CN103946039A - 用于估算车辆车轮滚动阻力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于估算运动中车辆的车轮的滚动阻力的方法，所述车辆具有装配有轮胎的至少两个车轮(1)，该方法包括：测量或估算至少一个车轮(1)的旋转角速度Ω的值；并且测量或估算施加给所述车轮(1)的扭矩τ的值，其特征在于，该方法使用一种关于该车轮(₁)的动力学的观测器，该观测器是基于滑动模型控制理论的，在该观测器中，输入信号是该车轮(₁)的角速度Ω的值以及施加给所述车轮(₁)的扭矩τ的值。

Description

用于估算车辆车轮滚动阻力的方法

技术领域

本发明涉及对车辆车轮、更确切地讲机动车辆车轮的轮胎充气状态的检测和监测。

背景技术

事实上出于乘客安全，至关重要的是所有车辆具有其充气压力足以确保该车辆的就其方向稳定性的、其操作以及其舒适性而言的合适行为的车轮。此外已知的是不充足的轮胎压力导致过消耗。

与车轮和高速公路之间的接触相关联的一条显著的信息是滚动阻力，该滚动阻力的变化高度指示该车辆的关于负荷和轮胎充气压力的状态。

为了改善车辆控制策略和轮胎诊断工具，本发明提出估算一个车轮的滚动阻力并且由其推导这些轮胎的充气状态。

从文件JP2010/0249527已知分开地估算所考虑的轮胎的滚动阻力，目的是确定所述轮胎的特征。这种估算是基于一种静态有限元模型并且不适用于沿高速公路行驶中的车辆。

文件US4489598和US2008/0115563还披露了装备有传感器的测试台架，这使之有可能测量切向的滚动阻力。这样一种组件不允许在该车辆的使用过程中测量该滚动阻力，并且相应地不允许监测行驶过程中的这些轮胎的压力。

发明内容

本发明提出通过一种鲁棒的并且可靠的方法来从大多数车辆、特别是装备有ABS(防抱死制动系统)装置的车辆中已经存在的数据来实时地确定高速公路上运动的车辆车轮的滚动阻力。本发明还涉及通过估算一台车辆的车轮的滚动阻力来估算和监测装配到该车轮上的一个轮胎的压力。

本发明的实现是借助于一种用于估算运动中车辆的车轮的滚动阻力的方法，所述车辆具有装配有轮胎的至少两个车轮，该方法包括以下步骤：

-测量或估算至少一个车轮的旋转角速度的值，

-测量或估算施加给所述车轮的扭矩的值，

其特征在于，该方法使用一种关于该车轮的动力学的观测器，该观测器是基于滑动模型控制理论，在该观测器中，输入信号是该车轮的角速度的值以及施加给所述车轮的扭矩的值。

这样一种方法因此使之有可能通过使用一个基于滑动模型控制理论的观测器来从两个估算的或测量的信号获得每个车辆车轮的滚动阻力的估算值，该理论使之有可能特别地赋予这种方法相对于不确定性和干扰的一定程度的鲁棒性。

除此之外，这种理论还允许快速收敛。

这种如前一权利要求所述的估算滚动阻力的方法有利地使之有可能估算该车轮的纵向速度。

根据本发明，该观测器使用了以下应用于该车轮的等式：

$J\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}=\mathrm{\τ}-{\mathrm{RF}}_x-C_f\mathrm{\Ω},$

${M\stackrel{\·}{v}}_x=F_x-F_d-F_r,$

其中J和M分别是惯量以及包括车身和该车轮在内的车辆的四分之一质量，R是该车轮的有效半径，C_f是该车轮的粘滞摩擦系数，Fx是牵引力，F_d是空气动力，并且F_r是该滚动阻力。

除此之外，该牵引力是由关系式F_x＝Mgμ来限定的，其中μ是该车轮的附着系数，这个系数是由其与该车轮的伪滑移率λ的关系式来逼近的、被限定为：

$\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)={2\mathrm{\μ}}_0\frac{{\mathrm{\λ}}_0\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0^2+{\mathrm{\λ}}_2},$ 其中 $\mathrm{\λ}=1-\frac{v_x}{\mathrm{R\Ω}}$

其中λ₀是对应于最大附着系数μ₀的最佳伪滑移率。

该附着系数与该伪滑移率之间的这个关系式与通常使用的牵引力被表示为线性地取决于该伪滑移率的关系式相比表现了更真实的逼近。

根据一种有利的计算简化，根据以下关系式，该滚动阻力的变化是缓慢的：

其中|η|＜|η0|，

这使之有可能对观测器的水平提供简化。

该车轮的旋转角速度的值有利地是由该车辆的防抱死制动系统的多个传感器提供的，这规避了一个用于测量该速度的特定装置。

本发明还涉及一种机动车辆，包括用于监测装配到该车辆的多个车轮上的轮胎的压力的一个装置，该装置使用所述车轮的滚动阻力的变化作为一个压力变化指标，该车辆装备有用于测量或估算至少一个车轮的旋转角速度值的一个装置以及用于测量或估算施加给所述车轮的扭矩值的一个装置，该滚动阻力是借助于一种方法来实时地估算的，该方法包括以下步骤：

-使用用于测量或估算车轮的旋转角速度值的该装置来测量或估算至少一个车轮的旋转角速度的值，

-使用用于测量或估算施加给车轮的扭矩值的该装置来测量或估算施加给所述车轮的扭矩的值，

其特征在于，该车辆包括通过一种关于该车轮的动力学的观测器来处理多个信号的一个装置，该观测器是基于滑动模型控制理论的，在该观测器中，输入信号是该车轮的角速度的值以及施加给所述车轮的扭矩的值。

该车辆有利地包括用于记录和比较这些车辆车轮的滚动阻力的一个装置。

附图说明

借助于以下说明并且通过参照附图将更好地理解本发明，在附图中：

图1是一个车轮的以及一台运动的车辆中施加给所述车轮的力的示意图，

图2至图4示出了借助于根据本发明的方法的多个不同的仿真结果。

具体实施方式

本发明提出仅仅使用由这些ABS编码器有利地提供的发动机扭矩和加速度信息来估算这种滚动阻力。

图1示出了装配到一台车辆(未示出)上的一个车轮1的状态，该车辆停放在路面2上。这样一个车轮因此不是分开考虑的并且因此承受了近似该车辆的总重量除以车轮的数目的负荷，从而确保该车辆与该地面之间接触。因此，这些与轮胎装配的车轮的半径由于该车辆的重量而不同于标称半径，该标称半径R_nom对应于在这些车轮并未装配到该车辆上时分开考虑的外直径。

因此负荷下的半径R_c被定义为对应于该车轮的旋转轴线与该地面之间的距离，并且还将动态半径R定义为对应于该车轮旋转一周覆盖的距离除以2π。

表示该车轮动力学的模型是基于将牛顿第二定律应用到在加速阶段作用在该车轮上的力。这样使之有可能建立该车轮处的纵向动力学和旋转动力学的主要等式：

$J\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}=\mathrm{\τ}-{\mathrm{RF}}_x-C_f\mathrm{\Ω},$

${M\stackrel{\·}{v}}_x=F_x-F_d-F_r,$

其中，Ω是该车轮的角速度，R是该动态半径，v_x是该车辆的线速度，C_f是该车轮的粘滞摩擦系数，J和M分别是该车轮的惯量以及包括车身和该车轮在内的车辆的四分之一质量，其中假定的是在所提出的实例中该车辆具有四个与该地面接触的车轮。

除了施加到该车轮上的扭矩τ之外，作用在该车轮上的主要的力是牵引力F_x、空气动力F_d以及滚动阻力F_r，如图1中示出的并且由以下公式给出：

$F_d\left(v_x\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{A}_d{C}_d{v}_x^2,$

$F_x\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{Mg\μ}\left(\mathrm{\λ}\right),$

其中是C_d是空气阻力系数，ρ是该空气的体积密度，并且A_d是该车辆的前部区域表面积。参数是该车轮的附着系数μ(λ)并且取决于该车轮的伪滑移率λ。这个系数由以下关系式定义：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{R\Ω}-v_x}{\mathrm{R\Ω}}=1-\frac{v_x}{\mathrm{RCI}}.$

μ和λ之间的关系式是由以下函数近似的：

$\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)={2\mathrm{\μ}}_0\frac{{\mathrm{\λ}}_0\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0^2+{\mathrm{\λ}}^2},$

其中λ₀是最佳伪滑移率，对应于最大附着系数μ(λ₀)＝μ₀。这个关系式与经常碰到的该牵引力F_x和该伪滑移率λ之间的线性变化相比更准确并且更逼真。

有效半径R被假定是恒定的，并且估算求解的滚动阻力被假定具有如下的一种缓慢变化

其中η是根据关系式|η|＜|η₀|来限制的。

根据本发明，提出了一种仅仅使用该车轮的角速度测量值以及施加给所述车轮的扭矩的观测器。假定一个恒定半径，这样一种解决方案使之有可能估算该车辆的速度和滚动阻力。

基于较高阶滑动模型控制理论的观测器必须是三阶的。这种类型的观测器的主要特征是相对于不确定性和干扰的鲁棒性，以及在有限时间内收敛。除此之外，这些特征可以应用于非常广泛级别的观测系统。

已经选择了这种观测策略，因为该滚动阻力的动力特性不是先验已知的并且可以被看作一种有限的不确定性。

为了设计该估算器，一种表示该车轮的动力学的模型是有必要的。

试图估算的这些值因此是这些车轮的角速度Ω、行驶速度v_x、以及滚动阻力F_r。

因此该状态表达式为

x＝[x1 x2 x3]^T＝[Ω v_x F_r]^T，其中该控制输入u＝τ，因此使之有可能考虑

以上这些等式来由以下关系式表示

$\stackrel{\·}{x}=\left[\begin{array}{c}-\frac{1}{J}({\mathrm{RF}}_x\left(x\right)+C_f{x}_1)\\ \underset{\mathrm{\η}}{\frac{1}{M}(F_x\left(x\right)-F_d\left(x\right)-x_3)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{J}\\ 0\\ 0\end{array}\right]u.$

除此之外，根据本发明，旋转速度值是Ω已知的，使得项仅^d"^义工仅仅取决于已知的变量。已知的是可观察性的性质不会由于考虑或不考虑这一项而被修改，并且因此这项在下文中将被忽略。

除此之外，为该观测器选择的是值η_obs＝0，因为滚动阻力的这种动态特性对该观测器而言是缓慢的并且未知的。因此，该观测器是基于简化系统设计的：

$\stackrel{\·}{x}=\left[\begin{array}{c}-\frac{1}{J}{\mathrm{RF}}_x\left(x\right)\\ \underset{0}{\frac{1}{M}(F_M\left(x\right)-F_d\left(x\right)-x_3)}\end{array}\right]=f_{\mathrm{id}}\left(x\right).$

考虑以上限定的这些等式，F_x(x)力由该关系式来表示：

$F_x={2\mathrm{\μ}}_0\frac{{\mathrm{\λ}}_0(1-\frac{x_2}{{\mathrm{Rx}}_2})}{{\mathrm{\λ}}_0^2+{(1-\frac{x_2}{{\mathrm{Rx}}_1})}^2}\mathrm{Mg}.$

于是限定了以下变化：

$\mathrm{\Ψ}\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}y\\ \stackrel{\·}{y}\\ \stackrel{\·\·}{y}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\stackrel{x_1}{-\frac{1}{J}{\mathrm{RF}}_x\left(x\right)}\\ -\frac{1}{J}{\left[\frac{{\mathrm{dF}}_x}{\mathrm{dx}}\right]}^T\stackrel{\·}{x}\end{array}\right].$

其中该测定输出y＝Ω＝x₁。

如果这种变换的雅可比行列式不为零，则根据用于三阶滑动模型控制的技术写出这些估算的状态变量的动力学如下：

$\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{x}=f_{\mathrm{id}}(\hat{x},y)+x(y,u)+{\left[\frac{\∂\mathrm{\Ψ}}{\∂x}\right]}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_1\\ {\mathrm{\γ}}_2\\ {\mathrm{\γ}}_3\end{array}\right],$

其中

${\mathrm{\γ}}_1=2L^{1/3}{|y-{\hat{x}}_1|}^{2/3}\mathrm{sign}(y-{\hat{x}}_1),$

${\mathrm{\γ}}_2={1.5L}^{1/2}{\left|{\mathrm{\γ}}_1\right|}^{1/2}\mathrm{sign}\left({\mathrm{\γ}}_1\right),$

${\mathrm{\γ}}_3=1.1L\sin g\left({\mathrm{\γ}}_2\right),$

其中L是该观测器的一个控制参数。考虑正负号允许这些估算的和测量的变量之间的偏差趋向零。

为了检验所提出的观测器是否具有收敛性并且正确估算这些设想的变量、也就是该滚动阻力和纵向速度，就一个车轮的两个充气水平而言获得了车轮角速度的和扭矩的实际信号。

这些观测参数被选择成以便尽可能靠近实际值。因此，这些必要参数的不同值为：J＝1.672kgxm²，R＝0.305m，M＝607.5kg，A_d＝0.815m²，ρ＝1.205kgxm^-3，g＝9.807mxs^-2，Cf＝0.08kgxm²xs^-1，C_d＝0.3125，μ₀＝0.9以及λ₀＝0.15。

参数L已经被设定等于1。

这些初始值的选择是根据

$\hat{x}\left(0\right)=\left[\begin{array}{c}15/0.29\\ 15\\ 14\end{array}\right].$

对这次试验而言，该车辆的纵向速度被选择成等于40km/h。这些车轮的加速度的以及发动机扭矩的信号是在与标称压力相比轮胎放气20％之前和之后获得的。

图2至图4对应地展示了该车轮的加速度的、该车辆的纵向速度的、以及该滚动阻力的根据该车辆的行驶时间的函数的估算值。对这些图中的每个图而言，含有指数1的虚线表示对应于标称充气的情形，而含有指数2的实线表示对应于该轮胎已经经受20％压力损失的情形。

在图2中，曲线C₁和C₂就平均值而言彼此是非常靠近的，并且这两条曲线之间的偏差小于0.5％。这些平均值因此是难于区别的，这示出了引用的该车轮的旋转速度并未受到该轮胎的压力状态的严重影响。

这种情形同样适用于图3，其中曲线D₁非常靠近指示该轮胎放气之后的曲线D₂，大约11m/s的估算值与在该车辆强制实施的速度40km/h非常一致。

相比之下，图4示出了关于放气之前该滚动阻力的估算值的条形图E₁与关于放气之后该滚动阻力的估算值的条形图E₂之间清楚的差别。通过以高斯形式示出这些条形图，值得注意的是对曲线E₁而言最大值是大约55N，而对曲线E₂而言最大值是大约68N，也就是说可以由数据记录装置容易地识别大于20％的偏差。

对于20％的压力差别而言，由于示出的这些条形图是在45秒的行驶时间上获得的，所以可以在一个相对短的时间周期上观测到这些滚动阻力值条形图中的这种清楚的差别。这个观测周期还可以被减小，从而降低该观察的确信程度，或者用于更显著压力差的估算。

这样一种压力差检测因此可以通过任何已知的装置来交互给驾驶员：一个声或光信号或者一个特定界面、如仪表板上的车辆显示屏幕。

本发明因此能够可靠地估算滚动阻力和车辆的纵向速度，该纵向速度的估算几乎独立于这些轮胎的压力状态，而该滚动阻力相比之下高度依赖于这些轮胎的压力，因此构成了一种监测这些轮胎压力的有利方式，此外这仅仅是从就施加给该车轮的扭矩以及这些车轮的旋转速度而言的估算值或测量值中获得的。

Claims (8)

1.一种用于估算运动中车辆的车轮的滚动阻力的方法，所述车辆具有装配有轮胎的至少两个车轮(1)，该方法包括以下步骤：

-测量或估算至少一个车轮(1)的旋转角速度Ω的值，

-测量或估算施加给所述车轮(1)的扭矩τ的值，

其特征在于，该方法使用一种关于该车轮(1)的动力学的观测器，该观测器是基于滑动模型控制理论的，在该观测器中，输入信号是该车轮(1)的角速度Ω的值以及施加给所述车轮(1)的扭矩τ的值。

2.根据前一权利要求所述的用于估算滚动阻力的方法，其特征在于，还估算了该车轮(1)的纵向速度v_x。

3.根据以上权利要求之一所述的用于估算滚动阻力的方法，其特征在于，该观测器使用了以下应用于该车轮(1)的等式：

$J\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}=\mathrm{\τ}-{\mathrm{RF}}_x-C_f\mathrm{\Ω},$

${M\stackrel{\·}{v}}_x=F_x-F_d-F_r,$

其中J和M分别是惯量以及包括车身和该车轮(1)在内的车辆的四分之一质量，R是该车轮的有效半径，C_f是该车轮(1)的粘滞摩擦系数，F_x是牵引力，F_d是空气动力，并且F_r是滚动阻力。

4.根据以上权利要求之一所述的用于估算滚动阻力的方法，其特征在于，该牵引力是由关系式F_x＝Mgμ来限定的，其中μ是该车轮(1)的附着系数，这个系数是由其与该车轮(1)的伪滑移率λ的关系式来逼近的、被限定为：

$\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)={2\mathrm{\μ}}_0\frac{{\mathrm{\λ}}_0\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0^2+{\mathrm{\λ}}_2},$ 其中 $\mathrm{\λ}=1-\frac{v_x}{\mathrm{R\Ω}}$

其中λ₀是对应于最大附着系数μ₀的最佳伪滑移率。

5.根据以上权利要求之一所述的用于估算滚动阻力的方法，其特征在于，根据以下关系式，该滚动阻力的变化是缓慢的：

其中|η|＜|η₀|。

6.根据以上权利要求之一所述的用于估算滚动阻力的方法，其特征在于，该车轮(1)的旋转角速度的值是由该车辆的防抱死制动系统的多个传感器提供的。

7.一种机动车辆，包括用于监测装配到该车辆的多个车轮上的轮胎的压力的一个装置，该装置使用所述车轮的滚动阻力的变化作为一个压力变化指标，该车辆装备有用于测量或估算至少一个车轮的旋转角速度值的一个装置以及用于测量或估算施加给所述车轮的扭矩值的一个装置，该滚动阻力是借助于一种方法来实时地估算的，该方法包括以下步骤：

-使用用于测量或估算车轮的旋转角速度值的该装置来测量或估算至少一个车轮(1)的旋转角速度Ω的值，

-使用用于测量或估算施加给车轮的扭矩值的该装置来测量或估算施加给所述车轮(1)的扭矩τ的值，

其特征在于，该车辆包括通过一种关于该车轮(1)的动力学的观测器来处理多个信号的一个装置，该观测器是基于滑动模型控制理论的，在该观测器中，输入信号是该车轮的角速度的值以及施加给所述车轮的扭矩的值。

8.根据前一权利要求所述的机动车辆，其特征在于，它包括用于记录和比较这些车辆车轮的滚动阻力的一个装置。