牽引角估算的系統和方法

2023-10-18 02:56:04 3

牽引角估算的系統和方法
【專利摘要】一種用於估算車輛和耦接到車輛上的拖車之間的牽引角的方法和系統。該系統具有：無線接收器，其位於車輛上距離拖車連接部預定的距離處；無線發射器，其位於拖車上與拖車連接部相對的端部；以及控制器，其用於監控從發射器發射到接收器的信號的功率回饋，並且根據發射信號的傳播路徑損耗來估算發射器和接收器之間的距離。使用所估算的距離、預定的距離和拖車長度來估算牽引角。
【專利說明】牽引角估算的系統和方法

【技術領域】
[0001] 本發明的主題涉及一種用於估算車輛與附接至車輛的拖車之間的角度--稱之 為牽引角--的系統和方法。

【背景技術】
[0002] 對於其上具有附接或者掛接有拖車的機動車來說，多個車輛系統使用表示車輛和 車輛上附接的拖車之間的角度--也稱之為牽引角--的信息，這是有利的。許多車輛系 統利用牽引角信息作為對於系統的輸入，該輸入被與車輛系統有關的控制器或者微處理 器所利用。向請求的系統提供牽引角的當前方法有賴於可能會也可能不會提供牽引角的 精確測量值的傳感器信息。不精確的牽引角可能會引發不充分或者不正確的車輛系統控 制的可能性，尤其是當牽引角信息對於被控制的車輛系統--例如拖車倒車輔助（backup assist)系統或者拖車制動控制器--很重要的情況下。
[0003] 需要對於牽引角進行精確估算。也需要檢查或者驗證得自傳感器的牽引角測量值 的精確性，否則該測量值可能會不可靠。


【發明內容】

[0004] 本發明的主題是估算牽引角的系統和方法，其提供對於牽引角的可靠估算，而且 不依賴於傳感器對牽引角所進行的測量，否則該測量值可能會不可靠。本發明的主題提供 了對可以用作對於各種車輛控制系統的輸入的牽引角的可靠估算。本發明的主題的系統和 方法還可以被用於驗證或者檢查車輛上的牽引角傳感器所提供的牽引角的精確性，以確保 請求牽引角作為對控制算法的輸入的車輛系統接收到精確的估算或者測量值。
[0005] -種用於估算拖車和車輛之間的牽引角的系統，該拖車耦接到車輛上並具有設置 於其上的發射器，該車輛具有拖車連接部和設置於車輛上距拖車連接部第一距離處的接收 器。系統具有控制器，其根據傳播路徑損耗來計算發射器和接收器之間的第二距離，並使用 第一距離、第二距離和拖車長度估算牽引角。
[0006] -種由車輛上的控制器所實施的用於計算車輛和耦接到車輛的拖車之間的角度 的方法。該方法監控從處在拖車的一端的無線發射器發射到車輛上位於距拖車連接部預 定距離處的無線接收器的信號的功率回饋（power return);估算發射器和接收器之間的距 離，所估算的距離為所發射的信號的傳播路徑損耗的函數；使用所估算的距離、預定的距離 和拖車長度來計算車輛與拖車之間的角度；並將計算出來的角度輸出到車輛系統。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖1是具有本發明主題的牽引角估算系統的機動車輛。
[0008] 圖2是具有耦接到其上的拖車的車輛的框圖以及與餘弦定律的關係；以及
[0009] 圖3是本發明主題的方法的流程圖。
[0010] 圖表中的元件和步驟是為了簡單及清楚的目的而示出，未必按照任何特定的順序 展現。例如，在圖中示出了可能同時執行或者以不同順序執行的步驟，以幫助提高對於本發 明主題的實施例的理解。

【具體實施方式】
[0011] 儘管本發明主題的各個方面均參照特定的示例性實施例進行了描述，但是，本發 明的主題並不限於這些實施例，在不背離本發明主題的情況下，可以實施額外的改變、應用 和實施例。在圖中，同樣的附圖標記將用於示出同樣的組件。本領域的技術人員將會認識 至IJ，本發明所列舉的各種組件均可以進行改變而不改變本發明主題的範圍。
[0012] 圖1是具有本發明主題的牽引角估算系統的機動車輛10。車輛10具有輪胎12。 車輛10還可以具有一個或多個傳感系統14,傳感系統14具有多個置於車輛10之內、之上 或者周圍的傳感器。車輛10還具有許多不同種類的控制系統16,該控制系統16利用傳感 系統14所收集的傳感器信息。
[0013] 傳感系統14和車輛控制系統16可以與其它車輛動態控制系統--例如橫擺穩定 性控制系統（yaw stability control system)傳感器組或者側傾穩定性控制系統傳感器 組--共用傳感器。車輛1〇上的實際傳感器將會根據特定車輛1〇上所實施的控制系統的 種類而變化。一些實例包括，但是不限於，無線傳感器、車輪速度傳感器、雷射雷達、雷達、聲 納、攝像機和GPS。角速率傳感器和加速計也可以包括進來，並典型地沿車體框架安裝到車 輛上。例如，縱向加速傳感器、橫向加速傳感器和垂直加速傳感器每一個均可以安裝到車輛 10的重心處。無線傳感接收器18也包括進來並安裝在車輛上已知的位置，例如車身的中心 位置上。
[0014] 控制系統16的任何一個均可以具有控制器26,控制器26可以為單個的車輛集中 控制器或者為控制器的組合。如果使用了許多控制器，它們可以被耦接到一起以傳輸信息， 並且在多個控制器之間調處信息和指令並且決定信息和指令的優先順序。控制器26可以 是基於微處理器的。控制器26可以包含數據處理裝置，例如非瞬態計算機可讀介質，以及 包含計算機可讀介質上的、用於執行牽引角估算的指令。控制器26可以具有用於接收和輸 出信號的各種信號接口。如同上面所討論的，牽引角估算可以在單獨的組件中，或者以多個 控制器、控制單元、模塊、計算機等共同執行估算牽引角操作的分布式方式，邏輯地實施。
[0015] 控制器26可以編程為執行各種功能並控制各種輸出。控制器26可以具有與之相 關的存儲器28。存儲器28可以是單獨的存儲器，或者可以被併入控制器26。存儲器28可 以存儲各種參數、閾值、模式、表格或者地圖。例如，參數可以包括已知的、固定的車輛測量 值，例如輪距、車輛長度、拖車長度以及與車輛已知部件的距離。
[0016] 控制器26從與傳感系統14關聯的許多傳感器接收信息。再一次，傳感器系統14 可以包括，但不限於，速度傳感器、偏航率傳感器、橫向加速傳感器、側傾率傳感器、垂直加 速度傳感器、縱向加速度傳感器、俯仰率傳感器以及轉向角位置傳感器。這些傳感器也可以 是最可能位於車體中心的慣性測量單元的部件。
[0017] 拖車30可以被拖曳在車輛10後面。拖車30可以包括榫舌（tongue)32和拖車車 輪34。拖車30還可以包括拖車制動器和電氣組件，例如燈（圖1中未示出）。線束36可以 被用於將拖車耦接到車輛10的電氣系統並最終耦接到控制器26上。
[0018] 拖車30通過位於拖車榫舌32端部的掛接裝置38,經由車輛上的掛接球或者其它 連接部42耦接到車輛10上。距離4定義參考距離，其為車輛上的無線接收器18與車輛上 的掛接球或者其它連接部之間的距離。這是固定的距離，可以被存儲到存儲器28中。掛接 裝置38可以具有與之相關聯的牽引角傳感器40。備選地，牽引角傳感器40可以與連接部 42相關聯。牽引角傳感器40被用於確定拖車30相對於車輛10的角位置。各種類型的牽 引角傳感器，比如，電阻式、電感式、超聲波式或者電容式傳感器均可以用於確定拖車30相 對於車輛10的相對角度。可以用於確定拖車30相對於車輛10的位置的另一個系統是車 輛10上的倒車輔助系統44。倒車輔助系統具有多個傳感器及/或攝像機46,並且可以被耦 接到控制器26上。倒車輔助系統46可以是超聲波傳感器、雷達傳感器，或者兩者的組合。 倒車輔助傳感器典型地位於車輛10後部的幾個位置上，比如在保險槓內。確定拖車30的 位置的其它方法可以包括位於拖車上、車輛上或者作為倒車輔助傳感器部件的攝像機46。
[0019] 上面討論的許多牽引角傳感裝置可能是不可靠的，或者它們的測量值是被控制的 車輛系統如此至關重要的方面，以至於需要對其精確性進行持續的驗證。備選地，車輛拖車 組合可能沒有裝備牽引角傳感器，然而，當拖車附接到車輛上時，對於控制車輛系統來說， 牽引角可能是必需的。本發明的主題以不需要牽引角傳感器的方式估算車輛和拖車之間的 牽引角。除了提供牽引角估算，本發明的主題還可以用於估算與所感測到的牽引角相對比 的牽引角，以驗證牽引角傳感器所取得的牽引角物理測量值的精確性。
[0020] 無線發射器48被置於拖車30上已知的位置，優選在拖車的端部。這個無線發射 器48與位於車輛10上的無線傳感接收器18進行通信。無線傳感接收器18已被置於車輛 上的已知位置，使得從接收器18到車輛後部的掛接裝置38的參考距離d,是已知的，並被 存儲於存儲器28內。可以使用的無線發射和接收裝置的實例是射頻識別（RFID)、藍牙技術 等。如上面所討論的，無線接收器18置於車輛10上距離車輛的拖車連接部42或者掛接裝 置38預定距離4的位置上。無線發射器48與無線接收器18是在車輛10與拖車30之間 發射和接收信號的相互兼容的單元。控制器監控所傳輸信號的功率回饋。通過監控由發射 器發送到接收器的信號的功率回饋，控制器26可以估算車輛10與拖車30之間的距離d。
[0021] 本發明的主題也使用拖車長度1τ。這個值可以是司機輸入的、存儲在控制器的存 儲器內的已知值，也可以是以其它方式感測到的、計算或者估算的值。例如，當牽引角為零 時，使用從拖車上的無線發射器48發射到車輛10上的無線接收器18的信號的測量值，對 拖車長度^進行精確估算是可能的。當該測量值是車輛在預定的時間段內偏航率為零時 所取得的，來估算拖車長度也是可能的。這些方法將在本發明中在稍後進行描述。
[0022] 本發明的主題使用拖車長度1τ以及從拖車30上的發射器48發射到車輛10上的 接收器18的信號的傳播路徑損耗來估算牽引角。牽引角估算然後可以用做對於與各種車 輛系統16--比如拖車搖擺、拖車倒車輔助、穩定性控制以及其它系統--相關聯的控制 算法的輸入。備選地，牽引角估算可以用於對牽引角傳感器所取得的測量值進行驗證或者 證實。
[0023] 參見圖2,關於餘弦定律示出了當牽引角非零時的車輛10與拖車30的組合的框 圖。車輛10具有附接其上的拖車30,接收器18位於車輛上距拖車掛接裝置38預定參考距 離d,處，距離d,對應於圖2中反應餘弦定律的三角形的Β。示出了拖車長度1 Τ，發射器48 位於拖車30的端部。拖車長度1Τ對應於餘弦定律中的C。示出了發射器48和接收器18 之間的距離d，其對應於餘弦定律中的Α。參考距離d,是可以存儲在存儲器28內的已知距 離。拖車長度1T也可以是存儲在存儲器28內的已知距離，或者其可以如稍後所描述的被 估算或者計算出來。距離d可以如以下參照圖3所做的描述那樣計算出來。
[0024] 參見圖3，示出了根據本發明主題估算牽引角的方法100的流程圖。方法100可以 使用以上關於圖1的車輛10和拖車30所論述的車輛和拖車體系結構來實施。相應地，牽 引角估算可以被提供給請求該信息的任何車輛系統16。
[0025] 執行請求牽引角估算的操作102。對牽引角進行估算的請求可以來自於要求將該 信息作為對與之相關的控制算法的輸入的車輛控制系統16,或者可以來自於想要證實或驗 證牽引角傳感器所提供的牽引角的控制系統16。可能請求牽引角信息的車輛控制系統16 的實例可以是拖車倒車輔助系統、拖車搖擺控制系統、拖車制動控制系統，以及像側傾穩定 性控制或者橫擺穩定性控制這樣的車輛動態控制系統。這些只是可能利用牽引角信息作為 對控制算法的輸入的系統16的幾個實例。
[0026] 執行監控從拖車發射到車輛的信號的功率回饋的操作104。路徑損耗與發射器和 接收器之間的距離的平方成正比，所發射信號的功率回饋可以被用於估算發射器和接收器 之間的距離。在接收器處以事先確定的時間間隔測量功率回饋，並在預定的時間段被存儲 在控制器的存儲器中。功率回饋可以由控制器為使用其值估算牽引角的各種操作及/或功 能而進行訪問。
[0027] 執行估算發射器和接收器之間的距離d的操作106。估算無線發射器和無線接收 器106之間的距離d，這通過使用所測量的發射信號的功率回饋或者路徑損耗得以實現。 路徑損耗與發射器和接收器之間的距離的平方成正比，也與所發射信號的頻率的平方成正 I：匕。信號傳播可以由佛林斯傳輸公式（Friis transmission formula)來表示：
[麵]糊=SSI ⑴
[0029] 其中，Pt是以瓦特為單位的傳輸功率，Gt和4是分別與接收器和發射器關聯的增 益，λ是波長，L是系統損耗，d是發射器和接收器之間的距離。傳輸功率以與d 2成正比的 速度減小。因此，知道了與所發射信號關聯的路徑損耗PL，將會提供對發射器和接收器之間 的距離d的估算。路徑損耗（PL)用下述方程表示：
[0030] PLdg = lOlogi = - i〇i〇g^^|i±-^ (2)
[0031] Ρ?ΛΒ = -lOloggjg) + 101og(rf2) (3)
[0032] PLdB = -l〇l〇g(fH) + 201og(ii) (4)
[0033] 已以與d2成正比的速度減小。接收器所接收到的信號的功率可以表示為：
[0034] Pr(d) = Pr(d〇) for d > d0 > df (5)
[0035] 距離d可以從這一公式得出，並表示拖車上的發射器與車輛上的接收器之間的總 距離。距離屯是已知的接收功率的參考點，距離d f是遠場距離。
[0036] 參考距離4是已知的。如果拖車長度1τ是已知的，則，使用距離d、拖車長度1 τ、 已知的接收器和拖車掛接裝置之間的參考距離4、以及餘弦定律，執行操作108,來計算牽 引角。從餘弦定律中：
[0037] A2 = B2+C2-2BCcos (a) (6)
[0038] 牽引角a由下述公式給出： _ ta2-b2-c2i srw - ey JL ΓηηοΩ? (JL mm-m ' --?39] -2BC (7)
[0040] 實施操作110,其中，請求信息的車輛系統接收牽引角估算。本發明的主題即使當 牽引角傳感器不可用時，也提供對於牽引角的估算。如果系統依賴牽引角傳感器，本發明的 主題可以作為冗餘傳感器，提供對於牽引角傳感器正在進行正確操作的驗證。
[0041] 誠如上面所討論的，拖車長度1Τ可以是存儲在存儲器中的已知值，或者可以是根 據本發明主題計算出來的值。拖車長度可以通過比較已經估算並且在存儲在存儲器內一段 時間的發射器和接收器之間的距離d進行計算112。預定數量的距離估算可以存儲在控制 器的存儲器內。對於所存儲的距離的比較可以使最大的距離被識別出來。最大的距離估算 可以與零牽引角相關聯。這個識別出來的最大的距離，減去已知的參考距離將表示並且 可以被存儲為，拖車的長度1 T。
[0042] 作為備選，可以通過使用車輛上的偏航率傳感器所提供的偏航率，以確定何時拖 車為零牽引角，進而估算拖車的長度1 Τ。偏航率傳感器典型地可作為車輛傳感器系統16的 部分。零偏航率表示車輛正在沿著筆直的路逕行駛，即車輛沒有在轉彎。偏航率為零的事 實單獨不足以識別出零牽引角，因為車輛可能剛剛停止轉彎，即使有非零牽引角的存在。然 而，隨著時間的推移監控偏航率，將提供證實，即車輛已經保持零或者接近零的偏航率筆直 向前行駛足夠的預定時間段了。隨著時間的推移所感測到的零偏航率，提供了拖車已成直 線的指示，可以推斷出來牽引角在那個點上是零。零牽引角一經得以證實，就執行計算拖車 長度的操作112。當牽引角為零時所估算的發射器和接收器之間的距離，減去預定的距離 定義了拖車長度1Τ。
[0043] 在假設牽引角為零之前，偏航率應當保持為零的預定的時間段，將與車輛拖車組 合需要行駛以確保牽引角為零的實際距離相關聯。這可以通過測試確定，並且存儲在控制 器存儲器中。
[0044] 本發明的主題是有利的，在於它提供了牽引角估算，而無論車上是否存在牽引角 傳感器。本發明的主題對於具有牽引角傳感器的車輛更為有利，在於它提供了一種方法，用 於對牽引角傳感器所感測到的牽引角的精確性進行驗證或者證實。這對於嚴格地依賴於所 感測到的牽引角值的車輛系統，例如拖車倒車輔助系統、拖車搖擺控制系統和拖車制動控 制系統，尤其重要。
[0045] 在前述說明書中，本發明的主題已經參照具體的示例性實施例進行了描述。然而， 不背離如權利要求中所述的本發明主題的範圍，可以做出各種改變和變更。說明書和附圖 是示例性的，而非限制性的，改變旨在被包括到本發明主題的範圍之內。相應地，本發明的 範圍應當由權利要求及其在法律上的等同範圍所確定，而非僅由所描述的示例所確定。
[0046] 例如，在任何方法或者過程的權利要求中所陳述的步驟均可以以任何順序實施， 並不限於權利要求中所呈現的具體順序。方程式可以用濾波器進行實施，以將信號噪音最 小化。此外，任何設備的權利要求中所陳述的組件及/或元件均可以進行組裝或者以各種 排列組合進行其它可操作地配置，並且，相應地，不限於權利要求中陳述的具體配置。
[0047] 關於具體實施例的益處、其它優勢以及問題的解決方案，上面已經描述了；然而， 可能導致任何特別益處、好處或者問題的解決方案出現或者更加顯著的任何益處、好處、問 題的解決方案或者任何元件不得解釋為任何權利要求或者所有權利要求的關鍵的、必要 的、或者實質的特點或者組件。
[0048] 術語"包含"、"含有"、"具有"、"包括"或其任何變化，旨在表明開放的包含，使得，含 有一系列元件的過程、方法、物品、組合或者設備不只包括這些所描述的元件，還包括其它 未明確列舉的元件，或者這些過程、方法、物品、組合或者設備本身所固有的其它元件。用於 實施本發明主題的、上面描述的結構、安排、應用、比例、元件、材料或者組件的其它組合及/ 或變更，除了那些未具體描述的以外，還可以變更或者以其它方式特別針對具體的環境、生 產規範、設計參數或者其它操作要求調整，而不背離本發明的一般原則。
【權利要求】
1. 一種用於估算拖車和車輛之間的牽引角的系統，該拖車耦接到車輛上，並具有設置 於其上的發射器，該車輛具有拖車連接部和設置於車輛上距離拖車連接部第一距離處的接 收器，其特徵在於，包含： 控制器，其根據傳播路徑損耗來計算發射器和接收器之間的第二距離，並用第一距離、 第二距離和拖車長度估算牽引角。
2. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，拖車長度存儲在控制器的存儲器內。
3. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，進一步包含用於感測牽引角的牽引角傳感 器，其中，控制器將所估算的牽引角與所感測的牽引角進行比較，以驗證所感測的牽引角的 精確性。
4. 一種用於計算車輛和耦接到車輛的拖車之間的角度的方法，該方法由車輛上的控制 器執行，其特徵在於，包含： 監控從處在拖車一端的發射器發射到車輛上距拖車連接部第一距離處的接收器的信 號的功率回饋； 估算發射器和接收器之間的第二距離，第二距離是所發射的信號的傳播路徑損耗的函 數； 使用第二距離、第一距離和拖車長度來計算車輛與拖車之間的角度；以及 將所計算的角度輸出給車輛系統。
5. 如權利要求4所述的方法，其特徵在於，拖車長度存儲在控制器的存儲器內。
6. 如權利要求4所述的方法，其特徵在於，拖車長度是計算出來的，該方法進一步包含 下述步驟： 隨著時間的推移以預定的時間間隔估算發射器和接收器之間的距離； 存儲預定數量的第二距離； 識別出所存儲的距離中哪一個是最大的；並且 從所存儲的最大距離中減去第一距離，以定義拖車長度。
7. 如權利要求4所述的方法，其特徵在於，拖車長度是計算出來的，該方法進一步包含 下述步驟： 隨著時間推移監控偏航率傳感器的輸出信號； 當偏航率傳感器輸出為零達到預定的時間量時，定義零牽引角； 對於在所定義的零牽引角期間從發射器發射到接收器的信號，估算發射器和接收器之 間的零牽引角距離，該零牽引角距離是所發射的信號的傳播路徑損耗的函數；並且 從零牽引角距離減去第一距離，以定義拖車長度。
8. 如權利要求4所述的方法，其特徵在於，車輛進一步包含牽引角傳感器，並且該方法 進一步包含下述步驟： 接收牽引角傳感器所感測的牽引角；並且 將所計算的角度與所感測的牽引角進行比較，以驗證所感測的牽引角的精確性。
9. 一種用於車輛的牽引角估算系統，該車輛具有拖車連接部和設置在車輛上距離拖車 連接部第一距離處的接收器，該車輛與拖車耦接，該拖車具有發射器，其特徵在於，包含： 控制器，其根據所發射信號的傳播路徑損耗來監控發射器和接收器之間所發射的信號 的功率回饋，並且估算發射器和接收器之間的距離，控制器使用第一距離、所估算的距離和 拖車長度計算牽引角。
10. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，拖車長度存儲在控制器的存儲器中。
11. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，拖車長度通過控制器進行計算，控制器存 儲預定數量的估算距離，控制器識別最大的存儲距離，控制器通過從最大距離減去第一距 離來定義拖車長度。
12. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，拖車長度由控制器進行計算，控制器隨著 時間的推移監控來自於車輛上的偏航率傳感器的、代表車輛偏航率的信號信息，當感測到 的偏航率為零達到預定的時間量時，控制器定義零牽引角，控制器針對所定義的零牽引角 來估算發射器與接收器之間的零牽引角距離，零牽引角距離為所發射信號的傳播路徑損耗 的函數，控制器設定拖車長度等於零牽引角距離減去第一距離。
13. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，進一步包含向車輛系統提供所感測的牽引 角的牽引角傳感器，其中，控制器將所估算的角度與所感測的牽引角進行比較，以驗證所感 測的牽引角的精確性。
【文檔編號】B60W40/00GK104057953SQ201410106168
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年3月20日 優先權日:2013年3月20日
【發明者】羅傑·阿諾德·特朗布利, 託馬斯·愛德華·皮盧蒂, 克裡斯多夫·內夫, 約翰·舒特科 申請人:福特全球技術公司