CN110382326B - 高速正常行驶状况下的轮胎路面摩擦系数估算方法和轮胎路面摩擦系数估算装置 - Google Patents

高速正常行驶状况下的轮胎路面摩擦系数估算方法和轮胎路面摩擦系数估算装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及车辆高速正常行驶的状况下可以估算路面摩擦系数的摩擦系数估算方法和摩擦系数估算装置，包括：从车辆上安装的传感器和设定的车辆数据获取包括发动机状态信息、变速器状态信息以及底盘状态信息中至少一个的车辆状态信息的步骤；利用所述获取的车辆状态信息估算装配在所述车辆各轮子上的轮胎的纵向滑动率、垂直力以及纵向力的步骤；利用所述估算的纵向滑动率、垂直力和纵向力估算所述轮胎的路面摩擦系数的步骤。

Description

高速正常行驶状况下的轮胎路面摩擦系数估算方法和轮胎路 面摩擦系数估算装置
技术领域
本发明涉及车辆的轮胎路面摩擦系数估算方法和估算装置，具体是，在制动压力或转向最小化状态的高速正常行驶状况下，也可以利用纵向推进力估算摩擦系数的轮胎路面摩擦系数估算方法及估算装置。
背景技术
目前开发出很多种车辆行驶当中可以提升稳定性或者制动或突然加速问题时可以防滑的驾驶员辅助系统，进而开发出车辆可以自动行驶的无人驾驶技术。
如上所述的技术中有关行驶中车辆摩擦系数的信息是为稳定保持车辆姿势所需的重要信息之一。
例如，被雨或雾湿的路面或积雪状态的路面与轮胎间摩擦力变小，摩擦力变小后，比干燥状态的路面滑而轮胎和路面之间发生打滑的现象。相反干燥状态的路面和轮胎之间的摩擦力变大，打滑的现象发生得少。
通常轮胎路面摩擦系数是车辆打滑或紧急刹车等危险状况下决定车辆限界的重要值。因此近来根据车辆的各种状态信息估算轮胎和路面之间摩擦系数后在驾驶员辅助系统或无人驾驶技术中应用的研究也广泛得以开展。
但现有的轮胎路面摩擦系数估算技术是摩擦系数的估算需求一定量以上的纵向轮胎滑动率以及横向滑动角，为此需求正常行驶时使用的水平以上的制动压力或转向。
因此现有的问题在于，实际车辆打滑或紧急刹车等进入急剧控制的时点才会估算摩擦系数。
例如，韩国注册专利公报第10-1540902号公开的摩擦系数估算方法是，只有在车辆刹车被压的状态下才能估算摩擦系数。
但尤其无人驾驶系统等环境下为了确保安全性，需在车辆处于危险之间掌握轮胎路面摩擦系数，在此基础上迅速应对危险状况。
上述的背景技术是发明人为了得出本发明而已经拥有或者研究本发明的过程中掌握的技术信息，并非是申请本发明之前已对普通公众公开的公知技术。
发明内容
技术问题
为了克服如上所述的先行技术上存在的技术极限，本发明提供一种在制动压力或转向最小化的状态即高速正常行驶状况下也可以利用随着行驶负荷的增加需求的纵向推进力估算摩擦系数的轮胎路面摩擦系数估算方法及估算装置。
本发明的目的在于提供一种高速正常行驶状况下利用基于各轮子的滑动率、垂直力及纵向力信息的现有MAP数据估算当前的摩擦系数而提升可靠性的轮胎路面摩擦系数估算方法及估算装置。
技术方案
作为解决上述技术问题的技术方案，本发明一实施例的轮胎路面摩擦系数估算方法是作为车辆高速正常行驶的状况下估算装配于车轮上的轮胎路面摩擦系数的方法，包括：从车辆上安装的传感器和设定的车辆数据获取包括发动机状态信息、变速器状态信息以及底盘状态信息中至少一个的车辆状态信息的步骤；利用所述获取的车辆状态信息估算装配在所述车辆各轮子上的轮胎的纵向滑动率、垂直力以及纵向力的步骤；利用所述估算的纵向滑动率、垂直力和纵向力估算所述轮胎的路面摩擦系数的步骤。
在此，所述估算摩擦系数的步骤是，将所述纵向力估算值、所述垂直力估算值和所述滑动率估算值累积成MAP数据形态以后，基于累积的数据估算当前的摩擦系数。
具体是，所述估算摩擦系数的步骤包括：将所述纵向力估算值用所述垂直力估算值除以并得出各轮子的所述标准化的纵向力以后，与所述滑动率估算值和所述摩擦系数估算值一起累积到MAP数据的MAP数据累积步骤；将在所述滑动率估算步骤当前估算的滑动率和所述累积于MAP数据的所述滑动率累积值比较的MAP数据比较步骤；以及基于与所述MAP数据比较步骤中比较的所述滑动率累积值对应的所述标准化的纵向力的累积值估算当前摩擦系数的步骤。
本发明又另一实施例的轮胎路面摩擦系数估算装置包括：信息提供部，其通过车辆上安装的传感器和已设定的车辆数据获取车辆的发动机状态信息、变速器状态信息或底盘状态信息加以提供；车辆速度估算部，其基于由所述信息提供部提供的车辆状态信息估算车辆的纵向速度和横向速度；质量/倾斜估算部，其基于由所述信息提供部提供的车辆状态信息估算车辆的质量和道路倾斜；滑动率估算部，其基于由所述信息提供部提供的车辆状态信息和所述车辆速度估算部估算的车辆纵向速度估算值和横向速度估算值估算各轮子的滑动率；垂直力估算部，其基于由所述信息提供部提供的车辆状态信息和由所述质量/倾斜估算部估算的车辆质量估算值以及道路倾斜估算值估算作用于各轮子的垂直力；纵向力估算部，其基于由所述信息提供部提供的各轮子的旋转角速度、制动压力、根据发动机转矩的推进转矩估算各轮子的纵向力；摩擦系数估算部，其基于由所述纵向力估算部估算的各轮子的纵向力估算值和由所述垂直力估算部估算的各轮子的垂直力估算值以及由所述滑动率估算部估算的各轮子的滑动率估算值估算轮胎路面摩擦系数。
有益效果
根据本发明的技术方案，本发明的轮胎路面摩擦系数估算方法和估算装置的有益效果在于，利用高速行驶环境下发生的纵向推进力估算摩擦系数而制动或转向等追加压力最小化或不存在的状态下也可以估算轮胎路面摩擦系数，将本发明应用到驾驶员辅助系统或无人驾驶系统等时，可以比现有技术更快应对而确保行驶安全；
尤其，本发明是基于根据车辆的传感器值或数据的状态信息估算的各轮子的滑动率、垂直力及纵向力信息构建MAP数据，并估算当前摩擦系数信息而可预期其可靠性和准确性；
本发明的有益效果并不限于以上叙述的效果，本发明所属领域的普通技术人员可从下述内容中充分了解到未涉及的其它效果。
附图说明
图1是显示本发明的轮胎路面摩擦系数估算装置的结构的框图；
图2是显示车轮结构的结构图；
图3是显示与本发明累积于MAP数据的滑动率和纵向力及摩擦系数之间的关系的图表；
图4是显示本发明的轮胎路面摩擦系数估算方法的框图；
图5是显示图4中图示的摩擦系数估算步骤的框图；
图6是显示图4中图示的质量/倾斜估算步骤的框图；
图7是显示图4中图示的滑动率估算步骤的框图；
图8是显示图4中图示的垂直力估算步骤的框图；
图9是显示图4中图示的纵向力估算步骤的框图；
图10是显示图1中图示的车辆速度估算部的结构的框图；
图11是显示各轮子的结构的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本发明的实施例，以便本发明所属领域的普通技术人员容易实施。以下说明的实施例是也可以用其它不同形态实现，但并不限于所述的实施例。为了更加明确说明，图中省略与实施例说明无关的部分，对说明书中有连贯性的部分使用了类似的图号。
说明书中描述某个部分“连接”于其它部分时，不仅包括“直接连接”的状态，还包括其中间隔着其它元件“用电连接”的状态。描述某个部分“包括”某个构成要素时，在没有特别相反的描述的条件下，并不是表示排除其它构成要素，而是还包括其它构成要素。
下面结合附图详述本发明。
本发明一实施例的轮胎路面摩擦系数估算方法是利用车辆高速正常行驶的状况下所需的纵向推进力，具体是，将高速行驶时各轮子的滑动率、垂直力、纵向力信息累积到MAP数据，用来估算当前轮胎路面摩擦系数的技术。
为此，本发明如图1所示，可以利用包括信息提供部100、车辆速度估算部200、质量/倾斜估算部300、滑动率估算部400、垂直力估算部500、纵向力估算部600、摩擦系数估算部700和MAP数据部800的摩擦系数估算装置执行摩擦系数的估算方法。
具体是，摩擦系数估算方法如图4所示，可以包括信息收集步骤S100、纵向滑动率垂直力和纵向力估算步骤S2摩擦系数估算步骤S700，S2步骤包括速度估算步骤S200、质量/倾斜估算步骤S300、滑动率估算步骤S400、垂直力估算步骤S500和纵向力估算步骤S600。
所述信息提供部100是提供车辆状态信息的构成要素，例如，以连接于车辆ECU或装载的状态提供车辆发动机状态信息、变速器状态信息、底盘信息，具体是，通过已安装在车辆的各种传感器和已在车辆上设置的车辆数据提供车辆的状态信息S100。
例如，信息提供部100提供各轮子的旋转速度、车辆的横摆角速度、车辆的纵横向加速度信息、车辆的转向角、刹车压力、发动机转矩、车轮半径、发动机旋转角速度等车辆的状态信息。
所述车辆速度估算部200是基于由上述信息提供部100提供的车辆状态信息，将车辆的纵向速度和横向速度估算后提供的构成要素。
在此，车辆的速度信息是可以直接使用车辆本身提供的车辆速度值，但本发明是为了基于车辆速度值计算车辆的各轮滑动率而需要准确的车辆速度值。因此通过车辆速度估算部200直接估算该值。
此时，根据图11，车辆速度估算部200是根据信息提供部100提供的由车辆质量中心至前轮、后轮的距离lf，lr、车宽tw、各车轮半径ri、各轮子的旋转角速度ωi、车辆转向角δ、横摆角速度γ、车辆的纵横向加速度ax，ay信息估算车辆的纵横向速度S200。
具体是，车辆速度估算部200如图10所示，可以由纵向速度估算部210和横向速度估算部220组成，通过上述信息提供部100提供的状态信息分别估算纵向速度和横向速度。
在此，图10中图示的参数分别表示的是，ax：车辆的纵向加速度，γ；车辆的横摆角速度，ωi：第i个轮子的旋转角速度，
Figure BDA0002138475900000061
估算的车辆纵向速度，ay：车辆的横向加速度，δ：驾驶员的转向角，
Figure BDA0002138475900000062
估算的车辆横向速度，
Figure BDA0002138475900000063
估算的车辆横摆角速度。
在此，车辆纵向速度(Vx)可以用如下[数学公式1]表达。
[数学公式1]
Figure BDA0002138475900000064
利用各轮子的旋转角速度和车辆的横摆角速度可以用如下[数学公式2]表达车速。
[数学公式2]
Figure BDA0002138475900000065
Figure BDA0002138475900000066
在此，Vx，i：利用第i个轮子的旋转角速度测定值计算的车辆纵向速度，ri，eff：第i个轮子的有效半径，ωi：第i个轮子的旋转角速度，δi：第i个轮子的转向角，δ:驾驶员的转向角，tw：车宽(车辆宽度)，γ：车辆横摆角速度，D.I.:方向指标。
利用上述的[数学公式2]，纵向速度估算部210可以利用如下的[数学公式3]设计。
[数学公式3]
Figure BDA0002138475900000067
在此，
Figure BDA0002138475900000068
估算的车辆纵向速度，ax：车辆的纵向加速度，ωi：第i个轮子的旋转角速度，
Figure BDA0002138475900000069
根据车辆的加速度、各车轮的旋转角速度、估算的车辆纵向速度决定的估算常数(为了各车轮的滑动率小时值变大，预先设定)，Vx，i：利用第i个轮子的旋转角速度计算的车辆纵向速度。
车辆的横向速度是可以用如下的[数学公式4]表达。
[数学公式4]
Figure BDA0002138475900000071
Figure BDA0002138475900000072
Figure BDA0002138475900000073
在此，Vy：车辆的横向速度，Vx：车辆的纵向速度，γ：车辆横摆角速度，ay：车辆的横向加速度，J：车辆的横摆-方向(旋转)惯性力矩，Fx，i:第i个轮子的纵向轮胎力，Fy，i:第i个轮子的横向轮胎力，δi：第i个轮子的转向角，δ：驾驶员的转向角。
基于如上所述的[数学公式4]，横向速度估算部220可以基于[数学公式5]设计。
[数学公式5]
Figure BDA0002138475900000074
Figure BDA0002138475900000075
Figure BDA0002138475900000076
在此，Vy：车辆的横向速度，
Figure BDA0002138475900000077
估算的车辆横向速度，Vx：车辆纵向速度，γ：车辆横摆角速度，
Figure BDA0002138475900000078
估算的车辆横摆角速度，ay：车辆的横向加速度，m：车辆的质量，J：车辆的横摆-方向(旋转)惯性力矩，
Figure BDA0002138475900000079
估算的第i个轮子的纵向轮胎力，
Figure BDA00021384759000000710
估算的第i个轮子的横向轮胎力，Fx，i：第i个轮子的纵向轮胎力，Fy，i第i个轮子的横向轮胎力，δi第i个轮子的转向角，D.I.：方向指标，δ：驾驶员的转向角。
本发明中，是车辆正常行驶的状况下估算路面摩擦，因此可以假设为各轮子的滑动少的状况，因此由车辆速度估算部200中各轮子的纵/横向轮胎力可以假设为与纵向滑动率和横向滑动角成比的线性模型，如以下[数学公式6]所示。
[数学公式6]
Figure BDA0002138475900000081
Figure BDA0002138475900000082
在此，
Figure BDA0002138475900000083
估算的第i个轮胎纵向力，Cx，i：第i个轮胎的纵向轮胎纵向轮胎刚性比(纵向力和纵向滑动率之间的倾斜度)，
Figure BDA0002138475900000084
第i个轮胎的纵向滑动率，
Figure BDA0002138475900000085
估算的第i个轮胎横向力，Cx，i：第i个轮胎的横向轮胎刚性比(横向力和横向滑动角之间的倾斜度)，
Figure BDA0002138475900000086
第i个轮胎的横向滑动角。
在上述式中估算的第i轮胎的纵向滑动率如以下[数学公式7]。
[数学公式7]
Figure BDA0002138475900000087
在此，
Figure BDA0002138475900000088
估算的第i个轮子的纵向滑动率，ωi：第i个轮子的旋转角速度，ri，eff：第i个轮子的有效半径(因施加到各车轮的纵向力而被瘪状态下车轮的中心轴和路面之间的距离)，Vi：第i个轮子中心的移动速度，αi：第i个轮子的横向滑动角。
上述式中估算的第i个轮子的横向滑动角如以下[数学公式8]。
[数学公式8]
Figure BDA0002138475900000089
Figure BDA00021384759000000810
在此，
Figure BDA00021384759000000811
估算的第i个轮子的横向滑动角，δi：第i个轮子的转向角，
Figure BDA00021384759000000812
估算的第i个轮子的中心向车辆横向移动速度，
Figure BDA00021384759000000813
估算的第i个轮子的中心向车辆纵向移动的速度。
如上所述，为了估算速度而使用的估算值是使用刚刚之前时间计算的估算值，车辆速度估算部200中估算的值中除纵向速度和横向速度以外的值是仅在车辆速度估算部200中使用的值，此外通过后述的构成要素使用新估算的值。
尤其，轮胎力和纵向滑动率、横向滑动率是可以代替使用由纵向力估算部600和滑动率估算部400过去时间计算的估算值。
所述质量/倾斜估算部300是基于由信息提供部提供的车辆状态信息估算车辆的质量和道路倾斜的构成要素。
普通的驾驶员辅助系统和无人驾驶等系统中将车辆的质量假设为常数，道路倾斜也是通常假设为平地，但车辆的质量重要的商用车或道路倾斜信息重要的系统中重要的是实时估算这些值，因此开展各种研究。本发明中为了估算轮胎路面摩擦系数而使用的轮胎纵向力和垂直力也是受到车辆质量和道路倾斜影响的值，因此通过估算质量/倾斜估算部300估算车辆的质量和道路的倾斜S300。
具体是，估算车辆的质量和道路倾斜时，如图6所示，可以包括阻力运算步骤S310、线性变换步骤S320和质量/倾斜运算步骤S330执行。
阻力运算步骤S310是分别求出随着车辆的移动因空气阻力而发生的力量和因道路倾斜而在车辆上发生的纵向力的步骤。
在此，普通行驶状况下假设车轮的滑动率小时，车辆的纵向动力学方程式为如下所述的[数学公式9]。
[数学公式9]
Figure BDA0002138475900000091
在此，m：车辆的质量，Vx：车辆的纵向速度，τe:(飞轮中的)发动机转矩，Je动力系统的惯性质量，ω：发动机的旋转角速度，rg：用齿轮比除以的车轮半径，
Figure BDA0002138475900000092
rw：车轮的半径，gr：发动机输出端和车辆车轮之间的齿轮比(发动机的旋转角速度和车轮的旋转角速度之间的比率)，Ffb:因刹车压力发生的车辆纵向制动力，Faero:随着车辆移动因空气阻力而发生的阻力，Fgrade：因道路倾斜而车辆上发生的纵向力。
在此，阻力运算步骤中(S310)通过以下[数学公式10]求出随着车辆的移动因空气阻力而发生的阻力(Faero)和，因道路倾斜而车辆上发生的纵向力(Fgrade)。
[数学公式10]
Figure BDA0002138475900000101
Fgrade＝mg(μcosθ+sinθ)
在此，Cd：因流体而发生的阻力的阻力系数，ρ：空气密度，A：因车辆和空气之间的相对运动而受到阻力的实际有效剖面面积，Vx：车辆的纵向速度，m：车辆的质量，g：重力加速度，μ：轮胎-路面磨擦系数，θ：道路倾斜。
线性变换步骤S320是将通过上述[数学公式10]的车辆质量和道路的倾斜变换成线性形态的步骤，具体是，代入以下[数学公式11]，对所述车辆的质量和所述道路的倾斜部分进行分离的同时变换成以下[数学公式12]和线性形态。
[数学公式11]
Figure BDA0002138475900000102
[数学公式12]
Figure BDA0002138475900000103
在此，Vx：车辆的纵向速度，τe：(飞轮中的)发动机转矩，Je：动力系统的惯性质量，ω：发动机的旋转角速度，rg：用齿轮比除以的车轮半径
Figure BDA0002138475900000104
rw：车轮的半径，gr：发动机输出端和车轮之间的齿轮比(发动机的旋转角速度和车轮的旋转角速度之间比率)，Ffb：因制动压力而发生的车辆纵向制动力，Faero：因随着车辆移动发生的空气阻力而发生的阻力，g：重力加速度，μ：轮胎-路面摩擦系数，θ：道路倾斜，θμ：为了式的简化而将摩擦系数以道路倾斜的形态表达的倾斜值，m：车辆质量。
质量/倾斜运算步骤S330是基于线性变换步骤中变换的线性形态的式估算下述车辆质量和道路倾斜的步骤，使用循环最小二乘法求出使下述[数学公式13]的函数最小化的所述车辆的质量和所述道路的倾斜。
[数学公式13]
Figure BDA0002138475900000111
在此，
Figure BDA0002138475900000112
循环最小二乘法的目标函数，
Figure BDA0002138475900000113
估算的s值(数学公式12中定义)，n：循环最小二乘法中使用的数据数量，y(i)：计算的纵向速度中用于循环最小二乘法的第i个数据，φ(i)：φ(数学公式12中定义)中用于循环最小二乘法的第i个数据。
所述滑动率估算部400是基于由信息提供部100提供的车辆状态信息和上述的车辆速度估算部中估算的车辆的所述纵向速度估算值和所述横向速度估算值来估算各轮子滑动率的构成要素。
具体是，估算滑动率的步骤S400是如图7所示，可以包括轮子速度运算步骤S410、滑动角运算步骤S420和滑动率运算步骤S430执行。
在此，各轮子的滑动率受到当前车辆的行驶速度、各轮子的旋转角速度、转向角等影响。
轮子速度运算步骤S410是基于由信息提供部100提供的车辆状态信息和由所述速度估算步骤S200估算的纵向速度以及横向速度求出各轮子中心的纵横向速度的步骤，通过以下[数学公式14]分别求出各轮子中心的纵横向速度。
[数学公式14]
Figure BDA0002138475900000114
Vy，F*＝Vy+lfγ，Vx，R*＝Vy-lrγ
在此，Vx，i，Vy，i：各轮子中心的纵横向速度，Vx，Vy：车辆的速度，γ：车辆的横摆角速度，lf，lr：从车辆的质量中心至前轮和后轮的距离，tw：车宽。
滑动角运算步骤S420是求出各轮子横向滑动角的步骤，通过以下[数学公式15]求出前轮各轮子的滑动角和后轮各轮子的滑动率。
[数学公式15]
Figure BDA0002138475900000115
Figure BDA0002138475900000116
在此，αF*：车辆前轮各轮子的横向滑动角(轮子看的方向和实际轮子移动的方向之间的角度)，αR*：车辆后轮各轮子的横向滑动角(轮子看的方向和实际轮子移动的方向之间的角度)，δ：因驾驶员转向而发生的轮子转向角，Vx，*L：车辆的左侧轮子中心向车辆的纵向移动的速度，Vx，*R：车辆的右侧轮子的中心向车辆的纵向移动的速度，Vy，F*：车辆的前轮各轮子的中心向车辆横向移动的速度，Vx，R*：车辆的后轮各轮子的中心向车辆的横向移动的速度。
滑动率运算步骤S430是将各轮子的滑动率运算并加以估算的步骤，对各轮子的速力
Figure BDA0002138475900000121
各轮子的有效半径reff，通过以下[数学公式16]运算各轮子的滑动率。
[数学公式16]
Figure BDA0002138475900000122
在此，根据图2，λi：第i个轮子的纵向滑动率，ωi：第i个轮子的旋转角速度，ri，eff：第i个轮子的有效半径(因施加于各轮子的纵向力而被瘪的状态下轮子的中心轴和道路面之间的距离)，Vi：第i个轮子中心的移动速度，αi：第i个轮子的横向滑动角。
所述垂直力估算部500是估算作用于各轮子的垂直力的构成要素，基于车辆的状态信息和由上述的质量/倾斜估算部300估算的车辆的质量估算值以及道路倾斜估算值来估算垂直力。
具体是，垂直力估算步骤S500如图8所示，可以包括负荷转移运算步骤S510和垂直力运算步骤S520执行。
负荷转移运算步骤S510是基于上述的车辆质量和道路的倾斜求出各轮子纵向负荷转移和横向负荷转移的步骤，通过以下[数学公式17]分别求出纵横向负荷转移。
[数学公式17]
Figure BDA0002138475900000131
Figure BDA0002138475900000132
Figure BDA0002138475900000133
在此，WFA：纵向负荷转移，WLTF，WLTR：前/后轮的横向负荷转移，ax，ay：车辆的当前横向加速度，ms，mu：以车辆悬架为准的簧上质量和下质量，hr：从地面到车辆侧倾旋转中心的距离，hu：从地面到簧下质量的质量中心的距离，es：从侧倾旋转中心到簧上质量的质量中心的距离，lf，lr：从车辆质量中心到前轮/后轮的距离，tw：车宽。
垂直力运算步骤S520是对通过上述的负荷转移运算步骤S510运算的纵向负荷转移和横向负荷转移运算作用于各轮子的垂直力的步骤，通过以下[数学公式18]运算负荷转移的垂直力。
[数学公式18]
Figure BDA0002138475900000134
Figure BDA0002138475900000135
Figure BDA0002138475900000136
Figure BDA0002138475900000137
Figure BDA0002138475900000138
在此
Figure BDA0002138475900000139
估算的各轮子的垂直力(FL-前轮左侧，FR-前轮右侧，RL-后轮左侧，RR-后轮右侧)，FSWT：正常状态下施加于车辆前轮的垂直力，FSWR：正常状态下施加于车辆后轮的垂直力，WFA：纵向负荷转移，WLTF，WLTR：前/后轮的横向负荷转移。
所述纵向力估算部600是估算各轮子的纵向力的构成要素，基于各轮子的旋转角速度、制动压力、发动机转矩的推进转矩估算纵向力。
具体是，纵向力估算步骤S600如图9所示，可以包括旋转角速度估算步骤S610、能量函数运算步骤S620和纵向力运算步骤S630执行。
旋转角速度估算步骤S610是基于车辆的状态信息估算各轮子的旋转角速度的步骤，通过以下[数学公式19]求旋转角速度。
[数学公式19]
Figure BDA0002138475900000141
在此，
Figure BDA0002138475900000142
估算的各轮子的旋转角速度，Iω，i：各轮胎的旋转惯性，rω，i：各轮胎的有效半径，Fx，i：各轮胎的纵向力，Tb，i：各轮子的制动压力，Ts：施加于各轮子的推进转矩，Frr：滚动阻力。
能量函数运算步骤(S620)是运算用于估算纵向力的能量函数的步骤，将各轮子的旋转角速度的估算误差的能量函数定义为
Figure BDA0002138475900000143
将此如下所示的[数学公式20]微分分析而运算出能量函数。
[数学公式20]
Figure BDA0002138475900000144
在此，V：对估算误差的能量函数，ωi：各轮子的旋转角速度，
Figure BDA0002138475900000145
估算的各轮子的旋转角速度，rω，i：各轮胎的有效半径，
Figure BDA0002138475900000146
估算的各轮胎的纵向力，Tb，i：各轮子的制动压力，Ts：施加于各轮子的推进转矩，Frr：滚动阻力，iω，i：各轮胎的旋转惯性。
纵向力运算步骤S630是给上述的[数学公式20]赋予使估算误差成为0的条件的同时估算各轮子的纵向力的步骤，作为使旋转角速度的估算误差成为0的条件，将
Figure BDA0002138475900000148
作为假设赋予，进而通过以下的[数学公式21]运算出各轮子的纵向力估算值。
[数学公式21]
Figure BDA0002138475900000147
在此，
Figure BDA0002138475900000151
估算的各轮胎的纵向力，rω，i：各轮胎的有效半径，Iω，i各轮胎的旋转惯性，ωi：各轮子的旋转角速度，η：使估算误差的能量函数成为0的能量函数变化量系数(设定成常数)，
Figure BDA0002138475900000152
估算的各轮子的旋转角速度，Tb，i：各轮子的制动压力，Ts：施加于各轮子的推进转矩，Trr：滚动阻力。
所述摩擦系数估算部700是基于上述的各轮子滑动率估算值和，垂直力估算值以及纵向力估算值来估算轮胎和路面之间摩擦系数的构成要素。
MAP数据部800是将现测定的数据累积成MAP形态的构成要素。
轮胎上发生的纵向力是随着轮胎和路面之间的摩擦系数、滑动率、垂直力等各种因素发生变化。因此开发出将此定量表达的各种模型，例如brush tire model等。本发明是使用将轮胎纵向力用垂直力除以的标准形态的力来简单地表达这些纵向力和摩擦系数、滑动率、垂直力之间的关系。其表达如下。
Figure BDA0002138475900000153
在此，Fx，i，n：第i个轮子的标准化纵向力，Fx，i：第i个轮子的纵向力，Fz，i：第i个轮子的垂直力。
如上所述的标准化纵向力是随着摩擦系数和滑动率发生变化，将现测定的数据累积成MAP形态时，可以直接得知与其相应的值。
本发明中将这些摩擦系数、滑动率、标准化的轮胎纵向力之间的关系如图3所示，以Map形态的数据累积到MAP数据部800，所述MAP数据部包括从摩擦系数高的环境到摩擦系数低的低摩擦环境为止比较典型的几种状况下随滑动率的标准化纵向力的值的累积。
此时，车辆行驶中可以实时得知各轮子的滑动率和纵向力、垂直力，则可以基于MAP数据部800的MAP信息得出轮胎路面摩擦系数值。
在此，图3中图示的参数是，
Figure BDA0002138475900000154
当前估算的各轮子的滑动率，
Figure BDA0002138475900000155
纵向力，
Figure BDA0002138475900000156
垂直力，
Figure BDA0002138475900000157
滑动率，
Figure BDA0002138475900000158
对摩擦系数μ＝μj的标准化纵向力，MAP数据部800累积着μ＝μ1，μ2，μ3，μ4的map。
根据图3，如图所示，可以获得当前估算的滑动率
Figure BDA0002138475900000162
的map数据中包含的各摩擦系数的标准化纵向力的值，将此与当前估算的
Figure BDA0002138475900000163
比较，并利用线性插值法或外推法可以如下所示估算出当前的摩擦系数。
该算法的表达如下。
Figure BDA0002138475900000161
就是说，摩擦系数估算步骤S700是如图5所示，可以包括MAP数据累积步骤S710、MAP数据比较步骤S720和估算当前摩擦系数的步骤S730执行。
MAP数据累积步骤S710步骤是如上所述，将纵向力估算值用垂直力估算值除以而得出各轮子的所述标准化的纵向力，与滑动率估算值和摩擦系数估算值一起累积到MAP数据部800。
MAP数据比较步骤S720中与根据上述的滑动率估算部400估算的当前滑动率和累积到MAP数据部800的滑动率的累积值进行比较。
MAP数据比较步骤S720是如上所述，将累积于MAP数据部800的标准化纵向力值和将当前估算的纵向力估算值用垂直力估算值除以估算的标准化纵向力值进行比较。
当前的摩擦系数估算步骤S730中基于与当前滑动率比较的滑动率的累积值估算当前的摩擦系数，将估算的摩擦系数累积到MAP数据部800。
另外，滑动率小的区域中的纵向力不大，因此以此为基础估算摩擦系数是有限的。只有滑动率超过阈值以上时，才可以信赖估算的摩擦系数。而且由于传感器误差、MAP数据和实际之间的误差等因素，将实时估算的摩擦系数值直接使用是有限的。因此优选的是，从最近估算的多个摩擦系数中当前的滑动率大小比起已设定的阈值λth更大的状况相应的值累积N个后，将该平均作为估算值使用。可以用以下算法表达。
Figure BDA0002138475900000171
如上所述，根据本发明的轮胎路面摩擦系数估算方法和估算装置，利用高速行驶环境下发生的纵向推进力估算摩擦系数，因此在制动或转向等的追加压力最小化或不存在的状态下可以估算轮胎路面摩擦系数，尤其基于根据车辆的传感器值或数据的状态信息估算的各轮子的滑动率、垂直力和纵向力信息构建MAP数据，进而估算当前的摩擦系数信息，因此可以预期可靠性和准确性。
关于本发明实施例中使用的“～部”的用语，多个构成要素和多个“～部”中提供的功能是，可与更少数的构成要素和多个“～部”结合，或者与追加的多个构成要素和“～部”分离。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所述的技术方案进行变形，而这些变形，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例所述技术方案的范围。例如，描述单一型的各个构件可以分散实施，同样描述为分散的构件也可以以结合形态实现。
本发明的保护范围应根据下述的权利要求范围进行解释，而且在其同等范围内的任何变更或变形形态等应都属于本发明的权利要求范围。

Claims (8)

1.一种轮胎路面摩擦系数估算方法，其特征在于，
作为车辆高速正常行驶的状况下估算装配于车轮上的轮胎路面摩擦系数的方法，包括：从车辆上安装的传感器和设定的车辆数据获取包括发动机状态信息、变速器状态信息以及底盘状态信息中至少一个的车辆状态信息的步骤；
利用获取的所述车辆状态信息估算装配在所述车辆各轮子上的轮胎的纵向滑动率、垂直力以及纵向力的步骤；
利用估算的所述纵向滑动率、垂直力和纵向力估算所述轮胎的路面摩擦系数的步骤；其中，
估算摩擦系数的步骤是，将纵向力估算值、垂直力估算值和纵向滑动率估算值累积成MAP数据形态以后，基于累积的数据估算当前的摩擦系数；
估算摩擦系数的步骤包括：将所述纵向力估算值用所述垂直力估算值除以并得出各轮子的标准化的纵向力以后，与所述纵向滑动率估算值和摩擦系数估算值一起累积到MAP数据的MAP数据累积步骤；将在纵向滑动率估算步骤当前估算的纵向滑动率和累积于MAP数据的纵向滑动率累积值比较的MAP数据比较步骤；以及基于与所述MAP数据比较步骤中比较的所述纵向滑动率累积值对应的所述标准化的纵向力的累积值估算当前摩擦系数的步骤；
所述MAP数据累积步骤是，只有所述纵向滑动率估算值在设定值以上时累积MAP数据，估算当前摩擦系数的步骤是，用当前摩擦系数估算与所述设定值以上的所述纵向滑动率估算值对应的摩擦系数累积值的平均。
2.根据权利要求1所述的轮胎路面摩擦系数估算方法，其特征在于
估算当前摩擦系数的步骤是，将所述标准化的纵向力的累积值与纵向力估算步骤中当前估算的纵向力比较同时利用线性插值法或外推法。
3.根据权利要求1所述的轮胎路面摩擦系数估算方法，其特征在于，
估算纵向滑动率、垂直力和纵向力的步骤包括：基于所述车辆的状态信息估算车辆的纵向速度和横向速度的估算步骤；
基于所述车辆的状态信息估算车辆的质量和道路倾斜的质量/倾斜估算步骤；
基于所述车辆的状态信息和所述车辆的纵向速度以及所述车辆的横向速度估算各轮子的纵向滑动率的纵向滑动率估算步骤；
基于所述车辆的状态信息和所述车辆的质量估算值以及所述道路的倾斜估算值估算作用于各轮子的垂直力的垂直力估算步骤；
以及基于所述车辆的状态信息估算各轮子的纵向力的纵向力估算步骤。
4.根据权利要求3所述的轮胎路面摩擦系数估算方法，其特征在于，
所述质量/倾斜估算步骤包括：分别求出随着车辆的移动因空气阻力而发生的力和因道路倾斜而车辆上发生的纵向力的阻力运算步骤；
利用因所述空气阻力而发生的力和所述道路倾斜而车辆上发生的纵向力将所述车辆的质量和所述道路的倾斜变换为相互分离的线性形态的线性变换步骤；
将所述线性变换步骤中变换成线性形态的所述车辆的质量和所述道路的倾斜利用最小二乘法估算的质量/倾斜运算步骤。
5.根据权利要求3所述的轮胎路面摩擦系数估算方法，其特征在于，
包括：基于所述车辆状态信息和所述速度估算步骤中估算的纵向速度以及横向速度求出各轮子中心的纵横向速度的轮速运算步骤；
求出各轮子的横向滑动角的滑动角运算步骤；
以及基于各轮子的所述纵横向速度和所述横向滑动角求出各轮子的纵向滑动率的纵向滑动率运算步骤。
6.根据权利要求3所述的轮胎路面摩擦系数估算方法，其特征在于，
垂直力估算步骤包括：基于所述车辆的状态信息和所述质量/倾斜估算步骤中估算的所述车辆的质量以及所述道路的倾斜求出各轮子的纵向负荷转移和横向负荷转移的负荷转移运算步骤；
以及利用所述纵向负荷转移和所述横向负荷转移估算作用于各轮子的垂直力的垂直力运算步骤。
7.根据权利要求3所述的轮胎路面摩擦系数估算方法，其特征在于，
纵向力估算步骤包括：基于所述车辆的状态信息估算各轮子旋转角速度的旋转角速度估算步骤；
根据所述旋转角速度的估算误差求出能量函数的能量函数运算步骤；以及赋予使所述估算误差成为0的条件同时估算各轮子纵向力的纵向力运算步骤。
8.一种轮胎路面摩擦系数估算装置，其特征在于，
作为车辆高速正常行驶的状况下估算轮胎路面摩擦系数的摩擦系数估算装置，包括：信息提供部，其通过车辆上安装的传感器和已设定的车辆参数获取车辆的发动机状态信息、变速器状态信息或底盘状态信息加以提供;
车辆速度估算部，其基于由所述信息提供部提供的车辆状态信息估算车辆的纵向速度和横向速度；
质量/倾斜估算部，其基于由所述信息提供部提供的车辆状态信息估算车辆的质量和道路倾斜；
纵向滑动率估算部，其基于由所述信息提供部提供的车辆状态信息和所述车辆速度估算部估算的车辆纵向速度估算值和横向速度估算值估算各轮子的纵向滑动率；
垂直力估算部，其基于由所述信息提供部提供的车辆状态信息和由所述质量/倾斜估算部估算的车辆质量估算值以及道路倾斜估算值估算作用于各轮子的垂直力；
纵向力估算部，其基于由所述信息提供部提供的各轮子的旋转角速度、制动压力、根据发动机转矩的推进转矩估算各轮子的纵向力；
摩擦系数估算部，其基于由所述纵向力估算部估算的各轮子的纵向力估算值和由所述垂直力估算部估算的各轮子的垂直力估算值以及由所述纵向滑动率估算部估算的各轮子的纵向滑动率估算值估算轮胎路面摩擦系数；其中，
所述摩擦系数估算部，将所述纵向力估算值、所述垂直力估算值和所述纵向滑动率估算值累积成MAP数据形态以后，基于累积的数据估算当前的摩擦系数；
所述摩擦系数估算部，将所述纵向力估算值用所述垂直力估算值除以并得出各轮子的标准化的纵向力以后，与所述纵向滑动率估算值和摩擦系数估算值一起累积到MAP数据的MAP数据累积步骤；将在纵向滑动率估算步骤当前估算的纵向滑动率和累积于MAP数据的所述纵向滑动率累积值比较的MAP数据比较步骤；以及基于与所述MAP数据比较步骤中比较的所述纵向滑动率累积值对应的所述标准化的纵向力的累积值估算当前摩擦系数的步骤；
所述摩擦系数估算部，只有所述纵向滑动率估算值在设定值以上时累积MAP数据，用当前摩擦系数估算与所述设定值以上的所述纵向滑动率估算值对应的摩擦系数累积值的平均。
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