CN108973985B - 基于组合滑移的驾驶员命令解释器 - Google Patents

基于组合滑移的驾驶员命令解释器 Download PDF

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Abstract

提供了一种可以通信地联接到方向盘角度传感器、加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器的用于车辆的基于组合滑移的驾驶员命令解释器，该基于组合滑移的驾驶员命令解释器包括但不限于配置为存储非线性组合侧向滑移模型和非线性组合纵向滑移模型的存储器以及处理器，该处理器配置为基于方向盘的角度、加速踏板的位置、制动踏板的位置、车辆的纵向速度、非线性组合侧向滑移模型和非线性组合纵向滑移模型来确定驾驶员的预期车辆侧向速度和驾驶员的预期车辆横摆率。

Description

基于组合滑移的驾驶员命令解释器
技术领域
本发明总体上涉及车辆，并且更具体地涉及向车辆解释驾驶员输入。
背景技术
车辆通常利用电子稳定性控制系统以预测、检测和减少牵引力损失的方式来改善车辆稳定性。然而，在性能场景下，电子稳定控制系统通常被驾驶员视为不具备准确性，因而在这些性能场景下常常会手动将其关闭。换言之，在车辆达到其实际物理极限之前，电子稳定性控制系统可以很好地启动，这样便在基本上没有提高车辆安全性的同时降低了车辆的性能，进而使得驾驶员在某些性能场景下会关掉安全系统。
因此，需要改善针对车辆中电子稳定性控制系统和其他系统的输入，以便更准确地获知驾驶员在性能场景下的意图。此外，结合附图和发明背景，通过随后对本发明的详细描述以及所附权利要求，本发明的其他期望特征和特点将变得显而易见。
发明内容
在一个实施例中，例如，提供了一种车辆。车辆可以包括但不限于配置为使车辆转向的方向盘、配置为输出方向盘的角度的方向盘角度传感器、配置为控制车辆的燃料供给率的加速踏板、配置为输出加速踏板的位置的加速踏板位置传感器、配置为控制车辆的制动的制动踏板、配置为输出制动踏板的位置的制动踏板位置传感器、以及通信地联接到方向盘角度传感器、加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器的基于组合滑移的驾驶员命令解释器，该基于组合滑移的驾驶员命令解释器包括但不限于配置为存储非线性组合侧向滑移模型和非线性组合纵向滑移模型的存储器以及处理器，该处理器配置为基于方向盘的角度、加速踏板的位置、制动踏板的位置、车辆的纵向速度、非线性组合侧向滑移模型和非线性组合纵向滑移模型来确定驾驶员的预期车辆侧向速度和驾驶员的预期车辆横摆率。
在另一个实施例中，例如，提供了一种操作用于车辆的基于组合滑移的驾驶员命令解释器的方法。该方法可以包括但不限于：由基于组合滑移的驾驶员命令解释器的处理器接收车辆的方向盘的方向盘角度、车辆的制动踏板的位置以及车辆的加速踏板的位置，以及由处理器基于方向盘的角度、加速踏板的位置、制动踏板的位置、非线性组合侧向滑移模型和非线性组合纵向滑移模型来确定驾驶员的预期车辆侧向速度和驾驶员的预期车辆横摆率。
在又一个实施例中，例如，提供了一种用于车辆的基于组合滑移的驾驶员命令解释器。基于组合滑移的驾驶员命令解释器可以包括但不限于：配置为存储非线性组合侧向滑移模型和非线性组合纵向滑移模型的存储器以及通信地联接到存储器的处理器，该处理器配置为从方向盘角度传感器接收方向盘角度，从加速踏板位置传感器接收加速踏板位置以及从制动踏板位置传感器接收制动踏板位置，并且基于方向盘的角度、加速踏板的位置、制动踏板的位置、非线性组合侧向滑移模型和非线性组合纵向滑移模型来确定驾驶员的预期车辆侧向速度和驾驶员的预期车辆横摆率。
附图说明
下面将结合以下附图来描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且
图1是根据一个实施例的车辆的框图；
图2是根据一个实施例的示例性非线性组合侧向滑移模型的图表；
图3是根据一个实施例的示例性非线性组合纵向滑移模型的图表；
图4是示出了根据一个实施例的基于组合滑移的驾驶员命令解释器如何确定驾驶员意图的方法的流程图；以及
图5是根据一个实施例的车辆以及该车辆所经受的力的图示。
具体实施方式
以下详细描述在本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本发明或者本发明的应用和用途。此外，并不意图受前面背景技术或以下详细描述中呈现的任何理论的限制。
图1是根据一个实施例的车辆100的框图。例如，车辆可以是汽车。车辆100包括布置成使车辆100转向的方向盘110。车辆100还包括方向盘角度传感器120。方向盘角度传感器120联接到方向盘110，并在车辆100的驾驶员旋转或移动方向盘110时输出方向盘110的角度。如下面进一步详细讨论的，方向盘的角度用于确定驾驶员的意图。换句话说，方向盘的角度是用于确定驾驶员想要车辆100如何作出反应。
车辆100包括布置成控制向车辆100的发动机(未示出)的燃料供给率的加速踏板130。车辆100还包括加速踏板位置传感器140。加速踏板位置传感器140联接到加速踏板130，并在驾驶员踩下或松开加速踏板130时输出加速踏板130的位置。如下面进一步详细讨论的，加速踏板130的位置用于确定驾驶员的意图。
车辆100包括布置成控制车辆100的制动系统(未示出)的制动踏板150。车辆100还包括制动踏板位置传感器160。制动踏板位置传感器160联接到制动踏板150，并在驾驶员踩下或松开制动踏板150时输出制动踏板150的位置。如下面进一步详细讨论的，制动踏板150的位置用于确定驾驶员的意图。
车辆100还包括基于组合滑移的驾驶员命令解释器(CSBDCI)170。CSBDCI 170接收来自方向盘角度传感器120、加速踏板位置传感器140和制动踏板位置传感器160的数据以及纵向速度(例如来自未示出的估计器(诸如全球定位系统(GPS))或者任何直接速度测量系统)，并对数据加以分析，以便解释出驾驶员的意图。
CSBDCI 170包括处理器180和存储器190。处理器180可以是中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器或任何其他逻辑器件或其组合。处理器180可以专用于CSBDCI 170，或者可以与车辆100中的一个或多个其他系统共用。存储器190可以是易失性及非易失性存储器的任何组合。存储器可以存储用于实现CSBDCI170的非暂时性计算机可读指令，如下面进一步详细讨论的。
例如，CSBDCI 170的一个优势在于，CSBDCI 170可以在性能场景下准确地确定驾驶员的意图。例如，当驾驶员试图快速拐弯时，驾驶员可以使用加速踏板130加速通过拐弯处。驾驶员还可以使用加速踏板130和制动踏板150的组合来拐弯。例如，为了使车辆100发生漂移，可以采用在拐弯期间使用加速踏板130和制动踏板150的组合的驾驶技术。
利用加速踏板130通过拐弯处可以使车辆100的驱动轮(例如，前驱车辆中的前轮或后驱车辆中的后轮)和/或车辆的滚动轮发生滑移。当在转弯期间发生滑移时，车轮指向的方向与实际行驶方向有所不同。车轮的实际行驶方向与车轮所指向的方向之间的角度是车轮的滑移角。这也可以被称为侧向滑移。另外，当在转弯期间发生滑移时，车轮的转动速度可能会不同于车轮的自由滚动速度。换句话说就是，比起车轮使车辆100移动的速度，车轮可以更快地转动。这也可以被称为纵向滑移。
CSBDCI 170的处理器180利用将侧向滑移与纵向滑移加以组合的非线性滑移模型来更准确地预测驾驶员希望车辆如何针对驾驶员的输入(即，方向盘角度、加速踏板位置和制动踏板位置)作出反应。图2是根据一个实施例的示例性非线性组合侧向滑移模型200的图表。在图2中，垂直轴上的μy对应于轮胎上的归一化侧向力，而水平轴上的α表示以度数为单位的滑移角。归一化侧向力是每个轮胎的侧向力除以(通过其归一化)每个轮胎的垂直力。图表上的每条线210表示不同的纵向滑移率λ。纵向滑移率是以百分比表示的车轮中心(因此车辆100)的平移速度与车轮的转动速度之差的量度。如图2所示，随着滑移率λ的增大，轮胎上的侧向力μy相对于相同的滑移角α减小。
图3是根据一个实施例的示例性非线性组合纵向滑移模型300的图表。在图3中，垂直轴上的μx对应于轮胎上的归一化纵向力，而水平轴上的λ表示纵向滑移率。归一化纵向力是每个轮胎的纵向力除以(通过其归一化)每个轮胎的垂直力。图表上的每条线310表示以度数为单位的不同滑移角。随着滑移角α的增大，纵向力μx相对于相同的纵向滑移率λ减小。
组合侧向和纵向滑移模型可以存储在存储器190中。可以基于模拟、理想条件下的实验或其组合来生成组合侧向和纵向滑移模型。例如，基于车辆100在干燥道路上的实际道路实验中的侧向及纵向响应并使用非线性最小二乘优化法，可以确定组合滑移模型的参数。
CSBDCI 170的处理器180利用组合侧向和纵向滑移模型以及纵向速度和来自方向盘角度传感器120、加速踏板位置传感器140和制动踏板位置传感器160的数据，并对这些数据加以分析，以便解释出驾驶员的意图。具体而言，CSBDCI 170可以从中确定驾驶员所期望的横摆率和侧向速度。
图4是示出了根据一个实施例的CSBDCI 170如何确定驾驶员意图的方法400的流程图。CSBDCI 170的处理器180首先从车辆的纵向速度传感器(例如，GPS、速度估计器等)、方向盘角度传感器120、加速踏板位置传感器140和制动踏板位置传感器160接收数据。(步骤410)
之后，对于每个轮胎，处理器180基于从方向盘角度传感器120、加速踏板位置传感器140和制动踏板位置传感器160接收的数据以及存储在存储器190中的组合纵向滑移模型和组合侧向滑移模型，确定每个轮胎上的期望侧向力和每个轮胎上的期望纵向力。(步骤420)。换句话说，对于每个轮胎，处理器180基于所确定的方向盘角度、所确定的制动踏板位置和所确定的加速踏板位置，确定出侧向滑移模型200上的哪条线210和纵向滑移模型300上的哪条线310对应于用户的意图。处理器180基于所确定的方向盘角度、所确定的制动踏板位置和所确定的加速踏板位置，确定出驾驶员意图实现的滑移角和滑移率。因此，处理器180可以通过读取组合侧向滑移模型200上的对应μy以及组合纵向滑移模型300上的μx来确定出轮胎上的期望侧向力和轮胎上的期望纵向力。尽管组合侧向滑移模型200和组合纵向滑移模型300是示出为图表，但是，组合侧向滑移模型200和组合纵向滑移模型300可以以各种方式来实现。例如，组合侧向滑移模型200和组合纵向滑移模型300可以实现为查找表等。在每个拐弯处，根据车轮动力学等式
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
确定出车轮速度，其中Tbr，Ttr是根据加速踏板位置和制动踏板位置解释出制动力矩和牵引力矩，Re是轮胎有效滚动半径，Fz是垂直力，μx是根据组合滑移模型300的预期归一化纵向力曲线310，而Iw是车轮的惯性矩。因此，基于根据车轮动力学和估计的(或测量的)纵向速度计算出的车轮速度，获得每个轮胎的滑移率。然后，在侧向动力学模块中使用计算出的滑移率、方向盘数据、法向力和纵向速度，以确定出根据组合滑移模型200的预期归一化侧向力曲线210，并且因此确定出车辆侧向响应，如下面进一步详细描述的。
处理器180之后确定车辆的期望侧向速度(步骤430)和期望横摆率(步骤440)。期望侧向速度Vy可以根据等式1来确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，每个i表示轮胎，fxi表示从fxi＝μxiFzi获得的每个轮胎i的纵向力，fyi表示从fyi＝μyiFzi获得的每个轮胎i的侧向力，并且δsi是每个轮胎i相对于汽车所指方向的转向角，Vx是车轮纵向速度，而ψ是通过求解如下所述的等式2所获得的期望横摆率。
图5是根据一个实施例的车辆100以及车辆100所经受的力的图示。在本示例中，车辆100的轮胎可能会经历侧向滑移和可能的纵向滑移。如图5所示，力fxi和fyi是相对于轮胎(而不是车辆100)的方位。
处理器可以根据等式2确定驾驶员的期望横摆率ψ：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，a是重心与车辆100的前轴之间的距离，b是重心与车辆100的后轴之间的距离，而w是车辆的宽度。其他变量与等式1中的变量相同。此等式是建立在图5所示的轮胎编号分配的基础上。然而，倘若轮胎按照不同的顺序进行分配，则等式可能会有所不同。
通过利用非线性组合侧向滑移模型200和非线性组合纵向滑移模型300。
通过利用非线性组合侧向滑移模型200和非线性组合纵向滑移模型300，CSBDCI170可以更好地预测出驾驶员的意图，特别是车辆100的预期侧向速度和横摆率。
然后，处理器180或车辆的另一处理器可以基于所确定的侧向速度和横摆率来执行控制命令。(步骤450)。例如，所确定的侧向速度和横摆率可以由例如电子稳定性控制系统(未示出)加以利用，该电子稳定性控制系统可以通过启动转向系统、制动系统或加速系统中的一个或多个来维持车辆的稳定控制。采用CSBDCI 170的一个优势在于，CSBDCI 170可以更准确地确定出驾驶员的意图(特别是在性能车辆中)，从而使得驾驶员能在另一个系统(例如电子稳定性控制系统)接管车辆的控制之前将车辆100驾驶来更趋近于车辆100的物理极限。换句话说，通常在驾驶员将车辆驱使到极限操控时，驾驶员会关掉稳定性控制。因此，通过更好地解释驾驶员何时打算实现滑移，该系统允许驾驶员在继续维持稳定性控制的同时将车辆驱使到其极限状态，由此让驾驶员能够将车辆保持在该极限状态下并且还确保车辆能保持稳定。
在此之后，处理器180返回到步骤410，确定驾驶员的下一个意图。控制循环可以快速地执行，例如，每0.01秒就执行。不过，控制循环速度可以根据处理器180和系统其他部件的速度而发生变化。
尽管在本发明的前述详细描述中已经呈现了至少一个示例性方面，但应该理解的是，仍存在有大量的变型。还应该理解的是，该示例性方面或多个示例性方面仅是示例，并不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本发明的示例性方面的便利指引。应理解的是，在不脱离如所附权利要求阐述的本发明范围的前提下，可以在示例性方面中描述的元件的功能和布置方面做出各种改变。

Claims (10)

1.一种车辆，包括：
配置为使所述车辆转向的方向盘；
配置为输出所述方向盘的角度的方向盘角度传感器；
配置为控制所述车辆的燃料供给率的加速踏板；
配置为输出所述加速踏板的位置的加速踏板位置传感器；
配置为控制所述车辆的制动的制动踏板；
配置为输出所述制动踏板的位置的制动踏板位置传感器以及
通信地联接到所述方向盘角度传感器、所述加速踏板位置传感器和所述制动踏板位置传感器的基于组合滑移的驾驶员命令解释器，所述基于组合滑移的驾驶员命令解释器包括：
配置为存储非线性组合侧向滑移模型和非线性组合纵向滑移模型的存储器；以及
处理器，所述处理器配置为基于所述方向盘的所述角度、所述加速踏板的所述位置、所述制动踏板的所述位置、所述车辆的纵向速度、所述非线性组合侧向滑移模型和所述非线性组合纵向滑移模型来确定驾驶员的预期车辆侧向速度和驾驶员的预期车辆横摆率。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中所述车辆包括多个轮胎，并且所述处理器进一步配置为基于所述非线性组合侧向滑移模型和所述非线性组合纵向滑移模型来确定所述车辆的每个轮胎上的预期侧向力和所述车辆的每个轮胎上的预期纵向力。
3.根据权利要求2所述的车辆，其中所述处理器利用所述非线性组合侧向滑移模型将所述方向盘的所述角度、所述加速踏板的所述位置和所述制动踏板的所述位置转换为每个轮胎上的所述预期侧向力。
4.根据权利要求3所述的车辆，其中所述处理器利用所述非线性组合纵向滑移模型将所述方向盘的所述角度、所述加速踏板的所述位置和所述制动踏板的所述位置转换为每个轮胎上的所述预期纵向力。
5.根据权利要求4所述的车辆，其中所述处理器基于所述车辆的每个轮胎上的所述所确定的预期侧向力以及所述车辆的每个轮胎上的所述所确定的预期纵向力来确定驾驶员的预期车辆侧向速度和驾驶员的预期车辆横摆率。
6.根据权利要求5所述的车辆，其中所述处理器配置为根据下式确定所述预期车辆侧向速度：
Figure 340908DEST_PATH_IMAGE001
其中，Vy是所述预期车辆侧向速度，Vx是所述车辆纵向速度，i对应于所述车辆的每个轮胎，fxi表示每个轮胎i的所述所确定的预期纵向力，fyi表示每个轮胎i的所述所确定的预期侧向力，而δsi是每个轮胎的转向角，并且m是所述车辆的质量，ψ是所述预期车辆横摆率。
7.根据权利要求6所述的车辆，其中所述处理器配置为根据下式确定所述预期车辆横摆率：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，ψ是所述预期车辆横摆率，a是重心与所述车辆的前轴之间的距离，b是所述重心与所述车辆的后轴之间的距离，而w是所述后轴的宽度，并且Iz是所述车辆的惯性矩。
8.一种操作用于车辆的基于组合滑移的驾驶员命令解释器的方法，包括：
由所述基于组合滑移的驾驶员命令解释器的处理器接收所述车辆的方向盘的方向盘角度、所述车辆的制动踏板的位置以及所述车辆的加速踏板的位置；以及
由所述处理器基于所述方向盘的所述角度、所述加速踏板的所述位置、所述制动踏板的所述位置、非线性组合侧向滑移模型和非线性组合纵向滑移模型来确定驾驶员的预期车辆侧向速度和驾驶员的预期车辆横摆率。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述车辆包括多个轮胎，所述方法进一步包括基于所述非线性组合侧向滑移模型和所述非线性组合纵向滑移模型来确定所述车辆的每个轮胎上的预期侧向力和所述车辆的每个轮胎上的预期纵向力。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述处理器利用所述非线性组合侧向滑移模型将所述方向盘的所述角度、所述加速踏板的所述位置和所述制动踏板的所述位置转换为每个轮胎上的所述预期侧向力。
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