CN107650893B - 重型车辆转弯制动稳定性辅助控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重型车辆转向制动时行驶稳定性辅助控制系统，包括车辆期望横摆角速度运算模块、车轮滑移率衰减因子运算模块、车轮目标滑移率运算模块以及车辆转向特性实时识别模块。本发明是对车辆防抱死制动系统ABS功能上的一种补充，在转向制动时通过对ABS控制参数车轮滑移率的衰减调整来提高相应车轴的侧向轮胎力，以达到校正车辆转向特性和防止车辆失去转向能力的目的。本发明设计合理，系统功能实现完全依靠电子控制单元的实时运算与智能判断，可有效避免重型汽车在紧急转弯制动情况下容易失去方向稳定性的缺陷，对重型车辆在极限或危险工况下的安全行驶可起到一定的辅助作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种重型车辆转弯制动稳定性辅助控制系统，特别涉及一种车辆高速行驶弯道紧急制动时可对传统ABS控制效能有所改进的车辆主动安全性辅助控制系统。
背景技术
汽车的制动性能是汽车的主要安全性能之一，重大交通事故往往与制动距离过长、紧急制动时车辆发生侧滑、跑偏或失去转向能力等情况有关，所以汽车的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。为了改善汽车的制动性能，有效防止车辆制动过程中侧滑、跑偏以及失去转向能力现象的出现，现在大部分汽车都安装了制动防抱死系统(Antilock BrakeSystem，简称ABS)。ABS技术最初来源于飞机车轮的制动，其作用就是在汽车制动时，能自动控制车轮制动器制动力的大小，使车轮不被抱死，始终处于边滚边滑(滑移率在5％～20％左右)的状态，以保证车轮与地面的附着力在最大值，从而为车辆制动提供最大的地面制动力和制动减速度，最终获得较短的制动距离。ABS防抱死制动系统在减少交通事故方面的效能多年来已得到大量的实车验证，目前已被多个国家作为强制性配置广泛运用于汽车上。
汽车制动过程中，出现跑偏原因主要在于左、右侧车轮地面制动力不平衡；出现侧滑的原因在于路面所能提供给轮胎的侧向摩擦力小于车辆作曲线运动而产生的离心力；制动过程中失去转向能力的原因在于地面对轮胎的侧向摩擦力(侧向轮胎力)过小导致车辆的转弯力不足所致，侧向轮胎力过小的原因则是因为制动时有限的地面摩擦力都被制动力(纵向轮胎力)所占用。
由于重型车辆质量大、车身长、质心高，导致其制动距离长，机动灵活性差。在高速转弯过程中，尤其是转弯同时伴随制动操作时往往会发生严重的侧滑和失去转向能力的现象，这也是高速公路经常发生重大恶性交通事故的主要原因。通过前述分析可知，侧滑和失去转向能力都与侧向轮胎力过小有关，进一步可以说是因为各轮的轮胎力对车辆质心的横摆力矩不匹配所引起。车辆转向过程中，作用在质心处总横摆力矩的大小决定了汽车车身转动的快慢程度(横摆角速度)，因此在转向过程中，过大或过小的横摆力矩将导致车辆的过多转向或较多的不足转向。过多转向是由较小的后轴侧向轮胎力引起，不足转向则由不足的前轴侧向轮胎力引起。当前轴侧向轮胎力饱和达到摩擦极限时，会产生失去转向现象，转弯半径要比驾驶员期望的要大，车辆很难跟随预期的轨迹。当后轴侧向轮胎力饱和达到摩擦极限时，将产生车辆的侧滑甚至急转现象，此时转弯半径比驾驶员期望的要小，将逐渐失去稳定性。
一般在良好路面上直线制动或较大圆弧转弯制动时，ABS系统能表现出良好的制动性能，此时ABS通过对车轮滑移率的控制可以获得最大的地面制动力(纵向轮胎力)，由于车辆没有转向或转向半径较大，所以所需转弯力较小甚至无需考虑转弯力的大小和车辆是否仍具有转向能力。但是当车辆紧急转弯制动时，就有可能出现车辆侧滑和失去转向能力的情况，因为此时有限的地面摩擦力都被用于车轮的制动而导致转弯力(侧向轮胎力)过小，使得车辆精确转向所需的横摆力矩不匹配，这两种现象在高速大转向或光滑路面行驶时更易于出现。
通常的情况是，重型车辆在高速公路上的弯道制动，并不是为了获得最短的制动距离，而是通过降低车速来抵抗离心力的干扰以保持行驶稳定性(防止出现侧滑)，并通过良好的转向能力来精确跟踪路径轨迹(不允许失去转向能力)，所以此时ABS的控制目标不应再是以获取最大的地面制动力为目的，而是以能提供较大的侧向轮胎力为目的，所以车辆弯道制动时ABS系统的控制参数如果能做适当的调整，则对重型车辆弯道制动的安全性与稳定性会有极大的帮助，但目前的车辆ABS系统基本不能满足上述工况的功能需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种重型车辆转弯制动稳定性辅助控制系统。该系统通过对车辆上已有的ABS系统控制参数车轮滑移率的修正，达到改善车辆弯道制动行驶稳定性的目的，是对普通车载ABS功能的一种补充，对重型车辆高速弯道制动时的行驶安全具有改进作用。
本发明采用的技术方案是：一种重型车辆转弯制动稳定性辅助控制系统，其特征在于：包括车辆期望横摆角速度运算模块、车轮滑移率衰减因子运算模块、车轮目标滑移率运算模块以及车辆转向特性实时识别模块；
所述车辆期望横摆角速度运算模块接收车辆速度传感器与方向盘转角传感器测量得到的车辆纵向行驶速度和方向盘转角两个参数，实时运算获得车辆转向时所期望的横摆角速度；
所述车轮滑移率衰减因子运算模块接收车辆转向时由横摆角速度传感器测量得到的实际横摆角速度，并与由车辆期望横摆角速度运算模块运算得到的期望横摆角速度两个参数，实时运算获得所需要的车轮滑移率衰减因子；
所述车轮目标滑移率运算模块接收由车轮名义滑移率识别模块识别出的ABS控制所需要的名义滑移率和运算得到的车轮滑移率衰减因子这两个参数，实时运算获得车辆ABS控制器工作过程中所需要的修正后的控制参数——车轮目标滑移率；
所述车辆转向特性实时识别模块接收由横摆角速度传感器输出的实际横摆角速度和由车辆期望横摆角速度运算模块输出的期望横摆角速度，并进行车辆不足转向或过多转向的实时判别，以决定是对车辆的前轴车轮还是后轴车轮进行滑移率修正，并进一步将修正后的车轮目标滑移率输送至对应车轴的ABS控制器。
上述车辆期望横摆角速度运算模块通过车辆行驶速度传感器与方向盘转角传感器实时测量得到车辆实际的纵向行驶速度V和方向盘转角δw这两个状态参数，并按下式实时运算得到车辆转向时驾驶员所期望的横摆角速度rd，
式中：L表示车辆轴距，K表示车辆稳定性因数，i表示车辆方向盘至转向轮的转角传动比。
上述车轮滑移率衰减因子运算模块接收车辆转向时由横摆角速度传感器测量得到的实际横摆角速度r与前述运算得到的期望横摆角速度rd两个参数，按下式实时运算获得所需要的车轮滑移率衰减因子ks。
上述车轮目标滑移率运算模块接收由车轮名义滑移率识别模块识别出的ABS控制所需要的名义滑移率sn和上述运算得到的车轮滑移率衰减因子ks这两个参数，按公式sd＝ks·sn实时运算获得车辆ABS控制器工作过程中所需要的修正后的控制参数——车轮目标滑移率sd。
上述车辆转向特性实时识别模块接收车辆实际横摆角速度r与期望横摆角速度rd两个参数，按照下表所示的判断逻辑进行车辆不足转向或过多转向的实时判别，以决定是对车辆的前轴车轮还是后轴车轮进行滑移率修正，并进一步将衰减后的车轮目标滑移率sd输送至前轴ABS控制器或后轴ABS控制器，再通过ABS系统的控制作用，达到增加对应车轴侧向轮胎力、减小纵向制动力的调整目的。
车辆转向特性判断逻辑
本发明在原重型车辆ABS制动防抱死系统基础上另外附加了一套转弯制动稳定性辅助控制系统，该转弯制动稳定性辅助控制系统能够根据车辆的转向特性而实时修正重型车辆各轮ABS系统的控制参数(车轮目标滑移率)，以达到增大车轮侧向轮胎力，减少车辆弯道制动产生侧滑或失去转向能力的可能。
因此，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、当重型车辆高速大转向紧急制动或在低摩擦路面上转向制动时，本发明通过对原车相应车轴ABS制动防抱死系统的控制参数——车轮滑移率的衰减修正，在有限牺牲纵向轮胎力(制动力)的情况下，能够有效提升车轮的侧向轮胎力，以达到增加车辆抵抗转向离心力和防止车辆失去转向能力的目的。对应车轴侧向轮胎力的提升，一方面可预防车辆侧滑甩尾情况的出现，另一方面可使车辆转向所需要的总横摆力矩得到合理配置，使车辆转向过程更接近期望的转向特性，从而使得重型车辆转弯制动时的行驶稳定性得到有力保障。
2、本发明是在原重型车辆ABS制动系统的基础上改进，不会破坏原车ABS系统的结构与控制逻辑，仍然能够保证车辆直线制动时的最大制动效能，仅在紧急转弯制动时方自动发挥作用，因而本发明在重型车辆上的安装与使用均很方便。
附图说明
图1为本发明的电路框图。
图2为本发明与原车辆ABS系统结构关系示意图。
图3为本发明所依据的技术原理图。
图4为本发明电子控制单元的控制原理图。
图中：1—方向盘转角传感器；2—行驶速度传感器；3—横摆角速度传感器；4—车轮名义滑移率识别模块；5—车轮滑移率衰减因子运算模块；6—电子控制单元；7—车轮目标滑移率运算模块；8—前轴ABS控制器；9—后轴ABS控制器；10—车辆转向特性实时识别模块；11—车辆期望横摆角速度运算模块；12—车轮制动器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
本发明是在原重型车辆ABS制动防抱死系统上另外附加了一套转弯制动稳定性辅助控制系统，二者的连接与逻辑关系可参考图2所示，本发明能够根据车辆的转向特性而实时修正车辆各轮ABS系统的控制参数(车轮目标滑移率)，以达到增大车轮侧向轮胎力，减少车辆弯道制动产生侧滑或失去转向能力的可能。其所依据的技术原理可由图3进行解释。图3是良好路面上车轮制动时其制动力系数和侧向力系数/>与车轮滑移率s之间的关系曲线，反映了车辆ABS控制系统的基本工作原理。从图3可看出，当车轮滑移率s接近20％时，制动力系数/>最大，这意味着地面制动力较大，因此ABS系统的控制目标就是制动时尽可能将车轮滑移率s控制在20％左右(可称之为车轮目标滑移率)，以获得最佳的制动效能。但从图3也可看出，当车轮滑移率s接近20％时，轮胎的侧向力系数/>却较小，这意味着汽车抵御转向离心力的能力较弱，如果汽车转向同时再伴随着制动操作则很容易出现侧滑或失去转向能力的情况。但是从图3还可看出，当车轮滑移率s轻微下降，如从20％下降到10％后，此时制动力系数/>只是略微降低，而侧向力系数/>则有较大提升。显然，当车辆转弯制动时，如果能够适当减小ABS系统控制参数——车轮滑移率s的数值，就能达到显著提高侧向轮胎力的效果，从而使重型车辆的行驶稳定性得到可靠保障。因此，本发明的功能即是在重型车辆转弯制动时对其ABS系统的控制参数——车轮滑移率s进行实时的衰减调整。
本发明在结构上包括车辆期望横摆角速度运算模块11、车轮滑移率衰减因子运算模块5、车轮目标滑移率运算模块7以及车辆转向特性实时识别模块10，这些模块组合构成了重型车辆转弯制动稳定性辅助控制系统的电子控制单元6。电子控制单元6的输出参量为车轮目标滑移率sd，该车轮目标滑移率sd也是车辆ABS系统的控制输入，即通过ABS系统的控制作用后要达到的车轮滑移率目标。
为了实现本发明设定功能，电子控制单元6内各模块需按照以下工作流程、算法公式和推理方式完成各自相应任务：
首先，车辆期望横摆角速度运算模块11通过车辆行驶速度传感器2与方向盘转角传感器1实时测量得到车辆实际的纵向行驶速度V和方向盘转角δw这两个状态参数，并按式(1-1)实时运算得到车辆转向时驾驶员所期望的横摆角速度rd。
上式中：L表示车辆轴距，K表示车辆稳定性因数，i表示车辆方向盘至转向轮的转角传动比。
随后，车轮滑移率衰减因子运算模块5可根据车辆转向时由横摆角速度传感器3测量得到的实际横摆角速度r与前述运算得到的期望横摆角速度rd两个参数按式(1-2)实时运算获得所需要的车轮滑移率衰减因子ks,显然ks是一个位于[0，1]区间的数值。
然后，车轮目标滑移率运算模块7可由车轮名义滑移率识别模块4识别出的ABS控制所需要的名义滑移率sn和上述运算得到的车轮滑移率衰减因子ks这两个参数按式(1-3)实时运算获得车辆ABS控制器工作过程中所需要的修正后的控制参数——车轮目标滑移率sd。显然，sd≤sn，即相对于ABS系统原控制目标，实际所需要控制的滑移率被衰减缩小了。
sd＝ks·sn (1-3)
其中，车轮名义滑移率识别模块4的功能是利用ABS制动防抱装置领域公知技术进行车辆行驶路面的状态识别，以确定行驶路面的摩擦条件，进而确定ABS系统要控制的最佳滑移率值。
最后，车辆转向特性实时识别模块10可根据车辆实际横摆角速度r与期望横摆角速度rd两个参数按照表1所示的判断逻辑进行车辆不足转向或过多转向的实时判别，以决定是对车辆的前轴车轮还是后轴车轮进行滑移率修正，并进一步将衰减后的车轮目标滑移率sd输送至前轴ABS控制器8或后轴ABS控制器9，再通过ABS系统的控制作用，达到增加对应车轴侧向轮胎力、减小纵向制动力的调整目的。图4为本发明电子控制单元的控制原理图。
表1 车辆转向特性判断逻辑
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种重型车辆转弯制动稳定性辅助控制系统，其特征在于：包括车辆期望横摆角速度运算模块、车轮滑移率衰减因子运算模块、车轮目标滑移率运算模块以及车辆转向特性实时识别模块；
所述车辆期望横摆角速度运算模块接收车辆速度传感器与方向盘转角传感器测量得到的车辆纵向行驶速度和方向盘转角两个参数，实时运算获得车辆转向时所期望的横摆角速度；
所述车轮滑移率衰减因子运算模块接收车辆转向时由横摆角速度传感器测量得到的实际横摆角速度，并与由车辆期望横摆角速度运算模块运算得到的期望横摆角速度两个参数，实时运算获得所需要的车轮滑移率衰减因子；
所述车轮目标滑移率运算模块接收由车轮名义滑移率识别模块识别出的ABS控制所需要的名义滑移率和运算得到的车轮滑移率衰减因子这两个参数，实时运算获得车辆ABS控制器工作过程中所需要的修正后的控制参数——车轮目标滑移率；
所述车辆转向特性实时识别模块接收由横摆角速度传感器输出的实际横摆角速度和由车辆期望横摆角速度运算模块输出的期望横摆角速度，并进行车辆不足转向或过多转向的实时判别，以决定是对车辆的前轴车轮还是后轴车轮进行滑移率修正，并进一步将修正后的车轮目标滑移率输送至对应车轴的ABS控制器。
2.根据权利要求1所述的重型车辆转弯制动稳定性辅助控制系统，其特征在于：上述车辆期望横摆角速度运算模块通过车辆行驶速度传感器与方向盘转角传感器实时测量得到车辆实际的纵向行驶速度V和方向盘转角δw这两个状态参数，并按下式实时运算得到车辆转向时驾驶员所期望的横摆角速度rd，
式中：L表示车辆轴距，K表示车辆稳定性因数，i表示车辆方向盘至转向轮的转角传动比。
3.根据权利要求1所述的重型车辆转弯制动稳定性辅助控制系统，其特征在于：上述车轮滑移率衰减因子运算模块接收车辆转向时由横摆角速度传感器测量得到的实际横摆角速度r与前述运算得到的期望横摆角速度rd两个参数，按下式实时运算获得所需要的车轮滑移率衰减因子ks。
4.根据权利要求1所述的重型车辆转弯制动稳定性辅助控制系统，其特征在于：上述车轮目标滑移率运算模块接收由车轮名义滑移率识别模块识别出的ABS控制所需要的名义滑移率sn和上述运算得到的车轮滑移率衰减因子ks这两个参数，按公式sd＝ks·sn实时运算获得车辆ABS控制器工作过程中所需要的修正后的控制参数——车轮目标滑移率sd。
5.根据权利要求1所述的重型车辆转弯制动稳定性辅助控制系统，其特征在于：上述车辆转向特性实时识别模块接收车辆实际横摆角速度r与期望横摆角速度rd两个参数，按照下表所示的判断逻辑进行车辆不足转向或过多转向的实时判别，以决定是对车辆的前轴车轮还是后轴车轮进行滑移率修正，并进一步将衰减后的车轮目标滑移率sd输送至前轴ABS控制器或后轴ABS控制器，再通过ABS系统的控制作用，达到增加对应车轴侧向轮胎力、减小纵向制动力的调整目的，
车辆转向特性判断逻辑
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20180202 Assignee: TIANJIN XINGYUAN AUTOMOBILE PARTS CO.,LTD. Assignor: TIANJIN University OF TECHNOLOGY AND EDUCATION Contract record no.: X2024980004724 Denomination of invention: Assisted Control System for Turning and Braking Stability of Heavy Vehicles Granted publication date: 20231121 License type: Common License Record date: 20240422 |