一种轮胎侧向力估算方法

摘要

本发明涉及一种轮胎侧向力估算方法，包括以下步骤：1）设置一包括有轮心纵向速度传感器、路面附着系数传感器、轮胎垂向力传感器、轮胎侧偏角传感器、轮胎滑转率传感器和侧向力估计模块的轮胎侧向力估算系统；2）所述侧向力估计模块根据所采集的轮胎滑转率值、轮胎垂向力值、轮胎侧偏角和路面附着系数值，估算轮胎的准静态侧向力值；3）根据轮胎的动态侧向力与准静态侧向力的关系建立动态轮胎模型，所述侧向力估计模块根据采集的轮心纵向速度，并通过动态轮胎模型对所述步骤2）估算的轮胎准静态侧向力值进行修正，得到动态轮胎侧向力值；4）将所述步骤3）得到的动态轮胎侧向力值发送到整车控制器中，用于对车辆进行控制和监测。本发明可以广泛应用于轮胎侧向力的实时估算中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种车辆侧向力估算方法，特别是关于一种轮胎侧向力估算方法。

背景技术

轮胎侧向力与轮胎侧偏角、垂直载荷、车轮外倾角、纵向滑转率、轮速及胎压等 因素直接相关，是车辆横向动力学重要的组成部分，影响着车辆的安全性和稳定性， 如果能够准确获知轮胎的侧向力，将会有效的提高车辆的动力学控制效果。轮胎侧向 力的估计依赖于轮胎模型，在进行轮胎侧向力估计时，目前常见的估计方法均采用的 是准静态轮胎模型。但是准静态轮胎模型只有在车辆速度近似不变或者变化很小的情 况下才有效，一旦车辆速度快速变化，拟合精度迅速下降，就使得轮胎侧向力估计不 准确，进一步会导致整车控制器所应用的侧向力参数不准确，影响整车动力学控制效 果，削弱车辆的稳定性和安全性。

车辆行驶过程中影响轮胎与路面间作用力的因素有很多，因此轮胎非线性特性显 著，这些因素包括车轮本身的原因，例如：轮胎气压、轮胎花纹和磨损程度等，还包 括外部因素，例如：轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和滑转率等。国内、外已经发展有多 种非线性轮胎模型，包括Brush模型、Dugoff模型、Uni-Tire模型和魔术轮胎模型。 其中，目前应用比较广泛的各种轮胎模型中，魔术轮胎模型最为精确。魔术轮胎模型 是一种基于实测数据的半经验模型，适用于各种轮胎结构和不同的工况，其应用于车 辆状态参数观测领域，可以提供更为精确的信息。但是，魔术轮胎模型的算法复杂， 计算量较大，如果应用于实车控制器中，会导致运算速度慢，实时性差等缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种轮胎侧向力估算方法，其通过建立动态 轮胎模型对轮胎的侧向力进行估算，实时性好，运算速度快，能够有效提高轮胎侧向 力的估算精度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种轮胎侧向力估算方法，包括以 下步骤：1）设置一包括有轮心纵向速度传感器、路面附着系数传感器、轮胎垂向力传 感器、轮胎侧偏角传感器、轮胎滑转率传感器和侧向力估计模块的轮胎侧向力估算系 统；2）所述侧向力估计模块根据所采集的轮胎滑转率值、轮胎垂向力值、轮胎侧偏角 和路面附着系数值，估算轮胎的准静态侧向力值；3）根据轮胎的动态侧向力与准静态 侧向力的关系建立动态轮胎模型，所述侧向力估计模块根据采集的轮心纵向速度，并 通过动态轮胎模型对所述步骤2）估算的轮胎准静态侧向力值进行修正，得到动态轮 胎侧向力值；4）将所述步骤3）得到的动态轮胎侧向力值发送到整车控制器中，用于 对车辆进行控制和监测。

所述步骤2）估算轮胎的准静态侧向力值，包括以下步骤：①当所述侧向力估计 模块所采集轮胎的滑转率κ＝0时，初步估算轮胎的名义侧向力；②当所述侧向力估计 模块所采集的滑转率κ≠0时，估算轮胎的纵向力对侧向力的影响因数；③综合所述步 骤①和步骤②中涉及的滑转率情况，得到轮胎准静态侧向力的估算结果。

所述步骤3）中的动态轮胎模型为：

${\stackrel{·}{F}}_y=\frac{V_x}{L}({\bar{F}}_y-F_y)$

式中，F_y为轮胎的动态侧向力，为轮胎的准静态侧向力，V_x为轮心纵向速度，L为 轮胎的松弛长度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明设置一包括有轮心纵 向速度传感器、路面附着系数传感器、轮胎垂向力传感器、轮胎侧偏角传感器、轮胎 滑转率传感器和侧向力估计模块的轮胎侧向力估算系统，其中，侧向力估计模块根据 所采集的轮胎滑转率值、轮胎垂向力值、轮胎侧偏角和路面附着系数，并基于现有的 魔术轮胎模型建立新的轮胎估算模型估算轮胎的准静态侧向力值。与现有技术相比， 本发明所建立的轮胎估算模型对轮胎的准静态侧向力值进行估算实时性好、运算速度 较快且拟合参数较少，适用于实时轮胎测量侧向力运算。2、本发明通过建立动态轮胎 模型对估算得到的轮胎准静态侧向力值进行修正，得到动态轮胎侧向力，因此不仅扩 展了所建立的轮胎模型的适应范围，将其从准静态范围扩展至动态范围，而且使得在 纵向速度变化较大的情况下依然可以有效的估计轮胎侧向力，估算结果能够较为准确 的反映轮胎侧向力的动态变化情况，提高了全速度工况下的侧向力观测精度，因此可 以直接应用于车辆动力学控制领域，改善整车动力学控制效果，进而提高整车的安全 性和稳定性。综上所述，本发明能够较为准确的评价轮胎的附着情况，可以用于实时 判断车辆附着性能。本发明可以广泛应用于轮胎侧向力的实时估算中。

附图说明

图1是本发明轮胎侧向力估算的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的轮胎侧向力估算方法，包括以下步骤：

1、设置一轮胎侧向力估算系统，它包括一设置在整车控制器的轮心纵向速度传感 器1，用于采集轮胎的轮心纵向速度；一设置在整车状态观测器的路面附着系数传感 器2，用于采集路面附着系数；一设置在悬架弹簧的轮胎垂向力传感器3，用于采集轮 胎的垂向力；一设置在整车状态观测器的轮胎侧偏角传感器4，用于采集轮胎的侧偏 角；一设置在整车控制器的轮胎滑转率传感器5，用于采集轮胎的滑转率；一设置在 轮胎侧向力观测器的侧向力估计模块6；轮心纵向速度传感器1、路面附着系数传感器 2、轮胎垂向力传感器3、轮胎侧偏角传感器4和轮胎滑转率传感器5分别将各自采集 的信号同时发送到侧向力估计模块6，侧向力估计模块6根据采集的轮心纵向速度值、 路面附着系数值、轮胎垂向力值、轮胎侧偏角值和轮胎滑转率值实时估算轮胎侧向力。

2、侧向力估计模块6根据所采集轮胎的滑转率值、垂向力值、侧偏角值和路面附 着系数值，估算轮胎的准静态侧向力值，具体过程为：

1）当侧向力估计模块6所采集轮胎的滑转率κ＝0时，即在纯侧滑的情况下，轮 胎的纵向运动不会对轮胎侧向力的估算产生影响，初步估算轮胎的名义侧向力。

纯侧滑的情况下，轮胎的纵向滑转率κ＝0，本发明将此时轮胎的侧向力定义为名 义侧向力Fy0，可以应用现有的魔术轮胎公式计算名义侧向力，但是由于现有的魔术轮 胎公式所涉及到的参数较多，运算复杂，实时性差。因此，本发明基于魔术轮胎公式 建立新的估算模型估算名义侧向力F_y0：

F_y0＝μF_zsin(Carctan(Bα))    （1）

式中，α为轮胎侧偏角，F_z为轮胎垂向力，μ为路面附着系数，B和C为常数， 取决于轮胎的实际情况，不同的轮胎B和C的值会有不同，其可以通过公式（1）进行 实验拟合得到。

此时，轮胎的准静态侧向力Fy等于名义侧向力Fy0：

${\bar{F}}_y=F_{y0}---\left(2\right)$

2）当侧向力估计模块6所采集的轮胎滑转率κ≠0时，即在侧滑和滑转同时发生 的情况下，轮胎的纵向运动会对侧向力的估计产生影响，估算轮胎的纵向力对侧向力 的影响因数。

侧滑和滑转同时发生的情况下，纵向滑转率κ≠0，轮胎的纵向力对侧向力的影响 因数公式为：

G＝cos(C_xαarctan(B_xακ))    （3）

式中，B_xα和C_xα为轮胎车型参数，取决于轮胎的实际情况，不同的轮胎B_xα和C_xα不 同，但是可以通过公式(3)进行实验拟合得到。

3）综合步骤1）和步骤2）中涉及的滑转率情况，得到轮胎准静态侧向力的估算 结果为：

${\bar{F}}_y={\mathrm{GF}}_{y0}---\left(4\right)$

即：

${\bar{F}}_y=\mu F_z\cos \left(C_{\mathrm{x\alpha }}\arctan \left(B_{\mathrm{x\alpha }}\kappa \right)\right)\sin \left(C\arctan \left(\mathrm{B\alpha }\right)\right)---\left(5\right)$

此时，在已知轮胎垂向力的情况下，可以通过轮胎侧偏角和滑转率直接估计轮胎 的准静态侧向力

3、根据轮胎的动态侧向力与准静态侧向力的关系建立动态轮胎模型，侧向力估计 模块6根据采集的轮心纵向速度，并通过动态轮胎模型对步骤2估算得到的轮胎准静 态侧向力进行修正，得到动态轮胎侧向力值。

在进行侧向力计算过程中，车速发生变化时，为了能够准确反映轮胎的动态特性， 本发明根据轮胎的动态侧向力与准静态侧向力的关系建立动态轮胎模型：

${\stackrel{·}{F}}_y=\frac{V_x}{L}({\bar{F}}_y-F_y)---\left(6\right)$

式中，F_y为轮胎的动态侧向力，为轮胎的准静态侧向力，V_x为轮心纵向速度， L为轮胎松弛长度。

将公式（6）进行拉普拉斯变换，得到轮胎侧向力的修正结果：

$F_y=\frac{V_x}{\mathrm{Ls}+V_x}{\bar{F}}_y---\left(7\right)$

式中，s为拉普拉斯算子。

即动态轮胎侧向力可以采用下式进行估计：

$F_y=\frac{V_x}{\mathrm{Ls}+V_x}\mu F_z\cos \left(C_{\mathrm{x\alpha }}\arctan \left(B_{\mathrm{x\alpha }}\kappa \right)\right)\sin \left(C\arctan \left(\mathrm{B\alpha }\right)\right)---\left(8\right)$

4、将步骤3估算得到的动态轮胎侧向力值发送到整车控制器，用于对车辆进行控 制和监测，所估计的轮胎侧向力可以较好的反映轮胎侧向力实际值，进而反映动态情 况下轮胎附着情况，对于改善动力学控制器的控制效果，提高车辆的安全性和稳定性 有重要的作用。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法实施的步骤等都是可以有所变化的， 凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护 范围之外。