Tire slip angle
- 又称: slip angle, lateral slip angle
- 类别: Control › Locomotion control
- 标签: vehicle-dynamics, tire-models, autonomous-driving, friction, wheeled-robots
车轮所指方向与其接地印迹实际运动方向之间的夹角；它是决定轮胎所产生侧向力的主要变量。
定义
轮胎侧偏角（tire slip angle）是车轮朝向（即车轮平面在地面上的投影线）与轮胎接地印迹实际运动方向之间的夹角。车辆转弯时，轮胎并不完全朝它所指的方向运动：橡胶和胎体发生变形，接地印迹相对于车轮有一部分侧向移动，正是这种变形产生了使车辆转弯的侧向力。在侧偏角较小时，侧向力大致与侧偏角成正比，其斜率称为侧偏刚度。随着侧偏角增大，侧向力趋于平稳，达到由摩擦和法向载荷决定的峰值；超过峰值后，接地印迹中有更多部分发生滑动，侧向力保持不变或下降。
在自行车模型中，侧偏角根据车辆的运动按车轴计算。对于前轴，侧偏角等于转向角减去前轴速度的方向角，后者取决于纵向速度、侧向速度，以及横摆角速度与质心到该车轴距离的乘积；后轴的形式相同，只是没有转向项。不同教材和标准的符号约定各不相同，而且这些公式要除以纵向速度，因此在接近静止时会变得没有良好定义；正因如此，仿真器和估计器会加入低速处理。Pacejka 魔术公式或刷子模型等非线性轮胎模型，把侧偏角、法向载荷和摩擦映射为侧向力；联合滑移模型则在轮胎同时制动或加速时减小可用的侧向力。
侧偏角是两种滑移量之一。纵向滑移（即滑移率）比较车轮的滚动速度与其前进速度，决定牵引力和制动力；侧偏角则决定转弯力。两者都不同于车辆的质心侧偏角，即整车朝向与其质心处速度之间的夹角。侧偏角也不意味着轮胎在打滑：在小角度下，接地印迹的大部分都牢牢抓住路面，这个角度主要来自变形。
为何重要
轮胎力决定了轮式车辆实际能做什么，而侧偏角是支配侧向附着力的变量。自动驾驶汽车、极限操控系统和漂移的控制器都需要估计侧偏角，并把它保持在轮胎力可预测的范围之内，或者有意让它超出这个范围。
主要应用
- 动力学自行车模型和四轮车辆模型
- 根据行驶数据辨识轮胎模型
- 电子稳定控制和极限操控控制
- 自主漂移和赛车控制器
- 车辆质心侧偏角和轮胎力估计
实际应用
一个构建自主漂移控制器的团队，在测试场上记录速度、横摆角速度、转向角和车辆质心侧偏角，其中质心侧偏角来自双天线 GNSS 与惯性组合系统。他们根据这些信号在每个时间步计算前后轴侧偏角，为每根车轴绘制侧向力随侧偏角变化的曲线，并拟合一个轮胎模型，可以是魔术公式曲线，也可以是学习得到的模型。在持续漂移中，后轮胎工作在远超其力峰值的区域，而前轮胎保持在峰值附近，控制器利用拟合出的曲线选择能维持这种平衡的转向和油门。极低速下的数据会被舍弃，因为侧偏角公式在那里不可靠。
常见误解
- 侧偏角不为零意味着轮胎在打滑 — 在小侧偏角下，接地印迹的大部分都抓住路面，这个角度来自轮胎变形
- 轮胎侧偏角与车辆质心侧偏角是一回事 — 质心侧偏角描述整车速度相对于其朝向的偏离，而侧偏角是针对每个轮胎或车轴定义的
- 侧向力随侧偏角一直增大 — 它会达到峰值，随着轮胎饱和而趋于平稳或下降
- 侧偏角涵盖了所有轮胎滑移 — 纵向滑移（即滑移率）是另一个独立的量，决定牵引力和制动力，在联合滑移下两者相互作用
谁需要了解
- 车辆动力学和自动驾驶工程师
- 研究极限操控和漂移的控制研究人员
- 为轮式机器人构建仿真器的工程师
- 开发高速轮式平台的野外机器人开发人员
相关技术
- Pacejka 魔术公式（Pacejka Magic Formula）
- 刷子轮胎模型（Brush Tire Model）
- 电子稳定控制（Electronic Stability Control）
- GNSS/惯性组合导航（GNSS-Inertial Navigation）
- 摩擦圆（Friction Circle）
相关术语
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