TWI672235B - 車輪抓地力裕度估測方法 - Google Patents

Abstract

一種車輪抓地力裕度估測方法，用於估測一車輛的車輪抓地力裕度。車輪抓地力裕度估測方法係持續偵測車輛動態資訊，包含縱向加速度、側向加速度、車輪旋轉角度隨時間的變化、偏航角隨時間的變化、轉向輪的轉向角等，逐一估測各車輪的一當前正向力、一當前縱向力以及一當前側向力。最後再利用當前正向力、車輪相對於道路的道路摩擦係數、當前縱向力以及當前側向力，得到各車輪的一縱向抓地力裕度以及一側向抓地力裕度。

Description

車輪抓地力裕度估測方法

本發明有關於車輛行駛動態之監控，特別是關於一種車輪抓地力裕度估測方法。

車輛於轉彎過程中，需要車輪側向力維持車輛在車道中，使得車輛不會因離心力偏離車道。此時部分的車輪力會被側向力占用，使得剩餘最大可用車輪縱向力下降，而使得車輪可能出現打滑空轉。另外，在轉彎車道中，加減速期間會需要更多側向力以應付不同路況，此時，必須適度降低縱向力以滿足側向需求，否則可能發生車輪側向打滑飄移。現有先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems；ADAS)大多是在感知到打滑現象發生時，才發出警示並介入進行車輪力調整分配，包含介入煞車系統對個別車輪進行煞車減速，或重新分配各車輪的輸出)。

若能估測剩餘最大可用車輪力(包含縱向力及側向力)，則ADAS系統將可提早發出警示，甚至直接介入對個別車輪的控制，就能夠避免打滑現象發生。上述估測也能應用於自動駕駛系統，讓自動駕駛在剩餘最大可用車輪力足夠的情況下，對車輛進行較為激烈的操作(快速轉向或快速變換車道)。

鑑於上述問題，本發明提出一種車輪抓地力裕度估測方法，透過車輛動態資訊的偵測，估測各車輪的抓地力裕度。

為了達成上述目的，本發明提出一種車輪抓地力裕度估測方法，用於估測一車輛的車輪抓地力裕度；其中車輛具有一車身質量、一重心與多個車輪，且該些車輪至少包含一對轉向輪；重心具有一離地高，輪胎的滾動指向定義為一縱向，且於一水平面上垂直於滾動指向的方向定義為一側向；車輪抓地力裕度估測方法包含：得到各車輪對一地面的一初始正向力；依據車輛的一縱向加速度、一側向加速度、車身質量、各車輪的一車輪質量，以及各車輪與重心的相對位置，得到對各車輪的縱向負載轉移以及側向負載轉移；以縱向負載轉移以及側向負載轉移修正初始正向力，得到各車輪的一當前正向力；依據各車輪的一車輪輪速、一車輪扭矩、一車輪滾動有效半徑、一車輪轉動慣量以及一車輪旋轉角度隨時間的變化，得到各車輪的一當前縱向力；依據車輛的側向加速度、車輛的一偏航角加速度、轉向輪相對於縱向的一轉向角，各車輪的當前縱向力以及各車輪的當前正向力，得到車輪的側向力總和；取得各車輪的一當前側向力；以及依據各車輪當前正向力、各車輪相對於道路的一道路摩擦係數、當前縱向力以及當前側向力，得到各車輪的一縱向抓地力裕度以及一側向抓地力裕度。

本發明可以有效估測個別車輪的縱向抓地力裕度以及側向抓地力裕度，在裕度不足時，及早發出警示讓駕駛人改變對車輛的操作，甚至讓先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems；ADAS)在車輪打滑發生前提早介入，可以有效提昇行車安全。車輪抓地力裕度估 測方法更可進一步應用於自駕車系統，對行駛策略進行估測，並免自駕車系統做出可能造成打滑的行使決策。

110‧‧‧微處理器

120‧‧‧儲存裝置

130‧‧‧縱向加速規

140‧‧‧側向加速規

150‧‧‧車輪轉角感測器

160‧‧‧煞車壓力感應器

170‧‧‧扭矩感應器

180‧‧‧偏航角感應器

190‧‧‧轉向角感應器

S140~S180‧‧‧步驟

圖1為車輛控制系統的系統方塊圖，用於執行車輪抓地力裕度估測方法。

圖2以及圖3為本發明實施例的方法流程圖。

圖4為用於估測的車輛參數。

圖5為用於直線加減速過程的速度變化。

圖6為各車輪的縱向裕度隨時間的變化。

圖7為各車輪的側向裕度隨時間的變化。

圖8為車輛變換車道的示意圖。

圖9為各車輪的縱向裕度隨時間的變化。

圖10為各車輪的側向裕度隨時間的變化。

請參閱圖1所示，為一種車輛控制系統，適用於執行本發明實施例所揭露的車輪抓地力裕度估測方法，以在安全範圍內執行車輛的轉向作業。車輛控制系統包含有一微處理器110、一儲存裝置120、一縱向加速規130、一側向加速規140、一車輪轉角感測器150、一煞車壓力感應器160、一扭矩感應器170、一偏航角感應器180以及一轉向角感應器190。

請參閱圖1以及圖2所示，基於上述車輛控制系統，本發明實施例提出一種車輪抓地力裕度估測方法，用於估測車輛的抓地力裕度， 避免車輪在轉向時發生打滑現象。車輛具有一車身質量m _s 、一重心以及多個車輪。車身質量m _s 、重心的位置可事先透過實際量測或由車輛規格書取得。車輪一般為四個，分別為右前輪fr、左前輪fl、右後輪rr以及左後輪rl。其中，右前輪fr、左前輪fl通常為車輛的一對轉向輪。車輪本身也有其車輪質量m _u 以及車輪滾動有效半徑r _w ，而可據以計算車輪轉動慣量I _w 。車輪抓地力裕度估測方法係可分別以四個車輪為各車輪，分別判斷各車輪的抓地力是否足夠。

前述抓地力裕度，係指車輪所承受的水平力與車輪對地面最大抓地力之間的差距；車輪對地面最大抓地力(即為車輪能到達的最大車輪力)需要大於車輪目前所提供的車輪力(即為車輪所承受的水平力，包含縱向力以及側向力)，才能避免車輪打滑。

前述車輛的重心具有一離地高h _s ，車輛輪胎的滾動指向定義為一縱向，且於一水平面上垂直於輪胎滾動指向的方向定義為一側向。

首先，微處理器110依據車身質量m _s 、車輪與重心的相對位置，分別得到各車輪對地面的初始正向力F _zs,i ，如步驟S110所示。

前述初始正向力F _zs,i 中，i分別代表fl、fr、rl與rr四個車輪，所謂正向力即為車輪承受車身重量的垂直負載。車身質量m _s 、車輪質量m _u 與重心的相對位置通常為固定不變的數值，因此微處理器110可以經過一次計算後得到各車輪的初始正向力F _zs,i ，而將初始正向力F _zs,i 儲存於儲存裝置120，後續微處理器110重新執行該方法時，直接由儲存裝置120載入初始正向力F _zs,i 即可，不需每次都重新計算。甚至，車身質量m _s 、車輪質量 m _u 與重心的相對位置、初始正向力F _zs,i 都可以直接由外部取得，例如針對車型由資料庫下載後直接儲存於儲存裝置120。

依據車輛的移動狀態，縱向加速規130與側向加速規140持續偵測車輛縱向加速度a _x 以及側向加速度a _y 。在車輛移動的狀態下，各車輪的接地正向力不再是初始正向力F _zs,i ，而是受車身質量m _s 加速度的影響產生負載轉移的現象。因此，微處理器110接著依據縱向加速度a _x 、側向加速度a _y 、車身質量m _s 、車輪質量m _u ，以及各車輪與重心的相對位置，得到對各車輪的縱向負載轉移W _x 以及側向負載轉移W _yf ,W _yr ，如步驟S120所示。縱向負載轉移W _x 以及側向負載轉移W _yf ,W _yr 的估測方式如下：

其中，L為前軸到後軸的距離，m _u 為各車輪質量，l _f 為車輛重心至前軸的距離，l _r 為車輛重心至後軸的距離，d為各軸輪距。

有了縱向負載轉移W _x 以及側向負載轉移W _yf ,W _yr ，微處理器110即可依據縱向負載轉移W _x 以及側向負載轉移W _yf ,W _yr 修正初始正向力F _zs,i ，得到各車輪的一當前正向力，如步驟S130所示。

其中，i分別代表fl、fr、rl與rr四個車輪。

車輪的縱向力，主要與車輪本身的轉動動態有關，包含車輪輪速ω _w 、車輪角加速度以及車輪扭矩T _w 。微處理器110係透過車輪轉角感測器150取得車輪旋轉角度θ _w 與車輪輪速ω _w ，再依據車輪旋轉角度θ _w 隨時間的變化，得到車輪角加速度。

車輪角加速度結合車輪滾動有效半徑r _w 、車輪轉動慣量I _w ，可列出與當前縱向力相關的轉矩平衡公式：

前述車輪扭矩T _w 包含煞車扭力T _b 以及驅動扭力T _t 。其中，微處理器110透過煞車壓力感應器160取得煞車壓力數值後，即可依據煞車規格換算得到煞車扭力T _b 。驅動扭力T _t 可由扭矩感應器170直接量測車輛動力系統對車輪的扭力輸出。

T _w =T _t +T _b (10)

車輪扭矩T _w 也不排除用單一扭矩感應裝置，直接由車輪偵測取得。有了上述數據的估測，則可估測當前縱向力。估測的方法係將狀態向量定義為，輸入訊號，輸出訊號為，可改寫成如方程式(11)、(12)及(13)所示：

其中為系統矩陣，為輸入向量，為輸出向量。

接著將連續時間下的狀態空間運動模型，轉換為離散時間下的狀態空間方程式，並使用卡爾曼濾波器估測出回饋增益值。轉換成離散方程式(14)如下，再藉由卡爾曼估測器計算出四個車輪的當前縱向力、、和：

如圖3所示前述車輪滾動有效半徑r _w 、車輪轉動慣量I _w 可事先量測計算，或直接依據車型規格由資料庫下載儲存於儲存裝置120中，並由微處理器110在需要時載入。因此，在取得車輪輪速ω _w 、車輪扭矩T _w 及車輪旋轉角度θ _w 隨時間的變化之後，微處理器110即可依據各車輪的車輪輪速ω _w 、車輪扭矩T _w 、車輪滾動有效半徑r _w 、車輪轉動慣量I _w 以及車輪旋轉角度θ _w 隨時間的變化，得到各車輪的當前縱向力，如步驟S140所示。

要得到各車輪的當前側向力，需先由車身的側向動態得到該些車輪的側向力總和(由車身在側向上對所有車輪作用的總力)。偏航角感應器180係持續偵測車輛的偏航角r，且轉向角感應器190持續偵測轉向輪相對於縱向的一轉向角δ。微處理器110依據車輛的側向加速度a _y 、車輛的一偏航角r隨時間的變化、轉向輪相對於縱向的一轉向角δ、各車輪的當前縱向力以及各車輪的當前正向力，得到車輪的側向力總和，如步驟S150所示。其中，偏航角r隨時間的變化，主要係用於計算偏航角速度，以進一步估測偏航角加速度。

側向力總和的取得可以由力平衡建立連立方程式如下：

接著將聯立方程式(16)、(17)化簡後可得到方程式(18)、(19)，進而將數值直接帶入即可：

前述偏航角加速度可以利用偏航角速度搭配卡爾曼估測器做估測，偏航角r、偏航角速度及偏航角加速度的關係如(20)所示：

由上述方程式，即可獲得在連續時間下狀態空間表示式，如方程式(21)所示：

為狀態向量，輸入。

接著將連續時間下的狀態空間方程式，利用forward rectangular rule轉換為在離散時間下的狀態空間方程式，如(23)與(24)所示：

y _r,k =H _r x _r,k (24)

其中，Γ _r =G _r，w _r,k 為系統的干擾雜訊，T為取樣時間，y _r,k 為系統輸出，H _r =[1 0]為輸出矩陣，而Φ _r 和Γ _r 表示如方程式(25)：

利用上述的運動模型，使用卡爾曼濾波器配合回饋增益矩陣，因為u _r,k 無法量測，將其假設為0，以進行閉迴路狀態估測，如方程式(26)及(27)所示：

其中為估測的系統狀態，L _r 為回饋增益矩陣。

微處理器110再以車輪的當前縱向力總和與各車輪的當前縱向力，分配當前側向力總和，取得各車輪的當前側向力，如步驟S160所示。微處理器110並依據當前正向力及各車輪相對於道路的道路摩擦係數μ，取得各車輪的最大抓地力，如步驟S170所示。

最後，微處理器110以最大抓地力 , 、當前縱向力以及當前側向力得到各車輪的縱向抓地力裕度△以及側向抓地力裕度△，如步驟S180所示。

由於最大抓地力受限於道路摩擦係數μ，以各車輪的當前縱向力與各車輪的當前側向力的摩擦圓關係進行各個車輪的車輪抓地力裕度估測，如方程式(28)、(29)所示，係先得到各車輪的最大縱向抓地力以及最大側向抓地力。

其中i分別代表fl、fr、rl、rr。為各個車輪最大縱向抓地力。為各個車輪最大側向抓地力。

接著，以最大縱向抓地力減去當前縱向力，即為縱向車輪抓地力裕度△；以最大側向抓地力減去當前縱向力，即為側向車輪抓地力裕度△。

△為各個車輪的縱向車輪抓地力裕度。△為各個車輪的側向車輪抓地力裕度。u _p 為最大道路摩擦係數，可利用輪胎側滑角與轉向輪回正力矩的估測後，算出輪胎側滑角以及估測的回正力矩的Timewindow，使用stateflow判斷式，先判斷最大道路摩擦系數可能範圍，再求出最大道路摩擦係數，找出最大道路摩擦係數範圍。或，最大道路摩擦系數可採用資料庫記錄，依據車輛所在路段地點以及天候，由資料庫擷取對應的最大道路摩擦系數。

有了縱向抓地力裕度△以及側向抓地力裕度△，ADAS系統即可用於介入車輛的行駛，避免車輪在縱向打滑(空轉)或側向打滑(側向飄移)。例如，微處理器110可載入一門檻值，縱向抓地力裕度△或側向抓地力裕度△小於門檻值，產生一車輪打滑警示。前述的車輪打滑警示，可以是單純地以資訊顯示提供給駕駛人，以使駕駛人對車輛操作進行減速或減少轉向角度。或，依據車輪打滑警示，由微處理器110介入煞 車或車輪動力分配。於自動駕駛的場合，則由自動駕駛系統依據車輪打滑警示，修正車速以及規劃路徑(特別是變化車道時，車輛在兩車道之間橫向移動的速度)。

請參閱圖4、圖5、圖6以及圖7所示，為車輪抓地力裕度估測方法與Mechanical Simulation發行的CarSim(車輛模擬分析軟體)的比較，採用的車輛參數如圖4所示，比較情境一為車輛於直線的加減速，速度變化如圖5所示，車輛以約50km/hr的初速開始加速後再減速至40km/hr，圖中Vx為車輛秒速(公尺/秒)。

如圖6所示，前輪為驅動輪而在加速過程中用掉縱向抓地力，因此在10秒前的加速過程中，前輪的縱向抓地力裕度下降；而在10秒後的減速裡，開始減速時有一個向上的響應，而一瞬間增加輪胎力裕度造成前輪的縱向抓地力裕度回升，後續因為各車輪煞車減速，而消耗縱向抓地力裕度，而再消耗縱向抓地力裕度，使縱向抓地力裕度下降。再如圖7所示，由於車輛沒有側向動態，因此側向抓地力裕度主要受到因垂直負載轉移影響，加速過程因垂直負載主要移轉至後輪，而減速時垂直負載主要移轉至前輪，而使得10秒前後有明顯的側向抓地力裕度變化。

參閱圖8、圖9以及圖10，比較情境二為車輛於變換車道進行超車。如圖9與圖10，0~5秒時為直線運動，因此縱向抓地力裕度△以及側向抓地力裕度△維持不變。接著開始進行轉向之後，前後輪的側向抓地力裕度△都有明顯的變化，而連帶的因為摩擦圓的比例關係，改變縱向抓地力裕度△。最後，當變換車道完成後，縱向抓地力裕度△以及側向抓地力裕度△又回復到初始狀態。

本發明可以有效估測各別車輪的縱向抓地力裕度△以及側向抓地力裕度△，在裕度不足時，及早發出警示讓駕駛人改變對車輛的操作，甚至讓先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems；ADAS)在車輪打滑發生前提早介入，可以有效提昇行車安全。車輪抓地力裕度估測方法更可進一步應用於自駕車系統，對行駛策略進行估測，並免自駕車系統做出可能造成打滑的行使決策。

Claims (10)

1. 一種車輪抓地力裕度估測方法，用於估測一車輛的車輪抓地力裕度；其中該車輛具有一車身質量、一重心與多個車輪，且該些車輪至少包含一對轉向輪；該重心具有一離地高，該輪胎的滾動指向定義為一縱向，且於一水平面上垂直於該滾動指向的方向定義為一側向；該車輪抓地力裕度估測方法包含： 得到各該車輪對一地面的一初始正向力； 依據該車輛的一縱向加速度、一側向加速度、該車身質量、各該車輪的一車輪質量，以及各該車輪與該重心的相對位置，得到對各該車輪的縱向負載轉移以及側向負載轉移； 以該縱向負載轉移以及該側向負載轉移修正該初始正向力，得到各車輪的一當前正向力； 依據各車輪的一車輪輪速、一車輪扭矩、一車輪滾動有效半徑、一車輪轉動慣量以及一車輪旋轉角度隨時間的變化，得到各該車輪的一當前縱向力； 依據該車輛的該側向加速度、該車輛的一偏航角加速度、該轉向輪相對於該縱向的一轉向角，各該車輪的當前縱向力以及該各車輪的當前正向力，得到車輪的側向力總和； 取得該各車輪的一當前側向力；以及 依據各該車輪當前正向力、各該車輪相對於該道路的一道路摩擦係數、該當前縱向力以及該當前側向力，得到各該車輪的一縱向抓地力裕度以及一側向抓地力裕度。
2. 如請求項1所述的車輪抓地力裕度估測方法，其中，得到各該車輪對該地面的該初始正向力的步驟包含依據該車身質量、該些車輪與該重心的相對位置，分別得到各該車輪對該地面的該初始正向力。
3. 如請求項1或請求項2所述的車輪抓地力裕度估測方法，其中，該初始正向力儲存於一儲存裝置。
4. 如請求項1所述的車輪抓地力裕度估測方法，其中，各該車輪與該重心的相對位置包含該車輛的一前軸到一後軸的距離、該重心至該前軸的距離以及該重心至該後軸的距離。
5. 如請求項1所述的車輪抓地力裕度估測方法，其中，該車輪旋轉角度隨時間的變化包含一車輪角加速度。
6. 如請求項5所述的車輪抓地力裕度估測方法，其中，該車輪扭矩包含一煞車扭力以及一驅動扭力。
7. 如請求項1所述的車輪抓地力裕度估測方法，其中，得到各該車輪的該縱向抓地力裕度以及該側向抓地力裕度的步驟包含： 依據各該車輪當前正向力及各該車輪相對於道路的道路摩擦係數，取得各該車輪的一最大抓地力；以及 以該最大抓地力、該當前縱向力以及該當前側向力得到各該車輪的該縱向抓地力裕度以及該側向抓地力裕度。
8. 如請求項7所述的車輪抓地力裕度估測方法，其中，該最大抓地力包含一最大縱向抓地力以及一最大側向抓地力。
9. 如請求項8所述的車輪抓地力裕度估測方法，其中，得到該縱向抓地力裕度以及該側向抓地力裕度的步驟包含以該最大縱向抓地力減去該當前縱向力以得到該縱向車輪抓地力裕度；以及以該最大側向抓地力減去該當前縱向力，以得到該側向車輪抓地力裕度。
10. 如請求項1所述的車輪抓地力裕度估測方法，更包含： 當該縱向抓地力裕度或該側向抓地力裕度小於一門檻值，產生一車輪打滑警示。