CN113226880A

CN113226880A - 用于在考虑后轮轮胎侧偏角的情况下对单轮辙机动车进行牵引力控制的方法

Info

Publication number: CN113226880A
Application number: CN201980085542.4A
Authority: CN
Inventors: M·海德里希; J·兰克
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2039-12-02
Also published as: EP3914495B1; US20220073041A1; EP3914495A1; DE102019101392A1; WO2020151860A1; CN113226880B; US11731596B2

Abstract

本发明涉及一种用于确定单轮辙机动车后轮的轮胎侧偏角λ_r的方法，以便通过控制回路对单轮辙机动车的后轮进行牵引力控制，后轮的轮胎侧偏角λ_r作为控制回路的反馈参数通过三个基于模型的步骤中的至少一个确定，通过三个步骤之一确定的轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2或λ_r3代表轮胎侧偏角λ_r，或者轮胎侧偏角λ_r由所述轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2和λ_r3中的至少两个确定。

Description

用于在考虑后轮轮胎侧偏角的情况下对单轮辙机动车进行牵引力控制的方法

技术领域

本发明涉及一种用于对单轮辙机动车进行牵引力控制的方法。

背景技术

在现有技术中已知用于对双轮辙机动车、如轿车以及对单轮辙机动车、如摩托车进行牵引力控制的不同方法。牵引力控制也称为牵引力滑动控制(ASR)或自动滑动控制，其中市场上广泛使用的不同牵引力控制系统都有供应商特定的名称。

牵引力控制尤其是可在突然加速过程中或在具有低静摩擦力的表面上如在冰、雪、砾石或潮湿路面上防止驱动轮并且因此在摩托车的情况下防止后轮打滑和车辆侧滑。

为此，通过牵引力控制，通过干预发动机管理来有针对性地影响后轮上的驱动力矩并由此影响发动机的驱动力。

现有技术中已知的牵引力控制方法在机动车中大多只基于车轮打滑、即驱动轮的转速与(假设的)非驱动轮并且因此形锁合一同旋转的车轮的转速之比。在单轮辙机动车中通常还考虑车辆倾斜位置，通过该倾斜位置，机动车的轮胎或车轮特性可改变并影响车轮打滑的确定。

然而此外，在单轮辙机动车中，后轮的轮胎侧偏角也与车轮打滑和驱动轮或后轮的牵引力控制有关，但后轮的轮胎侧偏角通常只能通过复杂且更昂贵的传感器来检测，因此在牵引力控制中不考虑或很少考虑后轮的轮胎侧偏角。车轮的轮胎侧偏角理解为车轮在道路上的车轮接触点处的速度矢量和在车轮中心平面与道路平面之间的交线之间的角度。

在用于单轮辙机动车牵引力控制的大多数已知方法中，不使用轮胎侧偏角。另外，在一些考虑轮胎侧偏角的方法中，仅使用用于指示空间位置的机动车横摆角来确定轮胎侧偏角，从而由此确定的轮胎侧偏角可能是不正确的，因为摩托车或单轮辙机动车具有其它与牵引力控制和轮胎侧偏角相关的自由度、尤其是俯仰角和横滚角。不正确的轮胎侧偏角会继续存在于牵引力控制中，并导致车辆的错误或不可预测的行为。

发明内容

因此，本发明所基于的任务是，克服上述缺点并提供一种考虑后轮轮胎侧偏角的牵引力控制的方法，在此应可简单且低成本地确定轮胎侧偏角。

所述任务通过根据权利要求1的特征组合来解决。

根据本发明，提出一种用于确定单轮辙机动车后轮的轮胎侧偏角λ_r的方法，以便对单轮辙机动车的后轮进行牵引力控制。牵引力控制通过控制回路进行，后轮的轮胎侧偏角λ_r是控制回路的反馈参数。为了确定轮胎侧偏角λ_r而规定，通过下述步骤中的至少一个来确定轮胎侧偏角λ_r：

-借助第一状态估计器确定第一轮胎侧偏角λ_r1，其中，第一状态估计器的输入参数至少是机动车前轮的转向角δ和机动车在空间中的定向，

-借助第二状态估计器确定第二轮胎侧偏角λ_r2，其中，第二状态估计器的输入参数至少是机动车前轮的转向角δ和机动车在机动车重心中的运动矢量，

-确定第三轮胎侧偏角λ_r3，第三轮胎侧偏角λ_r3由在转向角δ、阿克曼角Δ_A、前轮的轮胎侧偏角λ_f和第三轮胎侧偏角λ_r3之间的对于单轮辙模型已知的关系确定，并且轮胎侧偏角λ_f由轮胎侧偏角λ_f和车辆状态之间的已知比值确定。

此外，根据本发明的方法规定，第一轮胎侧偏角λ_r1、第二轮胎侧偏角λ_r2或第三轮胎侧偏角λ_r3代表轮胎侧偏角λ_r。作为替代方案，所述方法规定，轮胎侧偏角λ_r由所述轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2和λ_r3中的至少两个确定。

基本思想是，代替直接测量轮胎侧偏角，首先基于模型或通过存储有车辆模型的状态估计器来确定轮胎侧偏角。

但如果基于模型确定的轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3的误差或容差太大或者待实现的牵引力控制需要侧偏角λ_r的高精度，则规定，将所述轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3中的两个或所有轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3用于确定轮胎侧偏角λ_r。

如果单个轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3的精度或正确性不足或有疑问，则根据本发明的用于确定轮胎侧偏角λ_r的思想因此是，优选首先以至少两种基于模型的并且尤其是三种不同的但可分别低成本实现的方式并且尤其是通过状态估计器来确定轮胎侧偏角λ_r，在这些状态估计器中相应存储有车辆模型，由此产生轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3，它们分别单独代表轮胎侧偏角λ_r，但可能偏离于后轮上的实际轮胎侧偏角。为了减少偏差、误差识别并提高精度，然后规定，由“估计的”或基于模型的轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3计算用于控制后轮上的驱动力矩或用于牵引力控制的轮胎侧偏角λ_r。由所述轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3中的至少两个而确定的轮胎侧偏角λ_r比单个轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3更精确地相应于实际存在于后轮上的轮胎侧偏角。

尤其是在控制技术中已知所谓的状态估计器，其也称为状态观察器，通过其可近似确定不能直接观察或测量的参数。

转向角δ优选由单轮辙机动车前轮上的转向角传感器检测。

该方法的一种有利扩展方案规定，第一状态估计器是卡尔曼滤波器或者作为替代方案是扩展卡尔曼滤波器。

此外有利的是，第二状态估计器是卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器，通过扩展卡尔曼滤波器可观察或估计非线性系统的参数。

在一种同样有利的实施方式中，机动车在空间中的定向作为第一状态估计器的输入参数而通过机动车的横滚角Φ、横摆角Ψ和俯仰角Θ确定。

横摆角Ψ在此描述车辆围绕z轴或车辆竖直轴线的定向。横滚角Φ描述车辆围绕x轴或车辆纵向轴线的定向，并且俯仰角Θ描述围绕y轴或垂直于车辆纵向轴线的横向轴线的定向。

该方法的一种有利方案还规定，确定由机动车描述的转弯行驶的转弯半径R，并且该转弯半径R是第一状态估计器的输入参数。

此外也有利的是，转弯半径R和机动车的定向可由横滚角速度

横摆角速度

和俯仰角速度

以及机动车在空间中的加速度和车速v确定。车速v优选是由车轮速度在考虑接触损失或抬起识别的情况下确定的代表性车速。机动车在空间中的加速度优选相应于空间轴方向上的加速度，从而车辆在空间中的加速度由加速度a_x、a_y和a_z组成。

为了确定或测量横滚角速度

横摆角速度

和俯仰角速度

以及加速度a_x、a_y和a_z，优选使用存在于车辆中并且本就设置用于车辆中的其它控制系统的惯性测量单元(IMU)。

IMU为此通常具有用于检测三个空间方向上的加速度的加速度传感器和用于检测围绕三个空间方向的旋转速度的旋转速率传感器。

该方法的一种同样有利的扩展方案规定，确定机动车的车辆质量m，并且确定道路和后轮轮胎之间的摩擦系数μ。此外，车辆质量m和摩擦系数μ是第一状态估计器的输入参数。

此外有利的是，机动车的运动矢量作为第二状态估计器的输入参数而由借助GPS确定的车辆位置的变化和/或由借助磁力计测量的地磁场的变化确定。作为替代方案，可利用磁力计直接测量运动矢量。

一种扩展方案规定，由运动矢量或直接由已借助GPS和/或磁力计确定的位置变化来确定航向角，该航向角表示北向与运动矢量或运动方向之间的角度。代替运动矢量或运动方向，航向角也可直接用作第二状态估计器的输入参数。

如果运动矢量、运动方向和/或航向角由借助GPS确定的车辆位置的变化和借助磁力计测量的地磁场的变化确定，则优选规定，分别确定的变化通过数据融合或信号融合来融合、尤其是借助卡尔曼滤波器来融合，以获得具有更高精度和更高可用性的测量值。

一种有利方案规定，轮胎侧偏角λ_r由所述轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2和λ_r3中的正好两个通过数据融合确定。数据融合通常表示多个代表相同参数的值的关联，数据融合主要用于获得质量更好的信息。例如卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器也可用于数据融合。

为了进一步减少误差，一种扩展方案规定，确定通过数据融合确定的轮胎侧偏角λ_r作为测量值与在确定轮胎侧偏角λ_r时未使用的轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2或λ_r3作为参考值之间的测量偏差。然后可基于测量偏差来采取误差纠正措施。

此外有利的是，在数据融合之前确定各轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2和λ_r3之间的偏差，并且轮胎侧偏角λ_r通过轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2和λ_r3中的彼此具有最小偏差的两个轮胎侧偏角的数据融合来确定。

此外，为了确定第三轮胎侧偏角λ_r3而有利的是，用于确定第三轮胎侧偏角λ_r3的车辆状态通过机动车的车速v、由机动车描述的转弯行驶的转弯半径R和横滚角Φ确定。

此外，在一种方案中规定，借助第三状态估计器由转弯半径R和车速v来确定前轮轮胎上的轮胎横向力F_s,f，并且对于横滚角Φ和轮胎横向力F_s,f预先确定前轮的轮胎侧偏角λ_f。轮胎横向力F_s,f例如可借助状态估计器由转弯半径和车速确定。在轮胎横向力F_s,f时轮胎侧偏角λ_f与横滚角Φ的比值例如可通过函数、特性曲线或特性曲线族来映射并且由此可确定轮胎侧偏角λ_f。第三状态估计器也可实现为卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器。

本发明的另一方面涉及一种用于通过控制回路对单轮辙机动车的后轮进行牵引力控制的方法，后轮的轮胎侧偏角λ_r作为控制回路的反馈参数在此通过根据本发明的方法确定。

此外，本发明的一个方面涉及一种用于对单轮辙机动车的后轮进行牵引力控制的系统。该系统包括控制器，所述控制器构造用于根据本发明的方法确定轮胎侧偏角λ_r。

上面公开的特征可根据需要任意组合，只要这在技术上是可行的并且它们彼此不矛盾。

附图说明

本发明的其它有利扩展方案是从属权利要求的特征或在下面参照附图结合本发明优选实施例说明更详细地示出。附图如下：

图1示出用于确定轮胎侧偏角λ_r的方法；

图2示出用于确定轮胎侧偏角λ_r3的方法。

具体实施方式

附图是示例性且示意性的。附图中相同的附图标记表示相同的功能和/或结构特征。

图1示意性示出在使用所有三个轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3的情况下确定轮胎侧偏角λ_r的过程。

通过惯性测量单元10(IMU)确定横滚角速度

横摆角速度

和俯仰角速度

以及三个空间方向x、y和z上的加速度a_x、a_y和az并将它们提供给换算装置20。在换算装置20中，由横滚角速度

横摆角速度

和俯仰角速度

以及由车速v来确定横滚角Φ(也称为侧倾角)、横摆角Ψ和俯仰角Θ以及由机动车描述的转弯行驶的转弯半径R。

随后以三种不同的方式确定三个轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3，从而可补偿相应轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3与后轮上的实际轮胎侧偏角的可能误差或偏差。

第一状态估计器30是卡尔曼滤波器，在其中存储有线性车辆模型。由车辆质量m、摩擦系数μ、通过IMU 10确定的参数和转向角δ来确定第一轮胎侧偏角λ_r1。

车辆质量m和摩擦系数μ都可基于传感器数据进行“估计”。例如车辆质量可由彼此相加的单值组成。为此，车辆的空载重量可以是已知的，可通过油箱液位确定燃料重量并且例如由通过传感器检测的弹簧特性来确定车辆上人员的重量。

下述内容适用于确定第一轮胎侧偏角λ_r1：

F_s，r＝f₁{μ，Φ，F_N，r}

α_r＝f₂{μ，Φ，F_N，r}

函数f1和f2在此分别存储在第一状态估计器30中。

随后或与第一轮胎侧偏角λ_r1并行地确定第二轮胎侧偏角λ_r2。为此使用实现为扩展卡尔曼滤波器的第二状态估计器40，其作为输入参数使用横摆角Ψ、航向角ν和转向角δ，其中，通过扩展卡尔曼滤波器可观察或使用车辆的非线性模型。

航向角ν可由车辆位置变化而确定，车辆位置变化可通过GPS确定。作为替代方案，可通过借助磁力计测量的地磁场的变化来确定航向角ν。为了获得精确的航向角ν，所示的实施方式规定，使用由数据融合产生的航向角ν。为此借助GPS确定第一航向角ν1，并借助磁力计确定第二航向角ν2，并且将这两个航向角ν1、ν2计算成一个航向角ν。一种非常简单的可能性例如是确定航向角ν1、ν2的平均值并将其用作航向角ν。但作为替代方案，也可借助另一卡尔曼滤波器进行数据融合。

并行或随后，通过确定装置50确定第三轮胎侧偏角λ_r3。作为重要输入参数，为此使用转向角δ和通过IMU 10确定的横滚角Φ以及半径R。第三轮胎侧偏角λ_r3的确定装置50示例性地参考图2更详细地解释。

为了确定所有三个轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3，分别使用在同一时间点检测到的数据基础，因而例如转向角δ分别是相同的。

在确定三个轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3之后，通过数据融合装置60将它们相互计算。在所示的实施方式中，数据融合装置60借助另一卡尔曼滤波器确定轮胎侧偏角λ_r，其相应于后轮上的实际轮胎侧偏角的概率高于三个单独的轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3。然后可将如此确定的轮胎侧偏角λ_r提供给牵引力控制系统70。

代替图1所示的方法，例如也可仅使用轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2、λ_r3的一部分来确定轮胎侧偏角λ_r。

模型或状态估计器以及计算和计算所需的常数例如可存储在控制器或牵引力控制系统的控制器中，从而可借助控制器来确定轮胎侧偏角λ_r，其中，其它必要的传感器值或变量例如通过IMU 10和转向角传感器提供给控制器。

图2示例性示出用于确定第三轮胎侧偏角λ_r3的过程。除了转向角δ、侧倾角或者说横滚角Φ和转弯半径R之外，车速v也作为用于确定装置50的输入值。此外，为了确定第三轮胎侧偏角λ_r3，还使用恒定的后倾角ε和轴距p。

当确定51运动转向角Δ、即导致实际转弯的理论转向角时，不仅考虑实际转向角δ而且也考虑横滚角Φ和后倾角ε，它们共同导致运动转向角Δ。

此外，通过计算52来确定阿克曼角Δ_A，其根据在假设小角度情况下的单轮辙模型由Δ_A＝p/R得出。

下述内容也适用于小角度下的单轮辙模型：

λ_r＝Δ_A+λ_f-Δ

为了确定前轮胎侧偏角λ_f，借助第三状态估计器53由行驶的转弯半径R和车速v确定前轮胎上的轮胎横向力F_s,f。在通过横滚角Φ描述的倾斜位置下前轮胎横向力F_s,f与前轮胎侧偏角λ_f的比值是已知的并且例如通过特性曲线族或函数来存储，以便由此可确定前轮胎侧偏角λ_f并由此确定后轮胎侧偏角λ_r作为第三轮胎侧偏角λ_r3。

本发明的实施不局限于上面所给出的优选实施例。相反，可想到多种方案，其在完全不同类型的实施中使用所示解决方案。

附图标记列表

δ 转向角

Δ 运动转向角

ε 后倾角

p 轴距

Y_G 车辆重心与旋转轴之间的距离

v 车速

R 转弯半径

Δ_A 阿克曼角

m 车辆质量

ν 航向角

μ 道路和轮胎之间的摩擦系数

α_r 安装在后轮上的轮胎的侧偏刚度特性值

F_N,r 前轮胎法向力

F_s,f 前轮胎横向力

F_s,r 后轮胎横向力

λ_r 后轮胎侧偏角

λ_f 前轮胎侧偏角

Φ 横滚角(侧倾角)

Ψ 横摆角

Θ 俯仰角

横滚角速度(横滚速度)

横摆角速度(偏航速度)

俯仰角速度(俯仰速度)

a_x x方向上的加速度

a_y y方向上的加速度

a_z z方向上的加速度

10 惯性测量单元(IMU)

20 换算装置

30 第一状态估计器

40 第二状态估计器

50 第三轮胎侧偏角λ_r3的确定

51 运动转向角Δ的确定

52 阿克曼角Δ_A的确定

53 第三状态估计器

54 前轮胎侧偏角λ_f的确定

60 数据融合

70 牵引力控制系统

Claims

1.用于确定单轮辙机动车的后轮的轮胎侧偏角λ_r的方法，以便通过控制回路对单轮辙机动车的后轮进行牵引力控制，通过下述步骤中的至少一个来确定后轮的轮胎侧偏角λ_r作为控制回路的反馈参数：

-借助第一状态估计器(30)确定第一轮胎侧偏角λ_r1，其中，第一状态估计器(30)的输入参数至少是机动车前轮的转向角δ和机动车在空间中的定向，

-借助第二状态估计器(40)确定第二轮胎侧偏角λ_r2，其中，第二状态估计器(40)的输入参数至少是机动车前轮的转向角δ和机动车在机动车重心中的运动矢量，

-确定第三轮胎侧偏角λ_r3，其中，第三轮胎侧偏角λ_r3由在转向角δ、阿克曼角Δ_A、前轮的轮胎侧偏角λ_f和第三轮胎侧偏角λ_r3之间的对于单轮辙模型已知的关系来确定，并且轮胎侧偏角λ_f由轮胎侧偏角λ_f和车辆状态之间的已知比值确定，

并且第一轮胎侧偏角λ_r1、第二轮胎侧偏角λ_r2或第三轮胎侧偏角λ_r3代表轮胎侧偏角λ_r，或者轮胎侧偏角λ_r由所述轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2和λ_r3中的至少两个确定。

2.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述第一状态估计器(30)是卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二状态估计器(40)是卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，机动车在空间中的定向作为第一状态估计器(30)的输入参数通过机动车的横滚角Φ、横摆角Ψ和俯仰角Θ确定。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定由机动车描述的转弯行驶的转弯半径R，并且该转弯半径R是第一状态估计器(30)的输入参数。

6.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述转弯半径R和机动车的定向能够由横滚角速度

横摆角速度

和俯仰角速度

以及机动车在空间中的加速度和车速v确定。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，

确定机动车的车辆质量m，

确定道路和后轮轮胎之间的摩擦系数μ，并且

车辆质量m和摩擦系数μ是第一状态估计器(30)的输入参数。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，机动车的运动矢量作为第二状态估计器(40)的输入参数而由借助GPS确定的车辆位置的变化和/或由借助磁力计测量的地磁场的变化确定。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述轮胎侧偏角λ_r由所述轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2和λ_r3中的正好两个通过数据融合来确定。

10.根据前一项权利要求所述的方法，其中，确定在通过数据融合确定的轮胎侧偏角λ_r作为测量值与在确定轮胎侧偏角λ_r时未使用的轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2或λ_r3作为参考值之间的测量偏差。

11.根据前述两项权利要求中任一项所述的方法，其中，确定在各轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2和λ_r3之间的偏差，并且轮胎侧偏角λ_r通过各轮胎侧偏角λ_r1、λ_r2和λ_r3中的彼此具有最小偏差的两个轮胎侧偏角的数据融合来确定。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，用于确定第三轮胎侧偏角λ_r3的车辆状态通过机动车的车速v、由机动车描述的转弯行驶的转弯半径R和横滚角Φ确定。

13.根据前一项权利要求所述的方法，其中，借助第三状态估计器(53)由转弯半径R和车速v确定前轮轮胎上的轮胎横向力F_s,f，并且对于横滚角Φ和轮胎横向力F_s,f预先确定轮胎侧偏角λ_f。

14.用于通过控制回路对单轮辙机动车的后轮进行牵引力控制的方法，其中，后轮的轮胎侧偏角λ_r作为控制回路的反馈参数而通过根据前述权利要求中任一项所述的方法确定。

15.用于对单轮辙机动车的后轮进行牵引力控制的系统，该系统包括控制器，所述控制器构造用于根据前述权利要求1至13中任一项所述的方法确定轮胎侧偏角λ_r。