CN104097641A - 用于估计道路坡度的*** - Google Patents

Abstract

用于估计道路坡度的***包括：信号处理器，接收原始信号，该原始信号包括从6自由度（6DOF）惯性传感器传送的关于加速度和旋转速度的信息；车辆运动估计器，基于来自6DOF惯性传感器的经信号处理器滤波的信号和从车辆传感器传送的车辆测量信息，计算车辆的整体角度。该***还包括：车辆悬架角度估计器，基于来自6DOF惯性传感器的信号和车辆测量信息计算车辆悬架角；以及道路坡度估计器，确定车辆整体角度与车辆悬架角之间的差值以便计算道路坡度。

Description

用于估计道路坡度的***

相关申请的交叉参考

本申请要求2013年4月15日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2013-0040864号的优先权和权益，其公开内容全部引入本文以供参考。

技术领域

本公开涉及用于估计道路坡度的***。

背景技术

通常，车辆稳定性控制装置基于利用二自由度（DOF）惯性传感器的横向加速度和横摆角速度，或基于利用3DOF惯性传感器的纵向加速度、横向加速度、和横摆角速度来估计道路坡度。

在这些情形下，仅在有限条件下例如当车辆在一般条件下转弯（corner）时，可有效地计算道路的横向坡角。然而，当车辆在横向坡角急剧变化的情况下转弯时，难于精确估计横向坡角。

进一步，上述方法很大程度受车辆参数例如质量、轮胎、以及道路摩擦系数的变化的影响，因为其取决于车辆的物理模型。

发明内容

因此，作出本公开以解决现有技术中出现的上述问题，同时现有技术实现的优点保持不变。

本公开提供通过利用6DOF惯性传感器来实时估计道路坡角的***。

本公开的一方面是用于估计道路坡度的***，包括接收原始信号并对其执行滤波的信号处理器，该原始信号包括从6自由度（6DOF）惯性传感器传送的关于加速度和旋转速度的信息。车辆运动估计器基于来自6DOF惯性传感器的经信号处理器滤波的信号并基于从车辆传感器传送的车辆测量信息来计算车辆的整体角度。车辆悬架角估计器基于来自6DOF惯性传感器的信号和车辆测量信息计算车辆悬架角。道路坡度估计器确定车辆的整体角度与车辆悬架角之间的差值，从而计算道路坡度。

车辆传感器可包括转向角传感器和轮速传感器。车辆测量信息可包括转向角测量信息和车速测量信息。

信号处理器可包括偏移补偿器，其对车辆的旋转速度和加速度进行偏移补偿。非对准误差补偿器补偿6DOF惯性传感器自身的误差。

偏移补偿器可使用式1执行车辆的旋转速度校正，并使用等式2执行车辆的加速度校正，

【等式1】

其中ω_x、ω_y、和ω_z分别表示侧倾角速度（roll rate）、俯仰角速度（pitch rate）、以及横摆角速度（yaw rate），

【等式2】

其中α_x、α_y、和α_z分别表示纵向加速度、横向加速度和垂直加速度。

非对准误差补偿器可补偿制造6DOF惯性传感器时的正交误差、6DOF惯性传感器自身的灵敏度误差、以及横轴灵敏度。

车辆运动估计器可包括：使用预定的加速度等式计算车辆的静态侧倾角和俯仰角的静态侧倾/俯仰计算器，以及确定车辆在静态（处于静止状态）时的车辆的初始侧倾角和俯仰角的初始侧倾/俯仰计算器。侧倾/俯仰增益计算器基于车辆测量信息计算侧倾角和俯仰角的加权增益值。整体车辆侧倾/俯仰估计器基于由静态侧倾/俯仰计算器、初始侧倾/俯仰计算器、以及侧倾/俯仰增益计算器所计算的信息来计算车辆的整体侧倾角和俯仰角。

侧倾/俯仰增益计算器通过将来自6DOF惯性传感器的信号和车辆测量信息与俯仰角查询表和侧倾角查询表进行比较，可将权重分配给静态侧倾角和俯仰角。

侧倾/俯仰增益计算器可包括俯仰角权重确定器，其确定纵向加速度、俯仰角速度、后轮的横向滑动角以及横摆角速度的信号水平是否等于或高于参考水平的动态条件。基于俯仰角查询表，静态俯仰角增益值被调节为较小值。侧倾角权重确定器确定转向角的变化率、横向加速度、伪车辆侧倾、以及后轮横向滑动角信号的信号水平是否等于或高于参考水平的动态条件。基于侧倾角查询表，静态侧倾角增益值被调节为较小值。

在通过将纵向加速度、俯仰角速度、后轮的横向滑动角、以及横摆角速度的信号应用到预定的陀螺积分方程而计算的值增加时，俯仰角权重确定器可将静态俯仰角增益值调节为相对小的值。

在通过将转向角的变化率、横向速度、伪车辆侧倾、以及后轮的横向滑动角的信号应用到预定的陀螺积分方程而计算的值增加时，侧倾角权重确定器可将静态侧倾角增益值调节为相对小的值。

参考附图从下面的描述中会更加认识到本公开的各种特征和优点。

附图说明

根据以下结合附图的具体实施方式，本公开的上述和其它目的、特征和优点将更明显，其中：

图1是示出根据本公开实施方式的用于估计道路坡度的***的配置的框图；

图2是详细示出图1中信号处理器的配置的框图；

图3是详细示出图1中车辆运动估计器的配置的框图；并且

图4是详细示出图3中侧倾/俯仰增益计算器的配置的框图。

附图中每个元素的标记

110：信号处理单元

111：偏移补偿单元

113：非对准误差补偿单元

130：车辆运动估计单元

131：静态侧倾/俯仰计算单元

133：初始侧倾/俯仰计算单元

135：侧倾/俯仰增益计算单元

137：整体车辆侧倾/俯仰估计单元

141：俯仰角权重确定单元

143：侧倾角权重确定单元

150：车辆悬架角估计单元

170：道路坡度估计单元

200：6DOF传感器

300：车辆传感器

具体实施方式

根据以下结合附图的具体实施方式，可更清楚地理解本公开的上述和其它目的、特征和优点。须注意不同附图中出现的相同的元件会具有相同的附图标记。进一步，在描述本公开时，可能省略已知特征的描述，以便不使本公开的主旨模糊。下面将参考附图详细描述本公开的实施方式。

参考图1，用于估计道路坡度的***100可包括信号处理器110、车辆运动估计器130、车辆悬架角估计器150、以及道路坡度估计器170。

具体地，信号处理器110可接收原始信号以便执行滤波，该原始信号包括从6自由度（6DOF）惯性传感器200传送的关于加速度和旋转速度的信息。

6DOF惯性传感器200是指能够测量绕三个轴的平移和旋转运动的传感器。

如图2所示，信号处理器110可包括补偿车辆的旋转速度和加速度的偏移（offset）补偿器111，以及补偿由6DOF惯性传感器200自身引起的误差的非对准误差补偿器113。

偏移补偿器111执行陀螺传感器偏移补偿和加速度传感器偏移补偿。陀螺传感器偏移补偿在车辆为静态（处于静止状态）且速度（角速度）在某个值之下时将偏移限定为某个时间段的平均值。加速度传感器偏移补偿在车辆为静态（处于静止状态）且加速度在某个值之下时将偏移限定为某个时间段的平均值。

具体地，偏移补偿器111可使用等式1执行车辆的旋转速度校正，并可使用等式2执行车辆的加速度校正。

【等式1】

ω_x、ω_y、和ω_z分别表示侧倾角速度、俯仰角速度、以及横摆角速度。

【等式2】

α_x、α_y、和α_z分别表示纵向加速度、横向加速度和垂直加速度。

非对准误差补偿器113可补偿制造6DOF惯性传感器200时的正交误差、6DOF惯性传感器自身的灵敏度误差、以及横轴灵敏度。

此处，非对准误差补偿器113可补偿来自6DOF惯性传感器200的信号，偏移补偿器111已经从该信号中除去偏移。

上述非对准误差补偿器113可使用等式3和4补偿6DOF惯性传感器200自身的误差，以使由传感器测量的值的可靠性可以进一步增加。

【等式3】

ω_x、ω_y、和ω_z分别表示侧倾角速度、俯仰角速度、以及横摆角速度。

【等式4】

α_x、α_y、和α_z分别表示纵向加速度、横向加速度和垂直加速度。

车辆运动估计器130可基于来自6DOF惯性传感器的经信号处理器110滤波的信号和从车辆传感器300传送的车辆测量信息计算车辆的整体角度。

车辆传感器300可包括转向角传感器和轮速传感器，因此车辆测量信息可包括转向角测量信息和车速测量信息。

转向角传感器（SAS）用于确定转向、角度、速度并将其输送到车辆动态控制器（VDC）和电子控制单元（ECU）。各自安装于四个车轮中的各个的轮速传感器用于基于音轮（tone wheel）和传感器中磁场线的变化而感测车轮旋转速度。感测的信息被输入到计算机，从而在快速制动时或在滑路上制动时控制液压制动器的压力，以便将车辆保持于控制下并缩短制动距离。

参考图3，车辆运动估计器130可包括静态侧倾/俯仰计算器131、初始侧倾/俯仰计算器133、侧倾/俯仰增益计算器135、以及整体车辆侧倾/俯仰估计器137。

具体地，静态侧倾/俯仰计算器131可使用预定的加速度等式计算静态侧倾角和俯仰角。

更具体地，静态侧倾/俯仰计算器131可基于加速度传感器使用等式5计算静态侧倾角和俯仰角。

【等式5】

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{v}}_x\\ {\stackrel{\·}{v}}_y\\ {\stackrel{\·}{v}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& {\mathrm{\ω}}_z& -{\mathrm{\ω}}_y\\ -{\mathrm{\ω}}_z& 0& {\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y& -{\mathrm{\ω}}_x& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ v_z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\\ a_z\end{array}\right]-g\left[\begin{array}{c}-\sin \widehat{\mathrm{\θ}}\\ \sin \widehat{\mathrm{\θ}}\cos \widehat{\mathrm{\θ}}\\ \cos \widehat{\mathrm{\φ}}\cos \widehat{\mathrm{\θ}}\end{array}\right]$

$\widehat{\mathrm{\θ}}\≡{\sin }^{-1}\left(\frac{{-a}_x-{\mathrm{\ω}}_z{v}_y+{\stackrel{\·}{v}}_x}{g}\right)$

$\widehat{\mathrm{\θ}}\≡{\sin }^{-1}\left(\frac{a_y-{\mathrm{\ω}}_z{v}_x-{\stackrel{\·}{v}}_y}{g}\right)$

ω_x、ω_y、和ω_z分别表示侧倾角速度、俯仰角速度、以及横摆角速度，而α_x、α_y、和α_z分别表示纵向加速度、横向加速度和垂直加速度。

初始侧倾/俯仰计算器133可确定车辆在静态时的初始侧倾角和俯仰角。例如，初始侧倾/俯仰计算器133在车辆开始行驶之前确定初始侧倾角和俯仰角。

侧倾/俯仰增益计算器135可基于车辆测量信息计算侧倾角和俯仰角的加权增益值。此处，加权增益值是指用于确定给定物理量中待反映的静态侧倾角和俯仰角部分的值。也就是说，加权增益值越高，在确定整体侧倾角和俯仰角时反映的静态侧倾角和俯仰角越多。如果加权增益值变得较小，则在确定整体侧倾角和俯仰角时较少地反映静态侧倾角和俯仰角，且陀螺积分方程部分相对增加。

此处，侧倾/俯仰增益计算器135通过将来自6DOF惯性传感器的信号和车辆测量信息与俯仰角查询表和侧倾角查询表进行比较，可将权重分配给静态侧倾角和俯仰角。

也就是说，当车辆处于动态行驶条件时，侧倾/俯仰增益计算器135将更高的权重分配给从陀螺积分方程获得的角度估计，并当车辆处于静态行驶条件时，将更高的权重分配给从加速度传感器获得的角度估计。通过这样做，道路坡度值的计算被更精确地划分。

如图4所示，侧倾/俯仰增益计算器135可包括俯仰角权重确定器141和侧倾角权重确定器143。

俯仰角权重确定器141可考虑纵向加速度、俯仰角速度、后轮的横向滑动角以及横摆角速度的信号，并确定信号水平是否增加到参考水平或更高的动态条件以便基于俯仰角查询表减小静态俯仰角增益值。

此处，在通过将纵向加速度、俯仰角速度、后轮的横向滑动角以及横摆角速度的信号应用到预定陀螺积分方程而计算的值增加时，俯仰角权重确定器141可将静态俯仰角增益值调节为相对小的值。

此处，侧倾角权重确定器143考虑转向角的变化率、横向加速度、伪车辆侧倾和后轮的横向滑动角的信号，并且如果这些信号水平高于参考水平则确定车辆处于动态条件，以使侧倾角权重确定器143可基于侧倾角查询表将静态侧倾角增益值调节为相对小的值。

此处，在通过将转向角的变化率、横向速度、伪车辆侧倾、以及后轮的横向滑动角的信号应用到预定陀螺积分方程而计算的值增加时，侧倾角权重确定器143可将静态侧倾角增益值调节为相对小的值。

伪车辆侧倾意味着横向加速度-纵向速度*横摆角速度-横向速度V_y的时间导数。

整体车辆侧倾/俯仰估计器137可基于由静态侧倾/俯仰计算器131、初始侧倾/俯仰计算器133和侧倾/俯仰增益计算器135计算的信息来计算整体车辆侧倾角和俯仰角。

具体地，整体车辆侧倾/俯仰估计器137可使用等式6计算整体车辆侧倾角和俯仰角。

【等式6】

ω_x、ω_y、和ω_z分别表示侧倾角速度、俯仰角速度、以及横摆角速度，而α_x、α_y、和α_z分别表示纵向加速度、横向加速度和垂直加速度。

进一步，表示静态侧倾角和俯仰角，k_侧倾表示侧倾角增益值，k_俯仰表示俯仰角增益值，且 $\left[\begin{array}{c}\widehat{\mathrm{\φ}}\\ \hat{o}\\ \widehat{\mathrm{\ψ}}\end{array}\right]$ 表示侧倾角、俯仰角和横摆角。

此外，车辆悬架角估计器150可基于来自6DOF惯性传感器的信号和车辆测量信息计算车辆悬架角。

具体地，车辆悬架角估计器150可使用等式7计算车辆悬架角。

【等式7】

表示车辆悬架侧倾角，θ_{sus_俯仰}表示车辆悬架俯仰角，T表示常数，且K_sus表示增益值。

道路坡度估计器170可确定整体车辆角度与车辆悬架角之间的差值，从而计算道路坡度。道路坡度估计器170可通过从由车辆运动估计器130估计的整体车辆角度中减去由车辆悬架角估计器150估计的车辆悬架角来计算道路坡度。

根据本公开的实施方式，在车辆悬架侧倾角和道路横向坡角都存在的情形中，其可被彼此独立地正确估计。

此外，道路坡度估计***100可改善安装在车辆上的多种部件，因此改善适销性，并提供更好的驾驶体验。例如，借助道路坡度估计***100，安装在车辆中的电子防滑控制器（ESC）可实现灵敏度控制劣化的改进和对横向倾斜道路的控制，电动机驱动的动力转向器（MDPS）可减小横向倾斜道路上的倾斜，车道保持辅助***（LKAS）可改善横向倾斜道路上的车道保持转向体验，且智能巡航控制器（SCC）可改善纵向倾斜道路上的车速控制一致性体验。

如上所述，可通过利用6DOF惯性传感器以及转向车轮传感器和轮速传感器来实时地估计车辆的侧倾/俯仰角和道路的纵向/横向坡度。

进一步，实时彼此独立地估计车辆的侧倾/俯仰角和道路的坡角，且根据驾驶条件将权重可变地分配给车辆中的部件，从而改善分析的道路坡度的可靠性。

尽管为了示例说明的目的公开了本公开的实施方式，但可以理解，本公开不限于这些，且本领域技术人员将理解可以进行各种修改、添加和替换，而不偏离本公开的范围和精神。

因此，任何和所有修改、变化或等效布置都应视作落入本公开的范围内，且本公开的范围仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于估计道路坡度的***，包括：

信号处理器，接收原始信号并对其执行滤波，所述原始信号包括从6自由度（6DOF）惯性传感器传送的关于加速度和旋转速度的信息；

车辆运动估计器，基于来自所述6DOF惯性传感器的经所述信号处理器滤波的信号并基于从车辆传感器传送的车辆测量信息，计算车辆整体角度；

车辆悬架角估计器，基于来自所述6DOF惯性传感器的信号和所述车辆测量信息，计算车辆悬架角；以及

道路坡度估计器，确定所述车辆整体角度和所述车辆悬架角之间的差值以便计算道路坡度。

2.根据权利要求1所述的***，其中所述车辆传感器包括转向角传感器和轮速传感器；并且

所述车辆测量信息包括转向角测量信息和车速测量信息。

3.根据权利要求1所述的***，其中所述信号处理器包括：

偏移补偿器，对车辆的所述旋转速度和所述加速度进行偏移补偿；以及

非对准误差补偿器，补偿所述6DOF惯性传感器自身的误差。

4.根据权利要求3所述的***，其中所述偏移补偿器使用等式1执行车辆的旋转速度校正，并使用等式2执行车辆的加速度校正：

【等式1】

其中ω_x、ω_y、和ω_z分别表示侧倾角速度、俯仰角速度、以及横摆角速度；并且

【等式2】

其中α_x、α_y、和α_z分别表示纵向加速度、横向加速度和垂直加速度。

5.根据权利要求3所述的***，其中所述非对准误差补偿器补偿制造所述6DOF惯性传感器时的正交误差、所述6DOF惯性传感器自身的灵敏度误差、以及横轴灵敏度。

6.根据权利要求1所述的***，其中所述车辆运动估计器包括：

静态侧倾/俯仰计算器，使用预定的加速度等式计算车辆的静态侧倾角和俯仰角；

初始侧倾/俯仰计算器，确定车辆在静态时的车辆的初始侧倾角和俯仰角；

侧倾/俯仰增益计算器，基于所述车辆测量信息计算所述侧倾角和俯仰角的加权增益值；以及

整体车辆侧倾/俯仰估计器，基于由所述静态侧倾/俯仰计算器、所述初始侧倾/俯仰计算器、以及所述侧倾/俯仰增益计算器计算的信息，计算车辆的整体侧倾角和俯仰角。

7.根据权利要求6所述的***，其中所述侧倾/俯仰增益计算器通过将来自所述6DOF惯性传感器的信号和所述车辆测量信息与俯仰角查询表和侧倾角查询表进行比较，将权重分配给所述静态侧倾角和俯仰角。

8.根据权利要求7所述的***，其中所述侧倾/俯仰增益计算器包括：

俯仰角权重确定器，确定纵向加速度、俯仰角速度、后轮的横向滑动角以及横摆角速度的信号水平是否等于或高于参考水平的动态条件，并基于所述俯仰角查询表将静态俯仰角增益值调节为较小值；以及

侧倾角权重确定器，确定转向角的变化率、横向加速度、伪车辆侧倾、以及后轮的横向滑动角信号的信号水平是否等于或高于参考水平的动态条件，并基于所述侧倾角查询表将静态侧倾角增益值调节为较小值。

9.根据权利要求8所述的***，其中在通过将所述纵向加速度、所述俯仰角速度、所述后轮的横向滑动角、以及所述横摆角速度的信号应用到预定的陀螺积分方程而计算的值增加时，所述俯仰角权重确定器将所述静态俯仰角增益值调节为相对小的值。

10.根据权利要求8所述的***，其中在通过将所述转向角的变化率、所述横向加速度、所述伪车辆侧倾、以及所述后轮的横向滑动角的信号应用到预定的陀螺积分方程而计算的值增加时，所述侧倾角权重确定器将所述静态侧倾角增益值调节为相对小的值。