專利名稱：用于車輛的防滑與防翻保護(hù)系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
與
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及車輛安全性，尤其是涉及用于幫助避免陸路車輛打滑和翻車的系統(tǒng)。隨著 汽車技術(shù)的發(fā)展，車輛的速度是不斷增加的，而速度是導(dǎo)致發(fā)生撞車事故的大多數(shù)普遍因 素之一。根據(jù)(美國)國家高速公路交通安全管理局(NHTSA)計算，每年僅在美國，與 速度有關(guān)的撞車導(dǎo)致的社會經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到402億美元。在2004年，在所有致命撞車事故 中，有30%的原因被認(rèn)為是由速度引起的，并有13，192人因此而喪生。當(dāng)一輛汽車在常規(guī) 條件下開得太快時，會因加速發(fā)生撞車事故，而且在冬天和在濕/積雪/結(jié)水的路面狀況下 會發(fā)生更多的撞車事故。
翻車是人們關(guān)注的另 一個問題，更多的原因是由于運(yùn)動型多功能車(sport-utility vehicles, SUVs)在客車部門的快速增長。根據(jù)(美國)國家高速公路交通安全管理局于 2005年11月發(fā)布的研究報告，在2004年間僅在美國所發(fā)生的10,553起車禍的發(fā)生是由 于客車翻車引起的。SUVs， 一種在客車中快速增長的部門，具有最高的翻車率。在某些車 輛中，即使當(dāng)他們裝備了 ABS和穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，翻車的幾率仍高達(dá)17%。
已被廣泛采用以試圖改進(jìn)車輛可控性的兩項技術(shù)是"防鎖死剎車系統(tǒng)"(anti-locking braking system, ABS)與"電子穩(wěn)定性控制"(electronic stability control, ESC)系統(tǒng)。
ABS (防鎖死剎車系統(tǒng))是一個可使車輪在硬剎車操作后避免鎖死的計算才幾化系統(tǒng)。 ABS不會減弱或增強(qiáng)常規(guī)的剎車能力。它也不需要更短的停車距離，但它有助于在硬剎車 過程中使汽車仍保持受控制的狀態(tài)。
ESC (電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng))通過側(cè)面加速度，旋轉(zhuǎn)(偏轉(zhuǎn))和個別車輪的加速，將 駕駛者試圖操縱行駛方向和剎車意圖與車輛的反應(yīng)進(jìn)行比較。接著，ESC對個別的前輪或 后輪實(shí)施剎車制動，和/或減少過多的發(fā)動機(jī)動力，因此有助于^f正轉(zhuǎn)向不足(費(fèi)力前進(jìn)) 或轉(zhuǎn)向過多(擺尾行駛)。ESC還整合了全速度牽？ 1控制和/或減少了過多的發(fā)動^U區(qū)動力， 直到恢復(fù)控制狀態(tài)。在加速和剎住個別打滑的車輪的情況下，可感知驅(qū)動輪的全速度牽引 力控制。ESC不能阻礙該車的物理限制。如果駕駛者推動車底盤的可能性與ESC過快時， ESC不能避免撞車。它是有助于駕駛者保持控制的工具。
ESC結(jié)合ABS，牽引控制和偏轉(zhuǎn)控制(偏轉(zhuǎn)是圍繞垂直軸的旋轉(zhuǎn))。為了掌握它是怎 樣工作的，想起操縱獨(dú)木舟的情形。如果你想讓獨(dú)木舟轉(zhuǎn)到右邊或向右旋轉(zhuǎn)，你在右邊的 水中安置短槳以提供在右側(cè)的制動力矩。該獨(dú)木舟在樞軸上轉(zhuǎn)動或者旋轉(zhuǎn)到右邊。ESC係: 同樣的基礎(chǔ)性事務(wù)以協(xié)助駕駛者。
許多國際研究已經(jīng)證明，ESC的效果有助于駕駛者保持對車的控制，有助于挽救生命 和減少撞車的嚴(yán)重性。2004年秋，美國NHTSA確認(rèn)了國際上的研究，發(fā)布了在美國對ESC 效果這一領(lǐng)域的研究成果。NHTSA總結(jié)認(rèn)為，ESC減少了 35%的撞車事故。
盡管裝備了 ABS、 ESC和牽引控制系統(tǒng)，由于駕駛者驅(qū)動汽車太快以致超過了極限點(diǎn)， 仍可能有難以接受的大量超速事故發(fā)生。這個極限點(diǎn)是動態(tài)的，因?yàn)樗?f又決于所駕駛的車 輛、天氣和路面狀況，且只有極少的有經(jīng)驗(yàn)的駕駛者才能準(zhǔn)確地判斷該極限點(diǎn)。有人建議 在開動車輛過程中測量車輪的振動，以便提供診斷信息。例如，在車輪轉(zhuǎn)速上的振動可提 示該車輪的不平衡。兩次振動的頻率可提示等速接頭(CV joint)的磨損。在其他頻率的振 動可提示發(fā)動機(jī)汽缸的不能發(fā)動或類似問題。振動的突然降低可提示失去控制并向前滑 動。
雖然在理論上，測量振動的想法是可行的，但是，如前所述的過分簡單化的分析方法 是不足以給駕駛者提供關(guān)于陸路行駛車輛的相互作用的可靠信息。許多不同因素會引起在 車輪振動的頻率和振幅上的變動，包括在公路表面的變化、車輛載重的變化、在加速或剎 車過程中重心偏移的變化。簡單的一維振動測量是不能區(qū)分這些不同原因的。
在矢量微積分學(xué)領(lǐng)域，多個參數(shù)會被用于量化運(yùn)動的特性。與本發(fā)明特別相關(guān)的是曲 率矢量和扭矩矢量。將某點(diǎn)的三維運(yùn)動以速度v和加速度a來表示，所述的曲率矢量由下 式定義
M3
所述的曲率矢量給出點(diǎn)轉(zhuǎn)彎的路徑在三維空間的急劇程度的量度。當(dāng)加速度與速度方
向在同一直線上時，曲率矢量為0。所述的扭矩矢量由下式定義
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其中，a'表示加速度的時間導(dǎo)數(shù)。所述的扭矩矢量是運(yùn)動的螺旋狀前進(jìn)的量度，當(dāng)任 意路徑均包括在一平面時，扭矩矢量為0。附帶說明的是，必須注意曲率和扭矩都是凄t量。 這里之所以指稱為"曲率矢量"和"扭矩矢量"，是為了識別它們在矢量微積分學(xué)中定義 為曲率和扭矩的量，以與通常^f吏用的術(shù)語"曲率"和"扭矩，，相區(qū)別。
因此，有必要尋找一種基于車輪振動測量的系統(tǒng)和方法，該測量將可靠地檢測到車輛 打滑或翻轉(zhuǎn)的突發(fā)可能性，并將提出建議或自動地實(shí)行預(yù)防性的校正。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)與方法，測量和說明在兩維或三維的車輪振動，以預(yù)測在車輛 的路面控制能力方面即將發(fā)生的損失，更適宜的是，通過選擇性個別車輪的剎車來適當(dāng)?shù)?降低車輛的速度，這樣可在所有汽車、路面和氣候狀況下一直確保汽車的穩(wěn)定性。所述系 統(tǒng)可包括一個模擬或"^斷程序，該程序協(xié)助制造者和測試代理者在增強(qiáng)汽車穩(wěn)定性方面達(dá) 到更好的設(shè)計和動態(tài)地評估車輛。所述系統(tǒng)可檢測和儲存在車胎、車輪定位、后傾角與外 傾角、剎車或轉(zhuǎn)向聯(lián)動裝置在它們啟動時的故障，提示服務(wù)中心的工作人員采取必要動作。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，這里提供了 一種避免具有至少四輪的陸路車輛在開車過程中打滑 或翻轉(zhuǎn)的方法，該方法包括(a)重復(fù)地測量在至少四個車輪的每個車輪的輪轂振動運(yùn)動； (b)處理振動運(yùn)動測量結(jié)果以決定車輪功能的當(dāng)前狀態(tài)；以及(c)根據(jù)所述車輪功能的當(dāng)前 狀態(tài)來執(zhí)行駕駛校正控制，其中，所述的測量和所述的處理測量結(jié)果是沿至少兩個垂直軸 來處理每個車輪的振動運(yùn)動。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的振動運(yùn)動是沿三個垂直軸來處理的。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的處理包括(a)沿所述的所駕駛的每個車輪的至少 兩個垂直軸的每個軸來處理，對每個車輪至少 一個與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)充分地實(shí)時進(jìn)行處 理；以及(b)將分級標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于對所有車輪的所述的至少一個與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)的值，以 識別車輪功能的當(dāng)前狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的每個車輪至少一個與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)包括作為在輪 轂的垂直振動和平行振動之間的平衡函數(shù)的變量的參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的每個車輪至少一個與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)包括輪轂振動 運(yùn)動的曲率矢量的百分比偏差。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的百分比偏差是相對于曲率矢量的平均值的計算。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的每個車輪至少一個與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)包括輪轂振動
運(yùn)動的扭矩矢量的百分比偏差。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的百分比偏差是相對于扭矩矢量的平均值的計算。 根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的每個車輪至少一個與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)包括(a)所
述輪轂振動運(yùn)動的曲率矢量的百分比偏差；以及(b)所述輪轂振動運(yùn)動的扭矩矢量的百分
比<扁差。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的百分比偏差是相對于所述曲率矢量和所述4丑矩矢量 的平均值的計算。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的分級標(biāo)準(zhǔn)包括將上限與下限應(yīng)用于所述的每個車輪 至少一個與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的駕駛校正控制包括對所選車輪自動應(yīng)用剎車以將車 輛功能的當(dāng)前狀態(tài)回復(fù)到預(yù)定的范圍之內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，這里還提供了 一種避免具有至少四輪的陸路車輛在開車過程中打 滑或翻轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a)與至少四輪的每個車輪相聯(lián)合的車輪振動傳感器裝置， 所述的車輪振動傳感器裝置被配置為可從至少兩個垂直軸來測量每個車輪的輪轂的振動 運(yùn)動；(b)與每個所述的車輪振動傳感器裝置以數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的處理系統(tǒng)，所述的處理系統(tǒng) 被配置為處理振動運(yùn)動測量結(jié)果以決定車輪功能的當(dāng)前狀態(tài)；以及(c)與所述處理系統(tǒng)相 關(guān)聯(lián)的駕駛校正系統(tǒng)，所述的駕駛校正系統(tǒng)響應(yīng)所述的車輪功能的當(dāng)前狀態(tài)以執(zhí)行駕駛校 正控制。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的車輪振動傳感器裝置包括與所述至少四輪的每個車 輪相關(guān)聯(lián)的三軸加速計，該三軸加速計被配置用于從三個垂直軸測量每個車輪的4侖轂的振 動運(yùn)動。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述的駕駛校正系統(tǒng)是與車輛的剎車系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的，且所 述的駕駛校正系統(tǒng)是可操作地將剎車應(yīng)用于車輛的所選車輪。
附圖簡要說明
在這里，僅通過與所附帶的附圖有關(guān)的實(shí)施例的方式來描述本發(fā)明，這些附圖如下

圖1是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)而構(gòu)建和操作的避免陸路車輛打滑或翻轉(zhuǎn)的系統(tǒng)的^表性示 意圖，該系統(tǒng)^L展示在一輛車的平面圖中；
圖2是一個車輪的側(cè)視圖，顯示了傳統(tǒng)上使用于車輪上描述運(yùn)動的軸； 圖3是輪轂運(yùn)動的部分振動路徑的示意圖，作為本發(fā)明所述系統(tǒng)的示例； 圖4是本發(fā)明的 一 個范例性的執(zhí)行的操作流程圖的示意圖；以及
圖5A-5C是一個表的各部分，該表表示了不同車輛故障的范圍，這些故障可根據(jù)本發(fā) 明的一個范例性的執(zhí)行來識別，并表示了本發(fā)明所述系統(tǒng)所采取的校正動作。
優(yōu)選實(shí)施例詳述
本發(fā)明提供了用于避免陸路車輛打滑或翻轉(zhuǎn)的系統(tǒng)與方法。
根據(jù)本發(fā)明所述的系統(tǒng)與方法的原理和操作，可參考附圖和相應(yīng)的描述而得到更好的 理解。
在提及附圖之前，先介紹本發(fā)明的基本概念，涉及對車輪的振動運(yùn)動在二維(更好是 三維)之間的平衡的監(jiān)視。大多數(shù)(但不是全部)在輪胎和典型路面之間的摩擦力與在該 輪胎和該公路材料之間的吸引分子間力無關(guān)。以一個稱為體積摩4寮力的機(jī)制所代替的是， 簡單地說，輪胎的橡膠在移動中被壓進(jìn)在公路表面的小坑。當(dāng)這些路面的凸起和下陷的地 形推擠輪胎，它們導(dǎo)致了振動。公路摩擦力的減少導(dǎo)致相應(yīng)的振動的減少。
許多因素影響車輪振動的動態(tài)變化。這些因素包括機(jī)械因素，例如車胎負(fù)荷、車胎 平衡、有缺陷或磨損的車胎構(gòu)架、彎曲的車輪或軸、剎車鼓或轉(zhuǎn)子、磨損或松動的萬向接 頭，以及磨損的減震器。與駕駛狀況相關(guān)的其它因素，例如公路表面的變化，或在加速、 剎車或轉(zhuǎn)彎時載重的偏移。
陸路車輛的懸掛系統(tǒng)提供了垂直的振動，為此，垂直振動的振幅趨向比水平振動(前 或后、側(cè)面)大得多。由于這個原因，水平振動經(jīng)常是無關(guān)緊要而被忽略的。根據(jù)發(fā)明人 所知的最優(yōu)方面，三維車輪振動測量只被用于評估旅客舒服度，其焦點(diǎn)在減少振動和增強(qiáng) 旅客舒服的方法與裝置。
與這個方法不同，本發(fā)明教導(dǎo)了沿至少兩個軸(更好地是三個軸)的輪轂振動的測量， 提供了重要的附加信息，用于在開車和測量過程中在不同預(yù)期模式之間進(jìn)行區(qū)分，間接地， 說明車輛的抓地性能力是怎樣改變的。雖然在前/后和側(cè)面方向的振動具有比在垂直方向的 振動小得多的振幅，它們的速度和加速度并不需更小，會經(jīng)常與垂直振動為同一數(shù)量級。
下面試圖以簡單直接的術(shù)語來描述在一個車輪的垂直和平行振動之間的平衡。所陳述 的解釋是作為對讀者理解上的幫助，有助于讀者理解本發(fā)明所迷的操作。然而，必須注意
的是，本發(fā)明已定義在所附的權(quán)利要求中的內(nèi)容已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)是有效的，而且，本發(fā)明的 可專利性不是以任何方式有條件地基于上述理論的精確度，因?yàn)樵摾碚撌沁^度簡^匕的。
當(dāng)在車輪上存在正常壓力時，垂直振動將比橫向振動更顯著。當(dāng)載重增加時，對于車 胎所承受的垂直振動將只有非常小的偏差。因此，較重的載重會減少垂直位移的長度。這 也會改變車胎的幾何狀態(tài)以使接觸區(qū)域更大。由于公路表面的下陷和凸起以非常大的沖擊 力碰撞車胎所額外產(chǎn)生的力，增加了車胎的栽重結(jié)果，不僅增加了發(fā)熱，而且增加了沖黃向 振動。因此，我們能得出這樣的結(jié)論載重是伴隨垂直振動的減少和平行振動的增加而增 加的。反之亦然，當(dāng)載重減少時，垂直振動增加，而平行振動減少。
在轉(zhuǎn)彎過程中，車輛的栽重偏移到外輪上，而在內(nèi)輪上的載重是減少的。在剎車過程 中，載重轉(zhuǎn)移到前輪而減少在后輪上的載重。相反地，在加速過程中，更多的載重轉(zhuǎn)移到 后輪。如果通過監(jiān)視對于每個車輪的平行的和垂直的平衡變化情況，這些不同的情形可被 識別和監(jiān)視，以確保它們保持在安全限度內(nèi)。
當(dāng)路面或車胎變得太光滑時，路面控制能力將顯著降低。當(dāng)車輛行駛在結(jié)水if各面時， 冰溶解而在車輪和路面之間形成水障，使路面的下陷和凸起不能碰撞車胎。因此，路面摩 擦力減少了。同時，振動也減少了。因此，對振動的平衡的監(jiān)視也將提供對行駛過程中牽 引力充足度的指示。接著，對陸路車輛的每個車輪的在平行的和垂直的振動之間的相對平 衡的監(jiān)視，將提供關(guān)于總牽引力的當(dāng)前水平的信息，以及關(guān)于車輛是否使車輛接近它在目 前狀況下的安全操作的極限的信息。通過動態(tài)地計算某個極限點(diǎn)，該極限點(diǎn)應(yīng)固有地考慮 汽車、路面和氣候狀況，并減少速度以使車輛狀況一直保持在該極限點(diǎn)之下，本發(fā)明能使 每個駕駛者在幾乎所有環(huán)境下安全地駕駛車輛，無需格外的駕駛技巧。另外，對于不符合 加速、剎車或轉(zhuǎn)彎的前述情形的單獨(dú)或成群的車輪的參數(shù)的某些變化，可用于提示多種故 障或服務(wù)需求。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖中，圖1顯示了一種系統(tǒng)(標(biāo)示為10)的代表性示意圖，是根據(jù)本發(fā)明 教導(dǎo)所構(gòu)建的和操作的、用于避免具有四個或更多車輪12的陸路車輛在開車過程中打滑 或翻轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。總的來說，系統(tǒng)10包括一個與至少四輪的每個車輪12相聯(lián)合的車輪振動 傳感器裝置14。每個車輪振動傳感器裝置14被配置為可從至少兩個垂直軸(更好是三個 垂直軸)來測量相應(yīng)的車輪12的輪轂的振動運(yùn)動。系統(tǒng)10還包括一個與各傳感器裝置14 以數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的處理系統(tǒng)16,該系統(tǒng)被配置為處理振動運(yùn)動測量結(jié)果以決定車4侖功能的當(dāng) 前狀態(tài)。 一個駕駛校正系統(tǒng)18響應(yīng)所述的車輪功能的當(dāng)前狀態(tài)以執(zhí)行駕駛校正控制，該
系統(tǒng)可包括操作車輛的剎車系統(tǒng)20以致對該車輛的所選車輪進(jìn)行剎車制動。在這個階段， 可以很清楚地看出，所述的系統(tǒng)10與現(xiàn)有的ESC或其他現(xiàn)4亍的安全系統(tǒng)很不相同，不同 之處在于該系統(tǒng)在至少兩維(更好是三維)采樣于單獨(dú)車輪的振動位移，以提供l俞出數(shù) 據(jù)，從這個數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出一個駕駛校正控制。用于處理這個輸出數(shù)據(jù)以決定所需的駕馬史校 正控制的多個選項，將在下面進(jìn)行討論。
在這里，有必要對用于說明書和權(quán)利要求書中的特定術(shù)語作出定義。首先，基于在這 里用于定義運(yùn)動的方向的傳統(tǒng)，對每個車輪以 一 系列直交的軸(x， y, z )分別定義作為參考， 其中，x軸對應(yīng)車輪的"前(forward)"方向，z軸是向上的方向，而y軸配齊右》走坐標(biāo) 系，沿著旋轉(zhuǎn)的車輪軸指向左方。在圖1中可見對于兩個車輪的"x"和"y"方向，而在 圖2中可見"x"和"z"方向。更優(yōu)選的是，這些方向被作為所述與每個車輪相耳關(guān)合的振 動感應(yīng)器裝置14的測量軸，即^^當(dāng)選擇不同的測量軸時，如下所述的關(guān)于數(shù)據(jù)處3里的優(yōu) 選實(shí)施例是實(shí)質(zhì)上不變的。
在這里用于說明書和權(quán)利要求書中的短語"測量輪轂振動運(yùn)動，，及類似短語，是指任 何一個或多個位移、速度、加速度和加速度的變化率的測量。本領(lǐng)域眾所周知，理論上， 任一個前述參數(shù)的測量允許導(dǎo)出所列的所有其他運(yùn)動參數(shù)。實(shí)際上，許多商用的力口速^義是 被配置為或設(shè)置為提供可表示大多數(shù)或全部前述參數(shù)的直接輸出。
在這里用于說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語"振動"、"振動運(yùn)動"和"振動的"，是 指從一個中間位置的微擾(物理體系中的微小變化)而忽略任何均衡的(平均的)速度分 量。換言之，對于每個車輪的所有測量被采納為描述該車輪的運(yùn)動的參考系，并集中在輪 轂上參考點(diǎn)的中間位置的，在該點(diǎn)附上傳感器。
在這里用于說明書和權(quán)利要求書中的短語"駕駛校正控制，，，是指由所述系統(tǒng)所采取 的動作，以應(yīng)對由系統(tǒng)10所識別的某個潛在危險狀況。耳又決于想得到的執(zhí)行，該4史正動 作能以警告信息(聲音和/或可視的信息)的形式附帶校正動作的建議來提供給駕-駛者，或 者可包括在開車時的自動干預(yù)，例如主動剎車制動，這些都將在下面進(jìn)行描述。
現(xiàn)在回到車輪振動傳感器裝置14的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，可以采用任意類型的運(yùn)動傳感器，該 傳感器能測量車輪在開車過程中的振動運(yùn)動的 一個或多個參數(shù)。發(fā)明人目前所知的大多數(shù) 實(shí)際執(zhí)行，是應(yīng)用一個或多個加速儀，該加速儀通過一個支架剛性地裝配在車津侖的中心轂 上，該支架將該傳感器穩(wěn)定在一個恒定的方向。理想地，該加速儀是裝配在接近輪轂的中 心點(diǎn)的位置，雖然這是不實(shí)際的，且由于許多車輛的結(jié)構(gòu)性考慮并不可能這樣。在一些例
子中，是有可能獲得這樣有用的結(jié)果，它們通過將傳感器裝配在車輪的非旋轉(zhuǎn)部分上，懸 掛式接近車輪，因此簡化了裝配形式。
當(dāng)采用兩個或三個分開的單軸加速儀時，該執(zhí)行被簡單化，通過應(yīng)用單獨(dú)的三軸傳感
器單元，也就是，該三軸傳感器單元可產(chǎn)生關(guān)于三個直交軸的數(shù)據(jù)。多種類型的加速^a支
術(shù)都適宜應(yīng)用于本發(fā)明。通過但不限于本發(fā)明的實(shí)施例，我們使用一個基于壓電式傳感器 技術(shù)的微型三軸加速儀，已經(jīng)進(jìn)行了成功的試驗(yàn)。適用的傳感器的例子如由Briiel&Kjaer (丹麥)公司商業(yè)化的產(chǎn)品，其商標(biāo)為DELTATRON 。其他執(zhí)行可采用基于MEMS技術(shù) 的商業(yè)化的慣性傳感器。
在這些試驗(yàn)中，使用了 一種寬幅響應(yīng)加速儀，該加速儀可測量0.3 Hz至3 kHz頻率范 圍的振動，雖然也可使用更窄范圍的加速儀。采樣數(shù)據(jù)的頻率更好地是至少10/秒，且最 好為至少100數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)/秒。特別優(yōu)選的范圍是約200至800 Hz采樣頻率，取決于傳感 器的技術(shù)能力和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的技術(shù)能力。這個數(shù)據(jù)的高頻率重復(fù)采樣，提供了對車輛性 能的高效的連續(xù)實(shí)時監(jiān)視，以及在車輛迫近潛在危險狀況時，迅速在該狀況變成實(shí)際危險 前作出校正動作，由此潛在地避免了許多交通事故。
可選地如果所采樣的數(shù)據(jù)量超過了用于實(shí)時處理的處理系統(tǒng)16的處理能力，可才丸 行數(shù)據(jù)揀選。例如，根據(jù)一個更適宜的選項，當(dāng)x、 y和z振動的負(fù)部分趨向接近與它們相 應(yīng)的正振動路徑成鏡像時，該系統(tǒng)會忽略所采樣的數(shù)據(jù)中x、 y和z的負(fù)值，改為只處理以 正"x，，、 正"y"和正 "z，， 的讀H。
為了將數(shù)據(jù)采樣規(guī)格化，可使用定義在周期性運(yùn)動中的預(yù)定義的數(shù)據(jù)捕獲點(diǎn)(data capturing point, DCP )。例如，在最近進(jìn)行的試驗(yàn)中，采用了定義在315°的DCP,該DCP 是通過峰到峰(peak-to-peak)振動周期沿主要位移的軸(典型的是垂直的"z"軸)來定 義的。正如本實(shí)施例所述，DCP的選擇，更好確保了位移、速度、加速度和加速度的時 間導(dǎo)數(shù)在采樣點(diǎn)都是全非零的，至少沿首要位移的軸是這樣。DCP的同步取決于傳感器能 力，可通過傳感器的適當(dāng)構(gòu)造而自動獲得，或者通過在振動周期中落在任意點(diǎn)的預(yù)定采樣 頻率處進(jìn)行采樣后的數(shù)據(jù)預(yù)處理而自動獲得。
應(yīng)該注意的是，本發(fā)明是可應(yīng)用于范圍較寬的車輛類型的，車輛類型從小轎車到大卡 車，相應(yīng)地，這些車輛具有多種不同數(shù)量的車輪。對于四輪車輛，更適宜為所有四個車輪 都提供它們自身的振動傳感器裝置14。在具有多于四個車輪的車輛的例子中，典型:l也能通 過只監(jiān)視四個車輪可獲得對公路控制性能的監(jiān)視，最好是監(jiān)控那些最接近車輛的外角落的
車輪。即使在這樣的實(shí)例中，在每個車輪上的傳感器裝置的開發(fā)可被提升，以便提供可檢 測與車輪相關(guān)的缺陷的額外功能，這些缺陷例如車輪不平衡、輪胎面磨損或者車輪不對齊。
通過振動傳感器裝置14所釆樣的數(shù)據(jù)接著傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng)16。該數(shù)據(jù)連接可通過有 線連接或無線通信的方式(例如，IR或RF通信連接)，取決于對任意給出的執(zhí)行的實(shí)際 工程的考慮和經(jīng)濟(jì)方面的考慮。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到處理系統(tǒng)16本身，可采用處理系統(tǒng)的任意適用類型，包括但不限于運(yùn)4亍 合適軟件的多用途處理系統(tǒng)、為特定目的制造的硬件，以及任何硬件和軟件或"固件 (firmware)"的結(jié)合。隨車攜帶的電腦系統(tǒng)的采用，已經(jīng)在汽車制造業(yè)中廣泛流4亍，而 且，設(shè)計用于執(zhí)行系統(tǒng)例如ESC等的系統(tǒng)在一些實(shí)例中已經(jīng)具有可用于本發(fā)明的執(zhí)行的足 夠的處理能力。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到處理系統(tǒng)16的處理結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)可采用本領(lǐng)域所知的任何硬件模塊或庫大件 模塊，這個處理結(jié)構(gòu)可以多種方式來執(zhí)行。在下面的多種選項中，是一個共同的創(chuàng)造性概 念，也就是，惡化的駕駛狀況是通過處理從對每個待測車輪的至少二維的振動測量得到的 數(shù)據(jù)來識別的?，F(xiàn)在將簡要地提出三個用于執(zhí)行這個共同概念的不同方法。
根據(jù)第一個方法，對于每個待測車輪的振動數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)到車輛的重心，而該數(shù)據(jù)4妄著在 一個多維矢量空間被視為一個單獨(dú)空間曲線，例如在13維矢量空間(對于四輪的每個車 輪的位移、速度和加速度的三維，加上時間的一維)。憑經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這個多維空間曲 線的曲率矢量是可提示車輛的當(dāng)前駕駛狀況的，因此，允許制作一個查尋表或算法以將導(dǎo) 出的曲率轉(zhuǎn)進(jìn)當(dāng)前駕駛狀態(tài)分級中。
雖然前述的第一種方法是特別一流的，它在所有測量的多維空間執(zhí)行了一個單獨(dú)計 算，已發(fā)現(xiàn)這個方法在計算上是加強(qiáng)的，但是，該方法難以實(shí)時執(zhí)行，且難以使用緊湊的 和經(jīng)濟(jì)的處理元件以高的數(shù)據(jù)采樣速率來執(zhí)行。因此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，更好的是以兩階^殳的處 理方法來執(zhí)行所采樣數(shù)據(jù)的計算分析。首先，分別對每個車輪處理沿每個所測量的軸的振 動運(yùn)動的測量數(shù)據(jù)，以便充分地實(shí)時推導(dǎo)出對于每個車輪的至少一個與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)。 接著，將分級標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到對于所有車輪的與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)，以識別車輛功能的當(dāng)前狀況。
作為這個兩階段計算分析的一個特別簡單的執(zhí)行，在相當(dāng)大范圍的情景下是有效的， 垂直的和平行的振動振幅可相對于每個車輪的平均振幅與所適當(dāng)定義的極限進(jìn)行比4支。這 個方法引出如上所述的振動的平衡的直覺的解釋。這樣，在所關(guān)注的過分急劇高速的過程 中，用于干預(yù)的極限應(yīng)設(shè)置為在外輪上的垂直振動振幅，相對于平均值降低30%;而在
外輪上的平行振動振幅，相對于平均值增加60%;和/或在內(nèi)輪的相反方向上的相應(yīng)改變。 這些特殊的極限值是以經(jīng)驗(yàn)為主地確定的。
雖然這個基于振幅的方法與上述所建議的振動的平衡的直覺的解釋一樣好，該方法仍 存在一定的缺點(diǎn)。主要的缺點(diǎn)是固有的單獨(dú)依賴于振幅，而忽略了從振動傳感器裝置得 來的大部分有用信息。為避免這個缺點(diǎn)，本發(fā)明的特定的最優(yōu)執(zhí)行方案是使用一個或更好 用兩個參數(shù)，這些參數(shù)對在每個待測車輪上的參考點(diǎn)的即時運(yùn)動的特定屬性進(jìn)行量^匕。特 別地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的可高效地用于可靠地決定車輪和路面之間的相互作用的當(dāng)前狀況的兩個 屬性，是通過在每個車輪上的一個參考點(diǎn)當(dāng)前行駛的空間曲線的曲率矢量和扭矩矢量。
簡要地提及圖3，該圖顯示了在由振動傳感器裝置測量第二摩擦力的過程中在一個車 輪上的參考點(diǎn)的運(yùn)動的可能路徑的 一個例子。在沿所示的該路徑的每個點(diǎn)，該參考點(diǎn)具有 一個即時速度v,該即時速度v是與該路徑相切的。在迂回路徑的例子中，該參考點(diǎn)還具 有一個加速度，直接指向即時曲率的中心。在所示路徑的例子中，該路徑展示了瞬間的螺 旋狀前進(jìn)，加速度對時間的導(dǎo)數(shù)在螺旋狀前進(jìn)的方向有一個分量。這些參數(shù)中的每個參數(shù) 是通過與車輪相關(guān)聯(lián)的振動傳感器裝置來采樣的，或者能容易地取自該振動傳感器裝置， 而且，典型的參數(shù)是根據(jù)上面所定義的平行于x, y, z坐標(biāo)系的分量來提供的。
曲率矢量和扭矩矢量的常規(guī)定義已在上面"背景技術(shù)"章節(jié)中給出。這些定義可采用 這些矢量的分量以標(biāo)準(zhǔn)方式來重寫，采用矩陣決定符號表達(dá)矢量積和三倍積如下
jc y z
其中，x，y，z是平行于相應(yīng)軸的單位矢量； 所采樣的速度v具有分量(vx， vy， vz); 所采樣的加速度a具有分量(ax， ay, az);以及 加速度a'的時間導(dǎo)數(shù)具有分量(ax', ay'， az')。
當(dāng)所有這些分量是直接從振動傳感器裝置14輸出的，或者可簡單地取自那些輸出數(shù) 據(jù)，這些公式允許對從傳感器輸出的曲率和扭矩的值，以低計算量的容易實(shí)時執(zhí)行的方式 作直接了當(dāng)?shù)挠嬎恪?br> 憑經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，監(jiān)視從每個曲率和扭矩的平均值的比例的變化，提供了高度可靠的 和健全的工具用于對在車輪和路面之間的相互作用進(jìn)行分級。舉例來說，增加在車l侖上的 載重(例如，在轉(zhuǎn)彎過程中的外輪，或在剎車過程中的前輪)導(dǎo)致在曲率上的增加和在扭 矩上的減少，反之，降低載重則導(dǎo)致減少曲率和增加扭矩。當(dāng)這些導(dǎo)數(shù)從常規(guī)/平均^直達(dá)到 特定值時，它們成為車輛將要失去控制的提示。更好的是，對于每個參數(shù)的較寬的才及限值， 被用于分級用途，以便提供預(yù)測性警告，提示潛在危險情形正在發(fā)展，并允許及時地pf交正 動作。
更特殊的是，已發(fā)現(xiàn)的有助于對不同情景進(jìn)行分級的是定義每個參數(shù)的上限(增加) 和下限(減少)，并更好地對每個參數(shù)定義兩個不同水平的增加與減少的極限。這沖羊，每 個參數(shù)可分級為正常、高、非常高、低、非常低。為了方便地標(biāo)記，這些分級可以級別 或"量變(quantum changes)"標(biāo)記如下正常(O)、高(+l)、非常高(+2)、低(-l)、非常低 (-2)。從最近的實(shí)驗(yàn)證據(jù)中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在增加或減少40%-60%的范圍內(nèi)的第一才及限，特 別是約50%，是特別有用的。簡單地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在增加或減少70%-90%的范圍內(nèi)的第二 極限(更極端的)，特別是約80%,是特別有用的。
這引出根據(jù)這個范例的執(zhí)行，通過處理來自每個DCP的數(shù)據(jù)可產(chǎn)生這些參凄t，以及 在一個四輪車輛的例子中，這些參數(shù)可表現(xiàn)為在-2到+2之間的8個整數(shù)，對應(yīng)于四4侖車 輛的每個車輪的曲率和扭矩的"相關(guān)級別(relative levels)，，。在所有值都為"0"的時候， 也就是，在正常操作范圍內(nèi)，不需要任何干預(yù)。當(dāng)所獲得的值在第一上限或第一下^^的范 圍之外時，這8個參數(shù)提供了 一個用于當(dāng)前情景的分級基準(zhǔn)，典型地是根據(jù)預(yù)編的算法或 查尋表來分級，并執(zhí)行合適的警告或校正動作。
通過一個實(shí)施例但不限于此，圖5A-5C顯示了一個查尋表，該表殼用于識別車輛在行 使過程中的不同故障情形。在每個例子中，通過小群的車輪顯示給出的反常值或結(jié)合所獲 得的值來識別故障情形，以及在一些例子中，時間不一致或這些值的恒定。圖示的用于表 示曲率k和扭矩t的這些值是上述所定義的"級別(level)"標(biāo)識符，在—2到+2的范圍
內(nèi)。每個例子指定了異常測量結(jié)果的可疑原因，以及即時動作形式的首選做法和/或?qū)︸{駛 者的建議或適當(dāng)?shù)姆?wù)人員。
在這個階段，系統(tǒng)10的操作，對應(yīng)于本發(fā)明所述的方法，將是清楚的。如圖4所示， 在步驟30，該系統(tǒng)對每個受監(jiān)視的車輪的振動運(yùn)動進(jìn)行采樣，接著處理所采樣的數(shù)據(jù)。在 這里所顯示的優(yōu)選實(shí)施例中，所述的處理包括計算兩個參數(shù)，特別是曲率和扭矩(步驟32 ), 將這些值與平均值或預(yù)存的值進(jìn)行比較，并計算比例的變化(步驟34)。然后，將這些比 例的變化用于對車輛功能的當(dāng)前狀況進(jìn)行分級(步驟36 ),優(yōu)選是通過將極限標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于 這些變化，接著應(yīng)用算法或查尋表以決定當(dāng)前狀況。當(dāng)這些值在正常范圍內(nèi)時，平均值是 可選地更新的(步驟38)，且監(jiān)視程序回到步驟30重復(fù)進(jìn)行。如果識別到異常狀況，該 系統(tǒng)自動選擇剎車(步驟40 )或采取其他合適動作。在剎車的例子中，車輛剎車系統(tǒng)是開 動的，以使參數(shù)回到安全限度以內(nèi)，更適宜的是，也強(qiáng)制計算最大安全速度。
在DCP中，沿縱向的、橫向的和垂直方向的振動的速度和加速度的值如下: 對于右前輪，
速度(x) = 0.0361299 速度(y) = 0.029545 速度(z" 0.0742197 加速度(x) = 0.00094975 加速度(y) = 0.00143623 加速度^) = 0.00138715 加速度的導(dǎo)數(shù)(x) = 0.000712 加速度的導(dǎo)數(shù)(y) = 0.00158232 加速度的導(dǎo)凄t(z) = 0.000592
<formula>formula see original document page 16</formula>
曲率(Curvature) =0.1079133620
<formula>formula see original document page 17</formula>
扭矩(Torsion ) = 0.0793359665
平均曲率(Average Curvature ) =0.2180802397
平均4a頭6 ( Average Torsion ) =0.1746612365
曲率與平均曲率之間的百分比由下式給出
<formula>formula see original document page 17</formula>
扭矩與平均扭矩之間的百分比由下式給出
<formula>formula see original document page 17</formula>
對于左前輪，
速度^) = 0.1531569 速度(力=0.06180523 速度&) = 0.1798801 加速度(x)-0.000301166 加速度(y)-0.00701622 加速度(z) = 0.00305532 加速度的導(dǎo)數(shù)(x) = 0.0002112 加速度的導(dǎo)數(shù)(y) = 0.00198112 加速度的導(dǎo)數(shù)(z) = 0.0008916944
根據(jù)前面給出的矩陣公式計算得到
曲率(Curvature) =0.1072234463
扭矩(Torsion) =0.0792064760
平均曲率(Average Curvature ) = 0.2180802397
平均扭矩(Average Torsion ) =0.1746612365
曲率的百分比變化=-50.83302987也就是，低
扭矩的百分比變化=-54.65137107也就是，低
對于右后輪，
速度^) = 0.2207165
速度(力=0.0669311
速度(z)二0.17
加速度(x)-0.000515644
加速度(y) = 0.00653633
力口速度(z) = 0.00968345
加速度的導(dǎo)數(shù)(x) = 0.000800672
加速度的導(dǎo)數(shù)(y) = 0.00076896
加速度的導(dǎo)數(shù)(z) = 0.001632
根據(jù)前面給出的矩陣公式計算得到
曲率(Curvature ) = 0.1075362292
扭矩(Torsion) = 0.0795573662
平均曲率(Average Curvature ) = 0.2180802397
平均扭矩(Average Torsion ) =0.1746612365
曲率的百分比變化=-50.68960426 也就是，低
扭矩的百分比變化=-54.45047353 也就是，低
對于左后輪，
速度(x) = 0.0485634 速度(力=0.105931
速度(z) = 0.0793662
加速度(x) = 0.00027004
加速度(y) = 0.00305029
加速度(z) = 0.0042401999
加速度的導(dǎo)數(shù)(x) = 0.0003648672
加速度的導(dǎo)數(shù)(y) = 0.000785304
加速度的導(dǎo)數(shù)(z) = 0.0006312
根據(jù)前面給出的矩陣公式計算得到
曲率(Curvature) =0.1077510154
扭矩(Torsion) =0.0796132520
平均曲率(Average Curvature ) =0.2180802397
平均扭矩(Average Torsion ) =0.1746612365
曲率的百分比變化=-50.59111476 也就是，低
扭矩的百分比變化=-54.41847683 也就是，低
這樣，在這個示例中，當(dāng)前所有四個車輪都在曲率和扭矩上顯示第一級別的低值(-1 )。 這對應(yīng)于圖5A中的例子"1",提示由于滑溜路面狀況如濕的或結(jié)冰的路面狀況而l吏汽車 的特定輪胎在路面控制能力上開始變差。在這個示例中，所有四個輪胎的路面控制能力是 出于變差的開始階段。如果這個狀況繼續(xù)變壞，汽車將會制動滑移，甚至在路上高速地打 滑。因此，本發(fā)明所述的系統(tǒng)將立即應(yīng)用制動壓力以降低車輪轉(zhuǎn)動，直至車輛回復(fù)到安全 速度的狀況之下，足以使曲率和扭矩的值回到它們的"正常，，范圍(級別"0")。無論 是怎樣的車胎、路面和氣候狀況，所述的系統(tǒng)都將優(yōu)先干預(yù)激烈的惡化情形，以避免車輛 打滑。
必須注意的是，以上所述的圖例及說明僅僅是作為范例，而有許多其他的實(shí)施例應(yīng)包 括在本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種避免具有至少四輪的陸路車輛在開車過程中打滑或翻轉(zhuǎn)的方法，該方法包括(a)重復(fù)地測量在至少四個車輪的每個車輪的輪轂振動運(yùn)動；(b)處理振動運(yùn)動測量結(jié)果以決定車輪功能的當(dāng)前狀態(tài)；以及(c)根據(jù)所述車輪功能的當(dāng)前狀態(tài)來執(zhí)行駕駛校正控制，其中，所述的測量和所述的處理測量結(jié)果是沿至少兩個垂直軸來處理每個車輪的振動運(yùn)動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的振動運(yùn)動是沿三個垂直軸來 處理的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的處理包括(a) 沿所述的所駕駛的每個車輪的至少兩個垂直軸的每個軸來處理，對每個車輪至 少一個與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)充分地實(shí)時進(jìn)行處理；以及(b) 將分級標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于對所有車輪的所述的至少一個與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)的值，以識 別車輪功能的當(dāng)前狀態(tài)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的每個車輪至少一個與運(yùn)動相 關(guān)的參數(shù)包括作為在輪轂的垂直振動和平行振動之間的平衡函數(shù)的變量的參數(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的每個車輪至少一個與運(yùn)動相 關(guān)的參數(shù)包括輪轂振動運(yùn)動的曲率矢量的百分比偏差。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的百分比偏差是相對于曲率矢 量的平均值的計算。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的每個車輪至少一個與運(yùn)動相 關(guān)的參數(shù)包括輪轂振動運(yùn)動的扭矩矢量的百分比偏差。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述的百分比偏差是相對于扭矩矢 量的平均值的計算。
9、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的每個車輪至少一個與運(yùn)動相 關(guān)的參數(shù)包括(a) 所述輪轂振動運(yùn)動的曲率矢量的百分比偏差；以及(b) 所述輪轂振動運(yùn)動的扭矩矢量的百分比偏差。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述的百分比偏差是相對于所述曲 率矢量和所述扭矩矢量的平均值的計算。
11、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的分級標(biāo)準(zhǔn)包括將上限與下限 應(yīng)用于所述的每個車輪至少一個與運(yùn)動相關(guān)的參數(shù)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的駕駛校正控制包括對所選車 輪自動剎車制動以將車輛功能的當(dāng)前狀態(tài)回復(fù)到預(yù)定的范圍之內(nèi)。
13、 一種避免具有至少四輪的陸路車輛在開車過程中打滑或翻轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a) 與至少四輪的每個車輪相聯(lián)合的車輪振動傳感器裝置，所述的車輪振動傳感器 裝置被配置為可從至少兩個垂直軸來測量每個車輪的輪轂的振動運(yùn)動；(b) 與每個所述的車輪振動傳感器裝置以數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的處理系統(tǒng)，所述的處理系統(tǒng) 被配置為處理振動運(yùn)動測量結(jié)果以決定車輪功能的當(dāng)前狀態(tài)；以及(c) 與所述處理系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的駕駛校正系統(tǒng)，所述的駕駛校正系統(tǒng)響應(yīng)所述的車輪 功能的當(dāng)前狀態(tài)以執(zhí)行駕駛校正控制。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的車輪振動傳感器裝置包括 與所述至少四輪的每個車輪相關(guān)聯(lián)的三軸加速計，該三軸加速計被配置用于從三個垂直 軸測量每個車輪的輪轂的振動運(yùn)動。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的駕駛校正系統(tǒng)是與車輛的 剎車系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的，且所述的駕駛校正系統(tǒng)是可操作地對車輛的所選車輪進(jìn)行剎車制 動。
全文摘要
一種用于避免陸路車輛打滑或翻滾的系統(tǒng)(10)，包括用于各個車輪(12)的車輪轂振動傳感器裝置(14)，該裝置被配置為可從至少兩個垂直軸(更好是三個垂直軸)來測量車輪的振動運(yùn)動。所述系統(tǒng)處理所述振動運(yùn)動的測量結(jié)果，以決定車輛功能的當(dāng)前狀態(tài)，并在需要時實(shí)現(xiàn)合適的駕駛校正控制。所述的駕駛校正控制可包括操作車輛的剎車系統(tǒng)(20)以便應(yīng)用剎車制動到該車輛所選的車輪。
文檔編號B60W30/02GK101175647SQ200680017117
公開日2008年5月7日 申請日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月19日
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