气动系统以及诊断气动系统并验证下压力估算值的方法与流程

本发明涉及一种用于车辆的气动系统以及一种诊断气动系统并使用电动机控制反馈信号验证下压力估算值的方法。

背景技术：

有些车辆包括气动元件。这些气动元件是车辆的气动系统的一部分，并且能影响车辆的气动因素，如车辆阻力、风噪声、车辆噪声排放以及升力。

技术实现要素：

本公开涉及一种诊断气动系统并验证下压力估算值的方法。车辆的气动系统包括至少一个气动元件，如扰流板，其联接至车身。本发明公开的方法对作用于气动元件的下压力进行估算，从而，与传统车辆相比，提高了报告的车辆气动条件的可信度。由于可信度的提高，使得其他车辆控制器能够使用此下压力信息，从而通过为驾驶员提供例如在赛车场条件下的改进的驾驶细致度而增强了车辆性能。

在一个实施例中，该方法包括下列步骤：(a)至少部分基于气动元件相对于车辆车身的当前位置通过控制器确定作用于车辆的气动元件的第一预期下压力，其中电动机可操作地联接至气动元件；(b)至少部分基于电流通过控制器确定作用于车辆的气动元件的第二预期下压力，其中所述电流是为了使气动元件从当前位置移至另一位置而使电动机移动所需的(或所使用的)电流；(c)至少部分基于第一预期下压力和第二预期下压力通过控制器确定偏差；以及(d)至少部分基于偏差通过控制器控制气动元件。

通过以下结合附图对本发明的最佳实施方式进行的详细说明，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点变得显而易见。

附图说明

现将参考附图通过实例对一个或多个实施例进行说明，其中：

图1是根据本公开实施例的车辆的俯视示意图；

图2是根据本公开实施例的图1所示的车辆的仰视示意图；

图3是根据本公开实施例的图1和图2所示的车辆的侧视示意图；

图4是车身、联接至车身的气动元件以及可操作地联接至气动元件的电动机的局部侧视示意图；以及

图5是图1所示车辆的气动系统的控制方法的示意流程图。

具体实施方式

参见附图，其中相同的参考编号指的是相同的部件，图1示出了俯视示意图，图2示出了仰视示意图，图3示出了相对于路面12定位的机动车辆10的侧视示意图。车辆10包括设置在车身平面P上的车身14，平面P基本上平行于路面12。车身14限定六个车身侧边。六个车身侧边包括第一车身端或前端16、相对的第二车身端或后端18、第一侧面车身侧边或左侧边20、和第二侧面车身侧边或右侧边22、可包括车顶的车身顶部24以及车身底部26。车辆10包括具有动力装置41的动力传动系统，动力装置通过齿轮系机械地联接至一个或多个行走轮48以为其分配机械动力。动力装置41可以是内燃机(如图1所示)、混合动力系统(未示出)或另一可选类型的动力装置，齿轮系可以是自动变速器或另一适当的齿轮系。机动车辆10可为任意适当的机动车辆，包括但不限于示例乘用车、高性能车辆、越野车、自主车辆以及军用车辆。

左侧边20和右侧边22以彼此大致平行并相对于车辆10的虚拟纵轴X的方式设置，两者的跨距等于前端16和后端18之间的距离。将车身平面P定义为包括纵轴X。车辆10的车厢(未示出)通常由车身14的前后端16、18以及左右侧边20、22围成。前端16配置为在车辆10相对于路面12行驶时面向迎面而来的环境气流27。当车辆10在行驶时，迎面而来的环境气流27基本上平行于车身平面P并沿纵轴X流动。

在车辆10相对于路面12行驶时，环境气流27在车身14周围流动并分成第一气流部分27-1、第二气流部分27-2、第三气流部分27-3以及第四气流部分27-4，它们最终在尾流区或紧跟在后端18后面的再循环气流区域27-5中重新汇合到一起。具体而言，如图1所示，第一气流部分27-1从车身顶部24上方流过，第二气流部分27-2从左侧边20上方流过，第三气流部分27-3从右侧边22上方流过，第四气流部分27-4(如图2所示)则从车身14下方于车身底部26和路面12之间流过。再循环气流区域27-5通常是在车速提高时由车身14的六个车身侧边附近的环境空气的流动所形成的。

车辆10包括主动气动系统25，主动气动系统至少包括第一或后气动组件28。第一气动组件28包括气动元件31，气动元件沿气动元件Y轴设置并配置为控制环境气流27沿车身14流动。气动元件31可配置为翼形扰流板。在本公开中，将“翼形”定义为具有翼的形状，即具有机翼的形状的鳍状物，机翼由线性截面形状所定义，可通过流体产生飞行或推进的升力。术语“扰流板”意为气动装置，它可以在车辆10正行驶时扰乱空气在整个车身14上的流动，从而降低阻力和/或产生作用于车辆10的下压力FD。例如，扰流板可通过增加流经其上方的紊流量而使空气扩散。此外，气动元件31可用具有适当刚性但质量低的材料制成，如工程塑料或铝，以使结构稳定。从图1中可以看出，气动元件Y轴可横向于(例如，垂直)纵向车身X轴定位。此外，气动元件Y轴还设置为基本平行于车身平面P。第一气动组件28可直接连接至车身14。第一气动组件28使由环境气流27施加在车辆10的后部的下压力FD变化。术语“下压力”意为垂直于车辆10的相对运动方向的分力，即在纵向方向上朝向路面12的力。

参照图4，第一气动组件28还包括第一或后致动机构36，其配置为调整气动元件31相对于车身14的位置。在所描述的实施例中，第一致动机构36包括可操作地联接至气动元件31的致动电动机37。照此，一经收到控制信号，电动机37就能相对于车身14移动气动元件31。

第一气动组件28还包括联接在气动元件31和电动机37之间的联动装置29，铰链33可以将气动元件31可旋转地联接到车身14上。电动机37一经启动，联动装置29就能移动，从而使气动元件31能够绕铰链33相对于车身14枢转。在所描述的实施例中，联动装置29包括第一连杆29a和直接连接至第一连杆29a的第二连杆29b。第一连杆29a直接连接至电动机37并能在双箭头R所示的转动方向上绕电动机37枢转。第二连杆29b可直接连接至气动元件31。因此，电动机37一经启动，第二连杆29b便可以使气动元件31绕铰链33转动。通过使气动元件31相对于车身14转动，可对气动元件31的迎角(未示出)进行调整。

除了第一气动组件28之外，气动系统25还可以包括第二或前气动组件30，该第二或前气动组件30可以用作改变车辆前部的环境气流27所施加的下压力的空气屏障(也被称为Gurney襟翼)。Gurney襟翼可被定位在翼的后部处，也就是轮胎前面的前车身底座区域。可以采用第二气动组件30以增加车辆前部处的下压力，而可以采用安装在后端18上的第一气动组件28以增加车辆10后部处的下压力FD以便增加车辆的牵引力。第二气动组件30可用具有适当刚性但质量低的材料制成，诸如工程塑料或铝，以使结构稳定。进一步地，第二气动组件30可以包括第一左小翼32和第二右小翼34，各相对于气动元件Y轴基本上横向地布置并且各相对于路面12基本上垂直布置而且都面向入射的环境气流27。结果是当车辆10行驶时，小翼32和小翼34有助于捕获气囊。第二或前致动机构38配置为响应控制信号来改变前第一小翼32和第二小翼34的位置。例如，第二致动机构38可以沿着基本横向于纵向车身X轴的方向选择性地切换第一小翼32和第二小翼34中的每个，并且因此调节由第二气动组件30生成的气动下压力的大小。通过线性致动器、旋转致动器和/或电动马达(未详细示出，但是可以被本领域的技术人员理解)可以促进第一小翼32和第二小翼34的运动。

车辆10包括多个传感器，用于监视与车辆行驶和操纵相关的车辆操作。可以将多个第一传感器50设置在车身14上，用于检测各行走轮48(在图2中示出)的转速。每个第一传感器50还可被配置为向控制器46传递所检测的相应的行走轮48的转速，同时控制器46可以被配置为将从相应的第一传感器50接收到的数据与车辆10的行驶速度相关联。车辆10还可以包括一个或多个第二传感器52(在图2中示出)，第二传感器52被配置为检测车身14上相对于路面12的偏航力矩或偏航率，并向控制器46传递所检测的偏航率。第二传感器52也可以被称为偏航传感器。另外，车辆10可以包括第三传感器54，第三传感器54可操作地连接到方向盘56(在图1中示出)并被配置为在车辆操作期间检测方向盘56的角度。车辆10的预期的方向可以由第三传感器54检测的方向盘角度来识别并且被传递到控制器46。车辆10可以另外包括第四传感器58(在图1中示出)，第四传感器58被配置为检测环境气流27相对于车辆10的速度。第四传感器58可另外配置为向控制器46传递所检测的环境气流27的速度。例如，第四传感器58可以是皮托管，其被配置为检测在相对于车身14的特定位置处的环境气流27的压力。控制器46能够把所测得的压力与气流速度相关联。车辆10进一步包括至少一个第五传感器68(在图4中示出)，第五传感器68被配置为检测气动元件31相对于车身14的位置。相应地，第五传感器68也被称为位置传感器。第五传感器68还能够向控制器46传递气动元件31相对于车身14的位置。可以预期的是，车辆10可以仅包括一个第五传感器68。前述的传感器各自与控制器46通信(例如电子通信)，并且可以是旋转位置传感器、线性位置传感器、超声传感器、激光传感器以及基于惯性的加速传感器的形式。航向角度计算可从皮托管或其他提供惯性估算值的车辆动态信息中确定。空气密度计算可从歧管绝对压力和外部空气温度中导出。

车辆10包括一个或多个系统，用于有效控制车辆行驶和操纵。这可以包括一个或多个例行程序，用于控制第一和第二气动组件28，30的位置。这可以包括主动悬架系统62，主动悬架系统62被配置为响应基于操作条件的控制信号来调节悬架减震和/或前后行驶高度。车辆10可以包括主动制动系统64，主动制动系统64可以包括防锁制动以及其他特性。车辆10可以包括主动转向系统66，主动转向系统66响应操作条件可以控制车辆转向速率。

控制器46是一个电子装置，其被配置为(即构造并编程)调节第一致动机构36。控制器46可以被配置成一个中央处理单元(CPU)，所述中央处理单元也被配置为调节动力装置41(或者专用控制器)的操作。为了恰当地控制第一致动机构36的操作，控制器46包括一个处理器以及至少一个存储器，其中至少一些是有形和非临时性的。存储器可以是任何参与提供计算机可读数据或过程指令的可记录介质。这种介质可采取多种形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。

用于控制器46的非易失性介质可以包括，例如，光盘或磁盘以及其它持久存储器。易失性介质可以包括，例如，可以构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。这样的指令可以通过一个或多个传输介质来传输，所述传输介质包括含有联接到计算机处理器的系统总线的线缆的同轴电缆、铜线和光纤。控制器46的存储器还可包括软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其它光学介质等。控制器46可以配置为或者装备有其它计算机硬件，比如高速时钟、必需品模数转换(A/D)和/或数模转换(D/A)电路、任何必要的输入/输出电路和装置(I/O)、以及适当的信号调节和/或缓冲电路。任何由控制器46使用或可访问的算法因此可以被储存在存储器中并且自动地执行以提供所需的功能。

控制器46也可配置为调节第二致动机构38并且可以是一个专用控制器或者具有被结合到另一控制器的功能。为了恰当地控制第二致动机构38的操作，控制器46包括存储器，其中至少一些是有形的和非临时性的。存储器可以是任何参与提供计算机可读数据或过程指令的可记录介质。这种介质可采取多种形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。

为响应由第二传感器52检测的偏航角速度，控制器46可以选择性地控制第一致动机构36、第二致动机构38、主动悬架系统62、主动制动系统64以及主动转向66系统中的一个或多个。例如，控制器46与电动马达37电子连通，并且因此能够控制其操作以便调节气动元件31相对于车身14的位置。另外，控制器46可以被配置为响应通过第一传感器50所检测的行走轮48的转速和/或通过第四传感器58所检测的环境气流27的速度来控制第一致动机构36、第二致动机构38、主动悬架系统62、主动制动系统64以及主动转向系统66中的一个或多个。控制器46可以被另外编程以确定车辆10的相对于路面12的滑行。车辆10的滑行可以包括各个行走轮48在一个大体垂直于车辆纵向X轴的方向上已经滑行多少的量值，以识别车辆10沿着由第三传感器53检测的方向盘转向角识别的路面12已经偏离预期的方向或者预期的路线。控制器46可以被编程为将确定的方向盘转向角和偏航率进行比较，以确定车辆10从其期望的方向或者预期的路线上已经偏离了多少。

总之，控制主动车辆悬架系统包括确定与多个控制车辆参数相关的预期车辆气动响应。预期的车辆气动响应可在车辆操作中应用，包括确定车辆操作中实际的车辆参数，以及基于与所控制车辆参数相关的预期车辆气动响应，动态地估算车辆操作中的车辆气动响应。可动态地控制与主动车辆悬架系统相关的控制参数，以响应动态估算的车辆气动响应，从而主动控制与车辆行车和操纵相关的参数。参照图5描述了该操作，如下。

图5示例性地示出了一种用于诊断车辆10的气动系统25并使用电动机控制反馈信号验证下压力估算值的方法100估算。特别地，所述方法100包括可由控制器46存储和执行的指令(或步骤)。换言之，对控制器46进行了专门编程以执行所述方法100。如在下文所讨论的，所述方法100估算了施加在气动元件31上的下压力FD，从而相对于不采用估算气动下压力的直接方法的车辆，增加了所报告气动力的可信度。由于可信度的提高，使得其他车辆控制器能够使用此下压力信息，从而通过为驾驶员提供(例如在赛车场条件下)改进的操纵细致度增强车辆性能。

所述方法100包括多个输入步骤102、104、106和108，其可同时执行或以任何适当的时间顺序执行。在步骤102，所述控制器46接收输入信号，该输入信号指示气动元件31相对于车身14的当前位置。在描述的实施例中，第五传感器68(即位置传感器)将指示气动元件31当前位置的信号传递给控制器46。基于此输入信号，控制器46确定气动元件31相对于车身14的当前位置。因此，步骤102也必须通过控制器46，基于如由第五传感器68产生的输入信号，确定气动元件31的当前位置。

在步骤104，控制器46接收指示车辆速率的输入信号。输入信号可通过第一传感器50产生，第一传感器50可测量每个行走轮48的旋转速度。因此，在所描述的实施例中，控制器46可至少部分基于从第一传感器50接收的输入信号确定车辆速率。因此，步骤104也必须通过控制器46，基于如第一传感器50所产生的输入信号，确定车辆速度。

在步骤106，控制器46接收指示车辆高度估算值的输入信号。车辆行车高度估算值可使用基于车辆操作因素(诸如施加在车辆上的拖曳力、空气密度以及空气速率)的实验结果来确定。如2015年9月17日提交的美国临时专利申请62/220,010所述，也可采用使用车底盘位置传感器的方法，其完整公开内容作为参考包含于此。以非限制性示例的方式，可在风洞中估算所述车辆10，以通过实验获取可随后采用的目标车辆的气动特性图。风洞模拟在受控风速、温度和其他条件下车辆附近的空气运动，从而确定当车辆受多个参数控制时，施加在车辆上的力的大小。这样的参数包括前、后车辆行车高度、俯仰、滚动、航向角度、空气速率、车辆速率以及诸如前、后气动元件的一个或多个气动致动器的位置。可开发实验模型，此实验模型包括如用于估算目标车辆的多层全因子矩阵。在步骤106，控制器46采用实验模型，以确定(例如，估算)车辆行车高度。2015年9月17日提交的美国临时专利申请62/220,010中描述了一个用于估算车辆行车高度的适当实验模型的实例，该申请作为参考包含于此。

在步骤108，控制器46接收输入信号，指示诸如空气密度、滚动、俯仰、偏航和航向角度的其他气动因素。空气密度计算可根据歧管绝对压力和外部空气温度得出。航向角度计算可根据皮托管或其他提供惯性估算值的车辆动态信息确定。因此，控制器46可至少部分基于来自第四传感器58的输入信号来确定航向角度。如上所讨论，例如，第四传感器58可为皮托管，配置为检测在相对于车身14的特定位置的环境气流27的压力。因此，控制器46可至少部分基于来自第三传感器54的输入信号来确定车辆俯仰与滚动。2015年9月17日提交的美国临时专利申请62/220,010中描述了一个用于确定车辆滚动和俯仰的适当实验模型的实例，该申请作为参考包含于此。如上所讨论，第三传感器54可监测车辆10操作期间方向盘54的角度，且因此可被称为转向传感器。控制器46可至少部分基于来自第二传感器52的输入信号来确定车辆偏航。如上所讨论，第二传感器52可检测车身14上相对于路面12的偏航力矩或偏航率，并将所检测的偏航率传递给控制器46。

执行步骤102、104、106和108后，所述方法100进行到步骤110。在步骤110，控制器46，至少部分基于气动元件31相对于车身14、车辆速率、车辆行车高度和诸如空气密度、滚动、俯仰、偏航和航向角度的其他气动因素的当前位置，确定(例如，估算)施加在气动元件31上的预期的下压力。换言之，控制器46，至少部分基于步骤102、104、106和108接收的输入信号确定施加在气动元件31上的预期下压力。为做到这点，控制器46采用凭经验开发的车辆模型。例如，可通过将车辆10指定到上述风洞实验来获取车辆模型。风洞模拟在受控风速、温度和其他条件下车辆附近的空气运动，从而确定当车辆受多个参数控制时施加在车辆10上的力(诸如下压力)的大小。在本公开中，基于气动元件31相对于车身14、车辆速率、车辆行车高度以及诸如空气密度、滚动、俯仰、偏航和航向角度的其他气动因素的当前位置，确定预期的下压力；该预期的下压力被称为第一预期下压力。确定施加在气动元件31上的预期下压力之后，方法100进行到步骤112。

在步骤112，控制器46将施加在气动元件31上的第一预期下压力传递给其他车辆控制器。例如，预期下压力可传递给影响车辆偏航的车辆控制器(即偏航影响控制器)，诸如电子稳定性控制(ESC)系统。这些其他的车辆控制器可采用预期下压力信息以增强车辆性能。

所述方法100进一步包括步骤114。在步骤114，控制器46确定(即估算)使气动元件31从其当前位置移至另一位置(例如，预定位置)所必需的致动力气动元件。术语“致动力”指的是电动机37克服摩擦力和惯性力所需要产生的力，所述摩擦力和惯性力使得气动元件31不能从当前位置移至另一位置。电动机37产生扭矩，该扭矩通过联动比率转化为力，该联动比率由连接件29a和29b的几何结构确定。控制器46可确定将气动元件31从其当前位置移开将克服的惯性力和摩擦力气动元件。相应地，在步骤114，除其他因素外，控制器46使用从第五传感器68(在步骤102)接收的输入信号来估算电动机37的致动力；该输入信号指示气动元件31相对于车身14的当前位置。通过采用电动机37和气动元件31的实验开发模型，可实现步骤114。在步骤114中确定的“致动力”不计入施加在车辆10或气动元件31上的气动力中。

所述方法100还包括步骤116。在步骤116，控制器46从电动机37接收指示使电动机37移动从而使气动学元件31从其当前位置移至另一个位置(例如预定位置)所需(或所使用)的电流的输入信号。如在下文所讨论的，该电流与被施加到气动学元件31上的下压力FD成比例。因此，所述方法100使用电动机控制反馈信号(来源于电动机37)诊断气动学系统25并验证下压力估算值。在步骤116之后，方法100进行到步骤118。

在步骤118，控制器46至少部分基于指示在步骤116中接收的电流的输入信号来确定(例如估算)电动机扭矩和力。换言之，控制器46将电动机37的电流的大小与电动机37产生的电动机扭矩和电动机力相关联。为做到这一点，控制器46可以采用凭经验开发的电动机37模型。估算电动机力表示电动机37为了使气动学元件31从其当前位置移至另一个位置(例如预定位置)所产生的力的量。因此，估算电动机扭矩将计入作用在气动学元件31上的下压力FD中。在确定估算的电动机扭矩和致动力之后，方法100进行到步骤120。

在步骤120，控制器46至少部分基于在步骤118中确定的电动机力以及在步骤114中确定的致动力来确定(例如估算)施加在气动学元件31上的下压力。在一个实施例中，控制器46从电动机力中减去致动力，从而确定作用在气动学元件31上的下压力。在步骤120，控制器46也可以考虑气动学元件31相对于车身14的当前位置，从而确定下压力。在步骤120中确定的下压力可以被称为第二预期下压力。在确定第一预期下压力和第二预期向下压力后，所述方法100继续到步骤122。

在步骤122，控制器46确定在步骤110中确定的第一预期下压力与在步骤120中确定的第二预期下压力之间的偏差(即力偏差)。在一个实施例中，控制器46从第一预期下压力中减去第二预期下压力以确定第一预期下压力与第二预期下压力之间的偏差。然后，所述方法100继续到步骤124。

在步骤124，控制器46至少部分基于在步骤122中确定的力偏差控制气动元件31的操作。例如，控制器46可以基于在步骤122中确定的力偏差控制第一致动机构36(其包括电动机37)，以调节气动学元件31相对于车身14的位置。作为一个非限制性实例，控制器46可以将(在步骤122中确定的)力偏差与第一预定阈值和第二预定阈值进行比较，所述第二预定阈值大于第一预定阈值。如果力偏差小于第一预定阈值(即所测量的下压力较低)，那么控制器46控制第一致动机构36(和电动机37)调节气动学元件31的位置，从而增加作用在气动学元件31上的下压力FD。这样做时，第一致动机构36可以增大或减小气动学元件31的冲角。进一步地，如果力偏差大于第二预定阈值(即所测量的下压力较高)，那么控制器46控制第一致动机构36(和电动机37)调节气动学元件31的位置，从而减小作用在气动学元件31上的下压力FD。

此外，在步骤122中确定力偏差之后，所述方法100还执行步骤126。在步骤126，控制器46基于力偏差向其他车辆控制器提供诊断状态。换言之，其他车辆控制器可以利用力偏差诊断气动学系统25。例如，另一个控制器可以基于控制器46所传送的力偏差限制车辆速度。进一步地，敏感电子稳定性控制装置(ESC)可以基于力偏差而被激活，和/或ESC可以基于力偏差修改车辆动态模型。力偏差还可被控制器46或其他车辆控制器用于验证在步骤110中确定的下压力估算值。

在步骤122，控制器46还可以限定力估算诊断标记。力估算标记是计算机逻辑标记，该标记指示控制器46已经确定来自当前车辆运行状态的估算下压力是否为在气动学元件31处作用在车辆10上的下压力FD的有效估算值。控制器46可以将力估算诊断标记传递到其他车辆控制系统上，从而使其可以更精确地控制其相应的车辆系统。当偏差等于或小于最大允许值时，力估算诊断标记可以被定义为有效的。当偏差大于最大允许值时，力估算诊断标记可以被定义为无效的。最大允许值可以基于具体的车辆性能特征或某种其他标准定义，并且代表来自当前车辆运行状态的估算下压力的允许范围。

虽然已经详细描述了用于实施本发明的最佳模式，但熟悉本发明所涉及的技术领域的人员将理解在所附权利要求书的范围内的用于实施本发明的各种可选设计和实施例。