用于估计道路摩擦系数的设备和方法与流程

1.本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于估计道路摩擦系数的设备和根据权利要求8的前序部分的用于估计道路摩擦系数的方法。


背景技术：

2.道路摩擦系数是表征车辆轮胎从变形滑移到滑动滑移转变的物理量。道路摩擦系数是衡量在给定的垂直轮胎载荷下可以通过车辆轮胎将多少驱动力或制动力传递到路面的量度。在现代车辆中，一系列的车辆控制功能都需要了解路面与车辆轮胎之间的摩擦接触中存在的道路摩擦系数。尤其是牵引力控制、制动力控制和扭矩分配需要道路摩擦系数。需要在不断变化的道路和天气条件下尽可能精确地了解道路摩擦系数，以便始终在安全状态下操作车辆，同时提供最大可能的驾驶动力学。另一方面，关于道路摩擦系数的错误假设会导致车辆动力学控制系统迫使车辆超过附着极限，从而限制车辆的可控性。
3.de 10 2008 019 270b4说明了一种用于估计路面摩擦系数的方法，其中通过比较齿条驱动力偏差值与最大值确定阈值来确定轮胎在转弯期间是否打滑。如果超过最大值确定阈值，则将该状态下的前轮摩擦圆利用率设定为路面摩擦系数。只要不超过最大值确定阈值，路面摩擦系数就以复位速度连续返回到预设值(例如，1.0)。根据车速和前轮滑移角基于预先创建的综合特性曲线来确定复位速度。缺点是已知方法工作不精确且不安全，因为仅在达到轮胎变形滑移和滑动滑移之间的极限范围时才基于测量值确定路面摩擦系数，即车辆已经开始失去附着。在所有其他驾驶状态下，路面摩擦系数的估计值将返回到标准值，而与实际道路和天气条件无关。


技术实现要素：

4.因此，本发明的目的在于提供一种用于估计道路摩擦系数的设备和方法，其能够在安全驾驶状态下更准确地确定道路摩擦系数估计值。
5.该目的通过具有权利要求1的特征的用于估计道路摩擦系数的设备和具有权利要求8的特征的用于估计道路摩擦系数的方法来解决。
6.由此创建了用于循环估计存在于路面和车辆轮胎之间的摩擦接触中的道路摩擦系数的设备，该设备具有用于加速度传感器的连接部，用于输入至少一个车辆加速度测量值；用于确定至少一个垂直轮胎载荷的载荷确定装置；用于确定至少一个轮胎的轮胎滑移率的轮胎滑移率确定装置和用于确定并输出道路摩擦系数的估计值的摩擦系数估计装置。根据本发明，该设备还具有加速度估计装置，其形成用于借助于轮胎模型，至少基于轮胎滑移率、垂直轮胎载荷和在前一个循环中确定的道路摩擦系数估计值来确定车辆加速度的估计值。该摩擦系数估计装置适用于匹配调整道路摩擦系数的输出估计值，使得车辆加速度的估计值和测量值的差值被调整到可预定的范围。可以为第一个循环指定道路摩擦系数的起始值。
7.根据本发明的解决方案基于通过加速度传感器记录的加速度测量值与对应的加
速度估计值的比较。加速度估计值基于探测到的轮胎滑移率，使用其中包括道路摩擦系数作为参数的轮胎模型来计算。根据本发明的估计设备因此包括用于道路摩擦系数的反馈回路。该反馈回路使所使用的轮胎模型能够通过道路摩擦系数的变化进行匹配调整，使其与加速度传感器记录的实际加速度测量值协调一致。
8.根据本发明的教导的显著优点在于，基于轮胎模型的优化对道路摩擦系数进行的估计原则上可以在发生轮胎滑移的任何行驶状态下进行，即尤其是在轮胎变形滑移占主导地位的稳定行驶状态下也可以进行。这样，该设备可以可靠地识别变化的道路和/或天气状况，而不会脱离稳定的行驶状态。
9.在一个有利的实施形式中，该设备设计用于在连接部处记录车辆纵向加速度的至少一个测量值，并且加速度估计装置被设计用于确定车辆纵向加速度的估计值。此外优选设置行驶速度估计装置，其设计用于基于车辆纵向加速度的估计值和/或测量值来估计车辆纵向速度，并且轮胎滑移率确定装置设计用于基于估计的车辆纵向速度和来自车轮速度传感器的测量数据来确定纵向上的轮胎滑移率。
10.根据该有利实施形式，车辆纵向方向上的加速和滑移行为用于确定道路摩擦系数。这通过用于车辆纵向速度的估计装置实现，该估计装置独立于可能存在的轮胎滑移来确定车辆纵向速度。该对轮胎滑移不敏感的车辆纵向速度的估计值已经本身为行驶动力学控制提供了相关优势。尤其是在全轮驱动的情况下，仅基于车轮速度传感器不可能以对轮胎滑移不敏感的方式确定车辆纵向速度。此外，以这种方式获得的车辆纵向速度的估计值与来自车轮速度传感器的测量数据相结合允许可靠地确定在纵向方向上的轮胎滑移率。这样，根据本发明的设备也可以在直线行驶时的加速和制动过程中确定道路摩擦系数。
11.行驶速度估计装置优选基于作为起始值的车辆车轮的平均车轮速度和车辆纵向加速度的估计值和/或测量值的时间积分来确定车辆纵向速度。例如，当车辆加速度的测量值低于预定阈值时，可以记录起始值。阈值可以确定极限，低于该极限的轮胎滑移可以忽略不计。
12.载荷确定装置优选设计用于根据加速度传感器针对车辆纵向加速度和车辆横向加速度的测量值，使用车辆模型单独确定车辆的每个车轮的垂直轮胎载荷。车辆模型优选包括车辆特定数据，例如车辆质量、重量分布、轴距、轮距和/或重心位置。在车辆特定数据的基础上，可以借助车辆纵向加速度和车辆横向加速度的测量值单独确定车辆每个车轮的垂直轮胎载荷。这导致对道路摩擦系数的特别准确的估计。
13.摩擦系数估计装置可以设计用于，在车辆加速度的估计值和测量值之间的差大于预定的第一阈值时减小道路摩擦系数的估计值。优选形成车辆加速度的估计值和测量值的绝对值之间的差，以便能够在加速和制动过程中同样地进行匹配调整。
14.此外，摩擦系数估计装置可以设计用于，当车辆加速度的估计值与测量值之间的差小于预定的第二阈值并且车辆加速度的测量值大于预定的第三阈值时，提高道路摩擦系数的估计值。在此优选考虑车辆加速度测量值的绝对值。第二阈值优选选择为小于或等于第一阈值。通过使用第三阈值可以增加估计的稳健性，该第三阈值使得道路摩擦系数的提高取决于最小加速度的存在。由于在低于第三阈值的加速度下仅发生轻微的轮胎滑移，所以由于小的测量值可能会出现随机偏差的提高，这可以被忽略，直到车辆加速度超过预定的第三阈值。
15.如果估计和测量的车辆加速度之间的差小于预定阈值，并且两个值都低于阈值，则无法确定当前的摩擦系数。在这种情况下，之前的值适用。
16.在优选实施形式中，道路摩擦系数的估计值的变化与车辆加速度的估计值和测量值的之差的时间积分成比例。由此，差值到可预先确定的范围的调节作为积分控制器来实现。积分控制器排除了永久控制偏差的出现并避免了过冲的控制行为。
17.该目的还通过一种用于估计存在于路面和车辆轮胎之间的摩擦接触中的道路摩擦系数的方法来实现，该方法包括以下步骤：
18.a)使用加速度传感器确定车辆加速度测量值，
19.b)基于至少一个车辆加速度测量值使用负载确定装置确定至少一个垂直轮胎载荷，
20.c)通过轮胎滑移率确定装置确定至少一个轮胎滑移率，
21.d)通过摩擦系数估计装置确定并输出道路摩擦系数的估计值，
22.e)循环重复步骤a)至d)，
23.其中执行以下进一步步骤以确定道路摩擦系数的估计值：
[0024]-通过加速度估计装置，至少基于轮胎滑移率、垂直轮胎载荷和前一个循环中确定的道路摩擦系数估计值，借助于轮胎模型来确定车辆加速度的估计值，
[0025]-通过摩擦系数估计装置匹配调整道路摩擦系数的估计值，使得车辆加速度的估计值和测量值的差值被调整到可预定的范围。
[0026]
本发明的其他设计方案可以在以下说明和从属权利要求中得到。
附图说明
[0027]
下面参考附图中所示的实施例更详细地解释本发明。
[0028]
图1示出了具有根据本发明的估计设备的实施例的车辆的线控转向系统的示意图，
[0029]
图2示出了具有根据图1的实施例的估计设备的车辆结构的示意性俯视图，
[0030]
图3以框图的形式示意性地示出了根据图1和图2的实施例的估计设备的结构，其中连接了加速度传感器和车轮速度传感器，
[0031]
图4示意性示出了根据图3的估计设备的行驶状态估计装置的结构的详细视图。
[0032]
图5以流程图的方式示例性地示出了用于循环匹配调整道路摩擦系数估计值的方法。
具体实施方式
[0033]
图1示出了具有根据本发明第一实施例的估计设备10的机动车辆的线控转向系统1的结构。线控转向系统1具有通过转向轴2与反馈致动器4连接的方向盘3。转向系统1还包括作用在转向的车轮9上的能电子地调节的转向调节器6，其通过转向驱动装置与齿条连接。由转向调节器6引起的齿条的平移通过转向横拉杆7传递到转向的车轮9，以设定车轮转向角。转向的车轮9通过轮胎90与路面8摩擦接触。线控转向系统1还包括未示出的转向角传感器，其优选布置在反馈致动器4中并且检测由司机设置的转向角。反馈致动器4和转向调节器6通过信号线5连接，通过该信号线，可以将驾驶员的转向请求传输到转向调节器6并且
将路面8的反作用传输到反馈致动器4。在线控转向系统1的情况下，因此不需要转向轴2和转向的车轮9之间的机械连接。
[0034]
图1还示意性地示出了根据本发明的用于估计道路摩擦系数的设备10的布置。加速度传感器12连接到设备10的连接部11并且优选记录车辆纵向加速度al和车辆横向加速度at。设备10还具有用于车轮速度传感器19的连接部。
[0035]
图示的线控转向系统1示例性示出了根据本发明的用于估计道路摩擦系数的设备10的可能的使用位置。然而，根据本发明的估计设备也可以以相同的方式用于传统的转向系统中或未转向的车轮上。
[0036]
图2示意性地示出了具有根据图1所示实施例的估计设备10的车辆的俯视图。估计设备10在此与车辆的所有四个车轮9上的车轮速度传感器19和加速度传感器12连接。根据在车辆中的位置，车轮9标有缩写fl、fr、rl、rr，分别代表左前、右前、左后和右后。根据驾驶情况，车轮9可以具有不同的瞬时车轮速度vi，其中i代表车轮标记fl、fr、rl和rr之一。各个车轮9的车轮速度vi可以在大小和方向上不同。
[0037]
图3以框图示意性地示出了根据图1和图2的实施例的估计设备10的结构。
[0038]
设备10包括用于加速度传感器12的连接部11、与该连接部11连接的载荷确定装置13、与车轮速度传感器19连接的轮胎滑移率确定装置14、以及输出道路摩擦系数的估计值f'的摩擦系数估计装置15。此外，设备10包含加速度估计装置17和行驶速度估计装置18，其可以组合在行驶状态估计装置16中。最后，设备10包含平均装置21，用于根据来自车轮速度传感器19的测量数据vi确定平均车轮速度vd。
[0039]
道路摩擦系数的估计由设备10执行如下：首先，载荷确定装置13基于加速度传感器12的至少一个车辆加速度测量值al、at来确定至少一个垂直轮胎载荷fzi。
[0040]
为此目的，载荷确定装置13优选包括车辆模型20，其包含垂直轮胎载荷fzi与相应车辆的车辆加速度测量值al、at的关系。车辆模型20的参数例如可以是车辆质量、重量分布、轴距、轮距和/或重心位置。优选地，车辆模型20设计用于单独确定车辆的每个车轮的垂直轮胎载荷fzi。
[0041]
此外，轮胎滑移率装置14确定至少一个轮胎滑移率sli。轮胎滑移率sli例如可以根据车轮速度传感器19的测量数据vi与车辆纵向速度的估计值vl'之间的差除以车辆纵向速度的估计值vl'来确定。
[0042]
随后，摩擦系数估计装置15确定并输出道路摩擦系数的估计值f'。上述方法步骤被循环重复以连续更新所得出的值。
[0043]
为了确定道路摩擦系数的估计值f'，加速度估计装置17首先使用轮胎模型22至少基于轮胎滑移率sli、垂直轮胎载荷fzi以及在前一个循环中确定的道路摩擦系数的估计值f'来确定车辆加速度的估计值al'。下面参考图4说明车辆加速度的估计值al'的可能计算。
[0044]
基于车辆加速度的估计值al'，摩擦系数估计装置15匹配调整道路摩擦系数的估计值f'，使得车辆加速度的估计值al'与测量值al之间的差被调整到一个可预定的范围。将道路摩擦系数的估计值f'通过反馈回路反馈给加速度估计装置17以形成调节回路。
[0045]
道路摩擦系数f'的匹配调整的步幅可以取决于参数，例如取决于估计的车辆纵向速度vl'和/或轮胎滑移率sli。
[0046]
可预定的范围优选由上阈值x限制，从而将差值调节到小于阈值x的值。上阈值优
选在0.5-1m/s2的范围内，特别优选在0.7-0.9m/s2的范围内。
[0047]
如图3所示，设备10优选设计用于基于车辆在纵向方向上的加速和滑移行为来确定道路摩擦系数f'。这样做的优点是，在直线行驶时也可以可靠地确定道路摩擦系数。为此，加速度传感器12至少测量车辆的纵向加速度al，并且加速度估计装置17确定车辆的纵向加速度的估计值al'。此外，设置有行驶速度估计装置18，其基于车辆纵向加速度的估计值al'和/或测量值al来估计车辆纵向速度vl'。如上所述，轮胎滑移率确定装置14随后可以基于估计的车辆纵向速度vl'和来自车轮速度传感19的测量数据vi来确定纵向方向上的轮胎滑移率sli。
[0048]
尤其可以设定，行驶速度估计装置18基于作为起始值的在车辆车轮上平均得到的车轮速度vd和对车辆纵向加速度的估计值al'和/或测量值al的时间积分来确定车辆纵向速度vl'。
[0049]
然而，根据未示出的实施例，作为纵向方向上的行为的替代或补充，车辆在横向方向上的加速和滑移行为也可以用于确定道路摩擦系数。然后可以根据测量的偏航率和基于设定的车轮转向角预期的偏航率之间的差来确定轮胎的横向滑移率。根据垂直轮胎载荷，轮胎模型提供对应于横向滑移率的横向力，由此确定横向加速度的估计值。加速度传感器确定横向加速度的测量值，并且摩擦系数估计装置匹配调整道路摩擦系数的估计值，使得横向加速度的估计值和测量值之间的差被调整到可预定的范围。
[0050]
图4示意性地示出了行驶状态估计装置16的结构。行驶状态估计装置16包括加速度估计装置17和行驶速度估计装置18。作为输入变量，行驶状态估计装置16收到提供给加速度估计装置17的垂直轮胎载荷fzi、道路摩擦系数的估计值f'和轮胎滑移率值sli，以及提供给行驶速度估计装置18的平均车轮速度vd。
[0051]
垂直轮胎载荷fzi、道路摩擦系数的估计值f'和轮胎滑移率值sli被提供给加速度估计装置17中的轮胎模型22。轮胎模型22优选包含函数关系，其在给定的垂直轮胎载荷fzi和给定的道路摩擦系数f'下，将作用在相应轮胎90上的水平力对应于轮胎滑移率sli。例如，可以将轮胎纵向力对应于轮胎的纵向滑移率sli，如在所示的示例性实施例中。通常可使用的轮胎模型22例如是pacejka或tm easy。轮胎模型22最后给出作用在轮胎90上的纵向力的总和。
[0052]
加速度估计装置17还包括行驶阻力估计装置23，其基于估计的纵向速度vl'，例如基于所存储的与速度相关的滚动阻力和/或空气阻力的特性曲线来计算行驶阻力。
[0053]
在减法器24中从作用在轮胎90上的纵向力的总和中减去行驶阻力，以获得对车辆纵向加速有效的总力。该总力在除法器25中除以车辆质量m，使得在除法器的输出处得到车辆纵向加速度的估计值al'。
[0054]
车辆纵向加速度的估计值al'被馈送到速度估计装置18，其计算纵向加速度al'的时间积分，并使用平均车轮速度vd作为起始值来计算纵向速度的估计值vl'。优选地，仅当纵向加速度的估计值或纵向加速度的测量值低于其中预期仅出现可忽略的轮胎滑移率的极限值时才更新起始值vd并且重新开始积分。结果，纵向速度的估计值vl'很大程度上不受当前轮胎滑移率sli的影响。纵向速度的估计值vl'被提供给行驶阻力估计装置。纵向加速度的估计值al'和纵向速度的估计值vl'在行驶状态估计装置16的输出处输出。
[0055]
图5示出了用于匹配调整道路摩擦系数的调节方法的示例。首先，确定车辆加速度
的估计值al'与测量值al之差。如果车辆加速度的估计值al'和测量值al之间的差大于预定的第一阈值x，则摩擦系数估计装置15减小道路摩擦系数的估计值f'。
[0056]
如果车辆加速度的估计值al'和测量值al之间的差小于预定的第二阈值并且车辆加速度的测量值al大于预定的第三阈值y，则摩擦系数估计装置15提高道路摩擦系数的估计值f'。在所示的实施例中，第二阈值被选择为等于第一阈值x。
[0057]
道路摩擦系数的估计值f'优选在减小和提高时都与车辆加速度的估计值al'和测量值al之差的时间积分成比例地变化。可以根据参数选择比例常数，例如根据当前轮胎滑移率sli或纵向速度vl'进行选择。
[0058]
第三阈值y优选在1-3m/s2的范围内选择，特别优选2m/s2。
[0059]
如果车辆加速度的估计值al'与测量值al之间的差小于预定的第二阈值，但车辆加速度的测量值al也小于预定的第三阈值y，道路摩擦系数的当前估计值f'保持不变。
[0060]
然后通过确定基于经匹配调整的道路摩擦系数f'的车辆加速度的估计值al'与更新的测量值al之间的差来重新启动调节回路。
[0061]
根据图1至图5所示的示例性实施例的设备10可以用于所有具有加速度传感器和车轮速度传感器的车辆中。
[0062]
原则上，使用车辆加速度测量值和估计值的绝对值是有利的，以便能够在车辆正加速度和车辆负加速度(制动)的情况下同样地使用该方法和设备。
[0063]
附图标记说明
[0064]
1线控转向系统
[0065]
2转向轴
[0066]
3方向盘
[0067]
4反馈致动器
[0068]
5信号线
[0069]
6转向调节器
[0070]
7转向横拉杆
[0071]
8路面
[0072]
9车轮
[0073]
90轮胎
[0074]
10道路摩擦系数估计设备
[0075]
11加速度传感器连接部
[0076]
12加速度传感器
[0077]
13载荷确定装置
[0078]
14轮胎滑移率确定装置
[0079]
15摩擦系数估计装置
[0080]
16行驶状态估计装置
[0081]
17加速度估计装置
[0082]
18行驶速度估计装置
[0083]
19车轮速度传感器
[0084]
20车辆模型
[0085]
21平均装置
[0086]
22轮胎模型
[0087]
23行驶阻力估计装置
[0088]
24减法器
[0089]
25除法器
[0090]
at车辆横向加速度的测量值
[0091]
al车辆纵向加速度的测量值
[0092]
al'车辆纵向加速度的估计值
[0093]
f'道路摩擦系数的估计值
[0094]
fzi垂直轮胎载荷
[0095]
sli纵向轮胎滑移率
[0096]
vd平均车轮速度
[0097]
vi车轮速度测量数据
[0098]
vl'纵向速度的估计值
[0099]
x,y阈值