CN106542011A - 对主动气动元件进行基于模型的控制的车辆 - Google Patents

Abstract

一种用于控制车辆中的主动气动元件的方法，所述车辆具有行轮，所述行轮具有与路面接触的轮胎，所述方法包括接收驾驶员输入信号和车辆运动数据。所述驾驶员输入信号对应于请求的气动性能操作点。将纵向和横向方向上的轮胎摩擦系数提供给控制器。使用所述输入信号、运动数据和实际力数据确定作用在轮胎上的期望的纵向和横向力。此外，根据轮胎力和系数确定用于满足所述气动性能操作点的期望的总气动下压力。控制(多个)气动元件的位置使得实现所述总气动下压力。一种系统包括(多个)气动元件、(多个)致动器和控制器。一种车辆包括车身、行轮、(多个)主动气动元件、(多个)致动器和控制器。

Description

对主动气动元件进行基于模型的控制的车辆

技术领域

本发明涉及一种对主动气动元件进行基于模型的控制的车辆

背景技术

气动车辆设计的目标包括减少阻力、风噪和车辆噪声排放，以及防止不期望的升力和气动不稳定性的其它潜在因素。期望的气动效应是产生足够量的气动下压力，其继而能够优化轮胎牵引力、转弯性能和整车操纵。为了实现足够的气动下压力，车身通常被配置成具有多个前、侧和/或后气动元件，诸如气坝、分流器、扰流器、翼部和扩散器。由于所产生的气动下压力、燃料经济性和最高速度之间存在取舍，所以可主动控制一些气动元件的位置并且因此选择性地将其展开以便提供足够的额外气动下压力。

发明内容

本文公开了一种用于控制车辆中的一个或多个主动气动元件的方法和系统。在各种实施例中，控制器以硬件形式进行编程和配备，即，被配置成处理动态输入信息，所述动态输入信息可为驾驶员请求的和/或自主确定的值，诸如制动水平、扭矩请求和转向角，以便计算请求的气动性能操作点。控制器然后使用动态输入信息和轮胎牵引力信息(例如，来自轮胎摩擦模型或其它建模的、估计的和/或计算的轮胎摩擦信息源)来从(多个)主动气动元件确定控制器要命令的气动下压力。控制器经由将控制信号传输到对应的致动器而选择性地命令一个或多个气动元件的位置以实现气动下压力。以这种方式，控制器能够实现请求的气动性能操作点。因此使用本“力空间”策略来自动地实现目标前和/后气动下压力而不是依赖于驾驶员控制的致动或对每一车辆进行交叉校准的多项启发式控制规则。

在一个示例性实施例中，公开了一种用于控制车辆中的气动元件的方法，所述车辆具有行轮，所述行轮具有与路面摩擦接触的轮胎。所述方法包括经由控制器接收一组动态输入信号和车辆运动数据。该组气动输入信号对应于请求的气动性能点，所述请求的气动性能点在不同实施例中可以是驾驶员请求的和/或自主确定的。

所述方法还包括确定纵向和横向轮胎摩擦系数以及然后使用动态输入信号和运动数据以及实际轮胎力计算期望的纵向和横向轮胎力。

此外，所述方法包括计算满足请求的气动性能操作点所必需的总气动下压力，其中所述计算是根据纵向和横向轮胎力以及轮胎摩擦系数而执行。随后经由控制器控制一个或多个气动元件的位置使得实现所述总气动下压力。

本文还公开了一种系统，其包括一个或多个主动气动元件；致动器，其连接到(多个)气动元件并且可操作以响应于控制信号调整(多个)气动元件的位置；和控制器，其被配置成执行上文所述的方法。

一种车辆包括车身、行轮、主动气动元件、致动器和控制器。行轮相对于车身定位，并且每个行轮包括与路面滚动接触的轮胎。主动气动元件连接到车身，并且被配置成当车辆在运动中时选择性地从车身展开到迎面而来的周围气流中。致动器连接到主动气动元件并且可操作以响应于控制信号调整主动气动元件的位置。控制器被配置成执行上文所述的方法。

当结合附图和随附权利要求从下文对用于实行本发明的实施例和最佳模式的详细描述进行理解时，本发明的上述和其它特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是具有控制器的车辆的示意性俯视图，所述控制器被配置成对如本文所述的一个或多个主动气动元件执行基于模型的气动控制。

图2是关于图1所示的请求的气动性能操作点在纵向和横向轮胎力方面的基本气动性能的示意图。

图3是流程图，其描述了用于响应于驾驶员输入控制图1的车辆上的主动气动元件的示例性方法。

具体实施方式

参照附图，其中相似参考符号指代相似组件，图1中示意性地描绘了正在相对于路面12行驶的车辆10，其具有车身14和一个或多个主动气动元件20和/或120。尽管图1中描绘了轿车(passenger sedan)，但是车辆10可以被具体实施为适用于运输乘客或货物的任何轮式车辆或移动平台。如下文将特定参照图2和3所描述，车辆10包括控制器(C)50，控制器(C)50被配置成接收动态输入或否则确定动态输入是驾驶员请求的还是自主确定的。所述动态输入可包括例如车辆制动水平(箭头B_X)、转向角(箭头θ₁₅)和扭矩请求(箭头TR)，其可能与如下文说明的合适的轮胎摩擦模型40或其它有关轮胎摩擦系数的信息源结合。控制器50最终经由主动气动元件20和/或120中的一个或多个确定要命令的气动力。

如本文所用，术语“主动气动元件”指代车辆10的任何可移动或可定位面板、表面或其它组件，其具有可变位置，所述可变位置可响应于由控制器50传输的控制信号(箭头25、125)进行动态调整。通常，对主动气动元件20、120的控制引起主动气动元件20、120展开到周围气流(箭头F)中，例如通过扩展远离车身14并进入周围气流(箭头F)。其它实施例可相对于车身14旋转主动气动元件20、120并且使其进入迎面而来的气流(箭头F)。

关于如图1的右上角中所描绘的典型的XYZ参照系，X轴在本文中被认为是对应于车辆10的纵向取向和行驶方向，其中Y轴对应于横向方向，即正交于纵向X方向。Z轴对应于车辆10的垂直轴。因此，通过操作控制器50而选择性地施加的任何气动下压力和本方法100在朝向路面12的方向上沿着X轴施加。

车辆10具有纵轴A_X，纵轴A_X沿着基本上平行于路面12的平面布置。车辆10还包括一组行轮18，每个行轮具有与路面12滚动摩擦接触的对应轮胎18T。相对于车辆10的就座在常规的前向驾驶位置中的驾驶员而言，车身14包括前端60、后端62、第一横侧64、第二横侧66、可包括车顶的顶侧68和车身底侧69。前端60被配置成当车辆10相对于路面12向前运动行驶时面向迎面而来的周围气流(箭头F)。横侧64和66被布置成大体上彼此平行并且相对于车辆10的纵轴A_X大体上平行。行轮18沿着对应前或后驱动轮轴(未示出)上的相应前或后横轴A_YF或A_YR布置，所述前或后驱动轮轴相对于纵轴A_X正交布置。

随着车辆10相对于路面12移动，周围气流(箭头F)围绕车身14通过并经过车身14并且最终在定位成紧挨后端62尾部的尾流区中重新组合，如本领域中所众所周知。为了优化车辆10面对这类周围气流(箭头F)的气动性能，车身14可包括主动气动元件20和/或120中的一个或多个，该两个元件在图1中分别被示意性地示为非限制性示例性分流器和/或气坝系统和后翼。在一些实施例中，主动气动元件20可为定位成靠近前端60的第一气动元件并且主动气动元件120可为定位成靠近后端62的第二气动元件，其中控制器50独立地控制主动气动元件20和120。

主动气动元件20和/或120可包括其它可行配置，诸如但不限于位于车身底侧69上的散热孔、风门片(flap)、扩散器、从侧64和66延伸的翼部或小翼和/或其它常规的主动气动元件。主动气动元件20和/或120，不管相对于车身14的配置和放置如何，各自均具有对应的可变位置，所述可变位置能够经由相关联的致动器(例如图1中示意性地描绘的示例性致动器30和130)进行选择性和自动控制。

如下文特定参照图2和图3所说明，致动器30和130经由执行具体实施方法100的一组指令而由控制器50选择性地控制。根据方法100的控制实时响应于车辆动态和动态输入信号的改变而发生。更具体地，控制器50使用关于轮胎摩擦系数(例如，来自轮胎摩擦模型40)，特别是关于如下文说明的纵向和横向轮胎摩擦系数的校准信息，来从车辆10上的可用的主动气动元件(例如，主动气动元件20和/或120)实时确定并分配任何气动力。控制器50随后经由对相应的致动器30和/或130的控制命令气动力。

图1所示的致动器30、130可被具体实施为任何合适的线性或旋转式致动器。示例性致动器包括螺线管、滚珠螺杆总成和线性或旋转式电动马达，并且可经由施加校准电压或电流、气动或液压动力或任何其它合适的控制刺激进行控制。控制范围的极限可被校准成对应于相应的主动气动元件20和120的完全展开和完全收拢位置，使得被完全供能的致动器30或130引起对应的主动气动元件20或120的完全展开，并且反之用于收拢主动气动元件20或120。控制器50还使用轮胎摩擦模型40来确定并施加建模的轮胎摩擦性能并且使用如车辆10上检测到的驾驶员输入来确定主动气动元件20和/或120的适当气动力目标。控制器50最终命令致动器30、130在主动气动元件20和/或120的对应收拢-展开运动范围内的对应位置以实现所计算的力目标。

图1中示意性地示出的控制器50可被具体实施为一个或多个数字计算机，其具有处理器(P)和有形的非暂时性存储器(M)，例如光学、磁性、快闪或其它只读存储器。控制器50还可包括足够量的随机存取存储器、电可擦可编程只读存储器等等，以及高速时钟、模拟转数字和数字转模拟电路、和输入/输出电路和装置，以及适当的信号调节和缓冲电路。控制器50可被具体实施为车身控制模块或任何其它合适的计算机控制模块，其被配置成控制如本文所述的主动气动元件20和/或120。

如本领域中所充分理解，使用气动元件，举例来说，诸如图1中的前端60处所示的主动气动元件20，能够产生足以对车辆10提供气动下压力的压差。类似地，定位在车辆10的后端62处的主动气动元件120能够产生压差并对后端62产生合成的气动下压力。其它类型的气动元件，无论是被动/固定的还是主动控制的，均能够用在车身14的前述侧面中的任何侧面上以在任何期望位置提供气动下压力。

因此能够经由传输来自控制器50的合适电子控制信号(箭头25和125)而选择性地控制致动器30或130。致动器20或120接收电子控制信号(箭头25和125)引发致动器20、120改变主动气动元件20和/或120相对于车身14和周围气流(箭头F)的相对位置的动作，这不同于相对于车身14具有永久固定位置的气动元件。

图1的车辆10可包括共同用于确定实时驾驶员输入和车辆动态的各种传感器。这类传感器可包括转向角传感器S₁₅，转向角传感器S₁₅相对于转向柱定位并且可操作以测量经由转向盘15赋予的转向角，而不管转向角是车辆10的驾驶员赋予的还是自主赋予的。可如上述直接测量或计算的转向角(箭头θ₁₅)由转向角传感器S₁₅传输到控制器50。速度传感器S₁₈可能用来测量行轮18或相对定位的行轮18所连接的驱动车轮的个别旋转速度，并且将所测量的速度(箭头ω₁₈)传输到控制器50。尽管出于说明简单性在图1中描绘了单个速度传感器S₁₈，但是可使用多个速度传感器S₁₈，每个传感器靠近相应后和前驱动车轮(未示出)的横轴A_YR和A_YF中的每个上和/或传动输出构件(未示出)上的行轮18中的相应行轮。额外传感器可包括：制动传感器S₁₇，其可操作用于测量施加到制动踏板17的力或制动踏板17的行进量并且将所测量的制动水平(箭头B_X)传达到控制器50；和任选的横摆率传感器S_Z，其输出如下文参照图2和3所述的横摆率(箭头Z₁₀)。

如上文所公开，控制器50可被编程为具有轮胎摩擦模型40并具有执行方法100所需的任何必需的校准值。本方法考虑轮胎18T的纵向和横向轮胎摩擦系数，以及作用在轮胎18T上的所计算和/或测量的纵向和横向力。可适当根据一组给定的主动气动元件而对每个轮胎或每个驱动车轮确定和施加由控制器50响应于这些建模的、校准的和/或测量的值自动命令的控制动作。

供控制器50使用的轮胎摩擦模型40可使用任何合适的建模的、估计的、校准的和/预记录的、或计算的方法提供轮胎摩擦系数。例如，标准的防锁死制动系统速度传感器可用于计算纵向轮胎滑转，并且可将轮胎摩擦系数估计或建模为路面12和轮胎18T之间正规化相对速度的线性或非线性函数，如本领域中所知。轮胎法向力，即沿垂直(Z)方向作用在每个轮胎上18T的净力对车辆10的动态也起到重要作用，并且能够随轮胎压力、温度、轮胎负荷和轮胎/道路摩擦系数的变化而变化。这类法向力可被认为是由轮胎摩擦模型40采用的建模方法的部分。然而，在本发明的范围内，轮胎摩擦模型40可使用任何常规的建模或估计程序来确定纵向和横向方向上的轮胎摩擦系数，即μ_X和μ_Y。例如，可由控制器50评估轮胎特性曲线的斜率以获得线性度，其中通过使这类曲线的斜率与轮胎摩擦系数关联而估计轮胎摩擦系数的估计。

本方法100的目标在于确定任何可用的主动气动元件(例如，图1的主动气动元件20和/或120)的适当气动力目标。这可部分通过如下动作实现：考虑来自轮胎摩擦模型40或如上所述的其它源的轮胎摩擦，以及处理其它的驾驶员输入，诸如转向角(箭头θ₁₅)、制动水平(箭头B_X)、轮速(箭头ω₁₈)和其它可行值(诸如横摆率)。下文标示为F_ZAT的总气动力可被确定为由车辆10提供的基本气动和惯性力(F_ZB)的总和，其中主动气动元件20、120处在收拢位置并且主动气动元件20、120的任何贡献处在至少部分展开状态。

车辆10的车身14提供气动下压力的已知“基本”量，其在图2中以图形方式描绘为圆形轨迹45。给定的请求的气动性能操作点P_DD的气动下压力(箭头48)的基本水平可以并非总是足够的，例如在某些高速机动(诸如猛制动)期间或在急转弯时。在其它情况下，表示从轨迹45的原点(O)开始朝向请求的气动性能操作点P_DD牵拉的气动下压力(箭头48)的向量将终止于圆形轨迹45的边界43处，其中边界43表示没有展开主动气动元件20和/或120的车身14的气动性能极限。控制器50因此从主动气动元件20和/或120的展开自动确定满足点P_DD的驾驶员请求的性能所需的任何额外气动下压力的量值。所述额外气动下压力由图2中的箭头49表示。

作为方法100的部分，图1的控制器50考虑纵向(X)和横向(Y)两个方向上相对于车辆10(更确切说，行轮18)的运动方向的轮胎力和轮胎摩擦系数。控制器50可通过对以下方程求解而确定控制器50要施加的气动力(F_ZAT)：

其中F_X是作用在纵向方向上的所计算的轮胎力，F_Y是作用在横向方向上的所计算的轮胎力，μ_X是在纵向方向上的轮胎摩擦系数，并且μ_Y是在横向方向上的轮胎摩擦系数。关于所计算的轮胎力F_X和F_Y，这些值可被确定为例如经由动态输入信号和运动数据确定的所计算的请求的轮胎力和相应的纵向和横向方向的实际或所测量的轮胎力的最大值。

纵向方向上的所计算的请求的轮胎力如本领域中所知，可使用对应于制动踏板位置和车辆速度的动态输入信号的校准映射而确定，车辆速度可经由传感器S₁₇和S₁₈确定。扭矩请求(TR)可经由类似的踏板传感器(诸如连接到加速踏板或与加速踏板通信的传感器)确定。因此，纵向方向上的请求的轮胎力是控制器50可容易利用的信息。横向(Y)方向上的请求的轮胎力可根据车辆10的横摆率确定。常规地，横摆率继而用在稳定性控制系统中，并且能够根据车辆10的运动容易地估计，例如将这类值用作来自传感器S₁₅的转向角或来自传感器S₁₈的车辆速度、轮胎半径。在其它实施例中，图1的任选的横摆传感器S_Z可用于直接测量或确定横摆率并且将所测量的横摆率作为横摆率信号(箭头Z₁₀)传输到控制器50。

可使用任何合适的方法，诸如通过使用本领域中所知的类型中的一种类型的轮胎力传感器S_18F来确定实际轮胎力F_XA和F_YA。例如，负荷传感器可定位在行轮18的不同位置处并且被配置成测量对应于压缩和扩展力的值。轮胎力传感器的实例包括绝缘陶瓷或其它类型的力传感器，其响应于沿着给定轴施加的负荷输出可变阻力。实际轮胎力(F_XA、F_YA)或对应的阻力值可被传输到控制器50，控制器50继而将所测量的值存储在存储器M中和/或从阻力或其它测量的值计算实际轮胎力(F_XA、F_YA)，这取决于实施例。

如本领域中所知，可根据已知的车辆质量、惯性效应和车辆10的基本气动效应确定基本气动和惯性力，即F_ZB。例如，由车辆10的质量和加速引起的垂直力可脱机确定并记录在控制器50的存储器M中或使用车辆动态模型联机计算。车辆10可经受稳态风洞试验以便确定作用在垂直方向上的基本气动力，并且同样存储在控制器50的存储器M中，例如，存储在由不同车辆速度编索引的一系列查找表中。由于对垂直力的惯性效应是动态的，所以致动器30、130的合成工作周期将是相对较高的。

一旦确定轮胎力F_X、F_Y和轮胎摩擦系数μ_X、μ_Y的值，图1的控制器50便能够针对每个车轮(如果需要)或每个行轮18对以上方程求解，以因此确定满足本驾驶员要求的总气动力(F_ZAT)。这个值对应于图2的箭头49。

图3描绘了方法100的简化的示例性实施例。在步骤S102中，图1的控制器50首先确定一组驾驶员输入和车辆动态或运动数据。例如，步骤S102可包括从车辆10上的各种传感器接收动态输入信号，诸如从转向传感器S₁₅接收转向角(箭头θ₁₅)、从制动传感器(S₁₇)接收制动水平(箭头B_X)、从速度传感器S₁₈接收轮速(箭头ω₁₈)、从任选的横摆率传感器S_Z接收横摆率等。可测量或计算动态数据，诸如车辆10相对于横摆轴(即，图1所示的参照系XYZ中的z轴)的横摆率。当接收到所有上述信号或否则确定了所有上述值时，方法100前进到步骤S104。

在步骤S104处，控制器50接着从轮胎摩擦模型40确定纵向和横向方向上的轮胎摩擦系数μ_X和μ_Y。例如，轮胎摩擦系数可经由访问一系列查找表确定和/或否则使用轮胎摩擦模型40或其它源计算或估计。步骤S104还包括以上述方式测量或否则确定相应纵向和横向方向上的轮胎力F_X和F_Y。

步骤S106包括使用上文所述的公式计算总气动力F_ZAT。可对每个行轮18或每个驱动车轮应用步骤S106。方法100然后前进到步骤S108。

在步骤S108处，控制器50施加来自步骤S106的计算的总气动力F_ZAT。为此，控制器50可根据需要将控制信号(箭头25、125)传输到致动器30和/或130中的一个或两个。当车辆10中包括多个气动元件时，步骤S108可包括分配每个主动气动元件20、120的气动下压力贡献。在具有单个气动元件的设计中，步骤S108包括使用控制器50来控制使用中的单个气动元件。因此，通过使用上文所述的方法100，实时考虑动态车辆输入以从诸如图1所示的车辆上的一个或多个主动气动元件确定总的气动力贡献，并且确保在车辆10的操作期间这类贡献被命令为准确的力目标。

尽管已经详细描述了用于实行本发明的最佳模式和其它实施例中的一些，但是存在用于实行随附权利要求中定义的本发明的各种替代设计和实施例。此外，附图中所示的实施例或本描述中所提及的各种实施例的特性不一定被理解为彼此独立的实施例。而是，可能的是，一个实施例的多个实例中的一个中所描述的每个特性都能够与来自其它实施例的一个或多个其它期望特性组合，从而产生不以语言或参考附图描述的其它实施例。因此，这类其它实施例落在随附权利要求的范围的框架内。

Claims (10)

1.一种用于控制车辆中的主动气动元件的方法，所述车辆具有车身和多个行轮，所述行轮具有与路面接触的轮胎，所述方法包括：

接收一组输入信号和车辆运动数据，其中所述输入信号对应于所述车辆的请求的气动性能操作点；

测量一组实际轮胎力；

确定所述轮胎在纵向和横向方向上相对于所述车辆的摩擦系数；

使用所述测量的实际轮胎力、该组输入信号和所述运动数据，计算作用在所述轮胎上的纵向和横向力；

根据作用在所述轮胎上的所述纵向和横向力以及所述轮胎的所述摩擦系数计算实现所述请求的气动性能操作点所需的总气动下压力；以及

控制所述主动气动元件相对于所述车身的位置以提供所述计算的总气动下压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述车辆包括控制器和连接到所述主动气动元件的致动器，并且其中控制所述气动元件的位置包括将控制信号从所述控制器传输到所述致动器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中计算作用在所述轮胎上的所述纵向和横向力包括针对所述相应的纵向和横向方向确定所计算的请求的轮胎力和所述实际轮胎力的最大值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中测量该组实际轮胎力包括使用对应的力传感器。

5.根据权利要求1所述的方法，其中该组输入信号包括所述车辆的转向角、制动水平和速度，所述方法还包括：经由对应的传感器测量所述车辆的所述转向角、所述制动水平和所述速度中的每个。

6.一种车辆，其包括：

车身；

多个行轮，每个行轮包括与路面滚动接触的轮胎；

主动气动元件，其连接到所述车身，并且被配置成当所述车辆处在运动中时选择性地从所述车身展开到迎面而来的周围气流中；

致动器，其连接到所述主动气动元件并且可操作以响应于控制信号调整所述主动气动元件的位置；和

控制器，其被配置成：

接收一组输入信号和车辆运动数据，其中所述输入信号对应于所述车辆的所请求的气动性能操作点；

确定所述轮胎在纵向和横向方向上相对于所述车辆的一组摩擦系数；

确定所述轮胎的实际轮胎力；

使用实际轮胎力、所述输入信号和所述运动数据，计算作用在所述轮胎上的一组纵向和横向力；

根据所述轮胎的所述摩擦系数以及作用在所述轮胎上的所述纵向和横向力计算实现所述请求的气动性能操作点所需的总气动下压力；以及

经由将所述控制信号传输到所述致动器而控制所述主动气动元件的位置以因此提供所述计算的总气动下压力。

7.根据权利要求6所述的车辆，其中所述控制器被配置成通过针对所述相应的纵向和横向方向确定所计算的请求的轮胎力和所述实际轮胎力的最大值，而计算作用在所述轮胎上的该组纵向和横向力。

8.根据权利要求6所述的车辆，其还包括多个力传感器，其中所述控制器被配置成通过使用所述多个力传感器中的对应力传感器测量所述实际轮胎力来确定所述实际轮胎力。

9.根据权利要求6所述的车辆，其还包括转向角传感器、制动水平传感器和速度传感器，其中所述控制器被配置成经由所述转向角传感器、所述制动水平传感器和所述速度传感器中的对应传感器接收所述车辆的转向角、制动水平和速度。

10.根据权利要求6所述的车辆，其中所述车身包括前端和后端，所述主动气动元件包括定位成靠近所述第一端的第一气动元件和定位成靠近所述后端的第二气动元件，并且所述控制器被配置成通过独立地控制所述第一和第二气动元件而控制所述主动气动元件的所述位置。