СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ДРИФТА КОЛЕС АВТОМОБИЛЯ
METHOD FOR DETERMINATION OF ANGULAR SPEED OF VEHICLE WHEELS DRIFTING

Изобретение относится к автомобилестроению, в частности, к способам активной безопасности транспортных средств, состоящих в определении угловой скорости дрифта колес автомобиля и для управления тормозами автомобиля для стабилизации угловой скорости дрифта на нулевом уровне.
Известны способ и система для его осуществления, служащие для контроля за поворотом транспортного средства, имеющего по меньшей мере одно колесо, которое включает в себя, по меньшей мере, одно сенсорное устройство, установленное в колесе, которое обнаруживает по меньшей мере одну переменную колеса во время поворота транспортного средства и выдает сигнал, представляющий по меньшей мере одну переменную колеса, и дополнительно включает в себя оценочное устройство, которое обрабатывает по меньшей мере один сигнал и определяющее по меньшей мере, одно предельное значение угла поворота в соответствии с результатом обработки. Сенсорное устройство представляет собой датчик силы колеса, которое обнаруживает, по меньшей мере, одну составляющую силы колеса, действующую, по существу, между поверхностью дороги и зоной контакта колеса (см. опубликованную заявку США US 2003093208 А1, заявители HESSMERT ULRICH, BRACHERT JOST, SAUTER THOMAS, WANDEL HELMUT, POLZIN NORBERT, опубл. 15.05.2003).
Недостатком способа и системы является необходимость оснащения колеса дополнительным датчиком силы в зоне контакта колеса с поверхностью дороги, что ограничивает область применения способа и системы.
Известны способ и система прогнозирования устойчивости рыскания транспортного средства, включающего в себя следующие этапы: начало моделирования, начиная с измеренного состояния транспортного средства в этот конкретный момент времени; получение информации о предстоящей поездке в течение заранее определенного периода времени; моделирование движения транспортного средства по будущему пути в течение предопределенного периода времени; вычисление одного или нескольких индикаторов прогнозируемой устойчивости рыскания транспортных средств во время имитируемого движения вдоль будущего пути в течение предопределенного периода времени; оценка расчетных показателей для определения того, потеряет ли транспортное средство контроль; и, если будет установлено, что транспортное средство потеряет контроль, происходит сигнализирование об этом системе устойчивости бортовой системы рыскания, (см. патент Европейского патентного ведомства ЕР 2261093 А1 заявители FORD GLOBAL TECHNOLOGIES, LLC и VOLVO CAR CORPORATION, опубл. 15.12.2010).
Недостатком способа и системы является необходимость накопления, хранения и использования дополнительной информации для моделирования пути вдоль будущей траектории движения автомобиля, что сопровождается усложнением системы.
Известен способ и устройство стабилизации угла поворота транспортного средства, основанные на использовании по меньшей мере одной управляемой передней оси и/или дополнительной оси с автоматически изменяемым углом поворота. Дополнительная стабилизация движения достигается путем регулировки измененного угла поворота управляемой передней оси и/или дополнительной оси учитывая наклон транспортного средства, распознаваемого через устройство контроля наклона, при превышении предельного наклона, в дополнение к этому определяется величина замедления транспортного средства для уменьшения этой тенденции наклона. Это противодействует заносу или сносу транспортного средства. Помимо этого, дополнительная стабилизация движения достигается путем определения направления движения в точке контакта с колесом основной оси колеса дополнительной оси на управляемой дополнительной оси относительно продольной оси транспортного средства и регулировки угла поворота управляемой дополнительной оси на ней, чтобы уменьшить угол дрейфа колеса дополнительной оси относительно его направления движения (см. патент США №US 9187121 В2, заявители GERECKE MARC; KOPPER HEIKO; MICHAELSEN ARNE; WABCO GMBH, опубл. 17.11.2015).
Недостатком способа и устройства является автоматическое управление углом поворота управляемой передней или дополнительной оси без учета окружающей обстановки, что создает предпосылки к столкновениям с препятствиями.
Известен способ, в котором регистрируют импульсы от датчиков частот вращения колес и подают их на вход блока обработки информации. По значениям частот вращения колес определяют в реальном времени значения физических переменных, характеризующих состояние автомобиля, и граничные значения физических переменных. На выходе блока обработки информации формируют сигнал с информацией о приближении физических переменных, характеризующих состояние автомобиля, к граничным значениям или их превышении. В зависимости от значений физических переменных и граничных значений физических переменных, характеризующих состояние автомобиля, формируют сигнал с управляющим действием, предотвращающим столкновения автомобиля с препятствиями (см. Патент РФ №2335805, заявители БУЗНИКОВ СЕРГЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ и ЕЛКИН ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ, опубл. 10.10.2008).
Недостатком данной системы является недостаточно широкий вектор измеряемых координат состояния автомобиля, и в частности, угловой скорости дрифта колес.
Наиболее близким по технической сущности является устройство оценки позиции и угла пространственной ориентации транспортного средства. Устройство задает текущий диапазон распределения частиц как предварительно определенный диапазон с помощью фильтра. А также рассеивает частицы в заданном текущем диапазоне распределения, чтобы оценивать позицию и угол пространственной ориентации транспортного средства с помощью изображения. Камера смонтирована на транспортном средстве. Транспортное средство имеет передние колеса и задние колеса, перемещается в направлении спереди назад и выполняет поворот в направлении ширины транспортного средства. Устройство также содержит модуль определения скорости транспортного средства и модуль задания текущего диапазона распределения частиц. Модуль задания текущего диапазона распределения частиц выполнен с возможностью расширения текущего диапазона распределения, когда скорость транспортного средства становится высокой. Достигается повышение точности оценки позиции и угла пространственной ориентации транспортного средства, (см. Патент РФ №RU 2626424 С1, заявитель НИССАН МОТОР КО., ЛТД., опубл. 27.07.2017).
Недостатком данного способа является сложность технической реализации программно-аппаратных средств для расчета параметров движения автомобиля методами визуальной одометрии и ограниченные возможности видеокамеры при работе в условиях темноты, осадков, тумана, пылевых бурь и т.д., что затрудняет практическое использование в реальных условиях эксплуатации транспортных средств.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в косвенных измерениях, прогнозировании и предотвращении дрифта колес автомобиля.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе определения угловой скорости дрифта колес автомобиля, при котором регистрируют и обрабатывают сигналы, по меньшей мере, одного из колес по каждому борту, формируемые импульсными датчиками сигналы о частотах вращения колес автомобиля, передают их через линии сопряжения в блок обработки информации, в котором определяют значения физических переменных движения автомобиля и сравнивают их с граничными значениями, характеризующими критическое состояние автомобиля, и формируют на выходе блока обработки информации управляющие сигналы и передают их на устройство вывода графической информации и/или на индикаторы опасных состояний для информирования водителя, который определяет и формирует дальнейшие действия по управлению автомобилем, отличающийся тем, что в блоке обработки информации в режиме реального времени на основании формируемых импульсными датчиками сигналов о частотах вращения колес автомобиля и скорости их изменения вычисляют продольную скорость движения центра масс автомобиля, средний угол поворота управляемых колес, а также на основании сигналов о частотах вращения колес и настроечных параметров с помощью микроконтроллера с программным обеспечением вычисляют знак и величину угловой скорости дрифта, как величину скорости заноса задних колес и/или сноса передних, и формируют управляющие воздействия на устройство вывода графической информации для информирования водителя о приближении к границам критического режима возникновения дрифта колес.
Действия и математические вычисления проводят с помощью микроконтроллера с соответствующим программным обеспечением, позволяющим реализовать последовательность действий способа, описанную в алгоритме, показанную на Фиг. 1.
Технические результаты состоят в динамической стабилизации безопасной скорости автомобиля на виражах, за счет чего предотвращается снос передних и занос задних колес (дрифт) автомобиля и в упрощении используемых средств для получения информации о динамическом состоянии автомобиля и соответственно в повышении надежности безопасной работы на нем из-за простоты конструкции. Упрощение конструкции приводит к низкой стоимости технических средств, используемых в ней, и низкому энергопотреблению, обусловленным отсутствием введения дополнительных физических датчиков первичной информации, необходимых для решения задачи. Минимальная работоспособная конфигурация датчиков частот вращения колес достигается в случае наличия хотя бы одного датчика по каждому борту автомобиля. Предложенный способ дает возможность достоверного прогнозирования дрифта колес автомобиля до возникновения этих событий.
Заявленное изобретение поясняется рисунками.
На фиг. 1 представлен алгоритм определения угловой скорости дрифта колес автомобиля;
На фиг. 2 представлена расчетная кинематическая схема движения легкового автомобиля на вираже;
На фиг. 3 представлены экспериментальные временные диаграммы основных параметров движения автомобиля при движении на вираже.
Фиг. 1 содержит вычислительные блоки определения угловой скорости дрифта колес автомобиля, реализующие следующие действия способа:
1 - ввод данных о частотах вращения колес;
2 - вычисление продольных скоростей вращения колес;
3 - вычисление продольной скорости центра масс и разности скоростей вращения пар колес;
4 - вычисление угла поворота управляемых колес;
5 - вычисление граничных скоростей сноса, заноса колес автомобиля;
6 - вычисление граничных значений углов поворота управляемых колес;
7 - вычисление угловой частоты дрифта колес;
8 - индикация опасных состояний;
9 - вывод данных водителю для управления торможением.
Способ определения угловой скорости дрифта колес автомобиля осуществляется следующим образом.
Сигналы, формируемые импульсными датчиками частот вращения колес автомобиля, регистрируют и передают их через блок сопряжения в блок обработки информации.
В блоке обработки информации определяют значения физических переменных и сравнивают с истинными значениями, характеризующими критическое состояние автомобиля. А именно, в блоке обработки информации в реальном времени формируют оценки скорости центра масс, угла поворота управляемых колес, скоростей продольных скольжений колес, топовых значений коэффициентов трения скольжения колес, а также граничных значений скоростей сноса передних, заноса задних колес, граничных значений углов поворота управляемых колес, соответствующих сносу передних и заносу задних колес, и оценки угловой скорости дрифта колес автомобиля. Далее на основании сигналов о частотах вращения колес, и настроечных параметров с помощью микроконтроллера с программным обеспечением формируют на выходе блока обработки информации управляющие сигналы, передаваемые на устройство вывода графической информации и/или индикаторы опасных состояний для передачи водителю информации о физических параметрах, характеризующих состояние автомобиля, а также о приближении или превышении граничных значений скоростей дрифта колес, в этом случае дополнительно активируют, по крайней мере, одно средство индикации опасных состояний для привлечения внимания водителя.
m
i
В качестве возможной реализации математической модели косвенных измерений угловой скорости дрифта колес автомобиля Δω используется система уравнений линейных скоростей вращения колес V 1≤i≤4 на вираже (см. Фиг. 2):
m
где Δω - угловая скорость дрифта колес автомобиля;
Si
ΔV - скорость продольного скольжения i-го колеса (1≤i≤4).
На фиг. 2 приняты следующие обозначения:
b - колесная база автомобиля;
1
2
Ψ и Ψ - углы поворота соответственно 1 -го и 2-го управляемых колес;
c
Ψ - средний угол поворота управляемых колес;
a
a
1
2
и  - размеры колеи передних и задних колес;
i
V - линейная скорость вращения i-го колеса (1≤i≤4);
i
R - радиусы поворота соответствующих колес;
m
R - радиус поворота продольного движения центра масс
m
V - линейная скорость продольного движения центра масс;
R
Ψ - угол рысканья;
b* - расстояние от центра масс до задней оси автомобиля;
m
ω - угловая скорость вращения центра масс автомобиля на вираже при движении без дрифта колес.
m
Дифференциальное уравнение курсового угла Ψ:
где  - скорость изменения курсового угла.
Решение (2) с учетом формулы Эйлера  и в дискретном времени приводится к виду:
m
Приращение курсового угла ΔΨ(k) на k-ом шаге составляет:
m
c
m
m
c
m
В случае заноса задних колес ΔΨ совпадает по знаку с Ψ при V>0, что приводит к увеличению модуля приращения курсового угла. В случае сноса передних колес Δω имеет противоположный знак Ψ, что уменьшает модуль приращения курсового угла. Дополнительное вращение (дрифт) с частотой Δω происходит вокруг центра оси передних колес при заносе и относительно центра задних колес при сносе.
Причиной дрифта колес автомобиля является превышение центробежной силы, действующей на колеса передней и задней осей, сил трения скольжения соответствующих пар колес в пятне контакта шины с покрытием в поперечном направлении.
i
ci
Оценки  формируются по данным измерений частот вращения колес ω(k) и настроечных данных свободных радиусов R(k) колес.
a
a
a
a
1
2
m
Решение некорректной задачи определения оценок  и  (1≤i≤4) по известным оценкам  настроечным параметрам b, ≈, ≈ при Δω=0 приведено в алгоритме определенных параметров движения автомобиля (Свидетельство об государственной регистрации программы для ЭВМ №2009616286. ИНКА-СПОРТ Версия 2.0 /Бузников С.Е., Елкин Д.С. // Роспатент, 2009).
Система уравнений скоростей вращения колес автомобиля на вираже, содержит 4 уравнения с 7-ю неизвестными, а задача их определения относится к некорректным.
Для преобразования задачи к корректной, вводится группа доопределяющих условий, характеризующих свойства объекта.
a
m
Si
Так, в частности, для объекта характерно, что положительные скольжения колес на горизонтальной поверхности возможны только при разгонах, а отрицательные только при замедлениях, что соответствует согласованности знаков  и ΔV (1≤i≤4):
a
m
Продольное ускорение центра масс  ограничивается максимальными силами трения скольжения колес, что соответствует системе ограничений:
- нижняя граница ускорения центра масс при торможениях,
- верхняя граница ускорения центра масс при разгонах.
m
Величина и знак угловой частоты дрифта колес Δω зависит от соотношения центробежной силы и силы трения скольжения колес поперечного направления для колес передней и задней оси и сводится к следующему условию:
гр1
гр2
где граничные скорости сноса и заноса колес V и V определяются из условий равенства сил трения скольжения соответствующих передних и задних колес половине центробежной силы:
12
1
2
0
34
3
4
0
1
2
3
4
0
-1
-1
где m=(m+m)m; m=(m+m)m - относительные распределения масс на переднюю (m+m) и заднюю (m+m) оси к общей массе m;
d
R - динамический радиус колес;
a
dT
- тягово-тормозное ускорение;
sq
k - значение коэффициента трения скольжения колес в поперечном направлении;
g - ускорение свободного падения.
i
j
Полусуммы V и V разных бортов в соответствии с (1) составляют:
Введем понятие ошибки на k-ом шаге вычислений:
ij
2imj
m
m
m
Si
Sj
E(k)=V(k)-V(k-1)=V(k)-V(k-1)+0.5[ΔV(k)+ΔV (k)].
m
m
m
Учитывая, что V(k)-V(k-1)=α(k)ΔT, получим
a
m
Si
Sj
Eij(k)=(k)ΔT+0.5[ΔV (k)+ΔV(k)].
С учетом 1-го доопределяющего свойства объекта (5), получим, что модуль суммы слагаемых равен сумме модулей при условии одинаковых знаков слагаемых.
j
m
Si
Sj
a
Следовательно, |Ei(k)|=|(k)|ΔТ+0.5|[ΔV(k)+ ΔV(k)]|.
ij
Минимизация |E(k)| на множестве четырех пар колес разных бортов позволяет определить индексы колес пары i, j, для которой модуль суммы скоростей продольных скольжений колес является минимальным из числа возможных.
2m
m
Si
Sj
Оценка скорости центра масс V(k)=V(k)+0.5[ΔV(k)+ΔV(k)].
Если оценка продольного ускорения
2m
2m
a
удовлетворяет ограничениям 2-го доопределяющего условия (6), то оценки продольных скорости и ускорения центра масс принимаются равными V(k) и (k).
m
В противном случае, оценки продольного ускорения принимаются равными граничным и величина V(k) вычисляется по уравнениям модели движения.
В общем случае, оценка скорости центра масс равна:
ij
i
j
Для пары колес разных бортов разность ΔV=V-V равна:
c
Значение среднего угла поворота управляемых колес Ψ определяется из уравнения (11) в виде:
Si
Sj
m
с
Величины скоростей продольных скольжений колес ΔV, ΔV и угловой частоты дрифта Δω не доступны для измерений, поэтому для определения угла Ψ используется его оценка, содержащая первое слагаемое правой части уравнения (12), а именно
c
Сопоставление уравнения оценки  и уравнения (12) для Ψ позволяет представить оценку  в виде:
Si
Sj
При условии равенства скоростей продольных скольжений колес ΔV=ΔV получим, что:
m
Решение уравнения (14) относительно Δω запишется в виде:
c
c
гр
гр
гр1
гр2
Однако, собственное значение Ψ является неизвестным и для его оценки используется граничное значение среднего угла поворота управляемых колес для случая |Ψ|≥|Ψ|, где |Ψ|=min[|Ψ|, |Ψ|] используется замена
Соответственно, модули граничных значений средних углов поворота управляемых колес, превышение которых сопровождается сносом и/или заносом колес автомобиля, определяются из (8) в виде:
гр1
гр2
гp1
гр2
Граничные скорости и V и V модули граничных углов |Ψ| и |Ψ| обладают свойством:
которое следует из уравнений (8) и (16).
С учетом 3-го доопределяющего свойства (7) оценка угловой частоты дрифта колес определяется из уравнения (15) в виде:
m
гp1
гр2
m
э
Прогнозирование возникновения дрифта колес (Δω≠0) автомобиля выполняется путем экстраполяции граничных скоростей V, V, и V на время τ и проверяется выполнение неравенства:
где ;
;
;
В случае, если неравенство (19) выполняется, активируется индикатор опасных состояний в блоке ввода и отображения информации и могут формироваться сигналы управления торможением для снижения скорости центра масс.
sq
Для определения значений коэффициента трения скольжения колес в поперечном направлении k используется свойство круга Камма:
Sdi
Sqi
где k и k - коэффициенты трения скольжения i-го колеса в продольном и поперечным направлениях соответственно;
- топовое (максимальное) значение коэффициента трения скольжения i-го колеса.
Sqi
Значение k, определяемое из (20) равно:
Sdi
Значения k определяются в соответствии с третьим законом Ньютона из уравнения равновесия тягово-тормозных сил и сил трения скольжения: тягово-тормозная сила Fi уравновешивается силой трения скольжения
Si
Ni
Sdi
F=F⋅k, где
Ni
F - нормальная составляющая динамической нагрузки на i-oe колеса.
Sdi
Модуль |k| определяется из уравнения равновесия сил:
При малых по модулю тягово-тормозных силах согласно (21) коэффициент трения скольжения i-го колеса в поперечном направлении получаем .
i
Sdi
Идентификация  выполняется с использованием программного обеспечения в процессе движения автомобиля (Свидетельство об государственной регистрации программ для ЭВМ №2007610818 «Идентификация максимальных значений коэффициентов трения скольжения колес автомобиля» / Бузников С.Е., Елкин Д.С. // Роспатент, 2007). Входными данными для решения этой задачи являются измеряемые скольжения S колес и текущие значения коэффициентов трения скольжения колес в продольном направлении k.
Для шин одной модели для однородной поверхности
Описанная последовательность действий способа и используемое для его реализации минимальное число технических средств позволяет достичь следующих технических преимуществ над известными способами:
- возможности прогнозирования дрифта колес автомобиля до возникновения этих событий;
- низкой стоимости технических средств, обусловленной отсутствием необходимости введения дополнительных физических датчиков первичной информации, необходимых для решения задачи;
- возможности функционирования в минимальной конфигурации датчиков частот вращения колес в случае наличия хотя бы одного датчика частоты вращения колеса по каждому борту автомобиля;
- снижения энергопотребления, обусловленного отсутствием дополнительных датчиков информации и возможности использования энергетически самодостаточных типов датчиков, например, магнитно-индукционных;
- более высокой эксплуатационной надежности, обусловленной минимальной конфигурацией используемых технических средств и их энергетической самодостаточностью, в частности, датчиков первичной информации частот вращения колес;
- возможности расчетного прогнозирования измеряемых физических переменных и их динамических границ для использования данных в системе объективного контроля для их анализа и установления причин ДТП.