專利名稱：機(jī)動車側(cè)偏角的估計(jì)系統(tǒng)及估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)動車側(cè)偏角的估計(jì)系統(tǒng)及估計(jì)方法，屬于機(jī)動車控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
機(jī)動車的側(cè)偏角是機(jī)動車操縱穩(wěn)定性控制中相當(dāng)重要的參數(shù)，但卻往往不能用傳感器直接測量得到。通常需要利用各種傳感器測量其它相關(guān)的參數(shù)，結(jié)合一定的算法才能估計(jì)出機(jī)動車的側(cè)偏角。
在美國專利USP 6681180給出了常用的機(jī)動車計(jì)算側(cè)偏角的方法。該專利的一個實(shí)施例包括安裝在機(jī)動車車身(vehicle)10上的一個GPS接收機(jī)(GPS receiver)22、兩個天線(antenna)26和28以及陀螺儀(gyroscope)34。天線26接收衛(wèi)星16A和16B的載波20A和20B可以確定機(jī)動車的水平方向的速度V′。利用天線26和天線28可以確定機(jī)動車的方位角(heading angle)ψ。陀螺儀34用來測量機(jī)動車的橫擺角速度(yaw rate)。
設(shè)天線26的位置為A點(diǎn)，機(jī)動車車身上任意一點(diǎn)的位置為P點(diǎn)，那么可以由下式得到P點(diǎn)的速度 式中，VP是P點(diǎn)的速度矢量，VA＝V′是A點(diǎn)的速度矢量，即天線26測得的速度， 是機(jī)動車的角速度矢量，包括橫擺角速度(yaw rate)分量、俯仰角速度(pitch rate)分量和側(cè)傾角速度(roll rate)分量， 是A點(diǎn)和P點(diǎn)的距離矢量。通常俯仰角速度分量和側(cè)傾角速度分量可以忽略，因此只需要陀螺儀34測量機(jī)動車橫擺角速度即可。同樣，垂直方向的距離分量也被忽略了，只考慮距離矢量在水平面內(nèi)的投影。
因?yàn)闄C(jī)動車坐標(biāo)系x-y坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系X-Y坐標(biāo)系之間存在的夾角ψ(即機(jī)動車的方位角)可以測得，因此在大地坐標(biāo)系下的P點(diǎn)的速度VP可以換算成機(jī)動車坐標(biāo)系上的兩個分量——VxP和VyP，VxP是VP在x軸的投影，VyP是VP在y軸的投影。
因此機(jī)動車車身上任意一點(diǎn)P的側(cè)偏角(sideslip angle)βP可由下式求得βP=tan-1(VyPVxP)---(2)]]>以兩輪機(jī)動車模型為例，設(shè)前輪所在位置的車身的側(cè)偏角為βf，后輪所在位置的車身的側(cè)偏角為βr，前輪轉(zhuǎn)向角為δ，后輪不可轉(zhuǎn)向，那么前輪輪胎的側(cè)偏角為αf＝βf-δ (3)后輪輪胎的側(cè)偏角為αr＝βr(4)如上所述可以測得機(jī)動車的側(cè)偏角，但是這種方法需要價(jià)格較昂貴陀螺儀，在經(jīng)濟(jì)型機(jī)動車上無法使用，因此對機(jī)動車成本的降低十分不利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種成本較低的機(jī)動車側(cè)偏角的估計(jì)系統(tǒng)及估計(jì)方法。
本發(fā)明提供的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)包括車輪角速度采集單元20，方向盤角度傳感器50，其中還包括側(cè)偏角估計(jì)單元60，所述的車輪角速度采集單元20包括右前輪角速度傳感器21、左前輪角速度傳感器22、右后輪角速度傳感器23、左后輪角速度傳感器24；所述的側(cè)偏角估計(jì)單元60與所述的車輪角速度采集單元20和方向盤角度傳感器50電連接。一種采用本發(fā)明所述系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)的方法，包括(1)進(jìn)行各個傳感器信號的采集，從右前輪角速度傳感器采集右前輪角速度w1，從左前輪角速度傳感器采集左前輪角速度w2，從右后輪角速度傳感器采集右后輪角速度w3，從左后輪角速度傳感器采集左后輪角速度w4，從方向盤角度傳感器采集方向盤角度φ；(2)根據(jù)公式(1)計(jì)算機(jī)動車前輪的轉(zhuǎn)向角δ，其中，k為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減速比；δ＝/k(1)(3)根據(jù)公式(2)、(3)、(4)計(jì)算中間變量a、b和c，其中，T為機(jī)動車輪距；a＝sinδ， (2)b＝cosδ， (3)c=w3-w4T---(4)]]>(4)根據(jù)公式(5)、(6)計(jì)算右前輪側(cè)偏角α1和左前輪側(cè)偏角α2；α1=bw1-w3aw1---(5)]]>α2=bw2-w4aw2---(6)]]>(5)根據(jù)公式(7)、(8)計(jì)算右后輪側(cè)偏角α3和左后輪側(cè)偏角α4，其中，L為機(jī)動車軸距。
α3=bw1α1+aw1-cLw3---(7)]]>α4=bw2α2+aw2-cLw4---(8)]]>本發(fā)明提供的系統(tǒng)和采用本系統(tǒng)估計(jì)機(jī)動車側(cè)偏角的方法，省去了昂貴的陀螺儀，使機(jī)動車計(jì)算側(cè)偏角的成本下降。特別是，在具有ABS和ESP的機(jī)動車上不需添加任何硬件，使其可以在經(jīng)濟(jì)型機(jī)動車上得到應(yīng)用，解決了計(jì)算機(jī)動車側(cè)偏角需要昂貴的器件的問題。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)的組成示意圖；圖2是表示四輪機(jī)動車的運(yùn)動學(xué)關(guān)系的示意圖；圖3是表示四輪機(jī)動車的側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是表示側(cè)偏角估計(jì)單元進(jìn)行側(cè)偏角估計(jì)的步驟。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明按照本發(fā)明提供的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)，如圖1所示，包括車輪角速度采集單元20，方向盤角度傳感器50，其中還包括側(cè)偏角估計(jì)單元60，所述的車輪角速度采集單元20包括右前輪角速度傳感器21、左前輪角速度傳感器22、右后輪角速度傳感器23、左后輪角速度傳感器24；所述的方向盤角度傳感器50，用于測量方向盤轉(zhuǎn)動角度；所述的側(cè)偏角估計(jì)單元60與所述的車輪角速度采集單元20和方向盤角度傳感器50電連接，用于計(jì)算機(jī)動車側(cè)偏角。
圖2所示的是四輪機(jī)動車的運(yùn)動學(xué)關(guān)系，圖中各個符號所代表的含義如下所示
X——機(jī)動車的X軸，即機(jī)動車的縱向，Y——機(jī)動車的Y軸，即機(jī)動車的橫向，δ——前輪的轉(zhuǎn)向角，α1——右前輪側(cè)偏角，α2——左前輪側(cè)偏角，α3——右后輪側(cè)偏角，α4——左后輪側(cè)偏角，V1——右前輪車輪中心的速度，V1x——右前輪車輪中心的縱向速度，即右前輪車輪中心的速度V1在X軸上的分量，V1y——右前輪車輪中心的橫向速度，即右前輪車輪中心的速度V1在Y軸上的分量，V1w——右前輪車輪中心的速度V1在右前輪車輪平面上的分量，V2——左前輪車輪中心的速度，V2x——左前輪車輪中心的縱向速度，即左前輪車輪中心的速度V2在X軸上的分量，V2y——左前輪車輪中心的橫向速度，即左前輪車輪中心的速度V2在Y軸上的分量，V2w——左前輪車輪中心的速度V2在左前輪車輪平面上的分量，V3——右后輪車輪中心的速度，V3w＝V3x——右后輪車輪中心的速度V3在右后輪車輪平面上的分量，等于右后輪車輪中心的速度V3在X軸上的分量，即右后輪車輪中心的縱向速度，V3y——右后輪車輪中心的橫向速度，即右后輪車輪中心的速度V3在Y軸上的分量，
V4——左后輪車輪中心的速度，V4w＝V4x——左后輪車輪中心的速度V4在左后輪車輪平面上的分量，等于左后輪車輪中心的速度V4在X軸上的分量，即左后輪車輪中心的縱向速度V4y——左后輪車輪中心的橫向速度，即左后輪車輪中心的速度V4在Y軸上的分量，T——左右車輪的輪距，其值可從機(jī)動車的使用說明書中獲得，并可預(yù)先存入機(jī)動車的存儲器中，L——前后車軸的軸距，其值可從機(jī)動車的使用說明書中獲得，并可預(yù)先存入機(jī)動車的存儲器中，Wr——機(jī)動車的橫擺角速度。
如圖3所示，四輪汽車的右前輪11、左前輪12、右后輪13和左后輪14的旁邊分別安裝有右前輪角速度傳感器21、左前輪角速度傳感器22、右后輪角速度傳感器23和左后輪角速度傳感器24。方向盤30的轉(zhuǎn)向桿40上安裝有方向盤角度傳感器50。車輪角速度傳感器21、22、23和24將采集到的車輪11、12、13和14的轉(zhuǎn)速信號傳送到側(cè)偏角估計(jì)單元60；方向盤角度傳感器50也將采集到的方向盤轉(zhuǎn)角信號傳送到側(cè)偏角估計(jì)單元60。側(cè)偏角估計(jì)單元60在對輸入的所有信號進(jìn)行處理和計(jì)算后，將估計(jì)出的汽車每個車輪的側(cè)偏角值輸出，對汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行控制，從而保證汽車具有良好的操縱性能。
當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤30時(shí)，機(jī)動車的左前輪11和右前輪12均會轉(zhuǎn)過一個角度。如果方向盤轉(zhuǎn)動的角度是φ，那么它和機(jī)動車前輪的轉(zhuǎn)向角δ之間有如下關(guān)系δ＝/k (1)
式中，φ——方向盤的轉(zhuǎn)角，k——轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的減速比。
方向盤角度傳感器50可以測量出機(jī)動車方向盤的轉(zhuǎn)角φ，機(jī)動車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的減速比k可以從機(jī)動車的使用說明書中獲得，該值可預(yù)先存入機(jī)動車的存儲器中。根據(jù)式(1)可以通過測量機(jī)動車方向盤的轉(zhuǎn)角φ得到機(jī)動車前輪的轉(zhuǎn)向角δ。
車輪角速度傳感器21、22、23和24測量得到的角速度值用w1、w2、w3和w4表示，那么他們分別和V1w、V2w、V3w和V4w有如下的關(guān)系V1w=w1rV2w=w2rV3w=w3rV4w=w4r---(2)]]>式中，r——車輪的滾動半徑。
這樣，利用式(2)，通過各個車輪的角速度傳感器21、22、23和24測量得到的各個車輪的角速度值w1、w2、w3和w4，就可以求得各個車輪中心速度V1、V2、V3和V4在其車輪平面上的分量V1w、V2w、V3w和V4w。
由此可以得到機(jī)動車兩個前輪的車輪中心速度V1、V2V1=V1wcosα1V2=V2wcosα2---(3)]]>進(jìn)一步可以得到機(jī)動車兩個前輪的縱向速度V1x、V2x和橫向速度V1y、V2y
V1x=V1cos(α1+δ)V2x=V2cos(α2+δ)V1y=V1sin(α1+δ)V2y=V2sin(α2+δ)---(4)]]>機(jī)動車兩個后輪的橫向速度V3y、V4y也可以求得V3y=V3wtanα3V4y=V4wtanα4---(5)]]>根據(jù)運(yùn)動學(xué)關(guān)系，機(jī)動車的橫擺角速度可以由下式求得wr=V3x-V4xT---(6)]]>因?yàn)閂3x=V3wV4x=V4w---(7)]]>所以將式(2)和式(7)帶入式(6)后可以寫成wr=w3r-w4rT---(8)]]>根據(jù)機(jī)動車的運(yùn)動學(xué)關(guān)系，可以列出如下等式V1x=V3xV2x-=V4xV1y-V3y=LwrV2y-V4y=Lwr---(9)]]>將式(2)、式(3)、式(4)和式(5)帶入式(9)得
w1rcos(α1+δ)cosα1=w3rw2rcos(α2+δ)cosα2=w4rw1rsin(α1+δ)cosα1-w3rtanα3=Lwrw2rsin(α2+δ)cosα2-w4rtanα4=Lwr---(10)]]>利用三角公式可以將式(10)改寫為w1(cosα1cosδ-sinα1sinδ)cosα1=w3w2(cosα2cosδ-sinα2sin)cosα2=w4w1r(sinα1cosδ+cosα1sinδ)cosα1-w3rtanα3=Lwrw2r(sinα2cosδ+cosα2sinδ)cosα2-w4rtanα4=Lwr---(11)]]>因?yàn)閭?cè)偏角α1、α2、α3和α4均很小，所以可以將側(cè)偏角的三角函數(shù)做近似處理，那么式(11)可以近似寫成w1cosδ-w1α1sinδ=w3w2cosδ-w2α2sinδ=w4w1rα1cosδ+w1rsinδ-w3rα3=Lwrw2rα2cosδ+w2rsinδ-w4rα4=Lwr---(12)]]>將式(1)和式(8)帶入式(12)得
因?yàn)楦鱾€車輪11、12、13和14的角速度w1、w2、w3和w4可以由各個車輪的角速度傳感器21、22、23和24測量得到，方向盤轉(zhuǎn)角φ可由方向盤角度傳感器50測量得到，機(jī)動車的輪距T、軸距L和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減速度k均可由機(jī)動車的使用說明書中得到，那么根據(jù)式(13)就可以計(jì)算出機(jī)動車各個車輪的側(cè)偏角α1、α2、α3和α4。
從式(13)中還可以看出，計(jì)算出機(jī)動車各個車輪的側(cè)偏角α1、α2、α3和α4是不需要知道車輪的滾動半徑r的，因此，為了減少在機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)60中的運(yùn)算次數(shù)，將式(13)寫成如下形式bw1-aw1α1=w310(14-1)bw2-aw2α2=w4(14-2)bw1α1+aw1-w3α3=cL(14-3)bw2α2+aw2-w4α4=cL(14-4)---(14)]]>式中，a＝sinδ， (15)b＝cosδ， (16)其中δ由式(1)δ＝/k求得，c=w3-w4T.---(17)]]>進(jìn)一步可以看出，從式(14-1)可以直接求出右前輪11的側(cè)偏角α1來，同理也可以由(14-2)可以直接求出左前輪12的側(cè)偏角α2
α1=bw1-w3aw1---(18)]]>α2=bw2-w4aw2---(19)]]>再由式(14-3)和式(14-4)求出右后輪13和左后輪14的側(cè)偏角α3和α4α3=bw1α1+aw1-cLw3---(20)]]>α4=bw2α2+aw2-cLw4---(21)]]>本發(fā)明提供的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)，其中所述側(cè)偏角估計(jì)單元用于根據(jù)接收的各個車輪11、12、13和14的角速度w1、w2、w3和w4以及機(jī)動車的固定參數(shù)機(jī)動車的輪距T、軸距L和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減速度k，由式(1)，式(15)-式(21)計(jì)算出機(jī)動車側(cè)偏角。
本發(fā)明提供的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)，其中，所述的側(cè)偏角估計(jì)單元為執(zhí)行計(jì)算側(cè)偏角算法的單片機(jī)。它可以是整車控制中的ECU(電子控制單元)或ABS中的單片機(jī)，而不需要額外添置任何硬件，只需要在側(cè)偏角估計(jì)單元裝載運(yùn)行計(jì)算側(cè)偏角算法的程序即可。
在配置有ABS的機(jī)動車中不需要再配置車輪角速度采集單元，在配置有ESP的機(jī)動車不需要再配置方向盤角度傳感器。
本發(fā)明提供的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)，其中所述的車輪角速度采集單元優(yōu)選為在配置有ABS的機(jī)動車的ABS中的右前輪角速度傳感器、左前輪角速度傳感器、右后輪角速度傳感器和左后輪角速度傳感器。
本發(fā)明提供的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)，其中所述的方向盤角度傳感器優(yōu)選為配置有ESP機(jī)動車的中的ESP的方向盤角度傳感器。
其中，裝載在側(cè)偏角估計(jì)單元60中的計(jì)算側(cè)偏角算法程序的計(jì)算步驟如圖4所示。
在步驟S100時(shí)開始執(zhí)行算法程序。
隨后進(jìn)入步驟S110，對機(jī)動車參數(shù)軸距L、輪距T和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減速比k進(jìn)行初始化，初始化數(shù)值從預(yù)先存儲到機(jī)動車存儲器中的數(shù)據(jù)得到。這個步驟只需執(zhí)行一次。
在步驟S120中進(jìn)行各個傳感器信號的采集，從右前輪角速度傳感器21獲取w1，從左前輪角速度傳感器22獲取w2，從右后輪角速度傳感器23獲取w3，從左后輪角速度傳感器24獲取w4，還從方向盤角度傳感器50獲取φ。
在步驟S 130中，根據(jù)式(1)計(jì)算機(jī)動車前輪的轉(zhuǎn)向角δ。
在步驟S140中，根據(jù)式(15)、式(16)和式(17)計(jì)算a、b和c。
在步驟S150中，根據(jù)式(18)和式(19)計(jì)算右前輪側(cè)偏角α1和左前輪側(cè)偏角α2。
在步驟S160中，根據(jù)式(20)和式(21)計(jì)算右后輪側(cè)偏角α3和左后輪側(cè)偏角α4。
隨后返回到步驟S120采集下一個時(shí)刻的傳感器信號，進(jìn)行新一輪的計(jì)算。在返回的同時(shí)也在步驟S170中將計(jì)算出的側(cè)偏角α1、α2、α3和α4輸出。
根據(jù)本發(fā)明所述的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)和估計(jì)方法，可以不需要昂貴的如陀螺儀等慣性器件就可以獲得機(jī)動車側(cè)偏角，在具有ABS和ESP系統(tǒng)的汽車上，可以不需要添加任何硬件和傳感器就可以實(shí)現(xiàn)該側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)的功能，大大節(jié)約了成本，使其具備在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)型汽車上普及的可能。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)，包括車輪角速度采集單元，方向盤角度傳感器，其中，還包括側(cè)偏角估計(jì)單元；車輪角速度采集單元包括右前輪角速度傳感器、左前輪角速度傳感器、右后輪角速度傳感器和左后輪角速度傳感器；側(cè)偏角估計(jì)單元與所述的車輪角速度采集單元和方向盤角度傳感器電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)，其中，所述的車輪角速度采集單元包括在配置有ABS的機(jī)動車中ABS的右前輪角速度傳感器、左前輪角速度傳感器、右后輪角速度傳感器和左后輪角速度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)，其中，所述的方向盤角度傳感器為配置有ESP的機(jī)動車中的ESP的方向盤角度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)，其中，所述的側(cè)偏角估計(jì)單元為執(zhí)行計(jì)算側(cè)偏角算法的單片機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)，其中，所述的側(cè)偏角估計(jì)單元為執(zhí)行計(jì)算側(cè)偏角算法的電子控制單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)，其中，所述的側(cè)偏角估計(jì)單元為配置有ABS的機(jī)動車中ABS中的執(zhí)行計(jì)算側(cè)偏角算法的單片機(jī)。
7.一種采用權(quán)利要求1所述側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)估計(jì)機(jī)動車側(cè)偏角的方法，該方法包括(1)進(jìn)行各個傳感器信號的采集，從右前輪角速度傳感器采集右前輪角速度w1，從左前輪角速度傳感器采集左前輪角速度w2，從右后輪角速度傳感器采集右后輪角速度w3，從左后輪角速度傳感器采集左后輪角速度w4，從方向盤角度傳感器采集方向盤角度φ；(2)根據(jù)公式(1)計(jì)算機(jī)動車前輪的轉(zhuǎn)向角δ，其中，k為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減速比；δ＝/k (1)(3)根據(jù)公式(2)、(3)、(4)計(jì)算中間變量a、b和c，其中，T為機(jī)動車輪距；a＝sinδ，(2)b＝cosδ，(3)c=w3-w4T---(4)]]>(4)根據(jù)公式(5)、(6)計(jì)算右前輪側(cè)偏角α1和左前輪側(cè)偏角α2；α1=bw1-w3aw1---(5)]]>α2=bw2-w4aw2---(6)]]>(5)根據(jù)公式(7)、(8)計(jì)算右后輪側(cè)偏角α3和左后輪側(cè)偏角α4，其中，L為機(jī)動車軸距。α3=bw1α1+aw1-cLw3---(7)]]>α4=bw2α2+aw2-cLw4---(8)]]>
全文摘要
一種機(jī)動車側(cè)偏角估計(jì)系統(tǒng)及估計(jì)方法，該系統(tǒng)包括車輪角速度采集單元，方向盤角度傳感器，其中還包括側(cè)偏角估計(jì)單元；車輪角速度采集單元包括右前輪角速度傳感器、左前輪角速度傳感器、右后輪角速度傳感器和左后輪角速度傳感器；側(cè)偏角估計(jì)單元與所述的車輪角速度采集單元和方向盤角度傳感器電連接。采用本系統(tǒng)估計(jì)機(jī)動車側(cè)偏角的方法，省去了昂貴的器件，使機(jī)動車計(jì)算側(cè)偏角的成本下降。
文檔編號G06F19/00GK1862232SQ20051006933
公開日2006年11月15日 申請日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月13日
發(fā)明者宋佑川 申請人:比亞迪股份有限公司