使用悬架位移数据确定横摇角和倾斜角的制作方法

本公开涉及使用悬架位移数据确定设备的横摇角和倾斜角。虽然可以使用横摇角速率传感器和横向加速度计来估计倾斜道路上车辆的横摇角和倾斜角，但是车辆可能并不总是配备有这种传感器。

技术实现要素：

本发明公开了一种设备，其具有可操作地连接到多个车轮的主体，其中多个车轮定位在限定倾斜角(β)(相对于水平或绝对水平的环境框架)的倾斜表面上。悬架系统可操作地连接到多个车轮，并且其包括至少一个悬架传感器，该悬架传感器配置成提供悬架位移数据。控制器与悬架传感器通信并且具有处理器和有形的非暂时性存储器，在该存储器上记录指令。处理器执行指令使控制器从悬架传感器获得悬架位移数据。控制器配置成确定多个预定参数、设备的横摆角速度(r)和纵向速度(vx)。多个预定参数包括第一因子(a)和第二因子(b)。至少部分地基于悬架位移数据确定横摇角控制器被配置为至少部分地基于横摇角横摆角速度(r)、纵向速度(vx)和多个预定参数来确定倾斜角(β)。部分地基于横摇角和倾斜角(β)中的至少一个来控制设备的操作。

第一因子(a)可以至少部分地基于选定的倾斜角(βs)和对应于选定的倾斜角(βs)的选定的横摇角使得选定的倾斜角(βs)介于0和15度之间(包括0和15度)。第二因子(b)可以至少部分地基于第一因子(a)和重力常数(g)，使得此处，当倾斜角(β)为零度时，r0、和vx0分别是横摆角速度、横摇角和纵向速度。

多个车轮包括第一车轮和第二车轮，其中设备包括可操作地连接第一车轮和第二车轮的第一轴。多个预定参数包括第三因子(c)，其部分地基于第一轴。悬架位移数据包括沿着主体的第一角(z＝z1)的z轴和第一车轮的中心(z＝zu1)的各个坐标之间的第一位移(δzlf)，使得δzlf＝-(z1-zu1)。悬架位移数据包括沿着主体的第二角(z＝z2)的z轴和第二车轮的中心(z＝zu2)的各个坐标之间的第二位移(δzrf)，使得δzrf＝-(z2-zu2)。横摇角可以限定为

多个车轮可包括第三车轮和第四车轮，其中设备包括可操作地连接第三车轮和第四车轮的第二轴。多个预定参数包括第四因子(d)，其部分地基于第二轴。悬架位移数据可以包括沿着主体的第三角(z＝z3)的z轴和第三车轮的中心(z＝zu3)的各个坐标之间的第三位移(δzlr)，使得δzlr＝-(z3-zu3)。悬架位移数据可以包括沿着主体的第四角(z＝z4)的z轴和第四车轮的中心(z＝zu4)的各个坐标之间的第四位移(δzrr)，使得δzrr＝-(z4-zu4)。横摇角可以限定为：

多个预定参数可包括偏航惯性矩(izz)、俯仰惯性矩(iyy)、质量(m)和设备的总重心与设备的簧上部分的重心之间的距离(zc)。倾斜角(β)基于横摇角横摆角速度(r)、纵向速度(vx)、多个预定参数和重力常数(g)，使得：

部分地基于横摇角和倾斜角(β)中的至少一个来控制设备的操作可以包括：如果横摇角和倾斜角(β)中的至少一个超过各自的预定阈值则发送消息。控制设备的操作可以包括如果横摇角和倾斜角(β)中的至少一个超过各自的预定阈值，则限制设备的速度。

还公开了一种控制设备操作的方法，该设备具有可操作地连接到多个车轮的主体，其中多个车轮相对于限定倾斜角(β)的倾斜表面定位，该设备具有可操作地连接到多个车轮并具有至少一个悬架传感器的悬架系统，以及与至少一个悬架传感器通信的控制器。该方法能够在线估计横摇角和倾斜角(β)，而不需要以下因素：横摇角速率传感器、横向加速度计、观察者、车轮胎模型、车轮胎传感器或道路信息。该方法能够降低成本并降低复杂性。

该方法包括从悬架传感器获得悬架位移数据，并包括获得多个预定参数、横摆角速度(r)和纵向速度(vx)。多个预定参数包括第一因子(a)和第二因子(b)。该方法包括至少部分地基于悬架位移数据确定横摇角和至少部分地基于横摇角横摆角速度(r)、纵向速度(vx)和多个预定参数确定倾斜角(β)。部分地基于横摇角和倾斜角(β)中的至少一个来控制设备的操作。

从以下结合附图对实现本发明的最佳方式的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

附图1是具有多个车轮、悬架系统和控制器的设备的示意性前视图；

图2是图1的设备的示意性局部透视图；并且

图3是可由图1的控制器执行的方法的示意性流程图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，图1和图2示意性地示出了设备10，其具有可操作地连接到多个车轮14的主体12。设备10可以是移动平台，例如但不限于乘用车、运动型多功能车、轻型卡车、重型车辆、atv、小型货车、公共汽车、运输车辆、自行车、机器人、农具、运动相关的设备、船、飞机、火车或其他运输设备。设备10可以采用许多不同的形式并包括多个和/或替代的组件和设施。虽然图1和图2中示出了设备10的示例，图中所示的组件并不旨在限制。

如图1和图2所示，多个车轮14包括第一车轮14a和第二车轮14b。设备10可包括第一、第二、第三和第四车轮分别如图2所示14a、14b、14c、14d。应该理解，设备10中的车轮的数量可以改变。多个车轮14中的每一个限定相应的中心16。在图2中，示出了第一、第二、第三和第四中心16a、16b、16c、16d。

如图1和图2所示，设备10包括可操作地连接第一车轮14a和第二车轮14b的第一轴18。如图2所示，第二轴20可操作地连接第三车轮14c和第四车轮14d。如图2所示，主体12限定多个边缘或角22。如图2所示，在所示的实施例中，主体12包括第一、第二、第三和第四角，分别为22a、22b、22c、22d。

如图1所示，设备10包括可操作地连接到多个车轮14的悬架系统28。悬架系统28可包括弹簧30、阻尼器32和各种其他部件(未示出)。如图1所示，悬架系统28包括至少一个悬架传感器36，其配置成提供悬架位移数据，即，弹簧30的各种局部区段、阻尼器32或悬架系统28的其他部件的相对位移。悬架传感器36可以安装在各种位置，安装的变化取决于设备10的设计。悬架传感器36的数量可以基于设备10而变化(参见图2中所示的传感器36a、b、c和d)。

应当理解，设备10可采用本领域技术人员可用的任何类型的悬架和传感器技术。例如，悬架传感器36可以包括应变计，该应变计被配置为通过安装表面处的应变元件的变化来改变其电阻。应变元可以被定义为弹簧的局部区段、减震器或悬架的其他部件的相对位移。可以使用惠斯通电桥(未示出)或其他单元测量应变计的电阻变化。悬架传感器36可以配置成将应变计的电阻变化转换成电刺激，以传输到控制器c。

或者，悬架传感器36可包括磁流变流体(mr)或载体流体，其填充有微米大小的磁性颗粒。当受到磁场作用时，磁性颗粒增加流体的粘度，使其成为粘弹性固体。悬架传感器36可以配置成将磁流变流体(mr)的物理特性的变化转换成电刺激，以传输到控制器c。

如图1所示，设备10位于倾斜表面38上。表面倾斜角40，在此称为倾斜角40(β)，是在设备10所在的倾斜表面38和环境框架水平42之间形成的角度，环境框架水平42可以被称为地平面或海平面或绝对水平。如图1所示，当设备10没有运转时，设备10的垂直中心线44在设备框架中垂直延伸。垂直中心线44通常垂直于第一轴18。环境框架垂直46在图1中示出。

如图1所示，设备10包括与悬架传感器36和设备10的各种其他组件通信(例如，能够发送和接收数据和/或指令)的控制器c。控制器c包括至少一个处理器p和至少一个存储器m(非暂时性有形的计算机可读存储介质)，在其上记录指令以执行方法100(图3中所示)来确定横摇角(见图1)和倾斜角40(β)。存储器m可以存储控制器可执行的指令集，并且处理器p可以执行存储在存储器m中的控制器可执行的指令集。图1中的控制器c具体地被编程为执行方法100的步骤。

如图1所示，横摇角是设备10的簧上部分与设备10的平衡之间的角度，簧上部分是连接在悬架系统28和多个车轮14上方的部分。在图1中，簧载质量点50表示簧上部分的重心。如图1所示，整体重心52和簧上质量点50由距离54(zc)分开。重力矢量56表示重力(大约9.81m/s²)作用在设备10上的方向。

现在参考图3，图3所示的方法100的流程图存储在图1所示的控制器c上并且可由其执行。方法100不需要以本文所述的特定顺序应用。此外，应该理解，可以省略一些步骤。使用方法100，可以确定横摇角和倾斜角40(β)，而不需要以下因素：横摇角速率传感器、横向加速度计、观察者、车轮胎模型、车轮胎传感器或道路信息。操作原理部分地基于在不使用加速度计和横摇角速率传感器数据的情况下分离悬架位移数据中的离心效应和角度效应。

参照图3，方法100可以从框102开始，在框102处控制器c被编程或配置成经由悬架传感器36获得悬架位移数据，包括多个车轮14中的每一个的相应的实时位移。用于压缩的位移是积极的。如果设备10包括至少两个车轮，则悬架位移数据包括第一位移(δzlf)(左前方)和第二方位(δzrf)(右前方)。在图2中，第一位移(δzlf)被定义为沿着主体12的第一角22a(z＝z1)的z轴(图2中所示的x、y和z轴)与第一车轮14a(z＝zu1)的中心16a的各个坐标之间的差，使得δzlf＝-(z1-zu1)。第二位移(δzrf)是沿着主体12的第二角22b的z轴(z＝z2)和第二车轮14b的中心16b(z＝zu2)的各个坐标之间的差，使得δzrf＝-(z2-zu2)。

如果设备10具有多于两个车轮，则悬架位移数据还可包括第三位移(δzlr)(左后)和第四位移(δzrr)(右后)。如图2所示，第三位移(δzlr)是沿着主体12的第三角22c(z＝z3)的z轴和第三车轮14c的中心16c(z＝zu3)的各个坐标之间的差，使得δzlr＝-(z3-zu3)。悬架位移数据可以包括在沿着主体12的第四角22d(z＝z4)的z轴和第四车轮14d的中心16d(z＝zu4)的各个坐标之间，使得δzrr＝-(z4-zu4)。

在图3的框104中，控制器c被编程或配置成获得多个预定参数、横摆角速度62(r)和纵向速度(vx)。设备10可包括：速度传感器58，其被配置为获得纵向速度(vx)；以及横摆角速度传感器60，其被配置为获得横摆角速度62(r)。横摆角速度传感器60可以是配置为测量角速度的陀螺设备。另外，纵向速度(vx)，横摆角速度62(r)和其他参数可以通过“虚拟传感”获得，例如基于其他测量的建模。

多个预定参数包括第一因子(a)和第二因子(b)。第一因子(a)可以至少部分地基于选定的倾斜角(βs)和与所选定的倾斜角(βs)对应的选定的横摇角使得选定的倾斜角(βs)介于0和15度之间(包括0和15度)。第二因子(b)可以至少部分地基于第一因子(a)和重力常数(g)使得这里，当倾斜角(β)为零度时，r0、和vx0分别是横摆角速度62、横摇角48和纵向速度。第一因子(a)和第二因子(b)可以在测试存储单元中或在实验室条件下使用设备10得以确定。

多个预定参数可包括设备10的偏航惯性矩(izz)、俯仰惯性矩(iyy)、(总)质量(m)和设备10的总重心52和簧载质量点50(设备10的簧上部分的重心)(参见图1)之间的距离54(zc)。刚体的惯性矩(也称为角质量或转动惯量)确定围绕旋转轴的期望角加速度所需的扭矩，例如用于俯仰运动的y轴或用于横摇运动的x轴。惯性矩取决于车身的质量分布和所选择的轴，其中较大的力矩需要更大的扭矩来改变车身的旋转。每个设备10的预定参数可以实时变化，或可以恒定。偏航惯性矩(izz)、俯仰惯性矩(iyy)和质量(m)可以用给定设备10的相应初始值预定义并且之后实时校准。

如图2所示，多个预定参数可以包括第三因子(c)和第四因子(d)，第三因子(c)和第四因子(d)分别部分地基于第一轴18和第二轴20。在一个实施例中，第三和第四因子(c)和(d)分别被定义为第一轴18和第二轴20的簧距64(参见图1)的一半。在另一个实施例中，第三和第四因子(c)和(d)被定义为第一轴18和第二轴20的相应轨道长度的一半。

在图3的框106中，控制器c被编程或配置成至少部分地基于悬架位移数据以及第三因子(c)和第四因子(d)中的至少一个来确定横摇角(在框104中确定)。对于具有至少四个车轮的设备10，横摇角48可以限定为：

对于具有至少两个车轮的设备10，横摇角可以限定为

在图3的框108中，控制器c被编程或配置成部分地基于横摇角48和倾斜角40(β)中的至少一个来确定倾斜角40(β)(参见图1)并控制设备10的操作。倾斜角40(β)至少部分地基于横摇角横摆角速度62(r)，纵向速度(vx)、多个预定参数，多个预定参数包括第一因子(a)、第二因子(b)、横摆惯性矩(izz)、俯仰惯性矩(iyy)、距离54(zc)、质量(m)和重力常数(g)，使得：

至少部分地基于横摇角和倾斜角40(β)中的至少一个来控制设备10的操作可以包括：如果横摇角和倾斜角40(β)中的至少一个高于相应的预定阈值，则发送消息。该消息可以包括但不限于在设备10的仪表板66上显示的可视消息、可听到的响铃或触觉警报。如果设备10是自主车辆，则可以将消息发送给车队操作员。可以基于特定设备10来选择相应的预定阈值。在一个示例中，对于横摇角和倾斜角40(β)，相应的预定阈值分别是5度和10度。

控制设备10的操作可以包括，如果横摇角和倾斜角40(β)中的至少一个高于它们各自的预定阈值，则限制设备10的速度。横摇角和倾斜角40(β)在设备10的动态特性中起重要作用，并且可以用作各种控制算法的输入，包括自适应巡航控制模块和稳定性控制模块，从而改善设备10的功能。另外，横摇角和倾斜角40(β)可用于支持自动驾驶功能，特别是当设备10转弯时和/或当路面快速变化时。方法100使得能够在线估计横摇角和倾斜角40(β)，而不需要以下因素：横摇角速率传感器、横向加速度计、观察者、车轮胎模型、车轮胎传感器或道路信息。该方法能够降低成本并降低复杂性。

图1中所示的控制器c可以是设备10的其他控制器的一部分，或者是可操作地连接到设备10的其他控制器的单独模块。控制器c包括计算机可读介质(也称为处理器可读介质)，包括参与提供可由计算机(例如，通过计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的非暂时性(例如，有形)介质。这种介质可以采用许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可以包括例如光盘或磁盘以及其他永久性存储器。易失性介质可以包括例如动态随机存取存储器(dram)，其可以构成主存储器。这些指令可以由一个或多个传输介质传输，包括同轴电缆、铜线和光纤，包括包含有耦合到计算机处理器的系统总线的电线。某些形式的计算机可读介质包括，例如软盘、软磁盘、硬盘、磁带、其他磁介质，cd-rom、dvd、其他光学介质，穿孔卡、纸带、其他具有孔形态的物理介质，ram、prom、eprom、flash-eeprom、其他存储芯片或盒式贮存器，或其他计算机可以读取的介质。

本文描述的查找表、数据库、数据存储库或其他数据存储可以包括用于存储、访问和检索各种数据的各种机构，其包括分层数据库、文件系统中的一组文件、专有格式的应用程序数据库、关系数据库管理系统(rdbms)等。每个这样的数据存储可以包括在计算设备中，该计算设备采用例如上面提到的计算机操作系统之一，并且可以以各种方式中的一种或多种通过网络进行访问。文件系统可以从计算机操作系统访问，并且可以包括以各种格式存储的文件。除了用于创建、存储、编辑和执行存储过程的语言之外，rdbms还可以使用结构化查询语言(sql)，例如前文提及的pl/sql语言。

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