阅读说明：本技术 轮胎纵向力的估测方法、装置、电子设备和存储介质 (Method and device for estimating longitudinal force of tire, electronic device and storage medium ) 是由 赵通 危银涛 梁冠群 杜永昌 童汝亭 于 2021-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种轮胎纵向力的估测方法、装置、电子设备和存储介质,所述轮胎纵向力的估测方法包括：获取待估测轮胎的垂向力和所述待估测轮胎滚动时内壁的周向加速度；根据所述内壁的周向加速度获取所述待估测轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差；将所述周向变形二阶梯度的峰值差和所述待估测轮胎的垂向力,输入至预设的轮胎纵向力估测模型,得到所述待估测轮胎的纵向力；所述预设的轮胎纵向力估测模型是以所述样本轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差和所述样本轮胎的垂向力为自变量,以所述样本轮胎的纵向力为因变量,基于多组试验标定数据进行拟合得到的。本发明的技术方案可以提高轮胎的纵向力的估测准确度和实时性。(The invention provides a method and a device for estimating tire longitudinal force, electronic equipment and a storage medium, wherein the method for estimating tire longitudinal force comprises the following steps: acquiring the vertical force of a tire to be estimated and the circumferential acceleration of the inner wall of the tire to be estimated when the tire rolls; obtaining the peak value difference of the second-order gradient of circumferential deformation of the tire to be estimated according to the circumferential acceleration of the inner wall; inputting the peak value difference of the circumferential deformation second-order gradient and the vertical force of the tire to be estimated into a preset tire longitudinal force estimation model to obtain the longitudinal force of the tire to be estimated; the preset tire longitudinal force estimation model is obtained by fitting based on a plurality of groups of test calibration data by taking the peak difference of the circumferential deformation second-order gradient of the sample tire and the vertical force of the sample tire as independent variables and the longitudinal force of the sample tire as dependent variables. The technical scheme of the invention can improve the estimation accuracy and real-time performance of the longitudinal force of the tire.)

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

如图1所示的是本发明实施例的轮胎纵向力的估测方法的流程图。本发明实施例提供的方法可以由任意具备计算机处理能力的电子设备执行，例如终端设备和/或服务器。如图1所示，该轮胎纵向力的估测方法包括：

步骤102，获取待估测轮胎的垂向力和待估测轮胎滚动时内壁的周向加速度，周向加速度由设置在待估测轮胎内壁横向方向的中点位置的加速度传感器测量得到。

具体地，周向加速度指的是待估测轮胎内壁的沿着圆周方向的加速度。横向指的是垂直于待估测轮胎的一个圆周所在的平面的方向，设置在待估测轮胎内壁横向方向的中点位置指的是加速度传感器设置在待估测轮胎内壁的横向的中点形成的圆周上的任一点的位置。加速度传感器测量周向加速度之后，将该周向加速度输出。执行轮胎纵向力的估测方法的电子设备在步骤102中获取该周向加速度。

步骤104，根据内壁的周向加速度获取待估测轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差。

具体地，轮胎表面的周向变形的梯度指的是轮胎表面的周向变形的变化率，轮胎表面的周向变形的二阶梯度指的是轮胎表面的周向变形的变化率的变化率。周向变形的二阶梯度的峰值包括轮胎的接地前缘和接地后缘位置处的周向变形的二阶梯度，峰值差指的是轮胎的接地前缘和接地后缘位置处的周向变形的二阶梯度的差值。

步骤106，将周向变形二阶梯度的峰值差和待估测轮胎的垂向力，输入至预设的轮胎纵向力估测模型，得到待估测轮胎的纵向力。

具体地，待估测轮胎的垂向力指的是待估测轮胎受到的垂直于地面或坡面的压力。

其中，预设的轮胎纵向力估测模型是以所述样本轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差和所述样本轮胎的垂向力为自变量，以所述样本轮胎的纵向力为因变量，基于多组试验标定数据进行拟合得到的。

本发明实施例提供的技术方案中，采用多组实验标定数据拟合轮胎纵向力估测模型，在进行轮胎纵向力估测时，只需要采集轮胎滚动时内壁的周向加速度信号、进行对应处理并输入到预置的轮胎纵向力估测模型中，即能实现实时纵向力估测；无需复杂昂贵的设备，具有更高的可靠性和估测精度，为车辆安全和舒适性控制提供纵向力信息。

具体地，拟合是指把平面上一系列的点，用一条光滑的曲线连接起来。本发明实施例中，可以采用最小二乘曲线拟合法基于多组试验标定数据进行拟合。

最小二乘法，又称最小平方法，是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法可以用于曲线拟合。

具体地，给定一组测量数据，基于最小二乘原理，求得变量x和y之间的函数关系f(x，A)，使它最佳地逼近或拟合已知数据。f(x，A)称为拟合模型，是一些待定参数。做法是选择参数A使得拟合模型与实际观测值在各点的残差的加权平方和最小。其中，残差在数理统计中是指实际观察值与拟合值之间的差。应用该方法拟合的曲线称为最小二乘拟合曲线。

最小二乘法是解决曲线拟合问题最常用的方法。在一种实施例中，最小二乘法的基本思路是：

其中，是事先选定的一组线性无关的函数，a_k是待定系数(k＝1，2，…，m，m＜n)，拟合准则是使y_i(i＝1，2，…，n)与f(x_i)的距离的平方和最小，该准则称为最小二乘准则。

用最小二乘法求拟合曲线需要确定拟合模型f(x)，在本发明实施例中，拟合模型即为轮胎纵向力估测模型，其可以为：F_x＝k·Δp+b(F_z)；其中，F_x为轮胎的纵向力，k、b为待拟合的参数，F_z为轮胎的垂向力，Δp为周向变形二阶梯度的峰值差；b和所述轮胎的垂向力相关，轮胎纵向力和周向变形二阶梯度的峰值差呈线性关系。

这里，轮胎纵向力估测模型的拟合过程包括：首先，在样本轮胎的不同垂向力的条件下，测量相应的样本轮胎的纵向力并采集样本轮胎内壁的周向加速度，得到多组试验标定数据。之后，根据样本轮胎内壁的周向加速度获取样本轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差。最后，以所述样本轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差和所述样本轮胎的垂向力为自变量，以所述样本轮胎的纵向力为因变量，基于多组试验标定数据进行拟合得到轮胎纵向力估测模型。

其中，多组试验标定数据，可通过在轮胎平板试验台上进行台架实验得到。在试验条件下，改变轮胎的滑移率和垂向力，利用仪器分别测量每种工况下的轮胎内壁周向加速度和纵向力，即可以得到所需要的试验标定数据。具体地，不同滑移率就意味着不同的周向加速度峰值差，采用不同的轮胎的滑移率条件，可以得到更大范围的数据。

对于以上轮胎纵向力估测模型，将多组试验标定数据中的纵向力作为F_x，将从多组试验标定数据中的周向加速度得到的周向变形二阶梯度的峰值差作为Δp，采用最小二乘法拟合得到参数k和b(F_z)，即可以拟合得到轮胎纵向力估测模型。拟合好的轮胎纵向力估测模型可以用于实时轮胎纵向力估测。

尽管在本发明的实施例中采用最小二乘法进行拟合以得到轮胎纵向力估测模型，但是拟合方法并不局限于此。

在本发明实施例中，在步骤102之前，可以采用微机电系统MEMS加速度传感器测量待估测轮胎内壁的周向加速度。

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)加速度传感器具有体积小、能耗低、能承受轮胎内部恶劣的工作环境的优点，可以在不改变轮胎特性的情况下采集到加速度信号。

图2是本发明提供的轮胎纵向力估测系统的结构示意图。如图2所示，可以基于加速度传感器202建立一个轮胎纵向力估测系统。该系统包括上位机和下位机。

其中，下位机包括加速度传感器202和下位机处理器204，上位机包括上位机处理器206和存储器208。

具体地，加速度传感器202和下位机处理器204可以布置在轮胎内壁横向方向的中点位置。加速度传感器202和下位机处理器204可以布置在同一印刷电路板上。

此外，上位机和下位机中还可以分别设置有无线通信模块(图中未示出)，以进行上位机和下位机之间的无线通信。在一些实施例中，无线通信模块可以集成在上位机处理器和下位机处理器中。

在一种实施例中，下位机可以使用橡胶套包裹。之后，将包裹有下位机的橡胶套使用粘接剂固定在轮胎内壁横向方向的中点位置。

下位机中的加速度传感器202获取轮胎滚动时轮胎内壁的周向加速度信号并发送给下位机处理器204，下位机处理器204通过内置的无线通信模块或者外部的无线通信模块将该周向加速度信号发送给上位机。

在上位机中，上位机处理器206用于通过内置的无线通信模块或者外部的无线通信模块接收下位机发送的周向加速度信号，并根据该周向加速度信号和预置的纵向力估测模型估测轮胎受到的纵向力。存储器208用于存储算法程序、例如纵向力估测模型的各种模型及信号数据。

本发明实施例提供的轮胎纵向力估测系统，只需要采集轮胎滚动时轮胎内壁的周向加速度信号，即能实现实时纵向力估测；无需复杂昂贵的设备，具有更高的可靠性和估测精度，为车辆安全和舒适性控制提供纵向力信息。

图3是本发明实施例提供的轮胎滚动时内壁的周向加速度信号示意图。如图3所示，在加速度传感器即将进入接地区域时，由于轮胎表面在周向的挤压作用，会产生一个负方向的加速度峰值；在接地区域的中心位置，加速度传感器和地面无相对运动，周向加速度为零；在加速度传感器即将离开接地区域时，由于轮胎表面在周向的拉伸作用，会产生一个正方向的加速度峰值。加速度峰值位置对应于接地的前缘和后缘位置。

布置在轮胎内壁的加速度传感器跟随轮胎一起滚动，在其所在位置的接地和非接地的过渡期间，周向加速度信号会急剧地变化，这种剧烈变化对应着轮胎接地的前缘和后缘的转折位置。

在步骤104中，将待估测轮胎内壁的周向加速度除以待估测轮胎的转速的平方，可以得到周向变形二阶梯度；将周向变形二阶梯度在接地前缘和接地后缘处的绝对值相减，得到周向变形二阶梯度的峰值差。

在步骤104中，将内壁的周向加速度除以待估测轮胎的转速的平方之前，还需要获取待估测轮胎的转速，其具体获取方法可包括但不限于以下两种。

第一种为：获取轮速传感器测量得到的待估测轮胎的转速。

第二种为：根据待估测轮胎内壁的周向加速度和第一时长获取待估测轮胎的转速，其中，第一时长由对待估测轮胎转动一周的时间进行计时得到。

本发明实施例根据轮胎滚动运动学模型来解释加速度产生机理，该机理为轮胎纵向力估计提供有效的理论指导。利用混合欧拉-拉格朗日描述轮胎滚动变形的方法，轮胎表面周向加速度可以表示为：

a_u＝Ω²-u″；

其中，a_u为周向加速度，Ω为车轮转速，u″为轮胎表面周向变形的二阶梯度，此机理将轮胎表面变形和加速度联系起来，为开发基于加速度传感器的轮胎参数估测应用提供理论支撑。

当存在轮胎纵向力时，在接地区域轮胎表面的周向方向上，轮胎表面的变形形式会发生改变。具体表现为，接地区域轮胎表面相对于车轮中心位置会向纵向力方向偏移，由此造成在接地前缘和后缘位置处轮胎表面变形二阶梯度的变化。因此，可以通过接地前缘和后缘位置处轮胎表面变形二阶梯度的变化来估测轮胎纵向力。

本发明实施例提出一种轮胎纵向力对轮胎表面变形影响的机理，此机理与上述轮胎周向加速度产生机理相结合，揭示了周向变形二阶梯度的峰值差和纵向力的关系。

轮胎柔性环模型可以描述轮胎接地区域力的分布造成的轮胎表面变形，在施加不同的纵向力的工况下求解轮胎柔性环模型，可以得到不同轮胎纵向力下周向变形，结合周向加速度表达式可以得到不同轮胎纵向力下周向加速度。同时，不同轮胎的垂向力也会对轮胎表面变形产生影响。

图4是本发明实施例提供的不同垂向力下周向变形二阶梯度的峰值差和纵向力的关系，如图4所示，在同一垂向力下，周向变形二阶梯度的峰值差和纵向力呈线性关系；不同垂向力下关系线的斜率相同，但是存在一个距离，因此周向变形二阶梯度的峰值差和纵向力的关系可以表示为：F_x＝k·Δp+b(F_z)；其中，F_x为轮胎的纵向力，k、b为待拟合的参数，F_z为轮胎的垂向力，Δp为周向变形二阶梯度的峰值差；b和轮胎的垂向力相关，轮胎纵向力和周向变形二阶梯度的峰值差呈线性关系。

上述表达式即为轮胎纵向力估测模型，它以简单的线性形式描述了如何根据周向加速度信号估测纵向力。

在实际使用中，垂向力可以通过地磅测得，也可以通过利用加速度传感器结合相关算法进行估测获得。

本发明实施例的轮胎纵向力的估测方法，根据对轮胎内壁的周向加速度进行测量得到周向加速度，进而得到轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差，并将该峰值差、轮胎的垂向力输入预设的轮胎纵向力估测模型，得到轮胎的纵向力，从而可以实时精确地对轮胎的纵向力进行估测。

下面对本发明提供的轮胎纵向力的估测装置进行描述，下文描述的轮胎纵向力的估测装置与上文描述的轮胎纵向力的估测方法可相互对应参照。

图5是本发明提供的轮胎纵向力的估测装置的结构示意图。如图5所示，本发明实施例提供的轮胎纵向力的估测装置包括：

第一获取单元502，用于获取待估测轮胎的垂向力和待估测轮胎滚动时内壁的周向加速度，周向加速度由设置在待估测轮胎内壁横向方向的中点位置的加速度传感器测量得到。

第二获取单元504，用于根据待估测轮胎内壁的周向加速度获取待估测轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差。

估测单元506，用于将周向变形二阶梯度的峰值差和待估测轮胎的垂向力，输入至预设的轮胎纵向力估测模型，得到待估测轮胎的纵向力；其中，预设的轮胎纵向力估测模型是以样本轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差和样本轮胎的垂向力为自变量，以样本轮胎的纵向力为因变量，基于多组试验标定数据进行拟合得到的。

本发明实施例提供的技术方案中，采用多组实验标定数据拟合轮胎纵向力估测模型，在进行轮胎纵向力估测时，只需要采集轮胎滚动时内壁的周向加速度信号、进行对应处理并输入到预置的轮胎纵向力估测模型中，即能实现实时纵向力估测；无需复杂昂贵的设备，具有更高的可靠性和估测精度，为车辆安全和舒适性控制提供纵向力信息。

轮胎纵向力估测模型可以为：F_x＝k·Δp+b(F_z)；其中，F_x为轮胎的纵向力，k、b为待拟合的参数，F_z为轮胎的垂向力，Δp为周向变形二阶梯度的峰值差；b和所述轮胎的垂向力相关，轮胎纵向力和周向变形二阶梯度的峰值差呈线性关系。

对于以上轮胎纵向力估测模型，将多组试验标定数据中的纵向力作为F_x，将从多组试验标定数据中的周向加速度得到的周向变形二阶梯度的峰值差作为Δp，采用最小二乘法拟合得到参数k和b(F_z)，即可以拟合得到轮胎纵向力估测模型。拟合好的轮胎纵向力估测模型可以用于实时轮胎纵向力估测。

本发明实施例提供的轮胎纵向力的估测装置还可以包括拟合单元。

具体地，第一获取单元502还用于在样本轮胎的不同垂向力的条件下，测量相应的样本轮胎的纵向力并采集样本轮胎内壁的周向加速度，得到多组试验标定数据。

第二获取单元504还用于根据样本轮胎内壁的周向加速度获取样本轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差。

上述拟合单元用于以样本轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差和样本轮胎的垂向力为自变量，以样本轮胎的纵向力为因变量，基于多组试验标定数据进行拟合得到轮胎纵向力估测模型。

第二获取单元504还用于，将待估测轮胎内壁的周向加速度除以待估测轮胎的转速的平方，得到周向变形二阶梯度；将周向变形二阶梯度在接地前缘和接地后缘处的绝对值相减，得到周向变形二阶梯度的峰值差。

上述拟合单元还用于，以样本轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差和样本轮胎的垂向力为自变量，以样本轮胎的纵向力为因变量，基于多组试验标定数据，采用最小二乘法进行拟合得到轮胎纵向力估测模型。

能够理解，上述轮胎纵向力的估测装置，能够实现前述实施例中提供的轮胎纵向力的估测方法的各个步骤，关于轮胎纵向力的估测方法的相关阐释均适用于轮胎纵向力的估测装置，此处不再赘述。

本发明实施例的轮胎纵向力的估测装置，根据对轮胎内壁的周向加速度进行测量得到周向加速度，进而得到轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差，并将该峰值差、轮胎的垂向力输入预设的轮胎纵向力估测模型，得到轮胎的纵向力，从而可以实时精确地对轮胎的纵向力进行估测。

图6示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行轮胎纵向力的估测方法，该方法包括：获取待估测轮胎的垂向力和所述待估测轮胎滚动时内壁的周向加速度，周向加速度由设置在待估测轮胎内壁横向方向的中点位置的加速度传感器测量得到；根据内壁的周向加速度获取待估测轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差；将周向变形二阶梯度的峰值差和待估测轮胎的垂向力，输入至预设的轮胎纵向力估测模型，得到待估测轮胎的纵向力；其中，预设的轮胎纵向力估测模型是以样本轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差和样本轮胎的垂向力为自变量，以样本轮胎的纵向力为因变量，基于多组试验标定数据进行拟合得到的。

此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的轮胎纵向力的估测方法，该方法包括：获取待估测轮胎的垂向力和所述待估测轮胎滚动时内壁的周向加速度，所述周向加速度由设置在所述待估测轮胎内壁横向方向的中点位置的加速度传感器测量得到；根据所述内壁的周向加速度获取所述待估测轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差；将所述周向变形二阶梯度的峰值差和所述待估测轮胎的垂向力，输入至预设的轮胎纵向力估测模型，得到所述待估测轮胎的纵向力；其中，所述预设的轮胎纵向力估测模型是以所述样本轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差和所述样本轮胎的垂向力为自变量，以所述样本轮胎的纵向力为因变量，基于多组试验标定数据进行拟合得到的。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的轮胎纵向力的估测方法，该方法包括：获取待估测轮胎的垂向力和所述待估测轮胎滚动时内壁的周向加速度，所述周向加速度由设置在所述待估测轮胎内壁横向方向的中点位置的加速度传感器测量得到；根据所述内壁的周向加速度获取所述待估测轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差；将所述周向变形二阶梯度的峰值差和所述待估测轮胎的垂向力，输入至预设的轮胎纵向力估测模型，得到所述待估测轮胎的纵向力；其中，所述预设的轮胎纵向力估测模型是以所述样本轮胎的周向变形二阶梯度的峰值差和所述样本轮胎的垂向力为自变量，以所述样本轮胎的纵向力为因变量，基于多组试验标定数据进行拟合得到的。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。