CN100415584C - 机动车制动防抱死的控制***和方法 - Google Patents

Abstract

一种机动车制动防抱死的控制***，该***包括信号采集单元和电子控制单元，电子控制单元包括数据接收模块、数据处理模块和数据控制模块，所述数据接收模块用于获取信号采集单元的数据，其中所述数据处理模块用于计算车轮的侧偏角和滑动率，所述数据控制模块根据在不同侧偏角时制动力系数μ的峰值所对应的滑动率来设定滑动率门限值，由计算出的滑动率和设定的滑动率门限值的比较发出控制指令，来实时进行ABS控制。采用本发明提供的***和方法，在机动车转弯时，每个车轮都存在侧偏角，如果此时驾驶员又有制动行为，那么该制动防抱死控制***可以确保每个车轮都不发生抱死的现象，既保证了机动车转弯时不发生跑偏，又使制动距离最短，提高了机动车的安全性能。即使是在机动车直线行驶时，该制动防抱死控制方法也完全适用。

Description

机动车制动防抱死的控制***和方法

技术领域

本发明是关于一种机动车制动防抱死(ABS)的控制***及控制方法，属于机动车ABS控制领域。

背景技术

在现有机动车控制***中，获得机动车的行驶瞬间的一些参量，能够更有效的对机动车进行控制，如机动车的侧偏角、滑动率等参量。早期的机动车对行驶中的参量的测量都是基于各种车载传感器，随着GPS的广泛使用，应用GPS技术来校正传感器从而获取机动车行驶参量的技术已经广泛的提出。

USP 6681180提供了一种基于两轮机动车模型的通过GPS对机动车车轮是否托滑或滑转判断的方法，利用这种方法可以动态地获得机动车的侧偏角。所述方法采用的装置包括信号采集单元和电子控制单元；所述信号采集单元包括，用于获得机动车速度和位置信号的GPS，用于获得机动车角速度信号的陀螺仪，用于获得机动车加速度信号的加速度传感器，所述电子控制单元包括用于获取信号采集单元数据的数据接收模块，用于计算机动车车轮侧偏角的数据处理模块。所述电子控制单元的数据接收模块由GPS获取机动车的速度信号和位置信号，由陀螺仪获得角速度信号，由加速度计获得的加速度信号，通过数据处理模块计算出质心速度，前后轮的x，y方向的速度，以及前后轮的侧偏角。采用上述装置和方法，可以测量机动车行驶瞬间的侧偏角。采用该装置和方法，虽然可以部分地改善机动车在转弯刹车时车轮抱死情况，但是，一方面，经常导致车轮不能充分利用地面制动力，使机动车转弯时，制动距离增加的问题出现，另一方面，仍然会经常发生车轮抱死的情况。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术机动车在转弯刹车时，车轮不能充分利用地面制动力和经常发生车轮完全抱死的缺点，提供一种在转弯刹车时，能使车轮充分利用地面制动力，不发生车轮完全抱死的机动车制动防抱死(ABS)控制***及控制方法。

本发明的发明人发现，虽然采用USP 6681180提出的方法可以计算出车轮的侧偏角，进而计算出滑动率，但是该专利中没有给出如何利用侧偏角进行机动车的制动防抱死控制的方法，而现有的机动车制动防抱死的控制***及控制方法中，首先设定固定不变的滑动率门限值，在机动车刹车时，实时测定在机动车转弯时的侧偏角，进而计算出滑动率，根据滑动率与滑动率门限值的关系，对刹车装置发出指令。然而，实际情况是，滑动率门限值与侧偏角的大小有着非常密切的关系，设定固定不变的滑动率门限值经常出现机动车在转弯制动时，不能提供机动车转弯需要的制动力，用这样的控制***可能会出现车轮抱死现象。

现有的技术中，ABS控制是根据两轮机动车模型估计出参数，此外，USP6681180提出的方法也是基于两轮机动车模型给出的，即左右轮采用相同的控制方法。但是，在机动车转弯时会导致机动车每轮的侧偏角都不同，即前面或后面的左右轮也可能对应不同的侧偏角，所以用这个方法在机动车转弯时，可能出现车轮抱死的情况。

根据现有技术中对机动车ABS控制中，没有考虑到车轮侧偏角的不同会引起滑动率门限值的变化的问题。本发明提供一种机动车ABS的控制***和方法，能够实时的根据侧偏角设定滑动率门限，通过变化的滑动率门限和测量的滑动率的比较实现对机动车进行ABS控制的***和方法，从而解决了现有ABS控制***中车轮抱死的问题。本发明的另一个目的是根据现有***中采用两轮机动车模型不能防止在机动车转弯时车轮抱死的情况，提出了一种基于四轮机动车模型的，分别计算四轮机动车每轮的侧偏角和滑动率的方法。

本发明提供的***包括信号采集单元和电子控制单元，电子控制单元包括数据接收模块、数据处理模块和数据控制模块，其中，数据处理模块用于计算侧偏角和滑动率，所述数据控制模块根据在不同侧偏角时制动力系数μ的峰值所对应的滑动率来设定滑动率门限值，由计算出的滑动率和设定的滑动率门限值的比较发出控制指令，来实时进行ABS控制。

本发明提供的方法包括：

A、在机动车上加载如权利要求1所述***；

B、由所述的电子控制单元分别计算出车轮的侧偏角α和滑动率s；

C、由所述的电子控制单元根据在不同侧偏角时制动力系数μ的峰值所对应的不同滑动率，设定不同侧偏角的滑动率门限值的下限s^min和上限s^max；

D、所述电子控制单元将根据步骤B中计算出的s和步骤C中设定的s^min和s^max进行比较，发送ABS控制指令。

采用本发明提供的***和方法，可以对机动车上的每个车轮进行单独的ABS控制。在现有技术中，机动车ABS控制采用不变的滑动率门限值来进行ABS控制，因为车轮在不同的侧偏角时，制动力系数μ和对应的滑动率是变化的，用这种ABS控制方式不能根据实际情况施加制动力，可能导致车轮不能充分利用地面制动力。所以，本发明根据不同的侧偏角对应滑动率和最大制动力系数的关系来设定滑动率门限值，可以根据具体情况施加制动力，保证车轮充分利用地面制动力。此外，在现有技术中，机动车ABS控制***是基于两轮机动车***模型提出的，即左右轮的控制采用同样的制动力。但是，在机动车转弯时，每个车轮都存在侧偏角，即左右轮的侧偏角可能不同，如果施加相同的制动力，不能根据实际情况施加恰当的制动力，可能出现车轮抱死的情况。所以本发明建立一个四轮机动车模型，根据每轮侧偏角和滑动率的值来对每个车轮进行单独的ABS控制，使每个车轮都能充分利用地面制动力。采用本发明提供的***和方法，在机动车转弯时，每个车轮都存在侧偏角，如果此时驾驶员又有制动行为，那么该ABS控制***可以确保每个车轮都不发生抱死的现象，既保证了机动车转弯时不发生跑偏，又使制动距离最短，提高了机动车的安全性能。即使是在机动车直线行驶时，该ABS控制方法也完全适用。

附图说明

图1是根据本发明的机动车ABS控制***的结构框图；

图2是电子控制单元中数据控制模块的控制子程序的流程图；

图3是不同侧偏角时的制动力系数曲线图；

图4是转弯时的机动车模型示意图；

图5是电子控制单元的工作流程图；

图6是根据本发明的一个实施例的机动车ABS控制***的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行更详细的说明。

本发明是一个机动车ABS的控制***10，所述***10包括信号采集单元20，电子控制单元30，参见图1，所述信号采集单元可以采用现有技术已有的信号处理单元的技术，其中包括，用于获得的机动车质心速度的GPS21，用于获取角速度的陀螺仪22，用于获取加速度的加速度计23，用于获取车轮转速的车轮转速传感器24，用于获取方向盘角度的方向盘角度传感器25，电子控制单元30包括用于使电子控制单元获取信号采集单元数据的数据接收模块、用于计算车轮侧偏角和滑动率的数据处理模块和用于进行控制的数据控制模块，所述数据控制模块根据在不同侧偏角时制动力系数μ的峰值所对应的滑动率来设定滑动率门限值，由计算出的滑动率和设定的滑动率门限值的比较发出控制指令，来实时进行ABS控制。

所述电子控制单元30的数据控制模块执行步骤S800中包含对应于四个车轮的四个并行的控制子程序，图2是数据控制模块的流程图，如图2所示，依据i号车轮的侧偏角α_i(i为1、2、3或者4之一)，电子控制单元30实时的设定i号车轮滑动率门限值的下限s_i ^min和上限s_i ^max。机动车制动时，如果电子控制单元30判断出i号车轮的滑动率s_i大于门限值s_i ^max，电子控制单元30发出指令，要求减小i号车轮的制动力；若s_i小于门限值s_i ^min，电子控制单元30则要求增加i号车轮的制动力；如果s_i在s_i ^min和s_i ^max之间，则要求保持制动力不变。

在步骤S810中，制动电子控制单元30根据i号车轮的侧偏角α_i设定对i号车轮进行ABS控制的滑动率门限值的下限s_i ^min和上限s_i ^max。对于不同的侧偏角，制动力系数μ-滑动率s曲线是不相同的，较大制动力系数对应的滑动率范围也不同，因此具有不同侧偏角的车轮所设置的滑动率门限值的上下限是不相同的。图3是不同侧偏角时的制动力系数曲线，R.PUSCA等人在“Slip Control Strategy of an Electrical Four Wheel Drive Vehicle”的文章中给出了这个仿真曲线图。下面根据这个曲线给出结合本发明的一个具体实例。选择根据制动力系数μ的峰值所对应的滑动率的前后0.02来进行ABS控制，不同侧偏角情况下其所对应的滑动率s的范围不同，即设定的滑动率门限值不同，可以根据图3列出如表1所示的不同侧偏角的滑动率门限值表。其它角度的侧偏角所对应的滑动率门限值可以用插值法来确定。

在步骤S820中，判断i号车轮的滑动率s_i是否在滑动率门限值范围内，如果满足s_i ^min＜s_i＜s_i ^max，则进入步骤S840，否则进入步骤S830。

表1

侧偏角(度)	滑动率下限	滑动率上限
			0	0.03	0.07
3	0.05	0.09
			6	0.07	0.11
9	0.11	0.15
			12	0.13	0.17

在步骤S830中，再判断i号车轮的滑动率s_i是否大于s_i ^max，如果满足条件则进入步骤S850，否则执行步骤S860。

在步骤S840中，电子控制单元30发出指令，要求保持i号车轮的制动力不变。

在步骤S850中，电子控制单元30发出指令，要求减小i号车轮的制动力。

在步骤S860中，电子控制单元30发出指令，要求增加i号车轮的制动力。

本发明所述***的数据处理单元计算四轮机动车每轮的侧偏角和滑动率的方法可以采用现有的方法获得，一个优选的方法是通过获取机动车质心速度的方法，这样机动车四轮完全以质心为中心，这样可以简化计算。为了获得质心的速度，本发明的优选方法是将所述的信号采集单元的GPS21安装在机动车质心垂直方向上的车顶处，用于获得机动车质心速度。

本发明的实施例的工作原理如下：机动车在转弯时的模型如图4所示，电子控制单元30是整个***的核心，图5是电子控制单元30的工作流程图，在机动车上加载本发明所述***，在机动车行驶时，由GPS21可以获得机动车质心的速度信号，由陀螺仪可以获得角速度信号，所述的电子控制单元30中的数据接收模块执行步骤S200获取所述机动车质心的速度信号和角速度信号的值，电子控制单元30中的数据处理模块执行步骤S300到S700，首先用获得的信号，通过横摆卡尔曼滤波器执行步骤S300计算出机动车质心处侧偏角的GPS测量值β^GPS和横摆角速度估计值r，β是质心处的侧偏角，r是机动车横摆角速度，卡尔曼滤波器是一种公知的数学算法。

所述电子控制单元30中的数据处理模块根据公式(1)、(2)执行步骤S400计算出机动车质心处的纵向和横向速度的GPS测量值V_x ^GPS和V_y ^GPS，

V_x ^GPS＝V_cg ^GPScos(β^GPS)      (1)

V_y ^GPS＝V_cg ^GPSsin(β^GPS)        (2)

式中V_cg ^GPS是直接由GPS21获得的机动车质心速度的GPS测量值。

所述电子控制单30中的数据接收模块从加速度传感24中获取的加速度计信号，所述的数据处理模块进一步用计算出的机动车质心处的纵向和横向速度的GPS测量值V_x ^GPS和V_y ^GPS，以及加速度信号，通过速度卡尔曼滤波器中，执行步骤S500计算出质心处纵向和横向速度的估计值V_x和V_y。

所述电子控制单元30的数据接收模块从方向盘角度传感器25中获取方向盘角度信号的值，电子控制单元30中的数据处理模块利用计算出的步骤V_x和V_y和获取方向盘角度信号，根据图4所示的转弯时的机动车模型，通过公式(3)-(10)执行步骤S600计算每个车轮中心的纵向速度V_ix、横向速度V_iy和侧偏角α_i，V_ix(i为1、2、3或者4之一)是i号车轮中心速度的纵向分量(即纵向速度)，V_iy(i为1、2、3或者4之一)是i号车轮中心速度的横向分量(即横向速度)，α_i是i号车轮的侧偏角(i为1、2、3或者4之一)(注：图中只标出了1号车轮的V_1x、V_1y，α₁其余车轮的省略)计算式为

V_1x＝V_x+r(d₂+ecos(δ))    (3)

V_1y＝V_y+r(l_f+esin(δ))    (4)

V_2x＝V_x-r(d₂-ecos(δ))    (5)

V_2y＝V_y+r(l_f-esin(δ))  (6)

V_3x＝V_x+r(d₂+e)         (7)

V_3y＝V_y+rl_r             (8)

V_4x＝V_x-r(d₂+e)         (9)

V_4y＝V_y-rl_r             (10)

式中e是转向节转轴到轮胎胎面中心的距离；d₂是质心距转向节的横向距离；1_f、1_r分别是质心到前轴和后轴的距离；

参见图4，侧偏角α₁是1号车轮中心的速度V₁与车轮平面之间的夹角

${\mathrm{\α}}_1=\mathrm{\δ}-\arctan \frac{V_{1y}}{V_{1x}}---\left(11\right)$

类似的，可以得到其它车轮的侧偏角

${\mathrm{\α}}_2=\mathrm{\δ}-\arctan \frac{V_{2y}}{V_{2x}}---\left(12\right)$

${\mathrm{\α}}_3=\arctan \frac{V_{3y}}{V_{3x}}---\left(13\right)$

${\mathrm{\α}}_4=\arctan \frac{V_{4y}}{V_{4x}}---\left(14\right)$

将利用车轮转速传感器24的信号和计算结果进一步计算出每个车轮的滑动率s_i。

所述电子控制单元由所述的纵向速度V_ix、横向速度V_iy、车轮的滚动半径r_w和所述的i号车轮转速ω_i通过公式15执行步骤S700计算每个车轮的滑动率s_i(i为1、2、3或者4之一)；

$s_i=\frac{\sqrt{V_{\mathrm{ix}}^2+V_{\mathrm{iy}}^2}\cos \left({\mathrm{\α}}_i\right)-r_w{\mathrm{\ω}}_i}{\sqrt{V_{\mathrm{ix}}^2+V_{\mathrm{iy}}^2}\cos \left({\mathrm{\α}}_i\right)}---\left(15\right)$

用上述方法可以结合GPS和传感器，分别计算出四轮机动车，每轮的侧偏角和滑动率。

电子控制单元30中的数据控制模块执行步骤S800。其具体执行方法已经在上面描述。

图6是本发明的一个实施例的***结构图。该***增加了ABS执行机构单元。所述ABS执行机构单元40包括的1号车轮ABS执行机构41、2号车轮ABS执行机构42、3号车轮ABS执行机构43、4号车轮ABS执行机构44。所述的机动车ABS控制***，是基于四轮机动车模型所采用的***，所述车轮ABS执行机构单元的4个车轮ABS执行机构之间分别独立。

所述电子控制单元分别与所述信号采集单元中的GPS、陀螺仪、加速度计、车轮转速传感器、方向盘角度传感器以及所述车轮ABS执行机构单元中的1号车轮ABS执行机构、2号车轮ABS执行机构、3号车轮ABS执行机构、4号车轮ABS执行机构电连接。

采用本发明所述机动车ABS的控制***的机动车ABS的控制方法，在机动车上加载本实施例所述***，在其中的电子控制单元中加载上述计算和控制方法，由车载GPS和其它传感器分别测出每个车轮的侧偏角和滑动率，根据每个车轮不同的侧偏角设定滑动率的上限和下限s^min和s^max，由测量的滑动率和设定的滑动率的关系向车轮ABS执行机构单元发出控制指令，完成***对每个车轮的ABS控制。

尽管参考作为示例的实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该可以理解，在其中进行形式和细节上的各种可能变化并不背离权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (8)

1. 一种机动车制动防抱死的控制***，该***包括信号采集单元和电子控制单元，电子控制单元包括数据接收模块、数据处理模块和数据控制模块，所述数据接收模块用于获取信号采集单元的数据，所述***其特征在于所述数据处理模块用于计算车轮的侧偏角和滑动率，所述数据控制模块根据在不同侧偏角时制动力系数μ的峰值所对应的滑动率来设定滑动率门限值，由计算出的滑动率和设定的滑动率门限值的比较发出控制指令，来实时进行ABS控制。

2. 根据权利要求1所述的机动车制动防抱死的控制***，其特征在于所述的数据处理模块用于计算四轮机动车的每轮的侧偏角和滑动率。

3. 根据权利要求2所述的机动车制动防抱死的控制***，其特征在于所述的数据处理模块用于计算四轮机动车的每轮侧偏角和每轮滑动率，所述数据处理模块包括计算质心处的侧偏角和横摆角速度估计值的部分；计算质心处的纵向和横向速度GPS的测量值的部分；计算质心处的纵向和横向速度估计值的部分；计算每轮的纵向和横向速度的部分；计算每轮的侧偏角的部分；以及计算每轮的滑动率的部分。

4. 根据权利要求3所述的机动车制动防抱死的控制***，其特征在于所述***中的信号采集单元包括用于获得机动车质心速度的GPS，该GPS安装在机动车质心垂直方向上的车顶处。

5. 根据权利要求1所述的机动车制动防抱死的控制***，其特征在于该***还包括ABS执行机构单元，该ABS执行机构单元包括的1号车轮ABS执行机构、2号车轮ABS执行机构、3号车轮ABS执行机构、4号车轮ABS执行机构，所述车轮ABS执行机构单元的4个车轮ABS执行机构之间分别独立。

6. 一种机动车的ABS控制计算的方法，其特征在于该方法包括：

A、在机动车上加载如权利要求1所述***；

B、由所述的电子控制单元分别计算出车轮的侧偏角α和滑动率s；

C、由所述的电子控制单元根据在不同侧偏角时制动力系数μ的峰值所对应的不同滑动率，设定不同侧偏角的滑动率门限值的下限s^min和上限s^max；

D、所述电子控制单元将根据步骤B中计算出的s和步骤C中设定的s^min和s^max进行比较，发送ABS控制指令。

7. 根据权利要求6所述的机动车ABS控制计算的方法，其特征在于步骤A中加载如权利要求4所述***，分别计算出四轮机动车每轮的侧偏角和滑动率，分别对每轮进行控制。

8. 根据权利要求7所述的机动车四轮独立的ABS控制计算的方法，其特征在于每轮的侧偏角α_i和滑动率s_i采用的计算方法包括：

A、由GPS测得行驶的机动车在某一瞬间的质心速度V_cg ^GPS，由陀螺仪测得行驶的机动车在某一瞬间的角速度，由加速度计测得行驶的机动车在某一瞬间的加速度，由车轮转速传感器测得行驶的机动车在某一瞬间的车轮转速ω_i，由方向盘角度传感器测得在行驶的机动车在某一瞬间的方向盘角度；

B、所述电子控制单元接收所述的速度V_cg ^GPS、角速度、加速度、车轮转速ω_i、方向盘角度的值；

C、所述电子控制单元由所述的V_cg ^GPS和角速度的值通过横摆卡尔曼滤波器计算出质心处的侧偏角β^GPS和横摆角速度估计值r；

D、所述电子控制单元通过下列公式(1)、(2)计算出机动车质心处的纵向和横向速度的GPS测量值V_x ^GPS和V_y ^GPS；

V_x ^GPS＝V_cg ^GPScos(β^GPS)                                (1)

V_y ^GPS＝V_cg ^GPSsin(β^GPS)                                (2)

E、所述电子控制单元由所述的V_x ^GPS、V_y ^GPS和加速度值通过速度卡尔曼滤波器计算出质心处纵向和横向速度的估计值V_x和V_y；

F、所述电子控制单元由所述的V_x、V_y和方向盘角度的值通过下列公式(3)-(10)计算出每个车轮中心的纵向速度V_ix和横向速度V_iy；

V_1x＝V_x+r(d₂+ecos(δ))                                 (3)

V_1y＝V_y+r(l_f+esin(δ))                                 (4)

V_2x＝V_x-r(d₂-ecos(δ))                                 (5)

V_2y＝V_y+r(l_f-esin(δ))                                 (6)

V_3x＝V_x+r(d₂+e)                                        (7)

V_3y＝V_y+rl_r                                            (8)

V_4x＝V_x-r(d₂+e)                                        (9)

V_4y＝V_y-rl_r                                            (10)

G、所述电子控制单元通过下列公式(11)-(14)计算出每个车轮的侧偏角；

${\mathrm{\α}}_1=\mathrm{\δ}-\arctan \frac{V_{1y}}{V_{1x}}---\left(11\right)$

${\mathrm{\α}}_2=\mathrm{\δ}-\arctan \frac{V_{2y}}{V_{2x}}---\left(12\right)$

${\mathrm{\α}}_3=\arctan \frac{V_{3y}}{V_{3x}}---\left(13\right)$

${\mathrm{\α}}_4=\arctan \frac{V_{4y}}{V_{4x}}---\left(14\right)$

H、所述电子控制单元由所述的纵向速度V_ix、横向速度V_iy、车轮的滚动半径r_w和所述的i号车轮转速ω_i通过公式15计算每个车轮的滑动率s_i。

$s_i=\frac{\sqrt{V_{\mathrm{ix}}^2+V_{\mathrm{iy}}^2}\cos \left({\mathrm{\α}}_i\right)-r_w{\mathrm{\ω}}_i}{\sqrt{V_{\mathrm{ix}}^2+V_{\mathrm{iy}}^2}\cos \left({\mathrm{\α}}_i\right)}---\left(15\right)$

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