稳定摩托车的系统和方法技术方案

一种系统和方法利用摩托车的计算机仿真模型来预测稳定的摩托车在给定的速度和转向角下的操作状态。可以在每个时刻测量物理摩托车的操作状态并将其与模型的操作状态进行比较，以确定物理摩托车的操作状态是否以如下方式与仿真模型的操作状态不同，即：使得表明失去稳定性。该差异被用于通过应用制动器、调节发动机扭矩或施加扭矩以沿纠正方向促动转向系统而独立于驾驶员动作来干预摩托车的操作。通过将摩托车的物理响应与车载控制器中的计算机模型的物理响应进行比较，可以在一定的时间和强度下应用这些干预，以稳定摩托车并防止失去控制。

Systems and Methods of Stabilizing Motorcycles

A system and method uses the computer simulation model of motorcycle to predict the operation state of a stable motorcycle at a given speed and steering angle. The operating state of the physical motorcycle can be measured at each moment and compared with that of the model to determine whether the operating state of the physical motorcycle is different from that of the simulation model in the following way: making the indication of loss of stability. This difference is used to interfere with motorcycle operation independently of driver action by applying brakes, adjusting engine torque or applying torque to drive steering system in the correct direction. By comparing the physical response of the motorcycle with that of the computer model in the on-board controller, these interventions can be applied in a certain time and intensity to stabilize the motorcycle and prevent it from losing control.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】稳定摩托车的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2016年5月15日提交的美国临时申请序号62/336,702；以及2016年6月2日提交的美国临时申请序号62/344,733的优先权，上述申请通过引用整体地结合于本文中。
本专利技术涉及稳定摩托车的系统和方法，其中，计算机仿真模型预测摩托车的操作状态，所述系统和方法可以在摩托车的设计期间使用，和/或可以在摩托车的操作期间使用，以控制摩托车的操作并且为该摩托车提供稳定性控制。
技术介绍
乘用车/SUV的法律要求电子稳定控制（ESC，也称为ESP或DSC），以稳定转弯行为并减少涉及失控的事故。用于乘用车的ESC通常是与发动机功率降低相结合的自动制动系统，在该系统中，为每个车轮单独地控制制动，以便影响车辆的横摆（yawing）和横向运动。对于摩托车而言，当在高速和高转弯水平下操作时，摩托车可能变得不稳定。例如，它们可在后轮处表现出通常称为“迂回（weave）”的振荡。用于摩托车的ESC（也称为ASC/MSC）已经出现在市场上。这些已知的稳定性控制系统中的大多数仅利用防抱死制动系统（ABS）来操作，以控制油门减小和前/后制动分配，其中制动器仍然由骑手来应用。在没有骑手意图的情况下自动控制摩托车上的制动器是有风险的，其可能导致翻倒，或者换言之，导致倾覆。本专利技术的一个目的在于提供改进的稳定性控制系统和方法，其克服了与现有技术相关的缺点。更具体而言，本专利技术的系统和方法提出了一种用于在具有两个或更多个车轮的摩托车或其他类似车辆上主动地应用制动器的控制器方法，该方法可以在不损失安全性的情况下提高低摩擦条件下的稳定性。众所周知，摩托车具有迂回、摆动和颤动的振动模式。迂回通常是2.5-4Hz附近的轻微阻尼振动，其在高速（>180km/h）下在高摩擦表面上变得不稳定。在低摩擦条件下，迂回在中等速度下，特别是在稳定转弯期间变得不稳定。本专利技术的ESC系统和方法预测横摆率（或横摆角速率，yawrate），并且当发生振荡时并且仅在实际横摆率小于预测速率的振动部分中应用前制动器和后制动器二者。控制器使用MATLAB/Simulink软件利用例如BikeSim®之类的高保真、多体的摩托车动力学模型来设计，所述BikeSim®由本专利技术的受让人销售。该软件提供了用于评估摩托车在极端非线性条件下的性能的时域仿真环境。此外，线性化的控制器和摩托车模型（BikeSim-Linear）还被用于检查根轨迹上的速度变化的稳定性。在一个示例中，在以145km/h的速度骑行并且需要大约30度的倾斜的情况下，对于304.8m的恒定半径弯道、50%的道路摩擦，控制器可被用于预测与来自充分详细的多体仿真的横摆率叠加的横摆率以及前制动压力和后制动压力。控制器基于车辆的速度（纵向和横向）、侧倾角和转向来预测横摆率。内部控制器模型仅包括几个车辆属性，例如重量、CG位置、轴距等。如可在图中示出的，控制器优选地仅在实际横摆率（其将直接在物理系统中测量）小于预测横摆率时应用制动器。在一种情况下，没有本专利技术的ESC的摩托车在迂回运动建立不稳定的结论后摔倒，而使用本专利技术的系统的摩托车将保持直立，这是因为在全部速度范围中本专利技术的ESC使迂回模式稳定，尽管在某些条件下摆动可能变得稍微不稳定。本文所描述的本专利技术利用2轮或3轮摩托车或类似车辆的高保真计算机仿真模型来预测在给定的速度和转向角下的稳定摩托车的操作状态，例如横摆率、横向加速度和侧倾角等。出于本公开的目的，术语“摩托车”用于解释的目的，但是将会理解的是，本专利技术及其对摩托车的引用也将涵盖其他两轮或三轮的车辆。根据本专利技术，可以在每个时刻测量物理摩托车的操作状态并将其与模型的操作状态进行比较，以确定物理摩托车的操作状态是否以如下方式与仿真模型的操作状态不同，即：使得表明失去稳定性。然后，该差异的性质可被用于通过应用制动器、调节发动机扭矩或施加扭矩以沿纠正方向促动转向系统而独立于驾驶员的动作来干预摩托车的操作。因此，通过将摩托车的物理响应与车载控制器中的计算机模型的物理响应进行比较，可以在一定时间和强度下应用这些干预，以稳定摩托车并防止失去控制。在阅读下面的说明书并检查附图后，本专利技术的其他目的和意图以及本专利技术的变型将是显而易见的。附图说明图1示出了在50%低摩擦转弯时在145km/h的速度下车辆的横摆率（实际和预测）和施加的制动压力以及在有稳定性控制和无稳定性控制之间的动画比较。图2示出了对于具有速度变化（30-200km/h）的50%低摩擦表面上的稳定转动运动的小扰动的来自BikeSim-Linear模型（有和没有ESC）的根轨迹图。图3是示出了三种振动模式的波特图（bodeplot）。图4示出了图3的三种振动模式的速度变化的根轨迹。图5示出了复平面上的特征值与摩托车振动的时间响应之间的关系。图6是左侧示图的放大视图，其示出了图5中所示位置处的转向角，以及图5的两个位置的横摆率。图7是右侧示图的放大视图，其示出了图5中两个位置处的转向角以及图5中所见位置的横摆率。图8示出了对于30-200km/h的速度范围在直线行驶的情况下具有道路Mu（摩擦）变化的速度变化的特征值。图9示出了（例如在转弯时）在15度的摩托车底盘的倾斜角的情况下的特征值。图10示出了在30度的更高倾斜角的情况下的摩托车行驶。图11示出了对于在弯道中转弯的摩托车在没有稳定性控制的情况下的测试操纵的示例。图12是示出了随着摩托车遇到弯道的减小的Mu部分摩托车的横摆率的仿真结果的示图。图13图示了用于车辆的稳定性控制设计。图14以图解的方式图示了制动控制器的一个示例。图15是当车辆设有稳定性控制时的测试操纵的示例。图16是当稳定性控制被激活以稳定车辆时图15的示图的放大部分。图17示出了无控制的情况下的特征值。图18示出了具有本专利技术的稳定性控制的特征值，在所述本专利技术的稳定性控制中，仅当实际横摆率小于预测横摆率时才应用制动器。图19示出了具有在外部阶段（outerphase）期间施加的制动压力（即，当实际横摆率超过预测横摆率时应用制动器）的特征值。特定术语将在下面的描述中仅为了方便和参考而使用，并且将不是限制性的。例如，用语“向上”、“向下”、“向右”和“向左”将表示所参考的附图中的方向。用语“向内”和“向外”将相应地表示朝向和远离布置结构的几何中心及其指定部分的方向。所述术语将包括具体提及的用语、其衍生词以及类似含义的用语。具体实施方式参照图1和图2，本专利技术的系统和方法优选地结合了一种用于在具有两个或更多个车轮的摩托车或其他类似车辆上主动地应用制动器的控制器方法，该方法可以在低摩擦条件下提高稳定性而不损失安全性和稳定性。如本文所公开的，典型的摩托车或其他类似车辆可具有迂回、摆动和颤动的振动模式。一般而言，迂回通常是2.5-4Hz附近的轻微阻尼振动，其在高速（>180km/h）下在高摩擦表面上变得不稳定。在低摩擦条件下，迂回在中等速度下，特别是在稳定转弯期间变得不稳定。如本文进一步公开的，本专利技术的ESC系统和方法一般预测横摆率，并且优选地在发生振荡时应用前制动器和/或后制动器，并且优选地仅在实际横摆率小于预测速率的振动部分中应用前制动器和/或后制动器。控制器使用MATLAB/Simulink软件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在公路上或非公路行驶时稳定2轮或更多轮的摩托车的方法，所述方法包括以下步骤：测量物理摩托车的动态操作状态，所述动态操作状态通过所述物理摩托车的横摆率、横向加速度、侧倾角、油门位置、制动压力、转向角、车轮速度或者指示所述物理摩托车的动态状态的任何其他物理参数来表示；计算车载控制器中的高保真计算机仿真模型的动态响应，所述计算机仿真模型以与在所述物理摩托车上测量到的相同的速度和转向角条件来操作；通过将所述物理摩托车的瞬时操作状态与指示稳定操作状态的所述计算机仿真模型进行比较，持续地评估所述物理摩托车的稳定性；通过干预步骤中的一个或多个而独立于驾驶员动作来干预所述摩托车的操作，所述干预步骤包括：选择性地应用前制动器和/或后制动器；协调制动器应用与防抱死制动系统的操作；调节驱动轮上的发动机扭矩；与牵引力控制系统协调；或者对转向系统施加扭矩。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.15 US 62/336702;2016.06.02 US 62/3447331.一种在公路上或非公路行驶时稳定2轮或更多轮的摩托车的方法，所述方法包括以下步骤：测量物理摩托车的动态操作状态，所述动态操作状态通过所述物理摩托车的横摆率、横向加速度、侧倾角、油门位置、制动压力、转向角、车轮速度或者指示所述物理摩托车的动态状态的任何其他物理参数来表示；计算车载控制器中的高保真计算机仿真模型的动态响应，所述计算机仿真模型以与在所述物理摩托车上测量到的相同的速度和转向角条件来操作；通过将所述物理摩托车的瞬时操作状态与指示稳定操作状态的所述计算机仿真模型进行比较，持续地评估所述物理摩托车的稳定性；通过干预步骤中的一个或多个而独立于驾驶员动作来干预所述摩托车的操作，所述干预步骤包括：选择性地应用前制动器和/或后制动器；协调制动器应用与防抱死制动系统的操作；调节驱动轮上的发动机扭矩；与牵引力控制系统协调；或者对转向系统施加扭矩。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摩托车的瞬时横摆率与计算机模型的瞬时横摆率进行比较，并且所述前制动器和/或所述后制动器以与所述横摆率的差异同步的时间和强度来应用，使得所述差异减小。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摩托车的瞬时横向加速度与计算机模型的瞬时横向加速度进行比较，并且所述前制动器和/或所述后制动器以与所述横向加速度的差异同步的时间和强度来应用，使得所述差异减小。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摩托车的瞬时横摆率与计算机模型的瞬时横摆率进行比较，并且所述发动机扭矩以与所述横摆率的差异同步的时间和强度来调节，使得所述差异减小。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摩托车的瞬时横向加速度与计算机模型的瞬时横向加速度进行比较，并且所述发动机扭矩以与所述横向加速度的差异同步的时间和强度来调节，使得所述差异减小。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摩托车的瞬时侧倾角与计算机模型的瞬时侧倾角进行比较，并且所述前制动器和/或所述后制动器以与所述侧倾角的差异同步的时间和强度来应用，使得所述差异减小。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摩托车的瞬时侧倾角与计算机模型的瞬时侧倾角进行比较，并且所述发动机扭矩以与所述侧倾角的差异同步的时间和强度来调节，使得所述差异减小。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了估计路面的摩擦系数的目的，所述摩托车的瞬时状态与计算机模型进行比较，以便调整制动器和/或发动机和/或转向干预的时间和强度，以补偿摩擦水平的差异。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了估计轮胎摩擦属性的目的，所述摩托车的瞬时状态与计算机模型进行比较，以便调整制动器和/或发动机和/或转向干预的时间和强度，以补偿轮胎属性的差异。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了估计所述摩托车上承载的重量的目的，所述摩托车的瞬时状态与计算机模型进行比较，以便调整制动器和/或发动机和/或转向干预的时间和强度，以补偿轮胎负荷的差异。11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了估计所述摩托车上的驾驶员位置的目的，所述摩托车的瞬时状态与计算机模型进行比较，以便调整制动器和/或发动机和/或转向干预的时间和强度，以补偿轮胎负荷的差异。12.一种稳定2轮或更多轮的摩托车的稳定性控制系统，所述系统包括改进，其中：所述摩托车包...

【专利技术属性】
技术研发人员：渡辺雪弥，迈克尔·塞耶斯，
申请(专利权)人：机械模拟公司，
类型：发明
国别省市：美国,US