CN101460350A - 识别用于翻车预防的预计横向负载转移比的方法和警报系统 - Google Patents

Abstract

一种用于控制车辆稳定性的方法，其包含以下步骤：通过在一时间段上评估车辆性能参数，确定车辆的预计横向负载转移比；基于预计横向负载转移比，控制车辆的运行。

Description

识别用于翻车预防的预计横向负载转移比的方法和警报系统

背景技术

翻车在非碰撞车辆事故中具有最高的致死率。为了防止翻车，称为横向负载转移比(LTR)的翻车指标已用于检测翻车倾向。典型地，LTR由在固定的时间点上测量的车辆信息推定。类比而言，这像拍摄动态系统的快照并使用此信息(在时间上冻结的)以确定翻车威胁。如果LTR的阈值被设置得过低，其将在正常行驶中给出警报或贸然致动翻车预防系统。如果阈值被设置得过高，可能太晚防止车辆翻车。由于仅仅使用静态LTR不能捕获的非预期的扰动或车辆运行中的动态变化，难以确定LTR阈值。

发明内容

提供了一种控制车辆稳定性的方法，其包含通过估计一段时间内的车辆性能参数来确定车辆的预计横向负载转移比以及基于预计的横向负载转移比控制车辆运行的步骤。在本发明的一个实施例中，预计的横向负载转移比可用于在招致翻车的条件下在车辆运行前检测翻车倾向。在具有这种预计能力的情况下，翻车警报系统的运行可被改进为向车辆操作者提供对即将发生的翻车的提前警报。另外，包括例如电子止滑差速器的转矩偏置装置的翻车预防系统可被运行以预防翻车。

附图说明

图1为根据本发明一实施例使用车辆稳定性控制系统的示例性全车轮驱动车辆的原理图；

图2为根据本发明一实施例的车辆稳定性控制系统的原理图；

图3为横向操作过程中的车辆动态模型；以及

图4为车辆滚动(roll)过程中的车辆动态模型。

具体实施方式

现在参照附图——其并非为了对本发明进行限制，图1原理性地示出了包含横向定位的发动机22的示例性全车轮驱动车辆20。发动机22通过前轴或传送轴26被连结到一对前轮24a、24b，并通过后轴30被连结到一对后轮28a、28b。前轴26主要且直接地受到发动机22的驱动。后轴30经由动力传送单元(未示出)以及中间耦合设备或耦合器32受到非直接驱动。后轴30经由一个或一个以上的驱动或推进轴机械连结到前传送轴26。视情况可选的电子控制止滑差速器(ELSD)34用于将后推进轴转矩偏置到后轮28a、28b。耦合器32和ELSD34可以为现有技术中的公知装置，并可通过车辆控制系统58(图2中示出)——例如车辆电子控制单元(ECU)或其他控制器——得到控制。将会明了，车辆20不限于图中所示的构造，并可包含其他构造，包括但不限于两轮驱动构造。

如图2所示，控制系统58可包含：控制单元60，例如基于微处理器的ECU，其包含具有存储在其中的例如一个或一个以上的映射图的存储器装置，映射图包含车辆运行参数信息；至少一个车辆传感器62，其用于测量车辆性能参数，例如但不限于横摆率传感器、车轮速度传感器、横向加速度传感器和/或转向角(steering angle)传感器。控制单元60向中间耦合器32和/或ELSD 34提供输入信号，以便控制这些装置的接合与解除接合，从而在车轮或轴之间分配转矩。控制单元60也可控制滚动警报装置64——例如车辆仪表板上的可视指示器或音频警报装置——的运行，以便向车辆操作者对即将到来的翻车进行警报。

现在参照图3和4，车辆LTR可由车辆非线性模型确定为：

$\mathrm{LTR}:=\frac{F_{\mathrm{zL}}-F_{\mathrm{zR}}}{F_{\mathrm{zL}}+F_{\mathrm{zR}}}---\left(1\right)$

考虑车辆的横向动态：

$m\stackrel{\·}{v}=F_{\mathrm{yrl}}+F_{\mathrm{yrr}}+(F_{\mathrm{xfl}}+F_{\mathrm{xfr}})\sin \mathrm{\δ}+(F_{\mathrm{yfl}}+F_{\mathrm{yfr}})\cos \mathrm{\δ}-\mathrm{mru}+\mathrm{mg}\sin {\mathrm{\φ}}_r$

$-\mathrm{mh}\sin {\mathrm{\φ}}_v{r}^2-\mathrm{mh}\stackrel{\·}{{\mathrm{\φ}}_v^2}\sin {\mathrm{\φ}}_v+\mathrm{mh}\cos {\mathrm{\φ}}_v\stackrel{\·\·}{{\mathrm{\φ}}_v}$

或

$m\stackrel{\·}{v}+\mathrm{mru}-\mathrm{mg}\sin {\mathrm{\φ}}_r+\mathrm{mh}\sin {\mathrm{\φ}}_v{r}^2+\mathrm{mh}\stackrel{\·}{{\mathrm{\φ}}_v^2}\sin {\mathrm{\φ}}_v-\mathrm{mh}\cos {\mathrm{\φ}}_v\stackrel{\·\·}{{\mathrm{\φ}}_v}=m{A}_y$

$=F_{\mathrm{yrl}}+F_{\mathrm{yrr}}+(F_{\mathrm{xfl}}+F_{\mathrm{xfr}})\sin \mathrm{\δ}+(F_{\mathrm{yfl}}+F_{\mathrm{yfr}})\cos \mathrm{\δ}=\mathrm{\Σ}{F}_y$

                                          (2)

其中，m为车辆质量，

为车辆横向速度，r为车辆横摆率，u为车辆纵向速度，g为重力加速度，A_y为车辆横向加速度，h为如图4所示重心相对于车辆旋转点的高度。

考虑车辆的滚动动态，

$(I_{\mathrm{xx}}+{\mathrm{mh}}^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_r)(\stackrel{\·\·}{{\mathrm{\φ}}_v}-\stackrel{\·\·}{{\mathrm{\φ}}_r})=(F_{\mathrm{zL}}-F_{\mathrm{zR}})\·\frac{T}{2}+\mathrm{\Σ}{F}_y\·h_R+(m\stackrel{\·}{v}+\mathrm{mru})\·h\cos {\mathrm{\φ}}_v+\mathrm{mg}\·h\sin {\mathrm{\φ}}_v\cos {\mathrm{\φ}}_r$

$-\mathrm{mg}\·h\cos {\mathrm{\φ}}_v\sin {\mathrm{\φ}}_r+[(I_{\mathrm{yy}}-I_{\mathrm{xx}})-{\mathrm{mh}}^2]r^2\·\sin (\stackrel{\·}{{\mathrm{\φ}}_v}-\stackrel{\·}{{\mathrm{\φ}}_r})\cos (\stackrel{\·}{{\mathrm{\φ}}_v}-\stackrel{\·}{{\mathrm{\φ}}_r})$

(3)

考虑车辆的垂直动态：

$m\stackrel{\·\·}{z}=m(\stackrel{\·}{{\mathrm{\φ}}_v^2}h\cos {\mathrm{\φ}}_v+\stackrel{\·\·}{{\mathrm{\φ}}_v}h\sin {\mathrm{\φ}}_v)=(F_{\mathrm{zL}}+F_{\mathrm{zR}})-\mathrm{mg}\cos {\mathrm{\φ}}_r$

                                       (4)

其中，

为车辆的垂直加速度。

因此，考虑公式(1)-(4)，LTR可表示如下：

(5)

其中，I_xx、I_yy、I_zz为分别关于x、y、z轴的惯性力矩，且其中：

$A_y=\stackrel{\·}{v}+\mathrm{ru}-g\sin {\mathrm{\φ}}_r+h\sin {\mathrm{\φ}}_v{r}^2+h\stackrel{\·}{{\mathrm{\φ}}_v^2}\sin {\mathrm{\φ}}_v-h\cos {\mathrm{\φ}}_v\stackrel{\·\·}{{\mathrm{\φ}}_v},$

且

$A_{y2}=\stackrel{\·}{v}+\mathrm{ru}$

于是，对于φ_v，的相对较小的值，LTR可以表示为：

$\mathrm{LTR}=\frac{2}{T}\·\frac{-m{A}_{y2}\·(h_R+h)+\mathrm{mg}\·h_R\sin {\mathrm{\φ}}_r+\mathrm{mg}\·h\sin {\mathrm{\φ}}_r}{\mathrm{mg}}---\left(6\right)$

或

$\mathrm{LTR}=\frac{2}{T}\·\frac{-A_{y2}\·(h_R+h)}{g}+\frac{2}{T}\·(h_R+h)\sin {\mathrm{\φ}}_r---\left(7\right)$

对于小的φ_r，LTR可进一步推定为：

$\mathrm{LTR}=\frac{2}{T}\·\frac{-A_{y\_\mathrm{meas}}\·h_{\mathrm{CG}}}{g}---\left(8\right)$

其中，A_{y_meas}为横向加速度，其可使用加速度计获得，h_CG为整体车辆重心(CG)高度。

根据本发明一实施例，提供了用于确定包含预计LTR(PLTR)的车辆LTR的方法，其估计一时间段上的而不是固定时间点上的车辆性能参数。该方法被设计为在宽广范围内的车辆运行条件下准确地向着翻车“倒计数”或在翻车前估计车辆性能。PLTR的推导如下所示：

${\mathrm{PLTR}}_{t_0}\left(\mathrm{\Δt}\right)=\mathrm{LTR}\left(t_0\right)+L\stackrel{\·}{T}R\left(t_0\right)\·\mathrm{\Δt}---\left(9\right)$

${\mathrm{PLTR}}_{t_0}\left(\mathrm{\Δt}\right)=\frac{2}{T}\·\frac{A_{y\_\mathrm{meas}}\left(t_0\right)\·h_{\mathrm{CG}}}{g}+\frac{2}{T}\·\frac{h_{\mathrm{CG}}}{g}\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(A_{y\_\mathrm{meas}}\right)\·\mathrm{\Δt}---\left(10\right)$

其中，A_{y_meas}为测量得到的车辆横向加速度。

公式(10)表达了在时间t₀上对于未来的时间范围Δt预计的PLTR。出于概念验证的目的，测量得到的横向加速度的符号的作用在此推导中可以忽略。公式(10)中测量得到的横向加速度A_{y_meas}典型地富有噪音，因此，难以在推导后获得平滑的值。使用下面的滤波技术以减小噪音：

${\mathrm{PLTR}}_{t_0}\left(\mathrm{\Δt}\right)=\frac{2}{T}\·\frac{A_{y\_\mathrm{meas}}\left(t_0\right)\·h_{\mathrm{CG}}}{g}+\frac{2}{T}\·\frac{h_{\mathrm{CG}}}{g}(\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}{\stackrel{\·}{A}}_{y\_\mathrm{meas}}+\frac{\mathrm{\τs}}{\mathrm{\τs}+1}{\stackrel{\·}{A}}_{y\_\mathrm{meas}})\·\mathrm{\Δt}---\left(11\right)$

其中，τ为时间常数。

测量得到的横向加速度可进一步使用线性模型由与转向角的关系推定，

$\frac{{\stackrel{\·}{A}}_y}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_w}={\mathrm{TF}}_{\mathrm{Model}}\left(s\right)---\left(12\right)$

其中，TF_Model(s)为基于线性模型的转向角与横向加速度的线性传递函数，δ_w为实际平均转向轮角度。通过使用这种基于模型的滤波器，可使用低通滤波器滤除来自横向加速度推导的噪音。另外，由于转向系统的延迟，驾驶者的转向输入信息在预计翻车指标中扮演重要角色。

因此，PLTR如下提供：

${\mathrm{PLTR}}_{t_0}\left(\mathrm{\Δt}\right)=\frac{2}{T}\·\frac{A_{y\_\mathrm{meas}}\left(t_0\right)\·h_{\mathrm{CG}}}{g}+\frac{2}{T}\·\frac{h_{\mathrm{CG}}}{g}(\frac{s}{\mathrm{\τs}+1}{A}_{y\_\mathrm{meas}}\left(t_0\right)+\frac{\mathrm{\τs}}{\mathrm{\τs}+1}{\mathrm{TF}}_{\mathrm{mod}\mathrm{el}}\left(s\right)\·s\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{sw}}s+1}\·\frac{1}{\mathrm{SR}}{\mathrm{\δ}}_d\left(t_0\right))\·\mathrm{\Δt}$

(13)

其中， $\frac{{\mathrm{\δ}}_w}{{\mathrm{\δ}}_d}=\frac{1}{\mathrm{SR}}\·\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{sw}}s+1},$ δ_d为驾驶者的转向轮角度，τ_sw为转向一阶时间常数，SR为转向比。

滤波器可用在测量得到的横向加速度上，滤波器

可用在驾驶者转向轮角度上。所选择的Δt需要足够长，以覆盖翻车预防系统的响应时间。

不像多数传统的确定LTR的方法，确定PLTR的新方法可由控制系统58用于控制车辆转矩偏置装置(例如中间耦合32以及ELSD 34)，以便改进车辆稳定性和防止翻车。在例如图1与2所示的实施例中，PLTR可由控制器60用于确定合适以及以何种程度接合转矩偏置装置，从而增大车辆的偏航阻尼并防止翻车。例如但不限于，控制单元60可被配置为使得中间耦合器32和/或ELSD 34在PLTR一旦超过阈值或PLTR变化率超过预定阈值率时运行。PLTR也可用于控制滚动警报装置64的运行，以便向车辆操作者对即将到来的翻车进行警报。将会明了，使用PLTR控制车辆转矩偏置装置或滚动警报装置的运行不限于此，PLTR可用于控制其它车辆系统，例如车辆制动系统或动力转向系统，以便防止翻车。

上面的说明书中详细介绍了本发明，相信本领域技术人员通过阅读和理解本说明书可想到本发明的多种变型和修改。所有这些变型和修改包含在本发明中，只要它们落入所附权利要求的范围。

Claims (7)

1.一种用于控制车辆稳定性的方法，其包含以下步骤：

通过在一时间段上评估车辆性能参数，确定车辆的预计横向负载转移比；基于预计横向负载转移比，控制车辆的运行。

2.根据权利要求1的方法，其中，车辆包含转矩偏置装置，该装置用于控制转矩在一对车轮或在一对车辆轴之间的分配，且控制车辆运行的步骤包含接合转矩偏置装置，以便控制在所述一对车轮或所述一对车辆轴之间的转矩分配。

3.根据权利要求1的方法，其中，车辆包含滚动警报装置，且控制车辆运行的步骤包含运行滚动警报装置，以便向车辆操作者对即将到来的翻车进行警报。

4.根据权利要求1的方法，其中，确定预计横向负载转移比的步骤包含使用线性模型由与车辆转向角的关系推定车辆横向加速度：

$\frac{{\stackrel{\·}{A}}_y}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_w}={\mathrm{TF}}_{\mathrm{Model}}\left(s\right),$

其中，TF_Model(s)为基于线性模型的转向角与横向加速度的线性传递函数，δ_w为实际平均转向轮角度。

5.根据权利要求1的方法，其中，确定步骤包含如下地确定预计横向负载转移比：

${\mathrm{PLTR}}_{t_0}\left(\mathrm{\Δt}\right)=\frac{2}{T}\·\frac{A_{y\_\mathrm{meas}}\left(t_0\right)\·h_{\mathrm{CG}}}{g}+\frac{2}{T}\·\frac{h_{\mathrm{CG}}}{g}(\frac{s}{\mathrm{\τs}+1}{A}_{y\_\mathrm{meas}}\left(t_0\right)+\frac{\mathrm{\τs}}{\mathrm{\τs}+1}{\mathrm{TF}}_{\mathrm{mod}\mathrm{el}}\left(s\right)\·s\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{sw}}s+1}\·\frac{1}{\mathrm{SR}}{\mathrm{\δ}}_d\left(t_0\right))\·\mathrm{\Δt}$

其中，Δt为未来的时间范围， $\frac{{\mathrm{\δ}}_w}{{\mathrm{\δ}}_d}=\frac{1}{\mathrm{SR}}\·\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{sw}}s+1},$ δ_d为车辆转向轮角度，τ_sw为转向一阶时间常数，SR为转向比。

6.根据权利要求5的方法，其还包含在测量得到的横向加速度上使用滤波器

以及在驾驶者转向轮角度上使用滤波器 $\frac{{\mathrm{\τs}}^2}{(\mathrm{\τs}+1)({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{sw}}s+1)}\·{\mathrm{TF}}_{\mathrm{mod}\mathrm{el}}\left(s\right)$ 的步骤。

7.根据权利要求5的方法，其中，车辆包含控制系统，确定步骤包含将未来的时间范围Δt选择为至少与翻车预防系统的响应时间一样长。

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