CN106553643B - 用于控制车辆下压力的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种采用主动空气动力控制系统的车辆。一种用于控制主动空气动力控制系统的方法包括：确定与加速请求和车辆速度相关联的目标加速下压力，确定与制动请求和车辆速度相关联的目标制动下压力，以及确定与转弯请求和车辆速度相关联的目标转弯下压力。确定目标加速下压力、目标制动下压力和目标转弯下压力的最大下压力请求和第二大下压力请求。基于最大下压力请求和第二大下压力请求确定优选前/后下压力分布。基于优选前/后下压力分布和最大下压力请求控制主动空气动力控制系统。

Description

用于控制车辆下压力的方法和装置
技术领域
本发明涉及车辆的操作，包括控制其行驶和操控性。
背景技术
与空气动力学相关的车辆设计包括影响车辆阻力、风噪、车辆噪声发射和升力的因素，所述因素影响牵引力、转弯和车辆稳定性的其它要素。空气动力设计要素可包括被动要素和主动控制要素。需要关于作用在车辆上的空气动力的知识来精确控制主动空气动力系统。已知空气动力系统并非响应于与车辆操作相关联的下压力估计来主动进行控制。
发明内容
本发明描述了一种采用主动空气动力控制系统的车辆。一种控制主动空气动力控制系统的方法包括：确定与加速请求和车辆速度相关联的目标加速下压力，确定与制动请求和车辆速度相关联的目标制动下压力，以及确定与转弯请求和车辆速度相关联的目标转弯下压力。基于目标加速下压力、目标制动下压力和目标转弯下压力确定最大下压力请求和第二大下压力请求。基于最大下压力请求和第二大下压力请求确定优选前/后下压力分布。基于优选前/后下压力分布和最大下压力请求控制主动空气动力控制系统。
根据结合附图和所附权利要求对用于实现所描述的本发明的实施例和最佳模式进行的以下详细描述，本发明的以上特征和优点以及其它特征和优点将是显而易见的。
附图说明
现将通过实例参考附图描述一个或多个实施例，其中：
图1是根据本发明的包括主动空气动力控制系统的车辆的示意俯视图，所述主动空气动力控制系统包括可移动前扰流器组件和可移动后扰流器组件；
图2是根据本发明的图1所示的车辆的示意仰视图；
图3是根据本发明的图1和图2所示的车辆的示意侧视图；以及
图4是根据本发明的用于控制车辆的控制例程的示意框图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记指代相同的部件，图1、图2和图3示出了相对于道路表面12定位的机动车辆10的顶部示意图、底部示意图和侧面示意图。车辆10包括设置在车身平面P15中的车辆车身14，所述车身平面P大体上平行于道路表面12。车辆车身14限定六个车身侧面。六个车身侧面包括第一车身端或前端16、相对的第二车身端或后端18、第一横向车身侧或左侧20和第二横向车身侧或右侧22、可包括车顶的顶部车身部分24以及车身底座部分。车辆10包括传动系，所述传动系包括通过齿轮系机械地联接到一个或多个道路车轮48以向其传递机械动力的动力装置41。动力装置41可以是内燃机(图1所示)、混合电能动力系(未示出)或另一可选类型的动力装置，并且齿轮系可以是自动变速器或另一合适的齿轮系。机动车辆10可以是任何合适的机动车辆，包括(借助非限制性实例)客车、高性能车辆或越野车。车辆10的操作可以由控制器46控制。
车辆10包括标称左侧20和标称右侧22，其一般平行于彼此并相对于车辆10的虚拟纵轴X11而设置并且横跨前端16与后端18之间的距离。限定车身平面P15以包括纵轴X11。车辆10的乘客厢(未示出)一般由车身14的前端16和后端18以及左侧20和右侧22界定。如本领域技术人员所理解，前端16被配置成当车辆10相对于道路表面12运动时面向迎面而来的周围气流27。当车辆10运动时，迎面而来的周围气流27大体平行于车身平面P15并沿纵轴X11移动。
当车辆10相对于道路表面12移动时，周围气流27经过车辆车身14周围并分成最终在紧靠后端18之后的再循环气流区域27-6中重新聚合的第一气流部分27-1、第二气流部分27-2、第三气流部分27-3和第四气流部分27-4。具体地，如图1所示，第一气流部分27-1在顶部车身部分24上经过，第二气流部分27-2在左侧20上经过，第三气流部分27-3在右侧22上经过，并且第四气流部分27-4车辆车身14下的车身底座部分26与道路表面12之间经过。如本领域技术人员所理解，再循环气流区域27-6一般可以在提高的车辆速度下由车辆车身14的六个车身侧面周围的周围空气流动造成。
车辆10包括主动空气动力控制系统，其优选地包括可移动前扰流器组件30和可移动后扰流器组件28。后扰流器组件28包括沿扰流器轴Y13设置并配置成控制周围气流27沿车辆车身14的运动的扰流器主体31。扰流器主体31可通过一个或多个支柱29连接到车辆车身14并且在一个实施例中可以是翼形的。“翼形”在本文中被定义为具有翅膀的形状，即，具有由通过流体产生用于飞行或推进的升力的流线横截面形状限定的机翼形状的鳍片。如图1中可见，扰流器轴Y13可以正交于纵轴X11定位。正交于纵轴X11定位的扰流器轴Y13限定车辆10的横轴。另外，扰流器轴Y13也大体上平行于车身平面P15设置。后扰流器组件28改变车辆10后方由周围气流27施加的下压力FD2。前扰流器组件30可用作改变车辆10前方由周围气流27施加的下压力FD1的气挡并可用于增加车辆10前方的下压力FD1，而安装在后端18上的扰流器组件可用于增加车辆10后方的下压力FD2以便增加车辆牵引力。为了结构稳定性，前扰流器组件30和后扰流器组件28可由适当刚性的、低质量材料(例如，工程塑料或铝)形成。后扰流器组件28还包括配置成响应于控制信号改变扰流器组件28的位置的后机构36。前扰流器组件30可进一步包括第一、左翼片32和第二、右翼片34，其分别相对于扰流器轴Y13大体上横向设置并且分别相对于道路表面12大体上垂直地并面向入射周围气流27设置。因此，第一翼片32和第二翼片34有助于在车辆10运动时俘获气穴。前机构38配置成响应于控制信号改变前扰流器组件30的位置，并且可选择性地在大体上横向于纵轴X11的方向上切换第一翼片32和第二翼片34中的每一个，并由此调整由前扰流器组件30产生的空气动力下压力FD的量值。前机构38和后机构36可由可控致动器和合适的铰链、弹簧以及其它装置组成以有助于响应于源自控制器46的相应控制信号来运动。可控致动器可包括(借助非限制性实例)机电线性装置或旋转装置、气动控制装置或液压控制装置。
车辆10优选地包括用于监测关于车辆行驶和操控性的车辆操作的多个传感器。多个第一传感器50可以设置在车辆车身14上以检测每个道路车轮48(图2中所示)的转速。每个第一传感器50还可以被配置为将检测到的相应道路车轮48的转速传送至控制器46，而控制器46可以配置为将接收自相应第一传感器的数据与车辆10的道路速度关联。车辆10还可以包括第二传感器52(图2中所示)，其被配置为检测相对于道路表面12的车辆车身14上的横摆力矩或横摆率并且将检测到的横摆率传送至控制器46。另外，车辆10可以包括第三传感器54，其设置为监测方向盘56(图1中所示)以检测车辆10的操作期间方向盘的角度。车辆10的预期方向可以由通过第三传感器54检测并且被传送至控制器46的方向盘角度来识别。车辆10可以另外包括第四传感器58(图1中所示)，其被配置为检测周围气流27相对于车辆10的速度。第四传感器58可以另外地配置为将检测到的周围气流的速度传送至控制器46。第四传感器58可以是(例如)皮托管，其被配置为检测周围气流27在相对于车辆车身14的特定位置处的压力。控制器46可以执行使测量的压力与气流速度关联的指令。前述提及的传感器可以呈旋转位置传感器、线性位置传感器、超声传感器、激光传感器和基于惯性的加速度传感器的形式。方位角计算可以根据皮托管或提供惯性估计的其它车辆动态信息来确定。空气密度计算可以根据歧管绝对压力和外部空气温度来推导。
车辆10包括用于主动地控制车辆行驶和操控性的一个或多个系统。这可以包括用于控制前扰流器组件30和后扰流器组件28的位置的一个或多个例程。这可以包括主动悬架系统62，其配置为响应于基于操作条件的控制信号而调整悬架阻尼和/或前后底盘高度。主动悬架系统是公知的。车辆10可以包括主动制动系统64，其可以包括防抱死制动以响应于操作员制动命令和其它特征而控制车轮制动。车辆10可以包括主动转向系统66，其可以响应于操作条件而控制车辆转向率。主动制动系统64和主动转向系统66(包括相关控制器和控制例程)是公知的。
控制器46是电子装置，其配置(即，构造并且编程)为响应于车辆操作员命令和来自传感器的输入(例如，由第二传感器52检测到的横摆率)而控制前机构38、后机构36、主动悬架系统62、主动制动系统64和主动转向系统66中的一个或多个。控制器46可以是专用控制器或具有集成至另一个控制器中的功能。可选地，可以存在与每个前述提及的系统相关联的多个控制器装置。
控制器46与操作员接口70通信以确定车辆操作员命令。操作员接口70包括多个人/机接口装置，车辆操作员通过所述人/机接口装置命令车辆10的操作，所述人/机接口装置包括(例如)加速器踏板72、制动器踏板74、变速器范围选择器76和方向盘56。加速器踏板72提供包括指示对车辆加速的操作员请求的加速踏板位置的信号。制动器踏板74提供包括指示对车辆制动或减速的操作员请求的制动器踏板位置的信号。变速器范围选择器76提供指示操作员预期的车辆10运动的方向的信号，其包括指示车辆沿前进或后退方向行驶的优选方向的离散数量个操作员可选位置。变速器范围选择器76还可以包括加速/减速杆，其为操作员提供请求变速器齿轮升档或降档的能力。
控制器46可以配置为响应于通过第一传感器50检测的道路车轮48的转速和/或通过第四传感器58检测的周围气流27的速度而控制前机构38、后机构36、主动悬架系统62、主动制动系统64和主动转向系统66中的一个或多个。控制器46可以另外被编程为确定车辆10相对于道路表面12的滑移。车辆10的滑移可以包括每个道路车轮48相对于纵轴X11横向地滑移的程度的测量值，其可以指示车辆10已偏离沿道路表面12的如由第三传感器54检测到的方向盘角度所识别的预期方向或路径。控制器46可以被编程为比较确定的方向盘角度与横摆率以确定车辆10偏离其预期方向或路径的程度。
控制器46可以配置作为中央处理单元(CPU)，其还被配置为调节动力装置41的操作，或可选地，控制器46可以是专用控制器。因而，可以存在分布在整个车辆10中的多个控制器装置，其中每个控制器配置为管理和控制特定系统或子系统的操作。为了适当地控制前机构38的操作，控制器46包括存储器存储装置60，其中的至少一些是有形且非暂时性的。存储器存储装置60可以是参与提供计算机可读数据或处理指令的任何可记录介质。这种介质可以呈许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。
用于控制器46的非易失性介质可以包括(例如)光盘或磁盘和其它持久存储器。易失性介质可以包括(例如)可以构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。这些指令可以由一种或多种传输介质(包括同轴电缆、铜线和光纤(包括具有耦合至计算机的处理器的系统总线的导线))传输。控制器46的存储器还可以包括软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其它光学介质等。控制器46可配置或配备有其它所需的计算机硬件，诸如高速时钟、必需的模数(A/D)和/或数模(D/A)电路、任何必要的输入/输出电路和装置(I/O)以及合适的信号调节和/或缓冲电路。控制器46需要或从而可以存取的任何算法可以存储在存储器60中并且自动地执行以提供所需的功能性。
图4示意地示出了用于控制配备有主动空气动力控制系统的车辆(例如，参考图1、图2和图3描述的车辆10的实施例)的主动空气动力控制例程400。主动空气动力控制例程400包括确定多个目标下压力(410)，其包括确定目标加速下压力(412)、确定目标制动下压力(414)和确定目标转弯下压力(416)。
为了本发明的目的，术语“下压力”被定义为当以已知车辆速度行驶时响应于车辆车身的空气动力特性作用在车辆车身上并且传递至车辆车轮的力，其包括作用在车辆上所配备的前扰流器组件和/或后扰流器组件上的空气动力。下压力的量值影响轮胎摩擦力，并且因此影响车辆10的牵引作用，其包括可以发生在车辆加速期间的纵向车轮滑移和可以发生在车辆转弯期间的横向车轮滑移的发生。主动空气动力控制系统可通过控制前扰流器组件和后扰流器组件(例如，参考图1、图2和图3描述的车辆10的前扰流器组件30和后扰流器组件28)的位置来控制下压力。
目标下压力是针对传动系扭矩的量值最大化车辆加速度的下压力的量值，从而在将扭矩传递至地面的同时允许最小车轮滑移而不会在车辆10上产生过大的拖曳力。最小车轮滑移是响应于传动系扭矩且无须引发传动系扭矩减小可获得的车轮滑移的量值，并且在一个实施例中可以在介于0％与15％之间的范围中。被传递至地表面的扭矩在加速时可以呈向前推动的形式，或在减速时可以呈车辆制动的形式。目标下压力是车辆10的特定车辆车身设计和配置所特有的。
车辆10优选地特征在于确定车辆10在经受单一自由度变化时(例如，当加速时、当减速时或当转弯时)的目标下压力(410)。这优选地包括确定目标加速下压力请求(412)、确定目标制动下压力请求(414)和确定目标转弯下压力请求(416)。
目标加速下压力请求(412)是当车辆10沿直线运行时最大化车辆加速并获得将扭矩传递到地面而不在车辆10上产生过多拖曳力时的最佳纵向车轮滑移量值的下压力量值。目标加速下压力基于操作员加速请求和当前车辆速度并考虑到车辆加速扭矩、与车轮速度相比较的车辆速度、纵向车轮滑移和其它因素。
目标制动下压力请求(414)是当车辆10沿直线运行时最大化车辆制动并获得将扭矩传递到地面时的最佳纵向车轮滑移量值的下压力量值。目标减速下压力基于操作员请求的制动扭矩的量值和当前车辆速度并考虑到车辆扭矩、与车轮速度相比较的车辆速度、纵向车轮滑移和其它因素。
目标转弯下压力请求(416)是当车辆10穿过弯道时最小化或最优化横向车轮滑移而不在车辆10上产生过多拖曳力的下压力量值。目标转弯下压力基于转向角请求、当前转向角和当前车辆速度并考虑到操作员请求的横向加速度、与车轮速度相比较的车辆速度、横向车轮滑移和其它因素。
可采用测试道路上的车载测试、风洞中的车载测试和基于物理学的分析技术来为车辆10进行对目标加速下压力请求(412)、目标制动下压力请求(414)和目标转弯下压力请求(416)的校准。可在风洞中评估对象车辆以实验性地推导空气动力特性图。如本领域技术人员所理解，风洞模拟在受控风速、温度和其它条件下车辆周围的空气的运动，以在将车辆控制在各种参数下的情况下确定作用在车辆10上的力的量值。这些参数包括前后车辆底盘高度、俯仰角、滚动、方位角、空气速度、车辆速度和一个或多个空气动力致动器(例如，前扰流器和后扰流器)的位置。在风洞中评估车辆10可包括识别多个车辆相关因素、确定每一个因素的多个水平和确定多个相关响应。可开发实验设计，其可包括用于评估车辆10的多级完全阶乘矩阵。
评估(420)目标加速下压力请求412、目标制动下压力请求414和目标转弯下压力请求416。这包括比较目标加速下压力请求412、目标制动下压力请求414和目标转弯下压力请求416以识别最大下压力请求和其相关联状态，即，加速下压力、制动下压力和转弯下压力中的一个(422)。进一步比较目标加速下压力请求412、目标制动下压力请求414和目标转弯下压力请求416以识别第二大下压力请求和其相关联状态，即，加速下压力、制动下压力和转弯下压力中的一个(424)。
偏差例程430评估与最大下压力请求422相关联的状态和与第二大下压力请求424相关联的状态以确定优选下压力分布，包括前/后下压力分布以及(在一个实施例中)左/右下压力分布。在一个实施例中，下压力分布可基于最大下压力请求422与第二大下压力请求424的比来确定，其中总下压力基于最大下压力请求422，并且下压力分布呈建议的或以下形式，即第一百分比的最大下压力请求施加到车辆10前方且剩余百分比的最大下压力请求施加到车辆10的后方。可选地，或组合地，车辆10的左侧与右侧之间可存在另一种下压力请求分布。基于最活跃的两种动态状态(即，产生最大下压力请求的两种动态状态)产生建议的前/后下压力分布。这种建议的前/后下压力分布可通过插值法来确定，并且所述插值法可基于所述两种动态的最佳下压力偏差来加权或动态加权。将最大下压力请求量值和建议的或目标前/后分布传送给控制器(例如，控制器46)，作为响应控制器控制前扰流器组件30和后扰流器组件28的位置(440)。
如此，主动空气动力控制例程400同时考虑若干车辆动态状态，包括但不限于：加速、制动和转弯。可根据不同来源产生这些状态的信息，并且所述信息可仅仅是反馈、仅仅是前馈或两者的组合。主动空气动力控制例程400可动态地操作以控制单一可控空气动力表面(例如，可控后扰流器组件28)或多个空气动力表面(例如，如参考图1、图2和图3所述)。
主动空气动力控制例程400在车辆操作期间为每一个动态状态动态地确定优选下压力请求。相关联校准和实施有利地帮助准确地最优化下压力，同时平衡整个车辆10上的下压力分布，而不须特征化整个车辆10，从而避免开发复杂度。这可有利于较高车辆速度下的车辆稳定性并且还有利于较低车辆速度下的操控性。这种系统可简化与空气动力学映射相关联的生产前校准工作并降低对最优化车辆动力学的车载特征化的需求。并且对持续变化并难以有效建模的与轮胎性能相关的基于物理学的假设和估计的依赖更少。主动空气动力控制例程400的执行可改进车辆稳定性以及行驶与操控性并减少车辆拖曳力。
详细描述和附图或图式是对本发明的支持和描述，但本发明的范围仅由权利要求书来限定。虽然已详细描述了实现所请求的本发明的一些最佳模式和其它实施例，但存在用于实践所附权利要求书中限定的本发明的各种可选设计和实施例。此外，附图中所示的实施例或本说明书中提及的各种实施例的特征不一定被理解为彼此独立的实施例。更确切地说，可能实施例的一个实例中所述的每一个特征可与来自其它实施例的一个或多个其它所需特征组合，从而产生未用语言描述或参考附图描述的其它实施例。因此，这些其它实施例落入所附权利要求书的范围的框架中。

Claims (10)

1.一种控制设置在车辆上的主动空气动力控制系统的方法，其包括：
确定与加速请求和车辆速度相关联的目标加速下压力；
确定与制动请求和所述车辆速度相关联的目标制动下压力；
确定与转弯请求和所述车辆速度相关联的目标转弯下压力；
基于所述目标加速下压力、所述目标制动下压力和所述目标转弯下压力确定最大下压力请求；
基于所述目标加速下压力、所示目标制动下压力和所述目标转弯下压力确定第二大下压力请求；
基于所述最大下压力请求和所述第二大下压力请求确定优选前/后下压力分布；以及
基于所述优选前/后下压力分布和所述最大下压力请求控制所述主动空气动力控制系统。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定与加速请求和车辆速度相关联的目标加速下压力包括：确定当所述车辆沿直线运行时最大化车辆加速的下压力量值。
3.如权利要求2所述的方法，其中确定当所述车辆沿直线运行时最大化车辆加速的所述下压力量值包括：基于操作员加速请求、当前车辆速度、车辆加速扭矩和与车轮速度比较的所述车辆速度确定将扭矩传递到地面而不在所述车辆上产生过多拖曳力时的纵向车轮滑移量值。
4.如权利要求1所述的方法，其中确定与制动请求和所述车辆速度相关联的目标制动下压力包括：确定当所述车辆沿直线运行时最大化车辆制动并获得将扭矩传递到地面时的最佳纵向车轮滑移量值的下压力量值。
5.如权利要求4所述的方法，其中当所述车辆沿直线运行时最大化车辆制动并获得将扭矩传递到所述地面时的最佳纵向车轮滑移量值的所述下压力量值是基于操作员请求的制动扭矩的量值和基于车辆扭矩以及所述车辆速度与车轮速度的比较的当前车辆速度。
6.如权利要求1所述的方法，其中确定与转弯请求和所述车辆速度相关联的目标转弯下压力包括：确定在穿过弯道时最小化横向车轮滑移和所述车辆上的拖曳力的下压力量值。
7.如权利要求6所述的方法，其中在穿过弯道时最小化横向车轮滑移和所述车辆上的拖曳力的所述下压力量值是基于转向角请求、当前转向角和车辆速度、操作员请求的横向加速度、所述车辆速度与所述车轮速度的比较以及所述横向车轮滑移。
8.如权利要求1所述的方法，其中基于所述最大下压力请求和所述第二大下压力请求确定优选前/后下压力分布包括：确定所述最大下压力请求与所述第二大下压力请求的比。
9.如权利要求8所述的方法，其包括：向所述车辆的前方施加第一百分比的所述最大下压力请求，并向所述车辆的后方施加剩余百分比的所述最大下压力请求。
10.一种机动车辆，其包括：
多个道路车轮；
传动系，其包括通过齿轮系机械地联接到所述道路车轮中的一者的动力装置；
主动空气动力控制系统，其包括可控前扰流器组件和可控后扰流器组件；
多个传感器，其用于监测与车辆行驶和操控性相关的车辆操作；以及
电子控制器，其与所述多个传感器通信并可操作地连接到所述主动空气动力控制系统，所述控制器包括指令集，所述指令集可执行以：
确定与加速请求和车辆速度相关联的目标加速下压力，
确定与制动请求和所述车辆速度相关联的目标制动下压力，
确定与转弯请求和所述车辆速度相关联的目标转弯下压力，
基于所述目标加速下压力、所述目标制动下压力和所述目标转弯下压力确定最大下压力请求，
基于所述目标加速下压力、所述目标制动下压力和所述目标转弯下压力确定第二大下压力请求，
基于所述最大下压力请求和所述第二大下压力请求确定优选前/后下压力分布，以及
基于所述优选前/后下压力分布和所述最大下压力请求控制所述主动空气动力控制系统。
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