專利名稱：車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)和對車輛動(dòng)態(tài)進(jìn)行控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)和對車輛動(dòng)態(tài)進(jìn)行控制的方法。更具體 地說，本發(fā)明涉及下述車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)和對車輛動(dòng)態(tài)進(jìn)行控制的方法 其使用綜合的轉(zhuǎn)向_牽弓1/制動(dòng)控制來以綜合方式對轉(zhuǎn)向角度和牽引或?qū)D(zhuǎn) 向角度和制動(dòng)力進(jìn)行控制，以使綜合控制具有對于左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角 度。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域熟知以綜合方式對車輛的轉(zhuǎn)向角度和牽引或制動(dòng)力進(jìn)行控制的 綜合轉(zhuǎn)向一牽引/制動(dòng)控制，這種控制用于獲得目標(biāo)車輛力和力矩，所述目 標(biāo)車輛力和力矩指出了目標(biāo)車輛縱向力、目標(biāo)車輛橫向力以及目標(biāo)橫擺力 矩。在這種綜合轉(zhuǎn)向一牽引/制動(dòng)控制中，針對各個(gè)車輪獨(dú)立地控制轉(zhuǎn)向和 牽引/制動(dòng)，從而計(jì)算和獲得各個(gè)車輪處力的大小和方向以使各個(gè)車輪的輪 胎掌握裕量最大化，也就是使各個(gè)車輪的^率最小化(例如參見JP-A-2004-249971)。這里，符號p表示輪胎與道路之間的摩擦系數(shù)。
但是，由于對于多個(gè)車輪分別進(jìn)行計(jì)算，上述現(xiàn)有技術(shù)中計(jì)算出的各 個(gè)車輪處力的大小經(jīng)常彼此不同。因此，需要左右車輪的獨(dú)立轉(zhuǎn)向來使各 個(gè)車輪獲得計(jì)算出的輪胎力。因此上述控制不適于具有下述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的車
輛所述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)只能用左右車輪處相等的轉(zhuǎn)向角度來控制轉(zhuǎn)向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)和對車輛動(dòng)態(tài)進(jìn)行控制的方法，從而 在綜合轉(zhuǎn)向一牽引/制動(dòng)控制過程中執(zhí)行計(jì)算來獲得左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角 度，因此這種綜合轉(zhuǎn)向一牽引/制動(dòng)控制即使對于具有只能用左右車輪處相 等的轉(zhuǎn)向角度來進(jìn)行控制的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的車輛也適用。
本發(fā)明的第一方面針對一種車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括輪胎力 計(jì)算裝置，用于計(jì)算車輛各個(gè)輪胎的輪胎力以獲得目標(biāo)車輛力和力矩，所 述目標(biāo)車輛力和力矩指出了目標(biāo)車輛縱向力、目標(biāo)車輛橫向力以及目標(biāo)橫 擺力矩；縱向p率計(jì)算裝置，用于計(jì)算縱向p率，所述縱向p率是用各個(gè)輪 胎摩擦圓的尺寸對各個(gè)輪胎力的輪胎縱向力進(jìn)行歸一化而得到的，所述各 個(gè)輪胎摩擦圓代表各個(gè)車輪的最大輪胎力；轉(zhuǎn)向角度計(jì)算裝置，用于根據(jù)
各個(gè)輪胎處的縱向p率、各個(gè)輪胎力的輪胎橫向力以及各個(gè)輪胎處的垂直
載荷，來計(jì)算左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度；以及控制裝置，用于根據(jù)所計(jì)算 出的轉(zhuǎn)向角度來控制車輛的動(dòng)態(tài)。
本發(fā)明的第二方面針對一種對車輛動(dòng)態(tài)進(jìn)行控制的方法，該方法包 括計(jì)算各個(gè)輪胎的輪胎力以獲得目標(biāo)車輛力和力矩，所述目標(biāo)車輛力和 力矩指出了目標(biāo)車輛縱向力、目標(biāo)車輛橫向力以及目標(biāo)橫擺力矩；計(jì)算縱
向ILl率，所述縱向^率是用各個(gè)輪胎摩擦圓的尺寸對各個(gè)輪胎力的輪胎縱向
力進(jìn)行歸一化而得到的，所述各個(gè)輪胎摩擦圓代表各個(gè)車輪的最大輪胎
力；根據(jù)各個(gè)輪胎處的縱向p率、各個(gè)輪胎力的橫向力以及各個(gè)輪胎處的 垂直載荷，來計(jì)算左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度；以及根據(jù)所計(jì)算出的轉(zhuǎn)向角 度來控制車輛動(dòng)態(tài)。
本發(fā)明的第三方面針對一種車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括輪胎力 計(jì)算部分，其計(jì)算各個(gè)車輪處的輪胎力以獲得目標(biāo)車輛力和力矩，所述目 標(biāo)車輛力和力矩指出了目標(biāo)車輛縱向力、目標(biāo)車輛橫向力以及目標(biāo)橫擺力 矩；縱向^率計(jì)算部分，其計(jì)算縱向ILl率，所述縱向p率是用各個(gè)輪胎摩擦 圓的尺寸對各個(gè)輪胎力的輪胎縱向力成分進(jìn)行歸一化而得到的，所述各個(gè) 輪胎摩擦圓代表各個(gè)車輪的最大輪胎力；轉(zhuǎn)向角度計(jì)算部分，其根據(jù)各個(gè) 輪胎處的縱向p率、各個(gè)輪胎力的輪胎橫向力以及各個(gè)輪胎處的垂直載 荷，來計(jì)算左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度；以及控制部分置，用于根據(jù)所計(jì)算 出的轉(zhuǎn)向角度來控制車輛的動(dòng)態(tài)。
在上述這些方面，會看到不管道路摩擦或轉(zhuǎn)向角度如何，總能在縱向 p率與橫向力隨縱向力的減小特性之間獲得特定的關(guān)系。利用這種發(fā)現(xiàn)， 橫向力被分布到左右車輪以獲得對于左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度，并由以綜
合方式的計(jì)算所獲得的對于左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度來控制車輛。這樣， 利用受到四輪分布式轉(zhuǎn)向并最佳地計(jì)算出的各個(gè)車輪的輪胎力來計(jì)算對于 左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度，以維持前輪或后輪的左右輪胎上產(chǎn)生的橫向力 的綜合。因此，以綜合方式用對于左右車輪均等的轉(zhuǎn)向力控制車輛。
通過用拋物線對恒定橫向滑行情況下的縱向P率與歸一化的橫向力之 間的關(guān)系進(jìn)行近似，并通過假定在縱向滑行等于零的時(shí)候橫向力與垂直載 荷成比例并且基于左右輪胎的橫向滑行相同的時(shí)候各個(gè)輪胎的橫向力之比 來分布各個(gè)輪胎的最佳橫向力以獲得目標(biāo)車輛力和力矩，來計(jì)算對于左右 車輪均等的轉(zhuǎn)向角度，所述歸一化的橫向力是用最大橫向力對各個(gè)輪胎的 橫向力進(jìn)行歸一化而獲得的。
根據(jù)上述方面，因?yàn)樵趫?zhí)行綜合轉(zhuǎn)向一牽引/制動(dòng)控制的時(shí)候計(jì)算對于 左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度，所以即使對于具有只能用左右車輪處相等的轉(zhuǎn) 向角度來進(jìn)行控制的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的車輛，這種綜合轉(zhuǎn)向一牽引/制動(dòng)控制也可 以適用。


根據(jù)下面參考附圖對示例性實(shí)施例的說明，可以更加了解本發(fā)明前述 的和/或更多的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中，相同的標(biāo)號用來表示相同的 元件，其中
圖1是圖示了車輛動(dòng)態(tài)模型的示意圖。
圖2是示出本發(fā)明一種實(shí)施例的框圖。
圖3是示出圖2的p率和轉(zhuǎn)向角度計(jì)算裝置詳細(xì)情況的框圖。
圖4的曲線圖示出了在恒定橫向滑動(dòng)中橫向力與縱向力之間的關(guān)系。
圖5的曲線圖示出了圖4中歸一化的橫向和縱向力之間的關(guān)系。
圖6A是示出了四輪分布式轉(zhuǎn)向的最佳方案的示意圖。
圖6B是示出采用了左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度的方案的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在下面的說明中，將以示例性實(shí)施例的形式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
下文中參考附圖來說明本發(fā)明的一種實(shí)施例。首先對車輛中轉(zhuǎn)向與牽 引之間以及轉(zhuǎn)向與制動(dòng)之間的協(xié)調(diào)控制(即綜合控制)的原理進(jìn)行說明， 所述車輛具有四輪分布的轉(zhuǎn)向和牽引/制動(dòng)系統(tǒng)。
圖1示出了具有四個(gè)車輪的車輛動(dòng)態(tài)模型。輪胎力作用在各個(gè)車輪上 并施加到車體以獲得駕駛員所需的車輛運(yùn)動(dòng)，這些輪胎力的合力示于普通
的坐標(biāo)系中，該坐標(biāo)系的x軸沿著車體的縱向方向延伸。
假定車輪的摩擦圓F,的尺寸已知(其中，i=l、 2、 3和4， l對應(yīng)于左 前輪，2對應(yīng)于右前輪，3對應(yīng)于左后輪，4對應(yīng)于右后輪)，求得輪胎力 的方向和車輪的^率以使車輪的P率的上限(四個(gè)車輪中的最大值)最小 化，同時(shí)求得指定的目標(biāo)車輛力(縱向力Fxo和橫向力Fy())以及目標(biāo)橫擺 力矩MzC (目標(biāo)車輛力和力矩)。各個(gè)輪胎的摩擦圓的尺寸被表示為各個(gè) 車輪處的最大輪胎力的大小，并根據(jù)一些因素來評估，所述因素例如各個(gè) 車輪的載荷或速度以及自位轉(zhuǎn)矩(Self-Aligning Torque)。
首先，對約束進(jìn)行建模，以得到車輛力的目標(biāo)合力和目標(biāo)橫擺力矩 (目標(biāo)車輛力和力矩)。在執(zhí)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換使輪胎力的合力方向被轉(zhuǎn)換到X 軸以及與X方向垂直的Y軸時(shí)，輪胎位置(x,y)—li,di)由下列式(1)至
(8)定義。
/,", /2 =~(1) (2)
/3--￡,(3)
(4)
(5)
—~^ 2 2(6)
d，=—(7)
A =-f<8)
這里，Tf是前輪軌跡，TV是后輪軌跡，Lf是車輛重心與前輪軌跡中點(diǎn) 之間的距離，L是車輛重心與后輪軌跡中點(diǎn)之間的距離，li是X軸與輪胎 觸地點(diǎn)之間的距離，di是Y軸與輪胎觸地點(diǎn)之間的距離。
如果各個(gè)輪胎處^率的上限為Y，表示各個(gè)輪胎處對上限Y之比的輪胎g
率為&各個(gè)輪胎力的方向?yàn)閝i (逆時(shí)針方向?yàn)閄軸正方向)，則各個(gè)車 輪處的輪胎力(Fxi,Fyi)可以由下面的式子(9)和(10)表示。<formula>formula see original document page 9</formula>
車輛力(縱向力Fxo和橫向力Fy())是車輪處輪胎力的合力，車輛力和 橫擺力矩Mzo可以由下面的約束表示。
<formula>formula see original document page 9</formula> (11)<formula>formula see original document page 9</formula> (12)
<formula>formula see original document page 9</formula> <13)
在式子(11)的兩端都乘以橫向力FyQ、式子(12)的兩端都乘以縱 向力Fx()、并從所得的式子(11)中減去所得的式子(12)時(shí)，就得到下 列消除了P率的上限Y的式子(14)。 <formula>formula see original document page 9</formula> (14)
在式子(11)的兩端都乘以力矩MzQ、式子(13)的兩端都乘以縱向 力FxQ、并從所得的式子(11)中減去所得的式子(13)時(shí)，就得到下列 消除了上限Y的式子(15)。
<formula>formula see original document page 9</formula>(15)
另外，在式子(12)的兩端都乘以力矩MzQ、式子(13)的兩端都乘 以橫向力Fy。、并從所得的式子(12)中減去所得的式子(13)時(shí)，就得 到下列消除了P率上限Y的式子(16)。 -M20￡rf A sin《,+ /^。<formula>formula see original document page 9</formula>(16)
然后，將消除了p率上限Y的式子(14)至(16)都相加，得到下列式 子(17)。
<formula>formula see original document page 10</formula>
(17)
在將式子(11) 、 (12)和(13)的兩端分別乘以dQ2Fx()、 1^Fyo和 Mz0、并將所得的三個(gè)等式相加時(shí)，就得到下列式子(18)。
<formula>formula see original document page 10</formula>(18)
這里，do和lo是分別對力和力矩的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的常數(shù)。在本實(shí)施例 中，do和lo由下列式子(19)和(20)定義。
<formula>formula see original document page 10</formula>
目標(biāo)車輛力和力矩的大小MFQ通過下列式子(21)來定義。
下列式子(22)和(23)中使用了約束，這些式子是通過從式子 (13)和(18)中消除p率上限Y并用目標(biāo)車輛力和力矩的大小MF。進(jìn)行歸 一化而得到的。
<formula>formula see original document page 10</formula>
在Fx()、 Fyo禾f] Mzo中的任意二者為零時(shí)，上述式子(22)和(23)的 約束成立。執(zhí)行歸一化以改善使用計(jì)算機(jī)(例如ECU)或程序的固定點(diǎn)算 法中的計(jì)算精度。
下列式子(24)定義為以使p率上限Y最小化為目的的性能函數(shù)J。
該性能函數(shù)被表示為(常數(shù)yoi率上限)，使式子(24)的解最大化意味
著使P率最小化。通過將上述式子(18)代入到性能函數(shù)中，性能函數(shù)被 表示為下列式子(25)。
/ =■--"
在獲得了使式子(25)的解最大化的各個(gè)輪胎力的方向qi和輪胎p率ri 時(shí)，p率的上限Y被最小化。
因此，這種非線性優(yōu)化問題可以表達(dá)為如下情況。即，求出各個(gè)輪胎 力的方向qi和輪胎p率ri，以滿足式子(22)和(23)的約束并使式子 (25)的解最大化。
下面將說明各個(gè)輪胎力的分布算法。除了現(xiàn)有技術(shù)中均等地確定各個(gè) 車輪的p率的問題外，本實(shí)施例還需要將輪胎p率rj包括到參數(shù)中。在本實(shí) 施例中，使用每次對各個(gè)輪胎力的方向qi和輪胎p率ri進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化的算 法來執(zhí)行重復(fù)的運(yùn)算，從而能夠獲得各個(gè)輪胎力的方向qi和輪胎p率ri。
為了找到恒定p率的摩擦圓，首先用現(xiàn)有技術(shù)的序列二次規(guī)劃算法在 固定輪胎p率ri的情況下求解各個(gè)輪胎力的方向qi。
通過如下列式子(26)和(27)所示對sinqi和cos q;執(zhí)行一階近似， 可以如下列式子(28)和(29)所示使上述式子(22)和(23)的約束被 相對于各個(gè)輪胎力的方向qi線性化。
<formula>formula see original document page 12</formula> (27)
<formula>formula see original document page 12</formula>(29)
在通過如下列式子(30)和(31)所示對sin化和cos qi進(jìn)行二階 Taylor展開近似時(shí)，上述式子(25)的性能函數(shù)J被表示萬下列式子 (32)。
<formula>formula see original document page 13</formula>(30)<formula>formula see original document page 13</formula>(31)<formula>formula see original document page 13</formula>(32) 其中，
<formula>formula see original document page 13</formula>
(33)
<formula>formula see original document page 13</formula>
(34)
<formula>formula see original document page 13</formula> (35)
<formula>formula see original document page 13</formula>(36)通過如下列式子(37)所示對各個(gè)變量進(jìn)行變形，式子(25)的性能 函數(shù)J被表示為下列式子(38)并被變形成p—?dú)W幾里德范數(shù)的最小化。 <formula>formula see original document page 14</formula>
其中，
經(jīng)過線性近似的約束被表示為下列式子(39)<formula>formula see original document page 14</formula>
用下列式子(44)來求出滿足上述式子(39)的歐幾里德范數(shù)的最
小解。<formula>formula see original document page 15</formula>這里，A+表示矩陣A的偽逆(pseudo-inverse) 各個(gè)輪胎力的方向q由下列式子(45)表示。
<formula>formula see original document page 15</formula>根據(jù)各個(gè)輪胎力的方向qi (=ql、 q2、 q3、 q4) ， q由下列等式表示。
q = [qi q2 q3 q4]7
這里，懲罰函數(shù)P由下列式子(46)定義，其中p為正常數(shù)(1.0)。 在利用式子(45)中求出的各個(gè)輪胎力的方向q,計(jì)算式子(46)的懲罰函 數(shù)時(shí)，如果懲罰函數(shù)P表現(xiàn)出下降，則以重復(fù)地執(zhí)行式子(33)至 (35)、式子(40)至(43)以及式子(45)中的計(jì)算這樣的遞歸方式來 執(zhí)行收斂計(jì)算。 1
<formula>formula see original document page 15</formula>通過由式子(24)和(28)得到的下列式子(49)，對使用由上述算 法求得的各個(gè)輪胎力方向q,的n率進(jìn)行計(jì)算。式子(49)表明，p率被定義 為目標(biāo)車輛力和力矩的大小的平方對性能函數(shù)的比例。<formula>formula see original document page 16</formula>
下面將說明對輪胎p率的校正。當(dāng)輪胎)a率ri (=ri、 r2、 r3、 r4)被改變 到rj+di (其中di為改變量)并受到校正時(shí)，表示目標(biāo)車輛力和力矩的約束 的上述式子(22)和(23)由下列式子(50)和(51)表示。
<formula>formula see original document page 16</formula>(50)
<formula>formula see original document page 16</formula> (51)
<formula>formula see original document page 16</formula>(53〉
在輪胎p率ri改變時(shí)，各個(gè)輪胎力的方向qi和性能函數(shù)也改變。因
此，式子(45)的q需要被校正到例如q+dq以滿足輪胎p率ri改變到ri+di 時(shí)目標(biāo)車輛力和力矩的約束。這里，表示各個(gè)輪胎力的方向q的改變量dq 由下列式子(54)表示。
<formula>formula see original document page 17</formula>(54)
這里，dq由各個(gè)輪胎力的方向的改變量dq; (=dqi、 dq2、 dq3、 dq4) 用下列式子表示。
<formula>formula see original document page 17</formula>
在本實(shí)施例中，只需考慮滿足目標(biāo)車輛力和力矩的約束條件，因此沒 有對校正進(jìn)行限定。即，可以采用任意數(shù)量的校正方法；不過本實(shí)施例采 用使用了求出的偽逆矩陣進(jìn)行的校正方法以簡化計(jì)算。此時(shí)，式子(25) 的性能函數(shù)J改變?yōu)镴+dJ。這里，改變量dJ由下列式子(55)表示。
因此，性能函數(shù)J的改變量dJ由下列式子(56)表示，式子(56)是 由對性能函數(shù)J進(jìn)行近似偏微分得到的。<formula>formula see original document page 18</formula>
這里，Dn和D2i由下列式子(57)和(58)定義< <formula>formula see original document page 19</formula>(58)
在本實(shí)施例中，根據(jù)最速下降法來搜索內(nèi)部點(diǎn)，使r (=[rir2r3r4f)如 下列式子(59)所示在0 — 1范圍內(nèi)改變，這種重復(fù)操作前進(jìn)到下一步 驟。這里，ro表示重復(fù)操作中輪胎n率r此前的值，k表示正常數(shù)。通過這 種方法，在性能函數(shù)改變得更大的情況下，輪胎p率被校正得更-
<formula>formula see original document page 19</formula>在此情況下，通過改變輪胎p率r， q被校正到q+dq以滿足車輛力和力 矩的約束條件。這里，dq由下列式子(54)表示。
<formula>formula see original document page 20</formula> (54)
利用如上所述得到的角度qi，根據(jù)上述式子(49)來計(jì)算p率的上限Y。
下面參考圖2說明使用了上述原理的本實(shí)施例一種具體結(jié)構(gòu)。如圖所 示，本實(shí)施例設(shè)有應(yīng)用摩擦圓計(jì)算裝置10，用于通過將輪胎摩擦圓Fi的尺 寸乘以重復(fù)操作的此前步驟中計(jì)算出的輪胎^率ri的此前值，來計(jì)算各個(gè) 輪胎的應(yīng)用摩擦圓，所述應(yīng)用摩擦圓定義為式子(9)和(10)中的乘積 r;Fi，所述輪胎摩擦圓Fi是由各種因素(例如各個(gè)車輪的速度動(dòng)態(tài)和自位轉(zhuǎn) 矩)評估的最大輪胎力。
計(jì)算裝置IO連接到輪胎力計(jì)算設(shè)備12，輪胎力計(jì)算設(shè)備12用于由應(yīng) 用摩擦圓的尺寸以及目標(biāo)車輛力和力矩計(jì)算各個(gè)車輪的輪胎力和各個(gè)輪胎 H率ri，所述目標(biāo)車輛力和力矩是車輛縱向力、車輛橫向力以及橫擺力矩的 目標(biāo)值。該計(jì)算設(shè)備12連接到控制裝置14，控制裝置14用于通過車輛綜 合控制來實(shí)現(xiàn)計(jì)算出的各個(gè)輪胎力。
輪胎力計(jì)算裝置12設(shè)有輪胎力方向計(jì)算裝置12A，該裝置用于使用 目標(biāo)車輛力和力矩以及由應(yīng)用摩擦圓計(jì)算裝置10計(jì)算出的各個(gè)輪胎的應(yīng) 用摩擦圓的尺寸，根據(jù)上述式子(45)來計(jì)算各個(gè)輪胎力的方向qi，所述 各個(gè)輪胎力的方向qi在用于獲得目標(biāo)力和力矩的約束條件下使p率上限Y最 小化。
計(jì)算裝置12A與p率計(jì)算裝置12B連接，所述ja率計(jì)算裝置12B用于 根據(jù)上述式子(59)計(jì)算輪胎^i率ri，所述輪胎p率ri在用于獲得目標(biāo)力和 力矩的約束條件下使H率的上限Y減小。計(jì)算裝置12B在0 — 1的范圍內(nèi)改 變輪胎H率ri。當(dāng)性能函數(shù)J變化大時(shí)，計(jì)算裝置12B使輪胎n率fi變小。
計(jì)算裝置12B還將計(jì)算裝置12B在輪胎p率的重復(fù)運(yùn)算中的此前值輸
出到應(yīng)用摩擦圓計(jì)算裝置10。
另外，計(jì)算裝置12B還與輪胎力方向校正裝置12C連接，輪胎力方向 校正裝置12C用于隨著根據(jù)式子(54)計(jì)算輪胎^i率而一同校正各個(gè)輪胎 力的方向并對應(yīng)于輪胎p率，以獲得目標(biāo)車輛力和力矩。
校正裝置12C向輪胎力方向計(jì)算裝置12A輸出各個(gè)輪胎力的方向的此前值。
校正裝置12C與輪胎力計(jì)算裝置12D連接，輪胎力計(jì)算裝置12D用 于根據(jù)輪胎p率、經(jīng)校正的各個(gè)輪胎力方向以及最小化的p率上限來計(jì)算各 個(gè)輪胎力。該計(jì)算裝置12D根據(jù)式子(9)和(10)計(jì)算各個(gè)車輪處的輪 胎力Fxi和Fyi。
計(jì)算裝置12D與p率和轉(zhuǎn)向角度計(jì)算裝置12E連接，^率和轉(zhuǎn)向角度計(jì) 算裝置12E用于計(jì)算縱向p率和對左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度。
如圖3所示，計(jì)算裝置12E包括縱向p率計(jì)算裝置12El和轉(zhuǎn)向角度計(jì) 算裝置12E2?？v向n率計(jì)算裝置12El計(jì)算縱向p率，由表示各個(gè)車輪處最 大輪胎力的摩擦圓尺寸對輪胎力計(jì)算裝置12D計(jì)算出的各個(gè)輪胎的縱向力 進(jìn)行歸一化。
轉(zhuǎn)向角度計(jì)算裝置12E2根據(jù)由縱向^i率計(jì)算裝置12E1計(jì)算出的各個(gè) 輪胎的縱向ILi率、各個(gè)輪胎處的橫向力以及各個(gè)輪胎處的縱向載荷，來計(jì) 算對于左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度。
各個(gè)輪胎處的垂直載荷可以由設(shè)置在各個(gè)車輪處的傳感器測量，并根 據(jù)縱向加速度、橫向加速度、車輛重心離地面的高度、以及車輛停止時(shí)的 重量來評估。
下面將說明fi率和轉(zhuǎn)向角度計(jì)算裝置12E中計(jì)算對于左右車輪均等的 轉(zhuǎn)向角度的原理。
首先，為了將輪胎縱向和橫向力的表達(dá)式簡化為根據(jù)刷子(brush)模
型的輪胎力，縱向滑行Kx、橫向滑行Ky和總滑行K定義如下。 <formula>formula see original document page 22</formula>(60)
<formula>formula see original document page 22</formula>61)
這里，、是縱向輪胎位置速度，Vy是橫向輪胎位置速度，V^是輪胎旋
轉(zhuǎn)速度，Ks是縱向輪胎剛度，Kp是橫向輪胎剛度。
輪胎力的方向e與滑行方向相符，即假定該方向e滿足下列式子
(63)。
<formula>formula see original document page 22</formula> 卿
尸，、
根據(jù)輪胎掌握范圍(gripping range)以及全滑動(dòng)范圍(fUll slipping range)，輪胎縱向力Fx和橫向力Fy表示為下列式子(64)至(67)。 (掌握范圍)
<formula>formula see original document page 22</formula> 卿
(全滑動(dòng)范圍) <formula>formula see original document page 22</formula>
<formula>formula see original document page 22</formula>
這里，p表示道路摩擦，F(xiàn)z表示垂直載荷。
縱向和橫向輪胎剛度與垂直載荷成比例，即，設(shè)剛度由下列式子 (68)和(69)表示。
夂yj ="^0巧
(68) 卿
利用上述式子(63) 、 (65)和(68)，掌握范圍中的橫向力fy由下 列式子(70)表示。
<formula>formula see original document page 23</formula>
上述式子(70)表明，橫向力fy與垂直載荷成比例，更具體地說，只 與原點(diǎn)附近的垂直載荷成比例，所述原點(diǎn)處滑動(dòng)較小而不受道路摩擦的影 響。
下面將對使左右車輪的輪胎角度均等進(jìn)行說明。圖4示出了恒定橫向 滑動(dòng)的情況下橫向力與縱向力之間的關(guān)系，這里，輪胎力特性是根據(jù)假定 了恒定橫向滑動(dòng)的上述式子(64)和(65)來計(jì)算的。
在用于以綜合方式對轉(zhuǎn)向角度和牽引或?qū)D(zhuǎn)向角度和制動(dòng)力進(jìn)行控制 的綜合轉(zhuǎn)向一牽引/制動(dòng)控制中，通過對轉(zhuǎn)向角度以及掌握范圍中的牽引/ 制動(dòng)力進(jìn)行控制來獲得目標(biāo)輪胎力。因此，圖4示出了在掌握范圍(即 0<《S<1)內(nèi)的橫向力Fx與縱向力Fy之間的關(guān)系。
在圖4中，實(shí)線表示高摩擦道路(^=1.0)上的特性，虛線表示低摩擦 道路(『0.4)上的特性。
圖5的曲線圖示出了歸一化的橫向和縱向力之間的特性關(guān)系，這里， 圖4的縱軸表示的橫向力Fy被除以最大橫向力(即當(dāng)縱向滑動(dòng)等于零 (icx=0)時(shí)的值)而受到歸一化，圖4的橫軸表示的縱向力Fx被表示為除 以摩擦圓的尺寸(即lLiFx)而受到歸一化的橫向力(縱向p率)。
根據(jù)這種歸一化，在恒定橫向滑動(dòng)的情況下的縱向p率(歸一化縱向
力)與歸一化橫向力之間的關(guān)系可以與橫向滑動(dòng)或道路摩擦的值無關(guān)地由 一個(gè)拋物線來近似。在本實(shí)施例中，由拋物線近似的特性可以由近似為下 列式子(71)。
<formula>formula see original document page 24</formula>(71)
盡管由歸一化橫向力的二次函數(shù)來表示縱向p率，但縱向p率也可以由 其他函數(shù)(例如四次函數(shù))來近似，或者也可以由對照圖來表示。
根據(jù)圖5，在左右輪胎的橫向滑動(dòng)具有相同大小的情況下產(chǎn)生的橫向 力之比由下列式子(72)表示。<formula>formula see original document page 24</formula>
(72〉
考慮定義了歸一化橫向力與縱向p率之間關(guān)系的式子(72)和 (71)，以及縱向滑動(dòng)等于零時(shí)的橫向力與上述式子(70)中表示的垂直 載荷近似成比例這樣的事實(shí)，左右輪胎的橫向力之比由下列式子(73)表 示。
<formula>formula see original document page 24</formula>(73)
這里，下標(biāo)"L"和"R"分別表示左輪和右輪。如果根據(jù)式子(73) 實(shí)現(xiàn)了在最佳分布情況下計(jì)算出的對于左右車輪的橫向力命令值總和的重 新分布，則實(shí)現(xiàn)了使左右車輪的橫向滑動(dòng)均等的綜合控制，即獲得了在左 右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度情況下的目標(biāo)車輛力和力矩。
更具體地說，如果由輪胎力的最佳分布算法計(jì)算出的左右輪胎的縱向 和橫向力分別為FxL、 FxR、 F^禾卩FyR，則橫向力由下列式子(74)和 (75)來計(jì)算。<formula>formula see original document page 25</formula>)
另外，此時(shí)的橫向滑動(dòng)由下列式子(76)和(77)表示,<formula>formula see original document page 25</formula>
這樣，輪胎的滑動(dòng)角度(3L和(3n由下列式子(78)和(79)來表示。
<formula>formula see original document page 25</formula>
(80)和(81)表示。
<formula>formula see original document page 26</formula>
(80)<formula>formula see original document page 26</formula>
(81〉
這里，1表示從車軸至重心的距離，在前車軸的情況下為Lf而在后車 軸的情況下為L。由式子(80)和(81)獲得的左右轉(zhuǎn)向角度可能因輪胎 特性的近似結(jié)果而彼此略有不同。因此，本實(shí)施例使用左右轉(zhuǎn)向角度的平 均值作為轉(zhuǎn)向角度?？梢钥紤]阿克曼機(jī)構(gòu)(Ackerman Mechanism)來計(jì)算 轉(zhuǎn)向角度。
因此，利用如上所述計(jì)算出的各個(gè)輪胎的牽引/制動(dòng)力和各個(gè)車輪的轉(zhuǎn) 向角度作為操作量，來在車輛的牽引和轉(zhuǎn)向角度之間或者制動(dòng)力與轉(zhuǎn)向角 度之間執(zhí)行協(xié)調(diào)控制。
在執(zhí)行協(xié)調(diào)控制時(shí)，控制裝置控制轉(zhuǎn)向致動(dòng)器和牽引/制動(dòng)致動(dòng)器，還 控制各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向角度，該角度是實(shí)現(xiàn)各個(gè)車輪的各個(gè)目標(biāo)輪胎力或轉(zhuǎn) 向角度和牽引/制動(dòng)力所需的。
對于控制裝置14，可以使用如下所述的制動(dòng)力控制裝置、牽引控制裝 置、前輪轉(zhuǎn)向控制裝置或后輪轉(zhuǎn)向控制裝置。
制動(dòng)力控制裝置可以包括與駕駛員的操作無關(guān)地對各個(gè)車輪的制動(dòng)力 進(jìn)行控制的所謂電子穩(wěn)定性控制(ESC)中所用的控制裝置、以機(jī)械方式 與駕駛員的操作隔開而通過信號線來對各個(gè)車輪的制動(dòng)力進(jìn)行任意控制的 控制裝置(所謂的"線控制動(dòng)")以及其他裝置。
牽引控制裝置可以包括用于對牽引進(jìn)行控制的控制裝置，對牽引進(jìn) 行控制是通過節(jié)氣門開啟而控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、預(yù)先使點(diǎn)火正時(shí)的角度延 遲、或燃料噴射量來進(jìn)行的；用于通過對傳動(dòng)裝置的齒輪位置進(jìn)行控制而 對牽引進(jìn)行控制的控制裝置；用于通過對轉(zhuǎn)矩傳輸系統(tǒng)進(jìn)行控制而對沿橫
向和縱向中至少一者的牽引進(jìn)行控制的控制裝置；以及其他裝置。
前輪轉(zhuǎn)向控制裝置可以包括用于將左右前輪的轉(zhuǎn)向角度控制到與駕 駛員對方向盤的操作相當(dāng)?shù)木绒D(zhuǎn)向角度的控制裝置；以機(jī)械方式與駕駛 員的操作隔開而與方向盤的操作無關(guān)地將左右車輪的轉(zhuǎn)向角度控制到所述 均等轉(zhuǎn)向角度的控制裝置(所謂的"線控轉(zhuǎn)向")；以及其他裝置。
后輪轉(zhuǎn)向控制裝置可以包括用于將左右后輪的轉(zhuǎn)向角度控制到與駕
駛員對方向盤的操作對應(yīng)的均等轉(zhuǎn)向角度的控制裝置；以機(jī)械方式與駕駛
員的操作隔開而與方向盤的操作無關(guān)地將左右車輪的轉(zhuǎn)向角度控制到所述
均等轉(zhuǎn)向角度的控制裝置；以及其他裝置。
前述應(yīng)用摩擦圓計(jì)算裝置10、輪胎力計(jì)算設(shè)備12 (輪胎力方向計(jì)算 裝置12A、輪胎p率計(jì)算裝置12B、輪胎力方向校正裝置12C、輪胎力計(jì)算 裝置12D以及p率和轉(zhuǎn)向角度計(jì)算裝置12E)、以及控制裝置14可以由一 個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)構(gòu)成。在此情況下，計(jì)算機(jī)儲存有使計(jì)算機(jī)能夠起前述裝 置作用的程序。
下面將說明上述實(shí)施例的模擬結(jié)果。圖6示出了在中等摩擦的道路 (4=0.5)上直線制動(dòng)(FxQ=-5000[N])的過程中需要-8000[Nm]的橫擺力矩 的情況下的輪胎力和轉(zhuǎn)向角度。
圖6A示出了在四輪分布式轉(zhuǎn)向的情況下用于獲得最佳輪胎力的各個(gè) 車輪的最佳輪胎力和轉(zhuǎn)向角度。在此情況下，p率的上限為0.77。圖6B示 出了用本實(shí)施例的算法來使左右車輪的轉(zhuǎn)向角度均等的情況下，左右車輪 的橫向力重新分布以及左右車輪的轉(zhuǎn)向角度均等化。在此情況下，前輪的 轉(zhuǎn)向角度為-1.20，后輪的轉(zhuǎn)向角度為1.63， p率的上限為0.84。盡管由于 重新分布，對于各個(gè)車輪的lLi率上限增大了大約9X，但實(shí)現(xiàn)了左右轉(zhuǎn)向角 度的均等。
盡管已經(jīng)參考示例性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但是應(yīng)當(dāng)明白本發(fā) 明不限于所述的實(shí)施例或結(jié)構(gòu)。相反，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)認(rèn)為覆蓋了各種變更形 式和等效構(gòu)造。另外，盡管以各種組合和構(gòu)造的方式示出了示例性實(shí)施例 的各個(gè)元件，但是在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，也可以有其他組合和構(gòu)造方 式，包括更多元件、更少元件或單一元件。
權(quán)利要求
1. 一種車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于包括輪胎力計(jì)算裝置，用于計(jì)算車輛各個(gè)車輪的輪胎力以獲得目標(biāo)車輛力和力矩，所述目標(biāo)車輛力和力矩指出了目標(biāo)車輛縱向力、目標(biāo)車輛橫向力以及目標(biāo)橫擺力矩；縱向μ率計(jì)算裝置，用于計(jì)算縱向μ率，所述縱向μ率是用各個(gè)輪胎摩擦圓的尺寸對各個(gè)輪胎力的輪胎縱向力進(jìn)行歸一化而得到的，所述各個(gè)輪胎摩擦圓代表各個(gè)車輪的最大輪胎力；轉(zhuǎn)向角度計(jì)算裝置，用于根據(jù)各個(gè)輪胎處的縱向μ率、各個(gè)輪胎力的輪胎橫向力以及各個(gè)輪胎處的垂直載荷，來計(jì)算左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度；以及控制裝置，用于根據(jù)所計(jì)算出的轉(zhuǎn)向角度來控制車輛的動(dòng)態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，其中， 所述轉(zhuǎn)向角度計(jì)算裝置通過用拋物線對恒定橫向滑行下的縱向P率與歸一化的輪胎橫向力之間的關(guān)系進(jìn)行近似，并通過假定在縱向滑行等于零 的時(shí)候所述輪胎橫向力與垂直載荷成比例并且基于左右輪胎的橫向滑行相 同的時(shí)候各個(gè)輪胎的輪胎橫向力之比來將最佳輪胎橫向力分布在各個(gè)輪胎 處以獲得所述目標(biāo)車輛力和力矩，來計(jì)算所述左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度， 所述歸一化的輪胎橫向力是用最大輪胎橫向力對各個(gè)輪胎處的輪胎橫向力 進(jìn)行歸一化而獲得的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，還包括 輪胎力方向計(jì)算裝置，用于使用所述目標(biāo)車輛力和力矩以及所述摩擦圓的尺寸，來計(jì)算各個(gè)輪胎力的方向，所述各個(gè)輪胎力的方向使得在用于 獲得所述目標(biāo)力和力矩的約束條件下，各個(gè)輪胎處的p率的上限最小化；輪胎p率計(jì)算裝置，用于計(jì)算輪胎^率，所述輪胎^率指出了各個(gè)輪胎 處關(guān)于所述p率上限的比率，其在用于獲得所述目標(biāo)力和力矩的約束條件 下使所述p率的上限減??；以及輪胎力方向校正裝置，用于對與所述輪胎(^率對應(yīng)的各個(gè)輪胎力的方 向進(jìn)行校正，其中，所述輪胎力計(jì)算裝置由所述輪胎ia率、各個(gè)輪胎力的經(jīng)校正的方向以 及各個(gè)輪胎處最小化的P率上限，來計(jì)算所述各個(gè)輪胎力。
4. 一種對車輛動(dòng)態(tài)進(jìn)行控制的方法，其特征在于包括下列步驟 計(jì)算各個(gè)車輪的輪胎力以獲得目標(biāo)車輛力和力矩，所述目標(biāo)車輛力和力矩指出了目標(biāo)車輛縱向力、目標(biāo)車輛橫向力以及目標(biāo)橫擺力矩；計(jì)算縱向p率，所述縱向P率是用各個(gè)輪胎摩擦圓的尺寸對各個(gè)輪胎力 的輪胎縱向力進(jìn)行歸一化而得到的，所述各個(gè)輪胎摩擦圓代表各個(gè)車輪的 最大輪胎力；根據(jù)各個(gè)輪胎處的縱向p率、各個(gè)輪胎力的橫向力以及各個(gè)輪胎處的 垂直載荷，來計(jì)算左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度；以及 根據(jù)所計(jì)算出的轉(zhuǎn)向角度來控制車輛動(dòng)態(tài)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的對車輛動(dòng)態(tài)進(jìn)行控制的方法，其中，通過用拋物線對恒定橫向滑行下的縱向p率與歸一化的橫向力之間的 關(guān)系進(jìn)行近似，并通過假定在縱向滑行等于零的時(shí)候所述橫向力與垂直載 荷成比例并且基于左右輪胎的橫向滑行相同的時(shí)候各個(gè)輪胎的橫向力之比 來將最佳橫向力分布在各個(gè)輪胎處以獲得所述目標(biāo)車輛力和力矩，來計(jì)算 所述左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度，所述歸一化的橫向力是用最大橫向力對各 個(gè)輪胎的橫向力進(jìn)行歸一化而獲得的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的對車輛動(dòng)態(tài)進(jìn)行控制的方法，其特征在于還包括下列步驟使用所述目標(biāo)車輛力和力矩以及所述摩擦圓的尺寸，來計(jì)算在用于獲 得所述目標(biāo)力和力矩的約束條件下使各個(gè)輪胎處的p率的上限最小化的各個(gè)輪胎力的方向；計(jì)算輪胎p率，所述輪胎p率指出了各個(gè)輪胎處關(guān)于所述H率上限的比 率，其在用于獲得所述目標(biāo)力和力矩的約束條件下減小所述P率的上限； 以及對與所述輪胎P率對應(yīng)的各個(gè)輪胎力的方向進(jìn)行校正，其中， 計(jì)算各個(gè)車輪的輪胎力的步驟是根據(jù)所述輪胎P率、各個(gè)輪胎力的經(jīng) 校正的方向以及各個(gè)輪胎處最小化的P率上限來執(zhí)行的。
7. —種車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，包括輪胎力計(jì)算部分，其計(jì)算各個(gè)車輪處的輪胎力以獲得目標(biāo)車輛力和力 矩，所述目標(biāo)車輛力和力矩指出了目標(biāo)車輛縱向力、目標(biāo)車輛橫向力以及 目標(biāo)橫擺力矩；縱向ILl率計(jì)算部分，其計(jì)算縱向P率，所述縱向ILl率是用各個(gè)輪胎摩擦 圓的尺寸對各個(gè)輪胎力的輪胎縱向力成分進(jìn)行歸一化而得到的，所述各個(gè) 輪胎摩擦圓代表各個(gè)車輪的最大輪胎力；轉(zhuǎn)向角度計(jì)算部分，其根據(jù)各個(gè)輪胎處的縱向p率、各個(gè)輪胎力的輪 胎橫向力以及各個(gè)輪胎處的垂直載荷，來計(jì)算左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度； 以及控制部分，用于根據(jù)所計(jì)算出的轉(zhuǎn)向角度來控制車輛的動(dòng)態(tài)。
8. —種對車輛動(dòng)態(tài)進(jìn)行控制的方法，包括計(jì)算各個(gè)車輪的輪胎力以獲得目標(biāo)車輛力和力矩，所述目標(biāo)車輛力和力矩指出了目標(biāo)車輛縱向力、目標(biāo)車輛橫向力以及目標(biāo)橫擺力矩；計(jì)算縱向p率，所述縱向p率是用各個(gè)輪胎摩擦圓的尺寸對各個(gè)輪胎力 的輪胎縱向力進(jìn)行歸一化而得到的，所述各個(gè)輪胎摩擦圓代表各個(gè)車輪的最大輪胎力；根據(jù)各個(gè)輪胎處的縱向p率、各個(gè)輪胎力的橫向力以及各個(gè)輪胎處的 垂直載荷，來計(jì)算左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度；以及 根據(jù)所計(jì)算出的轉(zhuǎn)向角度來控制車輛動(dòng)態(tài)。
全文摘要
一種對車輛動(dòng)態(tài)進(jìn)行控制的車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)和方法，包括計(jì)算輪胎力以獲得目標(biāo)車輛力和力矩；計(jì)算縱向μ率，所述縱向μ率是用各個(gè)車輪的輪胎摩擦圓的尺寸對各個(gè)輪胎的縱向力進(jìn)行歸一化而得到的，所述輪胎摩擦圓代表各個(gè)車輪的最大輪胎力；根據(jù)各個(gè)輪胎的縱向μ率、各個(gè)輪胎的橫向力以及各個(gè)輪胎的垂直載荷，來計(jì)算左右車輪均等的轉(zhuǎn)向角度；以及根據(jù)所計(jì)算出的轉(zhuǎn)向角度來控制車輛動(dòng)態(tài)。
文檔編號B60W40/068GK101384463SQ200780005395
公開日2009年3月11日 申請日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者小野英一, 服部義和 申請人:豐田自動(dòng)車株式會社