一种车辆轮胎垂直载荷监测装置及方法与流程

本发明涉及车辆驱动控制领域，具体涉及一种车辆轮胎垂直载荷监测装置及方法。

背景技术：

多轮独立驱动车辆(例如六轮独立驱动电动车辆，每个车轮均由轮毂电机独立驱动)在不平路面、低附着路面行驶或翻越障碍时，由于各车轮所获得的路面附着力不同，在给定相同电机转矩的情况下，各个车轮的转速难以协同一致，这样一方面加速了轮胎的磨损，另一方面很可能导致车轮滑转，车轮的滑转会影响车辆行驶的稳定性，也会降低车辆的动力性能，因此在多轮独立驱动车辆行驶的过程中，需要对车轮进行防滑控制，实时监测每个车轮的滑转情况。轮胎垂直载荷是车轮防滑控制的关键参数，但车辆在行驶过程中，车轮所受的路面冲击难以测定，轮胎垂直载荷无法获取。

技术实现要素：

本发明提供了一种车辆轮胎垂直载荷监测装置及方法，以解决目前多轮独立驱动车辆行驶过程中的轮胎垂直载荷无法获取的问题，实现实时监测车辆行驶过程中的轮胎垂直载荷的目的。

第一方面，本发明提供了一种车辆轮胎垂直载荷监测装置，包括建立单元、检测单元及计算单元；所述建立单元与所述检测单元连接，用于建立车辆的三维坐标系；所述检测单元与所述计算单元连接，用于检测所述车辆相对于所述三维坐标系X轴的角速度p、所述车辆相对于所述三维坐标系Y轴的角速度q、所述车辆相对于所述三维坐标系Z轴的角速度r；所述计算单元用于根据计算式：

求得车辆轮胎垂直载荷F_zi，

其中，i为第i个车轮，且i为偶数，m_i为第i个车轮的簧下质量，u为所述车辆沿所述三维坐标系X轴的线速度，v为所述车辆沿所述三维坐标系Y轴的线速度，为所述车辆沿所述三维坐标系Z轴的线速度的导数，p为所述车辆相对于所述三维坐标系X轴的角速度，为所述车辆相对于所述三维坐标系X轴的角速度的导数，q为所述车辆相对于所述三维坐标系Y轴的角速度，r为所述车辆相对于所述三维坐标系Z轴的角速度，l为所述车辆最前端的车轮与车体的铰接点和所述车辆最后端的车轮与车体的铰接点之间的距离，α为所述车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程，为所述车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程的导数，为所述车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程的二阶导数，B为轮距，a_i/2为每对车轮与车体的铰接点和所述车辆的质心之间的距离，z为所述车辆任意一个车轮的铰接点与XY平面之间的距离，g为重力加速度，θ为所述车辆在所述三维坐标系中的侧倾角，为所述车辆在所述三维坐标系中的俯仰角。

第二方面，本发明还提供了一种电动车辆，包括上述的车辆轮胎垂直载荷监测装置。

第三方面，本发明还提供了一种车辆轮胎垂直载荷监测方法，包括以下步骤：建立车辆的三维坐标系；检测所述车辆相对于所述三维坐标系X轴的角速度p、所述车辆相对于所述三维坐标系Y轴的角速度q、所述车辆相对于所述三维坐标系Z轴的角速度r；利用计算式：

求得车辆轮胎垂直载荷F_zi。

本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置具有以下有益效果：

本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置首先获取汽车行驶过程中的状态参数，再根据该状态参数得出车辆轮胎垂直载荷，实现了实时监测车辆行驶过程中的轮胎垂直载荷的目的。根据本发明的装置监测到的车辆轮胎垂直载荷可以实时求解车辆承受的纵向力、侧向力和各车轮的附着状态，本发明的装置为研究车辆在障碍路面及随机不平路面行驶时车轮载荷的变化提供了基础数据，为多电机协同工作提供了较高精度的数据，提升了车辆行驶的动力性能和驱动效率，同时降低了轮胎的磨损。

本发明车辆轮胎垂直载荷监测方法具有以下有益效果：

本发明车辆轮胎垂直载荷监测方法首先获取汽车行驶过程中的状态参数，再根据该状态参数得出车辆轮胎垂直载荷，实现了实时监测车辆行驶过程中的轮胎垂直载荷的目的。根据本发明的方法监测到的车辆轮胎垂直载荷可以实时求解车辆承受的纵向力、侧向力和各车轮的附着状态，本发明的方法为研究车辆在障碍路面及随机不平路面行驶时车轮载荷的变化提供了基础数据，为多电机协同工作提供了较高精度的数据，提升了车辆行驶的动力性能和驱动效率，同时降低了轮胎的磨损。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置的结构示意图；

图2为图1所示的车辆轮胎垂直载荷监测装置的建立单元的一种优选结构示意图；

图3为图1所示的车辆轮胎垂直载荷监测装置的建立单元建立的三维坐标系的示意图；

图4为图1所示的车辆轮胎垂直载荷监测装置的工作流程图；

图5为在凸块障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第一轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第一轮轮胎垂直载荷的对比；

图6为在凸块障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第二轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第二轮轮胎垂直载荷的对比；

图7为在凸块障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第三轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第三轮轮胎垂直载荷的对比；

图8为在凸块障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第四轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第四轮轮胎垂直载荷的对比；

图9为在凸块障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第五轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第五轮轮胎垂直载荷的对比；

图10为在凸块障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第六轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第六轮轮胎垂直载荷的对比；

图11为在凹坑障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第一轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第一轮轮胎垂直载荷的对比；

图12为在凹坑障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第二轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第二轮轮胎垂直载荷的对比；

图13为在凹坑障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第三轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第三轮轮胎垂直载荷的对比；

图14为在凹坑障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第四轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第四轮轮胎垂直载荷的对比；

图15为在凹坑障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第五轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第五轮轮胎垂直载荷的对比；

图16为在凹坑障碍路面，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的第六轮轮胎垂直载荷和ADAMS内嵌求解器计算出的第六轮轮胎垂直载荷的对比。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明，本发明在附图中通过示例的方式而不是通过限制的方式被示出。

如图1所示，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置包括建立单元10、检测单元11及计算单元12。建立单元10与检测单元11连接，用于建立车辆的三维坐标系。优选地，如图2所示，建立单元10还包括质心确定模块101，该质心确定模块101用于确定车辆的质心，这样建立单元10就以车辆的质心为原点建立三维坐标系。如图3所示，车辆13包括六个独立驱动的车轮，车辆13的三维坐标系包括X轴、Y轴和Z轴。

如图1和图3所示，检测单元11与计算单元12连接，用于检测车辆13相对于三维坐标系X轴的角速度p、检测车辆13相对于三维坐标系Y轴的角速度q、检测车辆13相对于三维坐标系Z轴的角速度r。优选地，检测单元11为惯性传感器。

计算单元12用于根据计算式：

求得车辆轮胎垂直载荷F_zi，其中，i为第i个车轮，且i为偶数，m_i为第i个车轮的簧下质量，u为车辆沿三维坐标系X轴的线速度，v为车辆沿三维坐标系Y轴的线速度，为车辆沿三维坐标系Z轴的线速度的导数，p为车辆相对于三维坐标系X轴的角速度，为车辆相对于三维坐标系X轴的角速度的导数，q为车辆相对于三维坐标系Y轴的角速度，r为车辆相对于三维坐标系Z轴的角速度，l为车辆最前端的车轮与车体的铰接点和车辆最后端的车轮与车体的铰接点之间的距离，α为车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程，为车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程的导数，为车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程的二阶导数，B为轮距；

a_i/2为每对车轮与车体的铰接点和车辆的质心之间的距离，如图3所示，车辆13包括六个车轮，图中示出了第一车轮14、第二车轮15、第三车轮16、第五车轮17，其中，第一车轮14与第二车轮15为一对车轮，第一车轮14的铰接点与车辆的质心之间的距离为H，第二车轮15的铰接点与车辆的质心之间的距离为L，H与L相等，a_i/2例如可以为第一车轮14的铰接点与车辆的质心之间的距离；

z为车辆任意一个车轮的铰接点与XY平面之间的距离，XY平面是指三维坐标系中X轴和Y轴所在的平面；

g为重力加速度，θ为车辆在三维坐标系中的侧倾角，为车辆在三维坐标系中的俯仰角。

优选地，检测单元11还用于检测车辆沿三维坐标系X轴的线速度u、车辆沿三维坐标系Y轴的线速度v、车辆沿三维坐标系Z轴的线速度w、车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程α、车辆在三维坐标系中的侧倾角θ、车辆在三维坐标系中的俯仰角

如图4所示，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置的工作流程为：

步骤S1，建立单元10建立车辆的三维坐标系；

步骤S2，检测单元11检测车辆相对于三维坐标系X轴的角速度p、车辆相对于三维坐标系Y轴的角速度q、车辆相对于三维坐标系Z轴的角速度r；

步骤S3，计算单元12根据计算式：

计算车辆轮胎垂直载荷。

其中，计算式：

的推导过程为：

根据达朗贝尔惯性力原理，车辆的簧下质量垂向运动的运动方程为：

F_zi＝m_i·a_zi+m_i·g_z (1)

其中，F_zi为各驱动轮与地面法向反力，m_i为各驱动轮处簧下质量，a_zi为各驱动轮处簧下质量法向运动加速度。

g_z为重力加速度在三维坐标系中沿z方向的分量，设重力加速度沿x、y方向的分量为g_x、g_y，则有：

对各车轮的簧下质量质心处的速度求导，用a_xi、a_yi和a_zi分别表示第i个车轮的簧下质量在车身三维坐标系中的三个轴向加速度，则有：

根据式(1)-(3)可得：

例如对于六轮独立驱动车辆，将各车轮簧下质量的速度代入式(3)中第三行可得各个簧下质量Z方向的加速度：

根据式(1)、(2)、(4)得到六轮独立驱动车辆各车轮轮胎的垂直载荷，

其中，m_i为第i个车轮的簧下质量，u为车辆沿三维坐标系X轴的线速度，v为车辆沿三维坐标系Y轴的线速度，为车辆沿三维坐标系Z轴的线速度的导数，p为车辆相对于三维坐标系X轴的角速度，为车辆相对于三维坐标系X轴的角速度的导数，q为车辆相对于三维坐标系Y轴的角速度，r为车辆相对于三维坐标系Z轴的角速度，l为车辆最前端的车轮与车体的铰接点和车辆最后端的车轮与车体的铰接点之间的距离，α为车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程，为车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程的导数，为车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程的二阶导数，B为轮距，a为最前端的车轮与车体的铰接点和YZ平面之间的距离，YZ平面是指三维坐标系中Y轴与Z轴所在的平面，c为最后端的车轮与车体的铰接点和YZ平面之间的距离，b为z为车辆任意一个车轮的铰接点与XY平面之间的距离，XY平面是指三维坐标系中X轴与Y轴所在的平面，g为重力加速度，θ为车辆在三维坐标系中的侧倾角，为车辆在三维坐标系中的俯仰角。

本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置首先获取汽车行驶过程中的状态参数，再根据该状态参数得出车辆轮胎垂直载荷，实现了实时监测车辆行驶过程中的轮胎垂直载荷的目的。根据本发明的装置监测到的车辆轮胎垂直载荷可以实时求解车辆承受的纵向力、侧向力和各车轮的附着状态，本发明的装置为研究车辆在障碍路面及随机不平路面行驶时车轮载荷的变化提供了基础数据，为多电机协同工作提供了较高精度的数据，提升了车辆行驶的动力性能和驱动效率，同时降低了轮胎的磨损。

本发明还提供一种电动车辆，包括上述的车辆轮胎垂直载荷监测装置。

本发明还提供一种车辆轮胎垂直载荷监测方法，包括以下步骤：建立车辆的三维坐标系；检测车辆相对于三维坐标系X轴的角速度p、车辆相对于三维坐标系Y轴的角速度q、车辆相对于三维坐标系Z轴的角速度r；利用计算式：

求得车辆轮胎垂直载荷F_zi，其中，i为第i个车轮，且i为偶数，m_i为第i个车轮的簧下质量，u为所述车辆沿所述三维坐标系X轴的线速度，v为所述车辆沿所述三维坐标系Y轴的线速度，为所述车辆沿所述三维坐标系Z轴的线速度的导数，p为所述车辆相对于所述三维坐标系X轴的角速度，为所述车辆相对于所述三维坐标系X轴的角速度的导数，q为所述车辆相对于所述三维坐标系Y轴的角速度，r为所述车辆相对于所述三维坐标系Z轴的角速度，l为所述车辆最前端的车轮与车体的铰接点和所述车辆最后端的车轮与车体的铰接点之间的距离，α为所述车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程，为所述车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程的导数，为所述车辆的车体悬挂装置在角位移方向的动行程的二阶导数，B为轮距，a_i/2为每对车轮与车体的铰接点和所述车辆的质心之间的距离，z为所述车辆任意一个车轮的铰接点与XY平面之间的距离，g为重力加速度，θ为所述车辆在所述三维坐标系中的侧倾角，为所述车辆在所述三维坐标系中的俯仰角。

优选地，本发明的方法包括以车辆的质心为原点建立三维坐标系。

优选地，本发明的方法包括使用惯性传感器检测角速度p、q和r。

优选地，本发明的方法包括检测车辆沿三维坐标系X轴的线速度u、车辆沿三维坐标系Y轴的线速度v、车辆沿三维坐标系Z轴的线速度w、车体悬挂装置在角位移方向的动行程α、车辆在三维坐标系中的侧倾角θ、车辆在三维坐标系中的俯仰角本发明的方法适用于六轮独立驱动电动车辆的轮胎垂直载荷计算。

根据本说明书的教导，本领域技术人员应当能够理解，上述的“模块”、“单元”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，本领域技术人员基于成本和处理速度的考虑，可以将本说明书中的“模块”和/或“单元”通过软件和/或硬件实现。

本说明书中，对于车辆轮胎垂直载荷监测方法实施例而言，由于其基本相似于车辆轮胎垂直载荷监测装置实施例，相关之处参见车辆轮胎垂直载荷监测装置实施例的部分说明即可，以避免重复性描述。

发明人对本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置进行了建模仿真，将使用本发明的装置监测到的轮胎垂直载荷与机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，简称ADAMS)内嵌求解器计算出的轮胎垂直载荷进行对比，仿真结果表明本发明的装置能够准确监测车辆轮胎垂直载荷。

如图5-10所示，虚线表示本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的轮胎垂直载荷，实线表示ADAMS内嵌求解器计算出的轮胎垂直载荷，二者基本吻合，验证了本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置的有效性。

如图11-16所示，虚线表示本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置监测到的轮胎垂直载荷，实线表示ADAMS内嵌求解器计算出的轮胎垂直载荷，二者基本吻合，验证了本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置的有效性。

根据图5-16，本发明车辆轮胎垂直载荷监测装置具有较高的置信度(最大相对误差小于9％)，可以用在控制器中进行实时计算。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明的技术方案可借助软件或硬件来实现。基于这样的理解，本发明中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品或硬件产品的形式体现出来，其中，计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟和光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。说明书中的“模块”和“单元”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的构思或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。