CN101566511B - 用于轮胎侧偏力估计和监测的***和方法 - Google Patents

Abstract

一种轮胎侧偏力估计和监测***，包含：转向扭矩传感器、方向盘角度传感器、偏航率传感器、侧向加速度传感器和速度传感器，设置成从该传感器中接收信号并且如果该信号指示一个或多个车辆轮胎需要检查或维修时发出警报的至少一个控制器。该***还包含设置成指示一个或多个车辆轮胎需要检查或维修的报警***。

Description

用于轮胎侧偏力估计和监测的***和方法

技术领域

本发明总体上涉及一种用于估计和监测轮胎侧偏力的***和方法，其能够提供改进的车上动态和稳态控制，并能够为驾驶员提供关于轮胎物理状况的信息。

背景技术

车辆的动作是由轮胎和道路之间产生的力(例如侧向轮胎力)决定的。因此，了解侧向轮胎力的特性以及相应地适应道路状况对于车辆控制***来说是有帮助的，其加强了车辆操作性，并增加了乘客安全性。为了满足日益增加的工业标准和消费者对车辆安全性的更高期待，车辆控制***应该适应道路状况和车辆状况。为了适应车辆状况，车辆控制***可以监测诸如转向输入、车辆负载和轮胎侧偏力等的参数。

轮胎侧偏力，另外通常所说的轮胎侧偏刚度或有效回正刚度，是影响车辆转向、操作和稳定性的轮胎参数。轮胎侧偏力可以通过轮胎侧向力和轮胎滑移之间的关系限定，并取决于诸如转向输入和道路状况以及诸如车辆负载、轮胎胎面磨损、轮胎损坏和轮胎充气压力的车辆状况等的因素。

由于现有估计方法的各种局限性，轮胎侧偏力估计和监测尚未加入到现有的车辆控制***中。已知的典型地利用假定稳态下的加速度或车辆速度来估计轮胎力的估计方法可能是不结实或不准确的。另外的估计方法建议使用全球定位***(GPS)和惯性导航***(INS)传感器来估计车辆轮胎侧偏刚度，用侧滑估计来找到轮胎偏角，但由于需要在车上有附加的传感器，该方法可能不仅不切实际而且价格昂贵。

发明内容

根据本教导的某些实施例，本发明提供了一种轮胎侧偏力估计和监测***，该***包含转向扭矩传感器、方向盘角度传感器、偏航率传感器、侧向加速器传感器、速度传感器和设置成从传感器、方向盘角度传感器接收信号并且如果该信号指示一个或多个车辆轮胎需要被检查或维修时发出警报的至少一个控制器。该***还包含一个设置成指示一个或多个车辆轮胎需要被检查或维修的报警***。

根据本教导的某些实施例，本发明提供一种估计和监测车辆的轮胎侧偏力的方法，该方法包含接收与转向扭矩、方向盘角度、偏航率、侧向加速度和速度相应的信号，并且如果该信号指示一个或多个车辆轮胎需要别检查或维修时发出警报。

本教导的某些实施例还提供了一种估计和监测车辆的轮胎侧偏力的方法，该方法包含基于前轮总的转向力矩的变化和前轮平均轮胎偏角的变化中的至少一个来估计前轮有效回正刚度，对比估计的前轮有效回正刚度与参考前轮回正刚度以确定轮胎侧偏刚度偏差，并当现在的轮胎侧偏刚度偏差超过指定值时提供反馈。

本发明的其他目的和优点部分将在以下的说明书中被阐明，部分从说明书中显而易见，或可以通过本发明的实施而被获知。本发明的目的和优点将凭借在附加的权利要求中特别指出的部件和结合体来实现和达到。

应该理解前述的总体说明和以下的具体说明仅仅是示例性的和说明性的，而不是对本发明如权利要求那样的限制。

加入到本说明书中并构成本说明书的一部分的附图阐明了本发明的实施例，并与本说明书一起用来解释本发明的原理。

附图说明

至少某些特征和优点将从以下对相应实施例的具体说明中变得显而易见，该说明应该参照附图来理解，其中：

图1是表示根据本教导的示例性实施例的车上轮胎侧偏力估计和监测***的某些结构部件的示意图。

图2是根据本教导的示例性实施例的估计和监测轮胎侧偏力的逻辑流程图。

尽管以下的详细说明提到说明性的实施例，然而其多种替换、改变和变化对本领域的技术人员来说将显而易见。因此，应该对权利要求的主体作宽泛地理解。

具体实施方式

现将详细参考附图中阐明的各种实施例和实例。各种示例性的实施例不是要限制公开的内容。相反，所公开的内容意在涵盖所有的替换、改变和等同物。

将强劲的轮胎侧偏刚度估计加入到车辆控制***中可以改进车辆动态和稳态控制。此外，对轮胎侧偏力相对于参考刚度值的监测将为驾驶员提供及时的轮胎检测和/或替换的关键信息。

为了能够动态确定车辆前轮有效回正刚度，本教导的示例性实施例将用一个或多个传感器来为***控制器提供信号，该***控制器利用该信号估计前轮有效回正刚度。该一个或多个传感器在车辆有传感器时可以包括现有的车辆传感器、诸如例如电动助力转向(EPAS)传感器、偏航率传感器、侧向加速度传感器、速度传感器或其结合。因为多数现有的车辆已经包含上述传感器，本教导的某些实施例预计仅采用现有的传感器。当需要提供用于本教导的***和方法的信号输入时，本教导的实施例还将包括附加的传感器的***。

图1表示根据本教导的轮胎侧偏力估计和监测***的一个示例性实施例的结构，其利用现有的车上传感器作车辆动态控制。电动助力转向(EPAS)***13包含转向扭矩传感器14和方向盘角度传感器15。由EPAS转向扭矩传感器14测出的扭矩是当旋转方向盘11时由驾驶员应用的扭矩，该扭矩在转向柱12处测得。测得的扭矩用于确定EPAS***应用的电动助力扭矩、以及当车辆处于运动中时需要带给车轮和转向回正的前轮轮胎回正扭矩的大小。

控制器16设置成从转向扭矩传感器14、方向盘角度传感器15、车辆偏航率传感器17、车辆侧向加速度传感器18和车辆速度传感器19接收信号。控制器16设置成基于从传感器14、15、17、18和19接收到的信号来估计前轮有效回正刚度，正如下面示例性实施例中所述。控制器可以包括例如诸如稳态控制器或专用控制器的现有的车辆控制器，或者可以在不止一个的车辆控制器之间分配控制，这是本领域技术人员所应理解的。

车辆前轮有效回正刚度被定义为超过前轮平均轮胎偏角的变化的总的前轮转向力矩的变化值，其还可以表现为前轮回正扭矩(能效)与轮胎偏角(变形)之间的比率。当制动力-滑移关系或者是线性的或者是适度地非线性的时，变量变化可以在对于小型轮胎偏角来说合理的时间间隔内确定。在本教导中，前轮有效回正刚度是指在轮胎零滑移处限定的最大前轮轮胎回正刚度。当轮胎滑移增加时回正刚度减小。减小率取决于道路摩擦。

根据本教导的某些实施例，总的前轮转向力矩(ΔM)可以通过控制器16利用基于转向扭矩的运动学关系来确定。这是从例如是EPAS***13的转向扭矩传感器14接收到的在时间间隔内的扭矩变化。

根据本教导的某些实施例，前轮轮胎滑移角(Δα)的变化是从前轮轮胎转向角度(δ)、偏航率侧向加速度(a_y)和速度(V)以简单算术和积分运算、例如由控制器16以下述等式所表示的来确定的：

车辆偏航率侧向加速度a_y和速度V能够分别通过传感器17、18和19来测得，且前轮轮胎转向角度能够通过EPAS***13的方向盘角度传感器15发出的信号中获知。为了完成计算，57.3a_y是从弧度到角度(180/3.14159)的单位转换，l_f是重心位置。本教导还假设车辆内具有检测和消除传感器漂移的机构。传感器漂移能够对取决于上述传感器的任何控制器的性能造成不利影响。

本教导的某些实施例预计使用轮胎滑移角等式，当轮胎侧向力和自回正力矩在滑移中是线性的时该等式为小量轮胎滑移提供积分轮胎滑移角(Δα)而非绝对轮胎滑移角(α)。使用积分可使该值对(例如由车辆加速发出的)噪音不敏感，因此总体上更可靠。绝对轮胎滑移角(α)提供额外的信息以便改进非线性轮胎制动力-滑移范围中的刚度估计。在本发明的某些实施例中，积分前轮轮胎滑移角(Δα)计算通过在***中增加车辆侧向加速度预报模型相较于车辆侧向加速度传感器的读数可得到进一步改进，并减小或消除从车辆侧向加速度或偏航率传感器产生的噪音或错误。

在本教导的某些实施例中，前轮有效或估计回正刚度(A_s，m)能够通过控制器16使用总的前轮转向力矩(ΔM)和预定的前轮轮胎滑移角(Δα)以下面的等式来作估计：

$\mathrm{\ΔM}=A_{s,m}(1-A_{s,m}|{\mathrm{\ϵ}}_1\mathrm{\α}|+A_{s,m}^2{\mathrm{\ϵ}}_2{\mathrm{\α}}^2-A_{s,m}^3|{\mathrm{\ϵ}}_3{\mathrm{\α}}^3\left|\right)\mathrm{\Δ\α}---\left(2\right)$

使用例如非线性最小二乘法，上述估计中使用的绝对轮胎滑移角(α)能够由下面的等式确定：

α＝α₀+∑Δα            (3)

结果，通常用来确定前轮轮胎滑移角(α)的车身侧滑也得到了。为了完成前轮有效回正刚度估计，将估计道路摩擦(μ)和估计车辆前轮重(F_z)输入到假定的轮胎模型以获得预定轮胎模型系数ε₁、ε₂和ε₃。除了模型中的轮胎参数，该模型可以使用轮胎滑移、摩擦和轮胎正常负载(或负重)确定系数ε₁、ε₂和ε₃。

本教导预计使用任何公知、合适的方法来估计道路摩擦和车辆前轮重。本教导的实施例预计使用诸如例如轮胎刷模型等的公知模型来估计道路摩擦系数。尽管本教导假定可获得道路摩擦信息，但是估计的道路摩擦能够通过任何公知、合适的方法获得，该方法包括可要求从附加的车辆传感器发出的信息以便估计道路摩擦的方法。相应地，以上公开的传感器是轮胎侧偏力估计所要求的最小套的传感器。

控制器16能够对比估计前轮有效回正刚度(A_s，m)和公知参考回正刚度以确定两个值之间的偏差。参考回正刚度在例如是一个实验室中可从给定的轮胎正常力的公知、参考轮胎侧偏和回正刚度值被确定。在本教导的某些实施例中，对于每种类型的车辆上的每个轮胎尺寸可以确定一套单独的参考值。理想地，在同样的负载状况和同样的轮胎物理状况下，估计前轮有效回正刚度和参考回正刚度是一样的。在这种情况下，轮胎磨损和其他物理轮胎状况的改变造成轮胎侧偏刚度偏差。在本教导的某些实施例中，参考回正刚度值基于车辆状况而动态更新。在其他实施例中，除非有目的的更新，它们保持不变。控制器16监测估计前轮回正刚度值并将它们与参考回正刚度值对比以确定最终的轮胎侧偏刚度偏差值，并且如果偏差值超过指定值，指示例如一个或多个车辆轮胎需要检查和/或维修(例如由于一个或多个轮胎受磨损需要更换)时能够通知驾驶员。轮胎侧偏力的改变能够由诸如例如轮胎磨损、老化、潜在损坏和低胎压等多种因素引起。

本教导预计使用报警***来警示驾驶员一个或多个车辆轮胎需要检查和/或维修。报警***能够向驾驶员发出声音和/或视觉指示，告知一个或多个轮胎需要检查和/或维修。报警***可以包括例如设置在车辆控制台、后视镜或可警示驾驶员的其他位置上的指示灯或液晶显示器。指示灯或液晶显示器可以是例如常亮或闪光的，可以仅在启动时发光或在车辆整个使用过程中持续发光，并可以伴随声音以进一步辅助警示驾驶员轮胎状况。本教导还预计一种报警***，该***也或交替警示行为者或机修工一个或多个车辆轮胎需要检查和/或维修。得到该信息，维修提供商可以针对轮胎检查的需要联系车主，或建议在车辆下一次维修是对轮胎进行检查。报警***可以例如在车内和/或在车辆和维修提供商之间是无线的。

表1阐述了用于同样轮胎状况的示例性的模拟估计和参考前轮有效回正刚度值的对比。说明本教导在轮胎力线性范围和非线性范围中都可有效地估计回正刚度。因为实际值和使用本发明一个实施例的教导的估计值足够相似，本发明的教导确定有效地工作以估计用于对比的回正刚度。表1中的估计回正刚度使用转向扭矩、方向盘角度、偏航率、侧向加速度和速度的模拟车辆变量来获得。参考回正刚度通过“(前轮侧偏刚度)·(运动尾部)+(前轮自回正刚度)”的计算来获得。

表1：使用模拟车辆变量的估计和参考回正刚度的比较

表中的数据还显示了对小量轮胎滑移来说参考回正刚度对轮胎正常力变化不敏感，因为刚度变化由于轮胎正常力在左和右侧传递是补充的。

图2表示描述根据本教导的估计和监测轮胎侧偏力的方法的一个示例性实施例的高水平逻辑流程图。在图2中，信号接收自一个或多个传感器。信号相应于车辆的一个或多个操作状况、诸如例如EPAS***的转向扭矩和方向盘角度、偏航率、侧向加速度和速度。前轮总的转向力矩(ΔM)的变化由测得的转向扭矩计算得到；前轮轮胎滑移角(Δα)的变化由方向盘角度、偏航率、侧向加速度和车辆速度利用等式(1)计算得到。前轮有效回正刚度(A_s，m)是从转向力矩ΔM的变化来估计的，该转向力矩使用Δα和预定轮胎模型函数ε₁、ε₂和ε₃利用等式(2)和(3)计算得到。估计前轮有效回正刚度(A_s，m)对比预定的或基于当前轮车辆状况动态更新的参考前轮回正刚度以确定轮胎侧偏刚度相对于参考前轮回正刚度值的偏差。

本发明的某些实施例在执行基于那些信号的运算之前，先检查用于估计前轮有效回正刚度的车辆信号的准确性。准确性检查有助于确定传感器在诸如例如当一个轮胎在冰或泥上滑行时没有故障或对道路状况有反应。

因为轮胎可以是受到由于饱和的非线性高度和由于天气状况的不确定性的影响的车辆动态中的一部分，本发明的某些实施例还提供甚至是在非线性轮胎滑移时仍工作的前轮有效回正刚度的更强估计。前轮有效回正刚度可以表现为前轮回正扭矩与轮胎偏角的比率。因此，当轮胎偏角(分母)减小时，回正刚度增大。相应地，为了提供非线性，本教导的实施例通过在短的时间段上的多个估计的前轮有效回正刚度的递归改进估计来确定最大前轮有效回正刚度。最大前轮有效回正刚度是源于现有轮胎状况的最高估计刚度，其与参考前轮回正刚度相比较来确定轮胎侧偏刚度偏差。

本教导预计监测轮胎侧偏刚度偏差值，且如果偏差超过指定值，指示例如一个或多个车辆轮胎需要被检查和/或维修时，警示驾驶员(或其他合适的人、诸如行为者或机修工)。本教导的某些实施例仅在车辆侧偏或转向的时间段内监测轮胎侧偏刚度。车辆侧偏的存在可以通过例如偏航率和方向盘角度来确定。

当本发明已经以示例性实施例公开以便更便于对发明的理解时，应该理解本发明可以在不背离本发明的原则的条件下以不同的方式实施。因此，本发明应该理解为包括在不背离由所附权利要求所设定的本发明的原则的条件下实施的所有可能的实施例。所公开的本教导对前轮、后轮和四轮驱动车辆来说都能一样良好地实施，而不取决于车辆驱动类型。

为了本说明书和所附的权利要求的目的，除非另外指出，所有表示数量、百分比或比例的数字和其他用于说明书和权利要求中的数值通过术语“大约”应该理解为在所有实施例中是可以改变的。相应地，除非指示相反，在说明书和权利要求中阐明的数值参数是近似的，其可根据本发明寻求获得的所要求的性能而改变。至少，不是企图限制权利要求应用等同原则，每个数值参数应该至少根据所报的有效数字和通过应用普通四舍五入技术被理解。

应该注意到，正如在本说明书和所附的权利要求中所用的，单数形式“a”“an”和“the”包括复数指代物，除非是明确地不含糊地限定为一个指代物。因此，例如，“a sensor”的指代物包括两个或多个不同的传感器。如在此使用的，术语“包括”和其语法变化是非限制性的，这样，列表中术语的叙述不排除可取代或加入到列表中的其他相似的术语。

对于本领域的技术人员来说，在不背离本教导的保护范围的条件下，对本公开的***和方法的各种改变和变化将是显而易见的。通过对在此公开的本教导的说明书和实施例的理解，本公开的其他实施例对于本领域技术人员将显而易见。应该预计到，在此描述的说明书和实施例仅理解为示例性的。

Claims (12)

1.一种轮胎侧偏力估计和监测***，其特征在于包含：

转向扭矩传感器、方向盘角度传感器、偏航率传感器、侧向加速度传感器和速度传感器；

设置成从该转向扭矩传感器、方向盘角度传感器、偏航率传感器、侧向加速度传感器和速度传感器中接收至少一个信号并且如果轮胎侧偏刚度偏差指示一个或多个车辆轮胎需要检查或维修时发出报警的至少一个控制器，其中，

该控制器设置为基于所述至少一个信号来确定前轮总转向力矩及前轮轮胎偏角、基于该前轮总转向力矩及该前轮轮胎偏角来估计前轮有效回正刚度、以及对比该估计的前轮有效回正刚度和参考前轮回正刚度以确定轮胎侧偏刚度偏差；以及

设置成从该控制器接收信号并指示一个或多个车辆轮胎需要检查或维修的报警***。

2.根据权利要求1所述的轮胎侧偏力估计和监测***，其特征在于该参考前轮回正刚度是基于车辆状况动态更新的。

3.根据权利要求2所述的轮胎侧偏力估计和监测***，其特征在于该报警***设置成当该轮胎侧偏刚度偏差超过指定值时向车辆驾驶员提供反馈。

4.根据权利要求3所述的轮胎侧偏力估计和监测***，其特征在于提供给车辆驾驶员的该反馈是当前轮胎物理状况反馈。

5.一种用于估计和监测车辆的轮胎侧偏力的方法，其特征在于包含：

分别从转向扭矩传感器、方向盘角度传感器、偏航率传感器、侧向加速度传感器和速度传感器接收相应于转向扭矩、方向盘角度、偏航率、侧向加速度和速度的信号；

基于前轮总转向力矩和前轮轮胎偏角来估计前轮有效回正刚度，其中对比前轮有效回正刚度与参考前轮回正刚度以确定轮胎侧偏刚度偏差；以及

当轮胎侧偏刚度偏差超过指定值时发出警报指示一个或多个车辆轮胎需要检查或者维修，该轮胎侧偏刚度偏差表示计算车辆前轮有效回正刚度和参考车辆前轮有效回正刚度的对比。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于进一步包含基于车辆状况动态更新该参考前轮回正刚度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于发出警报包含当轮胎侧偏刚度偏差超过该指定值时向车辆驾驶员提供反馈。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于提供给车辆驾驶员的该反馈是当前轮胎物理状况反馈。

9.一种估计和监测车辆的轮胎侧偏力的方法，其特征在于包含：

基于前轮总转向力矩的至少一个变化和前轮平均轮胎偏角的至少一个变化来估计前轮有效回正刚度；

对比估计的前轮有效回正刚度和参考前轮回正刚度以确定轮胎侧偏刚度偏差；及

当当前轮胎侧偏刚度偏差超过指定值时提供反馈。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于进一步包含通过在短时间段上的多个估计从前轮有效回正刚度的递归的改进估计中确定最大前轮有效回正刚度，这使得对于该方法可用于非线性轮胎滑移范围。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于对比该最大前轮有效回正刚度与该参考前轮回正刚度以确定轮胎侧偏刚度偏差。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于估计是在1秒间隔内做出的。

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