用于在车辆中确定道路特性的方法和系统
阅读：329发布：2023-01-25
专利汇可以提供用于在车辆中确定道路特性的方法和系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了一种用于在车辆中确定道路特性的方法，所述方法包括：获得沿x、y和z方向的车辆 加速 度；获得 齿条 力 ；获得用于所有四个 车轮 中每个的车轮速度；基于车轮速度确定车轮速度 能量 ；基于车轮的相应车轮速度确定所有四个车轮的车轮滑移；基于车辆加速度和车速确定沿x、y和z方向中每个的加速能量；基于检测的齿条力确定齿条力能量；并且基于车轮速度能量、齿条力能量和车速确定道路特性。还提供了执行所述方法的系统。，下面是用于在车辆中确定道路特性的方法和系统专利的具体信息内容。
1.一种用于在车辆中确定道路特性的方法，所述方法包括：
检测沿x、y和z方向的车辆加速度(102)；
检测齿条力(104)；
检测所有四个车轮中每个的车轮速度(106)；
基于所述车轮速度确定车轮速度能量(108)；
基于所述车轮的相应车轮速度确定所有四个车轮的车轮滑移(110)；
基于所述车辆加速度确定沿所述x、y和z方向中每个方向的加速能量(112)；
确定车速(116)；
基于所检测的齿条力确定齿条力能量(118)；并且
基于所述车轮速度能量、车轮滑移、加速能量、车速和齿条力能量确定道路特性(120)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定道路特性包括确定在适合频带中沿x、y和z方向的所述车辆加速度。
3.根据权利要求1或所述的方法，其中，所述车轮速度能量被确定为在适合频带中的单独车轮速度能量。
4.根据权利要求1或所述的方法，其中，所述车轮速度能量被确定为在适合频带中的总车轮速度能量。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的方法，其中，所述适合频带包括至少两个分开的、非重叠的子频带。
6.根据权利要求2-5任意一项所述的方法，其中，基于车速选择所述适合频带。
7.根据前述权利要求任意一项所述的方法，其中，确定道路特性进一步包括将车轮速度能量与预定阈值进行比较。
8.根据前述权利要求任意一项所述的方法，其中，确定道路特性包括将所述车轮滑移的幅度与预定阈值进行比较。
9.根据前述权利要求任意一项所述的方法，其中，确定道路特性包括观察所述车轮滑移的标记。
10.根据前述权利要求任意一项所述的方法，其中，确定道路特性包括将所述齿条力能量的幅度与预定阈值进行比较。
11.根据前述权利要求任意一项所述的方法，进一步包括基于所述齿条力的标记确定所述道路特性。
12.根据前述权利要求任意一项所述的方法，其中，基于动力转向系统中施加的力矩确定所述齿条力。
13.根据前述权利要求任意一项所述的方法，进一步包括通过以下确定路面分类：
-将所述车轮速度能量与至少一个阈值进行比较；
-将所述加速能量与至少一个阈值进行比较；
-将所述齿条力能量与至少一个阈值进行比较；并且
如果所述车轮速度能量、加速能量和齿条力能量中的至少一个超过至少一个所述阈值，则确定路面分类。
14.一种用于在车辆中确定道路特性的系统(300)，所述系统包括：
被构造为检测沿x、y和z方向的加速度的车辆加速度传感器(302)；
齿条力确定设备(304)；以及
用于所有四个车轮中每个的车轮速度传感器(306)；
确定单元(308)，所述确定单元被构造为：
基于所述车轮速度确定车轮速度能量；
基于所述车轮的相应车轮速度确定所有四个车轮的车轮滑移；
基于所述车辆加速度和所述车速确定沿所述x、y和z方向中每个方向的加速能量；
基于所检测的齿条力确定齿条力能量；并且
基于车轮速度能量、齿条力能量和车速确定道路特性。
15.根据权利要求14所述的系统，进一步包括被构造为确定作用于所述车辆的转向齿条上的力的动力转向系统。
用于在车辆中确定道路特性的方法和系统
技术领域
[0001] 本发明涉及在车辆中用于检测和分类路面粗糙性和干扰的方法和系统。
背景技术
[0004] 通过利用现有的车辆动态传感器连同软件和算法检测这种路面，车辆系统能弥补所述干扰并且提供更好的功能。例如能够向车辆悬架系统提供道路粗糙性信息。此外，有关道路干扰例如冻胀和坑洼的信息可能是养护工所关注的，以提高道路质量和避免事故。
[0006] 但是，仍然期望用于识别道路特性的改进系统和方法。
发明内容
[0008] 根据本发明的第一方面，提供了在车辆中用于确定道路特性的方法，所述方法包括：检测沿x、y和z方向的车辆加速度；检测齿条力(rack force)；检测用于所有四个车轮中每个的车轮速度；基于车轮速度确定车轮速度能量；基于车轮的相应车轮速度确定所有四个车轮的车轮滑移(wheel slip)；基于车辆加速度和车速确定沿x、y和z方向中每个的加速能量；基于检测的齿条力确定齿条力能量；并且基于车轮速度能量、齿条力能量和车速确定道路特性。
[0009] 本发明基于这样的认识：利用车辆中现有的传感器和设备通过组合来自车轮速度传感器、加速度传感器和齿条力传感器的信息获得道路特性的精确确定。特别地，利用有关齿条力的信息使得可能得到道路特性的更详细信息，在下文中将进一步详述。
[0010] 齿条力此处被限定为作用于车辆转向齿条上的力。因为齿条力提供有关作用于车辆转向轮上的力的信息，藉此可利用检测到的或确定的齿条力来得到路面特性。
[0011] 通过对取决于时间的输入信号进行积分得到用于确定道路特性的相应能量，其中输入信号可为时间连续的或时间离散的。典型地，移除静态能量水平。与如何基于各种输入信号确定信号能量相关的其它细节是信号处理领域众所周知的并且不再赘述。
[0012] 根据本发明的一个实施例，确定道路特性可进一步包括确定在适合频带中沿x、y和z方向的车辆加速度。车速增加可能导致获得的加速能量的频率增加。藉此，加速度的频带能够适应当前车速。实际上，频带的选择可被视为在确定加速能量之前(即积分之前)施加于加速度信号的带通滤波器。适合频带因而可与速度成比例从而更高的车速导致更高频率下的频带。
[0013] 此外，更高车速可能产生具有更高幅度的加速能量。因此，根据车速换算加速能量以利于在不同车速下检测不同类型的表面。还应当注意，车速与加速度幅度之间的关系可为线性或非线性的，并且可根据经验或分析地获得用于不同车速或速度区间的适宜定标因数或定标函数。
[0014] 根据本发明的一个实施例，车轮速度能量可被确定为适合频带中的单独车轮速度能量。通过单独确定用于各个车轮的车轮速度，可能识别仅影响四个车轮的子集合的路面特性，例如可能仅影响右或左侧车轮的洞或凸起。
[0015] 根据本发明的一个实施例，车轮速度能量可被确定为适合频带中的总车轮速度能量。通过确定总车轮速度能量，能够进行对影响车辆的所有车轮的路面特性的更精确确定。总车轮速度能量可被确定为单独能量的总和或平均能量。例如确定平均能量以减少所确定能量中外界因素的影响是有利的。
[0016] 根据本发明的一个实施例，适合频带可包括至少两个独立的子频带。通过选择研究能量的两个或更多独立的频带，有可能挑选出已知展示不同行为的不同路面特性。多个频带可以是重叠或非重叠的。此外，如前所述，在这种情况下不同的选择频带也可与车速相关，其中更高车速可产生最高频率的信号。各种频带和子频带可基于根据经验建立的用于各种已知类型路面的车辆行为预先确定。还可能基于车辆中例如识别新型路面的自学算法修改或调适频带或基于车辆的改变特性调适检测算法。
[0017] 根据本发明的一个实施例，确定道路特性可进一步包括将车轮速度能量与预定阈值进行比较。作为一般估计，车轮速度能量的幅度与道路粗糙性成正比。藉此，车轮速度能量与预定阈值的比较提供了有关总道路粗糙性的信息，其又可用于更详细地确定路面特性。车轮速度能量和/或阈值也可相对于车速成比例以更准确地确定用于不同车速的道路特性。
[0018] 根据本发明的一个实施例，确定道路特性可包括将车轮滑移的幅度与预定阈值进行比较。可单独确定用于四个车轮中每个的车轮滑移能量。以类似于如上所述车轮速度的方式，车轮滑移能量的幅度与道路粗糙性成正比并且能通过比较车轮滑移能量与预定幅值来获得道路特性。同样，车轮滑移能量可相对于车辆速度成比例。
[0019] 根据本发明的一个实施例，确定道路特性可包括观察车轮滑移的标记。通过观察所确定的车轮滑移的标记来识别车轮滑移的振荡。如果车轮滑移在预定时间框架内改变标记，则这可以是粗糙路面的标记。此外，车轮滑移的标记改变的频率可用于进一步确定道路特性。
[0020] 根据本发明的一个实施例，确定道路特性可包括将齿条力能量的幅度与预定阈值进行比较。此外，所述方法可进一步包括可基于齿条力的标记确定道路特性。在如上所述的至少一个适合能量带内确定齿条力能量，并且齿条力能量的幅度和标记能以类似的方式用于确定道路特性。
[0021] 根据本发明的一个实施例，可基于在动力转向系统中施加的力矩确定齿条力。在动力转向系统中，齿条力可被视为维持期望转向轮角度所需的力。藉此，齿条力能够源自于动力转向系统而无专用的齿条力传感器。但是，为了确定道路特性，也可通过位于转向齿条上的专用应变仪传感器或车辆转向柱上的力矩传感器确定齿条力。
[0022] 根据本发明的一个实施例，所述方法可进一步包括通过以下确定路面分类：
[0023] -将车轮速度能量与至少一个阈值进行比较；
[0024] -将加速能量与至少一个阈值进行比较；
[0025] -将齿条力能量与至少一个阈值进行比较；并且
[0026] 如果车轮速度能量、加速能量和齿条力能量中至少一个超过至少一个阈值，则确定路面分类。藉此，通过比较所确定的参数与预定阈值可定义不同路面分类的范围。路面分类例如可包括鹅卵石、砾石、雪、坑洼、凸起、崎岖不平等等，并且例如通过描述特定分类的严重性，不同的分类又可被分成更详细的副分类。
[0027] 如前所述，阈值可能与车速成比例，并且所研究能量的频带也可取决于车速。因此，根据阈值的组合能够预先确定不同分类的范围，使得能够轻易确定分类。
[0028] 根据本发明的第二方面，提供了用于在车辆中确定道路特性的系统，该系统包括：被构造为检测沿x、y和z方向的加速度的车辆加速度传感器；齿条力确定设备；以及用于所有四个车轮中每个的车轮速度传感器；确定单元被构造为：基于所述车轮速度确定车轮速度能量；基于所述车轮的相应车轮速度确定所有四个车轮的车轮滑移；基于所述车辆加速度和所述车速确定沿每个所述x、y和z方向的加速能量；基于检测到的齿条力确定齿条力能量；并且基于车轮速度能量、齿条力能量和车速确定道路特性。
[0029] 所述系统可在一定程度上利用车辆中也用于其它目的的传感器，例如防抱死制动系统(ABS)的车轮速度传感器。加速能量可利用现有的惯性测量单元(IMU)确定。确定单元可体现为普通的车辆电子控制单元(ECU)或用于确定道路特性的专用单元。
[0030] 根据本发明的一个实施例，所述系统可包括被构造为确定作用于所述车辆的转向齿条上的力的动力转向系统。在驾驶员保持转向角度恒定的情形下，齿条力能够源自于将转向轮维持在期望转向角度处所需的力矩。以类似的方式，当车辆转动时也可得到齿条力。
[0031] 本发明第二方面的附加效果和特征大部分类似于结合本发明第一方面如上所述的那些。
[0033] 现在将参照示出本发明示例实施例的附图更详细地描述本发明的这些及其它方面，其中：
[0034] 图1是描绘根据本发明一个实施例的方法的一般步骤的流程图；
[0035] 图2是包括根据本发明一个实施例的系统的车辆的示意图；
[0036] 图3是描绘根据本发明一个实施例的系统的示意性框图；
[0037] 图4是描绘根据本发明一个实施例的车辆的示例车轮速度能量的图形；
[0038] 图5是描绘根据本发明一个实施例的车辆的示例牵引力的图形；
[0039] 图6是描绘根据本发明一个实施例的车辆的示例加速能量的图形；
[0040] 图7是描绘根据本发明一个实施例的车辆的示例齿条力能量的图形；
[0041] 图8是描绘用于根据本发明一个实施例的车辆的示例路面指示的图形；
[0042] 图9示意性地示出根据本发明一个实施例的车辆的加速能量；
[0043] 图10示意性地示出根据本发明一个实施例的车辆的齿条力能量；并且.[0044] 图11示意性地描绘了根据本发明一个实施例的方法和系统。
具体实施方式
[0045] 在目前的详细说明中，将描述根据本发明的方法和系统的各种实施例。
[0046] 图1的流程图描绘根据本发明一个实施例用于确定道路特性的方法的一般步骤。
[0047] 首先，检测沿x、y和z方向的车辆加速度102、检测齿条力104和检测用于四个车轮中每个的车轮速度106。假定现成可用的方法用于检测或获得加速度、齿条力和车轮速度。
[0048] 接下来，基于车轮速度确定车轮速度能量108，基于车轮的相应车轮速度确定所有四个车轮的车轮滑移110，基于车辆加速度确定沿每个x、y和z方向的加速能量112，确定车速116，并且基于获得的齿条力确定齿条力能量118。
[0049] 在最后的步骤中，基于车轮速度能量、车轮滑移、加速能量、车速和齿条力能量确定道路特性120。
[0050] 图2示出根据本发明一个实施例的包括系统300的车辆200。所述车辆200包括至少一个转向轮202a，202b。转向轮202a，202b在此被示为车辆200的前轮。车辆200进一步包括后轮202c，202d。此外，车辆100包括可枢转地连接于联动臂206的轴齿条(axle rack)204，该联动臂连接于转向轮102a，102b，因此当轴齿条204受到导致轴齿条204平移运动的力时，联动臂206绕主销(kingpin)208旋转从而导致车轮202a，202b转动。
[0051] 车辆可设置有电子动力转向系统(EPS)，其包括将转动力矩施加于转向柱(未示出)的电动机，所述力矩又被传送至轴齿条204。作用于轴齿条204上的力因此能被视为齿条力。在车辆200的运转期间，通过EPS引导转向轮202a，202b的期望位置。如果例如由在粗糙路面上行驶导致的外力作用于转向轮202a，202b上，则施加的转动力矩可能不得不改变以补偿作用于车轮202a，202b上的外力。藉此，EPS能够基于施加的力矩向道路粗糙度确定单元提供齿条力的测量值。
[0052] 但是，应注意到也可以其它方式检测齿条力，例如使用安装在轴齿条204上的应变仪或安装在转向柱内的力矩表检测齿条力。
[0053] 图3示意性地示出车辆中根据本发明一个实施例的用于确定道路特性的系统。系统包括车辆加速度传感器302，在此体现为被构造为沿x、y和z方向检测车辆加速度的惯性测量单元(inertial measurement unit，简称IMU)。系统进一步包括齿条力确定设备，其形式为用于所有四个车轮中每个的动力转向系统304和车轮速度传感器306。车轮速度传感器306在此被示为防抱死制动系统(ABS)的一部分。典型地经由车辆的CAN-总线(CAN-bus)进行系统300中不同传感器与单元之间的通信。
[0054] 车速在此被示为通过IMU确定。但是，车速也可通过GPS单元获得或通过来自IMU和GPS的输入的组合获得。
[0055] 在道路粗糙度确定单元308中，通过积分所测得的时间相关信号上述参数被转换为能量。确定单元308被构造为基于相应的车轮速度确定每个车轮的车轮速度能量和车轮滑移，基于车辆加速度和车速确定沿x、y和z方向中的每个方向的加速能量，并且基于检测的齿条力确定齿条力能量。虽然确定单元308示意性地被示为单个单元，但确定单元可包括具有一个或多个微处理器等等的若干特定的或专用的电子单元。
[0056] 将车轮速度能量、车轮滑移、加速能量、齿条力能量和车速作为输入参数，藉此能确定道路特性。如果一个或多个观察的输入参数超过预定阈值，则能够识别特定的道路特性。
[0057] 在下文中，将进一步详述不同输入参数的处理和行为，并且将论述不同类型路面的示例。
[0058] 图4是示出当车辆从平滑路面过渡至粗糙路面时来源于车轮速度信号作为时间函数的能量的图形，其中过渡用虚线示出。可从ABS车轮速度传感器获得车轮速度信号。在当前示例中，粗糙路面是鹅卵石道路并且因而影响车辆的所有四个车轮。但是，即使图4的图形示出总车轮速度能量，也可能观察各个车轮速度能量以导出道路特性。此外，在适合的频带导出能量，其中典型地能在8-16Hz的频率下发现当前道路干扰。能够认为给定的频带覆盖所有车辆速度。频带主要涉及车辆悬架设备的共振频率。更重要地，能量随着车辆速度的增加而增加，要求用于准确地检测不同车辆速度下的干扰的定标因数。
[0059] 图5示意性地示出分别在粗糙路面和平滑路面上行驶20秒的车轮滑移vs标准化牵引力。车轮滑移源自于获得的车轮速度，并且车轮滑移振荡可用于确定路面的粗糙性。特别地，如果车轮滑移在预定时段内改变标记，或如果车轮滑移幅度超过预定阈值，则可认为道路是粗糙道路。在图5中，能够看出对于粗糙道路的车轮滑移的量更大，这是可以预期的。
[0060] 图6示意性地示出从平滑路面到达粗糙路面的车辆的作为时间函数的车辆加速能量，其中在图形中用虚线示出从平滑道路至粗糙道路的过渡。用于粗糙道路的加速能量显著大于用于平滑道路的加速能量，使得很容易识别过渡。图6示出沿z方向的加速度Az。但是，也可能观察沿x和/或y方向的加速度或x、y和z加速度的组合。
[0061] 图7示意性地示出从平滑路面到达粗糙路面的车辆的作为时间函数的齿条力能量，其中在图形中用虚线示出从平滑道路至粗糙道路的过渡。同样这种情况下，用于粗糙道路的能量显著大于用于平滑道路的能量，使得同样通过观察齿条力能量很容易识别过渡。
[0062] 在图8中，车轮速度能量和齿条力能量被组合以提供作为车辆速度Vx函数的道路粗糙性的测量值，示出鹅卵石道路和积雪道路两种情形。此外，示出可调节检测极限以显示用于确定路面是否应当被分类为粗糙或平滑的极限，其中示出的检测极限与车辆速度成比例。
[0063] 此外，由于针对不同类型路面和干扰所检测到的加速度信号的频率是不同的，因此当积分加速度信号时能够使用若干不同的频带即带通滤波器。因此，不同的检测极限能够用于在不同频率间隔下观察不同类型的表面和干扰。例如，来自在碎石路上行进车辆的加速度信号典型地具有比来自撞击坑洼车辆的加速度信号更高的频率。
[0064] 图4-8具有示出利用本发明系统和方法区分粗糙路面与平滑路面的不同方式。但是，更详细地对路面分类也是合乎需要的，例如通过检测粗糙路面的类型，即砾石、鹅卵石、崎岖不平等等类型的路面。
[0065] 当单独观察上述能量时，有时可能容易检测从一个道路类型到另一个的过渡即从平滑道路过渡为粗糙道路或反之亦然。但是，为了提供路面的绝对分类，观察组合的若干确定参数并且根据车辆速度换算能量是有利的。因此，通过组合不同的确定参数并且通过用对应于特定已知路面分类的不同组预定阈值与之比较，能够进行更详细的分类。
[0066] 例如可根据经验利用不同表面上的特定车辆类型根据测试获得预定阈值组。也可利用当在具有已知特性的表面上驾驶特定车辆类型采用的自学习算法获得或改善(refine)阈值。以类似的方式，也可获得用于车速和预定频带的换算参数。此外，不一定必须研究所有输入才能准确地确定和分类道路特性。因此，可基于车轮速度能量、车轮滑移、加速能量、车速和齿条力能量的任何选择的子集合确定和/或分类道路特性。
[0067] 除了如上所述检测不同类型的路面之外，也期望检测隔离干扰例如洞或凸起。通常地，期望检测出现的道路干扰包括坑洼和冻胀。
[0068] 图9示出当车辆行进经过四个坑洼时来自IMU的沿x(Ax)、y(Ay)和z(Az)的车辆加速能量。每个坑洼被两个车轮横过，其中介于接连坑洼之间的时间明显地大于前后车轮通过坑洼的时间。藉此，不能清楚区分前后车轮导致的反应，因为两个峰值一定程度上被噪音隐藏了。当仅观察加速能量时，很难确定干扰的精确性质。但是，通过及时在对应点处组合检测到的加速度与检测到的齿条力，齿条力的标记指示出干扰是洞还是凸起。此外，通过观察所有四个车轮的车轮速度和/或车轮滑移，能够确定干扰是否被车辆的左侧或右侧车轮横贯，藉此能更精确地确定干扰的位置。干扰的类型和位置的详细确定可例如用于道路养护或用于警告其它车辆例如自主或半自主车辆的车队。
[0069] 图10示意性地示出当在参照图9描述的四个干扰即四个坑洼上行驶时用于所有四个车轮的车轮速度能量(FL＝前左，FR＝前右，RL＝后左，RR＝后右)。在图形中可看出，由于车辆移动，后轮能量RR和RL及时地有些改变。此处，可看出仅车辆的右侧车轮FR和RR经历了干扰。因此，干扰位于车辆的右侧并且通过到目前为止观察检测到的齿条力标记(未示出)可确定干扰是道路中的洞。此外，能够观察前后轮经历干扰时其间的时间延迟并且与车速相关联以确信它是两个车轮经历的相同干扰。
[0071] 图11示意性地示出系统400和方法，其中与图3所示的系统和方法相比提供了附加输出。用于确定道路特性的系统和方法在此提供以下输出：
[0072] -道路粗糙性指示器
[0073] -检测到的粗糙道路
[0074] -道路分类类型
[0075] -道路分类置信度
[0076] -检测到的干扰
[0077] -干扰检测置信度
[0078] -干扰类型
[0079] 在此，“检测到的粗糙道路”可被视为说出是否检测到粗糙道路的布尔(Boolean)输出，而道路粗糙性指示是指示粗糙性程度的输出，即粗糙性的严重性测量值。
[0080] 通过提供道路分类和/或干扰分类的置信度测量值，例如可能进行分类，即使不是所有确定的参数都与阈值匹配。此外，置信度测量值能被用于确定对检测到的道路粗糙性或干扰的适当反应。
[0081] 除了用于涉及道路养护的道路分类的上述应用外，检测的道路特性也可用作车辆的不同主动系统的输入。在上述描述中，术语“道路”通常用于限定车辆所行进的表面。但是，所述系统和方法显然可用于确定带轮车辆所行进的表面的类型的特性。
[0082] 虽然已经参照其特定的例示实施例描述了本发明，很多不同的变化、改进等等对于本领域技术人员来说是显而易见的。同样应注意到，用于确定道路特性的方法和系统的部件可被省略、替换或以各种方式设置，但方法和系统仍然能够完成本发明的功能。
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