CN105606530A - 一种路面峰值附着系数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路面峰值附着系数的测试装置及方法，属于车辆控制技术领域。包括：1，采集汽车质心加速度a_x、车速v、车轮转速w_i、轮缸压力p_i、车轮获得的驱动转矩T_i；2，依据加速度a_x，判别汽车的状态并获得车轮纵向力；计算车轮驱动力或制动力；3，依据车速v和车轮转速w_i信息，计算汽车车轮滑移率s；4，依据加速度a_x计算车轮垂直载荷。5，依据车轮纵向力和车轮垂直载荷，计算附着系数；6，依据车轮滑移率和附着系数，在预存储的标定曲线中选取两条相近路面R1、R2，并获取两条相近路面对应的车轮附着系数及路面峰值系数μ₁、μ₂；7，计算与相近路面的近似度λ；8，计算当前路面的峰值附着系数μ_max。本发明简单有效，适用范围广，效率高，能够更好的控制车辆。

Description

一种路面峰值附着系数测试装置及方法

技术领域

本发明属于车辆控制技术领域，涉及一种路面峰值附着系数测试方法。

背景技术

车辆稳定性控制技术在保证车辆主动安全方面具有十分重大的意义，现已成为汽车工业界的研究重点之一。汽车轮胎-路面附着系数能够提供车辆保持稳定性裕量的重要信息，是设计车辆稳定性控制器参数的重要参考依据。利用车载传感器对轮胎一路面附着系数进行实时在线观测，是车辆稳定性控制所需要的关键技术之一。当路面附着系数未知时，主动安全系统的性能通常无法充分发挥。如果能够实时估算出路面峰值附着系数，系统就可以根据当前路况调节控制策略，提高车辆安全。实时检测路面峰值附着系数，是车辆主动控制所必需的关键技术之一。

由于影响道路附着系数的因素较多，一般采用估算的方法获取路面附着系数存在较大的误差。经检索，目前对于路面识别技术的研究大多限于理论方面，难以满足实际需要。现有的通过拟合当前路面附着曲线的测试方法，其准确性取决于滑移率及路面附着系数(s,μ)数据点的多少，这样势必会影响μ_max观测的实时性。又如清华大学一种轮胎一路面最大附着系数测试方法，虽然减少了标定曲线及数据点，但数据分析繁冗，效率较低，实时性不强，不利于为车辆的控制系统提供快速的结果进行下一步的控制运算，导致控制系统反应速度慢。

发明内容

为了解决现有路面附着系数测试方法实时性较差，计算繁琐、效率低的问题，本发明提出一种更为简洁高效的路面峰值附着系数测试方法。采用的技术方案如下：

一种路面峰值附着系数测试装置，包括信息采集单元和信息处理单元；所述信息采集单元包括汽车质心加速度传感器、车速传感器、车轮转速传感器、轮缸压力传感器及CAN总线；所述汽车质心加速度传感器安装在车辆质心处，用于采集车辆纵向加速度；所述车速传感器安装在变速器的输出轴，用于采集车速信号；所述车轮转速传感器安装在车轮轮毂上，用于采集每个车轮转速；所述轮缸压力传感器安装在液压管路上，用于采集轮缸的压力；所述CAN总线一端连接发动机控制单元、另一端连接信息处理单元，用于获得车轮驱动转矩；所述信息处理单元为车载ECU，所述ECU根据信息采集单元采集的信息、结合预存储的路面附着系数-滑移率曲线，计算出当前路面的峰值附着系数。

基于上述测试装置，本发明提出了一种路面峰值附着系数的测试方法，包括如下步骤：

步骤1，汽车信息采集单元中的汽车质心加速度传感器、车速传感器、车轮转速传感器、轮缸压力传感器、CAN总线分别采集汽车质心加速度a_x、车速v、车轮转速w_i、轮缸压力p_i，i＝1,2,3,4,代表车轮、车轮获得的驱动转矩T_i；

步骤2，依据步骤1中质心加速度传感器测得的加速度a_x，判别汽车的状态并获得车轮纵向力；当a_x>0时，汽车处于驱动状态时，直接通过发动机控制单元上的CAN总线获得汽车车轮的驱动转矩，并计算车轮驱动力；当a_x<0时，汽车处于制动状态，依据轮缸压力传感器，计算车轮制动力；

步骤3，依据步骤1中获取的车速和车轮转速信息，计算汽车车轮滑移率s；

步骤4，依据步骤1中质心加速度传感器测得的加速度a_x，计算车轮垂直载荷。

步骤5，依据步骤2和步骤4中计算的车轮纵向力和车轮垂直载荷，计算附着系数

步骤6，依据步骤3中计算的车轮滑移率和步骤5中计算的附着系数，在预存储的标定曲线中选取两条相近路面R1、R2，并获取两条相近路面对应的车轮附着系数及路面峰值系数μ₁、μ₂；

步骤7，依据步骤3、步骤5获得的当前路面信息及步骤6获得的相近路面信息，计算与相近路面的近似度λ；

步骤8，依据步骤6和步骤7获得的信息，计算当前路面的峰值附着系数μ_max。

作为优选方案，所述步骤2中，当a_x>0时，计算车轮驱动力F_Xi的表达式为：其中，r为车轮半径；

当a_x<0时，计算车轮制动力F_Xi的表达式：其中，T_i＝p_i·A·r'，A为制动钳体和车轮接触面积；r'为制动钳作用等效点到车轮中心的距离。

作为优选方案，所述步骤3中计算汽车车轮滑移率s的表达式为：其中，r是车轮半径。

作为优选方案，所述步骤4中计算车轮垂直载荷包括前轮垂直载荷和后轮垂直载荷；

所述前轮垂直载荷F_Z1,2的计算表达式为：

所述后轮垂直载荷F_Z3,4的计算表达式为：

其中，m为整车质量，g为重力加速度，L为汽车轴距，a、b分别为汽车质心至前、后轴的距离，h_g为汽车质心至路面距离，C_Lf、C_Lr分别为汽车前后空气升力系数，ρ为空气密度，A为迎风面积。

作为优选方案，所述步骤5中计算附着系数的表达式为：其中F_X为汽车车轮驱动力或制动力，F_Z为车轮垂直载荷。

作为优选方案，所述步骤6预存储的标定曲线为典型路面附着系数-滑移率曲线，具体包括干沥青路面，水泥路面，湿沥青路面，鹅卵石路面，冰路面以及雪路面。

作为优选方案，所述步骤7中计算与相近路面的近似度λ包括：和

其中，λ₁是与相近路面R1的近似度，λ₂是与相近路面R2的近似度，是当前车轮附着系数。

作为优选方案，所述步骤8中计算当前路面的峰值附着系数μ_max的表达式为：μ_max＝λ₁·μ₁+λ₂·μ₂。

本发明的有益效果：

1、本发明提出的方法利用现有车载传感器，成本低，且对工作环境要求不高。

2、利用典型路面的附着系数曲线，根据整车实际参数建立识别算法，适用于各种工况，且避免了实际因素对曲线准确性的影响。

3、该算法适用于各种路面，而不局限于几种典型路面，可以直接计算出路面峰值附着系数，且处理方法简单有效，具有适用范围广，效率高的特点，以便更好的控制车辆。

附图说明

图1为峰值附着系数测试方法流程框图；

图2为六种典型路面附着系数-滑移率曲线；

图3为轮胎模型筛选模块筛选原则。

具体实施方式

为方便对本发明方法的理解，下面以具体实施方式为例对本发明作进一步详细描述。

本发明方法使用一种路面峰值附着系数的测试装置，包括汽车信息采集单元和信息处理单元。其特征在于，所述信息采集单元包括汽车质心加速度传感器、车速传感器、车轮转速传感器、轮缸压力传感器及发动机控制单元CAN总线信号。所述汽车质心加速度传感器安装在车辆质心处，用于采集车辆纵向加速度；所述车速传感器安装在变速器的输出轴，用于采集车速信号；所述车轮转速传感器安装在车轮轮毂上，用于采集每个车轮转速；所述轮缸压力传感器安装在液压管路上，用于采集每个轮缸压力；所述信息处理单元即ECU，预存储有典型路面附着系数曲线，并接收信息采集单元传输的信息加以处理。

所述处理方法包括以下步骤：

1)信息采集单元分别采集汽车质心加速度a_x，车速v，车轮转速w_i，轮缸压力p_i，i＝1,2,3,4,代表车轮；

2)依据测得的加速度a_x，判断汽车的状态并获得车轮纵向力：

当a_x>0时，汽车处于驱动状态，通过发动机控制单元上的CAN总线获取各个车轮所获得的转矩T_i，按式②计算该车轮驱动力F_Xi：

$F_{Xi}=\frac{T_i}{r}$ ①

其中，r为车轮半径。

当a_x<0时，汽车处于制动状态，依据轮缸压力传感器获得制动压力p_i，按式③计算车轮制动力矩T_i，再按式④计算车轮制动力F_Xi：

T_i＝p_i·A·r'②

$F_{Xi}=\frac{T_i}{r}$ ③

式中：A为制动钳体和车轮接触面积；r'为制动钳作用等效点到车轮中心的距离。

3)依据测得的各个车轮转速w_i以及车速v，按式①计算该车轮滑移率s：

$s=\frac{v-{\mathrm{rw}}_i}{v}$ ④

式中：r是车轮半径

4)依据测得的加速度a_x，代入实际车辆信息，包括整车质量m，汽车轴距L，汽车质心至前、后轴距离a、b，汽车质心至路面距离h_g，按式⑤⑥计算汽车前后轮垂直载荷：

$F_{Z1.2}=\frac{mgb}{L}-\frac{1}{2}{C}_{Lf}{\mathrm{A\&rho;v}}^2-\frac{{\mathrm{ma}}_x{h}_g}{L}$ ⑤

$F_{Z3.4}=\frac{mga}{L}+\frac{1}{2}{C}_{Lr}{\mathrm{A\&rho;v}}^2+\frac{{\mathrm{ma}}_x{h}_g}{L}$ ⑥

式中：C_Lf、C_Lr分别为汽车前后空气升力系数，ρ为空气密度，A为迎风面积。

5)依据步骤3)和4)中获取的车轮驱动力或制动力F_X和车轮垂直载荷F_Z，按式⑦计算当前附着系数

6)利用步骤2)和5)中求得的车轮滑移率s和当前附着系数在预存储的标定曲线上获取两条相近的路面曲线R1、R2，要求满足曲线上该滑移率s对应的车轮附着系数(当前车轮附着系数为)，获取其对应路面峰值系数μ₁、μ₂(μ₁、μ₂属于预存储曲线上的已知量)。选取原则如图3所示。

7)依据步骤2)、步骤4)及步骤5)取得的数据，按式⑧计算当前路面与所选相近路面的相似度λ：

8)依据步骤5)和步骤6)计算的数据，按式⑨计算当前路面的峰值附着系数μ_max

μ_max＝λ₁·μ₁+λ₂·μ₂⑨

通过以上步骤实现对路面峰值附着系数的识别，本发明方法计算简单高效，适应各种工况，为车辆的控制提供基础信息，更好的控制车辆。并且该路面峰值附着系数测试装置结构简单，成本低廉。上述计算过程的实现均是在MATLAB中仿真实现。

Claims (9)

1.一种路面峰值附着系数测试装置，其特征在于，包括信息采集单元和信息处理单元；所述信息采集单元包括汽车质心加速度传感器、车速传感器、车轮转速传感器、轮缸压力传感器及CAN总线；所述汽车质心加速度传感器安装在车辆质心处，用于采集车辆纵向加速度；所述车速传感器安装在变速器的输出轴，用于采集车速信号；所述车轮转速传感器安装在车轮轮毂上，用于采集每个车轮转速；所述轮缸压力传感器安装在液压管路上，用于采集轮缸的压力；所述CAN总线一端连接发动机控制单元、另一端连接信息处理单元，用于获得车轮驱动转矩；所述信息处理单元为车载ECU，所述ECU根据信息采集单元采集的信息、结合预存储的路面附着系数-滑移率曲线，计算出当前路面的峰值附着系数。

2.一种路面峰值附着系数测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，汽车信息采集单元中的汽车质心加速度传感器、车速传感器、车轮转速传感器、轮缸压力传感器、CAN总线分别采集汽车质心加速度a_x、车速v、车轮转速w_i、轮缸压力p_i，i＝1,2,3,4,代表车轮、车轮获得的驱动转矩T_i；

步骤2，依据步骤1中质心加速度传感器测得的加速度a_x，判别汽车的状态并获得车轮纵向力；当a_x>0时，汽车处于驱动状态时，直接通过发动机控制单元上的CAN总线获得汽车车轮的驱动转矩，并计算车轮驱动力；当a_x<0时，汽车处于制动状态，依据轮缸压力传感器，计算车轮制动力；

步骤3，依据步骤1中获取的车速和车轮转速信息，计算汽车车轮滑移率s；

步骤4，依据步骤1中质心加速度传感器测得的加速度a_x，计算车轮垂直载荷；

步骤5，依据步骤2和步骤4中计算的车轮纵向力和车轮垂直载荷，计算附着系数

步骤6，依据步骤3中计算的车轮滑移率和步骤5中计算的附着系数，在预存储的标定曲线中选取两条相近路面R1、R2，并获取两条相近路面对应的车轮附着系数及路面峰值系数μ₁、μ₂；

步骤7，依据步骤3、步骤5获得的当前路面信息及步骤6获得的相近路面信息，计算与相近路面的近似度λ；

步骤8，依据步骤6和步骤7获得的信息，计算当前路面的峰值附着系数μ_max。

3.根据权利要求2所述的一种路面峰值附着系数测试方法，其特征在于，所述步骤2中，当a_x>0时，计算车轮驱动力F_Xi的表达式为：其中，r为车轮半径；

当a_x<0时，计算车轮制动力F_Xi的表达式：其中，T_i＝p_i·A·r'，A为制动钳体和车轮接触面积；r'为制动钳作用等效点到车轮中心的距离。

4.根据权利要求2所述的一种路面峰值附着系数测试方法，其特征在于，所述步骤3中计算汽车车轮滑移率s的表达式为：其中，r是车轮半径。

5.根据权利要求2所述的一种路面峰值附着系数测试方法，其特征在于，所述步骤4中计算车轮垂直载荷包括前轮垂直载荷和后轮垂直载荷；

所述前轮垂直载荷F_Z1,2的计算表达式为：

所述后轮垂直载荷F_Z3,4的计算表达式为：

其中，m为整车质量，g为重力加速度，L为汽车轴距，a、b分别为汽车质心至前、后轴的距离，h_g为汽车质心至路面距离，C_Lf、C_Lr分别为汽车前后空气升力系数，ρ为空气密度，A为迎风面积。

6.根据权利要求2所述的一种路面峰值附着系数测试方法，其特征在于，所述步骤5中计算附着系数的表达式为：其中F_X为汽车车轮驱动力或制动力，F_Z为车轮垂直载荷。

7.根据权利要求2所述的一种路面峰值附着系数测试方法，其特征在于，所述步骤6预存储的标定曲线为典型路面附着系数-滑移率曲线，具体包括干沥青路面，水泥路面，湿沥青路面，鹅卵石路面，冰路面以及雪路面。

8.根据权利要求2所述的一种路面峰值附着系数测试方法，其特征在于，所述步骤7中计算与相近路面的近似度λ包括：和

其中，λ₁是与相近路面R1的近似度，λ₂是与相近路面R2的近似度，是当前车轮附着系数。

9.根据权利要求7所述的一种路面峰值附着系数测试方法，其特征在于，所述步骤8中计算当前路面的峰值附着系数μ_max的表达式为：μ_max＝λ₁·μ₁+λ₂·μ₂。