CN117957153A - 用于重型车辆的基于车轮滑移的运动控制 - Google Patents

用于重型车辆的基于车轮滑移的运动控制 Download PDF

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CN117957153A CN202180102520.1A CN202180102520A CN117957153A CN 117957153 A CN117957153 A CN 117957153A CN 202180102520 A CN202180102520 A CN 202180102520A CN 117957153 A CN117957153 A CN 117957153A
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维克托·拉格纳特
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Abstract

一种用于控制重型车辆(100)的运动的方法，其中所述车辆被布置成基于所述车辆上的至少一个驱动轮(102)的目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))而被控制。所述方法包括：监测(S1)所述车辆(100)的加速度v'x(k))；监测(S2)所述至少5一个驱动轮(102)的当前纵向车轮滑移(λx(k))；在所述车辆(100)的监测到的加速度(v'x(k))减小而监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))不减小的情况下，减小(S3)所述至少一个驱动轮(102)的目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))；以及，基于所述目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))来控制(S4)所述至少一个驱动轮(102)的车轮滑移。

Description

用于重型车辆的基于车轮滑移的运动控制
技术领域
本公开涉及用于重型车辆的车辆运动管理，即，诸如行车制动器、推进设备和动力转向的运动支持设备的协调控制。本发明可应用于重型车辆(例如卡车、公共汽车、工程机械)。尽管将主要针对货物运输车辆(例如半挂车车辆和卡车)来描述本发明，但本发明不限于这种特定类型的车辆，而且还可用于其它类型的车辆(例如轿车)。
背景技术
车辆在机械、气动、液压、电子和软件方面变得越来越复杂。现代重型车辆可以包括各种不同的物理设备，例如内燃发动机、电机、摩擦制动器、再生制动器、减震器、风箱和动力转向泵。这些物理设备通常被称为运动支持设备(MSD)。MSD可以是单独可控的，例如使得摩擦制动器可以施加在一个车轮上，即负扭矩，而车辆上的另一个车轮，甚至可能是同一车轴上的另一个车轮，通过电机同时用于产生正扭矩。
例如在中央车辆控制单元(VCU)上执行或分布在电子控制单元(ECU)的网络上的最近提出的车辆运动和动力管理(VMPM)功能依赖于MSD的组合来操作车辆，以便获得期望的运动效果，同时保持车辆稳定性、成本效率和安全性。WO2019072379 A1公开了一个这样的示例，其中车轮制动器被选择性地用于辅助重型车辆的转弯操作。VMPM控制可以有利地基于从VMPM发送到MSD控制单元的车轮速度请求或车轮滑移请求，MSD控制单元通过低延迟-高带宽控制环路来控制各种MSD，该控制环路旨在保持车轮行为尽可能接近所请求的车轮滑移或车轮速度值。VMPM控制还可以包括从VMPM发送到MSD控制单元的更传统的基于扭矩的请求。
基于车轮滑移的控制策略通常依赖于轮胎力和车轮滑移之间的关系的某种模型。获得这种模型的高精度通常是一项具有挑战性的任务。例如，模型可能依赖于路面特性，这些路面特性可能沿路线变化，并且通常难以从传感器准确推断。因此，基于车轮滑移的控制(例如施加车轮滑移限值)倾向于使用一些平均场景的模型，这在大多数情况下是次优的。需要改进基于车轮滑移的控制方法和控制架构。
发明内容
本公开的目的是提供用于改进车辆控制的方法和控制单元。该目的至少部分地通过一种用于控制重型车辆运动的方法获得。该车辆被布置成基于车辆上的至少一个驱动轮的目标纵向车轮滑移而被控制。该方法包括监测车辆的加速度，同时还监测该至少一个驱动轮的当前纵向车轮滑移。该方法包括：在车辆的监测到的加速度减小而监测到的当前纵向车轮滑移不减小的情况下，减小该至少一个驱动轮的目标纵向车轮滑移；以及基于目标纵向车轮滑移来控制该至少一个驱动轮的车轮滑移。
目标纵向车轮滑移的减小可以是一种干预措施，其旨在作为基本目标滑移计算之上的安全网，以应对其中涉及的不确定性(例如从轮胎模型计算)。换言之，所公开的方法可以将在一定情况下次优的基本滑移目标调整到更适合车辆控制的值。本公开能够动态地更新车轮滑移目标。这例如增加了避免由于次优的基本目标滑移而导致车辆失速的机会。在所公开的方法中，目标滑移可以仅基于测量，并且它不需要关于表面、车辆、轮胎或任何其它已知与摩擦相关的环境条件的知识，而这些知识在其它基于车轮滑移的控制方法中通常是需要的。
通常不希望出现加速度(与轮胎力成比例)在纵向车轮滑移增加或维持不变的同时减小的情形。因此，所公开的方法使用一种算法来控制车轮滑移，一旦该算法意识到车辆正在失去加速度而滑移保持稳定或增加，该算法将通过减小目标滑移来进行干涉。这为车辆提供了简单但有效的控制方案。例如，如果车辆要在上坡砾石道路上行驶或启动，基本目标滑移可能设定得太高，并导致车辆过度滑移，失去加速度。由于车辆的监测到的加速度因为过度的车轮滑移而减小，而监测到的当前纵向车轮滑移不减小，因此目标车轮滑移将被减小到更适合在砾石道路上行驶的值。
根据各方面，基于当前纵向车轮滑移和/或基于基于先前的目标纵向车轮滑移来确定减小的目标纵向车轮滑移。通过这种方式，在某些情况下可以快速达到所需的当前车轮滑移。
如上所述，通常不希望出现加速度降低的同时纵向车轮滑移增加或维持不变的情况，因为这通常意味着目标车轮滑移对于当前驾驶条件来说设定得太高。在加速度变化和车轮滑移变化的所有其它情况下，通常反而希望增加目标车轮滑移，因为表面能够支持所产生的增加的车轮力。因此，根据各方面，该方法还可以包括：在车辆的监测到的加速度不减(即，不减小)而监测到的当前纵向车轮滑移不减小的情况下，增加所述至少一个驱动轮的目标纵向车轮滑移。这为车辆提供了一种简单但有效的控制方案，其中与先前已知的控制方法相比，可以针对许多不同的场景获得当前车轮滑移的更优值。
根据各方面，该方法包括：在车辆的监测到的加速度增加而监测到的当前纵向车轮滑移减小的情况下，减小至少一个驱动轮的目标纵向车轮滑移。在某些情况下，这会导致车辆更快地达到峰值加速度。
根据各方面，基于车辆的加速度变化和/或基于当前纵向车轮滑移的变化来确定目标车轮滑移。使目标车轮滑移基于加速度变化和/或当前车轮滑移的变化的幅度可以是更快达到所期望的且最佳的当前车轮滑移的好方法。
根据各方面，基于加速度的变化和当前纵向车轮滑移的变化的加权组合来确定目标车轮滑移。这样，可以选择加权/归一化因子来调整加速度变化和车轮滑移变化对目标车轮滑移的相对重要性。这些因子可以包括加权和/或归一化，并且可以根据当前运输任务、当前操作环境和/或当前车辆类型或负载来设定。
根据各方面，基于加速度的变化和当前纵向车轮滑移的变化以及环路增益因子来确定目标车轮滑移。这样，可以更有效地控制目标车轮滑移的变化率，如下面将更详细地解释的。在监测到的当前纵向车轮滑移不减小时，无论车辆的监测到的加速度是否减小，都可以不同地配置该环路增益因子。这样，目标车轮滑移可以稳定在某个值附近，这意味着，在不太可能的稳态情形下，滑移目标变得渐近稳定。
根据各方面，基于驾驶场景来动态地更新环路增益因子和/或所述加权组合中的因子。对于不同的场景，例如具有不同摩擦的不同地面条件，加速度变化相对于车轮滑移变化的相对重要性可能不同。类似地，可能希望针对不同的场景调整变化率(即，环路增益)。
根据各方面，根据驱动轮和非驱动轮之间的速度差来确定当前的纵向车轮滑移。这是一种简单但准确的获得车轮滑移的方式。
根据各方面，加速度是从加速度计获得的。这提供了一种获得精确加速度值的具有效益的方法。替代地或组合地，加速度是从车辆的速度获得的。传感器(例如雷达或激光雷达传感器)当然也可以用于以精确的方式确定车辆加速度。
根据各方面，加速度是驱动轮的纵向加速度。这样，加速度可以通过轮胎模型而与车轮滑移相关联。
本文还公开了与上述优点相关联的计算机程序、计算机可读介质、计算机程序产品、控制单元和车辆。
一般来说，权利要求中使用的所有术语都应根据其在技术领域中的普通含义进行解释，除非在此另有明确定义。除非另有明确说明，否则对“一元件/一个元件/该元件、装置、部件、手段、步骤等”的所有引用应被开放地解释为指该元件、装置、部件、手段、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必按照所公开的确切顺序执行。当研究所附权利要求书和下面的描述时，本发明的进一步特征和优点将变得明显。本技术人员会认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的不同特征可以组合以产生除了下文所述的实施例之外的实施例。
附图说明
参照附图，下面是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。
在附图中：
图1是示出了示例的重型车辆的侧视图；
图2A至图2B是示出了示例的轮胎力与车轮滑移之间关系的曲线图；
图3是示出了加速度与车轮滑移之间关系的图；
图4示意性地示出了控制单元；
图5示出了示例的计算机程序产品；
图6示出了运动支持设备控制装置的示例；
图7是示出了方法的流程图；并且
图8示出了示例的车辆控制功能架构。
具体实施方式
下文将参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的某些方面。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，且不应被解释为限于这里阐述的实施例和方面；相反，这些实施例是以示例的方式提供的，使得本公开将是彻底的且完整的，并且将向本领域技术人员完全传达本发明的范围。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
应当理解，本发明不限于本文描述并在附图中示出的实施例；相反，本领域技术人员将认识到，在所附权利要求书的范围内可以进行许多修改和变型。
参照图1，描绘了卡车形式的车辆100。车辆包括多个车轮102，其中每个车轮102均包括相应的运动支持设备(MSD)104。尽管图1中描绘的实施例示出了用于每个车轮102的MSD，但应容易理解的是，例如，一对车轮102可以布置成没有这样的MSD 104。此外，MSD可以被布置成例如经由差动装置连接到不止一个车轮。此外，MSD 104优选是用于在车辆的相应车轮上或在用于车轴的两个车轮上产生扭矩的MSD。MSD可以是推进设备，例如，被布置成例如向车辆100的车轮提供纵向车轮力的电机106。因此，这种电机可以适于产生推进扭矩，并且适于布置在再生制动模式中，以用于对车辆100的电池(未示出)或其它能量存储系统进行充电。电机也可以在不储存能量的情况下产生制动扭矩。例如，制动电阻器等可用于在制动期间耗散来自电机的多余能量。
此外，MSD 104中的每一个都连接到相应的MSD控制系统630，该MSD控制系统630被布置成控制MSD 104的操作。MSD控制系统630优选是分散式运动支持系统630，然而，集中式实施方式也是可能的。此外，应当理解，MSD控制系统的一些部分可以在远离车辆的处理电路上实现，例如在可经由无线链路从车辆访问的远程服务器120上实现。此外，每个MSD控制系统630经由数据总线通信装置114连接到车辆100的车辆运动管理(VMM)系统或功能660，数据总线通信装置114可以是有线的、无线的、或是有线和无线的。由此，可以在车辆运动管理系统660和MSD控制系统630之间传输控制信号。下面将参照图6和图8更详细地描述车辆运动管理系统660和MSD控制系统630。
通常，车辆100上的MSD也可以实现为例如摩擦制动器、动力转向设备、主动悬架等。值得注意的是，这些MSD通常是协调的，以便通过车辆获得期望的运动。例如，可以联合使用两个或更多个MSD以产生所期望的推进扭矩或制动扭矩。
应当理解，本文中公开的方法和控制单元也可以有利地应用于其它类型的重型车辆，例如具有牵引杆连接的卡车、建筑设备、公共汽车等。车辆100还可以包括不止两个车辆单元，即，拖台车辆单元可以用于牵引不止一个挂车。
VMM系统660以及MSD控制系统630可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一可编程设备。该系统还可以包括或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或数字信号处理器。在该系统包括可编程设备(例如上述微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器)的情况下，处理器还可以包括控制可编程设备的操作的计算机可执行代码。下面将结合图4更详细地讨论不同车辆单元处理电路的实现方面。
图2A是示出了作为纵向车轮滑移的函数的、可实现的轮胎力的示例200的曲线图。根据SAE J670(SAE车辆动力学标准委员会，2008年1月24日)，纵向车轮滑移λx可以定义为：
其中R是以米为单位的有效车轮半径，ωx是车轮的角速度，并且vx是车轮的纵向速度(在车轮的坐标系中)。因此，λx被限定在-1和1之间，并且它量化了车轮相对于道路表面滑移的程度。车轮滑移本质上是在车轮和车辆之间测量到的速度差。因此，本文公开的技术可适用于任何类型的车轮滑移定义。还应当理解，在车轮的坐标系中，给定车轮在表面上的速度，车轮滑移值相当于车轮速度值。VMM 660(以及可选地还有MSD控制系统630)可选地保持关于vx(在车轮的参考系中)的信息，同时车轮速度传感器等可用于确定ωx(车轮的旋转速度)。
为了使车轮(或轮胎)产生车轮力，必须发生滑移。对于较小的滑移值，滑移和所产生的力之间的关系近似为线性的，其中，比例常数通常被表示为轮胎的滑移刚度。轮胎受到纵向力Fx、横向力Fy和法向力Fz。法向力Fz是确定一些重要车辆性能的关键。例如，法向力在很大程度上决定了车轮可实现的横向轮胎力Fy，因为通常Fx≤μFz，其中μ是与道路摩擦条件相关联的摩擦系数。对于给定的横向滑移的最大可用横向力可以通过所谓的魔术公式来描述，如Hans Pacejka的“Tyre and vehicledynamics(轮胎和车辆动力学)”(ElsevierLtd.2012，ISBN 978-0-08-097016-5)中所描述的。
纵向轮胎力Fx1、Fx2显示了对于小的车轮滑移几乎线性增加的部分210，随后是对于较大的车轮滑移具有更非线性行为的部分220。轮胎模型Fx1代表高摩擦场景，即具有良好轮胎的干燥道路，而Fx2代表摩擦减小的场景。注意，可实现的轮胎力随μ而下降，并且峰值230、240根据驾驶条件而移动。
图2B是示出了作为车轮滑移的函数的、可实现的轮胎力的示例的另一曲线图250。该图示出了纵向轮胎力Fx和可获得的横向轮胎力Fy，该横向轮胎力Fy即使在相对小的纵向车轮滑移时也迅速减小。希望将车辆操作保持在线性区域210中，这也是因为：如果需要，可以在该线性区域中产生足够的横向轮胎力。如果当前车轮滑移超过峰值太远，几乎不可能产生横向力，这可能导致车辆滑出道路或无法执行转弯操纵。
希望将车辆操作保持在线性区域210中，在该线性区域210中，响应于所施加的制动命令的可获得的纵向力更容易预测，并且如果需要，在线性区域210中可以产生足够的横向轮胎力。为了确保在该区域中操作，可以在给定的车轮上施加例如0.1量级的车轮滑移限值λlim。对于较大的车轮滑移(例如超过0.1)，可以看到更非线性的区域220。在该区域中控制车辆可能是困难的，因此经常会避免。这对于越野条件和类似条件下的牵引力可能是值得关注的，在越野条件和类似条件下，牵引力控制的较大滑移限值可能是优选的，但对于道路操作则不是。
传统上，能够向车辆的车轮传递转向和可选的扭矩的、在VMM和MSD之间的接口专注于来自VMM的对每个MSD的基于扭矩的请求，而不考虑车轮滑移。然而，这种方法有很大的性能限制。如果出现安全危急或过度滑移的情况，则在单独的控制单元上运行的相关的安全功能(牵引力控制、防抱死制动等)通常会介入并请求扭矩超驰(torque override)，以便使滑移恢复受控。这种方法的问题是，由于致动器的主控制和致动器的滑移控制被分配给不同的电子控制单元(ECU)，在它们之间的通信中涉及的时延显著限制了滑移控制性能。此外，在用于实现实际滑移控制的两个ECU中做出的相关致动器和滑移假设可能不一致，这又可能导致次优性能。代替地，通过在VMM 660和一个或多个MSD控制器630之间的接口上使用基于车轮速度或车轮滑移的请求可以实现显著的益处，从而将困难的致动器速度控制回路转移到MSD控制器，与VMM功能的采样时间相比，MSD控制器通常以短得多的采样时间操作。与基于扭矩的控制接口相比，这种架构可以提供更好的干扰抑制，从而提高在轮胎道路接触区域处产生的力的可预测性。
现在转到图6，整个车辆控制系统600可以在一个或多个车辆单元计算机(VUC)上实现。VUC可以被配置成执行根据分层功能架构组织的车辆控制方法，其中一些功能可以被包括在较高层的交通状况管理(TSM)域670中，并且一些其它功能可以被包括在驻留在较低功能层中的车辆运动管理(VMM)域660中。
图6示意性地示出了用于通过一些示例的MSD来控制车辆100上的示例车轮610的功能600，这里，MSD包括摩擦制动器620(例如盘式制动器或鼓式制动器)、推进设备640和转向装置631。摩擦制动器620和推进设备是车轮扭矩产生设备的示例，其可以由一个或多个运动支持设备控制单元630控制。该控制基于例如从车轮速度传感器650和从其它车辆状态传感器(例如雷达传感器、激光雷达传感器以及基于视觉的传感器(例如相机传感器和红外检测器))获得的测量数据。MSD控制系统630可以被布置成控制一个或多个致动器。例如，MSD控制系统630被布置成控制车轴上的两个车轮并不罕见。
TSM功能670以大约10秒的时间范围来规划驾驶操作。该时间范围对应于例如车辆100通过弯道等所花费的时间。由TSM功能规划和执行的车辆操纵可以与加速度曲线和曲率曲线相关联，加速度曲线和曲率曲线描述了在给定操纵中要保持的车辆前进方向和转弯上的期望目标车辆速度。TSM功能连续地从VMM功能660请求所期望的加速度曲线areq和转向角度(或曲率曲线creq)，VMM功能660执行力分配，以便以安全且稳健的方式满足来自TSM功能的请求。VMM功能660在低于一秒左右的时间尺度上操作，并且将在下面更详细地讨论。
车轮610具有纵向速度分量vx和横向速度分量vy。存在纵向车轮力Fx和横向车轮力Fy、以及作用在车轮上的法向力Fz(图6中未示出)。除非另有明确说明，否则车轮力是在车轮的坐标系中定义的，即，纵向力指向车轮的滚动平面，而横向车轮力的指向垂直于车轮的滚动平面。该车轮具有旋转速度ωx和半径R。
VMM 660可以使用图2A和图2B所示的轮胎模型200的类型，以在某个车轮处产生期望的轮胎力。代替请求与期望轮胎力相对应的扭矩，VMM可以将期望轮胎力转换成等效的车轮滑移(或者，等效地，相对于地面速度的车轮速度)并请求该滑移。主要优点是：MSD控制设备630将能够通过使用例如从车轮速度传感器650获得的车辆速度vx和车轮旋转速度ωx在期望的车轮滑移下保持操作而以高得多的带宽传递所请求的扭矩。纵向车轮滑移也可以由驱动轮102和非驱动轮之间的速度差来确定。这里，驱动轮是受任何MSD影响的车轮，并且非驱动轮是不受任何MSD影响的车轮，即，车轮自由滚动。车辆速度vx可以从各种车辆传感器(例如结合全球定位系统(GPS)接收器的雷达传感器、激光雷达传感器和基于视觉的传感器等)获得。因此，应当理解，可以以多种不同的方式确定车轮滑移，并且车辆可以在冗余系统中实现其中的若干种方式以提高安全性。
如上所述，通常很难获得精确的轮胎模型200，并且通常很难向车辆控制系统提供精确的数据(例如表面特性)。这导致在施加车轮滑移限值的情况下或在速度控制的操作模式或车轮滑移控制的操作模式中直接从MSD请求特定的车轮滑移的情况下的次优控制。
因此，本公开提出动态地更新滑移目标。这增加了避免由于次优的基本目标滑移而导致车辆失速的机会。目标滑移可以仅基于测量，并且不需要关于表面、车辆、轮胎或任何其它已知与摩擦相关的环境条件的知识。应当理解，滑移目标在许多方面等同于车轮速度目标，因为：如上所述，车轮滑移和车轮速度通过车辆速度vx彼此直接相关。
回到图2A和图2B，希望是在线性区域210中(通常具有一些余量)，而不希望是在非线性区域220中。已经认识到，特别不希望出现加速度(与轮胎力成比例)在纵向车轮滑移增加或维持不变的同时减小的情况。即使确切形状的轮胎模型曲线未知，也是如此。该情形对应于在图2A和图2B中沿着曲线Fx1或Fx2向下和向右移动。因此，所公开的方法使用一种算法来控制车轮滑移，一旦该算法意识到车辆正在失去加速度而滑移保持稳定或增加，该算法将通过减小目标滑移来进行干涉。在某种意义上，本文公开的方法试图通过以这种方式调整目标车轮滑移来检测轮胎力曲线的峰值位置在哪里。
换句话说，本文公开了一种用于控制重型车辆100的运动的方法，如图7所示。该车辆被布置成基于车辆上的至少一个驱动轮102的目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)来控制。该方法包括：监测S1车辆100的加速度v'x(k)、监测S2该至少一个驱动轮102的当前纵向车轮滑移λx(k)、在车辆100的监测到的加速度v'x(k)减小而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)不减小的情况下减小S3该至少一个驱动轮102的目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)、以及基于目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)来控制S4该至少一个驱动轮102的车轮滑移。
因此，当观察到当前车轮滑移和当前加速度都以不期望的方式变化，即监测到的车辆100的加速度v'x(k)减小而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)保持或增加时，该方法设定新的目标车轮滑移，即减小的目标车轮滑移。这对应于图2A和图2B中的向左移动。
所公开的方法主要针对期望的车辆运动，包括车辆在向前方向上的加速度，即车辆在向前方向上的速度的增加。所公开的方法主要不针对包括负加速度(制动)的期望运动，即在车辆在向前方向上降低速度，然而这里公开的技术的许多方面也适用于制动。然而，车辆相对于向前方向的急动(jerk)可以是正的或负的。所公开的方法适用于例如上坡的车辆或从静止开始的车辆。
目标车轮滑移可以是车轮滑移限值，其中，对车轮滑移的控制意味着施加车轮滑移上限值。替代地，目标车轮滑移可以是直接车轮滑移请求或车轮速度请求的值(然后根据车辆速度进行配置)。在任何情况下，在当前车轮滑移和当前加速度都以不希望的方式变化时，希望减小目标车轮滑移。
对车轮滑移的监测和控制可以应用于车辆的单个车轮。替代地，该监测和控制可以应用于多个车轮。在这种情况下，对于每个驱动轮，该监测和控制可以是独立的。替代地或者组合地，该监测和控制可以利用对多个车轮的某种平均。例如，可以监测平均车轮滑移，然后基于单个目标车轮滑移来控制多个车轮。
图3是示出了加速度与滑移之间关系的图300。这里，b(k)是表示加速度变化和滑移变化的向量，其中k表示时间(单个时间实例或某个时间段)。更具体地说，
b(k)＝[Δλ(k),Δv′x(k)]，其中
Δλ(k)＝λ(k)-λ(k-1)，并且
Δv′x(k)＝v′x(k)-v′x(k-1)。
向量b(k)可以指向图3中的任何方向。注意，原点310不代表加速度和滑移的零值；它仅仅是一个起点(在先前的时间实例中)。向量指向当前的加速度和滑移。在图3的特定示例中，该向量从原点开始，并且指向东北(向上并向右)。这对应于加速度和滑移的增加。根据所公开的方法，如果加速度v'x(k)减小而车轮滑移λx(k)不减小，则目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)减小。这对应于图3中指向东南或正南方的向量b(k)。在图3中，该象限被指配了附图标记320。
随着时间的推移，对加速度v'x(k)和当前纵向车轮滑移λx(k)进行监测，这使得可以观察随时间的变化。为了确定变化λx(k)，Δv'x(k)可以表示将当前值与先前值进行比较。当前值和/或先前值可以是单个时间实例中的单个值，或者是一段时间内的某个平均值。当前值、先前值和/或差值可以被过滤，以例如考虑噪声。
在道路上的弯道中，地面加速度可能与驱动轮的纵向方向上的纵向加速度略有不同。地面加速度可以在卡车、车辆组合体的一部分或车辆组合体的某个平均值的延伸方向上。优选地，所公开的方法使用驱动轮的纵向方向上的纵向加速度，该纵向加速度可以与轮胎模型相关。然而，改用地面加速度也将提供改进的车辆控制的相同技术效果。此外，不同加速度之间通常没有显著差异。换句话说，加速度v'x(k)优选为驱动轮102的纵向加速度。如果监测和控制若干个车轮，则可以观察到每个车轮的单独加速度值，因为不同的车轮可能向不同的方向转动。
加速度v'x(k)可以从加速度计获得，其可以包括俯仰(倾角)和车辆地面加速度。加速度也可以以其它方式获得，例如从车辆100的速度获得。任何这样的数据都可以通过各种车辆传感器(例如结合全球定位系统(GPS)接收器的雷达传感器、激光雷达传感器和基于视觉的传感器等)获得。
通常，如果车轮滑移由直接车轮滑移请求控制，则测量到的当前车轮滑移几乎与所述请求完全相同。此外，如果车轮滑移由车轮滑移限值控制，则当前值通常总是等于或小于目标。因此，无论如何控制车轮滑移，通常λx(k)≤λtarget(k)。
根据各方面，即将到来的车轮滑移目标基于当前测量值或先前目标值。换句话说，可以基于当前纵向车轮滑移λx(k)来确定S31目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)。例如，目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)的减小S3可以是从当前纵向车轮滑移λx(k)的减小，即λtarget(k+1)＝λx(k)-偏移量。下面讨论如何能够选择偏移量的不同示例。当前纵向车轮滑移可以是时间实例中的单个值或者一段时间内的某个平均值。该值也可以被过滤，以例如考虑噪声。
可以基于先前的目标纵向车轮滑移λtarget(k)来确定S32目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)。例如，目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)的减小S3可以是从先前的目标纵向车轮滑移λtarget(k)的减小，即λtarget(k+1)＝λtarget(k)-偏移量。下面讨论如何能够选择偏移量的不同示例。先前的目标车轮滑移可以指先前时间实例的先前值或一段时间内的某个平均值。该值也可以被过滤以例如考虑噪声。
如上所述，不希望在图2A和图2B中向东南或向南移动，因为这表明该车辆处于非线性区域220中并且进一步向该非线性区域中移动。但是，当向其它方向(即西南、西、西北、北、东北和东)移动时，可能希望增加车轮滑移而不是减小车轮滑移。这样，就有可能达到曲线的峰值，即给定某种表面条件的最大可能加速度。如果轮胎模型不准确或是次优的，这特别有利。换句话说，该方法可以包括：在车辆100的监测到的加速度v'x(k)不减小而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)不减小的情况下，增加S33至少一个驱动轮102的目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)。
可以基于加速度的变化Δv'x(k)来确定S35目标车轮滑移λtarget(k+1)。例如，目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)的减小S3可以是从当前纵向车轮滑移λx(k)减去加速度的变化Δv'x(k)，即λtarget(k+1)＝λx(k)-Δv'x(k)。上面讨论了获得这种变化的各种方式。为了归一化和/或加权的目的，可以给加速度的变化指配一些因子，即w2Δv'x(k)。该变化优选被归一化以获得无单位值。它可以例如用当前值v'x(k)或用先前值Δv'x(k-1)来归一化。因子w2可以替代地或组合地包括用于调整加速度变化对新目标车轮滑移λtarget(k+1)的影响的权重。
可以基于当前纵向车轮滑移的变化Δλx(k)来确定S36目标车轮滑移λtarget(k+1)。例如，目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)的减小S3可以从当前纵向车轮滑移λx(k)减去车轮滑移的变化Δλx(k)，即λtarget(k+1)＝λx(k)-Δλx(k)。上面讨论了获得这种变化的各种方式。为了归一化和/或加权的目的，可以给车轮滑移的变化指配一些因子，即w1Δλx(k)。因子w1可以是用于调整车轮滑移变化对新的目标车轮滑移的影响的权重。
可以基于加速度的变化Δv'x(k)和当前纵向车轮滑移的变化Δλx(k)的加权组合w1、w2来确定S37目标车轮滑移λtarget(k+1)。例如，目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)的减小S3可以是从当前纵向车轮滑移λx(k)减去加速度的变化Δv'x(k)和车轮滑移的变化Δλx(k)两者，即λtarget(k+1)＝λx(k)-|b(k)|，其中b(k)＝[w1Δλx(k)，w2Δv'x(k)]。这样，可以选择因子w1、w2来调整加速度变化和车轮滑移变化对新的目标车轮滑移的相对重要性。如上所述，因子w1、w2可以包括加权和/或归一化。
可以基于加速度的变化Δv'x(k)和当前纵向车轮滑移的变化Δλx(k)以及环路增益因子kr、kd来确定S38目标车轮滑移λtarget(k+1)。例如，目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)的减小S3可以是λtarget(k+1)＝λx(k)-kr|b(k)|。该环路增益因子可以根据向量b(k)的方向而不同。例如，在监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)不减小时，无论车辆100的监测到的加速度v'x(k)是否减小，环路增益因子kr、kd都可以不同。换句话说，如果向量b(k)指向东南或南方，它可能具有值kr，而如果向量b(k)指向任何其它方向，它可能具有另一个值kd。
当然，也可以使用用于确定目标车轮滑移的上述机制的组合，可能是以加权的方式。
加权组合中的环路增益因子kr、kd和/或因子w1、w2可以基于当前驾驶场景来动态地更新。对于不同的场景，例如具有不同摩擦的不同地面条件，加速度变化相对于车轮滑移变化的相对重要性可能不同。类似地，可能希望针对不同的场景调整变化率(即环路增益)。
根据所公开的方法的示例实施例，目标纵向车轮滑移被确定为：
b(k)＝[w1Δλx(k),w2Δv′x(k)]
Δλx(k)＝λx(k)-λx(k-1)，并且
Δv′x(k)＝v′x(k)-v′x(k-1)
这里，w1、w2是用于归一化和/或加权的因子，kd是下降环路增益因子，kr是上升环路增益因子。此外，kd>>kr，例如10倍。因此，基于向量b(k)的方向和长度来确定目标车轮滑移。如果方向是东南或南(即，在当前车轮滑移维持不变或增加时，加速度减小)，则新的目标车轮滑移成比例地减小到|b(k)|；否则按比例增加到|b(k)|。
当目标车轮滑移减小时，基于当前测量的滑移来计算新的目标，而当目标车轮滑移增加时，基于先前的目标车轮滑移来计算新的目标。通过立即减小和渐进增益的迭代来迭代该方法会倾向于稳定在某个值附近，这意味着，在不太可能的稳态情况下，滑移目标变得渐近稳定。
根据各方面，当向量b(k)指向南/东南时和当向量b(k)指向西北时，目标车轮滑移都减小。换句话说，该方法可以包括在车辆100的监测到的加速度v'x(k)增加而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)减小的情况下减小S34所述至少一个驱动轮102的目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)。在某些情况下，这会导致车辆更快地达到峰值加速度。在示例实施例中，这可以描述为：
图8示出了适用于本文公开的方法的示例性车辆控制功能架构，其中TSM功能670产生车辆运动请求675，其可以包括车辆要跟随的期望转向角度δ或等效曲率creq，并且还可以包括期望的车辆单元加速度areq以及其它类型的车辆运动请求，它们一起描述了车辆以期望的速度曲线沿着期望的路径的期望运动。应当理解，这些运动请求可以用作确定或预测为了成功完成操纵而需要产生的纵向力和横向力的所需量的基础。
VMM功能660以大约1秒左右的时间范围操作，并且连续地将来自TSM功能的加速度曲线areq和曲率曲线creq转换成用于控制车辆运动功能的控制命令，该控制命令由车辆100的不同MSD致动，这些MSD将能力报告给VMM，该能力又被用作车辆控制中的约束。VMM功能660执行车辆状态或运动估计810，即，VMM功能660通过使用布置在车辆100上的(经常但不总是连接到MSD的)各种传感器监测操作连续地确定车辆状态s(包括车辆组合体中的不同单元的位置、速度、加速度和铰接角度)。
运动估计810的结果(即，所估计的车辆状态s)被输入到力生成模块820，力生成模块820确定不同车辆单元所需的全局力V＝[V1，V2]以使车辆100根据所请求的加速度和曲率曲线areq、creq移动，并根据所期望的车辆行为做出行为。所需的全局力向量V被输入到MSD协调功能830，该MSD协调功能830分配车轮力并协调其它MSD(例如转向和悬架)。MSD协调功能输出用于第i个车轮的MSD控制分配，其可以包括扭矩Ti、纵向车轮滑移λi、车轮转速ωi和/或车轮转向角度δi中的任一个。协调的MSD然后一起在车辆单元上提供期望的横向力Fy和纵向力Fx、以及所需的力矩Mz，以通过车辆组合100获得期望的运动。值得注意的是，MSD协调功能830可以执行上面结合图7讨论的车轮滑移控制类型。
通过使用例如全球定位系统、基于视觉的传感器、车轮速度传感器、雷达传感器、转向角度传感器和/或激光雷达传感器来确定车辆单元运动并将该车辆单元运动转换成给定车轮610的局部坐标系(例如，纵向速度分量和横向速度分量)，如上所述，通过将车轮参考坐标系中的车辆单元运动与从结合车轮610布置的车轮速度传感器650获得的数据进行比较，可以实时准确地估计车轮滑移。上面结合图2A和图2B讨论的轮胎模型可以用于在给定车轮i的期望纵向轮胎力Fxi和该车轮的等效纵向车轮滑移λi之间进行转换。这种控制可以与上面结合图7讨论的车轮滑移控制结合使用。
根据本公开的一些方面，VMM功能660管理力生成和MSD协调，即，VMM功能660确定在车辆单元处需要什么力来满足来自TSM功能670的请求，例如根据TSM请求的请求加速度曲线加速车辆和/或也由TSM请求的车辆产生特定曲率运动。这些力可以包括例如偏航力矩Mz、纵向力Fx和横向力Fy、以及要施加在不同车轮上的不同类型的扭矩。响应于由TSM功能670产生的控制输入，确定力以产生TSM功能所期望的车辆行为。
图4根据多个功能单元示意性地示出了根据本文讨论的实施例的控制单元630、660、400的部件。使用能够执行存储在计算机程序产品(例如以存储介质430的形式)中的软件指令的合适的中央处理单元CPU、多处理器、微控制器、数字信号处理器DSP等中的一个或多个的任意组合来提供处理电路410。处理电路410还可以被提供为至少一个专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。
特别地，处理电路410被配置成使控制单元630、660、400执行一组操作或步骤，例如结合图7讨论的方法。例如，存储介质430可以存储该组操作，并且处理电路410可以被配置成从存储介质430检索该组操作，以使控制单元630、660、400执行该组操作。该组操作可以作为一组可执行指令来提供。因此，处理电路410被布置成执行如本文所公开的方法。
存储介质430还可以包括永久存储器，其例如可以是磁存储器、光存储器、固态存储器或甚至远程安装存储器中的任一个或组合。
控制单元630、660、400还可以包括用于与至少一个外部设备通信的接口420。这样，接口420可以包括一个或多个发射机和接收机，包括模拟和数字部件以及用于有线或无线通信的适当数量的端口。
处理电路410控制控制单元630、660、400的一般操作，例如，通过向接口420和存储介质430发送数据和控制信号，通过从接口420接收数据和报告，以及通过从存储介质430检索数据和指令。为了不模糊这里提出的概念，省略了控制节点的其它部件以及相关功能。
换句话说，本文公开了用于控制重型车辆100的运动的控制单元630、660、400，其中该车辆被布置成基于车辆上的至少一个驱动轮102的目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)而被控制。该控制单元包括处理电路410、联接到处理电路410的网络接口420、以及联接到处理电路410的存储器430。存储器包括机器可读计算机程序指令，当由处理电路执行时，机器可读计算机程序指令使得控制单元630、660、400：
监测车辆100的加速度v'x(k)，
监测该至少一个驱动轮(102)的当前纵向车轮滑移λx(k)，
在车辆100的监测到的加速度v'x(k)减小而监测到的当前纵向车轮滑移λx(k)不减小的情况下，减小该至少一个驱动轮(102)的目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)，以及
基于目标纵向车轮滑移λtarget(k+1)来控制该至少一个驱动轮102的车轮滑移。
图5示意性地示出了计算机程序产品500，其包括可由控制单元630、660、400执行的一组操作520。该组操作520可以被加载到控制单元630、660、400中的存储介质430中。该组操作可以对应于上面结合图7讨论的方法。
在图5的示例中，计算机程序产品500被示为光盘510，例如CD(压缩盘)或DVD(数字多功能光盘)或蓝光光盘。计算机程序产品还可以被具体化为存储器，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，并且更具体地被实施为外部存储器(例如USB(通用串行总线)存储器)或闪存(例如紧凑型闪存)中的设备的非易失性存储介质。因此，虽然计算机程序在这里被示意性地示出为所示光盘上的轨道，但是计算机程序可以以适合于计算机程序产品的任何方式存储。

Claims (16)

1.一种用于控制重型车辆(100)的运动的方法，其中，所述车辆被布置成基于所述车辆上的至少一个驱动轮(102)的目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))而被控制，所述方法包括：
监测(S1)所述车辆(100)的加速度(v'x(k))，
监测(S2)所述至少一个驱动轮(102)的当前纵向车轮滑移(λx(k))，
在所述车辆(100)的监测到的加速度(v'x(k))减小而监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))不减小的情况下，减小(S3)所述至少一个驱动轮(102)的所述目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))，以及
基于所述目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))来控制(S4)所述至少一个驱动轮(102)的车轮滑移。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述当前纵向车轮滑移(λx(k))来确定(S31)减小之后的所述目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，基于先前的目标纵向车轮滑移(λtarget(k))来确定(S32)减小之后的所述目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：在所述车辆(100)的监测到的加速度(v'x(k))不减小而监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))不减小的情况下，增大(S33)所述至少一个驱动轮(102)的所述目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，包括：在所述车辆(100)的监测到的加速度(v'x(k))增加而监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))减小的情况下，减小(S34)所述至少一个驱动轮(102)的所述目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，基于加速度的变化(Δv'x(k))来确定(S35)所述目标车轮滑移(λtarget(k+1))。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，基于当前纵向车轮滑移的变化(Δλx(k))来确定(S36)所述目标车轮滑移(λtarget(k+1))。
8.根据权利要求6和权利要求7所述的方法，其中，基于所述加速度的变化(Δv'x(k))和所述当前纵向车轮滑移的变化(Δλx(k))的加权组合(w1，w2)来确定(S37)所述目标车轮滑移(λtarget(k+1))。
9.根据权利要求6-8中的任一项所述的方法，其中，基于所述加速度的变化(Δv'x(k))和所述当前纵向车轮滑移的变化(Δλx(k))以及环路增益因子(kr，kd)来确定(S38)所述目标车轮滑移(λtarget(k+1))。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))不减小时，无论所述车辆(100)的监测到的加速度(v'x(k))是否减小，所述环路增益因子(kr，kd)都是不同的。
11.根据权利要求7-10中的任一项所述的方法，其中，所述环路增益因子(kr，kd)和/或所述加权组合中的因子(w1，w2)基于驾驶场景被动态地更新。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述当前纵向车轮滑移(λx(k))是根据驱动轮(102)和非驱动轮之间的速度差确定的。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述加速度(v'x(k))是从加速度计获得的。
14.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述加速度(v'x(k))是从所述车辆(100)的速度获得的。
15.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述加速度(v'x(k))是所述驱动轮(102)的纵向加速度。
16.一种用于控制重型车辆(100)的运动的控制单元(630，660，400)，其中，所述车辆被布置成基于所述车辆上的至少一个驱动轮(102)的目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))而被控制，其中所述控制单元包括：处理电路(410)；网络接口(420)，所述网络接口(420)联接到所述处理电路(410)；以及存储器(430)，所述存储器(430)联接到所述处理电路(410)，其中所述存储器包括机器可读计算机程序指令，当由所述处理电路执行时，所述机器可读计算机程序指令使所述控制单元(630，660，400)：
监测所述车辆(100)的加速度(v'x(k))，
监测所述至少一个驱动轮(102)的当前纵向车轮滑移(λx(k))，
在所述车辆(100)的监测到的加速度(v'x(k))减小而监测到的当前纵向车轮滑移(λx(k))不减小的情况下，减小所述至少一个驱动轮(102)的所述目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))，以及
基于所述目标纵向车轮滑移(λtarget(k+1))来控制所述至少一个驱动轮(102)的车轮滑移。
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