CN112888608B - 用于使得车辆遵循期望曲率路径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使得车辆(100)遵循期望曲率路径(C1)的方法，所述车辆(100)包括至少一个差速器(10、20、30)，该至少一个差速器(10、20、30)具有连接到所述车辆(100)的至少一个从动轮车轴(40、50)的差速器锁，所述方法包括至少以下步骤：提供(S1)关于所述差速器锁的状态的信息，所述状态为所述差速器锁被激活或被解锁，并且当所述差速器锁被激活时：计算(S2)由所述差速器锁引起的所述车辆(100)的横摆力矩M_diff；以及补偿(S3)由横摆力矩M_diff引起的与所述期望曲率路径(C1)的偏差，使得所得到的转向角等于或小于所述车辆(100)的最大允许转向角，由此所述补偿是前馈补偿。本发明还涉及一种控制单元、一种车辆、一种计算机程序和一种计算机可读介质。

Description

用于使得车辆遵循期望曲率路径的方法

技术领域

本发明涉及一种用于使得车辆遵循期望曲率路径的方法，其中，所述车辆包括至少一个差速器，该至少一个差速器具有连接到车辆的至少一个从动轮车轴的差速器锁。进一步，本发明涉及一种包括该方法的控制单元、一种车辆、一种包括用于执行该方法的步骤的装置的计算机程序以及一种携带包括用于执行该方法的步骤的程序代码装置的计算机程序的计算机可读介质。

本发明可以应用于诸如卡车这样的重型车辆、公共汽车和施工装备。虽然本发明将相对于卡车进行描述，但是本发明不限于这种特定的车辆，而是也可以用于其它车辆，诸如乘用车。

背景技术

车辆的转向、制动和推进通常由车辆的驾驶员控制。在当今的现代车辆(包括卡车、公共汽车等)中，驾驶员也可以由驾驶员辅助***(诸如车道保持辅助***、制动辅助***等)辅助。

这种***的一个示例可以在US2005/0283290 A1中找到，该专利涉及一种用于影响机动车辆的转向行为的过程，该机动车辆具有至少一个差速器锁和转向***，利用该转向***可以生成第一横摆力矩以及补充角，该补充角可以超控驾驶员转向角，并且利用该补充角可以生成第二横摆力矩。因此，可以计算补充角，并且可以生成补偿第一横摆力矩的第二横摆力矩。

虽然包括半自主和全自主车辆在内的更先进的车辆的快速发展，然而仍然存在朝向进一步提高车辆转向功能的自动化的努力。

发明内容

鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种用于使车辆遵循期望曲率路径的改进的方法，和/或一种用于控制车辆以遵循期望曲率路径的控制单元，和/或一种车辆。

根据第一方面，该目的通过根据本发明所述的方法来实现。根据第二方面，该目的通过根据本发明所述的控制单元来实现。根据第三方面，该目的通过根据本发明所述的车辆来实现。根据第四方面，该目的通过根据本发明所述的计算机程序来实现。根据第五方面，该目的通过根据本发明所述的计算机可读介质来实现。

根据其第一方面，通过一种用于使车辆遵循期望曲率路径的方法来提供该目的，所述车辆包括至少一个差速器，所述至少一个差速器具有连接到所述车辆的至少一个从动轮车轴的差速器锁，所述方法至少包括以下步骤：

-提供关于所述差速器锁的状态的信息，所述状态为所述差速器锁被激活或被解锁，并且当所述差速器锁被激活时：

-计算由所述差速器锁引起的所述车辆的横摆力矩M_diff；以及

-补偿由所述横摆力矩M_diff引起的与期望曲率路径的偏差，使得所得到的转向角等于或小于所述车辆的最大允许转向角，由此补偿是前馈补偿。

通过提供上述方法，提供了对车辆的期望曲率路径的改进的遵循。更具体地，已经发现以前馈方式补偿由差速器锁引起的横摆力矩将允许车辆更好地遵循期望曲率路径。因此，所得到的转向角可以被优化用于遵循期望曲率路径，而不仅仅用于补偿由激活的差速器锁引起的横摆力矩。

可选地，该方法可以进一步包括以下步骤：

-通过计算所述期望曲率路径(C1)的车辆曲率横摆力矩M_{z_曲率}来计算总期望横摆力矩M_z，其中所述总期望横摆力矩M_z被定义为M_{z_曲率}+M_diff，其中所得到的转向角由总期望横摆力矩M_z提供。因此，为了获得所得到的转向角，当差速器锁被激活时，可能需要计算两个力矩M_{z_曲率}和M_diff。进一步，当差速器锁被解锁时，可能只需要曲率横摆力矩M_{z_曲率}以用于检索所得到的转向角。换句话说，在这种情况下，M_diff将为零。

可选地，车辆可以是半自主车辆或全自主车辆。也就是说，已经发现上面定义的方法可能特别适用于这种车辆。半自主车辆是指在没有直接人类参与的情况下连续或间歇地控制车辆的至少转向以及可选地控制车辆的制动和推进中的至少一个的车辆，而全自主车辆是指在没有直接人类参与的情况下连续或间歇地控制车辆的转向、制动和推进中的全部的车辆。事实上，该方法可能特别适用于这样的车辆，其中，仅存在呈车辆的期望的车辆加速度和曲率路径的形式的轨迹输入，并且其中没有呈例如方向盘角度的形式的驾驶员输入。

可选地，可以在车辆的力生成部分中执行补偿，该力生成部分至少用于计算车辆的期望力和力矩，以控制车辆的转向、制动和推进中的至少一个。仍然可选地，该方法可以进一步包括将补偿作为前馈补偿提供给车辆的运动支持设备协调器的步骤，该运动支持设备协调器用于控制车辆的转向、制动和推进中的至少一个。因此，通过将补偿集成在车辆的力生成部分中，并且然后将补偿转发给运动支持设备协调器，可以提供进一步改善的和更快的补偿。否则，由差速器锁被激活所引起的路径误差可以通过反馈回路来解决。但是，这可能导致车辆将比通过本发明将实现的更多地偏离其期望曲率路径。进一步，力生成部分还可以以前馈方式计算请求纵向力F_{x_req}，其中请求纵向力可以被计算为车辆的质量乘以请求加速度，加上特定阻力。该阻力可以以前馈方式提供给运动支持协调器，即以与横摆力矩M_diff类似的方式。阻力可以例如涉及空气阻力、道路坡度和车辆横摇。通过将阻力包括为前馈部分，可以更精确地实现期望的加速度。类似的逻辑用于使车辆遵循期望曲率路径。因此，力生成部分和运动支持设备协调器优选地用于半自主和/或全自主车辆。

可选地，计算出的横摆力矩M_diff可以基于以下参数中的至少一个来计算：

-期望曲率路径(C1)，优选地，所述期望曲率路径(C1)基于用于车辆自动化的预测路径，

-车辆坐标系中的车辆速度，

-车轮坐标系中的车辆速度，

-连接到至少一个从动轮车轴的车轮的车轮速度，

-连接到至少一个从动轮车轴的车轮的车轮半径，

-施加在连接到至少一个从动轮车轴的车轮上的法向力，

-连接到至少一个从动轮车轴的车轮的摩擦系数，以及

-车辆的轮距。

可选地，该方法可以进一步包括以下步骤：

-当标识出与连接到至少一个从动轮车轴的至少一个车轮的滑移相关的滑移值时，激活连接到至少一个从动轮车轴的至少一个差速器锁，其中该滑移值等于或高于预定滑移阈值。

可选地，当车辆在摩擦系数低于摩擦系数阈值的低摩擦表面上行进并且当至少一个差速器锁被激活时，当连接到至少一个从动轮车轴的至少一个车轮的标识出的滑移低于滑移极限时，该至少一个差速器锁可以继续被激活，其中该滑移极限优选地大于低摩擦表面的峰值滑移。由此，差速器锁可以被允许被激活更长的时间段，从而在更长时间内为车辆提供改善的牵引力。峰值滑移可以被定义为车轮上的最大驱动力作用在其上的点，此后驱动力将减小，并且车轮滑移将增加。

仍然可选地，该方法可以进一步包括以下步骤：

-当标识出的滑移大于滑移极限时，解锁连接到至少一个从动轮车轴的至少一个差速器锁。

可选地，当车辆在具有高于摩擦系数阈值的特定摩擦系数的高摩擦表面上行进并且当至少一个差速器锁被激活时，如果连接到至少一个从动轮车轴的车轮的车轮力的总和小于车轮的法向力乘以特定摩擦系数，则该至少一个差速器锁可以继续被激活。这意味着差速器锁可以被允许激活持续更长的时间，直到存在车轮车轴的旋转缠绕的风险为止。仍然可选地，该方法可以进一步包括以下步骤：

-如果连接到至少一个从动轮车轴的车轮的车轮力的总和大于车轮的法向力乘以特定摩擦系数，则解锁连接到至少一个从动轮车轴的至少一个差速器锁。

低摩擦表面可以是包括冰、雪、砾石等的表面。高摩擦表面可以是例如没有被冰、雪和/或砾石覆盖的沥青表面、混凝土表面等。表面的摩擦系数可以例如在车辆的驾驶期间测量和估计，和/或可以从车辆中或外部的数据库中提供。摩擦估计对于技术人员来说是众所周知的，因此在本文中不再详细描述。

通过当在低摩擦和/或高摩擦表面上行进时如上所指示那样控制至少差速器锁，可以在更长时间内提供改善的牵引力，直到车辆稳定性占优。可选地，用于判定表面是低摩擦表面还是高摩擦表面的(多个)摩擦系数阈值可以相同或不同。

根据本发明的第二方面，该目的由一种用于控制车辆遵循期望曲率路径的控制单元提供，所述控制单元被配置用于执行如上文中描述的方法中的实施例中的任何一个的步骤。第二方面的优点类似于由根据第一方面的方法所提供的优点。还应注意的是，第一方面的所有实施例能够与第二方面的所有实施例组合，反之亦然。

根据其第三方面，该目的由一种车辆提供，所述车辆包括至少一个差速器，所述至少一个差速器具有连接到所述车辆的至少一个从动轮车轴的差速器锁；并且进一步包括根据第二方面的控制单元。第三方面的优点类似于由根据第一方面的方法所提供的优点。还应注意的是，第一和第二方面的所有实施例能够与第三方面的所有实施例组合，反之亦然。

用于车辆的差速器和差速器锁是用于改善车辆的驱动特性和牵引的众所周知的机械部件，因此在此不再进一步描述。

可选地，车辆可以是半自主或全自主车辆。

可选地，车辆可以是卡车、重型卡车、施工装备车辆或公共汽车中的任何一种。

可选地，车辆可以包括至少一个差速器，该至少一个差速器具有连接到车辆的至少两个相应的从动轮车轴的至少两个相应的差速器锁。

根据本发明的第四方面，该目的通过包括程序代码装置的计算机程序提供，该程序代码装置用于当该程序在计算机上运行时执行如上文中描述的方法的步骤。

根据本发明的第五方面，该目的通过携带计算机程序的计算机可读介质提供，该计算机程序包括程序代码装置，该程序代码装置用于当所述程序产品在计算机上运行时执行如上文中描述的方法的步骤。

本发明的另外的优点和有利特征在以下描述和从属权利要求中公开。

附图说明

参考附图，下文是作为示例引用的本发明的实施例的更详细的描述。

在附图中：

图1示出了呈卡车的形式的车辆；

图2示出了车辆的示意性图示；

图3示出了车辆的曲率路径；

图4示出了根据本发明的示例实施例的方法的流程图；

图5示出了根据本发明的示例实施例的控制单元；

图6示出了峰值滑移值的示例；并且

图7示出了常数值k的示例。

附图示出了本发明的示意性示例性实施例，因此不一定按比例绘制。应当理解的是，所示出和描述的实施例是示例性的，并且本发明不限于这些实施例。还应当注意，附图中的一些细节可能被夸大以便更好地描述和说明本发明。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件，除非另有说明。

具体实施方式

图1示出了呈卡车100形式的车辆，本发明的方法可以有利地被实施于该卡车100形式的车辆。如图1所示的卡车100是用于牵引不同类型拖车的牵引卡车。因此，本发明适用于车辆和车辆组合(也称为铰接式车辆组合)。但是，应注意的是，本发明不仅可用于卡车，而且同样可用于其它车辆，诸如公共汽车、施工装备、轿车等，这些车辆包括具有至少一个差速器锁的至少一个差速器。

图2示出了从上方观察的车辆100(例如卡车)的示意性图示。在这个特定实施例中，车辆100包括两个从动后轮车轴40和50。两个车轮3和4连接到第一从动轮车轴40，并且两个车轮5和6连接到第二从动轮车轴50。第一差速器10设置在第一车轮车轴40上，第二差速器20设置在两个车轮车轴之间，并且第三差速器30设置在第二车轮车轴50上。差速器10、20和30设有差速器锁，这些差速器锁可以选择性地被激活和解锁。

如本文所提供的x方向对应于车辆的纵向方向，y方向对应于车辆的横向方向，并且z方向对应于车辆的竖直方向。

车辆100进一步包括两个前轮1和2，这两个前轮可以斜移，以允许车辆遵循曲率路径。进一步，如图中所见，车辆100具有一定的轮距T。

根据车辆被设置在车辆的左侧还是右侧上，可以根据以下两个等式计算每个相应车轮处的车辆速度v_x,i：

其中，R是车辆的路径的曲率半径。

当差速器锁被激活时，每个从动轮(3至6)的角速度相同，也就是说，可以预期车轮的角速度(ω)之间的以下关系：

w_m，3＝w_m，4＝w_m，5＝w_m，6

每个车轮的牵引滑移λ_w,i可以依次通过以下等式计算：

其中，R_w是每个车轮的车轮半径。

由此，可以根据以下等式计算来自每个车轮处的差速器锁的受力作用：

其中，k是被定义为表面摩擦系数除以牵引滑移的常数，例如图7所示，其中μ_i是相应车轮处的摩擦系数，并且F_z是作用在z方向上的法向力。μ_i可以由F_x/F_zi定义。

由至少一个差速器锁引起的横摆力矩M_diff可以被计算为车轮力的总和乘以轮距T的一半，即：

用于控制车辆100所期望的力和力矩可以被定义为：

V^req＝[F_x，F_y，M_z]

其中，F_x可以被定义为：

其中，m是车辆的质量，a_x，req是x方向上的加速度；

其中，F_y可以被定义为：

其中，δ_f,路径为实际转向角，并且C_α为轮胎转弯刚度，也称为车辆的侧向滑移刚度；并且

其中，总期望横摆力矩M_z可以被定义为：

M_z＝M_{z_曲率}+M_diff。更详细地说，总期望横摆力矩M_z可以被定义为：

其中，l_f是x轴上的车辆的重心和车轮1和2设置在其上的车辆的前轮车轴之间的距离。因此，M_{z_曲率}在此被定义为：

通过如上所述计算力和力矩F_x、F_y和M_z，优选地在力生成部分中，可以补偿由横摆力矩M_diff引起的与期望曲率路径的偏差，使得所得到的转向角等于或小于车辆的最大允许转向角。当然，最大允许转向角可能根据车辆的类型而不同。例如，最大允许转向角可以对应于如下情形：前轮可以相对于车辆的向前方向成大约±75度角。所述力生成可以考虑由锁定的(即被激活的)差速器引起的横摆力矩M_diff，因此通过转向、制动至少一个车轮和车辆的推进中的至少一个来补偿横摆，以遵循期望曲率路径。

在当车辆100在摩擦系数低于摩擦系数阈值的低摩擦表面上行进、并且当至少一个差速器锁被激活时的情况下，当连接到至少一个从动轮车轴的至少一个车轮的标识出的滑移低于滑移极限时，该至少一个差速器锁可以继续被激活，其中该滑移极限大于低摩擦表面的峰值滑移。因此，在这种情形下，当满足以下条件时，差速器锁继续被激活：

λ_w，i＜λ_lim

例如，λ_lim可以是诸如0.1至0.6、或0.2至0.6、或0.3至0.6的值，其中λ_lim被设置为大于低摩擦表面的峰值滑移，其中0对应于无滑移，1对应于全滑移。图6中示出了峰值滑移的示例，其中可以看出，峰值滑移42出现在约0.2的滑移率处。如上所提及那样，低摩擦表面可以是包括冰、雪、砾石等的表面。另外，该方法可以进一步包括当标识出的滑移大于滑移极限时，解锁连接到至少一个从动轮车轴的至少一个差速器锁的步骤。

进一步，在当车辆在特定摩擦系数高于摩擦系数阈值的高摩擦表面上行进、并且当至少一个差速器锁被激活时的情况下，如果连接到至少一个从动轮车轴的车轮的车轮力的总和小于车轮的法向力乘以该特定摩擦系数，则该至少一个差速器锁继续被激活。这意味着差速器锁可以被允许激活持续更长的时间，直到存在车轮车轴的旋转缠绕的风险为止。因此，在这种情形下，当满足以下条件时，差速器锁继续被激活：

其中，μ是表面的特定摩擦系数，F_z是法向力。此外，该方法可以进一步包括以下步骤：如果连接到至少一个从动轮车轴的车轮的车轮力的总和大于车轮的法向力乘以特定摩擦系数，则解锁连接到至少一个从动轮车轴的至少一个差速器锁。

图3示出了车辆100的期望曲率路径C₁。已经发现，通过如本文所公开的控制车辆的所得到的转向角，车辆将更紧密地遵循由曲率C₂指示的期望曲率路径，而不是曲率C₃，该曲率C₃示出了当(多个)差速器锁被激活时、如果不执行补偿车辆可能采取的路径。

图4描述了本发明的方法的流程图。由虚线框示出的步骤S0是可选的。因此，该方法可以包括以下步骤：

-S0，当标识出与连接到至少一个从动轮车轴的至少一个车轮的滑移相关的滑移值时，激活连接到至少一个从动轮车轴的至少一个差速器锁，其中该滑移值等于或高于预定滑移阈值；

-S1，提供关于差速器锁的状态的信息，该状态是差速器锁被激活或被解锁，并且当差速器锁被激活时：

-S2，计算由差速器锁引起的车辆100的横摆力矩M_diff，以及

-S3，补偿由横摆力矩M_diff引起的与期望曲率路径C1的偏差，使得所得到的转向角等于或小于车辆100的最大允许转向角，由此补偿是前馈补偿。

图5示出了根据本发明的示例实施例的控制单元200。在这个实施例中，控制单元设置在自主车辆中，并且包括力生成部分210和运动控制设备协调器220。尽管图5指示控制单元200被设置为一个单元，但是相同的功能当然也可以用彼此靠近或远离的几个单元来提供。控制单元可以例如包括处理单元和/或存储器单元。再进一步，控制单元可以包括根据本发明的计算机程序和/或计算机可读介质。在这个示例中，补偿作为前馈补偿从力生成部分提供到运动支持设备协调器。

应当理解的是，本发明不限于以上描述的和附图中图示的实施例；相反，本领域技术人员将认识到，在所附权利要求的范围内可以进行许多改变和修改。

Claims (19)

1.一种用于使得车辆(100)遵循期望曲率路径(C1)的方法，所述车辆(100)包括至少一个差速器(10、20、30)，所述至少一个差速器具有连接到所述车辆(100)的至少一个从动轮车轴(40、50)的差速器锁，所述方法包括至少以下步骤：

-(S1)提供关于所述差速器锁的状态的信息，所述状态为所述差速器锁被激活或被解锁，并且当所述差速器锁被激活时：

-(S2)计算由所述差速器锁引起的所述车辆(100)的横摆力矩M_diff；以及

-(S3)补偿由所述横摆力矩M_diff引起的与所述期望曲率路径(C1)的偏差，使得所得到的转向角等于或小于所述车辆(100)的最大允许转向角，由此所述补偿是前馈补偿。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

-通过计算用于所述期望曲率路径(C1)的车辆曲率横摆力矩M_{z_曲率}来计算总期望横摆力矩M_z，其中，所述总期望横摆力矩M_z被定义为M_{z_曲率}+M_diff，其中，所得到的转向角由所述总期望横摆力矩M_z提供。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述车辆(100)是半自主车辆或全自主车辆。

4.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中，在所述车辆(100)的力生成部分(210)中执行所述补偿，所述力生成部分(210)至少用于计算所述车辆(100)的期望力和力矩，用于控制所述车辆(100)的转向、制动和推进中的至少一个。

5.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，进一步包括将所述补偿作为前馈补偿提供给所述车辆(100)的运动控制设备协调器(220)的步骤，所述运动控制设备协调器(220)用于控制所述车辆(100)的转向、制动和推进中的至少一个。

6.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中，基于以下参数中的至少一个来计算所述计算出的横摆力矩M_diff：

-期望曲率路径(C1)，

-车辆坐标系中的车辆速度，

-车轮坐标系中的车辆速度，

-连接到所述至少一个从动轮车轴的车轮的车轮速度，

-连接到所述至少一个从动轮车轴的所述车轮的车轮半径，

-施加在连接到所述至少一个从动轮车轴的所述车轮上的法向力，

-连接到所述至少一个从动轮车轴的所述车轮的摩擦系数，以及

-所述车辆(100)的轮距。

7.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

-当标识出与连接到所述至少一个从动轮车轴的至少一个车轮的滑移相关的滑移值时，(S0)激活连接到所述至少一个从动轮车轴的所述至少一个差速器锁，所述滑移值等于或高于预定滑移阈值。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，当所述车辆在摩擦系数低于摩擦系数阈值的低摩擦表面上行驶并且当所述至少一个差速器锁被激活时，当连接到所述至少一个从动轮车轴的至少一个车轮的标识出的滑移低于滑移极限时，所述至少一个差速器锁继续被激活。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

-当所述标识出的滑移大于所述滑移极限时，解锁连接到所述至少一个从动轮车轴的所述至少一个差速器锁。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，当所述车辆在具有高于摩擦系数阈值的特定摩擦系数的高摩擦表面上行进并且当所述至少一个差速器锁被激活时，如果连接到所述至少一个从动轮车轴的车轮的车轮力的总和小于所述车轮的法向力乘以所述特定摩擦系数，则所述至少一个差速器锁继续被激活。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

-如果连接到所述至少一个从动轮车轴的所述车轮的车轮力的总和大于所述车轮的法向力乘以所述特定摩擦系数，则解锁连接到所述至少一个从动轮车轴的所述至少一个差速器锁。

12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述期望曲率路径(C1)基于用于车辆自动化的预测路径。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述滑移极限大于所述低摩擦表面的峰值滑移。

14.一种用于控制车辆(100)遵循期望曲率路径(C1)的控制单元(200)，所述控制单元(200)被配置用于执行根据权利要求1至13中的任一项所述的步骤。

15.一种车辆(100)，包括至少一个差速器(10、20、30)，所述至少一个差速器(10、20、30)具有连接到所述车辆(100)的至少一个从动轮车轴的差速器锁；并且进一步包括根据权利要求14的所述控制单元(200)。

16.根据权利要求15所述的车辆(100)，其中，所述车辆(100)是半自主或全自主车辆。

17.根据权利要求15或16中的任一项所述的车辆(100)，其中，所述车辆(100)是卡车、重型卡车、施工装备车辆或公共汽车中的任一种。

18.根据权利要求15至16中的任一项所述的车辆(100)，包括至少一个差速器(10、20、30)，所述至少一个差速器(10、20、30)具有连接到所述车辆(100)的至少两个相应的从动轮车轴(40，50)的至少两个相应的差速器锁。

19.一种承载计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括程序代码装置，所述程序代码装置用于当所述程序产品在计算机上运行时执行权利要求1至13中的任一项所述的步骤。