})}^{2}},

[\begin{matrix} V_{X_{R}} \\ V_{Y_{R}} \\ V_{Z_{R}} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \cos θ \sin γ + \sin θ \sin ψ \sin γ & \cos θ \sin ψ \sin γ - \sin θ \cos γ & - \cos ψ \sin γ \\ \sin θ \cos ψ & \cos θ \cos ψ & \sin ψ \\ \cos θ \sin γ - \sin θ \sin ψ \cos γ & - \cos θ \sin ψ \cos γ - \sin θ \sin γ & \cos ψ \cos γ \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} v_{e} \\ v_{n} \\ v_{n} \end{matrix}];

其中T为传感器的采样时间间隔，

t为时间变量，表示t时刻。

2.根据权利要求1所述的汽车质心侧偏角和轮胎侧偏角软测量方法，其特征在于，所述的运动及姿态参数通过安装在汽车上的GPS/INS组合导航系统或双GPS天线系统采集。