CN103407450A - 轮胎与地面附着系数实时检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮胎与地面附着系数实时检测方法及装置，方法的具体步骤如下：1）依据制动踏板位置传感器的信号电压测得的制动踏板位移，以获取制动器制动力；2）通过微处理器处理加速度传感器的输出电压，以获取车辆减速度；3）依据测得的单轮模型车辆质量和步骤2）中获取的车辆减速度，以获取车轮地面制动力；4）通过控制单元比较制动器制动力与地面制动力的大小关系，获得进入利用附着系数与车轮滑移率关系曲线的局部滑动区域的利用附着系数，将其直接或通过数值修正后作为轮胎与地面间的附着系数。本发明方法能够高效、准确并能实时地提供轮胎与路面的附着系数，数据可靠，对外部环境依赖程度小，成本低。

Description

轮胎与地面附着系数实时检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种轮胎与地面附着系数实时检测方法及装置，属于车辆控制与测试技术领域。

背景技术

附着系数是地面对轮胎切向反作用力极限值与车轮法向载荷的比值，由道路材料、路面状况、轮胎结构、胎面花纹及运动速度等决定。附着系数的实时检测是制动防抱死系统、驱动防滑转系统、电子稳定程序等车辆底盘主动安全系统控制策略实现和工作性能提高的关键问题。目前，附着系数检测主要有影响因素估算法和运动响应估算法两种，前者通过测量对附着系数影响较大的因素，根据经验预测附着系数数值，如利用光学或超声波传感器测量路面附着系数的方法等，检测准确度较高，但需要外加昂贵的传感器，且依赖于已有经验和外部环境；后者通过检测由附着系数引起的车体或车轮运动响应实现对附着系数大小的估算，如利用滑移率-利用附着系数关系曲线估算附着系数的方法等，能够根据轮胎应变、应力、噪声及车辆纵向、侧向动力学等估算附着系数，但存在成本较高、准确度低或实时性差等问题。

线控制动系统取消了传统制动系统中液压、气压部件，以电线为信息传递媒介，电驱动元件为制动执行器，控制单元根据制动踏板位置传感器信号识别驾驶员制动意图，控制制动执行器动作实现车辆制动。控制单元通过制动踏板位置传感器提供的踏板速度信号识别制动工况，即轻度制动、中度制动和紧急制动等；根据踏板位移的大小，决定施加于制动器上的制动力数值，因此根据制动踏板位置传感器信号可以较准确地估计制动器制动力的大小。这对于轮胎与地面附着系数的实时检测具有积极作用，一定程度上可以改善已有附着系数测试方法的程序复杂、成本较高、实时性差及准确度低等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种轮胎与地面附着系数实时检测方法，该方法能够高效、准确并能实时地提供轮胎与路面的附着系数，并且数据可靠，对外部环境依赖程度小，实施成本低。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种轮胎与地面附着系数实时检测方法，该方法的具体步骤如下：

1）依据制动踏板位置传感器的传感器信号电压U测得的制动踏板位移，以获取制动器制动力F_μ；

2）通过微处理器处理加速度传感器的输出电压，以获取车辆减速度dv/dt；

3）依据测得的单轮模型车辆质量M和步骤2）中获取的车辆减速度dv/dt，以获取车轮地面制动力F_xb，F_xb的计算公式如下：F_xb=M*dv/dt；

4）通过控制单元比较制动器制动力F_μ与车轮地面制动力F_xb的大小关系：当F_μ＞F_xb时，则判断车轮进入局部滑动区域；

5）通过控制单元依据测得的车辆质心离地高度h_g、车辆轴距L、车辆质心至前轮轴中心线的距离a、车辆质心至后轮轴中心线的距离b、车辆总质量为m、车辆重力G以及此时步骤2）中获取的车辆减速度dv/dt，以获取车轮进入局部滑动区域的前轮利用附着系数和后轮利用附着系数

其中，

的计算公式如下：φ_hb1＝F_xb/F_z1，

的计算公式如下：φ_hb2＝F_xb/F_z2，

6）输出前轮与地面的附着系数为步骤5）中获取的前轮利用附着系数输出后轮与地面的附着系数

为步骤5）中获取的后轮利用附着系数

进一步，所述的制动踏板位置传感器为电位计式传感器，并且步骤1）中的制动器制动力F_μ的计算公式如下： $F_{\mathrm{\&mu;}}=\left\{\begin{array}{cc}0& U\&le;k_0{S}_z\\ \frac{k_1}{k_0}U-k_1{S}_z& k_0{S}_z<U\&le;k_0{S}_1\\ F_m& k_0{S}_1<U\end{array}\right.;$ 其中,K₀和K₁为常数，S_z为踏板自由行程，F_m为最大目标制动力，S₁为到达最大目标制动力F_m时的踏板行程。

更进一步，所述的微处理器和加速度传感器相连接，并安装于车辆底盘中心位置。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种轮胎与地面附着系数实时检测方法所采用的装置，它包括：

一制动踏板位置传感器，用于采集车辆的制动踏板位移以获取制动器制动力；

一微处理器和加速度传感器，其连接在一起，并用于采集车辆减速度以获取车轮地面制动力；

一控制单元，用于处理制动器制动力和车轮地面制动力并输出前轮与地面的附着系数以及后轮与地面的附着系数，所述的制动踏板位置传感器和微处理器均连接在控制单元上以实现数据传输。

采用了上述技术方案后，本发明基于线控制动系统，由制动踏板位置传感器估计制动器制动力数值，微处理器和加速度传感器检测车辆减速度，根据利用关系曲线及F_xb与F_μ之间关系，获得轮胎与地面之间的附着系数，本发明不需要外加昂贵的传感器，结构简单、成本低廉，对已有经验和外部环境依赖度小；不需要检测大量地面制动力F_xb与车轮滑移率S的数据拟合

曲线的斜率，可靠性与实时性有所提高。

附图说明

图1是不同路面上的曲线；

图2是车辆地面制动力与制动器制动力的关系曲线；

图3是制动踏板位移与目标制动力的关系曲线；

图4是制动踏板位置传感器信号输出特性；

图5是本发明的一种加速度传感器内部功能框图；

图6是本发明的微控制器与加速度传感器连接原理图；

图7是本发明的制动时的车辆受力情况；

图8是本发明的轮胎与地面附着系数实时检测方法的流程框图。

具体实施方式为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

线控制动系统一般设有踏板感觉模拟器，用于模拟传统制动踏板特性，提高驾驶员的操纵感觉，并可使制动踏板位移与制动器目标制动力的关系曲线随着制动强度改变而变化，达到中小强度制动时注重制动力的可定量性和可调整性，紧急制动时重视制动响应时间的理想制动特性要求。以专利号为ZL201010543297.8的中国发明专利-汽车制动踏板机构及其踏板感觉模拟器中所提到的基于磁流变液的制动踏板感觉模拟器为例，制动踏板位移与目标制动力的关系曲线如图3所示，其中S_z为踏板自由行程，S_m为踏板最大行程，F_m为最大目标制动力。轻度制动时，踏板位移与目标制动力的关系如“曲线1”所示，制动力随踏板位移变化缓慢均匀，制动稳定舒适；中度制动时，两者关系如“曲线2”所示，制动稳定舒适性有所下降，但响应速度提高；紧急制动时，两者关系如“曲线3”所示，达到最大制动力所需的踏板位移最小，制动响应迅速，提高安全性能。

本发明的制动踏板位置传感器可以采用电位计式传感器，正极由控制单元供给5V电源电压，负极接地，电位计滑片随着制动踏板动作而移动，输出信号电压值随着制动踏板位移作线性变化，其输出特性如图4所示。

由图3可得制动踏板位移与制动器目标制动力的关系函数，以轻度制动为例，设到达最大目标制动力F_m时的踏板行程为S₁，则

$F_v=\left\{\begin{array}{cc}0& S_p\&le;S_z\\ k_1(S_p-S_z)& S_z<S_p\&le;S_1\\ F_m& S_1<S_p\end{array}\right.$

式中，K₁为常数。

由图4可得制动踏板位置传感器的信号电压与制动踏板位移的函数关系，设信号电压为U，则有

U＝k₀S_p

式中，K₀为常数。由此可以容易得到传感器信号电压与制动器目标制动力的函数关系：

$F_v=\left\{\begin{array}{cc}0& U\&le;k_0{S}_z\\ \frac{k_1}{k_0}U-k_1{S}_z& k_0{S}_z<U\&le;k_0{S}_1\\ F_m& k_0{S}_1<U\end{array}\right.$

即，通过制动踏板位置传感器检测踏板位移，可以较准确地估计出制动器制动力F_μ，即为制动器目标制动力F_v。

车轮地面制动力为单轮模型车辆质量M与车辆减速度dv/dt的乘积，假设单轮模型车辆质量已知，则车辆地面制动力检测即为制动减速度检测，本发明可以采用Freescale MMA6260QXY轴加速度传感器，检测范围为±1.5g，符合车辆减速度检测的要求。该传感器由多晶硅半导体加速度传感器与信号调理电路组成，其内部功能框图如图5所示。

加速度传感器的物理模型相当于在两个固定的电容极板中间放置一个可移动的极板。当有加速度作用于传感器时，中间极板偏离静止位置，与一个固定极板距离增加，与另一个固定极板距离减少，且距离变化量相等。根据电容计算公式C=Aε/D，其中A为极板面积，D为极板距离，ε为介质常数，可知中间极板移动会导致极板间的电容值发生改变。信号调理电路包括积分、放大、滤波、温度补偿及自检电路等，将加速度传感器测量的电容值转换为与加速度正比的电压值输出。

为了便于测量加速度传感器的输出电压，采用自带A/D转换的微控制器，其与加速度传感器的具体连接方式如图6所示，传感器电压输出端XOUT、YOUT与微控制器A/D IN端子之间的RC回路起到滤波作用，以减小系统噪声；电源VDD与接地VSS间的0.1uF电容为去耦电容；微控制器与加速度传感器设置在一起，安装于底盘中心位置，实现对车辆减速度的实时检测。

本发明以水平路面直线制动为例，坡道制动、弯道制动时的各轮地面法向反作用力可类似求出。由

曲线可知，轮胎与路面间的附着系数

可近似取为车轮进入局部滑动区域的利用附着系数

利用制动踏板位置传感器和加速度传感器获得制动器制动力F_μ与地面制动力F_xb。当F_μ大于F_xb时，则判断车轮进入局部滑动区域，

为此时地面制动力F_xb与车轮法向反力F_z的比值，其中F_xb=Mdv/dt。

车辆在制动过程中，由于减速度的存在，会发生载荷转移。忽略滚动阻力、空气阻力及旋转质量的惯性力偶，车辆在水平路面上制动时的受力情况如图7所示。G为车辆重力，F_z1与F_z2为前、后轮法向反作用力，F_xb1与F_xb2为前、后轮地面制动力，h_g为车辆质心离地高度，L为车辆轴距，a与b为车辆质心至前、后轮轴中心线的距离，F_j为车辆减速惯性力。

分别对后轮、前轮接地点取力矩，设车辆总质量为m，则

$F_{Z1}L=\mathrm{Gb}+m\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}{h}_g$

$F_{Z2}L=\mathrm{Ga}-m\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}{h}_g$

从而由公式

可分别得出前轮和后轮的利用附着系数

可以此作为轮胎与路面间的附着系数，也可通过数值修正，进一步提高检测精度。该轮胎与地面附着系数实时检测方法的流程框图如图8所示。

本发明的工作原理如下：利用附着系数

为车轮地面制动力F_xb与车辆垂直载荷W的比值，在不同附着系数路面上

与车轮滑移率S的关系曲线如图1所示，对于同一路面，

曲线的斜率可分为三种情况，稳定区域OA段，曲线近似直线，斜率保持为较大数值；局部滑动AB段，曲线斜率显著减小至零附近，

增加速度变慢；动态滑动BC段，由于动摩擦因数小于静摩擦因数，曲线斜率为负值，

逐渐降低；对于不同的路面，曲线的稳定区域斜率、局部滑动区利用附着系数存在明显差异，通过检测曲线斜率或利用附着系数，即可折算出轮胎与地面间的附着系数。通过

曲线斜率识别路面附着系数时，需要大量的车辆地面制动力F_xb与车轮滑移率S的数据才能拟合出曲线的斜率，而且两个信号都含有较大噪声，存在实时性不好的缺点。在制动过程中，若只考虑车轮运动为滚动和滑动两种状态，车辆地面制动力F_xb与制动器制动力F_μ的关系如图2所示，其中F_Φ为车轮地面附着力，F_p为制动踏板力。在制动初期，车辆地面制动力与制动器制动力根据制动踏板力同步增加，

曲线处于稳定区域；随着制动踏板力的增加，制动器制动力仍按线性关系上升，而地面制动力增加至地面附着力后不再变化，此时车轮出现滑动现象，

曲线进入局部滑动区域。不同附着系数路面对应的进入局部滑动区域的利用附着系数不同，因此通过检测、比较制动器制动力与地面制动力的大小关系，判断进入局部滑动区域的利用附着系数，即可识别轮胎与地面间的附着系数。

制动器制动力由制动踏板位置传感器信号估计得到，车轮地面制动力由加速度传感器检测到的车辆制动减速度计算获得，控制单元通过比较制动器制动力与车轮地面制动力的大小关系，根据制动时的车辆载荷转移公式，判断进入局部滑动区域的利用附着系数，直接或通过数值修正得到轮胎与地面间的附着系数。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种轮胎与地面附着系数实时检测方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

1）依据制动踏板位置传感器的信号电压U测得的制动踏板位移，以获取制动器制动力F_μ；

2）通过微处理器处理加速度传感器的输出电压，以获取车辆减速度dv/dt；

3）依据测得的单轮模型车辆质量M和步骤2）中获取的车辆减速度dv/dt，以获取车轮地面制动力F_xb，F_xb的计算公式如下：F_xb=M*dv/dt；

4）通过控制单元比较制动器制动力F_μ与车轮地面制动力F_xb的大小关系：当F_μ＞F_xb时，则判断车轮进入局部滑动区域；

5）通过控制单元依据测得的车辆质心离地高度h_g、车辆轴距L、车辆质心至前轮轴中心线的距离a、车辆质心至后轮轴中心线的距离b、车辆总质量为m、车辆重力G以及此时步骤2）中获取的车辆减速度dv/dt，以获取车轮进入局部滑动区域的前轮利用附着系数

和后轮利用附着系数

其中，的计算公式如下：φ_hb1＝F_xb/F_z1，

的计算公式如下：φ_hb2＝F_xb/F_z2，

6）输出前轮与地面的附着系数

为步骤5）中获取的前轮利用附着系数

输出后轮与地面的附着系数

为步骤5）中获取的后轮利用附着系数

2.根据权利要求1所述的轮胎与地面附着系数实时检测方法，其特征在于：所述的制动踏板位置传感器为电位计式传感器，并且步骤1）中的制动器制动力F_μ的计算公式如下： $F_{\mathrm{\&mu;}}=\left\{\begin{array}{cc}0& U\&le;k_0{S}_z\\ \frac{k_1}{k_0}U-k_1{S}_z& k_0{S}_z<U\&le;k_0{S}_1\\ F_m& k_0{S}_1<U\end{array}\right.;$ 其中,K₀和K₁为常数，S_z为踏板自由行程，F_m为最大目标制动力，S₁为到达最大目标制动力F_m时的踏板行程。

3.根据权利要求1所述的轮胎与地面附着系数实时检测方法，其特征在于：所述的微处理器和加速度传感器相连接，并安装于车辆底盘中心位置。

4.一种如权利要求1至3中任一项所述的轮胎与地面附着系数实时检测方法所采用的装置，其特征在于，它包括：

一制动踏板位置传感器，用于采集车辆的制动踏板位移以获取制动器制动力；

一微处理器和加速度传感器，其连接在一起，并用于采集车辆减速度以获取车轮地面制动力；

一控制单元，用于处理制动器制动力和车轮地面制动力并输出前轮与地面的附着系数以及后轮与地面的附着系数，所述的制动踏板位置传感器和微处理器均连接在控制单元上以实现数据传输。

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