CN102730000A - 车辆动态质心的计算方法、横摆力矩的计算方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种车辆动态质心的计算方法、横摆力矩的计算方法和系统。本发明提供了一种车辆横摆力矩的计算方法，用加速度传感器测量纵向加速度和横向加速度的值，获取前轮侧向力、后轮侧向力、前轮侧偏角和后轮侧偏角的值，然后，由如下公式计算横摆力矩：M＝F_sf*cosα_f*(a+h*a_x/g)-F_sf*sinα_f*h*a_y/g-F_sr*(b-h*a_x/g)其中，M是横摆力矩，F_sf是前轮侧向力，F_sr是后轮侧向力，α_f是前轮的侧偏角，α_r是后轮的侧偏角，a是车辆静止时其质心到前轴的距离，b是车辆静止时其质心到后轴的距离，h是车辆质心高度，a_x是纵向加速度，a_y是横向加速度，g是重力加速度。本发明的公式计算出的横摆力矩更精确，更符合车辆的实际状况，且不用进行大量的试验，人力物力的消耗较小。

Description

车辆动态质心的计算方法、横摆力矩的计算方法和系统

技术领域

本发明涉及车辆动态质心的计算方法、横摆力矩的计算方法和系统。

背景技术

随着社会的发展，人们对车辆安全性的要求越来越高，车辆稳定性控制系统在车辆上的应用越来越普遍。在车辆稳定性控制系统中，横摆力矩是一个很重要的参数，横摆力矩通常是计算出来的，横摆力矩的计算精度越高，车辆的稳定控制效果越好。

现有技术中有一种横摆力矩的计算方法，该计算方法是利用模糊控制方法，以横摆角速度和侧偏角作为两个输入量，依照经验根据模糊规则计算出横摆力矩，这种方法是建立在大量的试验基础之上的，需要进行大量的试验，人力物力的消耗较大，且计算出的横摆力矩的精度并不能令人满意。

发明内容

本发明为解决上述横摆力矩的计算方法精度不能令人满意的问题，提供一种横摆力矩的计算方法，该计算方法考虑了车辆运行中各种不同的状态，计算出的横摆力矩更精确。

本发明的车辆横摆力矩的计算方法，用加速度传感器测量纵向加速度和横向加速度的值，获取前轮侧向力、后轮侧向力、前轮侧偏角和后轮侧偏角的值，然后，由如下公式计算横摆力矩：

M＝F_sf*cosα_f*(a+h*a_x/g)-F_sf*sinα_f*h*a_y/g-F_sr*(b-h*a_x/g)

其中，M是横摆力矩，F_sf是前轮侧向力，F_sr是后轮侧向力，α_f是前轮侧偏角，α_r是后轮侧偏角，a是车辆静止时其质心到前轴的距离，b是车辆静止时其质心到后轴的距离，h是车辆质心高度，a_x是纵向加速度，a_y是横向加速度，g是重力加速度。

进一步地，

F_sf的计算公式如下：F_sf＝C_f*α_f

F_sr的计算公式如下：F_sr＝C_r*α_r

其中，C_f是前轮胎的侧偏刚度，C_r是后轮胎的侧偏刚度。

进一步地，用方向盘转角传感器测量方向盘转角的值，用陀螺仪传感器测量横摆角速度的值，用轮速传感器测量车辆纵向速度的值，获取侧偏角的值，然后，用如下公式计算前轮侧偏角和后轮侧偏角：

${\mathrm{\α}}_f=\mathrm{\δ}/K-\mathrm{\β}+\frac{\mathrm{a\ω}}{u}$

${\mathrm{\α}}_r=-\mathrm{\β}+\frac{\mathrm{b\ω}}{u}$

其中，δ表示方向盘转角，K表示方向盘与车轮之间的传动比，ω表示车辆绕静止时的质心位置的横摆角速度，β表示侧偏角，u表示车辆纵向速度。

进一步地，β的计算公式如下：tanβ＝∫(a_y-u*ω)/u。

本发明还提供一种车辆动态质心位置的计算方法，其中，用加速度传感器测量纵向加速度和横向加速度的值，以车辆静止时的质心位置为原点设置直角坐标系，所述直角坐标系的X轴方向为车身的纵向且指向车辆的前进方向，所述坐标系的Y轴方向为车身的横向，所述动态质心的坐标如下：

$(-h\·\frac{a_x}{g},-h\·\frac{a_y}{g})$

其中，h是车辆质心高度，a_x是纵向加速度，a_y是横向加速度，g是重力加速度。

本发明还提供一种车辆横摆力矩的计算系统，包括：中央处理单元、用来测量a_x和a_y的加速度传感器、用来测量δ的方向盘转角传感器、用来测量ω的陀螺仪传感器和用来测量u的轮速传感器，所述加速度传感器、方向盘转角传感器、陀螺仪传感器、轮速传感器均与中央处理单元电连接，中央处理单元中预先存储有a、b、h、g、C_f、C_r的值，中央处理单元从加速度传感器采集a_x和a_y的值，从方向盘转角传感器采集δ的值，从陀螺仪传感器采集ω的值，从轮速传感器采集u的值，并用权利要求4所述的计算方法计算横摆力矩的值。

本发明的有益效果是：本发明的横摆力矩的计算方法，用到了多个参数，这些参数能反映车辆运行过程中各种不同状态下车辆质心位置的变化，因此用本发明的公式计算出的横摆力矩更精确，更符合车辆的实际状况。另外，本发明的横摆力矩的计算方法，不用进行大量的试验，人力物力的消耗较小。本发明的车辆动态质心位置的计算方法，可方便地计算车辆的动态质心位置。本发明的横摆力矩的计算系统，可方便地计算车辆的横摆力矩。

附图说明

图1是本发明一种实施方式中车辆动态质心的位置示意图；

图2是本发明一种实施方式的横摆力矩的计算系统的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和2所示，本发明一种实施方式中的车辆横摆力矩的计算方法和计算系统，用加速度传感器测量纵向加速度和横向加速度的值，获取前轮侧向力、后轮侧向力、前轮侧偏角和后轮侧偏角的值，然后，由如下公式计算横摆力矩：

M＝F_sf*cosα_f*(a+h*a_x/g)-F_sf*sinα_f*h*a_y/g-F_sr*(b-h*a_x/g)……………(公式1)

其中，

M是横摆力矩，

F_sf是前轮侧向力，

F_sr是后轮侧向力，

α_f是前轮侧偏角，

α_r是后轮侧偏角，

a是车辆静止时其质心到前轴的距离，是固定值，在车辆设计阶段确定，

b是车辆静止时其质心到后轴的距离，是固定值，在车辆设计阶段确定，

h是车辆质心高度，本实施方式中不考虑车辆运行中车辆质心高度的变化，因此

h是固定值，在车辆设计阶段确定，

a_x是纵向加速度，由车辆的加速度传感器测定，

a_y是横向加速度，由车辆的加速度传感器测定，

g是重力加速度，是固定值，具体数值可查阅相关技术手册。

F_sf和F_sr可用现有技术中各种方法获取，优选地，可用如下公式计算：

F_sf＝C_f*α_f  ………………………………………(公式2)

F_sr＝C_r*α_r………………………………………(公式3)

其中，

C_f是前轮胎的侧偏刚度，是固定值，由轮胎生产企业确定，

C_r是后轮胎的侧偏刚度，是固定值，由轮胎生产企业确定。

α_f和α_r可用现有技术中各种方法获取，优选地，用方向盘转角传感器测量方向盘转角的值，用陀螺仪传感器测量横摆角速度的值，用轮速传感器测量车辆纵向速度的值，获取侧偏角的值，然后，用如下公式计算前轮侧偏角和后轮侧偏角：

${\mathrm{\α}}_f=\mathrm{\δ}/K-\mathrm{\β}+\frac{\mathrm{a\ω}}{u}$ …………………………………(公式4)

${\mathrm{\α}}_r=-\mathrm{\β}+\frac{\mathrm{b\ω}}{u}$ ……………………………………(公式5)

其中，

δ是方向盘转角，由方向盘转角传感器测定，

K表示方向盘与车轮之间的传动比，是固定值，车辆设计阶段确定，

ω是车辆绕静止时的质心位置的横摆角速度，由车辆的陀螺仪传感器测定，

β是动态质心的侧偏角，

u是车辆纵向速度，由轮速传感器测定。

β可用现有技术中各种方法获取，优选地，可用如下公式计算：

β的计算公式如下：tanβ＝∫(a_y-u*ω)/u………………………………(公式6)

本实施方式的横摆力矩的计算系统，包括：用来测量纵向加速度和横向加速度的加速度传感器1、用来测量方向盘转角的方向盘转角传感器2、用来测量车辆绕其质心纵轴的横摆角速度的陀螺仪传感器3、用来测量车辆纵向速度的轮速传感器4和中央处理单元5，所述加速度传感器1、方向盘转角传感器2、陀螺仪传感器3、轮速传感器4均与中央处理单元5电连接，中央处理单元5从加速度传感器1采集a_x和a_y的值，从方向盘转角传感器2采集δ的值，从陀螺仪传感器3采集ω的值，从轮速传感器4采集u的值，另外，中央处理单元5中预先存储有a、b、h、g、C_f、C_r的值。中央处理单元5采集上述各传感器的值，结合自身存储的那些参数值，用上述的六个公式(即公式1-6)，即可计算出横摆力矩的值。

当车辆处于加速、减速或转弯等状态时，由于车身与车轮之间并非刚性连接，因此车辆的质心位置与静止时相比是不同的，本实施方式提出了一种新的车辆在各种不同的运行状态下动态质心位置的计算方法。

具体如图1所示，将车辆静止时的质心位置(S0)作为原点，作出一个直角坐标系，该直角坐标系的X轴沿车身的纵向且指向车辆的前进方向，该直角坐标系的Y轴沿车身的横向(Y轴可指向车辆的左边或右边)，无论车辆处在哪种状态，车辆的动态质心坐标可用下面的公式表示：

$(-h\·\frac{a_x}{g},-h\·\frac{a_y}{g})$

上述的公式1实际是将前轮侧向力相对动态质心位置的扭矩与后轮侧向力相对动态质心位置的扭矩相加，得到车辆的横摆力矩。

本实施方式的横摆力矩的计算方法，实际是考虑到了车辆在各种不同运行状态下车辆质心位置的变化，并在此基础上计算横摆力矩，因此计算出的横摆力矩更精确，更符合车辆的实际运行状况。

本实施方式的动态质心坐标的计算公式和横摆力矩的计算公式均是通用性的公式，适合于车辆运行的各种状态，当然，对车辆运行中的几种典型状态也是同样适用的。下面对四种车辆运行的典型状态进行说明。

一、当车辆直线匀速行驶时，a_x＝0，a_y＝0，δ＝0

此时动态质心的位置为图1中的S0点，动态质心坐标为(0，0)

横摆力矩的计算公式简化为：M＝F_sf*cosα_f*a-F_sr*b

二、当车辆直线加速(或减速)行驶时，a_y＝0，δ＝0

此时动态质心的位置为图1中的S1点，动态质心坐标为

横摆力矩的计算公式简化为：

加速时纵向加速度为正，减速时纵向加速度为负。

三、当车辆匀速转弯时，a_x＝0

此时动态质心的位置为图1中的S2点，动态质心坐标为

横摆力矩的计算公式简化为：M＝F_sf*cosα_f*a-F_sf*sinα_f*h*a_y/g-F_sr*b

当车辆的转向方向与Y轴的指向相反时，横向加速度为负；当车辆的转向方向与Y轴的指向相同时，横向加速度为正。

四、当车辆加速转弯时，

此时动态质心的位置为图1中的S3点，动态质心坐标为：

横摆力矩的计算公式为：

M＝F_sf*cosα_f*(a+h*a_x/g)-F_sf*sinα_f*h*a_y/g-F_sr*(b-h*a_x/g)

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种车辆横摆力矩的计算方法，其特征在于，用加速度传感器测量纵向加速度和横向加速度的值，获取前轮侧向力、后轮侧向力、前轮侧偏角和后轮侧偏角的值，然后，由如下公式计算横摆力矩：

M＝F_sf*cosα_f*(a+h*a_x/g)-F_sf*sinα_f*h*a_y/g-F_sr*(b-h*a_x/g)

其中，M是横摆力矩，F_sf是前轮侧向力，F_sr是后轮侧向力，α_f是前轮侧偏角，α_r是后轮侧偏角，a是车辆静止时其质心到前轴的距离，b是车辆静止时其质心到后轴的距离，h是车辆质心高度，a_x是纵向加速度，a_y是横向加速度，g是重力加速度。

2.如权利要求1所述的车辆横摆力矩的计算方法，其特征在于，

F_sf的计算公式如下：F_sf＝C_f*α_f

F_sr的计算公式如下：F_sr＝C_r*α_r

其中，C_f是前轮胎的侧偏刚度，C_r是后轮胎的侧偏刚度。

3.如权利要求2所述的车辆横摆力矩的计算方法，其特征在于，用方向盘转角传感器测量方向盘转角的值，用陀螺仪传感器测量横摆角速度的值，用轮速传感器测量车辆纵向速度的值，获取侧偏角的值，然后，用如下公式计算前轮侧偏角和后轮侧偏角：

${\mathrm{\α}}_f=\mathrm{\δ}/K-\mathrm{\β}+\frac{\mathrm{a\ω}}{u}$

${\mathrm{\α}}_r=-\mathrm{\β}+\frac{\mathrm{b\ω}}{u}$

其中，δ表示方向盘转角，K表示方向盘与车轮之间的传动比，ω表示车辆绕静止时的质心位置的横摆角速度，β表示侧偏角，u表示车辆纵向速度。

4.如权利要求3所述的车辆横摆力矩的计算方法，其特征在于，

β的计算公式如下：tanβ＝∫(a_y-u*ω)/u。

5.一种车辆动态质心位置的计算方法，其特征在于，用加速度传感器测量纵向加速度和横向加速度的值，以车辆静止时的质心位置为原点设置直角坐标系，所述直角坐标系的X轴方向为车身的纵向且指向车辆的前进方向，所述坐标系的Y轴方向为车身的横向，所述动态质心的坐标如下：

$(-h\·\frac{a_x}{g},-h\·\frac{a_y}{g})$

其中，h是车辆质心高度，a_x是纵向加速度，a_y是横向加速度，g是重力加速度。

6.一种车辆横摆力矩的计算系统，其特征在于，包括：中央处理单元、用来测量a_x和a_y的加速度传感器、用来测量δ的方向盘转角传感器、用来测量ω的陀螺仪传感器和用来测量u的轮速传感器，所述加速度传感器、方向盘转角传感器、陀螺仪传感器、轮速传感器均与中央处理单元电连接，中央处理单元中预先存储有a、b、h、g、C_f、C_r的值，中央处理单元从加速度传感器采集a_x和a_y的值，从方向盘转角传感器采集δ的值，从陀螺仪传感器采集ω的值，从轮速传感器采集u的值，并用权利要求4所述的计算方法计算横摆力矩的值。

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