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基于EPS和车辆模型的表面摩擦系数的连续估算.pdf

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基于 EPS 车辆 模型 表面 摩擦系数 连续 估算
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摘要
申请专利号:

CN201610301803.X

申请日:

2016.03.25

公开号:

CN106004994A

公开日:

2016.10.12

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):B62D 5/04申请日:20160325|||公开
IPC分类号: B62D5/04; B62D6/00; B62D137/00(2006.01)N; B62D101/00(2006.01)N; B62D113/00(2006.01)N; B62D119/00(2006.01)N 主分类号: B62D5/04
申请人: 操纵技术IP控股公司
发明人: M·S·乔治; S·P·沙; F·博卢尔基; T·M·瓦伦吉卡
地址: 美国密执安州
优?#28909;ǎ?/td> 2015.03.25 US 62/138085
专利代理机构: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 徐红燕;王传道
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法律状态
申请(专利)号:

CN201610301803.X

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2018.07.27|||2016.11.09|||2016.10.12

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明涉及基于EPS和车辆模型的表面摩擦系数的连续估算。提供一种控制车辆的动力转向系?#36710;?#31995;统和方法。控制系统包括控制模块,该控制模块可操作用于基于电机速度、驱动器扭矩和电机扭矩中的至少一个确定车辆的齿条力;基于车轮角和车辆速率确定多个模拟齿条力;将齿条力与多个模拟齿条力相比较以生成被包括在控制信号中的摩擦水平;以及将控制信号发送到动力转向系统。

权利要求书

1.一种用于车辆的动力转向系?#36710;?#25511;制系统,包括:
控制模块,可操作用于接收传感器数据并控制所述动力转向系统,所述控制模块被配
置成:
基于电机速度、驱动器扭矩和电机扭矩中的至少一个确定所述车辆的齿条力;
基于车轮角和车辆速率确定多个模拟齿条力;
将所述齿条力与所述多个模拟齿条力相比较以生成被包括在控制信号中的摩擦水平;
以及
将所述控制信号发送到所述动力转向系统。
2.如权利要求1所述的控制系统,其中所述控制模块还被配置成基于由电动力转向系
统观察器获得的估算确定所述车辆的所述齿条力。
3.如权利要求1所述的控制系统,其中所述控制模块还被配置成检查所述齿条力和所
述多个模拟齿条力的大小,以确定是否更?#28388;?#36848;摩擦水平。
4.如权利要求1所述的控制系统,其中所述多个估算的齿条力包括雪齿条力、干齿条力
和冰齿条力,其中当所述齿条力落在所述雪齿条力和干齿条力之间时,基于被从至少所述
干齿条力减去的所述雪齿条力来确定所述摩擦水平。
5.如权利要求1所述的控制系统,其中所述多个估算的齿条力包括雪齿条力、干齿条力
和冰齿条力,其中当所述齿条力落在所述雪齿条力和冰齿条力之间时,基于被从至少所述
冰齿条力减去的所述雪齿条力来确定所述摩擦水平。
6.如权利要求1所述的控制系统,其中能够通过专用短程通信(DSRC)架构将所述摩擦
水平无线地广播到第二车辆。
7.一种控制车辆的动力转向系?#36710;?#26041;法,所述方法包括:
基于电机速度、驱动器扭矩和电机扭矩中的至少一个确定所述车辆的齿条力;
基于车轮角和车辆速率确定多个模拟齿条力;
将所述齿条力与所述多个模拟齿条力相比较以生成被包括在控制信号中的摩擦水平;
以及
将所述控制信号发送到所述动力转向系统。
8.如权利要求7所述的方法,还包括基于由电动力转向系统观察器获得的估算确定所
述车辆的所述齿条力。
9.如权利要求7所述的方法,还包括检查所述齿条力和所述多个模拟齿条力的大小,以
确定是否更?#28388;?#36848;摩擦水平。
10.如权利要求7所述的方法,其中所述多个估算的齿条力包括雪齿条力、干齿条力和
冰齿条力,其中当所述齿条力落在所述雪齿条力和干齿条力之间时,基于被从至少所述干
齿条力减去的所述雪齿条力来确定所述摩擦水平。
11.如权利要求7所述的方法,其中所述多个估算的齿条力包括雪齿条力、干齿条力和
冰齿条力,其中当所述齿条力落在所述雪齿条力和冰齿条力之间时,基于被从至少所述冰
齿条力减去的所述雪齿条力来确定所述摩擦水平。
12.如权利要求7所述的方法,其中能够通过专用短程通信(DSRC)架构将所述摩擦水平
无线地广播到第二车辆。
13.一种具有存储于其上的指令的计算机可读介?#21097;?#29992;于执行控制车辆的动力转向系
?#36710;?#26041;法,所述方法包括:
基于电机速度、驱动器扭矩和电机扭矩中的至少一个确定所述车辆的齿条力;
基于车轮角和车辆速率确定多个模拟齿条力;
将所述齿条力与所述多个模拟齿条力相比较以生成被包括在控制信号中的摩擦水平;
以及
将所述控制信号发送到所述动力转向系统。
14.如权利要求13所述的计算机可读介?#21097;?#36824;包括基于由电动力转向系统观察器获得
的估算确定所述车辆的所述齿条力。
15.如权利要求13所述的计算机可读介?#21097;?#36824;包括检查所述齿条力和所述多个模拟齿
条力的大小,以确定是否更?#28388;?#36848;摩擦水平。

说明书

基于EPS和车辆模型的表面摩擦系数的连续估算

对相关申请的交叉引用

本专利申请要求2015年3月25日提交的、美国临时专利申请序号62/138,085的优
?#28909;ǎ?#36890;过对其整体引用将其并入本文。

背景技术

估算道路表面摩擦的常规方法可能使用由非电动力转向(EPS)传感器信号计算的
车轮滑移。用于估算道路表面摩擦中的变化的不同途径包括使用车轮速度和车轮滑移之间
的差,使用车辆偏动和横向加速度传感器,使用在车辆前部的光学传感器,其使用来自道路
表面的反射来估算道路摩擦,使用声学传感器来检测给出关于表面的信息的轮胎噪声,以
及使用在轮胎螺纹处的传感器来测量应力和应变,其可以被涉及回到表面摩擦。

还可以使用EPS传感器信号,但是在转向车轮处于稳定状态条件之后进行检测。同
样,由于稳定状态需求,排除驾驶策略(driving maneuver)的一些子集。在稳定状态条件中
应用的检测算法是二进制的、三态的等,并且限制可用于其它车辆子系?#36710;?#20449;息。

在基于车轮滑移确定摩擦的情况中,确定是昂贵?#27169;?#24182;且取决于轮胎信号,或者提
供迟到的检测。重要的是,驱动器得到摩擦反馈,但是还针对像是EPS感觉/扭矩合成、自主
智能巡航控制,以及防撞系?#36710;?#20854;它功能需要摩擦信息。

发明内容

在本发明的一个示例性实施例中,提供一种用于车辆的动力转向系?#36710;?#25511;制系
统。该控制系统包括控制模块,该控制模块可操作用于基于电机速度、驱动器扭矩和电机扭
矩中的至少一个确定车辆的齿条力;基于车轮角和车辆速率确定多个模拟齿条力;将齿条
力与多个模拟齿条力相比较以生成被包括在控制信号中的摩擦水平;以及将控制信号发送
到动力转向系统。

在本发明的另一示例性实施例中,提供一种控制车辆的动力转向系?#36710;?#26041;法。该
方法包括:基于电机速度、驱动器扭矩和电机扭矩中的至少一个确定车辆的齿条力;基于车
轮角和车辆速率确定多个模拟齿条力;将齿条力与多个模拟齿条力相比较以生成被包括在
控制信号中的摩擦水平;以及将控制信号发送到动力转向系统。

从连同附图获得的以下描述,这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。

附图说明

在说明书结束处的权利要求中特别地点出并清楚地要求了被视为本发明的主题。
从连同附图获得的以下详?#35813;?#36848;,本发明的前述和其它特征以及优点是显而易见?#27169;?#20854;中:

图1是根据一些实施例的、图解包括转向系?#36710;?#36710;辆的功能性框图;

图2根据一些实施例图解控制模块的示意图,该控制模块使用若干电动力转向
(EPS)信号检测表面摩擦水平中的变化;

图3根据一些实施例图解生成齿条力估算的车辆模拟模块的示意图;

图4根据一些实施例图解控制模块的摩擦分类器的示意图;以及

图5根据一些实施例图解所分类的摩擦水平的无线数据传输应用。

具体实施方式

在一些实施例中,一种方法和系统使用诸如手轮角(HWA)信号、小齿轮扭矩(PT)信
号和手轮扭矩(HWT)信号的电动力转向(EPS)信号来确定轮胎-道路摩擦(即,表面摩擦)。由
于本发明的各种实施例的系统和方法检测表面摩擦中的变化,因而该系统和方法可以被用
于检测其中车辆可能失去牵引的条件,并且通过EPS系统、?#28010;?#27515;制动系统(ABS)和/或电子
稳定性控制(ESC)系统采取适当的预?#26469;?#26045;。

如在本文中使用的那样,术语模块和子模块指的是一个或多个处理电路,诸如专
用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的
或组)和存储器、组?#19979;?#36753;电路,和/或提供所描述的功能性的其它适当的组件。如可以被领
会的那样,可以结合和/或进一?#20132;?#20998;下面描述的子模块。

现在参考附图,其中将参?#32487;?#23450;的、但不限制相同的实施例描述本发明,图1是图
解包括转向系统12的车辆10的示例性实施例。在各种实施例中,转向系统12包括被耦?#31995;?br />转向轴系统16的手轮14,所述转向轴系统16包括转向柱、中间轴以及必要的接头。在一个示
例性实施例中,转向系统12是电动力转向(EPS)系统,其还包括耦?#31995;?#36716;向系统12的转向轴
系统16以及耦?#31995;?#36710;辆10的拉杆20、22的转向辅助单元18。替换地,转向辅助单元18可以将
转向轴系统16的上部与该系?#36710;?#19979;部相耦合。转向辅助单元18包括例如齿条和小齿轮转向
机构(未示出),其可以通过转向轴系统16被耦?#31995;?#36716;向执行器电机19和传动装置。在操作
期间,随着车辆操作者转动手轮14,转向执行器电机19提供帮助来移动拉杆20、22,所述拉
?#31169;?#32780;移动被分别地耦?#31995;?#36710;辆10的各个路面车轮28、30的转向关节24、26。

如在图1中示出的那样,车辆10还包括各种传感器31、32、33,其检测和测量转向系
统12和/或车辆10的可观察的条件。传感器31、32、33基于可观察的条件生成传感器信号。在
一个示例中,传感器31是扭矩传感器,其感测由车辆10的操作者应用于手轮14的输入驱动
器手轮扭矩(HWT)。扭矩传感器基于此生成驱动器扭矩信号。在另一示例中,传感器32是电
机速率传感器,其感测转向执行器电机19的旋转速率。传感器32基于此生成电机速率或速
度信号。在仍另一示例中,传感器33是手轮位置传感器,其感测手轮14的位置。传感器33基
于此生成手轮位置信号。

控制模块40接收从传感器31、32、33输入的一个或多个传感器信号,并且可以接收
其它输入,诸如车辆速率信号34。控制模块40基于所述输入中的一个或多个并?#19968;?#22522;于本
公开的转向控制系统和方法生成命令信号,以控制转向系统12的转向执行器电机19。本公
开的转向控制系统和方法应用信号调节并执行摩擦分类,以将表面摩擦水平42确定为可以
被用于通过转向辅助单元18控制转向系统12的方面的控制信号。还可以将表面摩擦水平42
作为警报发送到ABS44和/或ESC系统46,以指示表面摩擦中的变化,如在本文中进一步描述
的那样,其可以进一步被分类为在中心滑移(即,在?#31995;?#30340;手轮角处)或不在中心滑移(即,
在较高的手轮角处)。可以使用例如控制器区域网络(CAN)总线或本领域中已知的其它车辆
网络来执行与ABS44、ESC系统46和其它系统(未描绘)的通信,以交换诸如车辆速率信号34
的信号。

图2图解摩擦控制模块200的示意图,摩擦控制模块200表示使用若干EPS信号确定
表面摩擦水平的图1的控制模块40内的控制逻辑的一部分。在实施例中,摩擦控制模块200
包括齿条力估算模块202、EPS观察器模块204和摩擦分类器模块206。齿条力估算模块202可
以基于车轮角和车辆速率估算针对不同表面的齿条力。在一些实施例中,车轮角可以由来
?#28304;?#24863;器33的HW角导出。由齿条力估算模块202估算的齿条力可以包括对应于车辆在干沥
青或另一类似道路的表面上行进的干齿条力,对应于车辆在雪覆盖的表面上行进的雪齿条
力,以及对应于车辆在冰覆盖的表面上行进的冰齿条力。针对干的、雪和冰覆盖的表面的代
表性摩擦系数可以采用分别地由1、0.3和0.1表示的表面摩擦系数(μ)表示。虽然本文中公
开了干的、雪和冰覆盖的表面,但是还预期和理解的是,齿条力估算模块202可以估算?#25105;?br />数量的不同表面,包括但不被限于上面描述的那些。

EPS观察器模块204从电机扭矩、驱动器扭矩和电机速度中的一个或多个确定实际
的齿条力。可以将多个估算的齿条力和实际的齿条力发送到摩擦分类器模块206。摩擦分类
器模块206基于对实际的齿条力与估算的齿条力的比较确定摩擦水平。摩擦水平可以被表
示为表面摩擦系数μnew;可以将该摩擦水平包括在被用于控制动力转向系?#36710;?#25511;制信号中。

EPS观察器模块204可以是扰动观察器,其预测到EPS系?#36710;?#31283;定状态扰动输入。可
以将EPS系统驱动器扭矩和电机扭矩考虑为控制输入,而来自拉杆的齿条力充当外部扰动
输入。将齿条力增加为系?#36710;?#29366;态之一,并且然后可以创建扰动观察器,以估算包括齿条力
的系?#36710;?#25152;有状态。这可以用作针对齿条力的估算方法。在一些实施例中,扰动观察器方程
为如下:





其中表示系统状态和扰动输入的增加状态,U表示包括电机扭矩和驱动器扭矩
的控制输入,Y表示诸如电机位置和电机速度的系统测量,Aaug、Baug、Caug是从EPS系统模型的
方程获得的系统矩阵,L是或者通过放置观察器极点或者通过设计卡尔曼滤波器获得的观
察器矩阵。

可以预处理诸如来?#28304;?#24863;器33的HW角和来?#28304;?#24863;器31的HW扭矩传感器数据的传
感器数据,以产生手轮角、手轮扭矩和/或驱动器扭矩、以及导出/德尔塔值、和/或手轮和车
辆速率。

模块202、204和206中的每一个都可以被实?#27835;?#22312;摩擦控制模块200的存储器中的
非暂时性可执行指令,或者被形成在硬件中,并且可以通过摩擦控制模块200的一个或多个
处理电路被执行。如下面将参考图3-5进一步更详?#35813;?#36848;的那样,使用齿条力估算模块202、
EPS观察器模块204、和摩擦分类器模块206的输出来估算表面摩擦水平。

图3图解图2的车辆模拟模块202的示意图。在电机角转换块302处,可以将电机角
接收为度数并转换成弧度,以表示与车轮角一致的单位。可以由电机角转换块302将以弧度
的电机角的表示发送到齿条位置查找块304。齿条位置查找块304由以弧度表达的电机角确
定齿条位置。将齿条位置发送到车轮角查找块306,其由齿条位置确定车轮角。在一些实施
例中,以弧度表达车轮角。

可以将齿条位置发送到转向臂长度查找块308,其由齿条位置确定转向臂长度。齿
条位置查找块304、车轮角查找块306和转向臂长度查找块308可以使用查找表来生成其分
别的输出。

车轮角查找块306将车轮角发送到轮胎补偿器模块309。轮胎补偿器模块309还可
以接收已经在速率转换块310处被转换成米每秒的车辆速率的大小。轮胎补偿器模块309由
车轮角生成经调整的轮胎角。通过经修改的非线性自行车模型模块312处理由速率转换块
310发送的经调整的轮胎角和车辆速率。

经修改的非线性自行车模型模块312生成可以以牛顿表达的前?#31181;?#21147;,以及可以
以弧度表达的前?#31181;?#28369;移角。轮胎拖距模块314将齿条力确定为转向臂长度、前?#31181;?#21147;、前
?#31181;?#28369;移角和车辆速率大小的函数。齿条力估算模块202将齿条力传输到摩擦分类器模块
206。齿条力估算模块202可以估算针对多个不同表面的齿条力,所述多个不同表面包括但
不被限于干的、冰和雪覆盖的表面。齿条力估算模块202可以单独估算针对每个表面的每个
齿条力,并且将齿条力估算同时地传输到摩擦分类器模块206。

齿条力估算模块202可以使用以下方程来估算针对?#25105;?#25968;量的给定的表面的齿条
力。这些方程包括:




<mrow> <msub> <mo>&Proportional;</mo> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>V</mi> <mo>+</mo> <mi>a</mi> <mo>.</mo> <mi>r</mi> </mrow> <mi>U</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>&delta;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mi>g</mi> <mi>e</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> </mrow>

<mrow> <msub> <mo>&Proportional;</mo> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>V</mi> <mo>-</mo> <mi>b</mi> <mo>.</mo> <mi>r</mi> </mrow> <mi>U</mi> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

其中m是车辆的质量,Izz是车辆的Y惯性,SA是转向臂长度,a是车辆CG?#35282;奧种?#36317;
离,b是车辆CG到后?#31181;?#36317;离,r是偏动速率,U是纵向速率,V是横向速率,Fcf是前?#31181;?#21147;,Fcr
是后?#31181;?#21147;,αf是前?#31181;?#28369;移角,αr是后?#31181;?#28369;移角,tm是机械拖距,tp是轮胎拖距,δlagged是
具有滞后的轮胎角,以及θ是电机角。

图4是更详细的摩擦分类器模块的示意图。在摩擦大小分析器402处,分析实际齿
条力和多个估算的齿条力,以确定条件是否适合用于更新摩擦系数。例如,如果车辆在直的
或半直的路径中行进,那么不将转向输入提供到EPS系统,并?#20063;?#33021;够确定摩擦水平。摩擦
大小分析器402可以使用由齿条力估算模块202(图2)确定的?#25105;?#25968;量的估算的齿条力来更
新摩擦系数。在图4中描述的实施例中,估算冰齿条力(Fi)、雪齿条力(Fs)和干齿条力(Fd),
并且将它们提供到摩擦大小分析器402。

当摩擦大小分析器402确定实际的齿条力落在Fs和Fd或任何其它估算的齿条力值
之间时,Mu计算模块404输出基于估算的齿条力(Fe)、雪齿条力(Fs)、干齿条力(Fd)、雪摩擦
系数(μs)和干表面摩擦系数(μd)计算的μnew值。在一些实施例中,当实际的齿条力落在Fs和
Fd之间时,通过求解以下方程计算μnew:

<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&mu;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>e</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&mu;</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&mu;</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&mu;</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

在该实施例中,摩擦大小分析器402确定齿条力估算落在Fi和Fs之间,Mu计算模块
404输出基于估算的齿条力(Fe)、雪齿条力(Fs)、冰齿条力(Fi)、雪摩擦系数(μs)和冰表面摩
擦系数(μi)计算的μnew值。在该情况中,通过求解以下方程计算μnew:

<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&mu;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>e</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&mu;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&mu;</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&mu;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

一旦计算了,就可以将μnew载入存储器410中,并且可以采用包括μnew的摩擦水平更
新动力转向系统。

在图4?#22411;?#35299;的双内插提供相比单内插更多的解决方案,其考虑?#21496;?#26377;最大摩擦
系数(例如,干表面)和最小表面系数(例如,光滑表面)的表面。这是因为,在某种程度上,针
对多个表面的表面系数的平均值不是μd和μi的数学平均值。

一旦车辆检测到表面摩擦中的变化,就可以警告其它车辆。作为结果,其它车辆可
以预装载其制动器(以能够施加更有效的制动力),针对道路条件调整其速率等。该情况可
能在受限的视觉条件(雾或黑暗)下出现,使得道路摩擦的准确条件对驾驶者而言可能是不
明显的。将来的无人驾驶车辆也可以找到期望的这样的信息。

图5图解在车辆602、604和/或基础设施606之间无线地广播摩擦系数的实现。特别
地,第一车辆602和第二车辆604可以包括无线收发器,以例如使实现使用专用短程通信
(DSRC)架构在车辆和/或基础设施606之间的传输。如果车辆1正在十字路口中进行左转,那
么车辆1可以将摩擦水平信息(关于μ)广播给车辆2。还可以将该信息传递到基础设施(例如
安装在交通灯上的)。传送到基础设施的一个优点在于:可以采用更多的能量/保真度将该
信息广播到附近的所有车辆或到更大的广播(媒体等)。

虽?#36824;?#20110;仅有限数量的实施例详细地描述了本发明,但是应容易地理解的是,本
发明不被限于这样公开的实施例。而是,可以修改本发明以并入迄今未描述、但是与本发明
的精神和范围相称的?#25105;?#25968;量的变型、替换、置换或等价布置。?#36865;猓?#34429;然描述了本发明的
各种实施例,但是要理解的是,本发明的方面可以包括所描述的实施例中的仅一些。因此,
本发明不被视为由上述描述所限制。

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