专利名称：基于自对准扭矩对路面摩擦力进行评估的方法和装置的制作方法
基于自对准扭矩对路面摩擦力进行评估的方法和装置背景技术
当驱动车辆时，譬如客车时，驾驶员可能会路过各种路面，譬如浙青路、碎石 路、干、湿、冰、雪路面等等。这些或其他类型的路面的特点是具有不同的道路摩擦系 数μ，其影响轮胎的抓地力和车辆稳定性。
基于安全原因和驾车经济性、舒适性和性能的原因，重要的是车辆可以以这样 的方式被操作，使得其允许在任何时候快速响应不同的路面条件。
解决该问题的一种方式是使用瞬时路面摩擦力评估。在现有技术中，不同方法 被公开用于评估瞬时路面摩擦力。这些方法可以分为不同类型。第一类方法包括基于运 动传感器数据和适当的车辆动力学模型计算瞬时路面摩擦系数μ的方法。第二类方法使 用力传感器的信号。在该类方法中，使用侧向力或自校准扭矩来评估路面摩擦力的方法 是已知的。第三类方法使用预览照摄像机，其识别车辆前头的道路条件和各种基础构造 fn息ο发明内容
本申请的目的是提供一种改进的车辆。本申请公开了一种用于估计在道路表面 和车辆轮胎之间的路面摩擦的改进方法和设备。在斜率估计步骤中，对于自对准扭矩函 数的线性区域的斜率的斜率估计k_sl被计算。该自对准扭矩函数由作为转向轮的滑动 角的函数的转向轮的自对准扭矩所定义。优选地，该估计由当前自对准扭矩除以当前 滑动角而给出。卡尔曼滤波器的修正公式可以用来从一个或多个观测变量(observation variable)产生估计值。特别地，观测变量由自对准扭矩和滑动角或它们的商(quotient)给 定。
道路摩擦系数μ的第一估计y_sl根据斜率估计k_sl获取。在线性估计步骤 中，确定当前斜率k_op是否在自对准扭矩函数的线性区域中。当前斜通过当前 自对准扭矩相对于滑动角的导数的估计来计算。卡尔曼滤波器(Kalmanfilter)的修正公 式可以用来从一个或多个观测变量产生估计值。特别地，观测变量由自对准扭矩的时间 导数和滑动角的时间导数给定。
如果在线性估计步骤中确定了当前斜率k_op在自对准扭矩函数的线性区域中， 道路摩擦系数的第一估计y_sl作为道路摩擦系数的第二估计y_COnt。另一方面，如果 在线性估计步骤中确定了当前斜率k_op不在自对准扭矩函数的线性区域中，则中断斜率 估计k_sl的计算。
如果k_op降到下阈值k_op_threshold_low之下，则确定当前斜率k_op在自对准 扭矩函数的非线性区域中，如果k_op升高到上阈值k_op_threshold_high之上，则确定当 前斜率k_op在自对准扭矩函数的线性区域中，其中k_op_threshold_low < k_op_threshold_ high.
本申请还公开了一种计算机可执行程序代码和包括该计算机可读取程序代码的 计算机可读取媒介，该计算机可执行程序代码用于执行根据本申请的方法的步骤。
现在将参考附图对本发明进行说明，在附图中
图1示出了车辆的动力学模型；
图2示出了各种路面条件的自对准扭矩测量值对滑动角；
图3示出了对于给定路面摩擦力在自对准扭矩和滑动角之间以及侧向力和滑动 角之间的关系；
图4示出了道路摩擦系数的估计算法的流程图；以及
图5示出了路面摩擦力评估设备。
参考标号
10 车辆
11左前轮
12右前轮
13 前轴
14左后轮
15右后轮
17 重心
18 纵轴
20第一上曲线
21第一下曲线
23高μ区域
M第二上曲线
25第二下曲线
洸低μ区域
30 函数
31 函数
32线性近似
40第一计算线程
41第二计算线程
42第三计算线程
43第四计算线程
44斜率估计步骤
45 步骤
46线性估计步骤
47 步骤
48 步骤
49 步骤
50 步骤
52道路摩擦系数估计装置5
53控制单元54车体滑动角计算单元55方向盘角速度计算单元56自对准扭矩计算单元58道路摩擦系数设定单元59车辆速度传感器
60偏航速率传感器61侧向加速传感器62方向盘角度传感器63转向扭矩传感器
具体实施例方式在以下描述中，细节被提供以描述本申请(发明)的实施例。然而，对本领域 技术人员显而易见的是，实施例可以在没有这样的细节的情况下实行。图1显示车辆的动力学模型。车辆10的示意性模型在平行于路面的平面中示 出。车辆10具有前轮11和12，其沿着前轴13按距离S间隔开，和两个后轮14和15， 其沿着后轴16以相同的距离S间隔开。前轴13具有到车辆的重心17的距离a，而后轴 16具有到重心17的距离b。车辆10以向前速度u向前移动，以侧向速度V向一旁移动， 并以偏航速率(yaw rate) 一绕其重心17偏航。如果车辆10向右边偏航，左侧轮11、14 的前进速度增加5一，右侧轮12、15的前进速度减少相同数量。此外，前轮11、12的侧 向速度增加《一，而后轮14、15的侧向速度减少^^。图1的右侧显示右前轮12和右后轮15的示意性视图。轮的水平取向通常并不与 轮的方向一致，而是与其相差一滑动角α。右前轮12相对于车辆纵向轴线18的取向由右 转向角\给出。右前轮12的车轮速度的方向由速度向量(V+^一，U-S一)给出。速度向 量的方向与右前轮12的取向相差一滑动角％。对于后轮14、15(其在该模型中并非转向 轮)，转向角S是零，而滑动角ab等于车轮速度向量(V-6 一，U+s#)和
的方向。在一简化模型中，右和左转向角\，S1被假设为等于转向角δ。右和左转向 角于是分别地由下式给出
■ λ/ , · λ
ν + αψρν + αψar = S - arctan -—禾 Πα, =δ - arctan -Γ 。
yu + sy/ J\u- s\f/ J滑动角的确定于是被简化为转向角和重心在水平面中的运动的确定，其由速度 (U，ν)和偏航速率一确定。重心17的运动又可以通过使用速度和加速度传感器和专用偏 航速率传感器的输出信号来确定。当图1的车辆10转弯时，车轮11、12、14、15的轮胎经受自对准扭矩M_z，其 倾向于将车轮11、12、14、15沿水平平面对准。自对准扭矩取决于车轮的滑动角α和 诸如外倾角(camber angle)、轮胎形状和道路摩擦力。通过转向前轮11、12，自对准扭 矩M_z被传递到车辆10的转向机构。对于液压动力转向，在前轮上的自对准扭矩的计算可以根据下式来执行Mz—L+Mz—R = |p HPSR_PHPSljAHPsdTR—wc+TSW ⑴.
其中，M_z_L和M_z_R分别是左轮和右轮上的自对准扭矩。p_HPSR^n p_HPSL
是在液压动力缸体右侧和左侧上的压力，且A_HPS是在液压动力缸体的压力接受面积。 T_SW是驾驶员在方向盘上输入的扭矩。有效力矩臂长度d_TR_wc是方向盘角度的函 数。对于有效力矩臂长度d_TR_wc的计算，小角度近似被用于在齿条(rack)和拉杆之间 的角度。在轮子平面和拉杆之间的角度可以用依赖方向盘角度的查找表来补偿，但是也 可以被近似到恒定值，因为该计算仅在外部轮子上进行。对于电动动力转向，转向扭矩传感器被使用来代替压差传感器。供应电流到电转向马达还可以被用于得到施加力。如果转向扭矩通过转向辅助装置自己产生，如在用 线控系统(wire system)中的转向那样，在公式(1)中不会产生方向盘扭矩。此外，自对准扭矩受转向系统摩擦力(T_fr)、驱动扭矩(T_d)、束角变化(toe variation) (T_toe) >外倾角变化(T_camber)和后倾角(caster)、静态束角和外倾角(T_ offset)的影响。增加这些因素到方程(1)得到改进的公式
权利要求
1.一种用于估计在道路表面和车辆轮胎之间的路面摩擦的方法，包括下列步骤-在斜率估计步骤中，计算对于自对准扭矩函数的线性区域的斜率的斜率估计k_sl， 该自对准扭矩函数由作为滑动角的函数的自对准扭矩所定义， -根据斜率估计k_sl获取道路摩擦系数y的第一估计y_sl， -在线性估计步骤中，确定当前斜率k_op是否在自对准扭矩函数的线性区域中， 如果在线性估计步骤中确定了当前斜率k_op在自对准扭矩函数的线性区域中， -输出道路摩擦系数的第一估计作为道路摩擦系数的第二估计y_COnt。
2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤-如果在线性估计步骤中确定了当前斜率k_op不在自对准扭矩函数的线性区域中， 则中断斜率估计1^_31的计算。
3.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，线性估计步骤包括计算自对准扭矩的时间导数和滑动角的时间导数。
4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在线性估计步骤中，如果k_op降到下阈值k_op_threshold_low之下，则确定当前斜 率k_op在自对准扭矩函数的非线性区域中，如果k_op升高到上阈值k_op_threshold_high 之上，则确定当前斜率1^_0^在自对准扭矩函数的线性区域中，其中k_op_threshold_low < k_op_threshold_high。
5.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于， 斜率估计步骤包括计算自对准扭矩和滑动角的商。
6.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，斜率估计步骤包括通过卡尔曼滤波器的修正公式计算一个或多个观测变量的估计值。
7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，线性估计步骤包括通过卡尔曼滤波器的修正公式计算一个或多个观测变量的估计值。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，一个或多个观测变量由自对准扭矩的时间导数和滑动角的时间导数给出。
9.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于， 斜率估计步骤和线性估计步骤作为计算线程而被执行。
10.如前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括如下步骤 -比较道路摩擦系数的第二估计y_cont和下极限，-比较道路摩擦系数的第二估计y_Cont和上极限，-如果第二估计处于上极限和下极限所定义的范围内，则输出第二估计y_Cont作为 道路摩擦系数的最终估计P_SAT，如果第二估计y_COnt低于下极限则输出下极限作为 道路摩擦系数的最终估计P_SAT，如果第二估计y_COnt高于上极限则输入上极限作为 道路摩擦系数的最终估计P_SAT。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，上极限获得自最大可用道路摩擦系数y_max，下极限获得自最小可用道路摩擦系数 u _min,上极限的获取包括最大可用道路摩擦系数y_max的遗忘函数的计算，且下极限的获 取包括最小可用道路摩擦系数P_min的遗忘函数的计算，且遗忘函数被定义为使得在下 极限和上极限之间的差随着时间的推移而增加。
12.—种计算机可执行程序代码，其用于执行根据前述权利要求中任一项的方法的步骤。
13.—种道路摩擦系数评估装置，用于执行根据前述权利要求1-11中任一项的方法的步骤。
14.一种用于控制车辆促动器的车辆控制系统，该车辆控制系统包括如权利要求13所 述的道路摩擦系数评估装置。
15.—种车辆，包括促动器和如权利要求14所述的用于控制车辆促动器的车辆控制系统。
全文摘要
本发明公开了一种用于估计在道路表面和车辆轮胎之间的路面摩擦的方法。该方法包括步骤在斜率估计步骤中，计算对于自对准扭矩函数的线性区域的斜率的斜率估计k_sl，该自对准扭矩函数由作为滑动角的函数的自对准扭矩所定义。该方法还包括步骤根据斜率估计k_sl获取道路摩擦系数μ的第一估计μ_sl，并且在线性估计步骤中，确定当前斜率k_op是否在自对准扭矩函数的线性区域中。如果在线性估计步骤中确定了当前斜率k_op在自对准扭矩函数的线性区域中，输出道路摩擦系数的第一估计μ_sl作为道路摩擦系数的第二估计μ_cont。
文档编号B60W40/06GK102024095SQ20101028109
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月9日 优先权日2009年9月9日
发明者尤瑟夫·戈内姆, 西蒙·英格夫 申请人:通用汽车环球科技运作公司