CN104554274A - 道路摩擦估计系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及道路摩擦估计系统与方法。一种道路摩擦系数估计系统与方法使用附接至车辆轮胎的轮胎负载估计传感器。从传感器数据估计对于每个轮胎的轮胎负载和滑移角。从车辆CAN总线传感器获得车辆加速度和横摆率操作参数，并且动态观测器模型计算轮胎中的每个轮胎上的侧向和纵向力估计。从对于每个轮胎的侧向和纵向力估计计算每个轮胎上的单独的车轮力估计。从每个轮胎上的动态滑移角估计和轮胎中的每个轮胎上的单独的车轮力估计进行基于模型的摩擦估计。

Description

道路摩擦估计系统与方法
技术领域
本发明大体上涉及用于在车辆操作期间收集测量的轮胎参数数据的轮胎监测系统，并且更具体地涉及一种用于基于这样的测量估计道路摩擦估计的系统和方法。
背景技术
可由在车辆操作期间测量诸如压力和温度的轮胎参数的轮胎压力监测系统(TPMS)监测车辆安装的轮胎。来自配备TPMS轮胎的系统的数据用于基于测量的轮胎参数确定轮胎的状态，并提醒驾驶员注意可能需要补救维护的诸如低的轮胎压力或泄露的状况。每个轮胎内的传感器在轮胎制造的预固化阶段或者在后固化装配中安装至轮胎。
诸如包括道路摩擦系数的路面的状况的其他因素是对于车辆操作和安全的重要考虑。因此，还希望测量道路摩擦，并将道路摩擦信息传送至车辆操作者和/或诸如制动和稳定的车辆系统。
发明内容
根据本发明的方面，提供一种用于计算道路摩擦系数估计的道路摩擦系数估计系统与方法。在具有多个支撑轮胎的车辆中，附接轮胎负载估计传感器，用于估计多个轮胎中的每个轮胎上的动态负载估计。利用负载估计传感器数据进行轮胎滑移角计算，由此，进行多个轮胎中的每个轮胎上的动态滑移角估计。从车辆CAN总线传感器获得车辆加速度和横摆率操作参数，并且动态观测器模型计算多个轮胎中的每个轮胎上的侧向和纵向力估计。从多个轮胎中的每个轮胎上的估计的动态负载来估计负载转移比；并且从多个轮胎中的每个轮胎上的侧向和纵向力估计来计算多个轮胎中的每个轮胎上的单独的车轮力估计。从多个轮胎中的每个轮胎上的动态滑移角估计和多个轮胎中的每个轮胎上的单独的车轮力估计进行基于模型的摩擦估计。
在另一方面中，基于滑移角和轮胎负载的轮胎传感器获得的变量和多个轮胎中的每个轮胎上的力的观测器导出的估计来实时进行摩擦估计。
在又一方面中，动态观测器模型包括单轨迹的三自由度模型；根据四轮车辆模型进行道路摩擦系数估计；并且利用刷-轮胎模型进行道路摩擦系数估计。
本发明还提供如下方案：
1. 一种用于计算道路摩擦系数估计的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，包括：
支撑车辆的至少一个前轮胎和至少一个后轮胎；
轮胎负载估计装置，其用于估计前轮胎负载估计和后轮胎负载估计；
轮胎滑移角估计装置，其用于估计前轮胎滑移角估计和后轮胎滑移角估计；
基于车辆的传感器装置，其用于测量车辆操作参数；
观测器模型，其用于基于所述车辆操作参数计算估计的总的前轮胎力估计和估计的总的后轮胎力估计；
负载转移比计算装置，其用于从所述前轮胎负载估计和所述后轮胎负载估计计算估计的负载转移比；
单独的车轮力估计装置，其用于基于所述前轮胎和所述后轮胎上的估计的总力计算单独的车轮力估计；
基于模型的摩擦估计装置，其用于基于所述前轮胎滑移角估计、所述后轮胎滑移角估计和所述单独的车轮力估计计算估计的路面摩擦系数。
2. 根据方案1所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，由所述基于车辆的传感器装置测量的所述车辆操作参数取自组：车辆横摆率、车辆加速度。
3. 根据方案2所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，每个轮胎包括帖附至所述轮胎的相应相对的第一轮胎侧壁和第二轮胎侧壁的第一感测装置和第二感测装置，以可操作地测量所述相应的第一侧壁和第二侧壁中的轮胎应变，并操作地产生指示所述轮胎应变的测量的应变信号。
4. 根据方案3所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，用于计算所述前轮胎滑移角估计和所述后轮胎滑移角估计的所述轮胎滑移角估计装置计算来自每个轮胎的所述第一应变感测装置和所述第二应变感测装置的所述侧壁应变信号的比较。
5. 根据方案4所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，来自所述第一应变感测装置和所述第二应变感测装置的所述侧壁应变信号分别包括具有可操作地表示相应的第一侧壁和所述第二侧壁的偏转的形式的信号。
6. 一种用于计算道路摩擦系数估计的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，包括：
车辆，其具有多个支撑轮胎；
轮胎负载估计装置，其用于估计所述多个轮胎中的每个轮胎上的动态负载估计；
轮胎滑移角估计装置，其用于估计所述多个轮胎中的每个轮胎上的动态滑移角估计；
车辆CAN总线传感器装置，其用于测量车辆加速度和横摆率操作参数；
动态观测器模型，其用于计算所述多个轮胎中的每个轮胎上的侧向和纵向力估计；
负载转移比计算装置，其用于从所述多个轮胎中的每个轮胎上的所估计的动态负载计算估计的负载转移比；
单独的车轮力估计装置，其用于从所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述侧向和纵向力估计计算所述多个轮胎中的每个轮胎上的单独的车轮力估计；以及
基于模型的摩擦估计装置，其用于基于所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述动态滑移角估计和所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述单独的车轮力估计计算估计的路面摩擦系数。
7. 根据方案6所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，所述摩擦估计装置基于轮胎传感器获得的滑移角和轮胎负载的变量和观测器导出的在所述多个轮胎中的每个轮胎上的力的估计而实时操作。
8. 根据方案6所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，所述动态观测器模型包括单轨迹的三自由度模型。
9. 根据方案6所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，所述单独的车轮力估计装置包括四轮车辆模型。
10. 根据方案6所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，所述基于模型的摩擦估计装置包括刷轮胎模型。
11. 根据方案10所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，所述摩擦估计装置基于轮胎传感器获得的滑移角和轮胎负载的变量和观测器导出的在所述多个轮胎中的每个轮胎上的力的估计而实时操作。
12. 根据方案11所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，所述动态观测器模型包括单轨迹的三自由度模型。
13. 根据方案12所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，所述单独的车轮力估计装置包括四轮车辆模型。
14. 根据方案13所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，所述基于模型的摩擦估计装置包括刷轮胎模型。
15. 一种估计道路摩擦系数的方法，其特征在于，包括：
为支撑车辆的多个轮胎中的每个轮胎配备用于估计所述多个轮胎中的每个轮胎上的动态负载估计的动态负载估计传感器；
为所述多个轮胎中的每个轮胎配备用于估计所述多个轮胎中的每个轮胎上的动态滑移角估计的轮胎滑移角估计装置；
利用车辆CAN总线传感器装置测量车辆加速度和横摆率操作参数；
利用动态观测器模型计算所述多个轮胎中的每个轮胎上的侧向和纵向力估计；
从所述多个轮胎中的每个轮胎上的所估计的动态负载计算估计的负载转移比；
从所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述侧向和纵向力估计计算所述多个轮胎中的每个轮胎上的单独的车轮力估计；以及
基于所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述动态滑移角估计和所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述单独的车轮力估计计算估计的路面摩擦系数。
16. 根据方案14所述的估计道路摩擦系数的方法，其特征在于，还包括使所述路面摩擦系数估计装置实时基于轮胎传感器获得的所述滑移角和所述轮胎负载的变量和观测器导出的在所述多个轮胎中的每个轮胎上的力的估计的组合。
17. 根据方案15所述的估计道路摩擦系数的方法，其特征在于，包括利用单轨迹的三自由度模型计算所述多个轮胎上的所述侧向和纵向力估计。
18. 根据方案16所述的估计道路摩擦系数的方法，其特征在于，包括利用四轮车辆模型计算所述多个轮胎上的所述单独的车轮力估计。
19. 根据方案17所述的估计道路摩擦系数的方法，其特征在于，包括利用刷轮胎模型，以便计算所述路面摩擦系数。
定义
“ANN”或“人工神经网络”是用于非线性统计数据建模的自适应工具，该非线性统计数据建模基于在学习阶段期间流过网络的外部或内部信息改变其结构。ANN神经网络是用于给输入与输出之间的复杂关系建模或用于找到数据模式的非线性统计数据建模工具。
“扁平率或高宽比”表示其截面高度(SH)与其截面宽度(SW)的比，且乘以100%以表示为百分比。
“不对称胎面”表示具有关于轮胎的中心面或赤道面EP不对称的胎面花纹的胎面。
“轴向的”和“轴向地”表示平行于轮胎的旋转轴线的线或方向。
“刷模型（Brush model）”表示用于滚动阻力的分析的一维准静态机械模拟系统。在刷模型中，接地面积被分成两段：轮胎胎面帖附至路面的前向静态区域和在轮胎与道路之间出现滑动的后部滑动区域。
“CAN总线”是控制器局域网络的缩写。
“胎圈包布”是置于轮胎胎圈外侧的狭窄的带形材料，用于保护帘布层防止磨损和被轮辋切割并且分散轮辋上方的挠曲。
“周向的”表示沿着垂直于轴向方向的环形胎面的表面的周边延伸的线或方向。
“赤道中心面(CP)”表示垂直于轮胎旋转轴线且穿过胎面中心的平面。
“印迹”表示当轮胎旋转或滚动的时候由轮胎胎面与平坦表面形成的接地面积或接触区域。
“花纹沟”表示轮胎壁中的可绕轮胎壁周向或侧向延伸的细长空隙区域。“花纹沟宽度”等于其在其长度上的平均宽度。花纹沟具有容纳如所描述的空气管的尺寸。
“内侧面”表示把轮胎安装在车轮上且把车轮安装在车辆上时最靠近车辆的轮胎侧面。
“侧向的”表示轴向方向。
“侧向边缘”表示在标准载荷和轮胎充气情况下测量的、与轴向最外层的胎面接地面积或印迹相切的线，这些线平行于赤道中心面。
“净接触区域”表示在围绕胎面整个圆周的侧向边缘之间的接地胎面元件的总面积除以侧向边缘之间整个胎面的总面积。
“非定向胎面”表示如下胎面：没有优选的前进行进方向也不要求设置在车辆上特定的车轮位置从而确保胎面花纹与优选的行进方向对准。相反，定向胎面花纹具有要求特定车轮定位的优选行进方向。
“外侧面”表示把轮胎安装在车轮上且把车轮安装在车辆上时离车辆最远的轮胎侧面。
“蠕动的”表示借助于波状收缩沿着管状通道推进诸如空气的内含物的方式操作。
“压电薄膜传感器”是以薄膜体的形式的装置，其使用由薄膜体的弯曲致动的压电效应，以通过将压力、加速度、应变或力转变成电荷来测量它们。
“径向的”和“径向地”意味着径向地朝着或远离轮胎的旋转轴线的方向。
“肋”表示胎面上圆周延伸的橡胶条，其由至少一个周向沟槽以及第二个这样的沟槽和侧向边缘中任一个限定，该条在侧向方向上未被全深度沟槽分开。
“细缝”表示模制到轮胎胎面元件中、细分胎面表面并改进牵引的小狭槽，细缝通常在宽度方向上窄并且在轮胎印迹内关闭，这与轮胎印迹中保持敞开的花纹沟相反。
“滑移角”是车辆的行驶方向与前轮指向的方向之间的角度。滑移角是轮胎旋转的平面与轮胎行驶的方向之间的偏差的测量。
“胎面元件”或“牵引元件”表示由具有邻近沟槽的形状限定的肋或块元件。
“胎面弧宽”表示在胎面侧向边缘之间测量的胎面弧长。
附图说明
将作为示例并参考附图描述本发明，其中：
图1是用于车辆轮胎上的滑移角和负载的估计的系统的块级图。
图2是用于将图1的轮胎负载和滑移角与车辆CAN总线参数一起用于车轮力和摩擦系数的估计的系统的块级图。
图3A是用于进行系统验证的随时间的转向角的图表。
图3B是沿着车辆试验路径的侧向移位[m]相对纵向移位[m]的图表。
图4A是示出实际的力和估计的力的在路径上的右后轮胎上的侧向力Fy的图表。
图4B是示出实际的相对于估计的比较结果的在路径上的左后轮胎上的侧向力Fy的图表。
图5A和5B分别是示出对于右前和左前轮胎的估计的相对于实际的侧向力的图表。
图6A是示出对于试验车辆路径的随时间的转向角的图表。
图6B是试验车辆路径上的纵向移位[m]相对侧向移位[m]的图表。
图7A和7B分别是示出对于右后和左后轮胎的估计的相对于实际的侧向力的图表。
图8A和8B分别是示出对于右后前和左前轮胎的估计的相对于实际的侧向力的图表。
图9是示出y和x车辆位置坐标的试验车辆路径的图表。
图10A和10B是示出侧向轮胎力的实际(力轮毂)相对估计(观测器)的比较结果的图表。
图11是利用刷轮胎模型的Gough曲线。
图12是示出在4000N的法向加载Fz时对于三个摩擦系数值：1、0.6、0.2的轮胎侧向力相对滑移角的刷轮胎模型的图表。
图13是对于四轮车辆的力图。
具体实施方式
首先参考图1，在块级图（block level diagram）中示出了估计轮胎负载和轮胎滑移角的应变传感器系统与方法。可由基于轮胎的传感器系统估计车辆轮胎上的负载，该基于轮胎的传感器系统采用在相对的侧壁位置30处安装至轮胎的一个、优选地一对应变或弯曲传感器14。应变传感器对轮胎的侧壁偏转反应，并且在测量偏转的程度中提供用于估计轮胎的负载和滑移角的基础。来自弯曲传感器14中的每个弯曲传感器的信号16传送至如将说明的信号处理器。另外，轮胎压力监测系统18安装至轮胎，并用于测量轮胎压力数据20和将轮胎压力数据20发送至信号处理单元。轮胎侧壁应变传感器信号用于平行的信号处理路径；由路径22指示的第一路径使用信号16，以估计轮胎负载。指示于标记24处的第二处理路径使用侧壁偏转信息，以估计滑移角。名称为“TIRE SIDEWALL LOAD ESTIMATION SYSTEM AND METHOD”的2012年9月11日提交的共同未决的美国专利申请第13/609695号讲授了路径22的方法论和系统，并在此通过参考其全文并入。系统用在配备有传统结构的轮胎上，该传统结构的轮胎在滚动操作期间接触地面的轮胎胎冠区域处具有胎面部件。轮胎以传统方式安装至轮辋。传感器优选地是压电弯曲传感器，或者操作以便当经受弯曲力时弯曲和重构并随即产生指示传感器体中的弯曲重构的大小的电信号的市场上可得到的其他合适类型的应变传感器。弯曲信号因而指示附接有传感器的侧壁内的弯曲应变的大小。当弯曲力被去除时，传感器恢复其初始构造。举例来说，而无意限制本发明的范围，可采用诸如由位于1000 Lucas Way, Hampton, Virginia 23666的Measurement Specialties, Inc.商业地提供的弯曲薄膜传感器的压电弯曲传感器。
另外，如由垂直块路径24所指示地，为了估计轮胎的滑移角（slip angle），分析轮胎的侧向侧壁偏转。“滑移角”是车辆的行驶方向与前轮指向的方向之间的角度。滑移角是轮胎旋转的平面与轮胎行驶的方向之间的偏差的测量。移动的车辆轮胎的滑移角是车辆控制与稳定性系统中的有用信息。由于车辆中的制动及其他控制系统变得更加相互关联，所以轮胎滑移角的估计在稳定性与控制系统诸如防锁制动中是有用的。由名为“Tire Slip Angle Estimation System and Method”的2012年12月7日提交的共同未决的美国专利申请No.61/734,526讲授并公开了一种滑移角估计系统，该申请同样在此通过参考全文并入。通过找到信号峰值、提取曲线的线性部分和在最小二乘意义上将线拟合于提取曲线来分析传感器信号。信号斜率的差异的估计提供用于推断存在于轮胎中的滑移角的基础。由过程22、24的顺序步骤表示的信号处理导致轮胎负载26和28在轮胎在使用时在连续基础上的估计。在过程22、24的相应应用中分析每个轮胎，以便为分别利用侧壁偏转信息而产生负载和滑移角。
除来自内侧壁传感器和外侧壁传感器的传感器信号之外，由安装至轮胎的市场上可买到的类型的轮胎压力监测系统(TPMS)测量充气压力。TPMS系统包括压力传感器，该压力传感器安装至轮胎，以与内部轮胎气腔连通，并用于测量轮胎空腔内的空气压力和将测量的压力数据发送至接收器。TPMS的测量还可包括测量轮胎温度的温度传感器。测量的压力值由TPMS系统发送，以便包含在负载和滑移角估计22、24中。
根据本发明，采用建模程序，以利用摩擦系数估计系统中的图1的负载和滑移角估计和由图2以框图形式表示的方法论。所采用的建模程序总结于下表。
表1
序号 系统 所采用的建模程序 系统输出
1 车辆 8DOF非线性车辆模型 aY、aX、r
2 轮胎模型+智能轮胎仿真器 组合滑移轮胎模型-魔术公式与Dugoff轮胎模型 FZ、α
3 驾驶员模型 单点预瞄驾驶员模型 δ
4 观测器 基于滑模观测器(SMC)单轨迹的3DOF模型
5 单独的车轮力估计 四轮车辆模型
6 摩擦估计算法 基于人工神经网络（ANN） μestimated
aY：侧向加速度
aX：纵向加速度
r：横摆率
FZ：轮胎法向负载
α：轮胎滑移角
：前轮胎上的总侧向力
：后轮胎上的总侧向力
：前轮胎上的总纵向力
：单独的车轮力
μestimated：估计的轮胎道路摩擦系数。
利用以上建模程序，图2的功能框图例证示例性四轮车辆34中的摩擦系数估计。如果需要，系统可适应于具有更多或更少的车轮组件的车辆。车辆34配备有四个轮胎/车轮组件12。为了借助于车辆CAN总线36在单点预瞄驾驶员模型输出δ中提供侧向和纵向加速度数据ax、ay以及横摆率“r”，采用基于车辆的传感器。观测器38接收作为输入的CAN总线加速度数据ax、ay和横摆率“r”数据。观测器38是滑模观测器(SMC)单轨迹的三自由度(DOF)模型。从CAN总线数据，观测器38用于输出前轮胎和后轮胎上的总侧向力和前轮胎上的总纵向力以便利用如图13所示的四轮车辆模型估计单独的车轮力40。
模型可利用任何传统的商业数学仿真工具实现，诸如但不限于市场上可从位于3 Apple Hill Drive, Natick, Massachusetts 01760的The Mathworks, Inc.买到的Simulink。Simulink?是用于基于多域仿真和模型的设计的框图环境。其支持系统级设计、仿真、自动代码生成和嵌入式系统的连续试验与验证。Simulink为给动态系统建模和仿真提供图形编辑器、可定制的块库和解算器。其与MATLAB?结合，以使用户能够将MATLAB算法并入模型，并为进一步分析向MATLAB输出仿真结果。
利用以上的四轮车辆模型从观测器生成的侧向和纵向力估计进行单独的车轮力估计(块40)。如由块42所示地将单独的车轮力估计输出应用于摩擦估计算法(基于刷轮胎模型)，导致路面摩擦系数的估计44。“刷轮胎模型”表示用于滚动阻力的分析的一维准静态机械模拟系统。在刷模型中，接地面积被分成两段：轮胎胎面帖附至路面的前向静态区域和在轮胎与道路之间出现滑动的后部滑动区域。
对于两种极端的转弯操纵，观测器性能与分析结果得到试验地验证：
1.双车道变化(在高μ状况下)以及
2.鱼钩操纵(在低μ表面状况下)。
观测器增益：
K1=100
K2=1000000
K3=10
K4=10000
K5=100
K6=100000
利用迭代过程优化观测器增益。图3A示出了在具有0.8的高μ状况的路面上的双车道变化操纵中的转向角相对时间的图表。图3B示出了图示纵向移位[m]相对侧向移位[m]的车辆路径。估计结果由分别图示对于双车道变化操纵(1)的右后、左后、右前和左前轮胎的Fy[N]相对时间的图4A、4B、5A和5B表示。实际与估计的力值之间的密切相关性验证了估计方法的精确度。
参考图6A、6B，示出了对于鱼钩的第二种极端转弯操纵的试验结果。在图6A中，在低μ(大约0.2)的路面状况下，图示随时间的转向角[度（deg）]。在图6B中，车辆路径被图示成纵向移位相对侧向移位[m]，并且近似鱼钩的形状。估计结果由分别图示对于鱼钩路径操纵(2)的右后、左后、右前和左前轮胎的Fy[N]相对时间的图7A、7B、8A和8B表示。与车道变化路径一样，实际与估计的力值之间的密切相关性验证目标观测器估计方法的精确度。
在图9中，对继之以装有市场上可买到的类型的IMU(惯性测量单元)和力轮毂的试验车辆的闭环(y相对x的位置)车辆路径来分析观测器性能与试验结果。典型地配备IMU，以组合三轴加速度计、三轴陀螺仪和/或三轴磁性传感器，用于实时计算和输出在完整的360度的运动上连续的无漂移三维车辆取向。来自IMU，从车辆CAN总线提供来自加速度ax、ay和横摆率“r”的测量并输入到观测器中。为了所进行的试验将观测器设定成具有K1=5、K2=500、K3=50、K4=50、K5=1200和K6=1000的观测器增益。图10A示出了对于侧向轮胎力前来说的相对于[从力轮毂获得的]实际结果的估计结果；图10B示出了对于侧向轮胎力后来说的相对与[从力轮毂获得]实际结果的估计结果。估计与实际的结果之间的密切相关性再次证实基于目标观测器的估计系统与方法论的有效性。
一旦将车辆CAN总线信息用于利用动态观测器38(图2)进行轮胎侧向和纵向力(Fx、Fy)的估计，就使用传感器融合方法。传感器融合方法将由基于轮胎的TPMS单元18和应变传感器14提供的轮胎负载的智能轮胎和车辆信息与CAN总线信息(ax、ay和横摆率“r”)结合，以估计单独的车轮力(利用四轮车辆模型)。道路摩擦估计算法于是利用单独的车轮力和滑移角估计，以如以下所说明地估计路面摩擦系数。
摩擦估计算法利用应用于刷轮胎模型的Fx、Fy和Fz(纵向、侧向和法向)负载估计。
图11表示利用刷轮胎模型的Gough曲线。对比率-Mz/Fz绘制了Fy/Fz的比率。在图11的示意图中示出了恒定摩擦系数(实线)、恒定侧滑角(虚线)和恒定轮胎拖矩（pneumatic trail）(点划线)的线。应指出的是，对于以上的模型(1)的每个Fy/Fz坐标唯一地限定一对值(Fy、My)。
以下的陈述适用于刷轮胎模型分析：
  (1)
其中
将对于tan(αsliding)的表达替代至方程(1)，以得到：
     (2)
如果轮胎部分滑动，则侧力与自位扭矩是侧滑角和摩擦系数的两个线性独立的函数。因此轮胎一部分滑动，就能进行摩擦的估计。
图12表示对于1、0.06和0.2的三个摩擦系数μ值的轮胎侧向力[N]相对滑移角[度]的图表。应意识到的是，通过确定相对滑移角的侧向力，能通过求解以上对于μ的方程(2)进行摩擦系数的估计。
在以下对于三种滑移角状况的表中介绍了摩擦系数估计结果。从结果表明的是，滑移角、法向力和侧向力值对于低和高的摩擦表面来说限定唯一的摩擦系数估计。
表2
从前述，应意识到的是，估计道路摩擦系数的本系统与方法利用嵌入在轮胎内的无线传感器14的轮胎变量的直接测量。现有的控制系统限制了关于轮胎变形、牵引力和路面状况的信息。通过实现“智能”轮胎技术，消除车辆传感器会是可能的，因为基于轮胎的传感器为每个轮胎提供关于力的大小、方向和极限的精确、可靠和实时的信息。另外，可使用轮胎变量的精确实时估计，以避免紧急操纵期间的轮胎饱和。早期的警告系统可受益于这些估计，以便当车辆撞上光滑路面或者当驾驶员过度转向时通知驾驶员降低的道路牵引能力。利用本系统与方法产生的信息、即对于每个轮胎的力的大小、方向和极限和道路摩擦系数的估计可用于预测性控制架构，以便为主动系统设计更加可靠的侧向和纵向控制系统。
此前在本发明之前为轮胎滑移角、力和摩擦系数估计提出的技术主要依赖于诸如发动机扭矩传感器、节气门位置传感器、转向角传感器、车轮速度传感器、横摆率传感器、GPS接收器、应变仪、转向扭矩等的车辆传感器。所使用的传感器的类型和数量根据车辆改变。由于基于车辆模型和测量的车辆状态设计轮胎滑移角与牵引力观测器，所以用于现有控制系统的间接技术通常被称作“基于观测器的技术”。这些观测器的主要目标是识别与轮胎的当前操作状况对应的滑移-力曲线，并从而估计牵引力的当前极限、即轮胎道路摩擦系数。基于观测器的技术的主要缺点是，它们在稳态驱动状况下、即当车辆速度恒定并且方向盘角度接近零时不工作。车辆的最小加速/减速或转向为轮胎-道路摩擦系数参数所需，以收敛于其正确值。由于车辆不太可能总是加速/减速或转弯，所以这意味着不能连续更新摩擦系数。已知的基于观测器的技术的次要缺点是，滑移与力观测器通常基于在极端的组合操纵期间预测性地输出误预测的侧向/纵向车辆模型。
与这样的已知基于观测器的技术形成对比，本发明的系统与方法提出一种轮胎-车辆集成的轮胎道路摩擦系数估计方法，其利用来自智能轮胎的传感器信息和车辆CAN总线信息[如图2所示]。来自智能轮胎12的传感器信号16[图1]用于估计轮胎动态负载(Fz)26和滑移角28。在此分别并入的共同未决的美国专利申请No.13/609,695和61/734,526示出了用于基于应变传感器检测的轮胎变形估计负载和滑移角的估计系统与方法。车辆CAN总线信息用于利用如图2所示的动态观测器进行轮胎侧向和纵向力(Fx、Fy)的估计。其后，将传感器融合方法用于组合智能轮胎与车辆信息，并进行轮胎道路摩擦系数的估计。本系统与方法的性能当试验并与在试验车辆上获得的真实试验数据相比较时例证并证实了该方法提供精确的摩擦系数估计的能力。
根据在此提供的本发明的说明，可能有本发明的变化。尽管为了说明本发明已示出了某些代表性的示例和细节，但对本领域的技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的范围的情况下可在其中作出各种变化和变型。因此，应理解的是，可在描述的如由所附权利要求所限定的本发明的完整预期范围内的特定示例中作出变化。

Claims (10)

1. 一种用于计算道路摩擦系数估计的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，包括：
支撑车辆的至少一个前轮胎和至少一个后轮胎；
轮胎负载估计装置，其用于估计前轮胎负载估计和后轮胎负载估计；
轮胎滑移角估计装置，其用于估计前轮胎滑移角估计和后轮胎滑移角估计；
基于车辆的传感器装置，其用于测量车辆操作参数；
观测器模型，其用于基于所述车辆操作参数计算估计的总的前轮胎力估计和估计的总的后轮胎力估计；
负载转移比计算装置，其用于从所述前轮胎负载估计和所述后轮胎负载估计计算估计的负载转移比；
单独的车轮力估计装置，其用于基于所述前轮胎和所述后轮胎上的估计的总力计算单独的车轮力估计；
基于模型的摩擦估计装置，其用于基于所述前轮胎滑移角估计、所述后轮胎滑移角估计和所述单独的车轮力估计计算估计的路面摩擦系数。
2. 根据权利要求1所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，由所述基于车辆的传感器装置测量的所述车辆操作参数取自组：车辆横摆率、车辆加速度。
3. 根据权利要求2所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，每个轮胎包括帖附至所述轮胎的相应相对的第一轮胎侧壁和第二轮胎侧壁的第一感测装置和第二感测装置，以可操作地测量所述相应的第一侧壁和第二侧壁中的轮胎应变，并操作地产生指示所述轮胎应变的测量的应变信号。
4. 根据权利要求3所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，用于计算所述前轮胎滑移角估计和所述后轮胎滑移角估计的所述轮胎滑移角估计装置计算来自每个轮胎的所述第一应变感测装置和所述第二应变感测装置的所述侧壁应变信号的比较。
5. 根据权利要求4所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，来自所述第一应变感测装置和所述第二应变感测装置的所述侧壁应变信号分别包括具有可操作地表示相应的第一侧壁和所述第二侧壁的偏转的形式的信号。
6. 一种用于计算道路摩擦系数估计的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，包括：
车辆，其具有多个支撑轮胎；
轮胎负载估计装置，其用于估计所述多个轮胎中的每个轮胎上的动态负载估计；
轮胎滑移角估计装置，其用于估计所述多个轮胎中的每个轮胎上的动态滑移角估计；
车辆CAN总线传感器装置，其用于测量车辆加速度和横摆率操作参数；
动态观测器模型，其用于计算所述多个轮胎中的每个轮胎上的侧向和纵向力估计；
负载转移比计算装置，其用于从所述多个轮胎中的每个轮胎上的所估计的动态负载计算估计的负载转移比；
单独的车轮力估计装置，其用于从所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述侧向和纵向力估计计算所述多个轮胎中的每个轮胎上的单独的车轮力估计；以及
基于模型的摩擦估计装置，其用于基于所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述动态滑移角估计和所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述单独的车轮力估计计算估计的路面摩擦系数。
7. 根据权利要求6所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，所述摩擦估计装置基于轮胎传感器获得的滑移角和轮胎负载的变量和观测器导出的在所述多个轮胎中的每个轮胎上的力的估计而实时操作。
8. 根据权利要求6所述的道路摩擦系数估计系统，其特征在于，所述动态观测器模型包括单轨迹的三自由度模型。
9. 一种估计道路摩擦系数的方法，其特征在于，包括：
为支撑车辆的多个轮胎中的每个轮胎配备用于估计所述多个轮胎中的每个轮胎上的动态负载估计的动态负载估计传感器；
为所述多个轮胎中的每个轮胎配备用于估计所述多个轮胎中的每个轮胎上的动态滑移角估计的轮胎滑移角估计装置；
利用车辆CAN总线传感器装置测量车辆加速度和横摆率操作参数；
利用动态观测器模型计算所述多个轮胎中的每个轮胎上的侧向和纵向力估计；
从所述多个轮胎中的每个轮胎上的所估计的动态负载计算估计的负载转移比；
从所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述侧向和纵向力估计计算所述多个轮胎中的每个轮胎上的单独的车轮力估计；以及
基于所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述动态滑移角估计和所述多个轮胎中的每个轮胎上的所述单独的车轮力估计计算估计的路面摩擦系数。
10. 根据权利要求9所述的估计道路摩擦系数的方法，其特征在于，还包括使所述路面摩擦系数估计装置实时基于轮胎传感器获得的所述滑移角和所述轮胎负载的变量和观测器导出的在所述多个轮胎中的每个轮胎上的力的估计的组合。
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