一种路面附着系数估算方法及系统

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，具体而言，涉及一种路面附着系数估算方法及系统。

背景技术

路面附着系数是车辆重要的外部环境参数，通常用于表征路面的粗糙程度。由于决定车辆操纵稳定性的力几乎均来自于地面对轮胎的作用力，而路面附着系数决定了地面能够提供给车辆作用力的上限，因此路面附着系数的估算能够为车辆的控制提供重要的参考和边界。

现有技术中，通常需要当车辆处在显著的打滑状态时，才能通过计算利用路面附着系数以表征最大路面附着系数，导致路面附着系数估算的前置条件比较苛刻。

发明内容

本发明解决的问题是如何减少估算路面附着系数所需的前置条件。

为解决上述问题，本发明提供一种路面附着系数估算方法及系统。

第一方面，本发明提供一种路面附着系数估算方法，包括：

获取上一调度周期的纵向路面附着系数作为初始纵向路面附着系数，根据所述初始纵向路面附着系数和轮胎模型确定本调度周期的第一纵向路面附着系数；

获取上一调度周期的侧向路面附着系数作为初始侧向路面附着系数，根据所述初始侧向路面附着系数和所述轮胎模型确定本调度周期的第一侧向路面附着系数；

利用扩展卡尔曼滤波，根据所述初始侧向路面附着系数确定本调度周期的第二侧向路面附着系数；

根据本调度周期的所述第一纵向路面附着系数、所述第一侧向路面附着系数、所述第二侧向路面附着系数和利用路面附着系数确定最终路面附着系数。

可选地，所述根据所述初始纵向路面附着系数和轮胎模型确定本调度周期的第一纵向路面附着系数包括：

获取上一调度周期的纵向车速作为初始纵向车速；

根据所述初始纵向车速、所述初始纵向路面附着系数和所述轮胎模型确定纵向加速度；

根据所述纵向加速度确定纵向加速度估计误差；

根据所述纵向加速度估计误差对所述初始纵向路面附着系数进行修正，以确定本调度周期的所述第一纵向路面附着系数。

可选地，所述根据所述初始纵向车速、所述初始纵向路面附着系数和所述轮胎模型确定纵向加速度包括：

基于所述轮胎模型，根据所述初始纵向车速和所述初始纵向路面附着系数确定轮胎力；

基于所述轮胎模型，根据所述轮胎力确定所述纵向加速度。

可选地，所述根据所述纵向加速度确定纵向加速度估计误差包括：

将所述纵向加速度与传感器测得的检测纵向加速度作差，以确定所述纵向加速度估计误差。

可选地，所述根据所述纵向加速度估计误差对所述初始纵向路面附着系数进行修正包括：

根据所述纵向加速度估计误差和自适应反馈增益系数确定纵向路面附着系数反馈修正项；

根据所述纵向路面附着系数反馈修正项对纵向路面附着系数变化率进行修正，并对修正后的纵向路面附着系数变化率进行积分，以确定本调度周期的所述第一纵向路面附着系数。

可选地，所述利用扩展卡尔曼滤波，根据所述初始侧向路面附着系数确定本调度周期的第二侧向路面附着系数包括：

获取上一调度周期的侧向车速作为初始侧向车速；

根据所述初始侧向车速、所述初始侧向路面附着系数和所述轮胎模型确定侧向加速度；

根据所述侧向加速度确定侧向加速度估计误差；

根据所述侧向加速度估计误差对所述初始侧向车速进行修正，以确定本调度周期的最终侧向车速；

根据所述侧向加速度估计误差对所述初始侧向路面附着系数进行修正，以确定本调度周期的中间侧向路面附着系数；

根据所述最终侧向车速、所述中间侧向路面附着系数和横摆角速度构建扩展卡尔曼滤波观测器，根据所述扩展卡尔曼滤波观测器对所述中间侧向路面附着系数进行更新，以确定本调度周期的所述第二侧向路面附着系数。

可选地，所述根据所述扩展卡尔曼滤波观测器对所述中间侧向路面附着系数进行更新包括：

设置更新条件，其中，所述更新条件包括横摆角速度、纵向车速和前后轮侧偏角满足预设阈值。

可选地，所述根据本调度周期的所述第一纵向路面附着系数、所述第一侧向路面附着系数、所述第二侧向路面附着系数和利用路面附着系数确定最终路面附着系数包括：

当车轮侧偏角超过预设侧偏角阈值并持续第一预设时间，且横摆角速度超过预设横摆角速度阈值时，激活侧向特征计算，其中，所述侧向特征计算包括：

若所述第一侧向路面附着系数和所述第二侧向路面附着系数的差值大于预设差值阈值，则将所述第二侧向路面附着系数和所述利用路面附着系数中的最大值作为所述最终路面附着系数，否则将所述第一侧向路面附着系数和所述第二侧向路面附着系数进行比较，将所述第一侧向路面附着系数和所述第二侧向路面附着系数中的最小值与所述利用路面附着系数进行比较，取最大值作为所述最终路面附着系数；

当车轮滑移率超过预设滑移率阈值并持续第二预设时间后，激活纵向特征计算，其中，所述激活纵向特征计算包括：

将所述第一纵向路面附着系数和所述利用路面附着系数中的最大值作为所述最终路面附着系数。

可选地，所述路面附着系数估算方法还包括：

根据纵向加速度和侧向加速度确定所述利用路面附着系数。

第二方面，本发明提供一种路面附着系数估算系统，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上路面附着系数估算方法。

本发明通过使用轮胎模型确定第一纵向路面附着系数、第一侧向路面附着系数和第二侧向路面附着系数，充分考虑了各种估算方式得到的路面附着系数，可以在不过于严格的条件，例如车辆没有显著打滑时，获得最终路面附着系数，即最大路面附着系数，从而减少估算路面附着系数所需的前置条件。另外，通过扩展卡尔曼滤波确定第二侧向路面附着系数，使得通过侧向特性估算得到的路面附着系数更加准确。

附图说明

图1为本发明实施例的路面附着系数估算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的路面附着系数估算方法的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种路面附着系数估算方法，包括：

获取上一调度周期的纵向路面附着系数作为初始纵向路面附着系数，根据所述初始纵向路面附着系数和轮胎模型确定本调度周期的第一纵向路面附着系数。

具体地，首先获取上一调度周期的纵向路面附着系数作为本调度周期的初始纵向路面附着系数，然后根据本调度周期的初始纵向路面附着系数和轮胎模型确定本调度周期的纵向路面附着系数。

获取上一调度周期的侧向路面附着系数作为初始侧向路面附着系数，根据所述初始侧向路面附着系数和所述轮胎模型确定本调度周期的第一侧向路面附着系数。

其中，调度周期一般指路面附着系数测量和评估的时间间隔；由于环境因素(例如交通流量、天气条件、道路类型、交通安全需求等)发生变化，需要设置不同的调度周期。

具体地，与纵向路面附着系数类似，具体过程见后文描述，此处不再赘述。

利用扩展卡尔曼滤波，根据所述初始侧向路面附着系数确定本调度周期的第二侧向路面附着系数。

具体地，利用扩展卡尔曼滤波构建观测器观测侧向路面附着系数，从而根据初始侧向路面附着系数确定本调度周期的第二侧向路面附着系数。

根据本调度周期的所述第一纵向路面附着系数、所述第一侧向路面附着系数、所述第二侧向路面附着系数和利用路面附着系数确定最终路面附着系数。

具体地，最后进行路面附着系数融合，根据本调度周期的纵向路面附着系数、第一侧向路面附着系数、第二侧向路面附着系数和利用路面附着系数确定最终路面附着系数。可以在非严重打滑的范围根据模型动态获得最大路面附着系数，降低计算阈值，在更宽的范围获得最大路面附着系数。

其中，利用路面附着系数只表示当前路面提供给车辆的作用力的水平，而无法获得最大作用力；利用路面附着系数无法表征最大路面附着系数，只有当车辆使用了路面最大的作用力后(比如车轮打滑)，此时计算得到的利用路面附着系数才是最大路面附着系数。

可选地，所述根据所述初始纵向路面附着系数和轮胎模型确定本调度周期的第一纵向路面附着系数包括：

获取上一调度周期的纵向车速作为初始纵向车速。

具体地，结合图2所示，在构造纵向加速度观测器时，以上一个调度周期的纵向车速和纵向路面附着系数μ

根据所述初始纵向车速、所述初始纵向路面附着系数和所述轮胎模型确定纵向加速度。

具体地，结合图2所示，通过构造纵向加速度观测器，可以根据初始纵向车速、初始纵向路面附着系数和轮胎模型确定纵向加速度。

根据所述纵向加速度确定纵向加速度估计误差。

具体地，在确定纵向加速度后，可以与传感器(例如陀螺仪)测得的纵向加速度作差来确定纵向加速度估计误差。

根据所述纵向加速度估计误差对所述初始纵向路面附着系数进行修正，以确定本调度周期的所述第一纵向路面附着系数。

具体地，根据纵向加速度估计误差和相应的自适应反馈增益系数可以确定修正项，通过修正项对初始纵向路面附着系数进行修正，从而可以确定本调度周期的纵向路面附着系数。

可选地，所述根据所述初始纵向车速、所述初始纵向路面附着系数和所述轮胎模型确定纵向加速度包括：

基于所述轮胎模型，根据所述初始纵向车速和所述初始纵向路面附着系数确定轮胎力。

具体地，基于轮胎模型，可以通过初始纵向车速、轮速(需要用到轮速传感器)以及初始纵向路面附着系数获得纵向力。

其中，轮胎力指的是轮胎与道路之间的相互作用力，通常包括：

(1)垂直力(垂直载荷)：指轮胎受到的来自车辆重量的垂直力，即轮胎与道路之间的支持力，使车辆能够保持与道路的接触，防止打滑和提供悬挂效果。

(2)侧向力：指轮胎在转弯或改变方向时受到的横向力，使车辆能够绕弯道行驶，方向通常与车辆的运动方向垂直，用于控制车辆的转向。

(3)纵向力：指轮胎在加速和制动时产生的前后方向上的力，使车辆能够加速、减速和保持速度。

(4)滚动阻力：指轮胎在与道路接触时，由于轮胎弯曲和变形所产生的力；滚动阻力是车辆需要克服的力，以保持匀速行驶。

(5)抓地力：抓地力是指轮胎与道路之间的摩擦力，使车辆能够保持稳定的悬挂和避免打滑。

基于所述轮胎模型，根据所述轮胎力确定所述纵向加速度。

具体地，基于轮胎模型，可以根据轮胎力进一步确定车辆的纵向加速度。其中，轮胎模型应忽略轮胎饱和后轮胎力随滑移率下降的过程，可以保证纵向力和滑移率的单调关系，避免算法潜在的发散问题，保证计算的鲁棒性。

其中，轮胎模型是用于描述轮胎在不同工况下的行为和性能的数学模型，通常用于仿真和控制系统设计，以更好地预测车辆在不同道路条件下的运动和稳定性。

可选地，所述根据所述纵向加速度确定纵向加速度估计误差包括：

将所述纵向加速度与传感器测得的检测纵向加速度作差，以确定所述纵向加速度估计误差。

具体地，将传感器测得的检测纵向加速度与上述通过模型得到的纵向加速度作差，从而可以得到纵向加速度估计误差，该误差可以说明当前的估计结果偏大还是偏小，进而间接说明对车速以及纵向路面附着系数的估计偏差。

可选地，所述根据所述纵向加速度估计误差对所述初始纵向路面附着系数进行修正包括：

根据所述纵向加速度估计误差和自适应反馈增益系数确定纵向路面附着系数反馈修正项。

具体地，引入两个自适应反馈增益系数，一个用于修正初始纵向车速，另一个用于修正纵向路面附着系数，将纵向加速度估计误差分别作用于自适应反馈增益系数K1和K2，可以得到纵向车速反馈修正项和纵向路面附着系数反馈修正项。

其中，自适应反馈增益系数的设定可以考虑两种情况，一种是当前估计出的纵向加速度绝对值大于实际测量的纵向加速度，并且轮胎处于接近饱和的区域，此时可以给定一个反馈增益作用于侧向加速度误差，有助于避免过大的积分误差，当误差过大时可以迅速调整估算值，增大估算的响应和精度；其余情况下(低估侧向加速度或距离饱和区域较远时)，可以根据当前计算出的轮胎纵向力以及轮胎纵向力相对于纵向车速的偏导数确定自适应反馈增益系数，该增益系数在-1到0之间，轮胎力越接近0，增益系数越接近-1，轮胎力越接近饱和，增益系数越接近0,这样的设计有助于提高估算的精度并避免算法发散。

根据所述纵向路面附着系数反馈修正项对纵向路面附着系数变化率进行修正，并对修正后的纵向路面附着系数变化率进行积分，以确定本调度周期的所述第一纵向路面附着系数。

具体地，根据纵向路面附着系数反馈修正项对纵向路面附着系数变化率进行修正，并对修正后的纵向路面附着系数变化率进行积分，从而可以确定本调度周期的纵向路面附着系数μ

其中，此处应注意积分条件，并不是任何时候都可以对纵向路面附着系数变化率进行积分，只有当车辆表现出一定的纵向动态，积分才是有意义的。例如，可以将条件设定为纵向加速度大于0.8m/s

其中，与纵向路面附着系数μ

可选地，所述利用扩展卡尔曼滤波，根据所述初始侧向路面附着系数确定本调度周期的第二侧向路面附着系数包括：

获取上一调度周期的侧向车速作为初始侧向车速。

具体地，结合图2所示，在构造横向加速度观测器时，首先获取上一调度周期的侧向车速作为初始侧向车速。

根据所述初始侧向车速、所述初始侧向路面附着系数和所述轮胎模型确定侧向加速度。

具体地，与纵向加速度类似，此处不再赘述。

根据所述侧向加速度确定侧向加速度估计误差。

具体地，与纵向加速度类似，此处不再赘述。

根据所述侧向加速度估计误差对所述初始侧向车速进行修正，以确定本调度周期的最终侧向车速。

具体地，结合图2所示，根据轮胎侧向动态特性，即根据侧向加速度估计误差对初始侧向车速进行修正，获得侧向车速

根据所述侧向加速度估计误差对所述初始侧向路面附着系数进行修正，以确定本调度周期的中间侧向路面附着系数。

具体地，结合图2所示，根据轮胎侧向动态特性，即根据侧向加速度估计误差对初始侧向路面附着系数进行修正，获得侧向路面附着系数μ

根据所述最终侧向车速、所述中间侧向路面附着系数和横摆角速度构建扩展卡尔曼滤波观测器，根据所述扩展卡尔曼滤波观测器对所述中间侧向路面附着系数进行更新，以确定本调度周期的所述第二侧向路面附着系数。

具体地，结合图2所示，根据最终侧向车速

其中，结合图2所示，路面附着系数估计考虑了多个维度的信息，包括纵向轮胎特征、侧向轮胎特征、打滑工况、其它激活条件等，例如纵向特性激活条件(纵向车速)和横向特征激活条件(滑移率和纵向车速)等，综合横向、纵向动态特性、激活条件、极端工况，拓宽估算工况的同时使估算更加准确。其中，μ

可选地，所述根据所述扩展卡尔曼滤波观测器对所述中间侧向路面附着系数进行更新包括：

设置更新条件，其中，所述更新条件包括横摆角速度、纵向车速和前后轮侧偏角满足预设阈值。

具体地，在更新中间侧向路面附着系数得到第二侧向路面附着系数时，需要附加额外的条件，比如对于横摆角速度的限制，对纵向车速的限制，对于前后轮侧偏角的限制，否则不能更新中间侧向路面附着系数。

可选地，所述根据本调度周期的所述第一纵向路面附着系数、所述第一侧向路面附着系数、所述第二侧向路面附着系数和利用路面附着系数确定最终路面附着系数包括：

当车轮侧偏角超过预设侧偏角阈值并持续第一预设时间，且横摆角速度超过预设横摆角速度阈值时，激活侧向特征计算，其中，所述侧向特征计算包括：

若所述第一侧向路面附着系数和所述第二侧向路面附着系数的差值大于预设差值阈值，则将所述第二侧向路面附着系数和所述利用路面附着系数中的最大值作为所述最终路面附着系数，否则将所述第一侧向路面附着系数和所述第二侧向路面附着系数进行比较，将所述第一侧向路面附着系数和所述第二侧向路面附着系数中的最小值与所述利用路面附着系数进行比较，取最大值作为所述最终路面附着系数。

具体地，当车轮的侧偏角较大(例如超过2°)持续一段时间(例如3个计算周期)，且横摆角速度超过一定值(例如0.03rad/s)时，激活侧向特征计算。若μ

当车轮滑移率超过预设滑移率阈值并持续第二预设时间后，激活纵向特征计算，其中，所述激活纵向特征计算包括：

将所述第一纵向路面附着系数和所述利用路面附着系数中的最大值作为所述最终路面附着系数。

具体地，当车轮滑移率较大(如10％)持续一段时间(例如3个计算周期)后，激活纵向特征计算。可以将此前一段时间最大的利用路面附着系数μ

其中，当不满足以上任意条件时则维持上一次的路面附着系数估算结果，若不满足条件超过一定时间(例如1s)，则将路面附着系数逐渐收敛至1。

可选地，所述路面附着系数估算方法还包括：

根据纵向加速度和侧向加速度确定所述利用路面附着系数。

具体地，通过纵向和侧向加速度的几何平均值计算利用路面附着系数μ

本发明另一实施例提供一种路面附着系数估算系统，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上路面附着系数估算方法。

具体地，该系统可为计算机装置，并可设置于车辆上。

虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。