CN101351369A - 确定车辆性能的方法 - Google Patents

Abstract

通过将轮胎的实际和实时数据都提供到车辆控制系统来确定车辆性能。数据包括静态和动态轮胎数据。性能通过以下步骤确定：a)驱使车辆运动，车辆被提供有一组轮胎和车辆控制系统，其中至少一个轮胎具有与车辆控制系统通信的装置，并且车辆控制系统具有处理器、车辆观测器和预编程的车辆模型；b)经由轮胎通信装置发送来自轮胎的静态或动态轮胎信息到车辆控制系统；以及c)使用所接收的轮胎信息估算车辆性能。

Description

确定车辆性能的方法

技术领域

本发明一般而言涉及电子稳定性控制系统，更具体地涉及既使用静态又使用动态轮胎参数来改进电子稳定性控制系统的性能。

背景技术

在操作中，车辆、车辆的轮胎、以及车辆行驶所在的道路形成一个系统。这三个部件的机械特性必须联合以产生符合车辆操作员要求的操作特性。道路的机械特性尽管依赖于道路而变化但仍为预置的。轮胎的机械属性在轮胎的生产时确定，但是将依赖于道路、压力和轮胎磨损而变化。车辆对道路以及轮胎的响应主要由驾驶员控制。随着车辆控制系统变得更加复杂，对变化中的驾驶条件的车辆响应可以更大程度的由车辆控制系统而不是由驾驶员来控制。

为了使车辆控制系统能够响应变化中的驾驶条件，期望估算轮胎属性。按照惯例，车辆控制系统的一个部件，车辆观测器包含汽车和轮胎的预编程模型。该模型基于其正从车辆和轮胎的不同传感器以及预编程模型接收的输入来确信车辆正在做什么。然而，如果轮胎模型并不真正是车辆及其部件的代表，观测器的结果对于其相遇的情况来说将不是最优化的。

发明内容

本发明针对于一种为车辆控制系统提供更加最优化结果的方法。更具体地，本发明针对于实际和实时轮胎数据到车辆控制系统的通信，使得系统可以预测有关于任何所遇到的给定状况的更加最优化的响应。

根据本发明的一个所披露方面，一种确定车辆的至少一个性能(property)的方法，通过以下步骤：a)提供具有一组轮胎以及车辆控制系统的车辆，其中至少一个轮胎具有与车辆控制系统通信的装置，并且车辆控制系统具有处理器和预编程车辆模型；b)经由轮胎通信装置发送来自轮胎的或者静态或者动态的轮胎信息到车辆控制系统；以及c)由车辆观测器使用所接收轮胎信息来估算车辆性能。

根据本发明的一个方面，所有的四个轮胎提供有通信装置。优选地，通信装置为嵌入到轮胎中的电子标签，例如RFID标签。

根据本发明的一个方面，通信到车辆控制系统的轮胎信息为包括轮胎滚动半径、侧偏刚度、轮胎力和力矩系数、纵向和横向方向上的轮胎刚度、轮胎的回正力矩刚度、以及轮胎尺寸和类型等静态数据。

根据本发明的一个方面，通信到车辆控制系统的轮胎信息为包括纵向、横向和垂直方向上轮胎的瞬时力和力矩值、胎面磨损、轮胎压力、轮胎温度、以及足迹粘着/滑动比率。

根据本发明的另一个所披露方面，车辆滑移角(Slip Angle)为将被测量的所期望的车辆性能。发送到车辆控制系统的轮胎信息包括轮胎侧偏刚度、轮胎力和力矩系数、以及纵向、横向和垂直方向上的力和力矩值。使用这些值，车辆控制系统计算车辆滑移角角并在需要的时候响应所给定状况。

根据本发明的另一个所披露方面，一种确定车辆的偏航角速度目标的方法，通过以下步骤：a)提供具有一组轮胎和车辆控制系统的车辆，其中车辆控制系统具有可以计算车辆移动中的偏航角速度(Yaw Rate)的处理器；b)发送来自轮胎的轮胎力和力矩系数数据到车辆控制系统；以及c)使用所接收轮胎力和力矩系数来计算偏航角速度目标。

具体实施方式

以下文字是执行本发明的最当前所考虑的一种或多种模式。该描述出于阐述本发明基本原则的目的，而不应当作为限定的含义。本发明的范围参考所附权利要求书来最好地确定。

静态轮胎数据可以在轮胎已被建立之后被描绘为特征并且包括例如轮胎尺寸和类型等轮胎特征和能力的轮胎性能，包括速度额定值和负载能力、轮胎滚动半径、以及轮胎力和例如侧偏刚度等力矩性能等。该信息中的一些以印记在轮胎上的轮胎尺寸的形式表达，例如P215/65R1589H。在该轮胎尺寸示例中，静态信息包括：i)轮胎宽度215mm，ii)轮胎纵横比65％，其使能够计算出轮胎高度即139.75mm，iii)车轮直径15英寸，iv)速率额定值H，其指示最大速度能力130mph，以及v)负载额定值89，其指示负荷能力1279磅。

静态轮胎数据也包括轮胎刚度作为与产生垂直力、横向力和纵向力有关的数据。轮胎灵敏度也包括在静态轮胎数据类别中。轮胎灵敏度由于压力、温度和轮胎磨损而在上述所列出轮胎能力和刚度范围内变化。静态轮胎数据也包括在例如Pajeka模型等任何公知的轮胎响应的数学模型之一中所使用的轮胎力和力矩系数。静态轮胎数据可以单独使用，或者与其它所检测数据一起使用，以更新影响轮胎和车辆性能的轮胎响应模型。

动态轮胎数据是随着其发生而被测量的量，并且包括胎面磨损、轮胎压力、轮胎温度、以及在纵向(前后；Fx)、横向(Fy)和垂直(Fz)方向上的力和力矩值。力和力矩值可以在覆盖1-5Hz的低范围、覆盖5-50Hz的中范围、覆盖50-1000Hz的高范围的这样三个频率采样范围的至少一个中被测量。足迹粘着/滑动比率也是动态轮胎性能。

如以上所记录的，车辆控制系统(VCS)不仅使用预编程估算轮胎数据，也使用其它其它车辆情况信息，来提供更好的车辆控制。车辆情况的示例包括但不限于：转向盘转角、轮胎压力、偏航角速度目标、车辆速度、轮胎侧偏刚度、车轮惯性性能、以及可以用来更准确地测量和调整车辆控制的其它标准和情况。

在VCS中，既存在车辆模型，也存在车辆观测器。车辆观测器观测模型以确定车辆的情况并且在从不同的源收集数据时应该做什么。数据越精确，并且由观测器所接收的用于动态轮胎数据的数据越及时，则车辆控制器在车辆控制的辅助下执行得越好。在文中，术语“车辆”被用来定义整个车辆平台，其中轮胎是车辆的一个组件。

对车辆的外部力和变化，例如安装与原始供给的不同尺寸的轮胎，可能导致VCS的响应为不再尽可能的精确。随着观测器运转其算法以控制车辆，不精确的数据导致车辆观测器的小于最优化的响应，这导致在VCS中误算车辆应当如何执行。例如，控制器基于轮胎旋转计算速度。但是为精确地确定车辆速度，需要有效滚动半径(其为轮胎压力的函数)。如果VCS仅使用单一的输入数据，例如所推荐的压力和原始滚动半径，由于随着压力的变化导致有效滚动半径变化，则VCS不再是控制实际状况、而是控制假设状况。因而，VCS可能或者过早地响应、或者不能足够快地响应。

在本发明中，目标是提供实际和实时数据的VCS，使得VCS提供对于实际车辆操作情况的更最优化的响应。关于轮胎的实际数据是静态数据，同时实时轮胎数据是动态数据。向VCS提供实时数据的一种途径是通过轮胎中所安装的RFID。下表示出了静态及动态轮胎数据和车辆性能之间的相配。这里，车辆性能是车辆或者是车辆的组件的静态或动态状态。

通常，静态轮胎数据可以用作到控制系统的输入，以提供初始的控制系统设置(控制微调)。例如，当车辆上的轮胎变化时，来自轮胎传感器或标签的数据可以指示轮胎的实际静态性能。在一种状况下，如果轮胎尺寸变化，例如R17到R15，则车轮尺寸也已变化。这改变了车辆的相对行车高度(ride height)。车辆系统，例如滚动控制，可以通过制造基于轮胎尺寸变化的特定假设来解释行车高度上的该变化。

以下是一系列示例，阐述了表中细节的轮胎数据和车辆性能组合的可能应用。

首先考虑静态数据(在特定轮胎安装在车辆上所安设的车轮上时不变化的信号)，其可以从轮胎传感器传送到车辆控制系统，在表中的第一个五列中描述。关于表格标签为“滚动”的第一列，滚动半径可以用来计算车辆速度并且用在有关于车辆速度的计算中。车辆速度可以基于车轮/轮胎的角速度和轮胎的滚动半径来计算。该计算基于从角速度到线速度的变换。车轮/轮胎的滚动半径可以依赖于不同轮胎的可变的静态和动态性能而变化。该计算可以基于所提供的静态或动态数据而修改或更新。偏航角速度目标和车辆滑移角都是车辆速度的函数。用于增强稳定性控制系统(ESC)的控制策略通常基于偏航角速度目标和车辆滑移角而工作，并且ESC制动系统所采用的控制策略可以程序化以根据所计算的车辆速度而变化。在车辆速度的计算中的增加精确度可以提高系统性能。

关于标签为“侧偏刚度”的列，转向不足系数可以基于侧偏刚度来计算。转向不足系数可以用来确定偏航角速度目标。侧偏刚度可以在用于车辆侧滑角的适应性计算中用来设置初速度。

关于表格第三列中的“力和力矩系数”，转向不足系数可以基于力和力矩系数来计算。转向不足系数可以用来确定偏航角速度目标。力和力矩系数可以在用于车辆侧滑角的适应性计算中用来设置初速度。此外，力和力矩系数可以用来确定最大车轮滑移角，以用于侧滑角控制。进一步地，力和力矩系数可以用来定义滑动的最大等级，以提供可以获得的最大纵向力、以及用于可以获得横向力的最大等级的滑移角最大等级，因而识别横向和纵向轮胎力的饱和度。而且，定义为滑动的最大等级以提供能获得的最大纵向力的峰值力和峰值滑动可以部分地基于力和力矩系数来获得。

关于“纵向刚度”，峰值力和峰值滑动部分地基于纵向刚度；纵向刚度可以用作估算这些值的计算的输入值。

关于“尺寸/类型”，滚动惯性是轮胎和车轮的重量分布以及轮胎和车轮的半径的函数，其是轮胎的尺寸和类型(构造)的特征。而且ABS(防抱死制动系统)/TCS(牵引力控制系统)中的制动可以随着根据轮胎的尺寸和类型所计算或估算出来的滚动惯性值而更新。而且，例如在ABS、TCS、和ESC制动控制器等中的制动系统控制算法中的制动增益可以基于与轮胎的尺寸和类型有关的轮胎特征而被调整用于性能。此外，横向和纵向轮胎力饱和度曲线可以基于轮胎尺寸和类型来估算。峰值的值大小和峰值的位置可以从这些横向和纵向的轮胎力饱和度曲线被识别。例如，通常具有更软轮胎侧壁的轮胎需要更大的滑移角以达到峰值横向力；因而，知道了车辆轮胎更软，则我们可以调整制动系统以控制成更高的滑移角(例如在ESC(增强稳定性控制)制动期间)。

现在考虑动态信号(所产生的随时间变化的信号)，其可以从轮胎传感器传送到车辆控制系统，位于表格的剩余列。关于“低Fx范围(1-5Hz)”，具有例如1-5Hz的低更新速率的纵向力传感器可以检测车辆停止。一旦它得知车辆停止，作用到轮胎上的力的总值和方向可以用作为计算的输入值，以确定用于坡道控制功能的道路坡度。而且，以低频率周期性力作用于车轮/轮胎可以用来估算作用到制动上的力，并且该估算可以与从其它的输入值所推导出的制动力和压力的估算进行比较，以校正制动压力反馈过程中的估算。进一步地，用于滑动的轮胎纵向力作为轮胎压力的函数而变化；因而，纵向轮胎力可以用作为计算的输入值，以确定轮胎压力。

关于“中等Fx范围(5-50Hz)”，具有例如5-50Hz的中等更新速率的纵向力传感器可以执行与具有低更新速率(低Fx范围)的纵向力传感器相同的功能。此外，纵向轮胎力可以用来测量车辆加速度。这(车辆加速度)可以用来定义用于在不同表面(干路面、湿路面、砾石路面、冰表面等)上控制车辆的ABS和TCS车辆和车轮速度参考。作用于轮胎力上的实际车辆速度的冲击可以与从车轮速度估算出的车辆速度进行比较；这些值之间的差别可以指示车轮滑动。ABS和TCS随后可以基于该比较而修改。而且，基于纵向力的总和，可以估算车辆的纵向加速度。该估算可以用来最优化ABS、TCS和ESC性能(例如通过改变施加或解除制动压力的阀门打开的时间量)。这可以通过对每一个体车轮/轮胎比较纵向加速度和制动压力而在单一车轮/轮胎基础上执行。进一步地，基于纵向力矢量的幅度和方向，例如向前和倒退的车辆方向可以被确定，尤其是在低速情况下。

关于“高Fx范围(50-1000Hz)”，具有例如50-1000Hz的高更新速率的纵向力传感器可以执行与具有低或中更新速率的纵向力传感器相同的功能。此外，粗糙道路情况可以基于纵向轮胎力中振荡的频率和幅度来确定。而且，纵向轮胎力数据的累积可以基于纵向轮胎力饱和度而用来确定与滑动等级有关的峰值性能。进一步地，当命令施加压力到制动器或者减小到制动器的压力时，在轮胎中力的相应变化出现之前存在延迟。早通过启动于说明该延迟的制动压力命令来测量和解释该延迟，并且该延迟在期望时间上使得轮胎力达到期望值。

关于“低Fy”，以相对低频率检测的横向力可以用作输入值以估算前束、反前束、外倾角，并且连同其它轮胎/车轮上的力一起，可以确定(转向)对准。此外，“低Fy”可以用来调整横向加速度偏移。

关于“中等Fy”，以中等更新速率检测的横向轮胎力可以用于任意低Fy应用，以及被用于例如(连同例如车辆速度和转向角等其它输入值一起)确定曲线中坡度或道路直行片段中弯度的存在。坡度/弯曲补偿可以基于该确定。而且，通过来自四个轮胎的横向轮胎力数据的组合，连同偏航角速度一起，可以计算出车辆的重心。重心信息在作为增强稳定性控制(ESC)的应用中是有用的。

关于“高Fy”，横向轮胎力的高频率动态信号的使用可以用于与任何前面所讨论的低和中频率横向轮胎力传感器应用的相同应用中。此外，横向轮胎力的高频率动态信号可以用在类似于力和力矩系数的计算中；除不用来确定初始设置或配平设置之外，横向轮胎力的动态信号可以用来同时地控制系统功能，例如基于车辆滑移角、车轮滑移角、侧滑角和轮胎力饱和度的那些系统功能。此外，横向力输入可以用来以类似于在力响应中补偿延迟的动作时间的纵向力的方式增强系统性能。进一步地，尽管处理了曲线，轮胎内部上的横向力可以与轮胎外部上的横向力进行比较，以估算车辆的滚动角。而且，横向轮胎力中的振荡可以用来检测动态车轮不平衡情况。

关于“低Fz”，低频率法线(垂直)负荷力对于所有轮胎被计算总和并且除以引力常数，以计算车辆/负荷质量。该结果可以用作各种系统中计算用的输入值，包括滑移角估算和侧倾检测。

关于“中等Fz”，中频率法线负荷力可以用在与前面所讨论的低频率法线轮胎力传感器应用相同的应用中。此外，法线轮胎力的中频率动态信号可以用作输入，连同例如中等Fy、车辆速度和转向角等其它输入一起，以确定曲线中坡度或道路直行片段中弯度的存在。坡度/弯曲补偿可以基于该确定。而且，通过来自所有四个轮胎的垂直轮胎力数据的组合，可以计算出重力中心的位置。

关于“高Fz”，类似于高Fy，法线轮胎负荷力的高频率动态信号的使用可以用在与前面所讨论的低和中频率法线轮胎力传感器应用相同的应用中。此外，法线轮胎力的高频率动态数据可以用在类似于力和力矩系数的计算中；除不用来估算以确定初始设置或配平设置之外，横向轮胎力的动态信号可以用来同时地控制系统功能，例如基于车辆滑移角、车轮滑移角、侧滑角和轮胎力饱和度的那些系统功能。而且，类似于高Fx，粗糙道路情况可以基于法线轮胎负荷力频率中的振荡来确定。此外，类似于高Fx，法线负荷力输入可以用来以类似于在力响应中补偿延迟的动作时间的纵向力的方式增强系统性能。进一步地，尽管处理了曲线，轮胎内部上的法线负荷力可以与轮胎外部上的法线负荷力进行比较，以估算车辆的滚动角、以及倾侧潜在性。而且，动态法线负荷轮胎力中的振荡可以被评估，以确定车轮平衡估计。

关于“胎面磨损”，所确定的胎面磨损率可以用来产生一个或多个轮胎接近其磨损寿命结束的通知(信号或消息)。

关于“足迹粘着/滑动比率”，轮胎补丁的延伸或压缩由于轮胎的加速和减速至少部分地得以说明。当轮胎补丁完全滑动时，任何进一步的制动将导致侧滑/平坦点。区分实际粘着补丁区域与完全接触补丁区域可以提供可用控制的测量，即施加到轮胎的力的剩余量在负结果发生之前可以持久。可以评估比率下的振荡以确定粗糙道路情况。而且，类似于高Fy，轮胎接触补丁几何形状可以使用在类似力和力矩系数的计算中；除不用来确定初始设置或配平设置之外，横向轮胎力的动态信号可以用来同时地控制系统功能，例如那些基于车辆滑移角、车轮滑移角、侧滑角和轮胎力饱和度的系统功能；并且尽管处理了曲线，轮胎内部上的轮胎接触补丁几何形状可以与轮胎外部上的轮胎接触补丁几何形状进行比较，以估算车辆的滚动角。而且，轮胎接触补丁几何形状中的振荡可以被评估，以确定车轮平衡估计。进一步地，类似于中Fy，坡度/弯曲补偿可以基于轮胎接触补丁几何形状；而且，通过来自所有四个轮胎的轮胎接触补丁几何形状数据的组合，连同偏航角速度一起，可以计算出重心。

如以上所述的，预期的偏航角速度目标对于VCS是一个所需的控制信号。以前，车辆偏航角速度以下面的方式被控制。控制器最初测量转向车轮角以确定驾驶员关于横向运动的意图。接下来，传感器测量车辆偏航角速度和横向加速度以评估车辆的动态行为。控制系统随后激励车轮扭矩和/或传动系驱动扭矩控制，以调制车辆偏航力矩。车辆偏转稳定性(例如受限制的侧滑角)有助于减少车辆离开道路的潜在性并减少车辆翻转的可能性。典型地，当车辆接近突然的道路障碍时，驾驶员迅速改变方向，导致偏航力矩(yaw moment)增加。随着驾驶员返回到原始车道，该移动导致可以引起后车轮失去牵引力的偏航力矩反转，导致偏航力矩过调量。这可能导致轮胎失去相对道路的粘附性并且引起过度转向。

在本发明的范围中，车辆的所期望的偏航角速度目标通过轮胎将必需数据通信到VCS以使VCS计算所期望偏航角速度目标来确定。按照上述图表，轮胎将实际滚动半径、侧偏刚度和轮胎力和力矩系数通信到VCS。VCS使用该数据辅助计算车辆应该做什么并作出后相应地响应。

用以确定什么时候车辆经受显著变化的另一非常期望的性能是车辆滑移角。用以计算该值的所期望的轮胎特性包括静态和动态数据，包括轮胎侧偏刚度，轮胎力和力矩系数，以及纵向、横向和垂直方向上的力和力矩值。VCS可以使用实际标称的轮胎静态数据(相比较于VCS的车辆模型中所预编程的可能不精确的静态数据)计算车辆滑移角。可替代地，并且优选地，VCS使用实际动态数据计算车辆滑移角。

为计算绝对车辆速度，轮胎的实际滚动半径被传送到VCS。该信息与车轮和/或传动系系统处传感器所提供的有关轮胎旋转的信息一起，使VCS能确定绝对车辆速度。

对于车辆的性能增强，期望控制车轮和车辆侧滑角。用以计算该值的所期望静态和动态轮胎信息包括纵向、横向和垂直方向上轮胎力和力矩值以及足迹粘着/滑动比率。

车辆的另一个非常期望的性能增强将是横向和纵向轮胎力饱和度识别。为确定该值，所期望的静态和动态轮胎信息是轮胎横向和纵向力和力矩值。

如上所述的，通过提供来自轮胎的更新信息，VCS可以提供改进的车辆响应。轮胎可以依靠嵌入电子标签或传感器、优选地为嵌入的RFID传感器来提供信息。

Claims (9)

1、一种确定车辆的至少一个性能的方法，通过以下步骤：

a)提供具有一组轮胎和车辆控制系统的车辆，其中至少一个轮胎具有与车辆控制系统通信的装置，和该车辆控制系统具有处理器和预编程的车辆模型；

b)经由轮胎通信装置发送来自轮胎的静态或动态轮胎信息到车辆控制系统；以及

c)由车辆观测器使用所接收的轮胎信息来估算车辆性能。

2、根据权利要求1的方法，其中轮胎通信装置是嵌入在轮胎中的电子标签。

3、根据权利要求1的方法，其中轮胎通信装置是嵌入在轮胎中的传感器，其响应轮胎的瞬时状态。

4、根据权利要求1的方法，其中被估算的车辆性能为车辆滑移角，和被发送到车辆控制系统的轮胎信息是从由轮胎侧偏刚度、轮胎力和力矩系数、以及纵向、横向和垂直方向上的力和力矩系数组成的组中选择的。

5、根据权利要求1的方法，其中只有动态轮胎数据或只有静态轮胎数据被选择出以发送到车辆控制系统。

6、根据权利要求1的方法，其中通信到车辆控制系统的轮胎信息是至少一个轮胎的轮胎力和力矩系数。

7、根据权利要求1的方法，其中车辆被提供有四个轮胎，并且所有四个轮胎经由通信装置将每个轮胎的轮胎力和力矩系数通信到车辆控制系统。

8、根据权利要求1的方法，其中通信到车辆控制系统的轮胎信息为从由纵向、垂直和横向方向组成的组中选择的至少一个方向上的力和力矩值。

9、一种确定车辆的偏航角速度目标的方法，包括以下步骤：

a)车辆被提供一组轮胎和车辆控制系统，其中车辆控制系统具有能够在运动中计算车辆偏航角速度目标的处理器，

b)发送来自轮胎的轮胎力和力矩系数数据到车辆控制系统，以及

c)使用所接收的轮胎力和力矩系数计算偏航角速度目标。