CN111231975A - 车轮抓地力裕度估测方法 - Google Patents

车轮抓地力裕度估测方法 Download PDF

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CN111231975A CN201811332457.7A CN201811332457A CN111231975A CN 111231975 A CN111231975 A CN 111231975A CN 201811332457 A CN201811332457 A CN 201811332457A CN 111231975 A CN111231975 A CN 111231975A
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Abstract

一种车轮抓地力裕度估测方法，用于估测一车辆的车轮抓地力裕度。车轮抓地力裕度估测方法系持续侦测车辆动态信息，包含纵向加速度、侧向加速度、车轮旋转角度随时间的变化、偏航角随时间的变化、转向轮的转向角等，逐一估测各车轮的一当前正向力、一当前纵向力以及一当前侧向力。最后再利用当前正向力、车轮相对于道路的道路摩擦系数、当前纵向力以及当前侧向力，得到各车轮的一纵向抓地力裕度以及一侧向抓地力裕度。

Description

车轮抓地力裕度估测方法
技术领域
本发明有关于车辆行驶动态的监控，特别是关于一种车轮抓地力裕度估测方法。
背景技术
车辆于转弯过程中，需要车轮侧向力维持车辆在车道中，使得车辆不会因离心力偏离车道。此时部分的车轮力会被侧向力占用，使得剩余最大可用车轮纵向力下降，而使得车轮可能出现打滑空转。另外，在转弯车道中，加减速期间会需要更多侧向力以应付不同路况，此时，必须适度降低纵向力以满足侧向需求，否则可能发生车轮侧向打滑飘移。现有先进驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance Systems；ADAS)大多是在感知到打滑现象发生时，才发出警示并介入进行车轮力调整分配，包含介入煞车系统对个别车轮进行煞车减速，或重新分配各车轮的输出)。
若能估测剩余最大可用车轮力(包含纵向力及侧向力)，则ADAS系统将可提早发出警示，甚至直接介入对个别车轮的控制，就能够避免打滑现象发生。上述估测也能应用于自动驾驶系统，让自动驾驶在剩余最大可用车轮力足够的情况下，对车辆进行较为激烈的操作(快速转向或快速变换车道)。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种车轮抓地力裕度估测方法，透过车辆动态信息的侦测，估测各车轮的抓地力裕度。
为了达成上述目的，本发明提出一种车轮抓地力裕度估测方法，用于估测一车辆的车轮抓地力裕度；其中车辆具有一车身质量、一重心与多个车轮，且该些车轮至少包含一对转向轮；重心具有一离地高，轮胎的滚动指向定义为一纵向，且于一水平面上垂直于滚动指向的方向定义为一侧向；车轮抓地力裕度估测方法包含：得到各车轮对一地面的一初始正向力；依据车辆的一纵向加速度、一侧向加速度、车身质量、各车轮的一车轮质量，以及各车轮与重心的相对位置，得到对各车轮的纵向负载转移以及侧向负载转移；以纵向负载转移以及侧向负载转移修正初始正向力，得到各车轮的一当前正向力；依据各车轮的一车轮轮速、一车轮扭矩、一车轮滚动有效半径、一车轮转动惯量以及一车轮旋转角度随时间的变化，得到各车轮的一当前纵向力；依据车辆的侧向加速度、车辆的一偏航角加速度、转向轮相对于纵向的一转向角，各车轮的当前纵向力以及各车轮的当前正向力，得到车轮的侧向力总和；取得各车轮的一当前侧向力；以及依据各车轮当前正向力、各车轮相对于道路的一道路摩擦系数、当前纵向力以及当前侧向力，得到各车轮的一纵向抓地力裕度以及一侧向抓地力裕度。
本发明可以有效估测个别车轮的纵向抓地力裕度以及侧向抓地力裕度，在裕度不足时，及早发出警示让驾驶人改变对车辆的操作，甚至让先进驾驶辅助系统(AdvancedDriver Assistance Systems；ADAS)在车轮打滑发生前提早介入，可以有效提升行车安全。车轮抓地力裕度估测方法更可进一步应用于自驾车系统，对行驶策略进行估测，并免自驾车系统做出可能造成打滑的行使决策。
附图说明
图1为车辆控制系统的系统方块图，用于执行车轮抓地力裕度估测方法。
图2以及图3为本发明实施例的方法流程图。
图4为用于估测的车辆参数。
图5为用于直线加减速过程的速度变化。
图6为各车轮的纵向裕度随时间的变化。
图7为各车轮的侧向裕度随时间的变化。
图8为车辆变换车道的示意图。
图9为各车轮的纵向裕度随时间的变化。
图10为各车轮的侧向裕度随时间的变化。
其中附图标记为：
110微处理器 120储存装置
130纵向加速规 140侧向加速规
150车轮转角传感器 160煞车压力传感器
170扭矩传感器 180偏航角传感器
190转向角传感器
S140～S180步骤
具体实施方式
请参阅图1所示，为一种车辆控制系统，适用于执行本发明实施例所揭露的车轮抓地力裕度估测方法，以在安全范围内执行车辆的转向作业。车辆控制系统包含有一微处理器110、一储存装置120、一纵向加速规130、一侧向加速规140、一车轮转角传感器150、一煞车压力传感器160、一扭矩传感器170、一偏航角传感器180以及一转向角传感器190。
请参阅图1以及图2所示，基于上述车辆控制系统，本发明实施例提出一种车轮抓地力裕度估测方法，用于估测车辆的抓地力裕度，避免车轮在转向时发生打滑现象。车辆具有一车身质量ms、一重心以及多个车轮。车身质量ms、重心的位置可事先透过实际量测或由车辆规格书取得。车轮一般为四个，分别为右前轮fr、左前轮fl、右后轮rr以及左后轮rl。其中，右前轮fr、左前轮fl通常为车辆的一对转向轮。车轮本身也有其车轮质量mu以及车轮滚动有效半径rw，而可据以计算车轮转动惯量Iw。车轮抓地力裕度估测方法系可分别以四个车轮为各车轮，分别判断各车轮的抓地力是否足够。
前述抓地力裕度，系指车轮所承受的水平力与车轮对地面最大抓地力之间的差距；车轮对地面最大抓地力(即为车轮能到达的最大车轮力)需要大于车轮目前所提供的车轮力(即为车轮所承受的水平力，包含纵向力
Figure BDA0001860389500000031
以及侧向力
Figure BDA0001860389500000032
)，才能避免车轮打滑。
前述车辆的重心具有一离地高hs，车辆轮胎的滚动指向定义为一纵向，且于一水平面上垂直于轮胎滚动指向的方向定义为一侧向。
首先，微处理器110依据车身质量ms、车轮与重心的相对位置，分别得到各车轮对地面的初始正向力Fzs,i，如步骤S110所示。
前述初始正向力Fzs,i中，i分别代表fl、fr、rl与rr四个车轮，所谓正向力即为车轮承受车身重量的垂直负载。车身质量ms、车轮质量mu与重心的相对位置通常为固定不变的数值，因此微处理器110可以经过一次计算后得到各车轮的初始正向力Fzs,i，而将初始正向力Fzs,i储存于储存装置120，后续微处理器110重新执行该方法时，直接由储存装置120加载初始正向力Fzs,i即可，不需每次都重新计算。甚至，车身质量ms、车轮质量mu与重心的相对位置、初始正向力Fzs,i都可以直接由外部取得，例如针对车型由数据库下载后直接储存于储存装置120。
依据车辆的移动状态，纵向加速规130与侧向加速规140持续侦测车辆纵向加速度ax以及侧向加速度ay。在车辆移动的状态下，各车轮的接地正向力不再是初始正向力Fzs,i，而是受车身质量ms加速度的影响产生负载转移的现象。因此，微处理器110接着依据纵向加速度ax、侧向加速度ay、车身质量ms、车轮质量mu，以及各车轮与重心的相对位置，得到对各车轮的纵向负载转移Wx以及侧向负载转移Wyf,Wyr，如步骤S120所示。纵向负载转移Wx以及侧向负载转移Wyf,Wyr的估测方式如下：
Figure BDA0001860389500000041
Figure BDA0001860389500000042
Figure BDA0001860389500000043
其中，L为前轴到后轴的距离，mu为各车轮质量，lf为车辆重心至前轴的距离，lr为车辆重心至后轴的距离。
有了纵向负载转移Wx以及侧向负载转移Wyf,Wyr，微处理器110即可依据纵向负载转移Wx以及侧向负载转移Wyf,Wyr修正初始正向力Fzs,i，得到各车轮的一当前正向力
Figure BDA0001860389500000044
如步骤S130所示。
Figure BDA0001860389500000045
Figure BDA0001860389500000051
Figure BDA0001860389500000052
Figure BDA0001860389500000053
其中，i分别代表fl、fr、rl与rr四个车轮。
车轮的纵向力
Figure BDA0001860389500000054
主要与车轮本身的转动动态有关，包含车轮轮速ωw、车轮角加速度
Figure BDA0001860389500000055
以及车轮扭矩Tw。微处理器110系透过车轮转角传感器150取得车轮旋转角度θw与车轮轮速ωw，再依据车轮旋转角度θw随时间的变化，得到车轮角加速度
Figure BDA0001860389500000056
Figure BDA0001860389500000057
车轮角加速度
Figure BDA0001860389500000058
结合车轮滚动有效半径rw、车轮转动惯量Iw，可列出与当前纵向力
Figure BDA0001860389500000059
相关的转矩平衡公式：
Figure BDA00018603895000000510
前述车轮扭矩Tw包含煞车扭力Tb以及驱动扭力Tt。其中，微处理器110透过煞车压力传感器160取得煞车压力数值后，即可依据煞车规格换算得到煞车扭力Tb。驱动扭力Tt可由扭矩传感器170直接量测车辆动力系统对车轮的扭力输出。
Tw＝Tt+Tb (10)
车轮扭矩Tw也不排除用单一扭矩感应装置，直接由车轮侦测取得。有了上述数据的估测，则可估测当前纵向力
Figure BDA00018603895000000511
估测的方法系将状态向量定义为
Figure BDA00018603895000000512
输入讯号
Figure BDA00018603895000000513
输出讯号为
Figure BDA00018603895000000514
可改写成如方程式(11)、(12)及(13)所示：
Figure BDA00018603895000000515
Figure BDA00018603895000000516
Figure BDA00018603895000000517
其中
Figure BDA00018603895000000518
为系统矩阵，
Figure BDA00018603895000000519
为输入向量，
Figure BDA00018603895000000520
为输出向量。
接着将连续时间下的状态空间运动模型，转换为离散时间下的状态空间方程式，并使用卡尔曼滤波器估测出回馈增益值。转换成离散方程式(14)如下，再藉由卡尔曼估测器计算出四个车轮的当前纵向力
Figure BDA0001860389500000061
和
Figure BDA0001860389500000062
Figure BDA0001860389500000063
Figure BDA0001860389500000064
如图3所示前述车轮滚动有效半径rw、车轮转动惯量Iw可事先量测计算，或直接依据车型规格由数据库下载储存于储存装置120中，并由微处理器110在需要时加载。因此，在取得车轮轮速ωw、车轮扭矩Tw及车轮旋转角度θw随时间的变化之后，微处理器110即可依据各车轮的车轮轮速ωw、车轮扭矩Tw、车轮滚动有效半径rw、车轮转动惯量Iw以及车轮旋转角度θw随时间的变化，得到各车轮的当前纵向力
Figure BDA0001860389500000065
如步骤S140所示。
要得到各车轮的当前侧向力
Figure BDA0001860389500000066
需先由车身的侧向动态得到该些车轮的侧向力总和(由车身在侧向上对所有车轮作用的总力)。偏航角传感器180系持续侦测车辆的偏航角r，且转向角传感器190持续侦测转向轮相对于纵向的一转向角δ。微处理器110依据车辆的侧向加速度ay、车辆的一偏航角r随时间的变化、转向轮相对于纵向的一转向角δ、各车轮的当前纵向力
Figure BDA0001860389500000067
以及各车轮的当前正向力
Figure BDA0001860389500000068
得到车轮的侧向力总和，如步骤S150所示。其中，偏航角r随时间的变化，主要系用于计算偏航角速度
Figure BDA0001860389500000069
以进一步估测偏航角加速度
Figure BDA00018603895000000610
侧向力总和的取得可以由力平衡建立连立方程式如下：
Figure BDA00018603895000000611
Figure BDA00018603895000000612
接着将联立方程式(16)、(17)化简后可得到方程式(18)、(19)，进而将数值直接带入即可：
Figure BDA00018603895000000613
Figure BDA0001860389500000071
前述偏航角加速度
Figure BDA0001860389500000072
可以利用偏航角速度
Figure BDA0001860389500000073
搭配卡尔曼估测器做估测，偏航角r、偏航角速度
Figure BDA0001860389500000074
及偏航角加速度
Figure BDA0001860389500000075
的关系如(20)所示：
Figure BDA0001860389500000076
由上述方程式，即可获得在连续时间下状态空间表示式，如方程式(21)所示：
Figure BDA0001860389500000077
Figure BDA0001860389500000078
Figure BDA0001860389500000079
为状态向量，
Figure BDA00018603895000000710
输入。
接着将连续时间下的状态空间方程式，利用forward rectangular rule转换为在离散时间下的状态空间方程式，如(23)与(24)所示：
Figure BDA00018603895000000711
yr,k＝Hrxr,k (24)
其中
Figure BDA00018603895000000712
Γr＝Gr，wr,k为系统的干扰噪声，T为取样时间，yr,k为系统输出，Hr＝[1 0]为输出矩阵，而Φr和Γr表示如方程式(25)：
Figure BDA00018603895000000713
利用上述的运动模型，使用卡尔曼滤波器配合回馈增益矩阵，因为ur,k无法量测，将其假设为0，以进行闭回路状态估测，如方程式(26)及(27)所示：
Figure BDA00018603895000000714
Figure BDA00018603895000000715
其中
Figure BDA00018603895000000716
为估测的系统状态，Lr为回馈增益矩阵。
微处理器110再以车轮的当前纵向力总和与各车轮的当前纵向力
Figure BDA00018603895000000717
分配当前侧向力总和，取得各车轮的当前侧向力
Figure BDA00018603895000000718
如步骤S160所示。微处理器110并依据当前正向力及各车轮相对于道路的道路摩擦系数μ，取得各车轮的最大抓地力，如步骤S170所示。
最后，微处理器110以最大抓地力
Figure BDA0001860389500000081
当前纵向力
Figure BDA0001860389500000082
以及当前侧向力
Figure BDA0001860389500000083
得到各车轮的纵向抓地力裕度
Figure BDA0001860389500000084
以及侧向抓地力裕度
Figure BDA0001860389500000085
如步骤S180所示。
由于最大抓地力受限于道路摩擦系数μ，以各车轮的当前纵向力
Figure BDA0001860389500000086
与各车轮的当前侧向力
Figure BDA0001860389500000087
的摩擦圆关系进行各个车轮的车轮抓地力裕度估测，如方程式(28)、(29)所示，系先得到各车轮的最大纵向抓地力
Figure BDA0001860389500000088
以及最大侧向抓地力
Figure BDA0001860389500000089
Figure BDA00018603895000000810
Figure BDA00018603895000000811
其中i分别代表fl、fr、rl、rr。
Figure BDA00018603895000000812
为各个车轮最大纵向抓地力。
Figure BDA00018603895000000813
为各个车轮最大侧向抓地力。
接着，以最大纵向抓地力
Figure BDA00018603895000000814
减去当前纵向力
Figure BDA00018603895000000815
即为纵向车轮抓地力裕度
Figure BDA00018603895000000816
以最大侧向抓地力
Figure BDA00018603895000000817
减去当前纵向力
Figure BDA00018603895000000818
即为侧向车轮抓地力裕度
Figure BDA00018603895000000819
Figure BDA00018603895000000820
Figure BDA00018603895000000821
为各个车轮的纵向车轮抓地力裕度。
Figure BDA00018603895000000822
为各个车轮的侧向车轮抓地力裕度。up为最大道路摩擦系数，可利用轮胎侧滑角与转向轮回正力矩的估测后，算出轮胎侧滑角以及估测的回正力矩的Timewindow，使用stateflow判断式，先判断最大道路摩擦系数可能范围，再求出最大道路摩擦系数，找出最大道路摩擦系数范围。或，最大道路摩擦系数可采用数据库记录，依据车辆所在路段地点以及天候，由数据库撷取对应的最大道路摩擦系数。
有了纵向抓地力裕度
Figure BDA00018603895000000823
以及侧向抓地力裕度
Figure BDA00018603895000000824
ADAS系统即可用于介入车辆的行驶，避免车轮在纵向打滑(空转)或侧向打滑(侧向飘移)。例如，微处理器110可加载一门槛值，纵向抓地力裕度
Figure BDA00018603895000000825
或侧向抓地力裕度
Figure BDA00018603895000000826
小于门槛值，产生一车轮打滑警示。前述的车轮打滑警示，可以是单纯地以信息显示提供给驾驶人，以使驾驶人对车辆操作进行减速或减少转向角度。或，依据车轮打滑警示，由微处理器110介入煞车或车轮动力分配。于自动驾驶的场合，则由自动驾驶系统依据车轮打滑警示，修正车速以及规划路径(特别是变化车道时，车辆在两车道之间横向移动的速度)。
请参阅图4、图5、图6以及图7所示，为车轮抓地力裕度估测方法与MechanicalSimulation发行的CarSim(车辆仿真分析软件)的比较，采用的车辆参数如图4所示，比较情境一为车辆于直线的加减速，速度变化如图5所示，车辆以约50km/hr的初速开始加速后再减速至40km/hr，图中Vx为车辆秒速(公尺/秒)。
如图6所示，前轮为驱动轮而在加速过程中用掉纵向抓地力，因此在10秒前的加速过程中，前轮的纵向抓地力裕度下降；而在10秒后的减速里，开始减速时有一个向上的响应，而一瞬间增加轮胎力裕度造成前轮的纵向抓地力裕度回升，后续因为各车轮煞车减速，而消耗纵向抓地力裕度，而再消耗纵向抓地力裕度，使纵向抓地力裕度下降。再如图7所示，由于车辆没有侧向动态，因此侧向抓地力裕度主要受到因垂直负载转移影响，加速过程因垂直负载主要移转至后轮，而减速时垂直负载主要移转至前轮，而使得10秒前后有明显的侧向抓地力裕度变化。
参阅图8、图9以及图10，比较情境二为车辆于变换车道进行超车。如图9与图10，0～5秒时为直线运动，因此纵向抓地力裕度
Figure BDA0001860389500000091
以及侧向抓地力裕度
Figure BDA0001860389500000092
维持不变。接着开始进行转向之后，前后轮的侧向抓地力裕度
Figure BDA0001860389500000093
都有明显的变化，而连带的因为摩擦圆的比例关系，改变纵向抓地力裕度
Figure BDA0001860389500000094
最后，当变换车道完成后，纵向抓地力裕度
Figure BDA0001860389500000095
以及侧向抓地力裕度
Figure BDA0001860389500000096
又回复到初始状态。
本发明可以有效估测各别车轮的纵向抓地力裕度
Figure BDA0001860389500000097
以及侧向抓地力裕度
Figure BDA0001860389500000098
在裕度不足时，及早发出警示让驾驶人改变对车辆的操作，甚至让先进驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance Systems；ADAS)在车轮打滑发生前提早介入，可以有效提升行车安全。车轮抓地力裕度估测方法更可进一步应用于自驾车系统，对行驶策略进行估测，并免自驾车系统做出可能造成打滑的行使决策。

Claims (10)

1.一种车轮抓地力裕度估测方法，其特征在于，用于估测一车辆的车轮抓地力裕度；其中该车辆具有一车身质量、一重心与多个车轮，且所述多个车轮至少包含一对转向轮；该重心具有一离地高，该轮胎的滚动指向定义为一纵向，且于一水平面上垂直于该滚动指向的方向定义为一侧向；该车轮抓地力裕度估测方法包含：
得到各该车轮对一地面的一初始正向力；
依据该车辆的一纵向加速度、一侧向加速度、该车身质量、各该车轮的一车轮质量，以及各该车轮与该重心的相对位置，得到对各该车轮的纵向负载转移以及侧向负载转移；
以该纵向负载转移以及该侧向负载转移修正该初始正向力，得到各车轮的一当前正向力；
依据各车轮的一车轮轮速、一车轮扭矩、一车轮滚动有效半径、一车轮转动惯量以及一车轮旋转角度随时间的变化，得到各该车轮的一当前纵向力；
依据该车辆的该侧向加速度、该车辆的一偏航角加速度、该转向轮相对于该纵向的一转向角，各该车轮的当前纵向力以及该各车轮的当前正向力，得到车轮的侧向力总和；
取得该各车轮的一当前侧向力；以及
依据各该车轮当前正向力、各该车轮相对于该道路的一道路摩擦系数、该当前纵向力以及该当前侧向力，得到各该车轮的一纵向抓地力裕度以及一侧向抓地力裕度。
2.如权利要求1所述的车轮抓地力裕度估测方法，其特征在于，得到各该车轮对该地面的该初始正向力的步骤包含依据该车身质量、所述多个车轮与该重心的相对位置，分别得到各该车轮对该地面的该初始正向力。
3.如权利要求1或权利要求2所述的车轮抓地力裕度估测方法，其特征在于，该初始正向力储存于一储存装置。
4.如权利要求1所述的车轮抓地力裕度估测方法，其特征在于，各该车轮与该重心的相对位置包含该车辆的一前轴到一后轴的距离、该重心至该前轴的距离以及该重心至该后轴的距离。
5.如权利要求1所述的车轮抓地力裕度估测方法，其特征在于，该车轮旋转角度随时间的变化包含一车轮角加速度。
6.如权利要求5所述的车轮抓地力裕度估测方法，其特征在于，该车轮扭矩包含一煞车扭力以及一驱动扭力。
7.如权利要求1所述的车轮抓地力裕度估测方法，其特征在于，得到各该车轮的该纵向抓地力裕度以及该侧向抓地力裕度的步骤包含：
依据各该车轮当前正向力及各该车轮相对于道路的道路摩擦系数，取得各该车轮的一最大抓地力；以及
以该最大抓地力、该当前纵向力以及该当前侧向力得到各该车轮的该纵向抓地力裕度以及该侧向抓地力裕度。
8.如权利要求7所述的车轮抓地力裕度估测方法，其特征在于，该最大抓地力包含一最大纵向抓地力以及一最大侧向抓地力。
9.如权利要求8所述的车轮抓地力裕度估测方法，其特征在于，得到该纵向抓地力裕度以及该侧向抓地力裕度的步骤包含以该最大纵向抓地力减去该当前纵向力以得到该纵向车轮抓地力裕度；以及以该最大侧向抓地力减去该当前纵向力，以得到该侧向车轮抓地力裕度。
10.如权利要求1所述的车轮抓地力裕度估测方法，其特征在于，更包含：
当该纵向抓地力裕度或该侧向抓地力裕度小于一门槛值，产生一车轮打滑警示。
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