CN114475625A - 行驶表面摩擦特性确定 - Google Patents

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CN114475625A CN202111231711.6A CN202111231711A CN114475625A CN 114475625 A CN114475625 A CN 114475625A CN 202111231711 A CN202111231711 A CN 202111231711A CN 114475625 A CN114475625 A CN 114475625A
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H·克拉森
D·A·施瓦茨
A·索玛纳斯
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Abstract

一种说明性示例方法用于估计交通工具下方的表面的摩擦特性，该交通工具具有与该表面接触的多个车轮。该方法包括：确定车轮中的至少一个车轮的轮速；与确定轮速分开地确定车轮中的至少一个车轮的速度；基于经确定的轮速和经确定的速度来确定车轮中的至少一个车轮的车轮滑移；以及基于经确定的车轮滑移来确定摩擦特性。使用提供与距离变化率相对应的输出的至少一个检测器(诸如，雷达或激光雷达检测器)完成与确定轮速分开地确定速度。

Description

行驶表面摩擦特性确定
背景技术
现代机动交通工具包括越来越多的电子技术，诸如提供驾驶员辅助或自主交通工具控制的传感器或检测器。对于此类辅助或控制，与交通工具的移动或航向方向以及交通工具周围的环境有关的信息是有用的或必须的。有各种方法来获得此类信息。例如，GNSS卫星技术允许基于检测多个卫星并使用已知算法来确定并跟踪交通工具位置、移动或方向信息。惯性测量单元(IMU)对于在某些情况下跟踪交通工具移动而言是有用的。各种传感器可用于检测交通工具交通工具附近的对象或车道标记。
虽然这些传感器及它们提供的信息已被证明是有用的，但是还存在其他类型的信息，这些其他类型的信息对于更好的驾驶员辅助或增强的自动交通工具控制是有用的。
发明内容
一种说明性示例方法用于估计交通工具下方的表面的摩擦特性，该交通工具具有与该表面接触的多个车轮。该方法包括：确定车轮中的至少一个车轮的轮速(wheelspeed)；与确定轮速分开地确定车轮中的至少一个车轮的速度(velocity)；基于经确定的轮速和经确定的速度来确定车轮中的至少一个车轮的车轮滑移；以及基于经确定的车轮滑移来确定摩擦特性。
在具有前述段落的方法的至少一个特征的示例实施例中，确定速度是基于来自检测器的距离变化率的指示，该检测器与交通工具的在车轮中的至少一个车轮附近的一部分相关联。
具有前述段落中的任何段落的方法的至少一个特征的示例实施例包括：基于来自与交通工具的在车轮中的每一个车轮附近的相应部分相关联的相应检测器的距离变化率的指示，来确定多个车轮中的每一个车轮的速度。
在具有前述段落中的任何段落的方法的至少一个特征的示例实施例中，确定摩擦特性包括：确定交通工具的交通工具加速度；以及根据摩擦特性、经确定的车轮滑移和交通工具加速度之间的关系来确定摩擦特性。
在具有前述段落中的任何段落的方法的至少一个特征的示例实施例中，确定交通工具加速度包括：确定在交通工具的移动方向上的交通工具上的净力。
在具有前述段落中的任何段落的方法的至少一个特征的示例实施例中，确定净力包括：使用至少一个传感器来提供指示交通工具的至少一部分的加速度的输出。
在具有前述段落中的任何段落的方法的至少一个特征的示例实施例中，所述关系将摩擦特性限定为交通工具加速度除以经确定的车轮滑移与因重力而产生的加速度的乘积。
具有前述段落中的任何段落的方法的至少一个特征的示例实施例包括：确定多个车轮中的全部车轮的轮速和速度，并且所述关系通过以下方式来限定摩擦特性：交通工具加速度与多个车轮中的车轮的数量的乘积除以在车轮中的每一个车轮处的经确定的车轮滑移之和与因重力而产生的加速度的乘积。
在具有前述段落中的任何段落的方法的至少一个特征的示例实施例中，确定轮速包括：确定车轮中的至少一个车轮的转速；以及确定每一个交通工具车轮的半径。
具有前述段落中的任何段落的方法的至少一个特征的示例实施例包括：基于经确定的摩擦特性来控制交通工具的移动的至少一个方面。
用于估计交通工具下方的表面的摩擦特性的系统的说明性示例实施例，所述交通工具具有接合该表面的多个车轮，所述系统的说明性示例实施例包括多个轮速传感器，每一个轮速传感器与车轮中的相应车轮相关联。至少一个检测器提供与交通工具的在车轮中的至少一个车轮附近的至少一部分的速度相对应的输出。处理器被配置为：基于来自轮速传感器中的对应轮速传感器的指示来确定车轮中的至少一个车轮的轮速；基于至少一个检测器的输出确定车轮中的至少一个车轮的速度；基于经确定的轮速和经确定的速度来确定车轮中的至少一个车轮的车轮滑移；并且基于经确定的车轮滑移来确定摩擦特性。
在具有前述段落中的任何段落的系统的至少一个特征的示例实施例中，至少一个检测器与交通工具的在车轮中的至少一个车轮附近的一部分相关联，至少一个检测器输出对应于距离变化率，并且处理器被配置为基于距离变化率来确定速度。
在具有前述段落中的任何段落的系统的至少一个特征的示例实施例中，至少一个检测器包括多个检测器，检测器中的每一个检测器与交通工具的在多个车轮中的对应车轮附近的一部分相关联，并且处理器被配置为基于来自多个检测器中的相应检测器的距离变化率的指示来确定车轮中的每一个车轮的速度。
在具有前述段落中的任何段落的系统的至少一个特征的示例实施例中，处理器被配置为通过如下步骤来确定摩擦特性：确定交通工具的交通工具加速度，并且根据摩擦特性、经确定的车轮滑移和交通工具加速度之间的关系确定摩擦特性。
在具有前述段落中的任何段落的系统的至少一个特征的示例实施例中，处理器被配置为：通过确定在交通工具的移动方向上的交通工具上的净力，来确定交通工具加速度。
具有前述段落中的任何段落的系统的至少一个特征的示例实施例包括至少一个加速度传感器，所述至少一个加速度传感器提供指示交通工具的至少一部分的加速度的输出，并且其中处理器被配置为：基于至少一个加速度传感器的输出来确定交通工具加速度。
在具有前述段落中的任何段落的系统的至少一个特征的示例实施例中，所述关系将摩擦特性限定为交通工具加速度除以经确定的车轮滑移与因重力而产生的加速度的乘积。
在具有前述段落中的任何段落的系统的至少一个特征的示例实施例中，所述处理器被配置为确定多个车轮中的全部车轮的轮速、速度和车轮滑移；并且所述关系通过以下方式来限定摩擦特性：交通工具加速度与多个车轮中的车轮的数量乘积除以在车轮中的每一个车轮处的经确定的车轮滑移之和与因重力而产生的加速度的乘积。
在具有前述段落中的任何段落的系统的至少一个特征的示例实施例中，处理器被配置为：通过确定车轮中的至少一个车轮的转速并确定每一个车轮的半径，来确定轮速。
在具有前述段落中的任何段落的系统的至少一个特征的示例实施例中，处理器被配置为：基于经确定的摩擦特性来控制交通工具的移动的至少一个方面。
通过以下具体实施方式，至少一个公开的示例实施例的多个特征和优点对于本领域的技术人员而言将变得显而易见。伴随具体实施方式的附图可以被简要描述如下。
附图说明
图1示意性地示出用于估计行驶表面的摩擦特性的示例系统。
图2示意性地示出对于确定行驶表面摩擦特性有用的确定车轮滑移信息的示例技术。
图3示意性地示出使用来自图2的车轮滑移信息来确定摩擦特性的示例技术。
具体实施方式
本发明的实施例(诸如下文所述的)包括使用来自至少一个检测器的信息，该至少一个检测器在估计行驶表面的摩擦特性的过程中提供交通工具运动的指示。例如，雷达或激光雷达检测器提供指示交通工具的移动的距离变化率信息。此类信息可与来自轮速传感器的轮速信息一起使用，以估计摩擦特性。
图1示意性地示出用于估计行驶表面(诸如道路或者路径)的摩擦特性(诸如摩擦系数)的系统20。示例系统20被显示在包括多个车轮24的交通工具22上，多个车轮24与行驶表面相接触。
多个轮速传感器30分别与车轮24相关联。每一个轮速传感器30提供相关联的车轮24的转速的指示。在所示的示例实施例中，轮速传感器30与每一个车轮24相关联，并且可以利用车轮24中的任何车轮的轮速信息。在下文描述的示例实施例中，利用关于所有车轮24的轮速信息。在一些实施例中，在确定行驶表面的摩擦特性时，可包括仅一个车轮24或者比所有车轮更少的另一个数量的车轮24。
多个检测器32与交通工具22相关联，并且在所示的示例实施例中，多个检测器32位于交通工具22的四个外角附近。本示例中的检测器32中的每一个与交通工具22的在车轮24中的一个车轮附近的一部分相关联。检测器32提供与交通工具22的对应部分的速度相对应的输出。
在一些实施例中，检测器32是雷达检测器。在其他实施例中，检测器32是激光雷达检测器。此类实施例中的检测器32提供与交通工具22和靠近交通工具22附近区域中的一个或多个对象之间的相对移动有关的距离变化率信息。距离变化率信息提供与交通工具22的与每一个检测器32相关联的部分的速度有关的信息。
处理器36包括至少一个计算设备(诸如，微处理器)并具有相关联的存储器38。在一些实施例中，通过交通工具控制器(诸如发动机控制单元)的一部分或功能实现处理器36。在其他实施例中，处理器36是与交通工具22上的其他控制器或处理器分离的设备。
系统20包括至少一个加速度传感器，所述至少一个加速度传感器提供指示交通工具22的至少一部分的加速度的输出。在所示的示例实施例中，一个加速度传感器是被配置为检测GNSS卫星信号的检测器40。处理器36被配置为使用来自检测器40的与交通工具22的移动有关的信息来确定交通或工具22的加速度。本实施例中包括另一个加速度传感器42。加速度传感器42是惯性测量单元(IMU)，惯性测量单元(IMU)感测交通工具22的加速度并且向处理器36提供指示加速度的输出。
处理器36使用来自系统20的传感器和检测器中的至少所选择的传感器和检测器的信息，来估计行驶表面的摩擦特性，诸如摩擦系数。例如，处理器36基于来自对应的轮速传感器30的指示，来确定所选数量的车轮24的轮速。处理器32基于来自相对应的检测器32的输出来确定所选车轮24的速度。处理器36基于经确定的轮速和经确定的速度来确定所选车轮24的车轮滑移。处理器36基于经确定的车轮滑移来确定摩擦特性。
图2和图3是示出示例方法的流程图样式图。出于讨论目的，以下描述的示例方法中包括所有四个车轮24。使用比交通工具上的所有车轮更少的车轮以便以符合本描述的方式来确定摩擦特性是可能的。
在图2的流程图50中，处理器36接收来自检测器32的信息，并在52处确定交通工具速度和横摆率(yaw rate)。用于使用多个传感器检测来确定交通工具速度以及横摆率的技术是已知的。
例如，当检测器32是雷达检测器时，处理器36从检测器32接收与交通工具22的对应部分和附近对象之间的相对移动有关的指示。当这些对象静止时，相对移动指示对应于交通工具22的相关联部分的移动。处理器36被配置或被编程为：利用此类信息来确定交通工具22的相关联部分的速度矢量，并使用该信息来在52处确定交通工具速度和横摆率。
在54处，处理器36使用交通工具动力学模型并且针对车轮24中的每个车轮确定单独的车轮速度矢量。一个示例实施例包括使用与出版物《Instantaneous Ego-MotionEstimation Using Multiple Doppler Radars(使用多个多普勒雷达的瞬时自我运动估计)》(Kellner等人，IEEE机器人和自动化国际会议，2014)中的描述相一致的技术。该文档的教导全部通过引用其整体来并入本描述。
如图2中所示，轮速传感器30向处理器36提供车轮转速信息。在58处，处理器36估计每一个车轮24的半径。处理器36具有与交通工具22的车轮24的尺寸有关的信息，诸如存储在存储器38中的数据。在一些实施例中，处理器36利用与每个轮胎的当前气压有关的信息作为58处的车轮半径估计的部分。
处理器使用车轮半径信息和来自轮速传感器30的转速信息来确定每个车轮的纵向轮速。每个车轮的纵向速度等于转速乘以半径(v＝Rω)，其中v为纵向速度，R为半径，并且ω为转速。
轮速传感器30提供轮速的一个指示，并且检测器32与轮速传感器30分开地提供轮速的另一指示。来自轮速传感器30的轮速信息基于每个车轮的转速，但是不提供车轮滑移信息。在56处，速度矢量提供每个车轮的纵向速度信息。
在60处，处理器36确定每一个车轮24的车轮滑移信息。在所示的示例实施例中，处理器36确定由在56处确定的速度矢量指示的纵向轮速与基于每个车轮的转速和相对应半径的轮速之间的差值。这些速度之间的差值对应于每个车轮24处的车轮滑移量。
制动滑移率λ由以下等式来描述：
Figure BDA0003316235790000071
处理器36在60处使用该关系来生成在62处所提供的车轮滑移。
图3是流程图样式图70，总结了处理器36如何基于图2中所确定的车轮滑移信息来确定行驶表面的摩擦特性。加速度信息由加速度传感器40、42中的至少一个提供给处理器36。在72处，处理器36确定交通工具22上的净力。处理器36在76处利用该确定的力、交通工具速度和确定的车轮滑移信息来确定行驶表面摩擦特性。由于车轮24产生具有一定滑移(所述一定滑移至少部分取决于行驶表面的摩擦特性)的力，因此所确定的净力和车轮滑移信息之间的关系提供了摩擦特性的指示。
每个车轮24的纵向力可由以下等式来描述：
F＝-Nμf(λ),
其中，F是纵向力，N是车轮24处的法向力，μ是车轮与行驶表面之间的摩擦系数，并且f(λ)表示μ-滑移曲线。在一些实施例中，f(λ)是行驶表面的μ的函数。
考虑到所有车轮24，交通工具22上的净力由每个车轮24所施加的力之和来表示，这可以使用以下等式来表示：
Figure BDA0003316235790000072
该示例实施例包括假设对于每个车轮24而言μ具有相同的值，并且每个车轮24上的正常负载N相同。其他实施例不一定包括这些假设中的一个或两个。总法向力可通过以下等式来表示：
Ni＝Mg/4
该示例实施例包括假设对于所考虑的每个车轮而言μ是相同的，并且忽略气动阻力的影响。其他实施例不一定包括该假设。具有加速度a和总质量M的交通工具上的净纵向力F可由以下等式来表示：
Figure BDA0003316235790000073
求解μ数值
Figure BDA0003316235790000074
在图3中，在76处，处理器36使用摩擦特性μ、经确定的车轮滑移λ和交通工具加速度a之间的关系(如前面的等式所示)来确定行驶表面的摩擦特性。在该示例实施例中，经确定的摩擦特性对应于车轮24与行驶表面之间的摩擦系数。
在78处，处理器36或与处理器36通信的另一交通工具控制单元在78处控制交通工具移动的至少一个方面。例如，用于应用交通工具制动器的控制参数可以根据道路表面的摩擦特性进行调整，以保持足够的制动距离，以便在必要或需要时使交通工具22停止。可以被调整的交通工具移动控制的其他方面包括转向角、加速度变化率以及路线选择等。
所公开的示例性实施例以及与该描述一致的其他实施例利用可从可能已经存在于交通工具上的传感器和检测器获取到的信息来估计行驶表面的摩擦特性。不需要附加的传感器来获取对交通工具控制有用的附加的信息。经确定的摩擦特性信息有助于通过增强驾驶员辅助或自动驾驶改进交通工具控制。
前面的描述本质上是示例性的而不是限制性的。对所公开的示例的不必脱离本发明的本质的变型和修改对于本领域技术人员而言可以变得显而易见。赋予本发明的法律保护范围只能通过研究所附权利要求来确定。

Claims (20)

1.一种用于估计交通工具下方的表面的摩擦特性的方法，所述交通工具具有与所述表面相接触的多个车轮，所述方法包括：
确定所述车轮中的至少一个车轮的轮速；
与确定所述轮速分开地确定所述车轮中的所述至少一个车轮的速度；
基于经确定的轮速和经确定的速度来确定所述车轮中的所述至少一个车轮的车轮滑移；以及
基于经确定的车轮滑移来确定所述摩擦特性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述速度是基于来自检测器的距离变化率的指示，所述检测器与所述交通工具的在所述车轮中的所述至少一个车轮附近的一部分相关联。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，包括：基于来自相应检测器的距离变化率的指示，来确定所述多个车轮中的每一个车轮的所述速度，所述相应检测器与所述交通工具的在所述车轮中的每一个车轮附近的相应部分相关联。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述摩擦特性包括：确定所述交通工具的交通工具加速度，以及根据所述摩擦特性、经确定的车轮滑移和所述交通工具加速度之间的关系来确定所述摩擦特性。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，确定所述交通工具加速度包括：确定在所述交通工具上的在所述交通工具的移动的方向上的净力。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，确定所述净力包括：使用至少一个传感器来提供输出，所述输出指示所述交通工具的至少一部分的加速度。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述关系将所述摩擦特性限定为所述交通工具加速度除以经确定的车轮滑移与因重力而产生的加速度的乘积。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括确定所述多个车轮中的全部车轮的所述轮速和所述速度，并且所述关系通过以下方式来限定所述摩擦特性：所述交通工具加速度与所述多个车轮中的车轮的数量的乘积除以在所述车轮中的每一个车轮处的经确定的车轮滑移之和与因重力而产生的加速度的乘积。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述轮速包括：确定所述车轮中的所述至少一个车轮的转速；以及确定每一个交通工具车轮的半径。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：基于经确定的摩擦特性，确定所述交通工具的移动的至少一个方面。
11.一种用于估计交通工具下方的表面的摩擦特性的系统，所述交通工具具有与所述表面相接合的多个车轮，所述系统包括：
多个轮速传感器，每一个轮速传感器与所述车轮中的相应车轮相关联；
至少一个检测器，所述至少一个检测器提供输出，所述输出与所述交通工具的在所述车轮中的至少一个车轮附近的至少一部分的速度相对应；
处理器，所述处理器被配置用于：
基于来自所述轮速传感器中的对应轮速传感器的指示，确定所述车轮中的至少一个车轮的轮速；
基于所述至少一个检测器的所述输出，确定所述车轮中的所述至少一个车轮的速度；
基于经确定的轮速和经确定的速度来确定所述车轮中的所述至少一个车轮的车轮滑移；以及
基于经确定的车轮滑移来确定所述摩擦特性。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，
所述至少一个检测器与所述交通工具的在所述车轮中的所述至少一个车轮附近的一部分相关联；
所述至少一个检测器输出对应于距离变化率，并且
所述处理器被配置用于基于所述距离变化率来确定所述速度。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，
所述至少一个检测器包括多个检测器，
所述检测器中的每一个检测器与所述交通工具的在所述多个车轮中的对应车轮附近的一部分相关联，并且
所述处理器被配置用于：基于来自所述多个检测器中的相应检测器的距离变化率的指示，来确定所述车轮中的每一个车轮的所述速度。
14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述处理器被配置用于通过以下步骤确定所述摩擦特性：确定所述交通工具的交通工具加速度；以及根据所述摩擦特性、经确定的车轮滑移和所述交通工具加速度之间的关系来确定所述摩擦特性。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述处理器被配置用于通过以下步骤确定所述交通工具加速度：确定在所述交通工具上的在所述交通工具的移动的方向上的净力。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，包括：至少一个加速度传感器，所述至少一个加速度传感器提供指示所述交通工具的至少一部分的加速度的输出，并且其中所述处理器被配置用于：基于所述至少一个加速度传感器的所述输出，来确定所述交通工具加速度。
17.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述关系将所述摩擦特性限定为所述交通工具加速度除以经确定的车轮滑移与因重力而产生的加速度的乘积。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，
所述处理器被配置用于：确定所述多个车轮中的全部车轮的所述轮速、所述速度和所述车轮滑移，并且
所述关系通过以下方式来限定所述摩擦特性：所述交通工具加速度与所述多个车轮中的车轮的数量的乘积除以在所述车轮中的每一个车轮处的经确定的车轮滑移之和与因重力而产生的加速度的乘积。
19.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述处理器被配置用于通过以下步骤确定所述轮速：确定所述车轮中的所述至少一个车轮的转速；以及确定每一个交通工具车轮的半径。
20.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述处理器被配置用于：基于经确定的摩擦特性控制所述交通工具的移动的至少一个方面。
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