无需轮速信息的车辆防滑控制方法、控制系统以及车辆的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种无需轮速信息的车辆防滑控制系统。该控制系统，利用各车轮中心的加速度和驱动扭矩数值，根据车辆动力学方程计算出各车轮的估计角加速度并利用该角加速度与计算得到的参考角加速度进行比较，来控制驱动车轮的扭矩输出，使得所有车轮在任何状态下都具有较好的防滑控制效果。
【专利说明】
无需轮速信息的车辆防滑控制方法、控制系统以及车辆
技术领域
[0001] 本发明涉及车辆驱动/制动控制技术领域，具体而言涉及一种无需轮速信息的车 辆防滑控制系统与防滑控制方法。
【背景技术】
[0002] 具有电子防滑控制功能的车辆制动系统属于现有技术。已知的车辆制动系统能够 根据驾驶员的意愿无关地对车辆的各个车轮进行制动，例如为了防止车轮抱死的防抱死刹 车系统(ABS)、为了合理分配牵引力的牵引力分配控制系统(TCS)、为了使车辆进入稳定的 形式装置(车身电子稳定系统ESP)、为了消除在驱动车轮的滑转(驱动防滑控制系统ASR)等 等，这些都属于底层车轮控制，需要基于车轮滑移率(Slip Ratio)来进行。然而，滑移率的 计算往往需要使用其他车轮的信息。当所有的车轮都处于工作状态(驱动/制动)时，基于滑 移率的防滑控制往往效果不好。
[0003] 为此，也有一些研究者摒弃了滑移率的应用，在分布式驱动的电动车辆的应用方 面，提出了完全基于力学的防滑控制，如Yoichi Hori，Hiroshi Fujimoto，Dejun Yin等人 提出的MFC，MTTE等方法。
[0004] 但是无论是基于滑移率的控制方法还是基于力学的防滑控制方法，都需要采用轮 速传感器，一定程度上增加了成本，同时轮速传感器工作环境恶劣，故障率高，从而影响了 这些方法的实用性。
【发明内容】
[0005] 本发明目的旨在解决如何能够在任何状态下，尤其是在转弯或者是在有坡度的情 况下，使得所有的车轮都具有较好的防滑控制效果的问题，提出一种无需轮速信息的车辆 防滑控制系统与防滑控制方法。
[0006] 本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或 有利的方式发展独立权利要求的技术特征。
[0007] 为达成上述目的，本发明提出的车辆防滑控制方法，包括以下步骤：
[0008] 获取车辆的各车轮中心的加速度(ai)，并利用车轮半径计算各车轮参考角加速度 (ω
[0009] 获取车辆质心处加速度(a)，利用车辆质心到前后轴的距离（lf，lr)、轮距(d)以及 质心高度(h)，根据载荷转移公式计算各车轮处分担的整车质量(nu);
[0010] 取得车辆各车轮中心加速度，结合驱动各车轮的扭矩值及前述步骤得到的质量， 利用车辆动力学方程计算各车轮估计角加速度（? );
[0011] 在同一方向上，检查前述步骤得到的车轮参考角加速度（4)与计算得到的估计 角加速度（?)之间的差异；
[0012] 响应于车轮参考角加速度（< )与计算得到的估计角加速度（&)之间的差异，控 制调整电机和/或制动器扭矩输出值。
[0013] 根据本发明的改进，还提出一种无需轮速信息的车辆防滑控制系统，包括：
[0014] 扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr);
[0015] 电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩指令值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱 动车轮旋转；
[0016] 车轮估计角加速度计算模块，用已取得的车轮中心加速度(ai)，结合驱动各车轮 的扭矩值，根据车辆动力学方程计算各车轮的估计角加速度值（為）；
[0017] 车轮参考角加速度计算模块，用已取得的车轮中心加速度(ai)，结合有效轮胎半 径，计算各车轮的参考角加速度值（< );
[0018] 角加速度检查与增益控制模块，用以比较前述获得的参考角加速度( <)与估计 角加速度（? )在相同特定方向上的数值，并将比较结果经由控制算法计算扭矩调整值 (T1);
[0019] 扭矩调整模块，根据扭矩调整值(Τ1)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行 调节D
[0020] 进一步的实施例中，前述角加速度检查与增益控制模块用于调整扭矩调整值Π 的 控制算法为PID控制算法。
[0021] 进一步的实施例中，所述加速度检查与增益控制模块响应于计算得到的估计角加 速度（&.)的绝对值大于参考角加速度（《）的绝对值，控制输出扭矩调整值11的大小，使得 扭矩调整模块根据该扭矩调整值T1控制调整上层扭矩输出请求值(Tr)的绝对值。
[0022]本发明的第三方面还提出一种车辆防滑控制系统，包括：
[0023]防滑控制模块，用取得的各车轮中心加速度及车辆质心处加速度实施防滑控制， 该防滑控制模块具有：
[0024] 扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr);
[0025] 电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩指令值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱 动车轮旋转；
[0026] 车轮估计角加速度计算模块，用已取得的车轮中心加速度(ai)，结合驱动各车轮 的扭矩值，根据车辆动力学方程计算各车轮的估计角加速度值（& );
[0027] 车轮参考角加速度计算模块，用已取得的车轮中心加速度(ai)，结合有效轮胎半 径，计算各车轮的参考角加速度值（<);
[0028] 角加速度检查与增益控制模块，用以比较前述获得的参考角加速度(成）与估计 角加速度（& )在相同特定方向上的数值，并将比较结果经由控制算法计算扭矩调整值 (T1);
[0029] 扭矩调整模块，根据扭矩调整值(Τ1)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行 调节。
[0030] 应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这 样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保 护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
[0031] 结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实 施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面 的描述中显见，或通过根据本发明教导的【具体实施方式】的实践中得知。
【附图说明】
[0032] 附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组 成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。 现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
[0033] 图1是根据本发明某些实施例的车辆防滑控制方法的流程示意图。
[0034] 图2是根据本发明某些实施例确定得到各车轮估计角加速度?.的原理示意图。
[0035] 图3是根据本发明某些实施例的参考角加速度 < 的计算原理示例图。
[0036] 图4是根据本发明某些实施例比较两类角加速度以抑制车轮打滑/抱死的原理示 意图。
[0037] 图5是根据本发明某些实施例的车辆防滑控制系统的原理示意图。
[0038] 图6是根据本发明某些实施例对车辆的一个前轮实施前述图1所示的防滑控制的 控制例的原理示意图。
[0039] 图7a、7b是利用本发明某些实施例的车辆防滑控制后的效果对比图，其中图7a表 示不施加前述防滑控制的仿真结果，图7b表示了施加前述防滑控制后的仿真结果。
【具体实施方式】
[0040] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0041] 在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。 本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实 施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实 施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一 些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
[0042] 根据本发明的某些实施例，一种无需轮速信息的车辆防滑控制方法，获取各车轮 中心的加速度，并利用驱动各车轮的扭矩数值，根据车辆动力学方程计算出各车轮估计角 加速度士，用已取得的车轮中心加速度(ai)，结合有效轮胎半径，计算各车轮的参考角加速 度值（ < )，并利用该角加速度值与各车轮的估计角加速度值為之间的差异，来控制驱动车 轮的扭矩输出。
[0043] 通过比较参考角加速度（成)与估计角加速度(秦）在同一方向上的分量的大小 来控制驱动车轮的扭矩输出，如果?大于< 则控制调整驱动车轮的扭矩输出。
[0044] 基于此控制策略，利用比较容易测量和得到的测量运行参数，并基于实际检测与 运算得到的加速度值进行比较，确定测量实际行进参数与理论参数，如果存在打滑、抓地不 牢、抱死的情况，如前述表达的，其估计角加速度值(?.将大于对参考角加速度值成，此时我 们实施控制干预，控制调整驱动车轮的扭矩输出，即调整电机和/或制动器扭矩输出值的绝 对值，从而实现防滑控制的目的。
[0045] 本发明的一个具体实施例的防滑控制流程如图1所示，下面结合图1、图2、图3所 示，更加具体地说明该防滑控制的实施。
[0046] 结合图1、图2、图3所示，无需轮速信息的车辆防滑控制方法包括下述步骤：
[0047] 获取车辆的各车轮中心的加速度(ai)，并利用车轮半径计算各车轮参考角加速度 C V),);
[0048] 获取车辆质心处加速度(a)，利用车辆质心到前后轴的距离（lf，lr)、轮距(d)以及 质心高度(h)，根据载荷转移公式计算各车轮处分担的整车质量(nu);
[0049] 取得车辆各车轮中心加速度，结合驱动各车轮的扭矩值及前述步骤得到的质量， 利用车辆动力学方程计算各车轮估计角加速度? ;
[0050] 在同一方向上，检查前述步骤得到的车轮参考角加速度（<)与计算得到的估计 角加速度i ?,.)之间的差异；
[0051] 响应于车轮参考角加速度（<)与计算得到的估计角加速度（?)之间的差异，控 制调整电机和/或制动器扭矩输出值。
[0052] 本例中，首先使用车轮中心的加速度与驱动该车轮的扭矩值，计算该车轮的估计 角加速度;再利用该车轮中心加速度与有效轮胎半径计算车轮参考角加速度，当车轮估计 角加速度大于参考角加速度时，调整施加于车轮的扭矩的绝对值，即控制调整电机和/或制 动器扭矩输出值。
[0053] 本发明提出的防滑控制方法具有高适应性和鲁棒性，对于两轮驱动/制动、四轮驱 动/制动、八轮驱动/制动等分布式驱动/制动车辆以及各车轮具有制动器的集中式驱动/制 动的车辆仍然具有良好的防滑控制效果，同时在车辆越野、车轮打滑、车辆载重、车轮转向 角发生变化等任何状态下，都能够使得所有的车轮具有较好的防滑控制效果。
[0054] 在一些具体的实例中，不需要轮速传感器即可实现车辆的实际行进参数的测量， 成本得以控制。
[0055] 结合图2所示的确定车轮估计角加速度石,的示例，忽略悬架变形的情况下，由于车 辆动力学关系，可以利用该轮中心处加速度&1与驱动该车轮的扭矩值，计算出车轮估计 角加速度值石,。
[0056] 图3所示为参考角加速度成的一个具体的计算示例，图4所示视图为车体俯视图， 俯视正向垂直投影到地面上。
[0057]图2中，各参数的解释如下（i = l，2,3,4):
[0058] Tci:驱动车轮的力矩
[0059] ai:各车轮中心沿车轮前进方向的加速度值
[0060] Fdi:各车轮的驱动力
[0061 ] 4 5根据车轮中心加速度计算得到的车轮参考角加速度值
[0062]為:根据车轮动力学方程计算得到的车轮估计角加速度值
[0063]图4中，视图以及各参数的解释如下：
[0064] 1、坐标系解释:坐标系固定于车身
[0065] X:表示车辆的纵向
[0066] Y:表示车辆的侧向
[0067] 2、点含义解释
[0068] G:车辆质心点
[0069] P1:左侧前轮中心点
[0070] P2:右侧前轮中心点
[0071] P3:左侧后轮中心点
[0072] P4:右侧后轮中心点
[0073] 3、图中长度含义解释
[0074] lf:车辆质心到前轴的距离
[0075] lr:车辆质心到后轴的距离
[0076] d:轮距
[0077] 4、图中角度含义解释
[0078] Si:(i = l，2)车轮转向角 [0079] 5、加速度符号含义解释
[0080] axi: (i = 1，2，3，4)各个车轮中心处加速度沿X方向的分量 [0081 ] ayi: (i = 1，2，3，4)各个车轮中心处加速度沿X方向的分量 [0082]结合图2、图3所示，假定：
[0083] l)A2_xlaxi和/A 2_ylayi分别是各车轮轮心处加速度沿X和Y轴的分量；
[0084] 2)除了车轮转向角，本例在几何关系上只使用了 1^11、(1、11等数据(其中11为车辆质 心高度），在力学关系上使用了质心及四个车轮中心点沿X/Y方向的加速度值。然而，更多 几何关系（例如使用垂直投影到地面后车辆质心点到各车轮中心的距离）、更多力学关系 (例如引入横摆角速率)以及更复杂的算法将会提高P1点估计角加速度?的准确程度；
[0085] 各车轮估计角加速度:為的计算如下：
[0090]各车轮参考角加速度成的计算如下：
[0086]
[0087]
[0088]
[0089]
[0091]
[0092]
[0093]
[0094]
[0095] 在车轮不打滑或抱死情况下，為与< 绝对值在同一方向上的分量应该相近。如果 為的绝对值的分量明显大于 < 的绝对值的分量，则可以判明车轮即将或者已经发生了打滑 或者抱死现象。因此，此时控制器应调整电机和/或制动器扭矩输出值T，以使&与<在同一 方向上的分量相近，从而实现防滑的目的。
[0096] 图5是根据本发明某些实施例的车辆防滑控制系统的原理示意图，如图所示，一种 车辆防滑控制系统，包括：
[0097] 扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr);
[0098] 电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩指令值(Tc)驱动电机输出扭矩从而 驱动车轮旋转；
[0099] 车轮估计角加速度计算模块，用已取得的车轮中心加速度(ai)，结合驱动各车轮 的扭矩值，根据车辆动力学方程计算各车轮的估计角加速度值（(? );
[0100] 车轮参考角加速度计算模块，用已取得的车轮中心加速度(ai)，结合有效轮胎半 径，计算各车轮的参考角加速度值wy);
[0101] 角加速度检查与增益控制模块，用以比较前述获得的参考角加速度（<)与估计 角加速度「? )在相同特定方向上的数值，并将比较结果经由控制算法计算扭矩调整值 (T1);
[0102] 扭矩调整模块，根据扭矩调整值(Τ1)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行 调节。
[0103] 结合图1、图2、图3所示的例子，在一些实施例中，前述各车轮估计角加速度?的计 算、各车轮估计角加速度与各车轮参考角加速度4的比较均以前述内容描述的示例性方 式来实现。
[0104] 优选地，前述角加速度检查与增益控制模块用于调整扭矩调整值Τ1的控制算法为 PID控制算法。在另外的一些例子中，还可以采用其他控制算法来进行扭矩调整值得计算， 例如模糊控制算法、最优控制算法、滑模控制算法等。
[0105] 在进一步的实施例中，所述角加速度检查与增益控制模块响应于车轮估计角加速 度(?的绝对值大于各车轮参考角加速度成的绝对值，控制输出扭矩调整值Τ1的大小，使得 扭矩调整模块根据该扭矩调整值T1控制调整上层扭矩输出请求值Tr。
[0106] 在一些实施例中，可选地，还可以根据电池、电机以及其他车辆状态进一步控制扭 矩大小。
[0107] 结合图4、图5所示的示例，图6表示了利用本发明的防滑控制对车辆的一个前轮实 施前述图1所示的防滑控制的控制例的原理示意图。
[0108] 应当理解，以上内容所描述的防滑控制方法、策略以及控制系统，可以应用在发动 机驱动的车辆、电动机驱动的车辆以及应用在混动动力车辆上，实现防滑控制的目的。
[0109] 在一些例子中，前述的防滑控制方法、策略以及控制系统，尤其可以应用在采用不 含有差速器的分布式驱动结构的电动车辆上，能够在任何状态下，使得所有的车轮都具有 较好的防滑控制效果。
[0110] 图7a、7b表示了利用本发明某些实施例的车辆防滑控制后的效果对比图，其中图 7a表示不施加前述防滑控制的仿真结果，图7b表示了施加前述防滑控制后的仿真结果。结 合图6所示控制例，其仿真场景:车辆从2.5秒左右进入一个30米长的低摩擦路面，可以看出 无控制的情况下，车辆的前后轮先后明显打滑，而实施控制的例子中，车轮几乎看不出打滑 迹象。
[0111] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技 术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因 此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【主权项】
1. 一种无需轮速信息的车辆防滑控制方法，其特征在于，该方法包括： 获取车辆的各车轮中心的加速度（ai)，并利用车轮半径计算各车轮参考角加速度 〈4).; 获取车辆质心处加速度(a)，利用车辆质心到前后轴的距离（lf，lr)、轮距(d)以及质心 高度(h)，根据载荷转移公式计算各车轮处分担的整车质量(nu); 取得车辆各车轮中心加速度，结合驱动各车轮的扭矩值及前述步骤得到的各车轮处分 担的整车质量，利用车辆动力学方程计算各车轮估计角加速度彳? ^ 在同一方向上，检查前述步骤得到的车轮参考角加速度纟4 >与计算得到的估计角加速 度(4>之间的差异； 响应于车轮参考角加速度彳4 >与计算得到的估计角加速度(；? >之间的差异，控制调 整电机和/或制动器扭矩输出值。2. 根据权利要求1所述的无需轮速信息的车辆防滑控制方法，其特征在于，前述方法更 加包含:使用车轮中心加速度计算所述参考角加速度(成）和估计角加速度彳&彡在同一方 向上的分量。3. 根据权利要求1所述的无需轮速信息的车辆防滑控制方法，其特征在于，前述方法 中：响应于车轮参考角加速度彳 <>与计算得到的估计角加速度ζ ? >之间的差异，基于开关 控制、PID控制、滑模控制、模糊控制、最优控制之一来控制调整电机和/或制动器扭矩输出 值。4. 一种车辆防滑控制系统，其特征在于，包括： 扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr); 电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩指令值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱动车 轮旋转； 车轮估计角加速度计算模块，用已取得的车轮中心加速度(a〇,结合驱动各车轮的扭矩 值，根据车辆动力学方程计算各车轮的估计角加速度值彳今 车轮参考角加速度计算模块，用已取得的车轮中心加速度(ai)，结合有效轮胎半径，计 算各车轮的参考角加速度值< 4 角加速度检查与增益控制模块，用以比较前述获得的参考角加速度（ 与估计角加速 度每 >在相同特定方向上的数值，并将比较结果经由控制算法计算扭矩调整值(T1); 扭矩调整模块，根据扭矩调整值(Τ1)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行调节。5. 根据权利要求4所述的车辆防滑控制系统，其特征在于，所述角加速度检查与增益控 制模块响应于参考角加速度（S )与计算得到的估计角加速度（}之间的差异，控制输出 扭矩调整值T1的大小，使得扭矩调整模块根据该扭矩调整值T1控制调整上层扭矩输出请求 值(Tr)。6. -种车辆防滑控制系统，其特征在于，包括： 防滑控制模块，用取得的各车轮中心加速度及车辆质心处加速度实施防滑控制，该防 滑控制模块具有： 扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr); 电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩指令值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱动车 轮旋转； 车轮估计角加速度计算模块，用已取得的车轮中心加速度(a〇,结合驱动各车轮的扭矩 值，根据车辆动力学方程计算各车轮的估计角加速度值纟冷\ 车轮参考角加速度计算模块，用已取得的车轮中心加速度(ai)，结合有效轮胎半径，计 算各车轮的参考角加速度值? € h 角加速度检查与增益控制模块，用以比较前述获得的参考角加速度f 与估计角加速 度（為 >在相同特定方向上的数值，并将比较结果经由控制算法计算扭矩调整值(T1); 扭矩调整模块，根据扭矩调整值(T1)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行调节。7. -种车辆，包括前述权利要求4-6中任意一项所述的车辆防滑控制系统。8. 根据权利要求7所述的车辆，其特征在于，该车辆使用电机来驱动。
【文档编号】B60T8/1761GK105946826SQ201610305658
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】殷德军, 张婷, 单丹凤, 张冰
【申请人】南京理工大学