CN112429008B - 一种轮胎垂向力估算系统及其估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮胎垂向力估算系统及其估算方法，包括加速度传感器、轮速传感器、胎压传感器、轮胎接地角度估算模块和轮胎垂向力估算模块，所述轮胎接地角度估算模块通过加速度传感器和轮速传感器采集的信号估算轮胎接地角度值，所述轮胎垂向力估算模块通过轮胎接地角度估算模块估算的轮胎接地角度值和胎压传感器估算得到实时的轮胎垂向力值。有益效果：本发明估算轮胎接地角度精确度高，运算速度快；通过建立轮胎模型估算垂向力，拓宽了垂向力估算的适用范围，并且估算结果能够较为准确的反映轮胎垂向力随接地角度的变化，实时性高，运算速度快，辨识参数少，并且能应用于车辆动力学控制，提高汽车的操纵稳定性。

Description

一种轮胎垂向力估算系统及其估算方法

技术领域

本发明涉及一种汽车轮胎垂直方向载荷的估算系统及其估算方法，特别一种轮胎垂向力估算系统及其估算方法，属于车辆轮胎研究技术领域。

背景技术

轮胎是汽车与道路接触的唯一部件，传递着车辆运动所需的力和力矩，轮胎与路面相互作用产生的力和力矩对车辆的正常行驶起到重要作用，轮胎的垂向力能够在一定程度上反应汽车的行驶平顺性、稳定性和制动性。先前的研究中，轮胎力的估计大都是基于车辆动力学模型，自从传感技术的发展，在轮胎上安装传感器进行轮胎力的估计受到了越来越多的关注。

神经网络模型、模糊逻辑控制系统这类方法需要对每一个轮胎进行建模，仅仅只能预测某一特定轮胎垂向力，由于轮胎结构不同，预测精度也有差异，不具有普适性，这两种方法是间接估计轮胎垂向力，不能随车安装；通过多项式拟合估计垂向力，由于轮胎具有很强的非线性，导致轮胎特性很难被拟合出来，造成一定的误差。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种轮胎垂向力估算系统及其估算方法。通过建立轮胎模型对轮胎垂向力进行估算，实时性好，运算速度快，并且能有效提高轮胎垂向力的估算精度。

技术方案：一种轮胎垂向力估算系统，包括加速度传感器、轮速传感器、胎压传感器、轮胎接地角度估算模块和轮胎垂向力估算模块，所述轮胎接地角度估算模块通过加速度传感器和轮速传感器采集的信号估算轮胎接地角度值，所述轮胎垂向力估算模块通过轮胎接地角度估算模块估算的轮胎接地角度值和胎压传感器估算得到实时的轮胎垂向力值。

进一步、所述加速度传感器为MEMS加速度计，所述MEMS加速度计沿轮胎纵向方向设置，设置在轮胎内衬层与其中心线交汇处。

一种轮胎垂向力估算系统的估算方法，包括以下步骤：

步骤一、估算轮胎接地角度，轮胎接地角度估算模块根据加速度传感器采集的加速度信号和轮速传感器采集的车轮角速度值估算轮胎接地角度；

步骤二、估算轮胎垂向力值，根据轮胎模型的轮胎接地角度值与垂向力的关系得到轮胎垂向力值；

步骤三、根据步骤二得到的轮胎垂向力值发送到整车控制系统中，对车辆进行实时监测。

进一步、所述步骤一中估算轮胎接地角度的方法如下：

S1、所述轮胎接地角度估算模块采集到加速度传感器加速度信号时，计算加速度曲线两个峰值之间的时间间隔t₁；

S2、对加速度信号进行求导处理，计算加速度导数曲线两个峰值之间的时间间隔t₂；

S3、结合所述步骤S1和步骤S2中计算的时间间隔，求取时间间隔的均值，根据轮速传感器(2)采集的车轮角速度值，估算轮胎接地角度φ：

式中，Ω为车轮角速度。

进一步、所述步骤二中估算轮胎垂向力值的方法如下：

轮胎的变形由带束层薄圆环的变形和胎面橡胶的变形两部分组成，

带束层薄圆环的径向变形w(φ)与胎面径向变形κ(φ)的几何关系表示为：

式中：d₀为轮胎的下沉量，φ为轮胎接地角度，

是轮胎胎面和内衬层之和的平均值，φ_f为前接地角度，φ_r为后接地角度，

由于轮胎接地区域较小，cosφ≈1，

故将式(2)简化为

则自由滚动状态下轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)为：

式中：k_Et是轮胎胎面径向弹簧的刚度；

由于轮胎在接地区域的前接地角度φ_f和后接地角度φ_r处满足q_w(φ_f)＝q_w(φ_r)＝0，因此轮胎胎面的径向变形满足κ(φ_f)＝κ(φ_r)＝0，可以得到轮胎下沉量的表达式：

由于轮胎的接地区域是前接地角度φ_f和后接地角度φ_r所包括的区域，也是轮胎接地角度φ包括的区域，且在接地区域内对应某一具体轮胎接地角度φ₀对应的角度上的轮胎径向方向的接地压力分布为q_w(φ₀)(φ_f≤φ₀≤φ_r)，则由q_w(φ₀)作用下的全部位移可以表达为：

式中，A_n1和γ_n为受旋转车轮的质量、离心力和阻尼共同影响所需要的不同计算参数，它们均取决于轮胎的实际情况，不同的轮胎其对应的A_n1和γ_n也均不同，但是可以通过轮胎试验辨识得到，且

其中，n为模态阶数，取值为0-N；

由于轮胎接地印迹的前角和后角处的压力为0，所以该柔性环模型满足以下边界条件：

式中，φ_r为轮胎后接地角度，φ_f为轮胎前接地角度，F_Z为给定垂向载荷；

式(3)表达了轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)与薄圆环径向变形w(φ)的几何关系，式(5)表达了径向变形w(φ)与轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)的动力学关系，因此，结合式(3)、(5)和(6)，便可以得到以下线性代数方程：

其中，α＝{α₁,…α_i,…α_n}^T；β＝{β₁,…β_i,…β_n}^T；A,B,C,D是N×N的矩阵，E,F是N×1阶向量，矩阵A,B,C,D和向量E,F是由轮胎前、后接地角度φ_f,φ_r和系数A_n1组成的计算式；

基于轮胎模型的参数已知条件下，首先，给出初始轮胎接地角度的前接地角度和后接地角度，代入到线性代数方程式(8)中，求解矩阵α和β；其次，把α和β代入到式(5)中，求解轮胎薄圆环的径向变形；再次，根据方程(2)求解的薄圆环径向变形得到胎面径向变形；然后，再依据方程(3)得到轮胎径向方向的接地压力分布；然后，依据方程(9)对轮胎接地角度内的径向方向的接地压力分布进行积分求得轮胎的垂向载荷F_zs；再后，依据方程(7)来判断求得的垂向载荷F_zs与给定垂向载荷F_z是否满足误差最小化，若满足方程(7)判断条件，则输出该接地角度，若不满足判定条件，则对初始轮胎接地角度的前接地角度和后接地角度再加上一个小的增量，再次进行计算，如此迭代下去，直至满足方程(7)的判断条件，便可以求得该给定垂向载荷下的前接地角度φ_f和后接地角度φ_r；

由轮胎柔性环模型通过积分求得的轮胎垂向力F_zs与轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)的关系：

得到轮胎的垂向载荷F_zs。

有益效果：本发明建立的垂向力估计模块根据所采集的加速度值、转角值，估算轮胎接地角度精确度高，运算速度快；通过建立轮胎模型估算垂向力，拓宽了垂向力估算的适用范围，并且估算结果能够较为准确的反映轮胎垂向力随接地角度的变化，实时性高，运算速度快，辨识参数少，并且能应用于车辆动力学控制，提高汽车的操纵稳定性。

附图说明

图1为本发明垂向力估算的流程示意图；

图2为本发明估算轮胎垂向力值的模型图；

图3为本发明轮胎前、后接地角度估算流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种轮胎垂向力估算系统，包括加速度传感器1、轮速传感器2、胎压传感器3、轮胎接地角度估算模块4和轮胎垂向力估算模块5，所述轮胎接地角度估算模块4通过加速度传感器1和轮速传感器2采集的信号估算轮胎接地角度值，所述轮胎垂向力估算模块5通过轮胎接地角度估算模块4估算的轮胎接地角度值和胎压传感器3估算得到实时的轮胎垂向力值。

所述加速度传感器1为MEMS加速度计，所述MEMS加速度计沿轮胎纵向方向设置，设置在轮胎内衬层与其中心线交汇处。

一种轮胎垂向力估算系统的估算方法，包括以下步骤：

步骤一、估算轮胎接地角度，轮胎接地角度估算模块(4)根据加速度传感器(1)采集的加速度信号和轮速传感器(2)采集的车轮角速度值估算轮胎接地角度；

步骤二、估算轮胎垂向力值，根据轮胎模型的轮胎接地角度值与垂向力的关系得到轮胎垂向力值；

步骤三、根据步骤二得到的轮胎垂向力值发送到整车控制系统中，对车辆进行实时监测。

所述步骤一中估算轮胎接地角度的方法如下：

S1、所述轮胎接地角度估算模块4采集到加速度传感器1加速度信号时，计算加速度曲线两个峰值之间的时间间隔t1；

S2、对加速度信号进行求导处理，计算加速度导数曲线两个峰值之间的时间间隔t2；

S3、结合所述步骤S1和步骤S2中计算的时间间隔，求取时间间隔的均值，根据轮速传感器2采集的车轮角速度值，估算轮胎接地角度φ：

式中，Ω为车轮角速度。

如图2所示，所述步骤二中估算轮胎垂向力值的方法如下：

轮胎与地面的接触过程中，轮胎的变形由两部分组成：一是带束层薄圆环的变形，二是胎面橡胶的变形。为了简化计算，以轮胎上的某一接触点为例，假设自由滚动时轮胎的接地压力分布都集中在径向方向上，把胎面只简化为围绕带束层周向分布的径向弹簧，因此轮胎的径向接地压力可以表示为胎面径向弹簧的变形与弹簧刚度的乘积。

带束层薄圆环的径向变形w(φ)与胎面径向变形κ(φ)的几何关系表示为：

式中：d₀为轮胎的下沉量，φ为轮胎接地角度，

是轮胎胎面和内衬层之和的平均值，φ_f为前接地角度，φ_r为后接地角度，

由于轮胎接地区域较小，cosφ≈1，

故将式(2)简化为

则自由滚动状态下轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)为：

式中：k_Et是轮胎胎面径向弹簧的刚度；

由于轮胎在接地区域的前接地角度φ_f和后接地角度φ_r处满足q_w(φ_f)＝q_w(φ_r)＝0，因此轮胎胎面的径向变形满足κ(φ_f)＝κ(φ_r)＝0，可以得到轮胎下沉量的表达式：

由于轮胎的接地区域是前接地角度φ_f和后接地角度φ_r所包括的区域，也是轮胎接地角度φ包括的区域，且在接地区域内对应某一具体轮胎接地角度φ₀对应的角度上的轮胎径向方向的接地压力分布为q_w(φ₀)(φ_f≤φ₀≤φ_r)，则由q_w(φ₀)作用下的径向变形可以表达为：

式中，A_n1和γ_n为受旋转车轮的质量、离心力和阻尼共同影响所需要的不同计算参数，它们均取决于轮胎的实际情况，不同的轮胎其对应的A_n1和γ_n也均不同，但是可以通过轮胎试验辨识得到，且

其中，n为模态阶数，取值为0-N。

由于轮胎接地印迹的前角和后角处的压力为0，所以该柔性环模型满足以下边界条件：

式中，φ_r为轮胎后接地角度，φ_f为轮胎前接地角度，F_Z为给定垂向载荷；

式(3)表达了轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)与薄圆环径向变形w(φ)的几何关系，式(5)表达了径向变形w(φ)与轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)的动力学关系，因此，结合式(3)、(5)和(6)，便可以得到以下线性代数方程(8)：

其中，α＝{α₁,…α_i,…α_n}^T；β＝{β₁,…β_i,…β_n}^T；A,B,C,D是N×N的矩阵，E,F是N×1阶向量，矩阵A,B,C,D和向量E,F是由轮胎前、后接地角度φ_f,φ_r和系数A_n1组成的计算式；

基于轮胎模型的参数已知条件下，首先，给出初始轮胎接地角度的前接地角度和后接地角度，代入到线性代数方程式(8)中，求解矩阵α和β；其次，把α和β代入到式(5)中，求解轮胎薄圆环的径向变形；再次，根据方程(2)求解的薄圆环径向变形得到胎面径向变形；然后，再依据方程(3)得到轮胎径向方向的接地压力分布；然后，依据方程(9)对轮胎接地角度内的径向方向的接地压力分布进行积分求得轮胎的垂向载荷F_zs；再后，依据方程(7)来判断求得的垂向载荷F_zs与给定垂向载荷F_z是否满足误差最小化，若满足方程(7)判断条件，则输出该接地角度，若不满足判定条件，则对初始轮胎接地角度的前接地角度和后接地角度再加上一个小的增量，再次进行计算，如此迭代下去，直至满足方程(7)的判断条件，便可以求得该给定垂向载荷下的前接地角度φ_f和后接地角度φ_r；

由轮胎柔性环模型通过积分求得的轮胎垂向力F_zs与轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)的关系：

得到轮胎的垂向载荷F_zs。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种轮胎垂向力估算系统，其特征在于：包括加速度传感器(1)、轮速传感器(2)、胎压传感器(3)、轮胎接地角度估算模块(4)和轮胎垂向力估算模块(5)，所述轮胎接地角度估算模块(4)通过加速度传感器(1)和轮速传感器(2)采集的信号估算轮胎接地角度值，所述轮胎垂向力估算模块(5)通过轮胎接地角度估算模块(4)估算的轮胎接地角度值和胎压传感器(3)估算得到实时的轮胎垂向力值；

估算方法包括以下步骤：

步骤一、估算轮胎接地角度，轮胎接地角度估算模块(4)根据加速度传感器(1)采集的加速度信号和轮速传感器(2)采集的车轮角速度值估算轮胎接地角度；

估算轮胎接地角度的方法如下：

S1、所述轮胎接地角度估算模块(4)采集到加速度传感器(1)加速度信号时，计算加速度曲线两个峰值之间的时间间隔t₁；

S2、对加速度信号进行求导处理，计算加速度导数曲线两个峰值之间的时间间隔t₂；

S3、结合所述步骤S1和步骤S2中计算的时间间隔，求取时间间隔的均值，根据轮速传感器(2)采集的车轮角速度值，估算轮胎接地角度φ：

式中，Ω为车轮角速度；

步骤二、估算轮胎垂向力值，根据轮胎模型的轮胎接地角度值与垂向力的关系得到轮胎垂向力值；

估算轮胎垂向力值的方法如下：

轮胎的变形由带束层薄圆环的变形和胎面橡胶的变形两部分组成，

带束层薄圆环的径向变形w(φ)与胎面径向变形κ(φ)的几何关系表示为：

式中：d₀为轮胎的下沉量，φ为轮胎接地角度，

是轮胎胎面和内衬层之和的平均值，φ_f为前接地角度，φ_r为后接地角度；

由于轮胎接地区域较小，cosφ≈1，

故将式(2)简化为

则自由滚动状态下轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)为：

式中：k_Et是轮胎胎面径向弹簧的刚度；

由于轮胎在接地区域的前接地角度φ_f和后接地角度φ_r处满足q_w(φ_f)＝q_w(φ_r)＝0，因此轮胎胎面的径向变形满足κ(φ_f)＝κ(φ_r)＝0，可以得到轮胎下沉量的表达式：

由于轮胎的接地区域是前接地角度φ_f和后接地角度φ_r所包括的区域，也是轮胎接地角度φ所包括的区域，且在接地区域内对应某一具体轮胎接地角度φ₀对应的角度上的轮胎径向方向的接地压力分布为q_w(φ₀)(φ_f≤φ₀≤φ_r)，则由q_w(φ₀)作用下的径向变形可以表达为：

式中，A_n1和γ_n为受旋转车轮的质量、离心力和阻尼共同影响所需要的不同计算参数，它们均取决于轮胎的实际情况，不同的轮胎其对应的A_n1和γ_n也均不同，但是可以通过轮胎试验辨识得到，且

其中，n为模态阶数，取值为0-N；

由于轮胎接地印迹的前角和后角处的压力为0，所以该柔性环模型满足以下边界条件：

式中，φ_r为轮胎后接地角度，φ_f为轮胎前接地角度，F_Z为给定垂向载荷；

式(3)表达了轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)与薄圆环径向变形w(φ)的几何关系，式(5)表达了径向变形w(φ)与轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)的动力学关系，因此，结合式(3)、(5)和(6)，便可以得到以下线性代数方程(8)：

其中，α＝{α₁,…α_i,…α_n}^T；β＝{β₁,…β_i,…β_n}^T；A,B,C,D是N×N的矩阵，E,F是N×1阶向量，矩阵A,B,C,D和向量E,F是由轮胎前、后接地角度φ_f,φ_r和系数A_n1组成的计算式；

基于轮胎模型的参数已知条件下，首先，给出初始轮胎接地角度的前接地角度和后接地角度，代入到线性代数方程式(8)中，求解矩阵α和β；其次，把α和β代入到式(5)中，求解轮胎薄圆环的径向变形；再次，根据方程(2)求解的薄圆环径向变形得到胎面径向变形；然后，再依据方程(3)得到轮胎径向方向的接地压力分布；然后，依据方程(9)对轮胎接地角度内的径向方向的接地压力分布进行积分求得轮胎的垂向载荷F_zs；再后，依据方程(7)来判断求得的垂向载荷F_zs与给定垂向载荷F_z是否满足误差最小化，若满足方程(7)判断条件，则输出该接地角度，若不满足判定条件，则对初始轮胎接地角度的前接地角度和后接地角度再加上一个小的增量，再次进行计算，如此迭代下去，直至满足方程(7)的判断条件，便可以求得该给定垂向载荷下的前接地角度φ_f和后接地角度φ_r；

由轮胎柔性环模型通过积分求得的轮胎垂向力F_zs与轮胎径向方向的接地压力分布q_w(φ)的关系：

得到轮胎的垂向载荷F_zs；

步骤三、根据步骤二得到的轮胎垂向力值发送到整车控制系统中，对车辆进行实时监测。

2.根据权利要求1所述的轮胎垂向力估算系统，其特征在于：所述加速度传感器(1)为MEMS加速度计，所述MEMS加速度计沿轮胎纵向方向设置，设置在轮胎内衬层与其中心线交汇处。

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