CN111801564B - 用于轮胎故障检测的装置、方法和计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

一种轮胎故障检测装置，包括：转向角传感器，该转向角传感器用于感测转向角；偏航率传感器，该偏航率传感器用于感测偏航率；以及控制单元。所述控制单元基于所述转向角传感器的输出信号和所述偏航率传感器的输出信号来计算侧滑能量，并且在所述侧滑能量超过第一阈值时确定轮胎中已经发生了故障。

Description

用于轮胎故障检测的装置、方法和计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及一种轮胎故障检测装置、轮胎故障检测方法、轮胎故障检测程序以及记录轮胎故障检测程序的计算机可读记录介质。
背景技术
传统上，已经提出了用于检测轮胎故障(例如轮胎磨损)的技术。这种技术包括用于基于直接安装在每个轮胎上的加速度传感器的输出信号来检测轮胎磨损的技术，如WO2006/001255 A1中所公开的。
引用列表
专利文献
PTL1：WO 2006/001255 A1
发明内容
技术问题
由于直接附接到每个轮胎，加速度传感器受到例如旋转的轮胎的离心力和/或来自车辆在其上行驶的崎岖路面的冲击力的影响。因此，上述传统技术在长期使用时的耐久性方面不够可靠，这例如是因为所述加速度传感器容易发生故障。
鉴于上述情形，已经做出了本发明，以提供一种轮胎故障检测装置、轮胎故障检测方法、轮胎故障检测程序以及记录轮胎故障检测程序的计算机可读记录介质，所述装置、方法、程序和计算机可读记录介质中的每一个都用于使用安装在车辆中的传感器的输出信号来检测轮胎故障，因而在长期使用时的耐久性方面足够可靠。
技术方案
所述轮胎故障检测装置包括：转向角传感器，该转向角传感器用于感测转向角；偏航率传感器，该偏航率传感器用于感测偏航率；以及控制单元。该控制单元基于转向角传感器的输出信号和偏航率传感器的输出信号来计算侧滑能量，并且在该侧滑能量超过第一阈值时确定轮胎中已经发生了故障。
本发明的有利效果
本发明在不使用直接安装在轮胎上的传感器的情况下实现了其目的，因而在长期使用时的耐久性方面是足够可靠的。
附图说明
图1是示例性的远程信息处理系统的系统配置图。
图2是示例性的车载单元的内部配置图。
图3是示例性的控制单元的内部配置图。
图4是示例性的服务器计算机的内部配置图。
图5是示例性的轮胎故障检测处理的流程图。
图6是示例性的车辆物理模型的图示。
图7是示出了侧滑能量和轮胎受损程度之间的关系的曲线图。
图8是示例性的数据库更新处理的流程图。
图9是存储在数据库中的示例性记录的图示。
图10是轮胎受损程度的示例性显示形式的图示。
图11是根据变型1的示例性车辆的平面图。
图12是根据变型1的示例性车辆物理模型的图示。
图13是根据变型2的示例性车辆的平面图。
图14是根据变型2的示例性车辆物理模型的图示。
图15是根据变型3的示例性车辆的侧视图。
图16是根据变型3的示例性分析模型的图示。
图17是卡尔曼滤波器的示例的图示。
图18是没有噪声叠加的情况下的、所估计的侧滑角的示例性时间序列响应的图示。
图19是有噪声叠加的情况下的、所估计的侧滑角的示例性时间序列响应的图示。
图20是牵引车的示例性物理模型的图示。
具体实施方式
下面将参考附图来描述用于实现本发明的实施例。图1示出了其中包含有轮胎故障检测装置的示例性的远程信息处理系统。
远程信息处理系统100包括车载单元300、服务器计算机400和个人计算机500。车载单元300安装在诸如卡车的车辆200中。服务器计算机400安装在应用程序提供商的管理中心MC中。个人计算机500安装在运输公司等的后勤办公室BO中。车辆200不限于卡车，而是可以是诸如公共汽车、轿车、牵引车或建筑机械的车辆。
如图2中所示，车载单元300包括：用于使用远程信息处理服务的远程信息处理单元320；控制单元340，该控制单元340用于实现轮胎故障检测装置；全球定位系统(GPS)天线360，该全球定位系统(GPS)天线360用于从GPS卫星600接收GPS信号；以及无线电单元380，该无线电单元380用于与管理中心MC的服务器计算机400进行无线电通信。远程信息处理单元320连接到控制单元340、GPS天线360和无线电单元380，以便能够彼此交互通信。车载单元300可以包括人机界面(HMI)，该人机界面(HMI)用于提供远程信息处理单元320的输入-输出功能。
如图3中所示，控制单元340中包括：处理器340A，例如中央处理器(CPU)；非易失性存储器340B；易失性存储器340C；输入-输出电路340D；通信电路340E以及总线340F，该总线340F用于将这些部件彼此连接。非易失性存储器340B例如由闪存只读存储器(ROM)形成，该非易失性存储器340B即使在电源断开时也能够保留数据，并且在其中存储用于实现轮胎故障检测装置的控制程序(轮胎故障检测程序)等。易失性存储器340C例如由动态随机存取存储器(RAM)形成，易失性存储器340C在电源断开时会丢失其数据，并且用作用于处理器340A的临时存储区域。输入-输出电路340D从传感器、开关等接收各种数字或模拟信号，并且将数字或模拟驱动信号输出到诸如致动器的外部装置。通信电路340E提供用于连接到诸如控制器局域网(CAN)的车载网络的接口。
经由输入-输出电路340D，控制单元340接收以下信号：用于感测车辆200的转向角δ的转向角传感器700的输出信号；用于感测车辆200的偏航率r的偏航率传感器720的输出信号；以及用于感测车辆200的车速V的车速传感器740的输出信号。控制单元340经由通信电路340E连接到用于电子地控制发动机(未示出)的发动机控制单元760，以便能够彼此交互通信。
如图4中所示，管理中心MC的服务器计算机400中包括：处理器400A，例如CPU；非易失性存储器400B；易失性存储器400C，其用作用于处理器400A的临时存储区域；输入-输出电路400D，其用于连接到外部装置；存储装置400E，例如硬盘驱动器；以及总线400F，其将这些部件彼此连接。
经由例如作为计算机网络的示例的因特网800，后勤办公室BO的个人计算机500连接到管理中心MC的服务器计算机400，以便能够彼此交互通信，因而使用由应用程序提供商提供的服务。例如，网络浏览器被预先安装在个人计算机500上，使得由应用程序提供商提供的服务能够获得各种设置。
在如上所述的远程信息处理系统100中，当车辆200的点火开关从关闭切换到打开时，作为响应，车载单元300的远程信息处理单元320与管理中心MC的服务器计算机400建立无线电通信。由此，由管理中心MC的服务器计算机400提供的远程信息处理服务变得能够用于远程信息处理单元320。
另外，当车辆200的点火开关从关闭切换到打开时，作为响应，车载单元300中的控制单元340的处理器340A执行存储在非易失性存储器340B中的控制程序。由此，控制单元340的处理器340A基于来自转向角传感器700、偏航率传感器720和车速传感器740的输出信号来计算侧滑能量E。当侧滑能量E超过第一阈值时，控制单元340的处理器340A确定已经发生轮胎故障。
代替从转向角传感器700、偏航率传感器720和车速传感器740接收输出信号，控制单元340的处理器340A可以从连接到控制单元340从而能够经由车载网络彼此交互通信的一个或多个不同的控制单元获取转向角δ、偏航率r和车速V。作为又一替代方案，代替车速传感器740的输出信号，控制单元340的处理器340A可以使用预定常数，例如对车辆200经常沿其行驶的道路的车速限制。
图5示出了响应于控制单元340的启动而在预定时间间隔通过控制单元340的处理器340A重复执行的、示例性的轮胎故障检测处理。
该轮胎故障检测处理可以通过使诸如控制单元340的处理器340A之类的计算机执行轮胎故障检测程序来实现，该轮胎故障检测程序定义了本实施例中所述的处理。该轮胎故障检测程序可以被记录在诸如便携式存储器之类的计算机可读记录介质中，以用于存储、传输等。作为替代方案，该轮胎故障检测程序可以经由因特网、通过电子邮件等传输到期望执行轮胎故障检测处理的计算机。
在步骤1(在图5中缩写为“S1”；下文同)中，控制单元340的处理器340A从偏航率传感器720获取偏航率r。
在步骤2中，控制单元340的处理器340A确定偏航率r的绝对值是否大于预定角速度。这里，如稍后将描述的，当通过对侧滑角β进行积分来估计侧滑能量E时，由于误差的累积而降低了估计精度。预定角速度是用于限制估计精度的这种降低的阈值，并且可以考虑例如偏航率传感器720的分辨率来确定该预定角速度。当控制单元340的处理器340A确定偏航率r的绝对值高于预定角速度(“是”)时，操作前进到步骤3。另一方面，当确定偏航率r的绝对值等于或小于预定角速度(“否”)时，控制单元340的处理器340A终止该控制循环中的轮胎故障检测处理，以限制估计精度的降低。
在步骤3中，控制单元340的处理器340A获取来自转向角传感器700的转向角δ。
在步骤4中，控制单元340的处理器340A获取来自车速传感器740的车速V。
在步骤5中，控制单元340的处理器340A基于转向角δ、偏航率r和车速V来估计车辆200的侧滑角β。具体地，如以下方程所表达的，控制单元340的处理器340A通过以下步骤来估计侧滑角β：从通过将一阶低通滤波器h1/(T1s+1)应用于转向角δ(转向角δ和一阶低通滤波器h1/(T1s+1)的乘积)获得的值减去通过将一阶低通滤波器h2/(T1s+1)应用于偏航率r(偏航率r和一阶低通滤波器h2/(T1s+1)的乘积)获得的值。一阶低通滤波器h1/(T1s+1)和h2/(T1s+1)分别是第一低通滤波器和第二低通滤波器的示例。
[方程1]
Figure GDA0004087225360000061
在用于估计侧滑角β的上述方程中，s是拉普拉斯算子，T1是低通滤波器的时间常数，h1和h2是滤波器增益。这里，低通滤波器的时间常数T1以及滤波器增益h1和h2可以通过使用如图6中所示的车辆物理模型(等效两轮模型)来确定。这里，假设车重为m，前轮胎转弯动力为Kf，后轮胎转弯动力为Kr，前轮轴与重心之间的距离为lf，并且后轮轴与重心之间的距离为lr。然后，在所述车辆物理模型中，具体通过下列表达式给出这些量与车速V之间的关系。因而，能够使用这些关系表达式来计算低通滤波器的时间常数T1以及滤波器增益h1和h2。作为车重m，例如可以使用总车重或具有平均有效载荷的车重。低通滤波器的时间常数T1以及滤波器增益h1和h2可以作为可更新的值存储在控制单元340的非易失性存储器340B中，以便易于适应不同的车辆200。
[方程2]
h1＝b0/a12
h2＝a13/a12
T1＝a11/a12
a11＝mV
a12＝2(Kf+Kr)
Figure GDA0004087225360000071
b0＝2Kf
在步骤6中，控制单元340的处理器340A确定侧滑角β的绝对值是否大于预定角度。在此，如稍后将描述的，由于误差的累积，降低了计算侧滑能量E的精度。该预定角度是用于限制这种计算精度降低的阈值，并且可以考虑例如计算误差来确定该预定角度。当控制单元340的处理器340A确定侧滑角β的绝对值大于预定角度(“是”)时，操作前进到步骤7。另一方面，当确定侧滑角β的绝对值等于或小于预定角度(“否”)时，控制单元340的处理器340A终止该控制循环中的轮胎故障检测处理，以限制计算精度的降低。
在步骤7中，控制单元340的处理器340A通过由下列方程表达的对侧滑角β积分来计算侧滑能量E：
[方程3]
E--∫mVβdt
用于计算侧滑能量E的上述方程中的车重m可以如下地获得。然而，应当注意，以下技术仅是示例，并且可以使用其它已知技术来获得车重m。作为又一种替代方案，可以使用总车重、具有平均有效载荷的车重等作为车重m。
(1)当车辆200包括空气悬架系统时，可以基于作用在空气悬架系统上的空气压力来估计车重m。
(2)当车辆200设有用于允许驾驶员从不同的有效载荷值中选择一个有效载荷值的输入装置时，可以将所选择的有效载荷值与空车重量之和作为车重m。
(3)当车辆200包括板簧悬架系统时，可以使用压电元件来检测作用在板簧上的载荷，并且可以基于检测到的载荷来估计车重m。
(4)当车辆200设有用于测量其有效载荷的称重传感器(load cell)时，可以将由称重传感器测量到的有效载荷值与空车重量之和用作车重m。
在步骤8中，控制单元340的处理器340A确定侧滑能量E是否高于第一阈值。这里，定义该第一阈值以确定是否已发生了轮胎故障。可以考虑例如轮胎的磨损特性来适当地定义第一阈值的初始值。当确定侧滑能量E高于第一阈值(“是”)时，控制单元340的处理器340A判定已经发生轮胎故障(例如轮胎磨损)，并且操作前进到步骤9。另一方面，当确定侧滑能量E等于或低于第一阈值(“否”)时，控制单元340的处理器340A判定尚未发生轮胎故障，并且操作前进到步骤11。
在步骤9中，控制单元340的处理器340A在例如车载单元300的HMI显示器上显示发生了轮胎故障。
在步骤10中，控制单元340的处理器340A使用远程信息处理单元320将轮胎故障的发生传达到管理中心MC的服务器计算机400。除了表明发生了轮胎故障的信息之外，在这种通信中发送到服务器计算机400的数据还可以包括允许识别车辆200的标识符、控制单元340的处理器340A判定已经发生了轮胎故障时产生的侧滑能量E等。
在步骤11中，控制单元340的处理器340A确定侧滑能量E是否高于第二阈值，该第二阈值大于第一阈值。这里，第二阈值被定义为用于防止车辆200的驾驶员即使在已经识别出轮胎故障的发生之后也继续驾驶，并且可以考虑例如轮胎的特性来适当地定义该第二阈值。当确定侧滑能量E高于第二阈值(“是”)时，控制单元340的处理器340A判定存在轮胎爆胎的风险，并且操作前进到步骤12。另一方面，当确定侧滑能量E等于或低于第二阈值(“否”)时，控制单元340的处理器340A判定不存在轮胎爆胎的风险，并终止该控制循环中的轮胎故障检测处理。
在步骤12中，控制单元340的处理器340A经由通信电路340E将输出动力降低指令输出到发动机控制单元760。一旦接收到该输出动力降低指令，发动机控制单元760就通过例如降低燃料喷射量和/或延迟点火定时来降低发动机动力输出。
根据上述轮胎故障检测装置，当车辆200的偏航率r的绝对值高于预定角速度时，控制单元340根据转向角δ、偏航率r和车速V，使用表示车辆物理模型的简单估计方程来估计车辆200的侧滑角β。此外，当侧滑角β的绝对值高于预定角度时，控制单元340通过对侧滑角β进行积分来计算车辆200的侧滑能量E。
车辆200的侧滑能量E(它指示了轮胎侧滑所产生的摩擦能量)，可以用作轮胎故障的警告标志。鉴于此，在本实施例中，考虑例如轮胎的摩擦特性而将适当的值设定为第一阈值，并且控制单元340在侧滑能量E超过第一阈值时判定已经发生轮胎故障(例如轮胎磨损)。此外，当判定已经发生轮胎故障时，控制单元340使用远程信息处理单元320的功能将轮胎故障的发生传达到管理中心MC的服务器计算机400。当判定已经发生轮胎故障时，控制单元340还通过使用例如用于远程信息处理单元320的HMI通知驾驶员发生了轮胎故障。
因而，当安装在包括诸如防滑系统之类的稳定性控制系统的车辆中时，控制单元340能够通过使用来自现有转向角传感器、偏航率传感器和车速传感器的输出信号来检测是否发生了轮胎故障(例如轮胎磨损)。用于该轮胎故障检测的这些传感器不直接安装在轮胎上。因而，传感器不受旋转的轮胎的离心力或来自车辆在其上行驶的崎岖不平路面的冲击力的影响，并且能够长期使用。
此外，控制单元340还处理车辆200的驾驶员识别出轮胎故障的发生但忽略该故障并继续驾驶的情形。具体地，当侧滑能量E超过大于第一阈值的第二阈值时，所述输出动力降低命令被发送到发动机控制单元760，作为响应，车辆200的发动机动力输出降低。这降低了作用在轮胎上的驱动力，因而降低了例如轮胎爆胎的风险。另外，例如，此时仅允许车辆200的驾驶员缓慢加速。因而，预期车辆200的驾驶员在这种发动机动力输出降低的情况下继续驾驶会感到不舒服，并且在轮胎爆胎实际发生之前进行轮胎维修。
这将参考图7进一步描述，其中横轴表示侧滑能量，纵轴表示轮胎受损程度。当侧滑能量超过阈值A时，轮胎受损程度超过80％并且需要更换轮胎。当侧滑能量超过比阈值A大的阈值B时，可能随时发生轮胎爆胎。在这种情况下，如上所述，降低发动机动力输出，并且轮胎爆胎的风险能够降低一定的量。
图8示出了管理中心MC的服务器计算机400响应于来自车辆200的轮胎故障通知，通过遵循存储在存储装置400E中的控制程序执行的示例性数据库更新处理。这里，在服务器计算机400的存储装置400E中，创建了如图9中所示的数据库。具体地，数据库中存储有以下记录：每条记录都与允许车辆识别的标识符、轮胎类型、用于在故障确定中使用的阈值(第一阈值)、侧滑能量的估计值以及轮胎的状态相关联。侧滑能量E的初始估计值可以例如被设定为零，这表明轮胎是新的并且未使用。
在步骤21中，服务器计算机400的处理器400A参考在存储装置400E中创建的数据库，并且识别与被包括在从车辆200发送的数据中的标识符相关联的记录。
在步骤22中，服务器计算机400的处理器400A用被包括在从车辆200传输的数据中的侧滑能量E来更新在步骤21中识别出的记录中的侧滑能量的估计值。另外，服务器计算机400的处理器400A用“故障”来更新在步骤21中识别出的记录中的轮胎状态。
在上述数据库更新处理中，服务器计算机400的处理器400A响应于来自车辆200的轮胎故障通知来更新侧滑能量的估计值以及车辆200的轮胎状态。这允许管理者(例如运输公司中的管理者)在后勤办公室BO中工作，从而例如随时通过操作个人计算机500并登录管理中心MC的服务器计算机400来了解由公司所管理的每辆车的轮胎状态。
然后，当任一车辆200的轮胎状态为“故障”时，管理者(例如运输公司中的管理者)可以确定该车辆200需要轮胎维修，并使用远程信息处理服务将车辆200召回给经销商等。管理者(例如运输公司中的管理者)可以基于在轮胎维修期间用数字轮胎磨损计等测量出的实际轮胎磨损状态以及在已经发生轮胎故障时产生时的侧滑能量来更新用于故障确定的所述第一阈值。此时，管理者(例如运输公司中的管理者)请求管理中心MC更新数据库。
一旦接收到数据库更新请求，管理中心MC就更新服务器计算机400中的数据库，并使用远程信息处理服务将阈值更新请求发送到车辆200。一旦接收到该阈值更新请求，车辆200就更新用于在轮胎故障确定处理中使用的第一阈值。第一阈值可以存储在非易失性存储器340B中，以便能够随时更新。
也可以如下所述地利用车辆200的侧滑能量E。当车辆200以预定的时间间隔发送侧滑能量E时，管理中心MC的服务器计算机400在数据库中依次存储车辆200的侧滑能量E的时间序列值。管理者(例如运输公司中的管理者)参考服务器计算机400中的数据库，并且能够识别出其侧滑能量E处于上升趋势中的任何车辆200。另外，管理者(例如运输公司中的管理者)能够向车辆200的驾驶员提供将以使轮胎上的应力最小化的方式进行驾驶的指令。这鼓励了车辆200的驾驶员以较小的侧滑能量E行驶，并且还将改善车辆200的燃料经济性。
当在经销商等进行轮胎维修之后，即使侧滑能量E低于第一阈值时车辆还是发生轮胎故障时，这可以被认为是最坏情况。管理者(例如运输公司中的管理者)可以将这种最坏情况数据与每个车辆200的侧滑能量E的估计值进行比较，并将具有接近所述最坏情况数据的侧滑能量E的任何车辆200召回给经销商等，以进行轮胎维修。当轮胎在以较小的侧滑能量E行驶时出现故障时，轮胎可能有某种缺陷，并且可能是被召回的轮胎。因而，管理者(例如运输公司中的管理者)可以通过参考数据库对此进行检查。作为响应，轮胎的制造商使用由运输公司等提供的数据来检查该轮胎是否正被召回，并根据需要采取适当的措施。
在上述实施例中，轮胎故障检测装置由控制单元340实现。然而，替代地，可以使用远程信息处理单元320实现轮胎故障检测装置。在这种情况下，远程信息处理单元320可以经由车载网络至少获取转向角δ和偏航率r。
作为又一替代方案，控制单元340可以参考如图7中所示的示出了侧滑能量和轮胎受损程度之间的关系的曲线图，并且在用于远程信息处理单元320的HMI上以诸如图10中所示的条形图的形式显示基于侧滑能量E计算出的轮胎受损程度。这允许车辆200的驾驶员随时检查轮胎受损程度。
与例如轿车相比，卡车的轮轴布局的种类更多。因而，当车辆200是卡车时，可能无法通过上述方法准确地计算车辆200的侧滑角β和侧滑能量E。因而，当车辆200是卡车时，可以通过根据卡车的轮轴布局将车身的重心的侧滑角β分配到轮胎来计算车辆200的侧滑能量E，如以下变型中所述。
<变型1>
当车辆200是具有一个前轮轴以及每个都装配有两个轮胎的双后轮轴的卡车时，如图11中所示，车辆200的物理模型可以在图12中示出。在这种车辆物理模型中，假定前轮胎胎距(tread)为df，外侧后轮胎胎距为dro，内侧后轮胎胎距为dri，前轮轴与重心之间的距离为lf，更向前的后轮轴与重心之间的距离为lr1，并且更向后的后轮轴与重心之间的距离为lr2。然后，可以通过下列方程计算左前轮胎的侧滑角βf1和右前轮胎的侧滑角βf2：
[方程4]
Figure GDA0004087225360000131
Figure GDA0004087225360000132
更向前的外侧左后轮胎的侧滑角βr11、更向前的内侧左后轮胎的侧滑角βr12、更向前的内侧右后轮胎的侧滑角βr13以及更向前的外侧右后轮胎的侧滑角βr14可以通过下列方程计算：
[方程5]
Figure GDA0004087225360000141
Figure GDA0004087225360000142
Figure GDA0004087225360000143
Figure GDA0004087225360000144
更向后的外侧左后轮胎的侧滑角βr21、更向后的内侧左后轮胎的侧滑角βr22、更向后的内侧右后轮胎的侧滑角βr23以及更向后的外侧右后轮胎的侧滑角βr24可以通过下列方程计算：
[方程6]
Figure GDA0004087225360000145
Figure GDA0004087225360000146
Figure GDA0004087225360000147
Figure GDA0004087225360000148
当车辆200为上述车辆时，侧滑能量E可以通过以下方程使用每个轮胎的侧滑角来计算，并用作轮胎故障的警告标志。
[方程7]
Figure GDA0004087225360000149
<变型2>
当车辆200是具有两个前轮轴以及每个都装配有两个轮胎的双后轮轴的卡车时，如图13中所示，车辆200的物理模型可以在图14中示出。在该车辆物理模型中，假定前轮胎胎距为df，外侧后轮胎胎距为dro，内侧后轮胎胎距为dri，更向前的前轮轴与重心之间的距离为lf1，更向后的前轮轴与重心之间的距离为lf2，更向前的后轮轴与重心之间的距离为lr1，并且更向后的后轮轴与重心之间的距离为lr2。然后，可以通过下列方程计算更向前的左前轮胎的侧滑角βf11、更向后的右前轮胎的侧滑角βf12、更向后的左前轮胎的侧滑角βf21以及更向后的右前轮胎的侧滑角βf22：
[方程8]
Figure GDA0004087225360000151
Figure GDA0004087225360000152
Figure GDA0004087225360000153
Figure GDA0004087225360000154
可以通过下列方程计算更向前的外侧左后轮胎的侧滑角βr11、更向前的内侧左后轮胎的侧滑角βr12、更向前的内侧右后轮胎的侧滑角βr13以及更向前的外侧右后轮胎的侧滑角βr14：
[方程9]
Figure GDA0004087225360000155
Figure GDA0004087225360000156
Figure GDA0004087225360000157
Figure GDA0004087225360000158
可以通过下列方程计算更向后的外侧左后轮胎的侧滑角βr21、更向后的内侧左后轮胎的侧滑角βr22、更向后的内侧右后轮胎的侧滑角βr23以及更向后的外侧右后轮胎的侧滑角βr24：
[方程10]
Figure GDA0004087225360000159
Figure GDA00040872253600001510
Figure GDA00040872253600001511
Figure GDA00040872253600001512
当车辆200为上述车辆时，侧滑能量E可以通过以下方程使用每个轮胎的侧滑角来计算，并用作轮胎故障的警告标志。
[方程11]
Figure GDA0004087225360000161
<变型3>
当车辆200是包括挂车260和牵引车220(该牵引车220具有一个前轮轴和装配有双轮胎的一个后轮轴)的半挂卡车时，如图15中所示，牵引车220牵引挂车260，该挂车260经由第五轮(联接器)240联接到牵引车220，并受到挂车260的影响。鉴于此，可以定义半挂卡车的分析模型，如图16中所示，该模型的不同于用于卡车的模型，每个卡车都不包括拖曳挂车260。可以通过将如图17中所示的离散时间卡尔曼滤波器应用于这种分析模型来计算牵引车220的侧滑角。
在用于半挂卡车的这种分析模型中，假定牵引车220的前轮轴与重心之间的距离为a，第五轮240与挂车260的重心之间的距离为a1，牵引车220的后轮轴与其重心之间的距离为b，挂车260的后轮轴与其重心之间的距离为b1，第五轮240与牵引车220的重心之间的距离为c，牵引车220的轴距为l，挂车260的轴距为l1，牵引车220的质量为m，挂车260的质量为m1，牵引车220的前轮胎转弯动力为Cf，牵引车220的后轮胎转弯动力为Cr，挂车260的转弯动力为C1，牵引车220的偏航惯性矩为I，挂车260的偏航惯性矩为I1，牵引车220的重心的横向速度为v，牵引车220的转向角为δ，挂车260的偏航角为r1，第五轮240的角速度为ω，第五轮240的角为θ，并且车速为u。然后，表示半挂卡车的运动的状态方程可以表达为：
[方程12]
x＝[v r ω θ]T
y＝Cx
A＝M-1A0
B＝M-1B0
Figure GDA0004087225360000171
Figure GDA0004087225360000172
Figure GDA0004087225360000173
Figure GDA0004087225360000174
其中，x是状态变量，A是系统矩阵，B是控制矩阵，M-1是逆质量矩阵，A0是阻尼矩阵，并且B0是外力矩阵。
上述运动方程是涉及线性近似的连续时间联立微分方程。因而，使用上述运动方程计算出的侧滑角将与使用侧滑角传感器测得的实际侧滑角明显不同。这是因为运动方程涉及线性近似，并且没有为计算过程中使用的值建立反馈回路。此外，考虑到控制单元340的处理器340A计算侧滑角，应将运动方程变换为离散时间方程。
通过离散化所述系统矩阵A和控制矩阵B，给出下列差分方程，其中，T表示采样时间，并且I表示单位矩阵：
[方程13]
x(k+1)＝Adx(k)+Bdu(k)
Figure GDA0004087225360000175
Figure GDA0004087225360000176
Bd＝EdTB
为了在上述差分方程中建立反馈回路，计算卡尔曼滤波器增益K。卡尔曼滤波器增益K是基于以下Riccati方程的解来计算的：
[方程14]
Figure GDA0004087225360000181
K＝(R+CTPC)-1CTPAd
其中，Q表示扰动方差矩阵，并且R表示观察到的噪声方差矩阵。
在上述Riccati方程中，P表示误差协方差矩阵。使用如此计算的反馈增益K，可以通过以下方程来计算所估计的状态变量x：
[方程15]
xhat(k+1)＝(Ad-KC)xhat(k)+Ky(k)+Bdu(k)
使用所估计的状态变量x，可以通过以下方程计算侧滑角β：
[方程16]
x(k)＝[x1 x2 x3 x4]T＝[v r ω θ]T
Figure GDA0004087225360000182
图18和图19均示出了半挂卡车进行单车道变换时的所估计的侧滑角的时间序列响应。在图18和图19中，用实线绘出了侧滑角的模拟结果，并且用虚线绘出了使用卡尔曼滤波器估计的侧滑角。
图18示出了在没有叠加噪声的情况下的偏航率传感器720的输出信号，其中，下列变量中的每一个变量都取标称(平均)值：牵引车220的质量m，牵引车220的偏航惯性矩I，转弯动力Cf、Cr、C1，牵引车220的前轮轴与其重心之间的距离a，牵引车220的后轮轴与其重心之间的距离b，第五轮240与挂车260的重心之间的距离a1，挂车260的后轮轴与其重心之间的距离b1，以及挂车260的质量m1，挂车260的偏航惯性矩I1。在图18中，实线与虚线相一致。因而，可以理解，令人满意地估计了侧滑角。
图19示出了在叠加了噪声的情况下的偏航率传感器720的输出信号的估计值，其中，挂车260的质量m1和偏航惯性矩I1包括10％的误差。参考图19，即使挂车260的质量m1和偏航惯性矩I1包括误差，并且即使在偏航率传感器720的输出信号上叠加了噪声，但实线和虚线之差也落在对应于10％误差的范围内。因而，能够理解，离散时间卡尔曼滤波器令人满意地起作用。
接下来，使用如上所述地计算出的侧滑角β，将计算与挂车260联接的牵引车220的每个轮胎的侧滑角。在如图20中所示的用于牵引车220的物理模型中，假定前轮胎胎距为df，外侧后轮胎胎距为dro，内侧后轮胎胎距为dri，前轮轴与车身重心之间的距离为lf，并且后轮轴与车身重心之间的距离为lr。则可以通过下列方程计算左前轮胎的侧滑角βf1和右前轮胎的侧滑角βf2。
[方程17]
Figure GDA0004087225360000191
Figure GDA0004087225360000192
可以通过下列方程计算外侧左后轮胎的侧滑角βr1、内侧左后轮胎的侧滑角βr2、内侧右后轮胎的侧滑角βr3以及外侧右后轮胎的侧滑角βr4：
[方程18]
Figure GDA0004087225360000193
Figure GDA0004087225360000194
Figure GDA0004087225360000195
Figure GDA0004087225360000196
当车辆200是如上所述的牵引车时，侧滑能量E可以使用每个轮胎的侧滑角通过以下方程来计算，并用作轮胎故障的警告信号。
[方程19]
Figure GDA0004087225360000197
当车辆200是如上所述的半挂卡车时，可以通过以下方式来来计算牵引车220的侧滑能量E：首先，使用离散时间卡尔曼滤波器估计牵引车220的重心处的侧滑角δ，然后，使用如此估计的牵引车220的重心处的侧滑角δ来计算每个轮胎的侧滑角。
附图标记列表
340 控制单元
380 无线电单元
700 转向角传感器
720 偏航率传感器
740 车速传感器
760 发动机控制单元

Claims (13)

1.一种轮胎故障检测装置，包括：
转向角传感器，所述转向角传感器用于感测转向角；
偏航率传感器，所述偏航率传感器用于感测偏航率；以及
控制单元，其中
所述控制单元基于所述转向角传感器的输出信号、所述偏航率传感器的输出信号和车速来计算侧滑角，并且所述控制单元基于所述侧滑角、车速和车重来计算侧滑能量，其中，所述侧滑能量指示了轮胎侧滑所产生的摩擦能量，并且
所述控制单元在所述侧滑能量超过第一阈值时确定轮胎中已经发生了故障。
2.根据权利要求1所述的轮胎故障检测装置，其中，所述控制单元通过以下方式来计算所述侧滑角：从通过将第一低通滤波器应用于所述转向角传感器的所述输出信号获得的值减去通过将第二低通滤波器应用于所述偏航率传感器的所述输出信号获得的值。
3.根据权利要求1或2所述的轮胎故障检测装置，其中，所述控制单元在所述侧滑角的绝对值大于预定角度时计算所述侧滑能量。
4.根据权利要求1或2所述的轮胎故障检测装置，还包括：
无线电单元，所述无线电单元用于外部无线电通信，
其中，当所述控制单元确定轮胎中已经发生了故障时，所述控制单元经由所述无线电单元向外部传达所述故障的发生。
5.根据权利要求4所述的轮胎故障检测装置，其中，所述控制单元根据经由所述无线电单元从外部接收的数据来更新所述第一阈值。
6.根据权利要求1或2所述的轮胎故障检测装置，其中，当所述侧滑能量超过比所述第一阈值大的第二阈值时，所述控制单元向用于电子地控制发动机的发动机控制单元发送输出动力降低命令。
7.一种轮胎故障检测方法，包括：使能够获取用于感测转向角的转向角传感器的输出信号和用于感测偏航率的偏航率传感器的输出信号的控制单元进行以下动作：
基于所述转向角传感器的所述输出信号、所述偏航率传感器的所述输出信号和车速来计算侧滑角，并且基于所述侧滑角、车速和车重来计算侧滑能量，其中，所述侧滑能量指示了轮胎侧滑所产生的摩擦能量；并且
在所述侧滑能量超过第一阈值时确定轮胎中已经发生了故障。
8.根据权利要求7所述的轮胎故障检测方法，其中，所述控制单元通过以下方式来计算所述侧滑角：从通过将第一低通滤波器应用于所述转向角传感器的所述输出信号获得的值减去通过将第二低通滤波器应用于所述偏航率传感器的所述输出信号获得的值。
9.根据权利要求7或8所述的轮胎故障检测方法，其中，所述控制单元在所述侧滑角的绝对值大于预定角度时计算所述侧滑能量。
10.根据权利要求7或8所述的轮胎故障检测方法，其中，当所述控制单元确定轮胎中已经发生了故障时，所述控制单元经由用于外部无线电通信的无线电单元向外部传达所述故障的发生。
11.根据权利要求10所述的轮胎故障检测方法，其中，所述控制单元根据经由所述无线电单元从外部接收的数据来更新所述第一阈值。
12.根据权利要求7或8所述的轮胎故障检测方法，其中，当所述侧滑能量超过比所述第一阈值大的第二阈值时，所述控制单元向用于电子地控制发动机的发动机控制单元发送输出动力降低命令。
13.一种计算机可读存储介质，其记录用于使计算机执行以下步骤的轮胎故障检测程序：
基于转向角传感器的输出信号、偏航率传感器的输出信号和车速来计算侧滑角，并且基于所述侧滑角、车速和车重来计算侧滑能量，其中，所述侧滑能量指示了轮胎侧滑所产生的摩擦能量；并且
当所述侧滑能量超过阈值时确定轮胎中已经发生了故障。
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