CN114435471B - 用于估计挂接角度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于估计挂接角度的系统包括：控制模块，该控制模块具有用于存储编程控制逻辑的存储器、用于执行该控制逻辑的处理器以及一个或多个输入/输出(I/O)端口。拖车上的轮速传感器经由I/O端口与处理器进行通信。拖运应用程序限定了控制逻辑的一部分，并且至少具有第一和第二控制逻辑。第一控制逻辑根据第一项、第二项以及运输载具和拖车的物理参数来估计挂接角度。第二控制逻辑将估计的挂接角度提供给驾驶员以及运输载具和拖车的车载控制系统中的一个或多个。

Description

用于估计挂接角度的系统和方法

技术领域

本公开总体上涉及运输载具，更具体地涉及拖车和拖车牵引运输载具。运输载具通常用于将货物和/或生活空间和/或工作空间从一个地方运送至另一个地方，然而，在一些情况下，货物和/或生活空间和/或工作空间不适合运输载具本身的尺寸。在这些情况下，货物、生活空间和/或工作空间可以由单独的拖车来承载或装纳，然后将拖车可移动地附接至运输载具并由其牵引。拖车还可以用于以敞开式或封闭式构造来运输货物。

背景技术

尽管拖车提供了一种将货物和/或生活空间和/或工作空间从一个地方运送至另一个地方的理想方式，但是运输载具与由其牵引的拖车结合后比运输载具本身的尺寸要大。特别是，拖车显著增加了运输载具的总有效长度、改变了运输载具的有效转弯半径等。此外，拖车一般挂接在牵引运输载具的后部或紧挨着运输载具的后部挂接。当牵引运输载具转弯时，拖车围绕挂接装置回转，并且其转弯半径可能与运输载具本身不同。尺寸和挂接位置可能会造成拖车相对于运输载具移动，从而导致驾驶员迷惑、增加驾驶员停车和驾驶的难度等。为了说明结合在一起的运输载具和拖车增加的有效长度和转弯半径，并协助运输载具驾驶员确定拖车相对于运输载具和在地面上的位置，可以采用挂接角度估计。

传统上，进行挂接角度估计的运输载具利用车载传感器(比如，相机、雷达和超声波传感器)来确定拖车相对于运输载具后部的位置。然而，相机、雷达和超声波传感器的精确度可能会受到天气状况的影响。也就是说，相机、雷达和超声波传感器等实际上依赖于能见度或情况。泥浆、雨水或雪等可能会部分或完全遮蔽这些车载传感器或使其变模糊。同样地，将由相机、雷达和超声波传感器产生的光学或物理地图数据转换成挂接角度近似值需要大量的计算机处理。

因此，尽管拖车实现了其预期目的，但是仍需要一种新改进的系统和方法来提高拖车挂接装置铰接角度估计的精确性，从而减少驾驶员的迷惑感、降低成本、降低计算机处理成本、提供跨平台支持、简化拖车的操纵、改善驾驶的舒适性、提高轻便性、提高稳健性和可靠性、降低拖车弯折(jackknifing)的可能性并防止拖车在高速行驶过程中摇摆，从而简化制造。

发明内容

根据本公开的一个方面，一种用于估计经由挂接装置牵引拖车的运输载具的挂接角度的系统包括控制模块，该控制模块具有用于存储编程控制逻辑的存储器、与存储器进行通信并执行编程控制逻辑的处理器以及一个或多个输入/输出(I/O)端口。该系统还包括与I/O端口进行电子通信的一个或多个传感器，I/O端口与控制模块的处理器进行电子通信。拖运应用程序定义了编程控制逻辑的一部分。拖运应用程序至少具有第一控制逻辑和第二控制逻辑。第一控制逻辑基于第一项(term)和第二项(term)以及运输载具和拖车的物理参数来估计挂接角度。第二控制逻辑将估计的挂接角度提供给运输载具驾驶员和车载运输载具系统中的一个或多个。

根据本公开的另一方面，一个或多个传感器还包括设置在拖车上并测量拖车左右车轮的转速的速度传感器。

根据本公开的又一方面，编程控制逻辑还包括第三控制逻辑。第三控制逻辑对一个或多个传感器产生的数据进行滤波，以从数据中去除扰动和高频内容。

根据本公开的又一方面，编程控制逻辑还包括第四控制逻辑。第四控制逻辑将一个或多个传感器产生的数据与阈值进行比较。

根据本公开的又一方面，第四控制逻辑将左拖车车轮的转速和右拖车车轮的转速的平均值与预定阈值进行比较。当平均值大于阈值时，第四控制逻辑将左拖车车轮的转速和右拖车车轮的转速作为第一和第二控制逻辑的有效输入。当平均值小于阈值时，系统参考存储在存储器中的最后已知的估计挂接角度。

根据本公开的又一方面，编程控制逻辑还包括第五控制逻辑。第五控制逻辑将左拖车车轮的转速和右拖车车轮的转速的平均值与运输载具的速度进行比较。当左右拖车车轮的转速的平均值基本上不等于运输载具的速度时，系统参考存储在存储器中的最后已知的估计挂接角度。

根据本公开的又一方面，挂接角度的估计值等于第一项的反正切值与第二项的反正切值之间的差。

根据本公开的又一方面，拖车支撑在拖车轴上。拖车轴延伸从紧挨着拖车左侧安装的左拖车车轮到紧挨着拖车右侧安装的右车轮测量的轮距，左车轮和右车轮可以相对于彼此独立旋转。第一项是根据拖车的左车轮转速、右车轮转速、拖车的轮距(track width)以及从拖车轴到挂接装置的第一距离计算得出的。

根据本公开的又一方面，一个或多个传感器还包括转向角度传感器，该转向角度传感器设置在运输载具上并测量和报告运输载具前轮相对于运输载具纵向轴线的转向角度。第二项是根据运输载具的转向角度、运输载具的轴距以及从挂接装置到运输载具后轴的第二距离计算得出的。轴距定义了运输载具前轴与运输载具后轴之间的距离。

根据本公开的又一方面，当挂接装置安装在运输载具的后轴处时，第二项等于零。

根据本公开的又一方面，第一控制逻辑根据以下等式生成挂接角度的估计值： 在等式中，θ为估计的挂接角度，D为第一距离，T为轮距，d为第二距离，L为轴距，δ为转向角度，ω_R为右拖车车轮的转速，ω_L为左拖车车轮的转速。

根据本公开的又一方面，第二控制逻辑主动地且连续地将估计的挂接角度作为反馈信号提供给车载运输载具系统和车载拖车系统中的一个或多个。车载运输载具和车载拖车系统包括牵引控制系统、防抱死制动系统、胎压监测系统、电子稳定控制系统和动态稳定控制系统中的一个或多个。车载运输载具和车载拖车系统利用估计的挂接角度来减少或基本消除拖车摇摆和弯折情况。

根据本公开的又一方面，一种用于估计经由挂接装置牵引拖车的运输载具的挂接角度的方法包括：访问拖运应用程序。拖运应用程序定义了存储在控制模块的存储器中的编程控制逻辑。该控制模块具有用于执行编程控制逻辑的处理器以及一个或多个输入/输出(I/O)端口。I/O端口与一个或多个传感器以及处理器进行电子通信。一个或多个传感器设置在运输载具和拖车上。该方法通过设置在拖车上的轮速传感器测量拖车左右车轮的转速。处理器执行拖运应用程序的第一控制逻辑，第一控制逻辑基于第一项和第二项以及运输载具和拖车的物理参数来估计挂接角度。处理器还执行拖运应用程序的第二控制逻辑。第二控制逻辑主动地且连续地将估计的挂接角度提供给驾驶员、运输载具和拖车中的一个或多个。运输载具、拖车和驾驶员利用估计的挂接角度来减少或基本消除拖车摇摆和弯折情况。

根据本公开的又一方面，该方法还包括：由处理器执行拖运应用程序的第三控制逻辑。第三控制逻辑对一个或多个传感器产生的数据进行滤波，并从数据中减少或基本消除高频内容和扰动。

根据本公开的又一方面，该方法还包括：由处理器执行拖运应用程序的第四控制逻辑。第四控制逻辑将左拖车车轮的转速和右拖车车轮的转速之和与阈值进行比较。当和大于阈值时，该方法将左拖车车轮的转速和右拖车车轮的转速作为第一控制逻辑的有效输入，并且当和小于阈值时，该方法采用存储在存储器中的最后已知的估计挂接角度。

根据本公开的又一方面，该方法还包括：执行拖运应用程序的第五控制逻辑。第五控制逻辑将拖车左右车轮的转速的平均值与运输载具速度进行比较。当运输载具速度基本上等于拖车左右车轮的转速的平均值时，该方法将左右车轮的转速作为第一控制逻辑的有效输入。当运输载具速度基本上不等于拖车左右车轮的转速的平均值时，采用存储在存储器中的最后已知的估计挂接角度。

根据本公开的又一方面，第一控制逻辑还包括将挂接角度估计为第一项的反正切值与第二项的反正切值之间的差。

根据本公开的又一方面，该方法还包括：根据左拖车车轮的转速、右拖车车轮的转速、拖车的轮距以及从拖车轴到挂接装置的第一距离计算第一项。拖车支撑在拖车轴上。拖车轴延伸从紧挨着拖车左侧安装的左车轮到紧挨着拖车右侧安装的右车轮测量的轮距，左车轮和右车轮可以相对于彼此独立旋转。本方法还包括：根据运输载具的转向角度、运输载具的轴距以及从挂接装置到运输载具后轴的第二距离计算第二项。运输载具的转向角度由设置在运输载具上并测量和报告运输载具前轮相对于运输载具纵向轴线的转向角度的转向角度传感器测量和报告。轴距定义了运输载具前轴与运输载具后轴之间的距离。该方法还包括：当挂接装置安装在运输载具的后轴处时，将第二项设置为零。

根据本公开的又一方面，基于第一项、第二项以及运输载具和拖车的物理参数来估计挂接角度还包括：根据以下等式来计算估计的挂接角度： 在等式中，θ为估计的挂接角度，D为第一距离，T为轮距，d为第二距离，L为轴距，δ为转向角度，ω_R为右拖车车轮的转速，ω_L为左拖车车轮的转速。

根据本公开的又一方面，一种用于估计经由挂接装置牵引拖车的运输载具的挂接角度的方法包括：访问拖运应用程序。拖运应用程序定义了存储在控制模块的存储器中的编程控制逻辑。该控制模块还包括用于执行编程控制逻辑的处理器以及一个或多个输入/输出(I/O)端口。I/O端口与一个或多个传感器以及处理器进行电子通信。一个或多个传感器设置在运输载具和拖车上。该方法还包括：通过设置在拖车上的轮速传感器测量拖车左右车轮的转速。该方法对一个或多个传感器产生的数据进行滤波，并从数据中减少或基本消除高频内容和扰动。该方法将左拖车车轮的转速和右拖车车轮的转速之和与阈值进行比较。当和大于阈值时，将左拖车车轮的转速和右拖车车轮的转速作为有效输入。当和小于阈值时，采用存储在存储器中的最后已知的估计挂接角度。该方法将拖车左右车轮的转速的平均值与运输载具速度进行比较。当运输载具速度基本上等于拖车左右车轮的转速的平均值时，该方法将左右车轮的转速作为第一控制逻辑的有效输入，并且当运输载具速度基本上不等于拖车左右车轮的转速的平均值时，采用存储在存储器中的最后已知的估计挂接角度。该方法还包括：由处理器执行拖运应用程序的第一控制逻辑。第一控制逻辑将挂接角度估计为第一项的反正切值与第二项的反正切值之间的差。第一项是根据左拖车车轮的转速、右拖车车轮的转速、拖车的轮距以及从拖车轴到挂接装置的第一距离计算得出的。第二项是根据运输载具的转向角度、运输载具的轴距以及从挂接装置到运输载具的后轴的第二距离计算得出的，并且其中当挂接装置安装在运输载具的后轴处时，第二项等于零。该方法还包括：由处理器执行拖运应用程序的第二控制逻辑。第二控制逻辑主动地且连续地将估计的挂接角度提供给驾驶员、运输载具和拖车中的一个或多个。运输载具、拖车和驾驶员利用估计的挂接角度来减少或基本消除拖车摇摆和弯折情况。

根据本文提供的描述，其它适用领域将变得显而易见。应当理解的是，该描述和具体实例仅用于说明目的，而非用于限制本公开的范围。

附图说明

本文所述的附图仅用于说明目的，而非为了以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本公开的一个方面的一种用于估计与拖车相对于经由挂接装置耦接至拖车并牵引拖车的运输载具的位置相关的挂接角度的系统的示意图；以及

图2是描述根据本公开的一个方面的一种用于估计拖车相对于经由挂接装置耦接至拖车并牵引拖车的运输载具的挂接角度的方法的流程图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，而非为于限制本公开、应用或用途。

参照图1，在示意图中示出了用于估计挂接角度的系统10。系统10与牵引拖车14的运输载具12配合。尽管运输载具12示出为乘用车或运动型多功能车(SUV)，但是应当认识到的是，在不脱离本公开的范围或意图的情况下，运输载具12可以是任何类型的运输载具。在一些示例中，运输载具12可以是汽车、卡车、SUV、公共汽车、半牵引车、用于农业或建筑等的牵引车、后推式牵引车或拖船、行李牵引车或货物牵引车等。同样，尽管图1所示的拖车14是多轴拖车，但是在不脱离本公开的范围或意图的情况下，拖车14可以是各种类型的拖车14中的任何一种。在一些示例中，拖车14可以是封闭式或开放式拖车14，包括平板拖车、干货车、冷藏拖车、低箱板挂车、五轮野营挂车、鹅颈式拖车、行李或货物拖车等。在进一步的示例中，拖车14可以是如上所述的另一台运输载具12或者是诸如飞机、直升机或其他此类飞机的运输载具12。也就是说，运输载具12可以牵引另一台运输载具12作为拖车14，并且多个拖车14可以排成一对或者彼此平行地一起受牵引。

根据运输载具12的类型，运输载具12的尺寸也可以有很大的变化。然而，运输载具动力学至少部分地由某些运输载具的尺寸限定。例如，运输载具12具有轴距“L”。轴距L限定了运输载具12的前轴16和后轴18之间的距离。在一些示例性运输载具10(比如，半牵引车)中，运输载具可以配备有多个前轴16和/或后轴18。前轴16和后轴18中的每一个从运输载具12的左侧20至右侧22横向延伸穿过运输载具12。运输载具车轮24设置在前轴16和后轴18的每一个的端部。因此，前轴16和后轴18的中心线26与运输载具纵向轴线28一致。不同运输载具10的轴距L可以因运输载具12类型的不同而有很大的变化。例如，公共汽车(未示出)的轴距L通常比小型车的轴距L要大得多。

拖车14具有一个或多个横向延伸穿过拖车14的拖车轴30。拖车轴30支撑拖车14，并从紧挨着拖车14左侧33的左拖车车轮32至紧挨着拖车14右侧35的右拖车车轮34延伸一个轮距“T”。在几个方面，左拖车车轮32和右拖车车轮34可以相对于彼此独立旋转。一些示例的拖车轴30刚性地但可旋转地安装至拖车14的结构(未具体示出)，而在其它示例中，拖车轴30经由可压缩悬架构件(未具体示出)安装至拖车14的结构。尽管图1中所示的拖车14包括两个拖车轴30、30’，但是应当认识到的是，在不脱离本发明的范围或意图的情况下，拖车14可以包括一个拖车轴30、两个拖车轴30、30’或者两个以上的拖车轴30。在许多方面，轮距T基本上等于拖车14的整个宽度W。然而，应当认识到的是，轮距T可以因不同的拖车14而有很大的变化，并且这些变化都在本公开的范围内。

拖车14经由挂接装置36可移动地附接或安装至运输载具12。挂接装置36允许拖车14相对于运输载具12进行旋转运动，从而为运动中的拖车14和运输载具12提供了转弯方式。图1中所示的挂接装置36是球形挂接装置，然而应当认识到的是，在不脱离本发明的范围或意图的情况下，可以使用其他形式的挂接装置36。例如，挂接装置36可以是球形挂接装置、接收器式挂接装置、第五轮式挂接装置、鹅颈式挂接装置、枢轴式挂接装置、保险杠挂接装置、重量分配式挂接装置等。在几个方面，挂接装置36作为一个枢轴点来工作，从而允许拖车14相对于运输载具12旋转运动。挂接装置36的第一部分36’通常沿运输载具的纵向轴线28刚性地安装至运输载具12，并从后轴18位移第一距离“d”。在一些示例(比如，第五轮或鹅颈式挂接装置36)中，挂接装置36的第一部分36’基本上位于运输载具12的后轴18的中心上方。因此，在这些示例中，第一距离“d”大约是零厘米。然而，在其它示例(比如，球形挂接装置、接收器式挂接装置、枢轴式挂接装置、保险杠挂接装置和重量分配式挂接装置36)中，挂接装置36的第一部分36’通常位于运输载具12的后轴18的后部。类似地，挂接装置36的第二部分36”通常沿着拖车纵向轴线38刚性地安装至拖车14，并从拖车轴30的前方位移第二距离“D”。第二距离“D”可以因不同的拖车14而有很大的变化，并且这些变化都在本公开的范围内。在几个方面，在拖车14具有多个拖车轴30、30’的示例中，通过从挂接装置36的第二部分36”到多个拖车轴30、30’中的每一个的距离的平均值来估算第二距离。最好能控制拖车14的旋转或角度铰接，使得拖车14在前向或反向转弯过程中不会与运输载具12或另一拖车14发生物理接触。因此，为了控制这种铰接，系统10会估计挂接装置36的角度θ。

具体地，系统10包括一个或多个控制模块40。控制模块40是非通用的电子控制设备，其具有预编程的数字计算机或处理器42、用于存储诸如控制逻辑、软件应用程序、指令、计算机代码、数据、查找表等数据的非暂时性计算机可读介质或存储器44以及一个或多个输入/输出(I/O)端口46。计算机可读介质包括能够由计算机访问的任何类型的介质，比如：只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的存储器。“非暂时性”计算机可读介质或存储器44不包括传输暂时性电信号或其它信号的有线链路、无线链路、光学链路或其它通信链路。非暂时性计算机可读介质或存储器44包括可永久存储数据的介质和可存储和复写数据的介质，比如：可复写光盘或可擦除存储器设备。计算机代码包括任何类型的程序代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。所处理器42配置为执行代码或指令。在一些示例中，控制模块40可以是专用Wi-Fi控制器或发动机控制模块、变速器控制模块、车身控制模块、信息娱乐控制模块等。I/O端口46配置为采用IEEE 802.11x下的Wi-Fi协议、蓝牙通信协议、射频(RF)协议等进行无线通信。

在一些示例中，控制模块40还包括一个或多个应用程序48。应用程序48是配置为执行特定功能或一组功能的软件程序。应用程序48可以包括一个或多个计算机程序、软件组件、指令集、过程、函数、对象、类、示例、相关数据或其适于在合适的计算机可读程序代码中实现的部分。应用程序48可以存储在存储器44或者附加或单独的存储器中。应用程序48的示例包括音频或视频流服务、游戏、浏览器、社交媒体、悬架和发动机控制程序、车身控制程序、高级驾驶员辅助系统程序等。

系统10还包括一个或多个传感器50。传感器50产生关于拖车14的位置和/或运动的实时定位信息。在一些示例中，传感器50是轮速传感器52。一些示例的轮速传感器52设置在拖车14中。在其他示例中，轮速传感器52也设置在运输载具12中。在图1的示例中，轮速传感器52设置在拖车轴30、30’上、拖车轴30、30’上的机械差速器(未具体示出)中或上或者拖车轴30、30’中或上。轮速传感器52检测左拖车车轮32和右拖车车轮34中的每一个的转速。在不脱离本公开的范围或意图的情况下，轮速传感器52可以采取各种不同的形式并以不同的方式工作。在一些示例中，轮速传感器52是可变磁阻传感器或磁阻传感器。在进一步的示例中，轮速传感器52向多个运输载具12系统(包括牵引控制系统(TCS)(未具体示出)、防抱死制动系统(ABS)(未具体示出)、胎压监测系统(TPMS)(未具体示出)、电子稳定控制系统(ESC)或动态稳定控制系统(DSC)(未具体示出)以及本公开的挂接角度估计系统10)报告轮速信息。

在另外的示例中，传感器50可以是惯性测量单元(IMU)传感器54。IMU传感器54采用以下各项的一部分或全部的组合来测量和报告相对于全局参考系的姿态或位置、线速度、加速度和角速率：加速度计、陀螺仪和磁力计。在一些示例中，IMU传感器54还利用全球定位系统(GPS)数据来间接测量姿态或位置、速度、加速度和角速率。当结合运输载具12和拖车14在本公开的系统10中使用时，IMU传感器54测量并报告拖车14相对于运输载具12的姿态或位置、线速度、加速度和角速率。

每个传感器50(包括轮速传感器52、IMU传感器54等)测量和报告姿态、速度和加速度信息，如上所述。姿态、速度和加速度信息(以下称为“挂接角度信息”)经由I/O端口46从传感器50传输到控制模块40。I/O端口46将挂接角度信息处理器42。处理器42执行存储在存储器44中的应用程序48，并采用挂接角度信息作为应用程序48的输入。具体地，处理器42执行拖运应用程序56。

在一个示例中，拖运应用程序56将运输载具12和拖车14的若干输出作为输入，并且为系统10以及运输载具12和/或拖车14驾驶员或用户计算挂接角度估计值作为输出。具体地，拖运应用程序56利用转向角度δ、运输载具轴距L、第一距离d、第二距离D、拖车14的轮距T、左拖车车轮32的左转速ω_L和右拖车车轮34的右转速ω_R作为输入。由转向角度传感器58测量并报告转向角度δ，以测量并报告运输载具12的转向角度δ。在几个方面，转向角度δ是运输载具12的前轮60相对于运输载具纵向轴线28的角度。左右拖车车轮32、34的转速由轮速传感器52测量，并经由I/O端口46报告给控制模块40。

处理器42执行第一控制逻辑，其中拖运应用程序56估计挂接角度θ。更具体地，第一控制逻辑从传感器50组合和每台运输载具12和拖车14特有的已知尺寸信息中获取左右拖车车轮32、34的左右转速ω_L、ω_R以及转向角度δ、运输载具轴距L、第一距离d、第二距离D和拖车14的轮距T。具体地，第一控制逻辑根据以下等式来估计挂接角度θ：

1) θ＝tan^-1(Y1)-tan^-1(Y2)

在一些示例中，第一项Y1和第二项Y2的数据可以从各种传感器50(包括轮速传感器52和IMU传感器54)中的任何一个收集。一些示例的轮速传感器52是防抱死制动系统(ABS)传感器、胎压监测系统(TMPS)传感器等。在一个非限制性示例中，第一项Y1可以表示为左右转速ω_L、ω_R和拖车14的尺寸的关系，而第二项Y2可以表示为转向角度δ和运输载具12的某些尺寸的关系。更具体地，第一项Y1和第二项Y2可以表示为如下：

2)

3)

因此，第一项Y1等于左右转速ω_L、ω_R之差除以左右转速ω_L、ω_R之和，再乘以第二距离的两倍除以拖车14的轮距T。同样，第二项Y2等于转向角度δ的正切乘以第一距离d除以运输载具12的轴距L。因此，当代入上述等式1)时，第一和第二项Y1、Y2产生如下计算，其中挂接角度θ约等于两个反正切值项之间的差：

4)

然而，应当认识到，对于某些类型的拖车14(比如，第五轮式拖车和鹅颈式拖车)，挂接装置36大致设置在与运输载具12的后轴18相同的位置。因此，当使用这类拖车时，因为第一距离d接近零，所以上述等式的第二反正切值项也接近零。当上述等式4)的第二反正切值项接近零时，系统10可以独立于运输载具12使用。也就是说，当拖车14是第五轮式拖车、鹅颈式拖车或者挂接装置36基本上位于或靠近运输载具12的后轴18的其他这种拖车时，系统10可以仅利用从设置在拖车14上的传感器50收集的信息来运行。因此，当等式(4)的第二项接近零时，系统10基于拖车14且独立于运输载具12。具体地，对于第五轮式拖车、鹅颈式拖车，可将该方程简化如下：

5)

在几个方面，通过利用第一或第二方程，第一控制逻辑计算挂接角度θ的估计值。挂接角度θ的估计值与挂接装置36的实际角度θ非常接近。然而，在某些情况下，估计的挂接角度θ可能会与实际挂接角度θ略有不同。在一些方面，当运输载具12和拖车14向前移动时，估计的挂接角度θ在实际挂接角度θ的大约3°内。类似地，当运输载具12和拖车14向后移动时，估计的挂接角度θ在实际挂接角度θ的大约5°内。在进一步的方面，当运输载具12和拖车14向前或向后移动时，估计的挂接角度θ在实际挂接角度θ的大约2°内。

拖运应用程序56的第二控制逻辑以几种不同方式中的至少一种方式向驾驶员、操作者和/或各种其他运输载具12和拖车14控制系统中的任何一个报告估计的挂接角度θ。在几个方面，将估计的挂接角度θ作为反馈信号报告给车载运输载具12和/或拖车14系统(比如，牵引控制系统(TCS)、防抱死制动系统(ABS)(未具体示出)、胎压监测系统(TPMS)(未具体示出)、电子稳定控制(ESC)或动态稳定控制(DSC)系统(未具体示出)等)。然后，估计的挂接角度θ可以用在车载运输载具12和/或拖车14系统中，以保持运输载具12和/或拖车14的方向稳定性、减少运输载具12和/或拖车14的偏航、防止或基本上消除运输载具12和拖车14之间发生弯折事故或物理接触的可能性，并且这提高了抗拖车14摇摆的能力，从而增加了驾驶员或操作者对运输载具12和拖车14的运动的信心和控制。在运输载具12和/或拖车14运动的情况下，“偏航”指的是围绕垂直轴“V”的扭转或旋转。在进一步的示例中，将估计的挂接角度θ提供给配备在运输载具12上的融合系统(未具体示出)。一些运输载具12配备有从各种不同的来源收集信息的融合系统，以改进或提高融合系统输出的准确性。在一个具体的示例中，运输载具12可以配备传统的挂接角度铰接测量系统，该系统依赖于光学传感器以及本文所述的铰接角度铰接系统10。配备给运输载具12的融合系统将基于光学的挂接角度θ估计值与来自挂接角度铰接系统10的挂接角度θ估计值相结合，以提高来自两个系统的挂接角度θ测量值的准确性。

在几个另外的方面，估计的挂接角度θ经由人机界面(HMI)(比如，运输载具12的显示器62)上的挂接角度θ视觉再现来报告。显示器62可以是位于运输载具12的中控面板上、运输载具的仪表板62”内的信息娱乐显示器62’等。在另一个示例中，可以通过声音提示(比如，嘟嘟声或通过运输载具12的音响系统(未具体示出)发出的其他这种声音等)向运输载具12的驾驶员或操作者指示估计的挂接角度θ。在更进一步的示例中，估计的挂接角度θ经由控制模块40的I/O端口46通过有线连接和无线连接中的一种或两种传输给远程设备64(比如，蜂窝电话、平板电脑等)。也就是说，一些示例的拖运应用程序56存储在驾驶员或用户的蜂窝电话、平板电脑、膝上型电脑等上并远离运输载具12和拖车14执行。

在一些示例中，处理器42在执行上述第一和第二控制逻辑之前执行一个或多个滤波和使能控制逻辑。在一个特定的示例中，处理器42执行拖运应用程序56的第三控制逻辑。第三控制逻辑对来自传感器50的数据进行滤波，以确保传感器50的数据是精确的。更具体地，第三控制逻辑排除由轮速传感器52发送的高频或噪声数据。当左右拖车车轮32、34经过路面上的干扰物(比如，坑洼、减速带等)时，由左右拖车车轮32、34的突然运动可能会产生这些高频或噪声数据。此外，由轮速传感器52产生的数据是以高频产生的，因此可能包括大量的噪声。因此，对于基于轮速的计算来说，通过排除噪声数据来减少数据中的噪声量是有用的。

在一些示例中，处理器42随后执行拖运应用程序56的第四控制逻辑。第四控制逻辑基于来自传感器50的数据内容来启用挂接角度估计系统10。在一个示例中，拖运应用程序56的第四控制逻辑确定拖车14是否以将产生足够精确的估计挂接角度θ的速度移动。也就是说，在基于轮速传感器52的数据估计挂接角度θ的情况下，左右拖车车轮32、34的左右转速ω_L、ω_R必须高于预定阈值ε。在一个特定的示例中，第四控制逻辑计算左右转速ω_L、ω_R的平均值，并将该平均值与阈值ε进行比较。阈值ε应当理解为可调值，该可调值可以因不同的应用而变化。在一些情况下，阈值ε被设定为近似0km/h的速度。也就是说，当左右转速ω_L、ω_R的平均值近似零转速时，系统10不能产生估计的挂接角度θ。同样地，由于轮速传感器54的精确度和精度限制，在非常低的速度(例如低于1km/h或低于2km/h)下，可能难以获得精确的左右转速ω_L、ω_R。因此，可将其他示例的阈值ε设置为1km/h、2km/h等。

在左右转速ω_L、ω_R平均近似为零转速的情况下，系统10将参考已经存储在控制模块40的存储器44中的最后已知的估计挂接角度θ。尽管在上文中以阈值ε近似为零进行了讨论，但是应当认识到的是，实际阈值ε可能根据运输载具12和拖车14的物理尺寸等因不同的应用而有很大的变化。在一个进一步的示例中，最小阈值ε低于约1km/h、低于2km/h等。然而，当左右转速ω_L、ω_R的平均值大于阈值_ε时，拖运应用程序56将接受左右转速ω_L、ω_R作为有效输入。

在一些示例中，拖运应用程序56随后执行第五控制逻辑，该第五控制逻辑将左右车轮32、34的左右转速ω_L、ω_R与已知转速值进行比较，以确定左右转速ω_L、ω_R是否是精确的和/或可能的。更具体地，第五控制逻辑将左右转速ω_L、ω_R与运输载具的速度ω_v进行比较，以确定左右转速ω_L、ω_R是否约等于运输载具的速度ω_v。由于拖车14和牵引拖车的运输载具12可能以基本相同的总速度移动，来自传感器50的数据中的差异被识别，并且在可能速度范围之外的数据集被丢弃。也就是说，已知的转速值是通过实验来确定的，通过利用尺寸T、D等的数学计算来预先确定。第五控制逻辑将测量的左右转速ω_L、ω_R与已知的和/或数学计算得到的转速值以及运输载具的速度ω_v进行比较。如果左右转速ω_L、ω_R不匹配或者不在相对于运输载具速度ω_v的已知可能转速值范围内，则拖运应用程序56参考已经存储在控制模块40的存储器44中的最后已知的估计挂接角度θ。然后，拖运应用程序56将使处理器42重新轮询轮速传感器52，并重新执行第一和第二控制逻辑。然而，如果左右转速ω_L、ω_R匹配或在已知的可能转速值范围内，则处理器42执行如上所述的第一和第二控制逻辑。

应当认识到的是，尽管在一些示例中第三、第四和第五控制逻辑可以是可选的，但是将第三、第四和第五控制逻辑包括在内提高了挂接角度θ估计值的准确性和精度。此外，应当认识到的是，第三、第四和第五控制逻辑中的一部分或全部可以相互组合使用、单独使用或者在一些示例中仅与其他逻辑中的一个一起使用。也就是说，在不脱离本公开的范围或意图的情况下，可以使用第三和第四逻辑、第三和第五逻辑或者第四和第五逻辑。同样地，应当认识到的是，当系统10根据第四和/或第五控制逻辑的要求使用最后已知的估计挂接角度θ时，系统10不必执行第一控制逻辑来计算特定控制循环期间的估计挂接角度θ。相反，系统10将执行第二控制逻辑，然后在这之后自动地、连续地且递归地执行第一和第二控制逻辑，至少直到系统10断电等。

现在参考图2，同时继续参考图1，以流程图的形式示出了使用挂接角度估计系统10估计挂接角度θ的方法100。方法100始于框102，在框102，希望用其运输载具12牵引拖车14的驾驶员或用户访问拖运应用程序56。可以在运输载具显示器62、远程设备64、两者的组合等上访问拖运应用程序56。在框104，拖运应用程序56使控制模块40监控系统10的传感器50。具体地，处理器42轮询系统10的传感器50，以获取左右拖车车轮32、34的左右转速ω_L、ω_R。在一些示例中，处理器42还从方向盘角度传感器58、设置在运输载具12上的轮速传感器54等获取信息。传感器50测量和报告运输载具12和拖车14的姿态、速度和加速度信息，或者在使用第五轮式或鹅颈式拖车14的情况下，传感器可以简单地仅测量和报告拖车14的姿态、速度和加速度信息。

在框106，拖运应用程序56使处理器42执行拖运应用程序56的第一控制逻辑，该第一控制逻辑估计挂接角度θ。第一控制逻辑采用在框104中收集的左右拖车车轮32、34的左右转速ω_L、ω_R。在一些示例中，第一控制逻辑从传感器50组合和每台运输载具12和拖车14特有的已知尺寸信息中获取转向角度δ、运输载具轴距L、第一距离d、第二距离D和拖车14的轮距T。第一控制逻辑采用左右拖车车轮32、34的转速ω_L、ω_R、转向角度、运输载具轴距L、第一距离d、第二距离D和轮距T作为第一等式的输入：

1)θ＝tan^-1(Y1)-tan^-1(Y2)。

在根据轮速传感器52计算第一和第二项Y1、Y2的情况下，第一控制逻辑因此经由第四等式计算估计的挂接角度：

4)

类似地，在根据轮速传感器52计算第一和第二项Y1、Y2并且拖车14采用第五轮式或鹅颈式挂接装置36的情况下，第一逻辑经由上述第五等式计算估计的挂接角度：

5)

在框108，拖运应用程序56的第二控制逻辑利用来自第一控制逻辑的估计挂接角度θ，以几种不同方式中的至少一种方式向驾驶员、操作者和/或各种其他运输载具12和拖车14控制系统中的任何一个报告估计的挂接角度θ。将估计的挂接角度θ作为反馈信号报告给车载运输载具12和/或拖车14系统(比如，TCS、ABS、TPMS、ESC、DSC或融合系统等)。然后，估计的挂接角度θ可以用于车载运输载具12和/或拖车14系统中，以保持运输载具12和/或拖车14的方向稳定性，从而减少运输载具12和/或拖车14的偏航。更重要的是，估计的挂接角度θ用于防止或基本上消除发生弯折事故或运输载具12和拖车14之间发生物理接触的可能性。这些预防措施提高了抗拖车摇摆的能力，从而提高了驾驶员或操作者对运输载具12和拖车14运动的信心和控制。同样地，在一些示例中，估计的挂接角度θ经由HMI(比如，显示器62、远程设备64等)直接报告给运输载具12和/或拖车14的驾驶员或操作者。

当运输载具12和拖车14运动时，使用拖运应用程序56。因此，当运输载具12和拖车14移动时，拖运应用程序56递归地且连续地运行，以实时地为车载运输载具系统和/或驾驶员或操作者自动更新估计的挂接角度θ。也就是说，在框108之后，方法100前进到框110；在该框处，方法100结束并连续地且递归地返回到框102。在框102，方法100运行，直到拖运应用程序56关闭、退出或在其他情况下断电；在这种情况下，在框108之后，方法100前进到框110；在该框处，方法100再次将最后已知的估计挂接角度θ存储在存储器44中，并且方法100结束。在一些示例中，拖运应用程序56可以在拖车14被挂接到运输载具12上并且运输载具12通电后立即自动启用。

在一些示例中，在框106和108执行第一和第二控制逻辑之前，方法100执行滤波和使能步骤。滤波和使能步骤提高了估计挂接角度θ测量的准确性和精度。具体地，在框116，拖运应用程序56使控制模块40执行第三控制逻辑。第三控制逻辑对传感器50的数据进行滤波，以确定传感器50的数据是否准确。在传感器50是轮速传感器52等的示例中，第三控制逻辑对左转速ω_L和右转速ω_R进行滤波，以通过从来自传感器50的数据中去除噪声和高频数据来确保左右转速ω_L、ω_R是准确的。

然后，方法100前进到框114，其中拖运应用程序56使处理器42执行第四控制逻辑。第四控制逻辑确定拖车14是否在运动。具体地，第四控制逻辑将左右转速ω_L、ω_R与阈值ε进行比较。当左右转速ω_L、ω_R不满足如上所述的阈值ε时，方法100返回到框116，并且拖运应用程序56采用存储在控制模块40的存储器44中的最后已知的估计挂接角度θ。然而，如果满足阈值ε，则拖运应用程序56将使处理器42前进到框118。在框118，拖运应用程序56使处理器42执行第五控制逻辑。

第五控制逻辑将拖车14的速度与运输载具速度ω_v进行比较，以确定运输载具12和拖车14是否以大致相同的速度行驶。也就是说，因为拖车14和运输载具12是在挂接装置36处连接的，所以两者在正常工作条件下应该以基本相同的速度移动。具体地，第五控制逻辑将测量的左右拖车车轮32、34的左右转速ω_L、ω_R的平均值与运输载具的速度ω_v进行比较。如果左右转速ω_L、ω_R不匹配或不在相对于运输载具速度ω_v的已知可能转速值范围内，则拖运应用程序56的第五控制逻辑将使方法100采用存储在控制模块40的存储器44中的最后已知的估计挂接角度θ。随后，处理器42将重新轮询传感器50以获取新的数据。然而，当左右转速ω_L、ω_R匹配或在相对于运输载具速度ω_v的已知可能转速值范围内时，方法100进行到框106，并执行如上所述的第一控制逻辑。

应当认识到的是，尽管在一些示例中第三、第四和第五控制逻辑可以是可选的，但是将第三、第四和第五控制逻辑包括在内提高了挂接角度θ估计值的准确性和精度。此外，应当认识到的是，第三、第四和第五控制逻辑中的一部分或全部可以相互组合使用、单独使用或者在一些示例中仅与其他逻辑中的一个一起使用。也就是说，在不脱离本公开的范围或意图的情况下，可以使用第三和第四逻辑、第三和第五逻辑或者第四和第五逻辑。同样地，应当认识到的是，当系统10根据第四和/或第五控制逻辑的要求使用最后已知的估计挂接角度θ时，系统10不必执行第一控制逻辑来计算特定控制循环期间的估计挂接角度θ。相反，该方法将使处理器42执行第二控制逻辑，然后自动地、连续地且递归地执行第一和第二控制逻辑，至少直到系统10断电或者方法100在框110结束等。

因为本公开的挂接角度估计系统10和方法100从一组基本上不受天气变化影响的传感器50获取数据，所以系统10和方法是稳健的，并且比基于光学传感器的技术具有更高的精确度。也就是说，在依靠轮速传感器52和/或IMU54时，天气状况、污垢、泥土和其它可能遮蔽光学传感器的碎屑不会对输入到第一和第二控制逻辑中的传感器50数据的精准确性产生实质性的有害影响。此外，拖运应用程序56执行完整性检查，以确保从轮速传感器52、IMU54等获取的数据不是不可能的。例如，在结冰的道路上，如果左右拖车车轮32、34在路面上滑动，左右拖车车轮32、34的左右轮速ω_L、ω_R可能至少暂时无法准确地限定拖车14相对于运输载具12的位置。因此，因为左右拖车车轮32、34的左右轮速ω_L、ω_R连续地与运输载具速度ω_v进行比较，所以可以很容易地确定可能的左右轮速ω_L、ω_R与运输载具速度ω_v之间的差异，并且可以从挂接角度θ计算中省略该差异。

本公开的用于挂接角度估计的系统和方法提供了几个优点，包括不受恶劣天气条件的影响、轻便性、利用已在运输载具12和拖车14上配备的传感器50的能力、拖车挂接装置36铰接角度估计准确性提高、驾驶员迷惑感降低、成本降低、计算机处理成本降低、跨平台支持、拖车操纵简化、驾驶便利性提高、弯折可能性降低、抗拖车摇摆的能力提高、轻便性、稳健性和可靠性提高以及制造简化。

本公开的描述实质上仅为示例性的，并且未脱离本公开要旨的改变都包括在本公开的范围内。这些改变不应被视为脱离了本公开的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于估计经由挂接装置牵引拖车的运输载具的挂接角度的系统，所述系统包括：

控制模块，其具有用于存储编程控制逻辑的存储器、与所述存储器进行通信并执行所述编程控制逻辑的处理器以及一个或多个输入/输出端口；

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器包括速度传感器，其设置在拖车上并测量左拖车车轮和右拖车车轮的转速，所述一个或多个传感器与所述输入/输出端口进行电子通信，所述输入/输出端口与所述控制模块的处理器进行电子通信；以及

拖运应用程序，其限定了所述编程控制逻辑的一部分，所述拖运应用程序至少具有第一控制逻辑和第二控制逻辑，并且

其中所述第一控制逻辑基于第一项和第二项以及所述运输载具和拖车的物理参数来估计挂接角度，而所述第二控制逻辑将估计的挂接角度提供给运输载具驾驶员和车载运输载具系统中的一个或多个，其中所述第二项是根据所述运输载具的转向角度、所述运输载具的轴距以及从所述挂接装置到所述运输载具的后轴的第二距离计算得出的；

还包括第四控制逻辑，其中所述第四控制逻辑将所述一个或多个传感器产生的数据与阈值进行比较；

其中所述第四控制逻辑将所述左拖车车轮的转速和所述右拖车车轮的转速的平均值与预定阈值进行比较，并且

其中当所述平均值大于所述阈值时，将所述左拖车车轮的转速和所述右拖车车轮的转速作为所述第一控制逻辑和第二控制逻辑的有效输入，并且其中当所述平均值小于所述阈值时，所述系统参考存储在所述存储器中的最后已知的估计挂接角度；

其中所述挂接角度的估计值等于所述第一项的反正切值和所述第二项的反正切值之间的差，其中所述拖车支撑在拖车轴上，所述拖车轴延伸从紧挨着所述拖车的左侧安装的左拖车车轮到紧挨着所述拖车的右侧安装的右拖车车轮测量的轮距，所述左拖车车轮和所述右拖车车轮可以相对于彼此独立旋转，并且

其中所述第一项是根据所述左拖车车轮的转速、所述右拖车车轮的转速、所述拖车的轮距以及从所述拖车轴到所述挂接装置的第一距离来计算的。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括第三控制逻辑，其中所述第三控制逻辑对所述一个或多个传感器产生的数据进行滤波，以从所述数据中去除扰动和高频内容。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括第五控制逻辑，其中所述第五控制逻辑将所述左拖车车轮的转速和所述右拖车车轮的转速的平均值与所述运输载具的速度进行比较，并且其中当所述左拖车车轮和所述右拖车车轮的转速的平均值不等于所述运输载具的速度时，所述系统参考存储在所述存储器中的最后已知的估计挂接角度。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个传感器还包括：

转向角度传感器，设置在所述运输载具上并测量和报告所述运输载具的前轮相对于所述运输载具的纵向轴线的转向角度，并且

其中所述轴距限定了所述运输载具的前轴和所述运输载具的后轴之间隔开的距离，并且其中当所述挂接装置安装在所述运输载具的后轴处时，所述第二项等于零。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第一控制逻辑根据以下等式估计所述挂接角度：

其中θ为估计的挂接角度，D为所述第一距离，T为所述轮距，d为所述第二距离，L为所述轴距，δ为所述转向角度，ω_R为所述右拖车车轮的转速，ω_L为所述左拖车车轮的转速。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二控制逻辑主动地且连续地将所述估计的挂接角度作为反馈信号提供给车载运输载具系统和车载拖车系统中的一个或多个，其中所述车载运输载具和车载拖车系统包括以下系统中的一个或多个：

牵引控制系统、防抱死制动系统、胎压监测系统、电子稳定控制系统和动态稳定控制系统，其中所述车载运输载具和车载拖车系统利用所述估计的挂接角度来减少或消除拖车摇摆和弯折情况。