车辆车轮瞬时滑转率的获取方法、控制方法、系统、装置与流程

本发明涉及整车测试技术领域，具体涉及一种车辆车轮瞬时滑转率的获取方法、控制方法、系统、装置。

背景技术：

轮式车辆的最大驱动力是由轮胎与地面之间的附着系数和地面作用在驱动轮上的法向反力的乘积——附着力决定的。当驱动力超过附着力时，车轮就会发生打滑，即车轮在附着系数低的地面上起步、加速时驱动轮就会发生滑转。滑转可能使车辆无法前行，使发动机的输出功率大部分消耗在车轮空转上，这样既浪费燃油、加速轮胎磨损，又降低了其作为动力机械的牵引作业性能。

车轮滑转率是评价轮式动力机械牵引性能的重要参数。它与行走机构工作的一些基本指标(如滑转效率、滚动效率和附着能力等)有着密切的关系，且与驱动机械的牵引效率和机械生产率等整机性能指标有关。对驱动车轮瞬时滑转率进行测试并加以控制可以提高机械工作效率。因此实现车轮滑转率的实时、精准检测具有重要意义和实际应用价值。

车轮滑转率s定义(含滑移率)如下：

其中：ω是车轮角转速(单位是rad/s)，r是车轮半径(单位是m)，v是车轮前向速度(单位是m/s)；车轮前向速度定义为车轮接地点相对地平面的移动速度在车轮前进方向上的分量，如图1所示。显而易见滑转率检测涉及车轮前向速度和车轮角转速的测量。

在传统的滑转率检测中，一方面以车辆移动速度代替车轮前向速度。测量车辆移动速度的手段早期一般采用接触式的五轮仪或非接触式的雷达测速仪、激光测速仪等方法。这些接触式、非接触式探测方式都是针对地表的，对地面平整度和反射表面质地、探测波照射角等条件要求比较严苛。然而对于作业环境较为复杂的轮式动力车辆(如拖拉机、林业或矿山用运输车)，这些传统方法受土质疏密、泥水或植被等复杂地表状况影响而测量误差较大，即使出现了用卫星导航定位的测量方法，也只是避免了地表状况对车辆移动速度检测的影响。而实际作业中，车辆在转弯、颠簸、摇摆或在起伏坡面行进等运动状态下，车辆的移动速度并不等于各车轮的前向移动速度。另一方面获取车轮角转速的方法是测量主驱动轴转速后结合传动比换算出车轮角转速或仅测某个车轮角转速。因传动环节有差速器，当车辆行进在颠簸路面或变化行驶方向时，这两种方式都不能准确反映各个车轮的实际转速。

综合以上因素，传统检测方法只能测得车辆在平面地形情况下直线运动的平均滑转率，它不能反映各个车轮的瞬时滑转率。只有设计新的检测方案才能克服上述不利因素，实现各车轮的瞬时滑转率测量，从而满足实际应用需求。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决轮式车辆在复杂路面滑转率计算的准确性低和鲁棒性差的问题，本发明的提出了一种车辆车轮瞬时滑转率的获取方法、控制方法、系统、装置。

本发明的第一方面，提出了一种轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取方法，包括以下步骤：

步骤s10，基于车体特定部位q，获取车辆k时刻前向移动速度vy；获取车辆各车轮k时刻的角转速ωr1、ωr2、ωf1、ωf2；

步骤s20，获取所述车辆k时刻相对地理坐标系的俯仰角变化速度ωx、航向角变化速度ωz；

步骤s30，基于所述车辆的车辆模型参数、部位q在车辆车体的位置信息，通过vy、ωx、ωz，分别获取所述车辆各个车轮k时刻的前向速度；

步骤s40，基于所述车辆各车轮k时刻的角转速、所述车辆各车轮的半径、所述车辆各个车轮k时刻的前向速度，分别获取所述车辆各个车轮k时刻的滑转率。

在一些优选实施方式中，步骤s30“所述车辆各个车轮k时刻的前向速度”中，非转向轮k时刻的前向速度vr的获取方法为：

vr＝vy+ωxh+ωzp1

其中，h为部位q与车辆接地面的垂直距离，p1为以部位q为原点时该车轮接地点的横向坐标值。

在一些优选实施方式中，步骤s30“所述车辆各个车轮k时刻的前向速度”中，转向轮k时刻的前向速度vf的获取方法为：

其中，h为部位q与车辆接地面的垂直距离，p2为以部位q为原点时转向轮转向轴的横向坐标值，p3为转向轮转向轴与转向轮的横向坐标差，d为前后车轮(转向轮和非转向轮)的轴距。

在一些优选实施方式中，步骤s10“车辆k时刻前向移动速度vy”，其获取方法为：

vy＝vesinψkcosθk+vncosψkcosθk+vusinθk

其中，ve、vn、vu分别为k时刻车辆基于地理坐标系的东向、北向、天向移动速度，ψk为k时刻车辆航向角、θk为k时刻车辆俯仰角；

在一些优选实施方式中，ve、vn、vu、ψk、θk通过具有微惯导测量模块的卫星导航定位装置获取。

在一些优选实施方式中，所述车体特定部位q位于所述车辆非转向轮车轴线的中垂线上。

本发明的第二方面，提出了一种基于轮式车辆车轮瞬时滑转率的控制方法，包括以下步骤：

通过上述轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取方法，获取所述车辆各个车轮k时刻的滑转率；

根据所述车辆各个车轮k时刻的滑转率控制各车轮角转速，以减小各车轮的滑转率。

本发明的第三方面，提出了一种轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取系统，包括车辆前向移动速度获取模块、车轮角转速获取模块、车辆角速度计算模块、车轮前向速度计算模块、车轮滑转率计算模块；

所述车辆前向移动速度获取模块，配置为基于车体特定部位q，获取车辆k时刻前向移动速度vy；

所述车轮角转速获取模块，配置为获取车辆各车轮k时刻的角转速；

所述车辆角速度计算模块，配置为获取所述车辆k时刻相对地理坐标系的俯仰角变化速度ωx、航向角变化速度ωz；

所述车轮前向速度计算模块，配置为基于所述车辆的车辆模型参数、部位q在车辆车体的位置信息，通过vy、ωx、ωz，分别获取所述车辆各个车轮k时刻的前向速度；

所述车轮滑转率计算模块，配置为基于所述车辆各车轮k时刻的角转速、所述车辆各车轮的半径、所述车辆各个车轮k时刻的前向速度，分别获取所述车辆各个车轮k时刻的滑转率。

在一些优选实施方式中，所述系统还包括具有微惯导测量模块的卫星导航定位装置，该装置用于获取车辆基于地理坐标系的东向、北向、天向移动速度，以及车辆航向角、车辆俯仰角。

在一些优选实施方式中，所述的轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取系统，所述具有微惯导测量模块的卫星导航定位装置，其信号接收天线设置于所述车辆非转向轮的车轴中心垂线的部位q上。

本发明的第四方面，提出了一种基于轮式车辆车轮瞬时滑转率控制系统，包括上述轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取系统、以及轮速控制模块；

所述轮速控制模块，配置为根据所述车辆各个车轮k时刻的滑转率控制各车轮角转速，以减小各车轮的滑转率。

本发明的第五方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于轮式车辆车轮瞬时滑转率获取方法，或上述的基于轮式车辆车轮瞬时滑转率控制方法。

本发明的第六方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；所述处理器，适于执行各条程序；所述存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现：实现上述的基于轮式车辆车轮瞬时滑转率获取方法，或上述的基于轮式车辆车轮瞬时滑转率控制方法。

本发明包括以下有益效果：

1、在解算各车轮前向速度的特定模型中，仅采用车辆的前向移动速度vy，舍弃了与车轮滑动无关的上下跳动速度vz和侧向滑动速度vx，有利于消除田野作业时车辆上下颠簸与侧向漂移的影响；模型中包括了车辆俯仰角变化速度ωx和转向角变化速度ωz，而不包括车辆横滚角γk及其变化速度ωy，这既能反映车辆在起伏坡面或路线转向的行进状况，也可以消除车辆左右摇摆的影响；提高了轮式车辆在复杂路面滑转率计算的准确性和鲁棒性。

2、通过分别测算各车轮前向速度及检测每个车轮角转速，可得到对应车轮各自的瞬时滑转率，可以独立地对各车轮进行性能评价或优化控制，提高了基于滑转率车速控制的准确度。

3、车辆移动速度检测采用导航卫星的信号，不会受到地表状况限制；信号受到周边设施、高大树木的短时遮挡，微惯导测量组合机制可克服其扰动，提高了车速信息获取的稳定性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是车轮滑转率计算信息示例图；

图2是本发明一种实施例的轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取方法流程示意图；

图3是本发明一种实施例的检测系统框架示意图；

图4是本发明一种实施例的车辆示例图；

图5是本发明一种实施例的车辆前向移动速度和车轮前向速度示例图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明实施例的一种轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤s10，基于车体特定部位q，获取车辆k时刻前向移动速度vy；获取车辆各车轮k时刻的角转速；

步骤s20，获取所述车辆k时刻相对地理坐标系的俯仰角变化速度ωx、航向角变化速度ωz；

步骤s30，基于所述车辆的车辆模型参数、部位q在车辆车体的位置信息，通过vy、ωx、ωz，分别获取所述车辆各个车轮k时刻的前向速度；

步骤s40，基于所述车辆各车轮k时刻的角转速、所述车辆各车轮的半径、所述车辆各个车轮k时刻的前向速度，分别获取所述车辆各个车轮k时刻的滑转率。

在一些优选实施例中，步骤s30“所述车辆各个车轮k时刻的前向速度”中，非转向轮k时刻的前向速度vr的计算方法如公式(1)所示：

vr＝vy+ωxh+ωzp1(1)

其中，h为部位q与地面的垂直距离，p1为以部位q为坐标原点时该轮的横向坐标值。

在一些优选实施例中，步骤s30“所述车辆各个车轮k时刻的前向速度”中，转向轮k时刻的前向速度vf的计算方法如公式(2)所示：

其中，h为部位q与地面的垂直距离，p2为以部位q为原点时转向轮转向轴的横向坐标值，p3为转向轮转向轴与转向轮的横向坐标差值，d为前后车轮(转向轮和非转向轮)的轴距。

在一些优选实施例中，步骤s10“车辆k时刻前向移动速度vy”，其计算方法如公式(3)所示：

vy＝vesinψkcosθk+vncosψkcosθk+vusinθk(3)

其中，ve、vn、vu分别为k时刻车辆基于地理坐标系的东向、北向、天向移动速度，ψk为k时刻车辆航向角，θk为k时刻车辆俯仰角。

此外，本发明基于上述轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取方法，还给出了一种基于轮式车辆车轮瞬时滑转率控制方法实施例，该实施例通过上述的轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取方法，获取所述车辆各个车轮k时刻的滑转率；并根据所述车辆各个车轮k时刻的滑转率控制各车轮角转速，以减小各车轮的滑转率。

为了更清晰地对本发明技术方案进行说明，以下实施例采用一种轮式车辆—拖拉机进行说明，由于拖拉机的工作环境较为复杂，工作路况基本都是极度不平整的地面，因此特选拖拉机作为说明对象，但是并不限定该发明技术方案的应用车辆类型，本发明技术方案还可以应用于其他车辆，包括但不限于家用乘用车、客车、货车、挂车、三轮车、摩托车、以及其他专用车辆。

首选对一些车体参数进行定义：拖拉机一般后轮是非转向的动力驱动轮，前轮为转向轮。车辆结构尺寸为：车辆的后轮左右轮距为a，后轮半径为rr；前轮左右轮距为b，前轮半径为rf；左右前轮的转向轴间距为c，前后车轮轴距为d。

为了更好的描述，对一种示例的车辆所需检测、处理装置及其安装位置结合图3、图4进行描述：采用组合微惯导测量模块3(mimu)的卫星导航定位系统2(gnss)作为车辆速度检测单元，将卫星天线1安装在后轮轴中点的正上方车顶，卫星天线1接收位置距地面高为h。微惯导测量模块3固定于卫星天线1正下方车厢之内，该模块中坐标原点与过后轮车轴中点的垂线重合，坐标轴和车辆方位相匹配，即x轴正向为车辆右侧，y轴正向为车头前进方向，z轴正向为车辆正上方。各个车轮轴上安装感应车轮角转速脉冲的霍尔传感器4，传感器将各轮角转速的脉冲信号引入车轮角转速检测单元。嵌入式计算机系统、车轮角转速检测单元和车辆速度检测单元集中在仪器箱内，且固定安置在车厢内，对于组合了微惯导测量模块的车辆速度检测单元，仪器箱的安装要考虑到其中微惯导测量模块的安装要求。检测单元和嵌入式计算机间的数据传输通过rs232串口实现。测算得到的各车轮滑转率数据输出至can总线接口，可以提供给车辆的专用控制计算机使用。

车辆速度检测单元持续地以采样时间dt的间隔测出车辆的移动速度、方位角和姿态角；同时通过车轮角转速检测单元测出各车轮角转速。经嵌入式计算机系统按特定模型计算各车轮前向速度，再计算各车轮的瞬时滑转率。

本发明第一实施例的轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取方法，包括：

步骤s10，基于车体特定部位q，获取车辆k时刻前向移动速度vy；获取车辆各车轮k时刻的角转速。

车体特定部位q位于所述车辆非转向的后轮车轴轴线的中垂线上。在本实施例中，车体特定部位q为上述车顶上方安装了卫星天线的接收位置，该位置距地面高为h。

车辆速度检测单元中的gnss测出的车辆移动速度ve、vn、vu是基于地理(东北天)坐标系的分量；组合mimu测量模块后可同时测出车辆的方位角(航向角ψk)与姿态角(俯仰角θk、横滚角γk)。车辆k时刻前向移动速度vy基于获取的数据，通过上述的公式(3)计算获取。

本实施例通过霍尔传感器读取轮速检测单元的后左、后右、前左、前右车轮的角转速ωr1、ωr2、ωf1、ωf2。

步骤s20，获取所述车辆k时刻相对地理坐标系的俯仰角变化速度ωx、航向角变化速度ωz。

在起伏坡面行进时，车辆绕x轴的角转速ωx等同于俯仰角变化速度；而在转向时车辆绕z轴的角转速ωz等同于航向角变化速度。可计算相关角在采样间隔时间dt的变化率，如公式(4)、(5)所示：

ωx＝(θk-θk-1)/dt(4)

ωz＝-(ψk-ψk-1)/dt(5)

本实施例中dt＝0.2s，当然也可以设定为其他时间间隔。

步骤s30，基于所述车辆的车辆模型参数、部位q在车辆车体的位置信息，通过vy、ωx、ωz，分别获取所述车辆各个车轮k时刻的前向速度。

依据车辆车轮结构与运动关系建立解算各车轮前向速度的计算模型，具体如公式(6)-公式(9)所示。

非转向左轮前向速度vr1的计算方法如公式(6)所示：

vr1＝vy+ωxh-ωza/2(6)

非转向右轮前向速度vr2的计算方法如公式(7)所示：

vr2＝vy+ωxh+ωza/2(7)

转向左轮前向速度vf1的计算方法如公式(8)所示：

转向右轮前向速度vf2的计算方法如公式(9)所示：

模型中的a、b、c、d、h为前述车辆结构中的相关参数，通过测量获得。将k时刻车辆的前向移动速度vy、车辆姿态角变化的角速度ωx、ωz代入该模型即能解算各车轮k时刻的前向速度vr1、vr2、vf1、vf2。如图5所示，给出了一种车辆前向移动速度和车轮前向速度示例图。

步骤s40，基于所述车辆各车轮k时刻的角转速、所述车辆各车轮的半径、所述车辆各个车轮k时刻的前向速度，分别获取所述车辆各个车轮k时刻的滑转率。

依据滑转率定义，通过各车轮的前向速度vr1、vr2、vf1、vf2和车轮角转速检测单元测得的对应车轮角转速是ωr1、ωr2、ωf1、ωf2，可计算出各车轮的瞬时滑转率sr1、sr2、sf1、sf2，具体如公式(10)-公式(13)所示。

非转向左轮瞬时滑转率sr1的计算方法如公式(10)所示：

非转向右轮瞬时滑转率sr2的计算方法如公式(11)所示：

转向左轮瞬时滑转率sf1的计算方法如公式(12)所示：

转向右轮瞬时滑转率sf2的计算方法如公式(13)所示：

本发明第二实施例的基于轮式车辆车轮瞬时滑转率控制方法，包括：

通过权利要求上述的轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取方法，获取所述车辆各个车轮k时刻的滑转率；

根据所述车辆各个车轮k时刻的滑转率控制各车轮角转速，以减少各车轮的滑转率。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，该实施例方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明第三实施例的轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取系统，包括车辆前向移动速度获取模块、车轮角转速获取模块、车辆角速度计算模块、车轮前向速度计算模块、车轮滑转率计算模块；

所述车辆前向移动速度获取模块，配置为基于车体特定部位q，获取车辆k时刻前向移动速度vy；

所述车轮角转速获取模块，配置为获取车辆各车轮k时刻的角转速。

所述车辆角速度计算模块，配置为获取所述车辆k时刻相对地理坐标系的俯仰角变化速度ωx、航向角变化速度ωz；

所述车轮前向速度计算模块，配置为基于所述车辆的车辆模型参数、部位q在车辆车体的位置信息，通过vy、ωx、ωz，分别获取所述车辆各个车轮k时刻的前向速度；

所述车轮滑转率计算模块，配置为基于所述车辆各车轮k时刻的角转速、所述车辆各车轮的半径、所述车辆各个车轮k时刻的前向速度，分别获取所述车辆各个车轮k时刻的滑转率

该系统中还可以包括具有微惯导测量模块的卫星导航定位装置，该装置用于获取车辆基于地理坐标系的东向、北向、天向移动速度，以及车辆航向角、车辆俯仰角。为了获取较好的信号接收效果，以及较少计算复杂度，卫星导航定位装置的信号接收天线设置于所述车辆非转向轮车轴线的中垂线上。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，该实施例系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明第四实施例的基于轮式车辆车轮瞬时滑转率控制系统，包括上述的轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取系统、以及轮速控制模块；所述轮速控制模块，配置为根据所述车辆各个车轮k时刻的滑转率控制各车轮角转速，以减少各车轮的滑转率。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，该实施例系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的轮式车辆车轮瞬时滑转率的获取系统、基于轮式车辆车轮瞬时滑转率控制系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明第五实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述基于轮式车辆车轮瞬时滑转率获取方法，或基于轮式车辆车轮瞬时滑转率控制方法。

本发明第六实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述基于轮式车辆车轮瞬时滑转率获取方法，或基于轮式车辆车轮瞬时滑转率控制方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。