CN109060382A - 一种车辆轮胎与地面附着状态检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种车辆轮胎与地面附着状态检测系统，适用于车轮系统处于转矩（电流）闭环控制的情形。利用车轮的驱动转矩和转速计算出轮轴驱动功率，并求出驱动功率的导数及导数的变化值，进一步基于该变化值来检测轮胎与地面附着状态。本发明只需要测量车轮的驱动转矩、车轮的转速即可判断轮胎‑地面附着状态，检测方法简单方便，且所需传感器少，实施成本低。

Description

一种车辆轮胎与地面附着状态检测系统和方法

技术领域

本发明涉及车辆主动安全控制技术领域，尤其是一种车辆轮胎与地面附着状态检测系统和方法。

背景技术

随着对汽车安全控制性能要求的提高，车辆防滑控制系统的研究受到了众多学者以及专家的关注。车辆防滑控制系统的核心在于调整路面对轮胎的切向作用力，而该作用力受到路面附着条件的制约，同时路面附着条件又受到滑移率的影响，只有滑移率处于稳定区才能最大限度利用路面的附着条件以避免打滑的发生。因此保证车辆轮胎在不同地面条件下处于稳定工作状态对车辆具有非常重要的意义。

传统的车辆轮胎与路面附着状态检测主要是基于当前滑移率的识别和最优滑移率的判断，国内外学者对这一块的研究大致分为两方面：一方面是通过各类速度传感器、力矩传感器等获取车辆底盘速度、车轮速度以及驱动转矩等，通过滑移率和附着系数的变化来检测轮胎与路面间附着状态。但这类研究需要较多高成本的传感器，且环境对其影响敏感，测量精度有限，限制了其在实际情况中的应用。另一方面是通过车辆运动方程测量其他物理量来间接估计车速，估计当前滑移率、判断当前轮胎和路面条件下的最优滑移率，进而判断车辆轮胎与地面附着状态，这种方法虽然避免了车速这个参数，但是难以满足观测鲁棒性的要求，实际应用效果不佳。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出一种车辆轮胎与地面附着状态检测系统和方法。解决目前检测存在操作成本高昂、最优滑移率不能实时判断等问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种车辆轮胎与地面附着状态检测系统，包括测量模块、信息处理模块和信息分析模块；所述测量模块、信息处理模块和信息分析模块依次连接；其中：

所述测量模块，用于测量车轮的驱动转矩T和车轮的转速ω；

所述信息处理模块，用于根据车轮的转矩、转速这些运动参数计算车轮的驱动功率P_in，并计算出车轮驱动功率导数的变化值

所述信息分析模块，用于根据车轮打滑机理-特征量变化关系和驱动功率导数的变化值来检测轮胎与地面附着状态。

所述测量模块包括转矩测量单元和转速测量单元；分别测量车轮的驱动转矩T和车轮的转速ω，并将采集到的数据传递给信息处理模块。

所述信息处理模块包括计算单元、数据存储单元和输出单元；所述计算单元用于计算车轮的驱动功率，进一步计算得到表征轮胎与地面附着状态的特征参数所述数据存储单元用于存储计算单元所得的结果；所述输出单元用于将上述处理结果输出给信息分析模块。

所述信息分析模块包括轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元和检测单元，所述轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元用于根据路面附着系数与滑移率的关系dμ/dλ来推导出作为表征轮胎与地面附着状态的特征量；所述检测单元基于系统当前计算的驱动功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态。

所述根据驱动功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态，包括：

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于临界稳定状态；

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态。

所述根据驱动功率导数的变化值检测在动态情形下的轮胎与地面附着状态，包括：

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点；

其中，是当前计算所得的驱动功率导数的变化值，是上次计算所得的驱动功率导数的变化值。

一种车辆轮胎与地面附着状态检测方法，具体步骤如下：

步骤S1：测量车轮的驱动转矩T和车轮的转速ω：车轮的驱动转矩T通过转矩测量单元直接测量，或者通过电机电流计算得到，在恒流状态下，车轮的驱动转矩T等于转矩常数和电机输入电流之积；车轮的转速ω通过转速测量单元测量得到；

步骤S2：估算车轮的驱动功率P_in：根据公式P_in＝T×ω来估算车轮的驱动功率P_in；

步骤S3：计算车轮驱动功率导数的变化值车轮驱动功率导数的变化值表示车轮驱动功率导数连续两次测量计算值的差值，其计算公式为其中，是当前计算所得的驱动功率的导数，是上次计算所得的驱动功率的导数；

步骤S4：根据驱动功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态，具体包括：

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于临界稳定状态；

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态。

在动态情况下：

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点；

其中，是当前计算所得的驱动功率导数的变化值，是上次计算所得的驱动功率导数的变化值。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性和技术进步：

1)本发明根据驱动功率P_in的导数变化值检测轮胎与地面附着状态，检测过程简单可靠，且具有开创性；

2)本发明只需要力矩传感器和转速传感器来测量车轮的驱动转矩和车轮的转速即可检测出车辆轮胎与地面附着状态，不需要测量车辆底盘速度、车辆电机的输出转矩和车轮的粘附力矩等，所需传感器少，实施成本低；

3)本发明不仅适用于转矩(电流)闭环控制的车辆轮胎与地面附着状态的检测，而且也适用于采用电机驱动的各种轮式机器人的轮胎与地面附着状态的检测，具有应用推广性。

附图说明

图1是本发明车辆轮胎与地面附着状态检测系统示意图。

图2是四分之一车辆模型。

图3是不同路面(干路面、湿路面和冰雪路面)下的附着系数-滑移率特性曲线。

图4是牵引打滑过程中某种路面下附着系数μ随滑移率λ变化关系图。

图5是一种车辆轮胎与地面附着状态检测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施进行详细说明。

如图1所示，一种车辆轮胎与地面附着状态检测系统，包括测量模块1、信息处理模块2和信息分析模块3；所述测量模块1、信息处理模块2和信息分析模块3依次连接；其中：

所述测量模块1，用于测量车轮的驱动转矩T和车轮的转速ω；

所述信息处理模块2，用于根据车轮的转矩、转速这些运动参数计算车轮的驱动功率P_in，并计算出车轮驱动功率导数的变化值

所述信息分析模块3，用于根据车轮打滑机理-特征量变化关系和驱动功率导数的变化值来检测轮胎与地面附着状态。

所述测量模块1包括转矩测量单元11和转速测量单元12；分别测量车轮的驱动转矩T和车轮的转速ω，并将采集到的数据传递给信息处理模块2。

所述信息处理模块2包括计算单元21、数据存储单元22和输出单元23；所述计算单元21用于计算车轮的驱动功率，进一步计算得到表征轮胎与地面附着状态的特征参数所述数据存储单元22用于存储计算单元21所得的结果；所述输出单元23用于将上述处理结果输出给信息分析模块3。

所述信息分析模块3包括轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元31和检测单元32，所述轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元31用于根据路面附着系数与滑移率的关系dμ/dλ来推导出作为表征轮胎与地面附着状态的特征量；所述检测单元32基于系统当前计算的驱动功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态。

以电动汽车为例，将详细说明轮胎与地面附着状态的检测系统的工作原理和过程。所述的四分之一车辆模型(quarter car model，QCM)如图2所示，四分之一车辆模型假定左右轮上的驱动力和附着力相等，可得到如下运动方程，即

F_d＝μ(λ)·F_z (2)

其中，T是车轮的驱动转矩，由电机产生并带动车轮旋转；J是车轮的等效旋转惯量；ω是车轮的转速；r是车轮的有效旋转半径；F_d是经轮胎-路面接触作用产生的摩擦力；μ是纵向附着系数；F_z是车轮法向载荷。

车辆前进的驱动力来自车轮和地面的摩擦力，动力系统给车轮的驱动力转化为车轮前进的驱动力和车轮与地面摩擦发热，因此车辆在牵引状态下车轮的转速总是高于车速。定义滑移率为：

式中，ε表示分母不为零的小常数。

由于牵引状态下车轮的转速总是高于车速，因此：

汽车的滑移率λ与轮胎-地面附着系数μ的特性曲线反映了车辆轮胎和地面的相互作用关系，通过滑移率λ和轮胎-地面附着系数μ的变化关系dμ/dλ可以判断车辆工作时的稳定性。通过大量的测试观察发现：不同路面(干路面、湿路面和冰雪路面)下的附着系数-滑移率特性曲线呈现出为如图3所示的非线性关系。开始阶段滑移率的增加可导致附着力增加(附着系数增加)，直到在操作点dμ/dλ＝0，附着系数达到最大值，其对应的滑移率称为最优滑移率λ_opt。进一步增加滑移率将造成附着系数的减小，将会引起车辆的不稳定加速导致车轮的严重滑转。车辆一旦进入不稳定状态，应立即减小电机驱动力。一旦当前滑移率超过最优滑移率，纵向附着力或横向附着力会立即减小，这种力的迅速丢失会造成车辆的严重失稳状况。我们将滑移率小于最优滑移率λ_opt的工作点区域称为稳定附着区，反之为不稳定打滑区。同时，附着系数随着路面附着性质不同而不同，当路面摩擦系数减小时，附着系数-滑移率的关系曲线向下平移。

汽车在牵引打滑过程中滑移率λ随时间t变化关系为：dλ/dt>0。定义附着系数变化率为g：

牵引打滑过程中某种路面下附着系数μ随滑移率λ变化关系图如图4所示。由图中可以看出，当dμ/dλ>0时，轮-地特性处于稳定区，根据公式可知，此时g>0；同理，当dμ/dλ<0时，轮-地特性处于非稳定打滑区，此时g<0。故可通过附着系数变化率g的变化等效dμ/dλ来检测车辆轮胎-地面附着状态。

由动力学知识可知，车轮的驱动功率P_in可写为：

结合式(6)，并对车轮的驱动功率P_in进行求导，可得：

电流(转矩)闭环控制时，转矩T基本保持恒定。用泰勒级数求得在t_k处的精确分解为：

其中，h＝t_k-t_k-1。若从以上解中取前两项之和来近似计算可得：

由式(6)和式(14)可知：当的值小于0时，则g>0，最终可以推出参数dμ/dλ>0，由此可知，车辆轮胎-地面附着状态为稳定附着状态；当的值等于0时，则g＝0，最终可以推出参数dμ/dλ＝0，由此可知，车辆轮胎-地面附着状态为临界稳定状态；的值大于0时，则g<0，最终可以推出参数dμ/dλ<0，由此可知，车辆轮胎-地面附着状态为非稳定打滑状态。因此，由以上推导可以得出，通过值是可以检测电动车辆轮胎-地面附着状态的。

在实际检测中，车辆电机传递到车轮的驱动功率的导数的检测是离散的，因此表示车轮的驱动功率的导数连续两次检测计算的差值，其计算公式为：实际应用中，电动车辆轮胎与地面附着状态检测方法的描述如下：

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点；

其中，是当前计算所得的驱动功率导数的变化值，是上次计算所得的驱动功率导数的变化值。

如图5所示，一种车辆轮胎与地面附着状态检测方法，具体步骤如下：

步骤S1：测量车轮的驱动转矩T和车轮的转速ω：车轮的驱动转矩T通过转矩测量单元(11)直接测量，或者通过电机电流计算得到，在恒流状态下，车轮的驱动转矩T等于转矩常数和电机输入电流之积；车轮的转速ω通过转速测量单元(12)测量得到；

步骤S2：估算车轮的驱动功率P_in：根据公式P_in＝T×ω来估算车轮的驱动功率P_in；

步骤S3：计算车轮驱动功率导数的变化值车轮驱动功率导数的变化值表示车轮驱动功率导数连续两次测量计算值的差值，其计算公式为其中，是当前计算所得的驱动功率的导数，是上次计算所得的驱动功率的导数；

步骤S4：根据驱动功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态，具体包括：

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于临界稳定状态；

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态。

在动态情况下：

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点。

本发明系统和方法可以通过车轮的驱动功率的导数变化值来检测电动车辆轮胎与地面附着状态，不需要知道车辆底盘速度、车辆电机的输出转矩和车轮的粘附力矩，只需要力矩传感器和转速传感器来测量车轮的驱动转矩和车轮的转速即可检测出车辆轮胎与地面附着状态，所需传感器少，实施成本低，且操作过程简单方便。

Claims (7)

1.一种车辆轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，包括测量模块(1)、信息处理模块(2)和信息分析模块(3)；所述测量模块(1)、信息处理模块(2)和信息分析模块(3)依次连接；其中：

所述测量模块(1)，用于测量车轮的驱动转矩T和车轮的转速ω；

所述信息处理模块(2)，用于根据车轮的转矩、转速这些运动参数计算车轮的驱动功率P_in，并计算出车轮驱动功率导数的变化值

所述信息分析模块(3)，用于根据车轮打滑机理-特征量变化关系和驱动功率导数的变化值来检测轮胎与地面附着状态。

2.根据权利要求1所述的车辆轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，所述测量模块(1)包括转矩测量单元(11)和转速测量单元(12)；分别测量车轮的驱动转矩T和车轮的转速ω，并将采集到的数据传递给信息处理模块(2)。

3.根据权利要求1所述的车辆轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，所述信息处理模块(2)包括计算单元(21)、数据存储单元(22)和输出单元(23)；所述计算单元(21)用于计算车轮的驱动功率，进一步计算得到表征轮胎与地面附着状态的特征参数所述数据存储单元(22)用于存储计算单元(21)所得的结果；所述输出单元(23)用于将上述处理结果输出给信息分析模块(3)。

4.根据权利要求1所述的车辆轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，所述信息分析模块(3)包括轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元(31)和检测单元(32)，所述轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元(31)用于根据路面附着系数与滑移率的关系dμ/dλ来推导出作为表征轮胎与地面附着状态的特征量；所述检测单元(32)基于系统当前计算的驱动功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态。

5.根据权利要求4所述的车辆轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，所述根据驱动功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态，包括：

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于临界稳定状态；

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态。

6.根据权利要求4所述的车辆轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，所述根据驱动功率导数的变化值检测在动态情形下的轮胎与地面附着状态，包括：

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点；

其中，是当前计算所得的驱动功率导数的变化值，是上次计算所得的驱动功率导数的变化值。

7.一种车辆轮胎与地面附着状态检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S1：测量车轮的驱动转矩T和车轮的转速ω：车轮的驱动转矩T通过转矩测量单元(11)直接测量，或者通过电机电流计算得到，在恒流状态下，车轮的驱动转矩T等于转矩常数和电机输入电流之积；车轮的转速ω通过转速测量单元(12)测量得到；

步骤S2：估算车轮的驱动功率P_in：根据公式P_in＝T×ω来估算车轮的驱动功率P_in；

步骤S3：计算车轮驱动功率导数的变化值车轮驱动功率导数的变化值表示车轮驱动功率导数连续两次测量计算值的差值，其计算公式为其中，是当前计算所得的驱动功率的导数，是上次计算所得的驱动功率的导数；

步骤S4：根据驱动功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态，具体包括：

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于临界稳定状态；

当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；

在动态情况下：

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点；

其中，是当前计算所得的驱动功率导数的变化值，是上次计算所得的驱动功率导数的变化值。