用於集成穩定控制系統的俯仰感測系統的製作方法

2023-10-31 01:44:47 2

專利名稱：用於集成穩定控制系統的俯仰感測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及集成穩定控制功能，更具體地，涉及在集成穩定控制系統中感測俯仰速率和角度以估計車輛狀態。
背景技術：
車輛穩定控制系統的一個目標是在所有行車條件下、所有路面上以及在行駛速度的全部範圍內，穩定機動車輛的偏航、側翻和橫向漂移運動。能夠實現這一目標的系統稱為集成穩定控制(integrated stabilitycontrol, ISC)系統。現有的穩定控制系統最初是為了減少不想要的車輛偏航運動而開發的，通常稱為電子穩定控制(electronic stability control, ESC)系統。對ESC系統的改進包括對側翻和橫向漂移方向的穩定，通常稱為防側翻穩定控制(roll stability control, RSC)系統。防側翻穩定控制系統對行駛在高摩擦率的路面上的車輛實現側翻和橫向漂移穩定，這種路面可能引起道路翻車。穩定控制系統，例如RSC系統，通常配備有運動傳感器群或組，該群或組可以包括側翻率傳感器、偏航率傳感器、縱向加速計和橫向加速計。除標準ESC系統之外，RSC系統還利用側翻率傳感器和控制算法來增強車輛狀態估計，因而改善控制性能。改善的控制性能主要基於以下事實，附加的側翻感測使總的車輛側翻角度感測更加精確，這使得橫向漂移(通常也稱為側滑)可通過車載橫向加速計檢測出來。當實際運動產生的橫向加速度超出橫向加速計傳感器的預定的不確定性水平時，例如，當橫向加速度的信號與不確定度之比(signal-to-uncertainty ratio, SUR)較大時，側滑即可被檢測出來。橫向加速度感測的不確定性可能起因於傳感器噪聲、傳感器零點漂移、傳感器換算係數非線性和傳感器交叉軸靈敏度等，也可能起因於任何不可測量的路提的不確定性。相似的感測不確定性可能存在於其它感測元件中。然而，對於感測的信號與不確定性之比較低的行車事件也可能發生不穩定狀況。 例如，行駛在積雪和/或結冰的表面上，雖然車輛的轉彎加速度水平通常較低，但車輛仍可發生大的漂移/側滑運動。在這種情況下，實際轉彎加速度非常接近加速計的感測不確定性水平，也就是說，感測的信號與不確定性之比接近1。橫向不穩定性可通過由縱向和橫向車體速度計算出的側滑角測定，該車體速度由加速度首次積分和角速率雙重積分估計。當感測的信號與不確定性之比接近於1時，感測的不確定性的積分可支配該估計。因此，除去感測的不確定性和提高感測信號與不確定性之比很重要。實現這一點的一個方式是，提高感測性能以便從感測的不確定性區分出路面影響。例如，可在用於防側翻穩定控制的傳感器組中加入垂直加速計和/或俯仰速率傳感器，以除去由路面影響引起的感測的不確定性。儘管非常需要提高感測性能，以除去車輛狀態處於信號與不確定性之比較低的行車條件下感測的不確定性，但是有必要開發一種比增加昂貴的傳感器更加經濟有效的辦法。

實用新型內容本實用新型利用可從用於非穩定性控制目的(例如導航或通信)的車載GPS單元獲取的GPS信息引導傳感器與車輛運動傳感器融合，從而實現車輛狀態估計的增強。更具體地，本實用新型是用於感測車輛整體俯仰角或道路坡度的系統和方法，其利用從單天線 GPS接收器和與其它傳感器信號和其它計算信號相關的傳感器融合算法測量出的整體速度。在集成穩定控制系統中，這樣構建或計算的車體的俯仰角可取代俯仰速率傳感器的作用。也就是說，這可以在不需要俯仰速率傳感器的情況下增強車輛狀態估計。本實用新型的一實施例為機動車輛集成穩定控制系統所使用的俯仰感測系統，其中俯仰計算由從GPS接收器獲取的整體車輛速度估計出。在本實用新型的另一個實施例中，用於機動車輛的集成穩定控制系統提供指示車輛俯仰角和俯仰速率的俯仰計算，該機動車輛具有能夠獲取三維車輛速度值的GPS接收器，俯仰計算利用從GPS接收器獲取的車輛速度值估計出。 所述俯仰感測系統還可以包含防側翻穩定控制運動傳感器組，其具有橫向加速度傳感器、縱向加速度傳感器、偏航速率傳感器和側翻速率傳感器；卡爾曼濾波器，其用於估計橫向速度、橫向速度導數、橫向加速度偏差以及縱向加速度偏差，用於以快於預定的取樣速率估計車體垂直和縱向加速度值；單個側翻速率傳感器，其提供指示機動車輛側翻速率的側翻速率信號。在本實用新型的一個方法中，具有GPS接收器和至少一個穩定控制系統的機動車輛從GPS接收器獲取三維整體車輛速度值並估計車輛的俯仰角和/或俯仰速率。

圖1為機動車輛的電子控制穩定系統的方框圖；圖2為本實用新型中具有集成穩定控制系統的機動車輛；圖3為本實用新型中集成穩定控制系統的方框圖；圖4為GPS及與制動控制單元聯網的運動傳感器的方框圖；圖5為在山路正常行駛時，基於GPS速度的俯仰估計和基於傳感器的俯仰信息的對比圖；圖6為在結冰路面上勇往直前行駛時，基於GPS速度的俯仰估計和基於傳感器的俯仰信息的對比圖；圖7A、7B和7C為根據本實用新型估計橫向速度的一系列測試結果圖；圖8為根據本實用新型和模擬仿真的側滑估計對比圖；以及圖9為根據本實用新型和模擬仿真的側翻角估計對比圖。為了清楚簡要起見，圖中所示的元件和步驟不一定按照任何特定的順序表述。例如，可同時執行或以不同的順序執行的步驟皆以附圖所示的方式示於圖中，以幫助進一步更好理解本實用新型的實施例。
具體實施方式
雖然本實用新型的各個方面參照特定的示例性實施例進行說明，但本實用新型並不受限於這些實施例，在不脫離本實用新型的基礎上，其它的修改、應用和實施方式也可實現。在圖中，相同的附圖標記代表相同的組件。所述技術領域的技術人員應當理解，在不改變本實用新型主題的保護範圍的前提下，在此提出的各種組件可以改變。參照圖1，圖中所示為處於駕駛員控制和各種電子控制下的用於車輛的閉環控制系統100的方框圖。來自駕駛員110的駕駛員控制通過油門122、制動124和轉向1 執行。駕駛員通過感測機構123、125、127(例如油門、踏板、方向盤)接收控制「感覺」，例如油門踏板感覺、制動踏板感覺和轉向感覺，並通過駕駛員感受的車輛(未示出)的反應接收運動感覺。駕駛員控制命令則不是通過電子就是通過機械發送到各種執行器，例如動力傳動系統執行器142，制動執行器144和轉向執行器146，這樣相應的執行器可對駕駛員的控制命令做出反應以移動車輛。電子控制通過電子控制單元(electronic control unit, ECU) 130中的計算控制命令執行並以數位化的形式將控制命令發送到動力傳動系統執行器142、制動執行器144、 轉向執行器146和懸掛執行器148。執行器142-148中的每一個具有各自的測量相應執行器的系統狀態的感測元件143、145、147和149。車輛150和車輛環境160還有向E⑶130 提供輸入以用於狀態估計的傳感器159。ECU130包括控制邏輯131，其按子系統類型分組，例如像動力傳動系統控制器、轉向控制器、制動控制器和懸掛控制器。這些控制器還可以功能交叉，可同時包括多種控制器。控制邏輯131接收系統狀態的狀態估計，該狀態估計在下列單元中計算操作狀態估計器(peration state estimator, 0SE) 132、環境狀態估i十器(environmentstate estimator, ESE) 133、駕駛員對於為估計器(driver behavior estimator，DBE) 134、子系統變化檢測(subsystem change detection，SCD) 1；35和車輛狀態估計器(vehicle state estimator, VSE) 136。如果發生駕駛員控制和電子控制同時都請求向同一組執行器傳送控制命令的情況，則通過將請求命令加起來並向執行器發送結合的命令獲得最終的控制命令。在駕駛員和電子控制的影響下，這種駕駛員循環控制的車輛可用於設定車輛系統特徵，例如駕駛動態和安全性。對於與穩定相關的功能，例如這裡討論的集成穩定控制，更具體的是電子穩定控制、防側翻穩定控制和它們的改進，車輛狀態估計器136起了很重要的作用。車輛行駛動態和穩定性可以在檢測偏航不穩定性、側翻不穩定性和橫向(漂移)不穩定性中的一個或其各種組合後精確控制。因為駕駛員控制和電子控制共同存在，因此電子控制「精確」發送必要但按需實施的控制行為是很重要的。否則，對於目標特徵來說是錯誤肯定的或是無效的電子控制性能可能會造成駕駛員的不適。參照圖2，所示為本實用新型具有集成穩定控制系統的機動車輛10，示出了車輛在動態運行過程中所受的各種力和力矩。車輛10具有右前(front right，FR)輪/輪胎和左前(front left, FL)輪/輪胎12A禾口 12B以及右後(rear right, RR)輪/輪胎13A和左後(rear left, RL)輪/輪胎13B。車輛10還有一定數量不同類型的前轉向系統1 和後轉向系統14b，包括各自配置有各自可控制執行器的前輪和後輪，前輪和後輪具有傳統類型的系統，在該系統中兩個前輪同時被控制且兩個後輪同時被控制，該車輛還具有具備傳統前轉向和每個輪獨立可控後轉向(或反之)的系統。通常，車輛重量用Mg表示，Mg位於車輛重心，其中g = 9. 8m/VM為車輛的總質量。圖中示出了安裝於車體上並與車輛CAN總線 (未示出)通信的單天線GPS單元15。GPS單元15還可結合於其它子系統中，像車載導航系統、車輛連通系統、或者甚至是可通過藍牙技術與車載通信系統通信的移動或可攜式電話。如上所述，本實用新型的系統還可以與車輛系統特徵一起使用，包括使用各種控制，例如，主動/半主動懸掛系統、防側翻杆系統、控制制動系統、動力傳動控制系統、動力控制系統(例如全輪驅動或4輪驅動系統)、地形管理系統、駕駛員輔助和諮詢系統或氣囊或其它在檢測到逼近的或不可避免的碰撞或檢測到與另一個物體撞擊後展開或激活的安
全裝置。感測系統16耦接於控制系統18。感測系統16具有中央傳感器群，該群至少包含測量車體在至少4個自由度(degrees of freedom, D0F)運動的4個感測單元。它可以包含包括用於ESC和RSC系統的硬體配置的各種硬體配置。例如在RSC中，感測系統包含具有縱向加速計、橫向加速計、側翻速率和偏航速率傳感器的中央傳感器群。RSC系統還具有轉向角傳感器、四輪速度傳感器和主缸壓力傳感器。感測系統16還可以用於其它測定，例如輪上升檢測、路面輪廓測定、執行器故障檢測。輪速傳感器20安裝在車輛的每個角並產生對應於每個輪的轉速的信號。感測系統16中的運動傳感器群可以在與圖2所示的X，y 和ζ方向嚴格對齊的方向位置牢固安裝在車體上。所屬技術領域的技術人員應可理解，發自IvID2和b3的框架稱為車體框架22，其原點固定在車體某處，ID1對應χ軸並指向前，ID2對應y軸並與行駛方向相切(向左)，b3對應ζ軸指向上。車體角速率繞各自軸表示為ωχ 為側翻速率，《y為俯仰速率，ωζ為偏航速率。現在參照圖3，進一步詳細示出了具有控制器沈的集成穩定控制系統18，其為圖 1中控制邏輯130的具有不同區隔的子集，用於從一定數量的傳感器接收信息，這些傳感器可以包括偏航速率傳感器觀、速度傳感器20、橫向加速度傳感器32、垂直加速度傳感器33、 側翻角速率傳感器34、方向盤(手輪)角傳感器35、縱向加速度傳感器36、俯仰感測單元 37、(輪或執行器的)轉向角位置傳感器38、懸掛載荷傳感器40和懸掛位置傳感器42。值的注意的是，傳感器的各種組合和子組合也是可以使用的。然而，與傳統的利用俯仰速率傳感器不同，俯仰感測單元37為軟體模塊，其從GPS單元15獲得俯仰角和俯仰速率信息。 速度傳感器20還可以由通過接收來自GPS單元15信息進行計算的軟體單元代替。將可利用的GPS信息和用於集成穩定控制傳感器集成，用軟體傳感器替代了硬體傳感器，增強車輛狀態估計的同時節約了成本。集成穩定控制系統18包含防側翻穩定控制功能、偏航穩定控制功能和橫向穩定控制功能及其組合。它還包括仲裁和優先決策單元，優先決策單元在多於一個控制功能請求執行同一個執行器時協調各種控制功能。雖然運動傳感器單元20、28_42可以安裝在車體的任何地方，但一些傳感器物理上集合在一起以構成中央運動傳感器群。在一優選的實施例中，中央運動傳感器群可以位於車輛重心。所屬技術領域的技術人員應該理解，中央傳感器群還可以不位於重心但轉化為相當於在重心。控制器沈可以包括CAN通信系統50，該系統用於接收來自多個來源，例如傳感器20和沘-42的信號。CAN通信系統50向車輛狀態估計器(vehicle state estimator, VSE) 135、操作狀態估計(operation state estimator, OSE)單元132、駕駛員意圖估計 (driver intent estimation, DIE)單元 51、防側翻穩、定控制(roll stability control, RSC)單元52、偏航穩定控制(yawstability control,YSC)單元53、橫向穩定控制(lateral stability control, LSC)單元 54、曲線控制(curve control, CC)55 和扭矩分布控制 (torquedistribution control，TDC) 56提供信號。所有這些單元可相互通信並通過CAN通信系統50或內部通信渠道共享計算的變量。來自VSE 135，OSE 132，DIE 51，RSC 52，YSC 53，LSC 54，CC 55，和 TDC 56 的輸出都與集成穩定控制命令單元57相通，在這裡，各個控制命令請求會基於當前行駛條件被區分優先次序、協調和仲裁。例如，RSC啟動可能使車輛轉向不足以防止發生道路側翻。如果YSC和RSC沒有在ISC命令單元56協調，這種RSC導致的轉向不足可能引發YSC執行轉向不足降低控制，來自ISC控制器命令單元57的輸出用於驅動向轉向執行器146發送執行請求的轉向控制器41 ；向動力傳動系統執行器142發送執行請求的動力傳動系統控制器42 ；向氣囊71、定速巡航控制72、前方碰撞警告73、偏離車道警告74以及碰撞緩解系統75發送執行請求的安全和駕駛員輔助控制器43 ；懸掛控制器44 ；向右前制動62a、左前制動62b、左後制動62c和右後制動62d、防抱死制動64、電子穩定控制66和牽引力控制68發送執行請求的制動控制器45。在VSE135中計算的車輛狀態可以包含車體的側翻和俯仰方向、路提和道路坡度、 車輛行駛速度、車體的側滑角、輪軸和路面之間的側翻角、實際車輛偏航與駕駛員意圖偏航之間的偏航偏差。在135中計算出的幾種變量，是直接應用與其它傳感器信息融合的GPS 信息的結果。基於來自傳感器的輸入、來自各種控制單元52、53、M、55和56的輸出以及來自各種狀態估計單元132、133、134、135、136和51的輸出，控制器沈還可以控制除轉向控制器 41、動力傳動系統控制器41、安全/駕駛員輔助系統43、懸掛控制器44、制動控制器45外的其它裝置。例如，它可以用於控制傳輸系統或動力傳動系統。取決於系統所需的靈敏度和各種其他因素，並非所有的傳感器20，28-42都可在商業上實施。GPS單元15典型地例如用於導航和例如e-911的緊急通知，它不涉及車輛穩定控制功能。用於導航和e-911功能的消費級GPS接收器能夠以比定位精度更好的精度級別提供三個整體速度測量和方位測量，因為GPS單元使用都卜勒速度。這樣的速度精度允許使用GPS提高慣性傳感器的感測能力。因此，最好使用GPS速度輔助車輛狀態估計，更具體地說，在不使用車輛俯仰速率傳感器的情況下估計俯仰速率。考慮如下運動學特徵來表徵來自四個傳感器單元的中央傳感器群的傳感器信號， 包括側翻速率ωχ、偏航速率ωζ、縱向加速度 和橫向加速度 θχ=ωχ+ωβγvx=ax+azvy+g0y
7[0046]vy=ay-mzvx-gex(1)其中，θ χ是側翻角，θ y是俯仰角，Vx是縱向速度，Vy是橫向速度。如果縱向速度 vx可以由其它方式測定(例如從輪速傳感器信號)，那麼理論上方程組(1)可用於確定三個未知數θ χ、θ y和vy。然而，如果考慮傳感器偏差，ax為bx， 為by，ωχ為\ , ωζ為\，則方程組⑴ 應該表示成θχ=ωχ+ ωβγ -φωχ + bwpy)vx =ax + ω2νγ + g0y - (bx + b^vy ) \ =ay- β)ζνχ - g6x - (by + ωνχ)(2)在這種情況下，在方程組O)中引入了三個額外獨立的未知數。實時利用方程組 (2)中描述的動態對θχ，θ y, and vy連續計算意味著需要額外的信息，以從傳感器偏差區分未知數。在四個傳感器偏差中，by，\ ,和\可以通過長期平均(by)以及停止時歸零( \和K)消除。然而，傳感器偏差bx不容易消除。因此，如果傳感器by，\和\可得出，方程組(2)會有四個未知數θχ=ωχ+ωζθγvx=ax+mzvy+g0y-bxvy=ay-mzvx-g0x(3)當俯仰速率添加到方程組(3)中時，方程組(3)成為有四個未知數的四個方程。為了包括俯仰速率，通常的做法是需要在傳感器群中增加俯仰速率傳感器。然而，根據本實用新型的主題，現有的GPS信息用來向方程組C3)提供額外的信息，以從四個方程式求出四個未知數。圖4所示為運動傳感器20和^-42、GPS 15和制動ECU 204之間的網絡200。配備有單天線GPS的車輛的俯仰角可通過下列等式計算出
權利要求1.一種用於機動車輛集成穩定控制系統的俯仰感測系統，其特徵在於，該系統包含 GPS接收器，用於獲取三維車輛整體速度；防側翻穩定控制運動傳感器組，其具有橫向加速度傳感器、縱向加速度傳感器、偏航速率傳感器和側翻速率傳感器；防側翻穩定控制運動傳感器組，其具有橫向加速度傳感器、縱向加速度傳感器、偏航角速率傳感器和側翻速率傳感器；卡爾曼濾波器，其用於估計橫向速度、橫向速度導數、橫向加速度偏差以及縱向加速度偏差。
2.根據權利要求1所述的俯仰感測系統，其特徵在於，進一步包含用於以快於預定的取樣速率估計車體垂直和縱向加速度值的卡爾曼濾波器。
3.一種用於具有GPS接收器的機動車輛的集成穩定控制系統，該GPS接收器能夠獲取三維車輛速度值，其特徵在於，該集成穩定控制系統包含單個側翻速率傳感器，其提供指示機動車輛側翻速率的側翻速率信號； 控制器，其至少使用側翻速率信號和俯仰角信號用於集成穩定控制。
專利摘要本實用新型涉及一種用於機動車輛集成穩定控制系統的俯仰感測系統，其利用從單天線GPS接收器和與傳感器信號及其它計算的信號相關的傳感器融合算法測量出的整體速度感測。在集成穩定控制系統中，這樣構造或計算的車體俯仰角可起到俯仰速率傳感器的作用。也就是說，在不需要俯仰速率傳感器的情況下其增強了車輛狀態估計。
文檔編號B60W30/02GK202106962SQ20102055784
公開日2012年1月11日 申請日期2010年10月12日 優先權日2009年10月12日
發明者喬納森·賴安, 卡瓦庫·O·普拉卡什-阿桑特, 大衛·M·貝利, 迪米塔爾·彼得洛夫·菲爾烏, 陸建波 申請人:福特全球技術公司