CN101405171B - 用于确定摩托车的侧倾角的器械和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定在道路上转弯或转向时摩托车(1)的侧倾角的器械。这种器械包括：第一回转传感器(11)，该第一回转传感器(11)提供侧倾速率信号；第二回转传感器(12)，该第二回转传感器(12)产生提供偏航速率信号；以及速度传感器(36)。将这种器械构造成求这种侧倾速率信号的积分以获得第一中间侧倾角值，并且从该偏航速率和该车辆速度确定第二中间侧倾角值。这种器械将这两种中间侧倾角值结合成用于这种侧倾角的输出值，这种输出值可由伺服器(50)使用以调节该大灯的位向，以在摩托车(1)转弯侧倾时保持与地平面准直的光束模式。

Description

用于确定摩托车的侧倾角的器械和方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定摩托车在道路上转弯或转向时的侧倾角(roll angle)的器械。更明确地来讲，本发明涉及与摩托车大灯一起使用的器械，以在面对车辆侧倾角相对于地平面变化时自动地将光束模式保持成水平地平置。此外，本发明还涉及软件和用于确定侧倾角的方法。

背景技术

摩托车大灯具有根据法律要求定形以照明前方道路而不会使反向车辆目眩的光束模式。在与地平面准直时，这种模式适合于所有的要求。不过，在摩托车转弯进行转向时，光束在转弯处内侧的范围大大减小，这会带来安全方面的风险，因为驾驶员并不能够看到前方路面上的物体，而转弯处外侧的光束使反向车辆目眩。这些问题已延缓了氙气灯在摩托车中的引入，因为氙气灯的光束的光强度要求在实质上避免使反向车辆。还可将侧倾角值用作防报死制动系统、防滑控制系统和稳定性控制系统的输入。

DE 198 47 594公开了一种在摩托车沿着曲线行进时提供侧倾调节的摩托车大灯控制系统。这种系统包括两个回转传感器(gyrosensor)：一个回转传感器检测侧倾速率(roll rate)，且另一个回转传感器检测摩托车的偏航速率(yaw rate)。用于摩托车大灯的控制系统包括一种机构，这种机构能够在摩托车行进时调节大灯绕着灯轴的旋转方向。这种系统利用来自该侧倾速率传感器的信号来控制用于调节大灯的旋转方向的机构。提供偏航速率信号以产生冗余系统。这种公知的系统的缺陷在于要求用于建立侧倾角的原值的额外信息。而且，为了得到精确的结果，传感器和/或电子装置的偏差(offset)需非常低。这就对回转传感器的电子装置提出了高要求，因而会增加成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于确定摩托车或类似的交通工具的侧倾速率的器械，这种器械廉价、健壮并提供高质量信号，即低漂移或无漂移且带宽高。

这种目的通过提供用于确定在转弯时可转向的摩托车或类似的交通工具的侧倾角α的器械根据权利要求1来实现，这种器械包括：第一回转传感器，该第一回转传感器产生表示车辆的侧倾速率的信号；第二回转传感器，该第二回转传感器产生表示车辆的偏航速率ω_v的信号；第一装置，该第一装置构造成通过求所测得的侧倾角速度的积分确定车辆的侧倾角的第一中间值；第二装置，该第二装置构造成从所测得偏航速率ω_v和所测得的车辆速度v确定车辆的侧倾角的第二中间值；以及第三装置，该第三装置构造成通过结合该第一中间值和该第二中间值确定侧倾角α的输出值。

这种器械需要利用确定侧倾角的两个回转仪(gyroscope)，而不是像现有技术中那样使用一个回转仪，在试图提供不昂贵器械时，这看上去似乎并不符合逻辑。不过，通过将确定侧倾角的两种方式结合起来，可避免每种方式的弱点，并能够将每种方式的长处结合起来。可使用不超过两个的精确的回转仪，且这些回转仪结合起来的成本可极大地降低高质量单回转仪的成本。

从侧倾速率确定侧倾角的方式是一种非常直接的方式，这种方式并不依赖于摩托车的平衡条件。不过，建立初值要求额外的信息(如车在停止状态时的重力方向)且传感器和/或电子装置的偏差需非常低。

从偏航速率确定侧倾角的方式将侧倾角与偏航速率联系起来。因此，这种方法无初值问题。不过，这种方法依赖于车的平衡条件(恒定半径)。测量已表明在摩托车的“Z”字形路线中，这会导致对侧倾角的过度夸大地估计，因为受到平衡条件的干扰。

这两种方式的结合导致仅展示出这两种方式的优点而无它们的缺点的器械。

优选将该第三装置构造成使用第一中间值的高频率部分并使用第二中间值的低频率部分。这样就获得两种方式中的每一种的结果的最有用部分，以确定该输出值。

这种器械还可包括：从该第一传感器接收数字化信号的递归(recursive)低通数字滤波器；从该第二传感器接收数字化信号的高通数字滤波器；以及用于计算该低通滤波器的输出信号与该高通滤波器的输出信号之和的装置。这些滤波和求和装置虑及了要变换成单输出信号的两种(中间)回转信号(gyro signal)。

优选该低通滤波器和/或高通滤波器包括滤波系数，将这些滤波系数选择为2的乘方，以避免舍入误差。

这种器械还可包括车轮传感器和速度确定装置，该车轮传感器提供具有车辆的每转的多个脉冲的信号，且该速度确定装置构造成用于从该车轮传感器信号确定车辆速度。这种信号可从任何常规的摩托车得到并因此而形成用于确定车辆速度的准备信号。

可将这种锁定点确定装置构造成通过测量来自该车轮传感器的信号的脉冲之间的时间来确定车辆速度。脉冲之间的时滞比将脉冲计数提供更高的精度。

该第二装置可考虑作为该侧倾角的函数的车轮的有效半径的减小。这样就避免通常由有效车轮直径中的变化所引起的误差。

第一回转传感器和第二回转传感器可以是微电机系统。这些类型的传感器小而其并相对廉价，这就使这些传感器适于用在提供小空间并对重量降低有高要求的车辆中。

这种器械还可包括用于根据该输出信号调节摩托车大灯的位向的大灯伺服器。这样就会将大灯的光束模式保持与地平面准直。

可将这种侧倾速率信号前馈给该大灯伺服器。这样就提高这种器械的动态行为，而无需这种伺服系统的高带宽。

优选将第一、第二和/或第三装置实现为专用硬件、实现为普通硬件上的软件程序或专用硬件与普通硬件上的软件程序的结合。这就为元器件和结构的选择提供了灵活性。

上述目的还通过在数据载体上提供软件程序来实现，将这种软件程序构造成从侧倾速率信号确定第一中间侧倾角α、从偏航速率信号和车辆速度信号确定第二中间侧倾角α、通过将第一中间侧倾角与第二中间侧倾角结合确定输出侧倾角α。

还可将这种软件程序构造成结合第一中间侧倾角的高频率部分和第二中间侧倾角的低频率部分。

还可将这种软件程序构造成从来自车轮传感器信号的脉冲之间的时滞确定该车辆速度。

上述目的还通过提供用于确定在转弯时转向的摩托车或类似的车辆的侧倾速率的方法来实现，这种方法包括：测量车辆的侧倾速率；测量车辆的偏航速率ω；测量车辆速度v；通过求所测得的侧倾角速度的积分来确定车辆的侧倾角α的第一中间值；从所测得偏航速率ω和所测得的车辆速度v确定车辆的侧倾角α的第二中间值；以及通过结合该第一中间值和该第二中间值确定侧倾角α的输出值。

在这种方法中，可将该中间值的高频率部分与该中间值的低频率部分结合以获得该输出值。

在这种方法中，优选通过测量来自车轮传感器信号的脉冲之间的时滞来确定车辆速度v。

这种方法可包括考虑作为该侧倾角的函数的车轮的有效半径的减小的步骤。

从下面的详细描述中会明白根据本发明的这种器械、软件和方法的其它特征、优点和性能。

附图说明

在下面的本说明书的详细部分中，将参考示于附图中的示范性实施例更详细地说明本发明，在这些图中：

图1是示出了摩托车的位向和在摩托车转弯时在摩托车上起作用的力的视图，

图2是示出了侧倾角在车轮的有效半径上的效果的视图，以及

图3是示出了根据本发明的实施例的器械的普通结构的框图。

具体实施方式

图1是示出了摩托车1在转弯时的视图，摩托车1的转弯导致与竖向所成的侧倾角α。摩托车的车身外壳2用虚线表示。摩托车1与驾驶员一起具有重心4，重心4处于高于车轮/轮胎3的底侧的高度h。在摩托车上起作用的重力用向量mg表示。用半径r进行的转弯导致用向量ω_y表示的偏航速率。摩托车的车轮3中的一个的旋转速度用向量ω_w表示。

根据本发明的优选实施例，采用两种方法来确定侧倾角，即通过侧倾速率和通过偏航速率。这些方法基于来自各自的回转仪的侧倾速率和偏航速率的可用性，这些回转仪在下面进行详细描述。

利用第一种方法，通过求测量侧倾角速度的回转传感器的信号的积分确定侧倾角α的第一中间值。第一种方法的缺点在于：

建立初值要求额外的信息(如车在停止状态时的重力方向)，

传感器和/或电子装置的偏差需非常低，例如，若允许每小时1度的漂移，则就意味着小于1/3600度/秒的偏差。由于最高速度为约每秒100度，所以所要求的动态范围为3.6e5或110dB。这就对回转传感器和电子装置提出了高要求。

第一种方法的优点在于是一种利用可能高的带宽的非常直接的测量方式，这种方式并不依赖于摩托车的平衡条件。

利用第二种方式，在假设下面的平衡条件(v：速度，g：重力)时通过偏航速率ω_y确定侧倾角α的第二中间值：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{v\·{\mathrm{\ω}}_y}{g}$

若测量相对于摩托车的竖轴的偏航速率ω_v，则与侧倾角的关系式为：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{v\·{\mathrm{\ω}}_v}{g}$

通过车轮的旋转速度ω_w测量速度。对于精确的速度测量而言，，考虑作为侧倾角的函数的有效半径中的变化。所得到的表达式可精确地近似为：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ω}}_w\·r_0\·{\mathrm{\ω}}_v}{g}$

式中：r₀是在零侧倾角时的车轮的半径。

第二种方法的缺点在于这种方法依赖于车的平衡条件(恒定半径)，由摩托车进行的“Z”字形路线导致对侧倾角的过度夸大地估计(1.5至2的因数)。而且，第二种方法具有实质上的相位滞后，这就使这种方法并不适合于具有高带宽的系统。

第二种方法的优点在于将侧倾角与偏航速率联系起来。因此，第二种方法无初值问题。

同时使用第一种方法和第二种方法，且将侧倾角α的第一中间值与第二中间值结合起来以确定该侧倾角的输出值。

将第一种方法和第二种方法的长处结合起来，通过滤波和结合：将利用第二种方法获得的第二中间侧倾角值/信号的低频率部分与利用第一种方法获得的第一中间侧倾角值/信号的高频率部分结合起

α＝HF(∑roll_gyro)+LF(c·wheel_speed·yaw_gyro)来：

第二种方法基于相对于重心的力矩平衡条件：

简化为：

$m\·g\·h\·\sin \mathrm{\α}=m\·{\mathrm{\ω}}_y^2\·r\·h\·\cos \mathrm{\α}$

$\tan \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ω}}_y\·r}{g}$

认识到车的前进速度v等于：

v＝ω_y·r时，

该关系式变成：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{v\·{\mathrm{\ω}}_y}{g}$

以车的向上方向指向的回转传感器发出信号s，这种信号s等于：

S_y＝ω_y·cosα

利用这种传感器信息，用下面的等式计算该侧倾角：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{v\·s_y}{g}$

通过车轮的旋转速度ω_w测量速度。车轮的有效半径(r_eff)也是该侧倾角的函数。将轮胎变形忽略不计，这种效果在图2中示出。

因此

v＝ω_w·r_eff(α)，

且

$r_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\α}\right)=r_0-r_{\mathrm{tyre}}(1-\cos \mathrm{\α})=r_0(1-\frac{r_{\mathrm{tire}}}{r_0}(1-\cos \mathrm{\α}))$

$\sin \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ω}}_w\·r_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\α}\right)\·s_y}{g},$

代换给出：

$\frac{\sin \mathrm{\α}}{1-\frac{r_{\mathrm{tire}}}{r_0}(1-\cos \mathrm{\α})}=\frac{{\mathrm{\ω}}_w\·r_0\·s_y}{g}$

该式可写成：

对于120/60 17型轮胎(导致r₀为0.312[m])和所估计的0.1[m]的r_tire(轮胎半径)，对方程的左边进行评价，就会明白整个表达式可由α本身精确地近似。在倾角小于50度时，最大误差约为1％。

因此，下面的简单表达式给出倾角的非常好的近似：

α＝c·ω_w·S_y，[rad]

理论上

$c=\frac{r_0}{g}$

实践中，轮胎变形有可能造成影响。因此，通过以前面指明的理论值开始然后将常数c降低直到实现最佳精度来将这种系统校准。

图3示出了根据本发明的优选实施例的确定摩托车的侧倾角的器械的框图。这种器械足够地小以安装在摩托车上面或内部。这种器械包括传感器板10，这种传感器板10带有两个MEMS(微电子机械系统)振动回转传感器11和12。回转传感器11以摩托车1的纵向方向指向并提供表示侧倾速率的信号。回转传感器12以摩托车1的向上方向指向并提供表示偏航速率的信号。传感器板10经由带缆13连接到板14上的微控制器15。可根据优选实施例将这些传感器和微控制器15一起置于单印刷电路板(未示出)上。

板14经由多脚连接器16连接到摩托车的另一种电子系统18的母线。该另一种电子系统18可包括ABS系统和发动机管理系统。

板14经由6线缆20和6脚连接器22与这种器械的其它元器件连接。连接器22经由电缆24将板14连接到电池。连接器22经由1线缆28将该板连接到车轮传感器36，并将3脚连接器32和电缆32连接到车轮传感器36。车轮传感器36的信号经由电缆30和3脚连接器38路由至仪表板40。

板14的信号经由电缆20、3脚连接器22、电缆43、连接器44和电缆38中继至伺服器50。伺服器50操作性地连接到摩托车1的前大灯(未示出)并绕着灯轴旋转整个大灯或大灯内的灯泡(可以是氙气灯泡)，以阻遏侧倾角在大灯/灯泡的位向上的作用，以在摩托车转弯进行转向时保持由这种灯发射的光束的模式基本上与地平面准直。

车轮传感器36提供车轮3的每转的多个(如4个)脉冲。板14测量这些脉冲之间的时间：车轮传感器信号用于选通快速时钟信号。板包括：

处于约13.5kHz的12位计数器，这种计数器用于将来自该车轮速度传感器的脉冲之间的计时，

2个ADC(8位)，这些ADC用于侧倾回转和偏航角回转，

1PWM输出，这种输出用于伺服器50，

数字输出，这些数字输出用于取样程序，停止/移动状态。

在微控制器15上运行的该取样程序软件构造成：

在传感器上读出：

车轮速度36(经由多个计数器)，

侧倾回转11，

偏航角回转12

进行计算：

对侧倾速率信号进行滤波并求侧倾速率信号的积分，

计算车轮速度，

对偏航速率信号和车轮速度的乘积进行滤波，

对人工地平面的值进行更新：

确定速度是否足够地高，

若速度足够地高，则向伺服器50输出所计算的值，

若速度并不是足够地高，则向伺服器输出零值，

诊断：

产生这些计算的中间结果和最终结果，

产生状态，

为下一次取样做准备：

完成各种存储器位置。

用于车轮计数器的中断服务程序在发现轮辐边缘时运行并构造成：

读出计数器内容，

重置计数器，以及

重启计数器。

该计数器配有最大值。因此，在(接近)停止状态时，该计数器继续尝试该最大值并停止。计数器可长时间停留在这个值。在最终横过轮辐时，中断服务程序运行。这样就在取样程序中遇到最大值并采取特别行动。在车的移动继续时，下一个计数内容可小于最大值，从而发出速度足够高的信号。

若已能够从摩托车上的另一种源获得车轮速度信号或车辆速度信号(例如，通过CAN网络)，该微控制器无需包括用于测量车轮脉冲之间的时间的计数器。相反，会将已能够得到的速度信号用作输入信号。

此外，这种软件对传感器信号进行有效性检查。若这种检查失败，则这种侧倾测量器件进入故障安全模式。根据优选实施例，高和低频率范围具有重叠频带，这两种回转传感器均对这种重叠频带有作用。对各自对这种重叠频带的作用进行比较以检查这些值是否近似相等。因此，确定这种重叠频带内的信号/值差异与这两种信号之和的比并且与阈值进行比较。若这种比超过该阈值，则该侧倾角确定器件进入故障安全模式。

该取样程序包括数字递归低通滤波器，来自第二回转传感器12的(数字化)信号经过该数字递归低通滤波器。可用下面的等式描述这种数字滤波器：

y(n)＝a*y(n-1)+b*x(n)

式中：变量x是输入信号，变量y是输出信号，且变量n表示目前正在计算的点。低通滤波器的系数a和b通过控制参数相关，且a＝1-q，b＝q。

因此，该等式还可写作：

y(n)＝(1-q)*y(n-1)+q*x(n)

对于这种器械的最佳性能而言，这种低通滤波器的拐角频率(corner frequency)应尽可能地放低，因为来自该第二回转传感器的信号在较高频率时变得越来越不精确。同时，希望高取样速率以获得动态系统。

这两种要求的结合导致控制参数q成为非常小的数。因此，在进行根据上述等式的乘法运算时进行的舍入误差可具有相当大的影响，从而降低系统的性能。不过，对这种低通滤波器的截止频率无严格要求，因此，根据优选实施例，将这种控制参数选择为2的乘方。二元处理器的内在结构允许2的乘方由所称的“移位”进行精确的计算，这种“移位”是一种要求非常少的计算工作且并不涉及任何舍入误差的过程，因为这种过程精确。

第一回转传感器的信号经过高通数字滤波器。这种高通滤波器具有与低通滤波器关联的相同的舍入问题。因此，也将这种高通滤波器的控制参数选择为2的乘方。

高通滤波器和低通滤波器的滤波系数相互适合，以使高通滤波器和低通滤波器的频率特征相匹配，即高通滤波器的拐角频率等于低通滤波器的拐角频率，因此，传递函数之和等于1。

根据另一个实施例，可在硬线连接的模拟滤波器(未示出)中实现这些滤波器。

根据另一个优选实施例(未示出)，这种器件包括用于绕着大灯的竖轴(在摩托车直立时竖直)旋转该大灯的第二伺服器。因此，这种器械根据下面的等式从来自第二回转传感器12(偏航角回转传感器)的偏航速率信号以及车辆速度确定转弯半径的半径：

$r=\frac{v}{{\mathrm{\ω}}_y}$

将表示转弯半径的值的这些信号加到该第二伺服器，作为响应，该第二伺服器侧向调整大灯的位向，以使光束指向路面，摩托车在沿着曲线时会在这种路面上行进。

根据本发明的器械和方法的优点在于：

高带宽，这允许在摩托车的最有挑战性(“Z”字形)的移动的几度内进行跟踪，

并不展示出或至少展示出极少的漂移，因此，几小时的运行并不导致构造误差。已可得到偏航角信息，这可能会在将来有需求，

可得到侧倾速率，这种侧倾速率可用作可移动大灯的运动系统的前馈，从而提高大灯的动态行为，而无需该运动系统的高带宽，

在几乎不可能从外部影响的意义上是健壮的(是“封闭系统”类型，见下面)，即独立于周围的环境之外(日间/夜间、雨、雪等)，

可在简单而廉价的硬件中实现，以及

可布置在小盒内，这种小盒可置于摩托车上的任何位置。

用在权利要求书中的术语“包括”并不排除其它元件或步骤。用在权利要求书中的术语“一种”并不排除复数形式。

用在权利要求书中的附图标记不应解释为对范围进行限制。

虽然为了例证目的已对本发明进行了详细描述，但应理解这些细节仅是为了例证目的，且本领域中熟练的技术人员可对这些细节进行变化，而并不脱离本发明的范围。

Claims (14)

1.一种用于确定行驶过程中侧倾角变化的车辆的侧倾角(α)的器械，所述器械包括：

第一回转传感器(11)，所述第一回转传感器(11)产生表示所述车辆的侧倾速率的信号，

第二回转传感器(12)，所述第二回转传感器(12)产生表示所述车辆的偏航速率(ω_v)的信号；

第一装置(14)，所述第一装置(14)构造成通过求所测得的侧倾速率的积分确定所述车辆的所述侧倾角的第一中间值，

第二装置(14)，所述第二装置(14)构造成从所测得的偏航速率(ω_v)和所测得的车辆速度(v)确定所述车辆的所述侧倾角的第二中间值；以及

第三装置(14)，所述第三装置构造成通过结合所述第一中间值和所述第二中间值确定所述侧倾角(α)的输出值。

2.如权利要求1所述的器械，其特征在于：所述第三装置(14)构造成使用所述第一中间值的高频率部分并使用所述第二中间值的低频率部分，以确定所述侧倾角(α)的输出值。

3.如权利要求2的所述的器械，其特征在于：还包括从所述第一回转传感器接收数字化信号的高通数字滤波器；从所述第二回转传感器接收数字化信号的递归低通滤波器；以及用于计算所述递归低通滤波器的输出信号与所述高通数字滤波器的输出信号之和的装置。

4.如权利要求3所述的器械，其特征在于：所述递归低通滤波器和/或所述高通数字滤波器包括滤波系数，将所述滤波系数选择为2的乘方，以避免舍入误差。

5.如权利要求1至4中的任一项所述的器械，其特征在于：所述第二装置虑及了作为所述侧倾角(α)的函数的车轮(3)有效半径的减小。

6.如权利要求1至4中的任一项所述的器械，其特征在于：所述第一回转传感器(11)和所述第二回转传感器(12)是微电机系统。

7.如权利要求1至4中的任一项所述的器械，其特征在于：还包括用于根据所述侧倾角(α)的输出值调节所述车辆大灯或所述车辆大灯中的灯泡的位向的大灯伺服器(50)。

8.如权利要求7所述的器械，其特征在于：将所述侧倾速率信号前馈给所述大灯伺服器(50)。

9.如权利要求1至4中的任一项所述的器械，其特征在于：将所述第一、第二和/或第三装置实现为专用硬件或能够执行软件程序的普通硬件。

10.如权利要求1至4中的任一项所述的器械在车辆稳定系统、在ABS系统或在防滑系统中的用途。

11.一种用于确定行驶过程中侧倾角变化的车辆的侧倾角的方法，所述方法包括：

测量所述车辆(1)的侧倾速率；

测量所述车辆(1)的偏航速率(ω_v)；

测量车辆速度(v)；

通过求所测得的侧倾速率的积分来确定所述车辆(1)的所述侧倾角(α)的第一中间值；

从所测得偏航速率(ω_v)和所测得的车辆速度(v)确定所述车辆(1)的所述侧倾角(α)的第二中间值；以及

通过结合所述第一中间值和所述第二中间值确定所述侧倾角(α)的输出值。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：将所述第一中间值的高频率部分与所述第二中间值的低频率部分结合以获得所述输出值。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于：通过测量来自车轮传感器信号的脉冲之间的时滞来确定所述车辆速度(v)。

14.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于：还包括考虑了作为所述侧倾角的函数的车轮的有效半径的减小的步骤。

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