CN110843783B - 一种基于路面识别驱动防滑预控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于路面识别的驱动防滑预控制方法与系统，包括利用车辆上的摄像头探测识别路面；计算四个车轮即将行驶的路面；利用力传感器计算每个车轮的载荷；利用路面附着系数定义公式和附着系数表计算每个车轮对应路面的最大附着力

获得每个车轮的驱动力的最大值为

控制四个电机的驱动力始终小于等于Fmax。本发明实现了对车轮打滑时再施加控制的问题，增加了预控制系统，通过摄像头探测识别即将行驶的路面，若路面附着系数变小则相应的提前减小电机驱动力，当电机输出扭矩低于路面所能提供的最小附着力时，车轮不会打滑。

Description

一种基于路面识别驱动防滑预控制方法

技术领域

本发明涉及四轮独立驱动防滑与路面识别技术领域，尤其涉及一种基于路面识别驱动防滑预控制方法与系统。

背景技术

车辆驱动防滑技术由来已久，早在上个世纪七十年代，汽车工程师们就开始关注驱动轮过度滑转的问题，并开展了一系列相关研究。1971年别克公司研制了电子控制装置自动中断发动机点火，以减少发动机输出转矩，防止驱动轮发生滑转的驱动防滑系统；世界上最早比较成功的汽车电子驱动防滑装置是在1985年由瑞典Volvo汽车公司生产的，为了实现路面附着系数的最大利用率，获取尽可能大的牵引力，最先量产的ASR选取驱动滑移率作为控制参数，将其控制下门限值定在5％，上门限值定在15％；截至1990年，世界上已有23个品牌的50余种车型安装了驱动防滑装置；1993年，Bosch公司开发出了第五代ASR，使其结构更紧凑，成本大大降低，可靠性增强。

汽车在路面上产生驱动力的大小由两方面因素决定，起决定作用的因素在于发动机输出扭矩的大小，属于内因；同时要受到路面状况的限值，路面的峰值附着系数决定了路面所能提供给车轮的最大驱动力，属于外因；随着对汽车性能要求的不断提高，不仅要求在制动过程中防止车轮抱死，而且要求在驱动过程中(尤其是起步、加速和转弯过程中)防止驱动车轮滑转，以保持汽车驱动过程中的方向稳定性、转向控制能力和加速性能，因此采用了汽车驱动防滑控制系统(ASR)。驱动防滑控制系统又名牵引力控制系统，是车辆行驶稳定性控制的一种方法，控制方法是实时监测每个车轮的滑移率，当滑移率较大时则判断车辆打滑，车辆驱动力过大，结果是控制发动机或电动机减小驱动力，使车辆恢复到稳定行驶状态。而现有驱动防滑控制技术是监测到车轮有打滑时再施加控制，如果控制不及时或者滑移率过大则车辆有失稳的风险。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在控制不及时或者滑移率过大则车辆有失稳风险的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种基于路面识别的驱动防滑预控制方法，该方法可以明显减少车轮打滑现象的发生。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：利用车辆上的摄像头探测识别路面；计算四个车轮即将行驶的路面；利用力传感器计算每个车轮的载荷；利用路面附着系数定义公式和附着系数表计算每个车轮对应路面的最大附着力

获得每个车轮的驱动力的最大值为

控制四个电机的驱动力始终小于等于Fmax；所述计算车轮即将行驶的路面步骤包括，获取车速、方向盘转角、转向系统角传动比、轴距以及车款等数据；利用Ackermann转向模型与获取数据计算；得到四个车轮即将行驶经过的路面速度，定义：方向盘向左转动角度为m，则轮子A向左偏转角度为：α＝i_wm，由cotα＝R_D/I，cotβ＝(R_D+w)/I可得：β＝arccot(cotα+w/I)，得R_A、R_B、R_C、R_D分别为：R_A＝I/sinα，R_B＝I/sinβ，R_C＝I/tanβ，R_D＝I/tanα，则每个车轮的运动速度分别为：

V_A＝V*R_A/(R_A+R_B+R_C+R_D)

V_B＝V*R_B/(R_A+R_B+R_C+R_D)

V_C＝V*R_C/(R_A+R_B+R_C+R_D)

V_D＝V*R_D/(R_A+R_B+R_C+R_D)

其中，车速为V，转向系统角传动比为i_w，前轮A的偏转角度为α、前轮B的偏转角度为β，根据Ackermann转向理论，四个车轮围绕转向中心点O做圆周运动，轮子A、B、C、D的运动半径分别为R_A、R_B、R_C、R_D，车宽为w，轴距为I，A为左前轮、B为右前轮、C为右后轮、D为左后轮；所述车轮载荷获取方法如下，在四个车轮悬架与车身连接处分别布置一个力传感器；测得四个车轮所承受的车身重力分别为Gfl、Gfr、Grl、Grr；加上悬架和轮胎的重量，得到四个车轮载荷分别为Fz_fl＝G_fl+m_fg，Fz_fr＝G_fr+m_fg，Fz_rl＝G_rl+m_rg，Fz_rr＝G_rr+m_rg；其中，m_f、m_r分别为前轴单个悬架和轮胎的质量、后轴单个悬架和轮胎的质量；所述驱动力的最大值获取如下，利用路面附着系数定义公式算得四个轮子的路面附着力分别为：

再通过路面附着力算得分配到每个车轮的驱动力的最大值为

所述路面附着力获取之前还包括，获取不同路面所对应的附着系数表以便于参考；根据四个车轮即将行驶经过的路面得到的数据结果来计算车轮即将行驶经过路面的附着系数；将所得到的附着系数分别记为

其中，(fl为左前轮，fr为右前轮，rl为左后轮，rr为右后轮)。

作为本发明所述的一种基于路面识别的驱动防滑预控制方法与系统的一种优选方案，其中：定义四个车轮的驱动力为Ffl、Ffr、Frl、Frr，若max(Ffl、Ffr、Frl、Frr)<Fmax，即四个驱动力都小于Fmax，根据四驱控制策略可知，控制四个电机的输出的力矩不变。

作为本发明所述的一种基于路面识别的驱动防滑预控制方法与系统的一种优选方案，其中：定义四个驱动力有大于F_max也有小于F_max的情况，则控制大于F_max的车轮所对应的电机减小扭矩，使车轮驱动力等于F_max。

作为本发明所述的一种基于路面识别的驱动防滑预控制方法与系统的一种优选方案，其中：定义四个轮子的驱动力都大于F_max，即min(F_fl，F_fr，F_rl，F_rr)>F_max，则控制四个电机减小扭矩输出，使得F_fl＝F_fr＝F_rl＝F_rr＝F_max。

本发明的有益效果：现有驱动防滑控制技术是监测到车轮有打滑时再施加控制，如果控制不及时或者滑移率过大则车辆有失稳的风险，所以加入了预控制的思想，利用摄像头识别车辆即将行驶经过的路面，再结合每个车轮的垂直载荷计算出路面能够提供的最小附着力，能够提前控制电机输出扭矩低于最小附着力，保证车轮不打滑，尽量减少驱动防滑控制系统起作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一种基于路面识别的驱动防滑预控制方法的车辆摄像头识别路面示意图；

图2为本发明一种基于路面识别的驱动防滑预控制方法的各种路面与车速所对应的路面附着系数示意图；

图3为本发明一种基于路面识别的驱动防滑预控制方法的整体流程示意图；

图4为本发明一种基于路面识别的驱动防滑预控制方法的转向示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～图4，为本发明的第一个实施例，提供了一种基于路面识别的驱动防滑预控制方法，如图2，一种基于路面识别的驱动防滑预控制方法包括，利用车辆上的摄像头探测识别路面；计算四个车轮即将行驶的路面；利用力传感器计算每个车轮的载荷；利用路面附着系数定义公式和附着系数表计算每个车轮对应路面的最大附着力

获得每个车轮的驱动力的最大值为

控制四个电机的驱动力始终小于等于Fmax。

具体的，参照图4，计算四个车轮即将行驶的路面包括了获取车速、方向盘转角、转向系统角传动比、轴距以及车款等数据，利用Ackermann转向模型与获取数据计算得到四个车轮即将行驶经过的路面速度。定义：方向盘向左转动角度为m，则轮子A向左偏转角度为：α＝i_wm，由cotα＝R_D/I，cotβ＝(R_D+w)/I可得：β＝arccot(cotα+w/I)，得R_A、R_B、R_C、R_D分别为：R_A＝I/sinα，R_B＝I/sinβ，R_C＝I/tanβ，R_D＝I/tanα，则每个车轮的运动速度分别为：

V_A＝V*R_A/(R_A+R_B+R_C+R_D)

V_B＝V*R_B/(R_A+R_B+R_C+R_D)

V_C＝V*R_C/(R_A+R_B+R_C+R_D)

V_D＝V*R_D/(R_A+R_B+R_C+R_D)

其中，车速为V，转向系统角传动比为i_w，前轮A的偏转角度为α、前轮B的偏转角度为β，根据Ackermann转向理论，四个车轮围绕转向中心点O做圆周运动，轮子A、B、C、D的运动半径分别为R_A、R_B、R_C、R_D，车宽为w，轴距为I，A为左前轮、B为右前轮、C为右后轮、D为左后轮；参照图3，参考不同路面所对应的附着系数表，根据四个车轮即将行驶经过的路面得到的数据结果来计算车轮即将行驶经过路面的附着系数，将所得到的附着系数分别记为

其中，(fl为左前轮，fr为右前轮，rl为左后轮，rr为右后轮)；在四个车轮悬架与车身连接处分别布置一个力传感器，测得四个车轮所受重力分别为Gfl、Gfr、Grl、Grr，加上悬架和轮胎的重量，得到地面对各轮胎的法向反作用力分别为Fz_fl＝G_fl+m_fg，Fz_fr＝G_fr+m_fg，Fz_rl＝G_rl+m_rg，Fz_rr＝G_rr+m_rg，其中，m_f、m_r分别为前轴单个悬架和轮胎的质量、后轴单个悬架和轮胎的质量；根据路面附着系数定义公式算得四个轮子的路面附着力分别为：

再通过路面附着力算得分配到每个车轮的驱动力的最大值为

进一步的，定义四个车轮的驱动力为Ffl、Ffr、Frl、Frr，若max(Ffl、Ffr、Frl、Frr)<Fmax，即四个驱动力都小于Fmax，根据四驱控制策略可知，控制四个电机的输出的力矩不变；定义四个驱动力有大于F_max也有小于F_max的情况，则控制大于F_max的车轮所对应的电机减小扭矩，使车轮驱动力等于F_max；定义四个轮子的驱动力都大于F_max，即min(F_fl，F_fr，F_rl，F_rr)>F_max，则控制四个电机减小扭矩输出，使得F_fl＝F_fr＝F_rl＝F_rr＝F_max。这样无论四个车轮的驱动力如何分配，都会保证驱动力小于等于路面所能提供的最小附着力，车轮不易打滑，在驱动防滑控制系统起作用之前起到一个预控制的作用，对于车辆稳定性控制有更多的保障。

场景一：

对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择的不同方法和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

传统的技术方案：当车辆扭矩过大出现打滑时，控制系统根据轮胎滑移率来给电机降扭，响应速度较慢，轮胎出现打滑的概率偏大。为验证本方法相对传统方法具有较高响应速度，车轮出现打滑的次数少，本实施例中将采用传统用滑移率判断的方法和本方法分别对仿真车辆的响应时间，车轮出现打滑的次数，滑移率范围进行实时测量对比。

测试环境：将车辆运行在仿真平台模拟行驶并模拟大油门起步的工作状况，采用测试样本，分别利用传统方法的人工操作进行转向角测试并获得测试结果数据。采用本方法，则开启自动化测试设备并运用Carsim和Simulink联合仿真实现本方法的仿真测试，根据实验结果得到仿真数据。每种方法各测试10组数据，计算获得每组数据响应时间的平均值，与仿真模拟输入的实际数值进行对比计算误差。

测试结果如下表所示：

	响应时间	出现打滑次数	滑移率范围
				传统方法	150ms	3次	0—100％
本专利	30ms	0次	0—20％

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于路面识别驱动防滑预控制方法，其特征在于：包括，

利用车辆上的摄像头探测识别路面；

计算四个车轮即将行驶的路面；

利用力传感器计算每个车轮的载荷；

利用路面附着系数定义公式和附着系数表计算每个车轮对应路面的最大附着力

获得每个车轮的驱动力的最大值为

控制四个电机的驱动力始终小于等于Fmax；

所述计算车轮即将行驶的路面步骤包括，获取车速、方向盘转角、转向系统角传动比、轴距以及车宽数据；利用Ackermann转向模型与获取数据计算；得到四个车轮即将行驶经过的路面速度；

定义：方向盘向左转动角度为m，则轮子A向左偏转角度为：α＝i_wm，由cotα＝R_D/I，cotβ＝(R_D+w)/I可得：β＝arccot(cotα+w/I)，得R_A、R_B、R_C、R_D分别为：R_A＝I/sinα，R_B＝I/sinβ，R_C＝I/tanβ，R_D＝I/tanα，则每个车轮的运动速度分别为：

V_A＝V*R_A/(R_A+R_B+R_C+R_D)

V_B＝V*R_B/(R_A+R_B+R_C+R_D)

V_C＝V*R_C/(R_A+R_B+R_C+R_D)

V_D＝V*R_D/(R_A+R_B+R_C+R_D)

其中，车速为V，转向系统角传动比为i_w，前轮A的偏转角度为α、前轮B的偏转角度为β，根据Ackermann转向理论，四个车轮围绕转向中心点O做圆周运动，轮子A、B、C、D的运动半径分别为R_A、R_B、R_C、R_D，车宽为w，轴距为I，A为左前轮、B为右前轮、C为右后轮、D为左后轮；

所述车轮载荷获取方法如下，

在四个车轮悬架与车身连接处分别布置一个力传感器；

测得四个车轮所承受的车身重力分别为Gfl、Gfr、Grl、Grr；

加上悬架和轮胎的重量，得到四个车轮载荷分别为Fz_fl＝G_fl+m_fg，Fz_fr＝G_fr+m_fg，Fz_rl＝G_rl+m_rg，Fz_rr＝G_rr+m_rg；

其中，m_f、m_r分别为前轴单个悬架和轮胎的质量、后轴单个悬架和轮胎的质量；

所述驱动力的最大值获取如下，

利用路面附着系数定义公式算得四个轮子的路面附着力分别为：

再通过路面附着力算得分配到每个车轮的驱动力的最大值为

所述路面附着力获取之前还包括，

获取不同路面所对应的附着系数表以便于参考；

根据四个车轮即将行驶经过的路面得到的数据结果来计算车轮即将行驶经过路面的附着系数；

将所得到的附着系数分别记为

其中，fl为左前轮，fr为右前轮，rl为左后轮，rr为右后轮。

2.如权利要求1所述的基于路面识别驱动防滑预控制方法，其特征在于：

定义四个车轮的驱动力为Ffl、Ffr、Frl、Frr，若max(Ffl、Ffr、Frl、Frr)<Fmax，即四个驱动力都小于Fmax，根据四驱控制策略可知，控制四个电机的输出的力矩不变。

3.如权利要求2所述的基于路面识别驱动防滑预控制方法，其特征在于：

定义四个驱动力有大于F_max也有小于F_max的情况，则控制大于F_max的车轮所对应的电机减小扭矩，使车轮驱动力等于F_max。

4.如权利要求3所述的基于路面识别驱动防滑预控制方法，其特征在于：

定义四个轮子的驱动力都大于F_max，即min(F_fl，F_fr，F_rl，F_rr)>F_max，则控制四个电机减小扭矩输出，使得F_fl＝F_fr＝F_rl＝F_rr＝F_max。

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