CN102582625A - 纵向轮胎-道路摩擦系数的线性和非线性识别 - Google Patents

Abstract

提供了一种估计纵向轮胎-道路摩擦系数的方法，该方法包括确定轮胎特征曲线的斜率何时为线性以及何时为非线性，该初始斜率将轮胎的被利用纵向摩擦力关联到轮胎的纵向滑移。当轮胎特征曲线的斜率是线性时，则轮胎-道路摩擦系数通过将轮胎的斜率关联到轮胎-道路摩擦系数而被估计。当轮胎特征曲线的斜率是非线性时，表示轮胎接近或处于饱和，则轮胎-道路摩擦系数通过计算轮胎的当前被利用纵向摩擦力而被估计。

Description

纵向轮胎-道路摩擦系数的线性和非线性识别

技术领域

本发明大体涉及一种估计车辆轮胎的轮胎-道路摩擦系数的方法。

背景技术

轮胎-道路摩擦系数是无量纲值，其指示轮胎的摩擦值对道路的摩擦值。包括但不限于电子稳定性控制系统和防锁制动系统的许多车辆控制系统，在确定如何控制车辆的各个部件时，利用轮胎-道路摩擦系数。轮胎-道路摩擦系数随不同的轮胎和不同的道路条件改变。例如，在相同运行条件下对于同一车辆上的同一轮胎，轮胎-道路摩擦系数在干路面上要比在湿路面上大。因为轮胎-道路摩擦系数连续变化，车辆控制器必须连续地监视和/或计算道路-轮胎摩擦系数以便各控制系统来使用。

发明内容

提供了一种估计车辆的纵向轮胎-道路摩擦系数的方法。该方法包括估计轮胎的纵向刚度，和确定轮胎是否处于预定饱和范围中。当轮胎没有处于预定饱和范围中时，则轮胎的纵向刚度被关联到轮胎-道路摩擦系数的估计值，以估计轮胎-道路摩擦系数。当轮胎处于预定饱和范围中时，则轮胎的当前被利用的纵向摩擦力被计算，以估计轮胎-道路摩擦系数。

提供了一种估计车辆的纵向轮胎-道路摩擦系数的替换方法。该方法包括随时间计算轮胎的纵向滑移、随时间计算轮胎上的纵向力、随时间计算轮胎上的垂直力和随时间计算轮胎的被利用纵向摩擦力。轮胎的被利用纵向摩擦力通过将轮胎上的纵向力除以轮胎上的垂直力而计算出。该方法还包括计算轮胎特征曲线的初始斜率，该初始斜率随时间将轮胎的被利用纵向摩擦力关联到轮胎的纵向滑移，并计算轮胎特征曲线在时间上的一阶导数，以确定轮胎是否处于预定饱和范围中。当轮胎没有处于预定饱和范围中时，则轮胎特征曲线的初始斜率被关联到轮胎-道路摩擦系数的估计值，以估计轮胎-道路摩擦系数。当轮胎处于预定饱和范围中时，则轮胎的当前被利用纵向摩擦力被计算以估计轮胎-道路摩擦系数。轮胎的当前被利用纵向摩力擦通过将轮胎上的当前纵向力除以轮胎上的当前垂直力而被计算出。

因而，将轮胎的被利用纵向摩擦力关联到轮胎的纵向滑移、且是对轮胎的纵向刚度的度量的轮胎特征曲线的初始斜率被用于在初始斜率的斜率没有处于预定饱和范围时(即只要轮胎特征曲线的斜率保持线性时)计算轮胎-道路摩擦系数。当轮胎特征曲线的斜率进入预定饱和范围并变为非线性时(表示轮胎处于或接近饱和)，则轮胎的实际被利用纵向摩擦力被用于轮胎-道路摩擦系数。一旦轮胎处于预定饱和范围中时，则使用轮胎的实际被利用纵向摩擦力，因为一旦轮胎接近饱和，则轮胎特征曲线的初始斜率与轮胎-道路摩擦系数之间的关联性不再有效。因此，当轮胎没有饱和以及处于饱和时，轮胎-道路摩擦系数可被准确估计。

本发明的这些特征和优势及其它特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述并连同附图而显而易见。

附图说明

图1是估计轮胎-道路摩擦系数的方法的流程图。

图2是关于纵轴上的轮胎的被利用纵向摩擦力对横轴上的轮胎纵向滑移的图表。

图3是示意性力示意图。

具体实施方式

参考附图，其中，相同的附图标记在多幅图中表示相同的部件，估计用于车辆的纵向轮胎-道路摩擦系数的方法在图1中总体用20示出。轮胎-道路摩擦系数是表示轮胎的摩擦性能对道路的摩擦性能的无量纲值。当沿车辆的纵向方向(即在车辆的前部和车辆的后部之间延伸的方向)测量时，该轮胎-道路摩擦系数被称为纵向轮胎-道路摩擦系数。一旦计算出来，该纵向轮胎-道路摩擦系数可被车辆的一个或多个控制系统使用，包括但不限于电子稳定性控制系统或防锁制动系统，以确定在现有条件下如何控制车辆。轮胎-道路摩擦系数随变化的道路和天气条件以及变化的车辆运行条件而不断地变化。因而，轮胎-道路摩擦系数必须被连续地计算或估计，以为各控制系统提供最准确和最新的轮胎-道路摩擦系数估计值。

该方法包括估计轮胎的纵向刚度，大体在块22示出。还参考图2，轮胎的纵向刚度大体通过图2中的线24示出。该轮胎的纵向刚度被定义为轮胎特征曲线的初始斜率，即，线24，该初始斜率将轮胎的被利用纵向摩擦力(沿图2所示的纵轴26测量)关联到轮胎的纵向滑移(沿图2所示的横轴28测量)。轮胎特征曲线30大体用图2中的虚线30示出。

在低纵向滑移值时的轮胎特征曲线30的斜率与在高纵向滑移值时的轮胎特征曲线30的斜率之间存在显著的差异。在轮胎特征曲线30的低纵向滑移区域中，存在线性关系，即，初始斜率24。当纵向滑移增加时，轮胎特征曲线30的斜率变为非线性的44，且随着轮胎接近饱和而变平。轮胎饱和在此定义为在当前条件下到达最大值的纵向轮胎力。在轮胎特征曲线30在低纵向滑移时的线性区域24中，基于车辆纵向加速度的简单算法可用于计算纵向轮胎-道路摩擦系数，该算法诸如但不限于被防锁制动系统或牵引控制系统使用的算法。但是，一旦轮胎接近饱和，即，轮胎特征曲线30进入轮胎特征曲线30的非线性区域44，这些算法不可使用。

估计轮胎的纵向刚度包括随时间计算轮胎的纵向滑移，大体通过块32表示。轮胎的纵向刚度被间歇地不断计算。纵向滑移随时间被连续地计算以提供一系列值，这些值表示纵向滑移及其变化。例如，纵向滑移可在每个预定时间段计算一次。该预定时间段可被限定为一秒。因而，纵向滑移可每秒计算一次。应该理解，纵向滑移的计算频率可与提供的例子不同。

轮胎的纵向滑移可被计算，例如，通过公式1：

$k=\frac{V_x-r_e\mathrm{\ω}}{V_x}---1)$

其中k是轮胎的纵向滑移，ω是轮胎的回转角速度，r_e是轮胎的有效滚动半径，且V_x是车辆的纵向速度。轮胎的回转角速度ω可使用标准防锁制动轮速度传感器被计算，且车辆的纵向速度可从非从动轮的角速度、从纵向加速度计或从GPS信号计算出。应该理解，轮胎的纵向滑移可以没有在此描述的一些其他方式计算。

估计轮胎的纵向刚度还包括随时间计算轮胎上的纵向力，其大体由块34示出。轮胎上的纵向力被间歇地连续计算。轮胎上的纵向力被随时间连续地计算以提供一系列值，这些值表示轮胎上的纵向力及其变化。例如，轮胎上的纵向力可在每个预定时间段计算一次。该预定时间段可被限定为一秒。因而，轮胎上的纵向力可每秒被计算一次。应该理解，轮胎上的纵向力的计算频率可与提供的例子不同。

轮胎上的纵向力可基于估计的或测量的发动机扭矩，或可替换地基于车辆的纵向加速度计算。发动机扭矩可由一个或多个车辆传感器测量，或可由模型估计。如果估计的或测量的发动机扭矩被用于估计轮胎上的纵向力，则可参照传动系的模型以将发动机扭矩转换为轮胎上的纵向力。因而，模型将发动机扭矩关联到轮胎上的纵向力的值。如果轮胎上的纵向力基于车辆的纵向加速度(如由车辆的一个或多个纵向加速度计或其他传感器测量的)，则轮胎上的纵向力可在加速期间通过公式2计算：

F_x＝F_xf+F_xr＝m|a_x|+|F_r|+|D_aV²|       2)

且可在制动期间通过公式3计算：

F_x＝F_xf+F_xr＝m|a_x|-|F_r|+|D_aV²|       3)

其中Fx是前轮胎60和后轮胎62上的合并的纵向力；F_xf是前轮胎60上的纵向力；F_xr是后轮胎62上的纵向力；m是车辆的质量；a_x是车辆的纵向加速度；F_r是轮胎上的滚动阻力；D_a是气动阻力；且V是车辆的速度。滚动阻力F_r可以通过公式4计算：

F_r＝C_rollmg                          4)

其中C_roll是滚动阻力系数；m是车辆的质量；且g是重力加速度。滚动阻力包括用于前轮胎60F_rf的值和用于后轮胎62F_rr的值。气动阻力D_a可由公式5计算：

$D_a=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{C}_{d}A---5)$

其中ρ是空气密度；C_d是气动阻力系数；且A是车辆的锋面。上述各种动力相对于图3中的车辆被显示。应该理解，轮胎上的纵向力可按照并非在此描述的一些其他方式计算。

估计轮胎的纵向刚度还包括随时间计算轮胎上的垂直力，大体由块36指示。轮胎上的垂直力被间歇地连续计算。轮胎上的垂直力被随时间连续地计算以提供一系列值，这些值表示轮胎上的垂直力及其变化。例如，轮胎上的垂直力可在每个预定时间段计算一次。该预定时间段可被限定为一秒。因而，轮胎上的垂直力可每秒计算一次。应该理解，轮胎上的垂直力的计算频率可与提供的例子不同。

轮胎上的垂直力可被计算，例如，在计算前轮胎60上的垂直力时通过公式4，以及在计算后轮胎62的垂直力时通过公式5计算。公式4和公式5被如下定义：

$F_{\mathrm{zf}}=\frac{\mathrm{mgb}-{\mathrm{ma}}_{x}h-D_a{V}^2{h}^a}{(a+b)}---4)$

$F_{\mathrm{zr}}=\frac{\mathrm{mgb}+{\mathrm{ma}}_{x}h+D_a{V}^2{h}^a}{(a+b)}---5)$

其中F_zf是前轮胎60上的垂直力；F_zr是后轮胎62上的垂直力；m是车辆的质量；g是重力加速度；a是车辆的重心64到前轮胎60的距离；b是车辆的重心64到后轮胎62的距离；a_x是车辆的纵向加速度；D_a是气动阻力，且可使用上述公式5计算；h是车辆的重心64的高度；V是车辆的速度；且h^a是气动阻力的高度。上述各种动力和尺寸相对于图3中的车辆显示。应该理解，垂直力可以并非在此描述的一些其他方式计算。

估计轮胎的纵向刚度还包括随时间计算轮胎的被利用纵向摩擦力，大体由块38指示。轮胎的被利用纵向摩擦力被间歇地连续计算。被利用纵向摩擦力被随时间连续地计算以提供一系列值，这些值表示被利用的纵向摩擦力及其变化。例如，被利用的纵向摩擦力可在每个预定时间段计算一次。该预定时间段可被限定为一秒。因而，被利用的纵向摩擦力可每秒计算一次。应该理解，被利用的纵向摩擦力的计算频率可与提供的例子不同。

被利用的纵向摩擦力可被计算，例如，通过公式6计算，其中被利用的纵向摩擦力通过将任意给定时刻的轮胎上的纵向力除以轮胎上的垂直力而计算。

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{util}}=\frac{F_x}{F_z}---6)$

因而，在任意给定时刻，轮胎上的纵向力被如上所述地计算，轮胎上的垂直力被如上所述地计算，且随后轮胎上的纵向力被除以轮胎上的垂直力以计算在特定时刻的被利用纵向摩擦力。如果被利用纵向摩擦力被针对当前时间和条件(即，当前运行点)计算，则被利用的纵向摩擦力可被称作当前被利用的纵向摩擦力。

当轮胎处于低滑移区域(即，针对给定道路表面和法向力的轮胎特征曲线30的线性部分24)时，在轮胎处产生的纵向力与在该运行点(即，时间上的该点处)的轮胎的纵向滑移成比例。这被定义作为轮胎的纵向刚度，即轮胎特征曲线30的初始斜率24。

估计轮胎的纵向刚度还包括计算轮胎特征曲线30的初始斜率24，通常由块40指示。如上所述，轮胎特征曲线30随时间将轮胎的被利用纵向摩擦力关联到轮胎的纵向滑移。如图2所示，轮胎的被利用纵向摩擦力被示出在垂直轴26上，而纵向滑移被示出在水平轴28上。因而，轮胎特征曲线30的初始斜率24可通过将被利用的纵向摩擦除以纵向滑移而被计算出。

确定轮胎特征曲线30的初始斜率24可包括对轮胎的被利用纵向摩擦力和轮胎的纵向滑移对多个被计算数据点进行筛选，其表示轮胎特征曲线30，以估计初始斜率24的值。数据点可利用，例如，卡尔曼滤波器或一些其他估计技术而被滤波。通过施加卡尔曼滤波器技术，例如，可以基于纵向滑移和轮胎上的纵向力估计纵向轮胎刚度。基于实验结果，被估计的纵向轮胎刚度可被例如使用简单的查找表关联到相应的轮胎-道路摩擦系数。

该方法还包括限定轮胎的预定饱和范围，大体由块42指示。如图2所示，轮胎特征曲线30包括基本线性的初始斜率24。但是，随着轮胎接近饱和，轮胎特征曲线30的斜率变为非线性。轮胎特征曲线30的非线性部分在图2中大体在44处示出。预定饱和范围是轮胎的饱和的百分数或一范围。因而，当轮胎到达预定饱和范围时，轮胎可被视为饱和。预定饱和范围可被定义在轮胎特征曲线30的导数等于或接近零(0)时发生，由此大体表示被利用的纵向摩擦力的值不再增加。替换地，该预定饱和范围可被定义为一些不是零但接近零的值。应该理解，预定饱和范围可被限定为包括对轮胎、车辆和/或道路条件特定的任何值或值的范围。

因为当轮胎刚度处于线性范围中时，纵向轮胎-道路摩擦系数可仅如上所述由轮胎刚度计算，即，轮胎特征曲线的初始斜率24，该方法还包括确定轮胎是否处于预定饱和范围内，大体由块46指示。确定轮胎是否处于预定饱和范围内是确定轮胎是处于轮胎特征曲线30的线性范围24还是非线性范围44中。确定轮胎是否处于预定饱和范围可包括，例如，随时间连续地监控轮胎特征曲线30的斜率，以确定轮胎特征曲线30的斜率何时落入预定饱和范围中。随时间连续地监控轮胎特征曲线30的斜率可包括跟踪轮胎特征曲线30在时间上的一阶导数，以确定轮胎特征曲线30的一阶导数何时达到或接近零，或达到或接近预定饱和范围。轮胎特征曲线的一阶导数在图2中大体通过线48表示。因而，被利用的纵向摩擦力的导数可被除以轮胎的纵向滑移的导数，以计算轮胎特征曲线30的导数的斜率。表示轮胎特征曲线30的导数的斜率的多个数据点可随时间获得。因而，确定轮胎是否处于预定饱和范围中可包括用一数据点对轮胎特征曲线30在时间上的一阶导数进行过滤，以估计轮胎特征曲线30的一阶导数的值。轮胎特征曲线30的一阶导数的数据点可用例如，卡尔曼滤波器或一些其他估计技术滤波。

当轮胎没有处于预定饱和范围(大体在49处表示)中，且仍处于轮胎特征曲线30的初始线性范围内，则该方法还包括将轮胎的纵向刚度关联到轮胎-道路摩擦系数的估计值，大体由块50示出，以估计轮胎-道路摩擦系数。轮胎的纵向刚度可通过参考查找表被关联到轮胎-道路系数的估计值，该查找表将轮胎的纵向刚度(即轮胎特征曲线30的初始斜率24)关联到针对该轮胎的轮胎-道路摩擦系数的经验获得值。

当运行点的估计斜率下降到接近零且轮胎处于预定饱和范围中时，大体在51表示，则该方法还包括计算轮胎的当前被利用纵向摩擦力，以估计轮胎-道路摩擦系数，大体由块52示出。如上所述，轮胎上的纵向力在该特定时刻的当前值被除以在该特定时刻的轮胎的当前垂直力，以计算当前的被利用纵向摩擦力。此计算出的轮胎的当前被利用纵向摩擦力的值则用作轮胎-道路摩擦系数的估计值。只要轮胎特征曲线30的被估计斜率包括相对较大的值，该运行范围就被视为处在轮胎特征曲线的线性部分24中，且轮胎-道路摩擦系数可如上所述由被估计的轮胎刚度获得。当轮胎特征曲线30的被估计斜率落入预定饱和范围中时，该运行范围可被视为处在轮胎特征曲线的非线性部分44中，且轮胎-道路摩擦系数可使用上述公式6计算。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附权利要求范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (10)

1.一种估计车辆的纵向轮胎-道路摩擦系数的方法，该方法包括：

估计轮胎的纵向刚度；

确定该轮胎是否处于预定饱和范围中；

当该轮胎没有处于所述预定饱和范围中时，将该轮胎的纵向刚度关联到轮胎-道路摩擦系数的估计值，以估计所述轮胎-道路摩擦系数；和

当该轮胎处于预定饱和范围中时，计算该轮胎的当前被利用的纵向摩擦力以估计所述轮胎-道路摩擦系数。

2.如权利要求1所述的方法，其中，估计轮胎的纵向刚度包括随时间间歇地计算该轮胎的纵向滑移。

3.如权利要求2所述的方法，其中，估计轮胎的纵向刚度包括随时间间歇地计算该轮胎上的纵向力。

4.如权利要求3所述的方法，其中，计算轮胎上的纵向力包括使发动机扭矩参照该轮胎上的纵向力的被关联值。

5.如权利要求3所述的方法，其中，计算轮胎上的纵向力包括从车辆的纵向加速度计算该轮胎上的纵向力。

6.如权利要求5所述的方法，其中，参照车辆的纵向加速度包括测量所述车辆的纵向加速度。

7.如权利要求3所述的方法，其中，估计轮胎的纵向刚度包括随时间间歇地计算轮胎上的垂直力。

8.如权利要求7所述的方法，其中，估计轮胎的纵向刚度包括随时间间歇地计算轮胎的被利用纵向摩擦力。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述被利用的纵向摩擦力通过将该轮胎上的纵向力除以该轮胎上的垂直力而被计算。

10.如权利要求8所述的方法，其中，估计轮胎的纵向刚度包括计算该轮胎特征曲线的初始斜率，该初始斜率随时间将该轮胎的被利用的纵向摩擦力关联到该轮胎的纵向滑移。

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