CN113825683B - 用于确定机动车辆转弯期间的浮动角的方法、用于执行该方法的驾驶员辅助***及机动车辆 - Google Patents

用于确定机动车辆转弯期间的浮动角的方法、用于执行该方法的驾驶员辅助***及机动车辆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于确定在机动车辆的转弯期间的浮动角(beta)的方法，其中，检测以下输入变量并经由数学车辆模型(15)利用假设的线性单轨模型进行彼此关联：‑预给定或测得的前车轴(2)与后车轴(3)之间的质心(S)的位置，‑机动车辆(1)的当前的车速(v)，‑机动车辆的当前的转弯运动变量(psi点、a)，‑前车轴上的当前的转向角(delta)。为了简化在转弯期间确定浮动角，浮动角在以下假设的情况下确定，即，浮动角(beta)和阿克曼浮动角(beta0)之间的差与阿克曼角(deltaA)和转向角(delta)之间的差成比例，在此，从测得的转向角(delta)和阿克曼角(deltaA)之间的关系经由在同一弯道无打滑行驶时理论上存在的阿克曼浮动角(beta0)的比例关系推断出实际的浮动角(beta)。

Description

用于确定机动车辆转弯期间的浮动角的方法、用于执行该方 法的驾驶员辅助***及机动车辆
技术领域
本发明涉及用于确定在机动车辆转弯期间的浮动角的方法。本发明还涉及用于执行该方法的驾驶员辅助***以及涉及具有这种驾驶员辅助***的机动车辆。
背景技术
当机动车辆转弯时，机动车辆的质心并不沿车辆的纵轴线运动。转弯时车辆在质心处的运动方向与车辆纵轴线之间的角被称为浮动角(Schwimmwinkel)。该浮动角由仅与车辆中的质心的定位和弯道半径有关的几何上的分量以及后车轴的斜角组成。
在许多行驶情况中，浮动角可以被考虑用作机动车辆的行驶稳定性的度量并且可以提供给驾驶员辅助***，例如用于行驶动态调节。尤其是对于载重车辆来说设置有许多驾驶员辅助功能，通过了解当前的浮动角可以提高驾驶员辅助功能的效率。然而，浮动角只能非常耗费地测量并且通常通过估计来确定。通常，对在此更容易测量或已知的输入变量进行检测并经由数学车辆模型进行关联。
DE 10 2006 009 682 A1公开了一种用于基于当前在车辆上测得的值经由数学模型以及借助基于该模型的观测器估值通过对浮动角的估计来确定双车迹的车辆的行驶状态的方法。在已知的方法中，将至少沿车辆的横向方向的轮胎力或车轮力以及针对前车轴的两个车轮的至少一个转向角用作在车辆上测得的值。此外，还考虑到关于前车轴与后车轴之间的车辆的质心的位置的信息，此外，考虑使用测得的车辆的偏航率或偏航加速度以及纵向速度用于观测器估值比较。
然而，已知的方法需要了解的轮胎侧向力在车辆运行时无法测量，或者只能非常耗费地测量。
DE 10 2010 050 278 A1公开了一种用于估计浮动角的方法，其中，关于输入变量的信息经由假设的线性单轨模型进行关联，其状态变量最终是浮动角。测量车辆的转向角和速度作为输入变量。基于这些测量值根据数学模型来计算至少一个另外的变量，即偏航加速度和/或横向加速度。在此，在使用单轨模型时，还考虑到通过前车轴与后车轴之间的机动车辆的质心的位置确定的变量。为了基于单轨模型估计浮动角，已知的方法需要未经测量参数的新值，即至少一个车轮处的侧偏刚度。已知方法经由在使用卡尔曼滤波器情况下的观测器估值来实现对侧偏刚度的确定。最终借助线性单轨模型确定浮动角，更确切地说借助针对侧偏刚度的各当前值来确定。
发明内容
因此，本发明的任务是，对在机动车辆、尤其是载重车辆转弯时的浮动角的确定进行简化。
根据本发明，该任务通过具有本发明的特征的用于确定在机动车辆转弯时的浮动角的方法来解决。该任务还通过具有本发明的特征的用于执行方法的驾驶员辅助***以及本发明的具有这种驾驶员辅助***的机动车辆来解决。
根据本发明，在机动车辆稳定转弯的情况下的浮动角在以下假设的情况下来确定，即，浮动角和阿克曼条件下的浮动角，即所谓的阿克曼浮动角之间的差与阿克曼角和转向角之间的差成比例。将如下转弯理解为稳定转弯，其中，所获知的行驶动态变量位于预定的稳定性标准的范围内，超过该稳定性标准可以表明要对行驶稳定性进行干预。稳定转弯例如可以是稳态的圆形行驶或恒定的圆形行驶，其中，在考虑到弯道半径的情况下在考虑到预定的稳定性标准下的转向角和/或纵向速度和/或横向加速度的值的变化满足动态稳定的驾驶条件，并可以被视为准稳态。根据本发明的假设相应于以下等式：
(beta-beta0)～(deltaA-delta) (1)
其中，beta 浮动角
beta0 阿克曼浮动角
delta 转向角
deltaA 阿克曼角
阿克曼角在此是从转弯的瞬时极点到前车轴和后车轴的极射线所夹成的角度。阿克曼浮动角被理解为在同一弯道无打滑行驶时理论上出现的浮动角。从所测得的转向角与阿克曼角的关系经比例关系由与阿克曼浮动角推断出实际的浮动角。在考虑到线性比例的情况下得出了以下的关系，即，浮动角与阿克曼浮动角的差相对于阿克曼浮动角以及阿克曼角与转向角的差相对于阿克曼角的关系，从中推导出所寻求的关于浮动角度的信息：
(beta-beta0)/beta0＝(deltaA-delta)/deltaA
＝>beta＝beta0+(deltaA-delta)*beta0/deltaA (2)
根据本发明，驾驶员辅助***确定浮动角所基于的数学模型包括上述根据等式2的假设。
本发明已经认识到，阿克曼角和阿克曼浮动角在理论上都是无打滑的行驶状况，并且可以利用对轴距和质心位置的了解仅通过所测得的机动车辆的转向角和当前的转弯运动变量来确定。
因此，本发明提供了一种确定在机动车辆稳定转弯时的浮动角的途径，该浮动角仅基于当前测得的输入变量，也就是说机动车辆的车速、转向角以及机动车辆的转弯运动变量来足够精确地确定。
实际的转向角例如通过转向柱上的转向角传感器来获知。优选考虑使用以下变量作为转弯运动变量，该变量已经提供给驾驶员辅助***用于其他功能。在此，例如可以通过ESC传感器获知横向加速度作为合适的转弯运动变量。关于机动车辆的车速的信息经由车轮上的转速传感器(例如极轮传感器)的测量值提供。
尤其地，在根据本发明的方法中不需要获知侧偏刚度。在实践中的假设基于的是，理论上考虑的驾驶状态并非完全无打滑，而是应仅非常接近阿克曼条件。因此，为了根据本发明确定浮动角而假定的是，线性单轨模型的等式是有效的，由此使得即使在该理论行驶状态下，前车轴和后车轴的侧偏刚度的比也对转向角和浮动角有影响。然而，由于在完全无打滑行驶的情况下这些前车轴和后车轴的侧偏刚度非常接近转向角和浮动角，因此根据本发明的方法故意忽略该偏差。
尤其地，在根据本发明确定稳定转弯期间的浮动角的情况下不需要特别考虑侧偏刚度的影响。通过了解各自的轴距和在车辆纵向方向上的质心位置，因此可以在阿克曼条件下根据运动学关系计算出转向角和浮动角，这些在理论上是用于在无限慢地(因此无打滑)行驶时通过弯道所需的。本发明已经认识到，侧偏刚度的比在所考虑的范围上是恒定的，并且因此对比例关系中的分子和分母具有相同的影响，从而不必了解确切的侧偏刚度比。换句话说，在阿克曼条件下的转向角和浮动角在一定程度上是观察转弯的原点，机动车辆随着速度的增加而越来越远离该原点。通过假设轮胎特性在线性单轨模型的有效区域内的线性，可以在该范围内总是从该原点开始，从实际存在的转向角推断出实际存在的浮动角。在本发明的电子实施方式中，经由电子评估例如来自轴载传感器的测量值来确定车轴之间的质心的位置。关于机动车辆的轴距的信息在设计结构上是固定的，并可供质心确定使用。
所寻求的浮动角可以通过易于处理的以下关系来确定，即，质心距后车轴的到后车轴距离的两倍相对于弯道半径所得的第一商以及转向角和到后车轴距离的乘积相对于前车轴与后车轴之间的轴距所得的第二商的差。
由于弯道半径在线性单轨模型中被确定为车辆速度与转弯运动变量的比，因此在本发明的有利实施方式中可以给出以下等式，在该实施方式中获知或测量偏转速度作为转弯运动变量：
beta＝2*Lh*psi点/v-delta*Lh/L。
其中，Lh 到后车轴距离
L 轴距
psi点 偏转速度
v 车速
如果作为偏转速度的替选方案，获知或测量横向加速度a作为转弯运动变量，则得出以下等式来确定所寻求的浮动角：
beta＝2*Lh*a/(v**2)-delta*Lh/L
其中，a 横向加速度
在本发明的有利的实施方式中，驾驶员辅助***被构造成用于在考虑浮动角的情况下确定主动转向干预。在此，通过根据本发明的用于确定在稳态转弯期间的浮动角的方法可以非常快速且精确地提供关于行驶稳定性的信息并计算相应的干预。
在另外的优选实施方式中，驾驶员辅助***被构造成用于在考虑浮动角的情况下确定轨迹。
能不断更新的浮动角信息允许对车辆的转向过度或转向不足趋势得出准确的结论。在此背景下，根据本发明的驾驶员辅助***被构造成用于在考虑浮动角的情况下探测转向过度或转向不足趋势。
当没有给出稳定的转弯，浮动角根据本身已知的方法用观测器***或积分来确定。然后优选地，通过对测得的偏转速度与从横向加速度推导出的偏转速度值之间的差进行积分来确定浮动角。
附图说明
下面参照附图更详细地解释本发明的实施例。其中：
图1示意性地示出具有根据本发明的驾驶员辅助***的实施例的机动车辆；
图2示出用于确定在机动车辆转弯期间的浮动角的方法的实施例的流程图表；
图3示出根据单轨模型的机动车辆上的几何关系图；
图4示出根据单轨模型在阿克曼条件下的几何关系图；
图5示出在稳态转弯期间的转向角相对于浮动角的关系的图形表示。
具体实施方式
图1示出了具有前车轴2和后车轴3的机动车辆1的示意性的视图，在这些车轴上分别布置有车轮4。前车轴2的车轮4可以经由方向盘5转向。每个车轮4都配备有车轮制动器6，车轮制动器能由驾驶员辅助***7单独驱控。向驾驶员辅助***7连续输送关于动态的车辆参数的测量值。由驾驶员辅助***7考虑到了车速v，该车速由车轮4的转速传感器8的测量值获知。在所示的实施例中，在每个车轮4上布置有转速传感器8，转速传感器例如与极轮协同作用并且产生具有关于转速的信息的电信号。
驾驶员辅助***7确定在转弯期间机动车辆1的浮动角beta，该浮动角被考虑用作判断行驶稳定性的度量。驾驶员辅助***根据其主动和/或被动工作任务来确定对机动车辆1的行驶稳定性进行合适的干预措施的基础在于当前的浮动角beta。为此，驾驶员辅助***被构造成用于在考虑浮动角beta的情况下确定主动的转向和/或制动干预。有利地，驾驶员辅助***7被构造成用于在考虑浮动角beta的情况下探测转向过度或转向不足趋势。在另外的可能的工作任务中，驾驶员辅助***7被构造成用于在考虑浮动角beta的情况下确定轨迹，例如轨迹控制。
为了确定9当前的浮动角beta，向驾驶员辅助***7预给定当前的转向角delta作为输入变量，该当前的转向角经由前车轴2的方向盘5的所偏转的位置来确定。在所示的实施例中，经由方向盘传感器10检测转向角delta，并供驾驶员辅助***7使用。驾驶员辅助***7检测机动车辆1关于其质心S的转弯运动变量作为另外的输入变量。转弯运动变量可以是机动车辆1的偏转速度psi点或横向加速度a。给驾驶员辅助***7配属有横向加速度传感器11，其测量信号提供关于机动车辆1的转弯运动变量的信息，尤其是偏转速度psi点和/或当前横向加速度a。
驾驶员辅助***7还考虑车轴2、3之间的质心S的位置作为用于确定浮动角beta的输入变量。质心S的尤其与机动车辆的载重有关的位置通过检测装置12根据需要来测量。为此，例如，可以考虑使用轴载传感器的测量结果，并且可以在使用适当的算法的情况下以电子方式确定质心位置。
浮动角beta的确定9示意性地在图2中示出。浮动角beta在机动车辆稳定转弯时以下面解释的方式在根据本发明的简化假设的情况下来获知。在第一步骤中，在稳定性查询13中检查和阐明是否存在稳定的转弯。为此，监控输入变量随时间的变化。如果要么转向角delta、车速v要么检测到的转弯运动变量(偏转速度psi点或横向加速度a)发生变化并离开了所预给定的稳定性标准的范围，则假定没有给出稳定的转弯。在这种情况下，浮动角beta通过对所测得的偏转速度psi点和偏转速度的理论值之间的差求积分14来确定，偏转速度的理论值从横向加速度a推导出。
在稳定转弯期间，所检测到的输入变量经由具有线性单轨模型假设的数学车辆模型15彼此关联。适用于单轨模型的角度关系在图3和图4示出。图3示出了以弯道半径R绕瞬时极点P的转弯，其中，前车轮以转向角delta偏转。弯道半径在此基于机动车辆的质心S的位置，该位置距后车轮的轴线距离为到后车轴距离Lh。轴距L，也就是说前车轴与后车轴之间的间距在设计结构上是固定的。弯道半径R在单轨模型中被确定为分别作用在质心S上的车速v和偏转速度psi点的商。浮动角beta通过转弯时机动车辆在质心S中的运动方向和车辆纵向轴线的方向来限定。
由于在实际行驶期间在车轮上总是出现打滑，因此车轮分别以斜角alphav、alphah运动。斜角与最终要确定的浮动角beta存在相互关系。根据单轨模型，后车轮的斜角alphah是到后车轴距离和弯道半径的商与浮动角beta之间的差，这根据如下等式：
alphah＝Lh/(v/psi点)-beta。
然而，在所谓的阿克曼条件下不出现打滑。在该状况下，如图4所示，前车轮刚好设定为如下角度，在该角度中，假想的延长的前车轴和假想的延伸的后车轴在瞬时极点P处相交。该转向角被称为阿克曼角deltaA，并且相应于轴距L和弯道半径R的商。在阿克曼条件的情况下被称为阿克曼浮动角beta0的浮动角同样没有打滑份额。
根据本发明，当数学车辆模型假设浮动角beta与阿克曼浮动角beta0之间的差和阿克曼角deltaA与转向角delta之间的差成比例时，则即使在没有检测到与打滑相关的变量的情况下，也可以确定在稳态转弯期间的浮动角beta。该关系在图5中以图形方式示出，并相应于以下比例：
(beta-beta0)～(deltaA-delta)
从测得的转向角delta与阿克曼角deltaA之间的关系，经由在同一弯道无打滑行驶时理论上存在的阿克曼浮动角beta0的比例关系推断出根据图2的方法所寻求的实际的浮动角beta。在此，本发明利用在图5中所示的根据截线定理的原理的相关性并假设浮动角beta与阿克曼浮动角beta0之间的差除以阿克曼浮动角等于阿克曼角deltaA与转向角delta之间的差除以阿克曼角deltaA。这给出了以下等式：
(beta-beta0)/beta0＝(deltaA-delta)/deltaA。
该假设涉及在阿克曼条件下与各自的值假定成比例的差，其中，众所周知不会发生打滑。在此，在单轨模型中限定的在阿克曼条件下的转向角和浮动角的关系，也就是说阿克曼角和阿克曼浮动角的关系适用于此，从而确定了所寻求的浮动角。
对于根据图2的实施例利用检测偏转速度psi点得到了针对浮动角的以下等式：
beta＝2*Lh*psi点/v-delta*Lh/L。
因此，在根据图2的实施例中，以到后车轴距离Lh的两倍和偏转速度psi点的乘积除以车辆速度v来确定第一商16。以转向角delta和到后车轴距离Lh的乘积除以轴距L形成第二商17。第一商16与第二商17之间的差18是所寻求的在稳态的转弯期间的浮动角beta。
在第二实施例中，获知或测量横向加速度a作为转弯运动变量来代替偏转速度psi点。在此，由到后车轴距离Lh的两倍和横向加速度a的乘积除以车速v的平方来确定第一商。浮动角beta则由以下等式得出：
beta＝2*Lh*a/(v**2)-delta*Lh/L。
附图标记列表
1 机动车辆
2 前车轴
3 后车轴
4 车轮
5 方向盘
6 车轮制动器
7 驾驶员辅助***
8 转速传感器
9 确定
10 方向盘传感器
11 横向加速度传感器
12 检测装置
13 稳定性查询
14 积分
15 数学车辆模型
16 第一商
17 第二商
18 差
a 横向加速度
alpha 斜角
alphah 后车轮的斜角
alphav 前车轮的斜角
beta 浮动角
beta0 阿克曼浮动角
delta 转向角
deltaA 阿克曼角
L 轴距
Lh 到后车轴距离
psi点 偏转速度
R 弯道半径
S 质心
v 车速

Claims (10)

1.用于确定在机动车辆的转弯期间的浮动角(beta)的方法，其中，检测以下输入变量并经由数学车辆模型(15)利用线性单轨模型的假设将其进行彼此关联：
-预给定或测得的所述机动车辆(1)的前车轴(2)与后车轴(3)之间的机动车辆(1)的质心(S)的位置，
-所述机动车辆(1)的当前的车速(v)，
-所述机动车辆的当前的转弯运动变量(psi点、a)，
-所述前车轴上的当前的转向角(delta)，
其特征在于，在所述机动车辆(1)稳定转弯的情况下，基于以下假设确定所述浮动角(beta)，即，所述浮动角(beta)与阿克曼浮动角(beta0)之间的差相对于阿克曼角(deltaA)与所述转向角(delta)之间的差成比例，其中，从测得的转向角(delta)和所述阿克曼角(deltaA)的关系经比例关系由在同一弯道无打滑行驶时理论上存在的阿克曼浮动角(beta0)推断出实际的浮动角(beta)，
所述浮动角(beta)被确定为所述质心(S)距后车轴的到后车轴距离(Lh)的两倍相对于弯道半径(R)所得的第一商(16)以及所述转向角(delta)和到后车轴距离(Lh)的乘积相对于前车轴(2)与后车轴(3)之间的轴距(L)所得的第二商(17)的差(18)，所述弯道半径被考虑为车速(v)与转弯运动变量(psi点，a)的比。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，获知或测量偏转速度(psi点)作为转弯运动变量。
3.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，由到后车轴距离(Lh)的两倍与所述偏转速度(psi点)的乘积相对于所述车速(v)来确定所述第一商(16)。
4.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，获知或测量横向加速度(a)作为转弯运动变量。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，在没有稳定转弯的情况下，通过对测得的偏转速度(psi点)与由所述横向加速度(a)推导出的偏转速度的值之间的差进行积分(14)来确定所述浮动角(beta)。
6.用于机动车辆的驾驶员辅助***，所述驾驶员辅助***被构造成用以执行用于确定浮动角(beta)的根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，向所述驾驶员辅助***预给定了具有线性单轨模型的假设的数学模型以用于关联以下输入变量：
-所述机动车辆的前车轴与后车轴之间的机动车辆的质心(S)的预给定或测得的位置，
-所述机动车辆(1)的当前的车速(v)，
-所述机动车辆(1)的当前的转弯运动变量(psi点、a)，
-所述前车轴上的当前的转向角(delta)，
其特征在于，用于确定在所述机动车辆稳定转弯时的浮动角(beta)的数学车辆模型包括以下假设，即，浮动角(beta)和阿克曼浮动角(beta0)之间的差与阿克曼角(deltaA)和转向角(delta)之间的差成比例，其中，所述驾驶员辅助***被构造成用于，从测得的转向角(delta)和阿克曼角(deltaA)之间的关系经比例关系由在同一弯道无打滑行驶时理论上存在的阿克曼浮动角(beta0)推断出实际的浮动角(beta)，
所述浮动角(beta)被确定为所述质心(S)距后车轴的到后车轴距离(Lh)的两倍相对于弯道半径(R)所得的第一商(16)以及所述转向角(delta)和到后车轴距离(Lh)的乘积相对于前车轴(2)与后车轴(3)之间的轴距(L)所得的第二商(17)的差(18)，所述弯道半径被考虑为车速(v)与转弯运动变量(psi点，a)的比。
7.根据权利要求6所述的驾驶员辅助***，
其特征在于，所述驾驶员辅助***被构造成用于在考虑所述浮动角(beta)的情况下确定主动的转向和/或制动干预。
8.根据权利要求6或7所述的驾驶员辅助***，
其特征在于，所述驾驶员辅助***被构造成用于在考虑所述浮动角(beta)的情况下确定轨迹。
9.根据权利要求6或7所述的驾驶员辅助***，
其特征在于，所述驾驶员辅助***被构造成用于在考虑所述浮动角(beta)的情况下探测转向过度或转向不足趋势。
10.具有根据权利要求6至9中任一项所述的驾驶员辅助***的机动车辆。
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