专利名称：车辆倾翻检测的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明的实施例总体上涉及一种车辆倾翻事故检测的系统和方法。
背景技术：
十年间，在美国每年发生的重大事故的数目是大约40， 000起左右。安 全组织、政府以及工业资方正试图努力将上述数字减小到30, 000。基于倾 翻的事故大约占轻型车辆重大事故的30%。 一部分车辆倾翻可归因于'硬地 行驶(hard trip )'，意思是车辆行驶过路缘或者障碍物之后进入倾翻状态。其 它车辆倾翻可归因于'软地行驶(soft trip )',意思是车辆行驶过沙地或者草 地之后进入倾翻状态。
考虑到与倾翻事故相关的灾难的数量，原始设备制造商(OEM)持续开 发用于检测车辆倾翻的感测算法，并实现各种先进的抑制系统，以减轻当车 辆遭遇倾翻事故时乘客被扔出车外而受的伤害。
发明内容
在至少一个实施例中，公开了一种用于^H则车辆的倾翻的系统，所述车 辆包括布置在车辆的至少一个车轮周围的至少一个车轮反作用力感测装置， 所述至少一个车轮反作用力感测装置用于传输指示施加在车辆的所述至少一 个车轮上的力的量的车轮反作用力信号。所述系统包括可操作地连接到至少 一个车轮反作用力感测装置的控制器，并且所述控制器包括至少一个加速度 传感器，所述至少一个加速度传感器用于传输指示关于车辆的至少一个轴的 车身加速度的加速度信号。所述控制器被构造成响应于所述车轮反作用力 信号确定第一力指数；响应于所述加速度信号确定车辆的第一横向加速度； 将第一力指数与阈值力指数进行比较，并将第一横向加速度与阈值横向加速 度进行比较；基于基于第一力指数与阈值力指数的比较的结果以及第一横向 加速度与阈值横向加速度的比较的结果触发抑制系统。
图1示出了处于平稳状态条件的四分之一车辆悬架(quarter-model vehicle suspension );
图2示出了在悬浮的车辆上的翻滚反作用(roll reaction );
图3示出了根据本发明的一个实施例的轮的反作用力；
图4示出了根据本发明的一个实施例的倾翻检测系统；
图5示出了根据本发明的一个实施例的第一倾翻检测方法；
图6示出了根据本发明的一个实施例的力指数(force index)阔值和横向
加速度阈值的图形；
图7示出了根据本发明的一个实施例的第二倾翻检测方法；
图8示出了根据本发明的一个实施例的力指数阈值和翻滚速率(rollrate)
阈值的图形；
图9示出了根据本发明的一个实施例的力指数与翻滚角的图形。
具体实施例方式
现在参照图1,示出了处于平稳状态条件下的四分之一车辆悬架10。如 图1所示，通过对簧上质量(sprung mass)和簧下质量(unsprung mass)应 用牛顿第二定律可获得四分之一车辆悬架10的动态行为(dynamic behavior )。 例如，对于簧下质量的动量等式是
+ C^ + (《+= c》+《z++《. (等式1)
其中，M是质量；Z是簧上质量的位移；Zu是簧下质量的位移；Z「是道 路位移；Fw是作用在簧下质量上的力；Ks是悬架的刚度(stiffness); Kt是车
轮的刚度；c;是悬架的阻尼系数。
通过忽略高阶项可简化等式1。这样，作用在簧下质量上的力可被改写
为
- /(Z,Z ,Zr)=(《+-《Z-尺(Z,. +冊 (等式2 )
通常，当车辆在水平表面上平稳地运动时，车辆的左侧和右侧的负载(或 者作用在簧下质量上的力)相等。然而，当车辆经历倾翻事故时，作用在簧 下质量(例如，车辆的左侧和右侧)上的负载不同。在这种情况下，车辆会不平稳并倾斜以使车辆的一侧翻滚。车辆的倾斜侧的负载会变高，而车辆的 另一侧的负载会接近为零。
现在参照图2，总体上示出了在悬浮的车辆12上的翻滚反作用。悬浮的
车辆12包括质量为m的主体部分14。多个弹簧16和18结合到主体部分14 上。弹簧16和18将主体部分14结合到具有车轮22和24的轴20上。车辆 12的主体部分14包括翻滚中心，该翻滚中心提供用于主体部分14的枢转点， 其中，横向力被从轴20传递到主体部分14。通过计算关于车轮24接触地面 的点的力矩并假设车轮22的拖拽侧(trailing side )负载等于零(例如，车轮 离开地面)来提供以下等式
L ) L2 "'」 (等式3)
根据等式3，横向加速度(例如，^)为:
(等式4)
如等式4所示，不平稳的横向加速度通常取决于车辆轨道(vehicle track) 宽度t、重心(g)、高度h、翻滚中心hr以及翻滚角4)。
如上所示，在倾翻事故过程中，横向加速度起重要作用。虽然讨论了作 用在车辆前部的力，但也等价于讨论了作用在车辆后部的后部力或者作用在 整个车辆的前部力和后部力的合力。当车辆在行驶(例如，硬地行驶或者软 地行驶)中遭遇倾翻事故时，在车辆的引导侧(leading side)的车轮24 (例 如，车辆的引导侧可包括在车辆的前部的 一 个车|仑或者在车辆的前部和后部 的两个或者多个车轮)可早于车辆的拖拽侧的车轮22 (例如，车辆的拖拽侧 可包括在车辆的前部的一个车轮或者在车辆的前部和后部的两个或者多个车 轮)受到力，并且车轮24受到力(例如Fv!和/或Fzl)大于车轮22受到的力 (Fz》。例如，作用在车轮的前部的两侧上的力的平均值或者作用在前轮和后 轮的两侧上的力的平均值可按照下面的等式测量
<formula>formula see original document page 6</formula>这里，Fmean对应于在检测到倾翻事故之前在车轮上的力的平均值。Fzl 可对应于作用在车辆的前部的左车轮上或者作用在车辆的前部和后部二者的
两个或者多个左车轮上的左车轮反作用力。Fa可对应于作用在车辆的前部的
右车轮上的右车轮反作用力或者作用在车辆的前部和后部二者的两个或者多 个右车轮上的右车轮反作用力。通常，车轮反作用力是通过车轮(例如，由 于簧上质量而导致轮胎、轮缘和/或悬架的组件)传递的负载。力指数可按照
下面的等式进行计算
Fzl+Fzr-2Fn， 0
其中，指数f^0
其中，指数,o
(等式6)
其中，在一个示例中，指数f通常是大于零且小于2的值。如果指数p 大于0.5,则左侧的一个或者两个车轮会从地面上被升起，右侧的其它的车轮 会与道路接触。类似地，如果指数f大于0.5，则右侧的一个或者两个车轮会 从地面上被升起，左侧的其它的车轮会与地面接触。如果指数f为零，则车 辆会净皮认为是空载(airbron)的。
图3示出了作用在车辆的前侧的车轮上的车轮反作用力。与左前车轮的 引导侧的车轮反作用力(例如，见等式5中的FJ对应的值通常被示出为25。 与左前车轮的拖拽侧的车轮反作用力(例如，见等式5中的F^)对应的值通 常被示出为27。与车轮反作用力的预先计算的平均值(例如，见等式5中的 Fmean)对应的值通常被示出为29。
通常，阐述于此的用于检测车辆倾翻事故的系统和方法可考虑指数p和
横向加速度二者，以确定车辆是否经历倾翻事故。指数f和横向加速度可提 供车辆经历硬地行马史或者软地行驶的倾翻事故的早期检测。此外，其它特征 (例如，翻滚速率和翻滚角)可用于检测车辆是否经历车辆倾翻的早期检观寸。 现在参照图4，示出了根据本发明的一个实施例的倾翻检测系统30。所 述系统30包括抑制控制器32和悬架控制器34。多路通信总线36可操作地 连接在抑制控制器32和悬架控制器34之间，以便于二者之间的数据通信。 所述总线36可被实现为高速或者中速控制局域网(CAN)通信数据链接。所 述总线36可被实现为通常被布置成在车辆中的任何两个控制器之间传输数据的任何这样的通信数据链接。
多个车轮反作用力感测装置38a-38n与悬架控制器34电通信。每个车轮 反作用力感测装置38a-38n通常布置在车辆的每个车轮/轮胎的悬架系统周 围。通常，车轮反作用力感测装置38a-38n通常被构造成感测与施加在车辆 的一个或者多个车轮上的各种负载有关的力。悬架控制器34接收这样的信息 以确定每个车轮的车辆反作用力(例如，Fz,和Fzr)。在另一示例中，车轮反 作用力感测装置38a-38n可测量来自压力传感器和/或加速度传感器的信号， 并将这样的数据直接传输到悬架控制器34以确定每个车轮的车轮反作用力。 车轮反作用力感测装置38a-38n的其它示例可包括布置在主动空气悬架 (active air suspension )从而可测量力的压力传感器、应变仪、车轮横向力传 感器、车轮纵向力传感器、轮胎竖直力传感器、轮胎加速度传感器或者轮胎 侧壁扭矩传感器。
如结合图2进行的描述，悬架控制器34可包括存储在存储器中的Fmean (例如，在倾翻事故之前，车辆的前车轮和/或后车轮上的力的平均值)。悬 架控制器34响应于这样的信息并通过所述总线36将这样的信息传输给抑制 控制器32来计算车辆的前部和/或后部的车轮的力指数(例如，见等式6)。
抑制控制器32包括位于其中的多个加速度传感器40。加速度传感器40 被构造成测量相对于x轴的车身加速度(纵向加速度)、测量相对于y轴的车 身加速度(横向加速度)以及测量相对于z轴的车身加速度(垂直加速度)。 为了描述的目的，可在车辆上施加右手坐标系。车辆的x轴可被限定为在车 辆的纵向部分之间延伸的轴。x轴的正向可以是指向车辆的前方的方向。车 辆的y轴可被限定为从车辆的乘客方延伸到车辆的驾驶员方的轴(例如，沿 着车辆的宽度延伸的轴)。车辆的z轴可以被限定为从车辆的底部延伸到顶部 的轴。y轴和z轴的正向可分别被设定为指向驾驶员方和朝着向上方向。
关于横向加速度，加速度传感器40可将与车身的横向加速度对应的硬链 接的数据(hardwired date )传输给抑制控制器32。如结合等式4进行的描述， 抑制控制器32可计算橫向加速度。抑制控制器32可使用横向加速度和力指 数作为指示器以确定车辆是否处于倾翻事故。抑制控制器32可响应于横向加 速度和力指数超过预定阈值触发抑制系统以保护车辆中的乘客。抑制系统可 包括用于保护乘客的窗帘(curtain)和/或侧面碰撞气嚢。42可测量车辆的翻滚速率。通常，车辆的翻滚速率被限定为当车辆绕着车辆 的x轴旋转时车辆的角速度。抑制控制器32可响应于从翻滚速率传感器42 接收的翻滚速率计算车辆的翻滚角c})(如结合图2进行的描述)。抑制控制器 32可使用车辆的横向加速度、翻滚角和翻滚速率中的任何一个或者多个以及 力指数来确定车辆何时处于倾翻状态。
现在参照图5,示出了根据本发明的一个实施例的第一倾翻检测方法50。 在块52中，抑制控制器32从翻滚速率传感器42接收测量的车辆的翻滚速率， 并对这样的信息进行过滤和调节，以确定翻滚速率。
在块54中，抑制控制器32确定检测的车辆的翻滚速率是否已经超过了 预定翻滚速率值。上述翻滚速率值可被存储在抑制控制器32的存储器中。所 述预定翻滚速率值可以是被校准的值，并且该值基于所使用的车辆的类型而 改变。抑制控制器32将检测的翻滚速率与预定翻滚速率值进行比较。如果检 测的翻滚速率不大于预定翻滚速率值，则方法50返回到块52。如果检测的 翻滚速率大于预定翻滚速率值，则方法50进行到块56和58。
在块56中，抑制控制器32计算结合等式5描述的Fmean。抑制控制器32 通过所述总线36从悬架控制器34接收F^和Fzr。
在块60中，抑制控制器32计算结合等式6描述的力指数。
在块62中，抑制控制器32确定横向加速度。抑制控制器32响应于由加 速度传感器40传输的信息计算横向加速度(见等式4 )。
在块64中，抑制控制器32确定计算的力指数和计算的横向加速度是否 分别超过力指数阈值和横向加速度阈值。图6示出了以90表示的横向加速度 阔值和力指数阈值。力指数阈值和横向加速度阈值通常是被校准的值，并可 根据使用的车辆的类型而改变(例如，与图6中示出的力指数阈值和横向加 速度阈值不同)。可通过下面的等式获得力指数和橫向加速度的阈值90:
l一 ，
(等式7)
其中，响应于对特定车辆进行车辆倾翻测试而得到(获得)变量a和b。
变量a和b可以根据使用的车辆的类型改变。变量x和y可对应于横向加速
度和力指数的值，c是可基于阈值请求改变的常量。
可指示车辆处于倾翻状态的与计算的力指数和计算的横向加速度对应的值总体上由92表示。可指示车辆不处于倾翻状态的与计算的力指数和计算的
横向加速度对应的值总体上由94表示。
参照图5,当执行块56、 60、 62和64时，为了进行确认，可同时执行 块58和66，以确认车辆处于倾翻状态。通常，块58和66可作为第二次测 量被执行，以确认车辆处于倾翻状态。
在块58中，抑制控制器32也执行安全功能。通过这样的操作，抑制控 制器32确定横向加速度和垂直加速度，以确定该值是否指示车辆正处于倾翻 状态。
在块66中，抑制控制器32确定横向加速度和垂直加速度是否超过了预 定安全值(例如，预定的横向加速度和垂直加速度安全值)。预定横向加速度 安全值是可以与结合块64描述的横向加速度阈值相同或者不同的值。如果横 向加速度和垂直加速度没有超过预定安全值，则方法50返回到块58。如果 横向加速度和垂直加速度超过了预定安全值，则方法50进行到块68。
在块68中，抑制控制器32确定计算的力指数和计算的横向加速度是否 分别超过了力指数阈值和横向加速度阈值，并确定横向加速度和垂直加速度 是否超过了预定安全值。如果两种情况均满足，则方法50进行到块70。如 果块64和66 二者的情况均不满足或者二者的情况只满足一个，则方法50返 回到起始状态。
在块70中，抑制控制器32触发先进的抑制系统，以保护乘客。 现在参照图7，示出了根据本发明的一个实施例的第二倾翻检测方法 100。块52、 54、 56、 58、 60和66与图5的块52、 54、 56、 58、 60和66类似。
在块102中，抑制控制器32响应于由翻滚速率传感器42发送的信息获 得车辆的翻滚速率。块102通常与块52中的操作类似。
在块104中，抑制控制器32确定计算的力指数和计算的翻滚速率是否分 别超过了力指数阈值和橫向加速度阈值。图8示出了以150表示的力指数阈 值和翻滚速率阈值。力指数阈值和翻滚速率阈值通常是被校准的值，并可根 据使用的车辆的类型改变(例如，可与图8中示出的力指数阈值和翻滚速率 阈值不同)。如上所述，力指数和翻滚速率各自的阔值150可通过使用等式7 得到。
根据等式7所示的变量x和y可对应于翻滚速率和力指数的值。响应于对特定车辆进行车辆倾翻测试而得到(获得)变量a和b， C是可基于阈值
请求改变的常量(例如，如果c小于l，则这种情况可对应于如图8所示的上 突出部152,如果c大于l,则这种情况可对应于如图8所示的下突出部153)。 可指示车辆处于倾翻状态的与计算的力指数和计算的翻滚速率对应的值
总体上由图8中的152表示。可指示车辆不处于倾翻状态的与计算的力指数 和计算的翻滚速率对应的值总体上由图8中的154表示。
在块106中，抑制控制器32确定计算的力指数和计算的翻滚速率是否超 过了力指数阈值和翻滚速率阈值，并确定横向加速度和垂直加速度是否超过 了预定安全值。如果两种情况均满足，则方法100进行到块108。如果所述 情况均不满足或者所述情况只满足一个，则方法100返回到起始状态。
在块108中，抑制控制器32触发先进的抑制系统，以保护乘客。
在另一实施例中，抑制控制器32参照结合块102、 104和106描述的翻 滚速率可由翻滚角代替。例如，块102可计算车辆的翻滚角而不计算车辆的 翻滚速率。翻滚角通常被限定为车身的角位移。翻滚速率通过是车身的角速 度。与具有翻滚速率阈值(见块104)相反，翻滚角阈值可与力指数阈值一 起被获得。在这样的示例中，抑制控制器32可确定计算的力指数和计算的翻 滚角是否分别超过了力指数阚值和翻滚角阔值(由图9中的200表示)。图9 示出了以200表示的力指数阈值和翻滚角阈值。力指数阈值和翻滚角阈值通 常是被校准的值，并可根据使用的车辆的类型改变(例如，可与图9中示出 的力指数阈值和翻滚角阈值不同)。力指数和翻滚角各自的阈值200可通过如 上所述的等式7获得。
可指示车辆处于倾翻状态的与计算的力指数和计算的翻滚角对应的值总 体上由202表示。可指示车辆不处于倾翻状态的与计算的力指数和计算的翻 滚角对应的值总体上由204表示。
虽然已经示出并描述了本发明的实施例，但是这些实施例旨在示出和描 述本发明所有可能的形式。此外，在说明书中使用的术语是描述性的而不是 限制性的，应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种 改变。
权利要求
1、一种用于检测车辆的倾翻的系统，所述车辆包括布置在车辆的至少一个车轮周围的至少一个车轮反作用力感测装置，所述至少一个车轮反作用力感测装置用于传输指示施加在车辆的所述至少一个车轮上的力的量的车轮反作用力信号，所述系统包括控制器，可操作地连接到至少一个车轮反作用力感测装置，并包括至少一个加速度传感器，所述至少一个加速度传感器用于传输指示关于车辆的至少一个轴的车身加速度的加速度信号，所述控制器被构造成响应于所述车轮反作用力信号确定第一力指数；响应于所述加速度信号确定车辆的第一横向加速度；将第一力指数与阈值力指数进行比较，并将第一横向加速度与阈值横向加速度进行比较；基于第一力指数与阈值力指数的比较的结果以及第一横向加速度与阈值横向加速度的比较的结果触发抑制系统。
2、 如权利要求l所述的系统，其中，控制器还被构造成在触发抑制系统 之前，通过所述加速度信号执行安全功能。
3、 如权利要求2所述的系统，其中，控制器被构造成响应于所述加速度 信号确定第一垂直加速度，并通过第一横向加速度和第一垂直加速度执行安 全功能。
4、 如权利要求l所述的系统，其中，第一力指数对应于在车辆的一个或 者多个左车轮上测量的第一力、在车辆的一个或者多个右车轮上测量的第二 力和车辆的所述一个或者多个左车轮与所述一个或者多个右车轮之间的平均 力。
5、 如权利要求l所述的系统，其中，控制器还包括至少一个翻滚角传感 器，所述翻滚角传感器用于传输指示车身的角位移的翻滚角信号。
6、 如权利要求5所述的系统，其中，控制器还被配置成响应于所述翻滚 角信号确定第一翻滚角，将第一翻滚角与阈值翻滚角进行比较，并响应于第 一力指数与阈值力指数的比较的结果以及第一翻滚角与阈值翻滚角的比较的 结果触发抑制系统。
7、 如权利要求5所述的系统，其中，控制器还被配置成响应于所述翻滚角信号确定第一翻滚速率，将第一翻滚速率与阈值翻滚速率进行比较，并响 应于第一力指数与阈值力指数的比较的结果以及第一翻滚速率与阈值翻滚速 率的比较的结果触发抑制系统。
8、 一种用于检测车辆的倾翻的方法，所述方法包括以下步骤 接收指示施加在车辆的至少一个车轮上的力的量的车轮反作用力信号； 接收指示关于车辆的至少 一个轴的车身加速度的加速度信号； 接收指示车身的角位移的翻滚角信号； 响应于所述车轮反作用力信号确定第一力指数；响应于所述加速度信号确定车辆的第 一横向加速度； 响应于所述翻滚角信号确定车辆的第一翻滚角和第一翻滚速率中的至少 一个；将第一力指数与阈值力指数、第一横向加速度与阈值横向加速度、第一 翻滚速率与阈值翻滚速率以及第一翻滚角与阈值翻滚角中的至少一种进行比 较，以确定是否触发抑制系统。
9、 如权利要求8所述的方法，还包括在触发抑制系统之前通过所述加速 度信号执行安全功能。
10、 如权利要求8所述的方法，还包括响应于所述加速度信号确定第一 垂直加速度，并通过第一横向加速度和第一垂直加速度执行安全功能。
11、 如权利要求8所述的方法，其中，第一力指数对应于在车辆的一个 或者多个左车轮上测量的第一力、在车辆的一个或者多个右车轮上测量的第 二力和车辆的所述一个或者多个左车轮与所述一个或者多个右车轮之间的平 均力。
全文摘要
本发明公开一种车辆倾翻检测的系统和方法，所述车辆包括用于传输指示施加在车辆的至少一个车轮上的力的量的车轮反作用力信号的至少一个车轮反作用力感测装置。所述系统包括控制器，该控制器可操作地连接到至少一个车轮反作用力感测装置，并包括用于传输加速度信号的至少一个加速度传感器。所述控制器被构造成响应于所述车轮反作用力信号确定第一力指数；响应于所述加速度信号确定车辆的第一横向加速度；将第一力指数与阈值力指数进行比较，并将第一横向加速度与阈值横向加速度进行比较；基于比较的结果触发抑制系统。
文档编号B60R21/013GK101585349SQ20091013747
公开日2009年11月25日 申请日期2009年4月29日 优先权日2008年5月22日
发明者乐嘉良, 周启峰, 萨伊德·大卫·巴贝特 申请人:福特全球技术公司