CN107117150A - 基于数据融合的车辆防滑控制系统与防滑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于数据融合的车辆防滑控制系统，包括固定于车体的至少一加速度传感器和一角速度传感器。该控制系统，利用上述传感器与车轮之间的几何关系，基于力学原理计算出车轮着地点附近的对地近似加速度值A2，并利用该加速度值与车轮在着地点附近的实际圆周速度的加速度值A1的关系，来控制驱动车轮的扭矩输出，使得所有车轮在任何状态下都具有较好的防滑控制效果。

Description

基于数据融合的车辆防滑控制系统与防滑控制方法

技术领域

本发明涉及车辆驱动/制动控制技术领域，具体而言涉及一种基于数据融合的车辆防滑控制系统与防滑控制方法。

背景技术

具有电子防滑控制功能的车辆制动系统属于现有技术。已知的车辆制动系统能够根据驾驶员的意愿无关地对车辆的各个车轮进行制动，例如为了防止车轮抱死的防抱死刹车系统(ABS)、为了合理分配牵引力的牵引力分配控制系统(TCS)、为了使车辆进入稳定的形式装置(车身电子稳定系统ESP)、为了消除在驱动车轮的滑转(驱动防滑控制系统ASR)等等，这些都属于底层车轮控制，需要基于车轮滑移率(Slip Ratio)来进行。然而，滑移率的计算往往需要使用其他车轮的信息。当所有的车轮都处于工作状态(驱动/制动)时，基于滑移率的防滑控制往往效果不好。

为此，也有一些研究者摒弃了滑移率的应用，在分布式驱动的电动车辆的应用方面，提出了完全基于力学的防滑控制，如Yoichi Hori，Hiroshi Fujimoto，Dejun Yin等人提出的MFC，MTTE等方法，但是这些控制方法严重依赖车辆参数，并且需要准确的电机扭矩输出值(这个需要比较高的成本)，从而制约了这些方法的实用性和推广。

发明内容

本发明目的旨在解决如何能够在任何状态下，尤其是在转弯或者是在有坡度的情况下，使得所有的车轮都具有较好的防滑控制效果的问题，提出一种基于数据融合的车辆防滑控制系统与防滑控制方法。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出的车辆防滑控制方法，包括：

获取车辆的各车轮的转速(W1)，并计算各车轮转速对应的轮胎对地圆周速度的实际加速度(A1)；

取得固定于车辆某一固定点(Pg)的传感器测量出的加速度(A0)和/或角速度(E0)；

基于力学原理以及前述固定点(Pg)与各车轮的几何关系，利用所测量得到的加速度(A0)和/或角速度(E0)计算出各车轮相对于地面的近似加速度(A2)；

在同一方向上，检查前述步骤得到的实际加速度(A1)与计算得到的近似加速度(A2)之间的差异；

响应于实际加速度(A1)与计算得到的近似加速度(A2)之间的差异，控制调整电机和/或制动器扭矩输出值。

根据本发明的改进，还提出一种基于数据融合的车辆防滑控制系统，包括：

扭矩请求模块，用以接收诸如加速踏板/制动踏板/主动安全控制系统等上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr)；

电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩指令值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱动车轮旋转；

车轮圆周加速度计算模块，用以根据取得的各车轮转速(W1)，根据有效轮胎半径计算各轮胎对地圆周速度的实际加速度(A1)；

传感器数据融合模块，用以根据固定于车辆某一固定点(Pg)的传感器测量出的加速度(A0)和/或角速度(E0)，并基于力学原理以及车辆上某一固定点(Pg)与各车轮的几何关系，由所测量得到的加速度(A0)和/或角速度(E0)计算出各车轮相对于地面的近似加速度(A2)；

加速度检查与增益控制模块，用以比较前述获得的近似加速度(A2)与实际加速度(A1)在相同特定方向上的数值，并将比较结果经由控制算法计算扭矩调整值(Tl)；

扭矩调整模块，根据扭矩调整值(Tl)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行调节。

进一步的实施例中，前述加速度检查与增益控制模块用于调整扭矩调整值Tl的控制算法为PID控制算法。

进一步的实施例中，所述加速度检查与增益控制模块响应于实际加速度(A1)的绝对值大于计算得到的近似加速度(A2)的绝对值，控制输出扭矩调整值Tl的大小，使得扭矩调整模块根据该扭矩调整值Tl控制调整上层扭矩输出请求值(Tr)的绝对值。

本发明的第三方面还提出一种车辆防滑控制系统，包括：

固定于车体上、用于采集车辆运行数据的传感器，具有至少一加速度传感器和一角速度传感器，该至少一加速度传感器用于感知车辆纵向和侧向的加速度，该至少一角速度传感器用于感知围绕车辆上下方向的角速度；

防滑控制模块，用于根据前述至少一加速度传感器和一角速度传感器采集的车辆运行数据实施防滑控制，该防滑控制模块具有：

扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr)；

电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩指令值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱动车轮旋转；

车轮圆周加速度计算模块，用以基于取得的各车轮转速(W1)，根据有效轮胎半径计算各轮胎对地圆周速度的实际加速度(A1)；

传感器数据融合模块，用以根据固定于车辆某一固定点(Pg)的传感器测量出的加速度(A0)和/或角速度(E0)，并基于力学原理以及车辆上某一固定点(Pg)与各车轮的几何关系，由所测量得到的加速度(A0)和/或角速度(E0)计算出各车轮相对于地面的近似加速度(A2)；

加速度检查与增益控制模块，用以比较前述获得的近似加速度(A2)与实际加速度(A1)在相同特定方向上的数值，并将比较结果经由控制算法计算扭矩调整值(Tl)；

扭矩调整模块，根据扭矩调整值(Tl)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行调节。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是根据本发明某些实施例的车辆防滑控制方法的流程示意图。

图2是根据本发明某些实施例确定数据融合得到各车轮对地加速度的原理示意图。

图3是根据本发明某些实施例的近似加速度A2的计算原理示例图。

图4是根据本发明某些实施例比较两类加速度以抑制车轮打滑/抱死的原理示意图。

图5是根据本发明某些实施例的车辆防滑控制系统的原理示意图。

图6是根据本发明某些实施例对车辆的一个前轮实施前述图1所示的防滑控制的控制例的原理示意图。

图7a、7b是利用本发明某些实施例的车辆防滑控制后的效果对比图，其中图7a表示不施加前述防滑控制的仿真结果，图7b表示了施加前述防滑控制后的仿真结果。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

根据本发明的某些实施例，一种基于数据融合的车辆防滑控制方法，通过固定于车体的至少一加速度传感器和一角速度传感器，并利用上述传感器与车轮之间的几何关系，基于力学原理计算出各车轮的对地近似加速度值A2，并利用该加速度值与各车轮的实际圆周速度的加速度值A1之间的差异，来控制驱动车轮的扭矩输出。

前述的两个传感器(即加速度传感器和角速度传感器)中，包括至少一用于感知车辆纵向和侧向的加速度的传感器，至少一用于感知围绕车辆上下方向的角速度的传感器。

通过比较加速度值A1和对地近似加速度值A2在同一方向上的分量的大小来控制驱动车轮的扭矩输出，如果A1大于A2则控制调整驱动车轮的扭矩输出。

基于此控制策略，利用比较容易测量和得到的测量运行参数，并基于实际检测与运算得到的加速度值进行比较，确定测量实际行进参数与理论参数，如果存在打滑、抓地不牢、抱死的情况，如前述表达的，其实际检测到的加速度值A1将大于对地近似加速度值A2，此时我们实施控制干预，控制调整驱动车轮的扭矩输出，即调整电机和/或制动器扭矩输出值的绝对值，从而实现防滑控制的目的。

本发明的一个具体实施例的防滑控制流程如图1所示，下面结合图1、图2、图3所示，更加具体地说明该防滑控制的实施。

结合图1、图2、图3所示，基于数据融合的车辆防滑控制方法包括下述步骤：

获取车辆的各车轮的转速W1，并计算各车轮转速对应的轮胎对地圆周速度的实际加速度A1；

取得固定于车辆某一固定点Pg的传感器测量出的加速度A0和/或角速度E0；

基于力学原理以及前述车辆上某一固定点Pg与各车轮的几何关系，利用所测量得到的加速度A0和/或角速度E0计算出各车轮相对于地面的近似加速度A2；

在同一方向上，检查前述步骤得到的实际加速度A1的绝对值是否大于计算得到的近似加速度A2的绝对值；

响应于实际加速度A1的绝对值大于计算得到的近似加速度A2的绝对值，控制调整电机和/或制动器扭矩输出值的绝对值。

本例中，首先使用固定于车身某一点的加速度以及角速度传感器的数值，计算车轮相对于地面的加速度值；再考虑方向盘操作，比较上述加速度与轮胎相对地面圆周速度(车轮转速乘以轮胎半径)的加速度，当圆周速度的加速度大于上述加速度时，调整施加于车轮的扭矩的绝对值，即控制调整电机和/或制动器扭矩输出值。

本例中提供的防滑控制,不仅可以应用在电动车辆或者混动车辆之类的包含电机驱动系统的车辆上,还可以应用到具有液压制动系统的车辆上。通过数据融合的判断和扭矩输出轴的调整，如电机或者制动器的扭矩输出，从而实现如前述的防滑控制目的。

本发明提出的防滑控制方法具有高适应性和鲁棒性，对于两轮驱动/制动、四轮驱动/制动、八轮驱动/制动等分布式驱动/制动车辆以及各车轮具有制动器的集中式驱动/制动的车辆仍然具有良好的防滑控制效果，同时在车辆越野、车轮打滑、车辆载重、车轮转向角发生变化等任何状态下，都能够使得所有的车轮具有较好的防滑控制效果。

在一些具体的实例中，只需要利用为实现现有车辆上的ESC/ESP功能而既有的一组加速度/角速度传感器即可实现车辆的实际行进参数的测量，成本得以控制。

结合图2所示的确定车轮对地近似加速度A2的示例，以P1点为例，忽略悬架变形的情况下，由于传感器所在位置Pg(车辆上某一固定点)和车轮P1点存在固定的几何关系和力学关系，所以可以利用传感器在Pg处测量得出的加速度A0以及角速度E0，计算出车轮P1点相对地面的近似加速度A2和/或角速度。

图3所示为近似加速度A2的一个具体的计算示例，图3所示视图为车体俯视图，俯视正向垂直投影到地面上。

图3中，视图以及各参数的解释如下：

1、坐标系解释：坐标系固定于车身

X:表示车辆的纵向

Y:表示车辆的侧向

2、点含义解释

Pg：六轴加速度传感器位置点(通常为质心)

P1：左侧前轮轮胎接地点

P2：右侧前轮轮胎接地点

P3：左侧后轮轮胎接地点

P4：右侧后轮轮胎接地点

3、图中长度含义解释

L1：垂直投影到地面后六轴加速度传感器安置点(质心)到左侧前轮轮胎接地点距离

L2：垂直投影到地面后六轴加速度传感器安置点(质心)到右侧前轮轮胎接地点距离

L3：垂直投影到地面后六轴加速度传感器安置点(质心)到左侧后轮轮胎接地点距离

L4：垂直投影到地面后六轴加速度传感器安置点(质心)到右侧后轮轮胎接地点距离

4、图中角度含义解释

Δi：(i＝1，2，3，4)车轮转向角

δ：如图中所示为L1与X轴夹角

θ：如图中所示为L2与X轴夹角

λ：如图中所示为L3与X轴夹角

如图中所示为L4与X轴夹角

5、加速度符号含义解释

A_{1_x}A_{1_x}：六轴加速度传感器安置点(质心)所测得的车辆纵向加速度值

A_{1_y}A_{1_y}：六轴加速度传感器安置点(质心)所测得的车辆侧向加速度值

A_{2_xi}A_{2_xi}：(i＝1，2，3，4)根据所提出的算法计算而得的四个车轮接地点对应的纵向加速度值

A_{2_yi}A_{2_yi}：(i＝1，2，3，4)根据所提出的算法计算而得的四个车轮接地点对应的侧向加速度值

结合图2、图3所示，假定加速度和角速度传感器集成地安装于车辆一点，并且传感器与车辆XYZ轴之间的夹角为0，并且：

1)A_{2_x1}A_{2_xi}和//A_{2_y1}A_{2_yi}分别是A2在P1点沿X和Y轴的分量；

2)除了车轮转向角，本例在几何关系上只使用了L1、L2、L3、L4等数据，在力学关系上仅使用了Pg点沿X/Y方向的加速度值，以及围绕Z轴的横摆角速度值。然而，更多几何关系(例如使用传感器距离地面的高度)、更多力学关系(例如引入Z轴加速度，X/Y轴角速度值)以及更复杂的算法将会提高P1点加速度A2的准确程度；

3)Ax/Ay是在Pg点测量出的沿X/Y轴方向的加速度；ψ是在Pg点测量出的围绕Z轴方向的角速度。

车轮中心对地近似加速度A2的计算如下：

结合图4所示的比较两类加速度以抑制车轮打滑/抱死的示例，车轮与地面接触点的圆周速度的实际加速度A1等于车轮转速W1的微分与车轮有效半径R的乘积。

在车轮不打滑或抱死情况下，A2与A1绝对值在同一方向上的分量应该相近。如果A1的绝对值的分量明显大于A2的绝对值的分量，则可以判明车轮即将或者已经发生了打滑或者抱死现象。因此，此时控制器应调整电机和/或制动器扭矩输出值T，以使A1与A2在同一方向上的分量相近，从而实现防滑的目的。

图5是根据本发明某些实施例的车辆防滑控制系统的原理示意图，如图所示，一种车辆防滑控制系统，包括：

扭矩请求模块，用以接收诸如加速踏板/制动踏板/主动安全控制系统等上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值Tr；

电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩指令值Tc驱动电机输出扭矩从而驱动车轮旋转，车轮(例如前驱、后驱或者四驱车辆的测量)在诸如方向盘等驱动器的驱动下实施转向；

车轮圆周加速度计算模块，用以根据取得的各车轮转速W1，根据有效轮胎半径计算各轮胎对地圆周速度的实际加速度A1；

传感器数据融合模块，用以根据固定于车辆某一固定点Pg的传感器测量出的加速度A0和/或角速度E0，并基于力学原理以及车辆上某一固定点Pg与各车轮的几何关系，由所测量得到的加速度A0和/或角速度E0计算出各车轮相对于地面的近似加速度A2；

加速度检查与增益控制模块，用以比较前述获得的近似加速度A2与实际加速度A1在相同特定方向上的数值，并将比较结果经由控制算法计算扭矩调整值Tl；

扭矩调整模块，根据扭矩调整值Tl，对于上层扭矩输出请求值Tr的大小进行调节。

结合图1、图2、图3所示的例子，在一些实施例中，前述各车轮中心对地近似加速度A2的的计算、各车轮中心对地近似加速度A2与实际检测的加速度A1的比较均以前述内容描述的示例性方式来实现。

优选地，前述加速度检查与增益控制模块用于调整扭矩调整值Tl的控制算法为PID控制算法。在另外的一些例子中，还可以采用其他控制算法来进行扭矩调整值得计算，例如模糊控制算法、最优控制算法、滑模控制算法等。

在进一步的实施例中，所述加速度检查与增益控制模块响应于实际加速度A1的绝对值大于计算得到的近似加速度A2的绝对值，控制输出扭矩调整值Tl的大小，使得扭矩调整模块根据该扭矩调整值Tl控制调整上层扭矩输出请求值Tr。

优选地，车轮圆周加速度计算模块还被设置用于可根据各车轮转向角，计算A1在特定方向上的分量。

优选地，使用车轮转向角信息计算A1和A2在同一方向上的分量。

在一些例子中，车轮转速W1的获取，可以使用轮速传感器和/或驱动车轮的电机转速传感器来测量车轮转速。

前述加速度传感器和角速度传感器可以集中地固定于测量的车身位置，优选地，加速度传感器和角速度传感器固定于临近车身重心的位置。

优选地，全部或者部分使用指向车辆前后(X轴)、左右(Y轴)、上下(Z轴)三个方向的加速度传感器和围绕车辆X轴、Y轴、Z轴三个轴线方向的角速度传感器，利用几何关系和力学原理，消除传感器倾斜对于计算A2值的影响。

在一些实施例中，可选地，还可以根据电池、电机以及其他车辆状态进一步控制扭矩大小。

结合图4、图5所示的示例，图6表示了利用本发明的防滑控制对车辆的一个前轮实施前述图1所示的防滑控制的控制例的原理示意图。

应当理解，以上内容所描述的防滑控制方法、策略以及控制系统，可以应用在发动机驱动的车辆、电动机驱动的车辆以及应用在混动动力车辆上，实现防滑控制的目的。

在一些例子中，前述的防滑控制方法、策略以及控制系统，尤其可以应用在采用不含有差速器的分布式驱动结构的电动车辆上，能够在任何状态下，使得所有的车轮都具有较好的防滑控制效果。

图7a、7b表示了利用本发明某些实施例的车辆防滑控制后的效果对比图，其中图7a表示不施加前述防滑控制的仿真结果，图7b表示了施加前述防滑控制后的仿真结果。结合图6所示控制例，其仿真场景：车辆从2.5秒左右进入一个7米长的低摩擦路面，可以看出无控制的情况下，车辆的前后轮先后明显打滑，而实施控制的例子中，车轮仅仅有轻微的打滑。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种基于数据融合的车辆防滑控制方法，其特征在于，该方法包括：

获取车辆的各车轮的转速(W1)，并计算各车轮转速对应的轮胎对地圆周速度的实际加速度(A1)；

取得固定于车辆某一固定点(Pg)的传感器测量出的加速度(A0)和/或角速度(E0)；

基于力学原理以及前述固定点(Pg)与各车轮的几何关系，利用所测量得到的加速度(A0)和/或角速度(E0)计算出各车轮相对于地面的近似加速度(A2)；

在同一方向上，检查前述步骤得到的实际加速度(A1)与计算得到的近似加速度(A2)之间的差异；

响应于实际加速度(A1)与计算得到的近似加速度(A2)之间的差异，控制调整电机和/或制动器扭矩输出值。

2.根据权利要求1所述的基于数据融合的车辆防滑控制方法，其特征在于，前述方法更加包含：使用车轮转向角信息计算所述实际加速度(A1)和近似加速度(A2)在同一方向上的分量。

3.根据权利要求1所述的基于数据融合的车辆防滑控制方法，其特征在于，前述方法中：使用至少一加速度传感器感知车辆纵向和侧向的加速度，以及使用至少一角速度传感器感知围绕车辆上下方向的角速度。

4.根据权利要求1所述的基于数据融合的车辆防滑控制方法，其特征在于，前述方法中：使用轮速传感器和/或驱动车轮的电机转速传感器测量车轮转速(W1)。

5.根据权利要求1所述的基于数据融合的车辆防滑控制方法，其特征在于，前述方法中：响应于实际加速度(A1)与计算得到的近似加速度(A2)之间的差异，基于开关控制、PID控制、滑模控制、模糊控制、最优控制之一来控制调整电机和/或制动器扭矩输出值。

6.一种车辆防滑控制系统，其特征在于，包括：

扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr)；

电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩指令值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱动车轮旋转；

车轮圆周加速度计算模块，用以基于取得的各车轮转速(W1)，根据有效轮胎半径计算各轮胎对地圆周速度的实际加速度(A1)；

传感器数据融合模块，用以根据固定于车辆某一固定点(Pg)的传感器测量出的加速度(A0)和/或角速度(E0)，并基于力学原理以及车辆上某一固定点(Pg)与各车轮的几何关系，由所测量得到的加速度(A0)和/或角速度(E0)计算出各车轮相对于地面的近似加速度(A2)；

加速度检查与增益控制模块，用以比较前述获得的近似加速度(A2)与实际加速度(A1)在相同特定方向上的数值，并将比较结果经由控制算法计算扭矩调整值(Tl)；

扭矩调整模块，根据扭矩调整值(Tl)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行调节。

7.根据权利要求6所述的车辆防滑控制系统，其特征在于，所述加速度检查与增益控制模块响应于实际加速度(A1)与计算得到的近似加速度(A2)之间的差异，控制输出扭矩调整值Tl的大小，使得扭矩调整模块根据该扭矩调整值Tl控制调整上层扭矩输出请求值(Tr)。

8.根据权利要求6所述的车辆防滑控制系统，其特征在于，所述车轮圆周加速度计算模块还被设置用于根据车轮转向角信息计算实际加速度(A1)和近似加速度(A2)在同一方向上的分量。

9.一种车辆防滑控制系统，其特征在于，包括：

固定于车体上、用于采集车辆运行数据的传感器，具有至少一加速度传感器和一角速度传感器，该至少一加速度传感器用于感知车辆纵向和侧向的加速度，该至少一角速度传感器用于感知围绕车辆上下方向的角速度；

防滑控制模块，用于根据前述至少一加速度传感器和一角速度传感器采集的车辆运行数据实施防滑控制，该防滑控制模块具有：

扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr)；

电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩指令值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱动车轮旋转；

车轮圆周加速度计算模块，用以基于取得的各车轮转速(W1)，根据有效轮胎半径计算各轮胎对地圆周速度的实际加速度(A1)；

传感器数据融合模块，用以根据固定于车辆某一固定点(Pg)的传感器测量出的加速度(A0)和/或角速度(E0)，并基于力学原理以及车辆上某一固定点(Pg)与各车轮的几何关系，由所测量得到的加速度(A0)和/或角速度(E0)计算出各车轮相对于地面的近似加速度(A2)；

加速度检查与增益控制模块，用以比较前述获得的近似加速度(A2)与实际加速度(A1)在相同特定方向上的数值，并将比较结果经由控制算法计算扭矩调整值(Tl)；

扭矩调整模块，根据扭矩调整值(Tl)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行调节。

10.一种包括所述要求6-9中任意一项所述的车辆防滑控制系统的车辆。