本發(fā)明涉及汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)操縱穩(wěn)定性控制領(lǐng)域，特別涉及一種汽車在行駛過程中考慮側(cè)傾運(yùn)動(dòng)影響的質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的精確估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：在汽車的操縱穩(wěn)定性控制研究中，汽車的橫擺運(yùn)動(dòng)與側(cè)向運(yùn)動(dòng)是關(guān)注的重點(diǎn)。而汽車的質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度是操縱穩(wěn)定性控制最重要的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)參量，通過這兩個(gè)參量可以間接得到汽車的側(cè)向運(yùn)動(dòng)特征，而汽車的側(cè)向運(yùn)動(dòng)特征在實(shí)際中是不能通過傳感器等直接測(cè)量得到的。雖然汽車的橫擺角速度可以通過方向盤轉(zhuǎn)角位置傳感器測(cè)量所獲得，但測(cè)量中存在大量測(cè)量誤差，精度很難滿足要求。因此，對(duì)汽車質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度進(jìn)行準(zhǔn)確地估計(jì)是十分必要的。目前對(duì)于汽車質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的估計(jì)主要是基于簡(jiǎn)化的兩輪摩托車二自由度模型而進(jìn)行的，忽略了由于側(cè)傾運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的左右車輪輪胎載荷的變化而引起的輪胎特性的變化以及輪胎回正力矩的影響等因素?；蛘呤窃趦奢喣ν熊嚩杂啥饶Ｐ突A(chǔ)上建立了反映汽車側(cè)向加速度的三自由度運(yùn)動(dòng)微分方程，但仍沒有考慮側(cè)傾運(yùn)動(dòng)因素的影響，基于上述模型的估計(jì)值必然會(huì)存在較大偏差，因此，以汽車質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的估計(jì)結(jié)果為控制參量的相關(guān)控制策略，其控制精度就難以得到保證。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明設(shè)計(jì)開發(fā)了一種考慮側(cè)傾影響的汽車行駛狀態(tài)估計(jì)方法，考慮側(cè)傾運(yùn)動(dòng)影響，建立汽車質(zhì)心運(yùn)動(dòng)、橫擺運(yùn)動(dòng)及側(cè)傾運(yùn)動(dòng)具有非線性特征的運(yùn)動(dòng)微分方程，設(shè)計(jì)汽車質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)器，得到的估計(jì)值更接近實(shí)際值。本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：一種考慮側(cè)傾影響的汽車行駛狀態(tài)估計(jì)方法，其特征在于，包括：建立包含汽車質(zhì)心偏向、橫擺運(yùn)動(dòng)及側(cè)傾運(yùn)動(dòng)具有非線性特征的三自由度運(yùn)動(dòng)微分方程；將非線性三自由度微分方程進(jìn)行線性化；建立關(guān)于質(zhì)心偏向角和橫擺角速度的狀態(tài)方程與量測(cè)方程，將所述線性化后的質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度迭代至擴(kuò)展卡爾曼濾波器，獲得質(zhì)心偏向角和橫擺角速度的最優(yōu)估計(jì)值。優(yōu)選的是，所述運(yùn)動(dòng)微分方程為：MV(β·+ωr)-Mshφ··=Wββ+Wrωr+Wφφ+Wδδ]]>Izω·r-Ixzφ··=Qββ+Qrωr+QPφ·+Qφφ··+Qδδ]]>Ixφ··-MsVh(β·+ωr)-Ixzω·r=Lpφ·+Lφφ]]>其中，Wβ＝2(kf+kr),Wδ＝-2kfQβ=2[kflf-krlr+(kfhf+krhr)∂X∂Z+12(Uf+Ur)];]]>Qr=2V[kflf2+krlr2+(kflfhf-krlrhr)∂X∂Z+12(Uflf-Urlr)];]]>QP=(Cφf+Cφr)∂X∂Z;]]>Qφ=2(-kfEfhf-krErhr+12(Kφf+Kφr)+∂Yfy∂φhf)∂X∂Z+2(krErlr-kfEflf+∂Yfy∂φlf-12(UfEf+UrEr))]]>Qδ=2(-kflf-12Uf-kfhf∂X∂Z);]]>Lp＝-(Cφf+Cφr)，Lφ＝Msgh-(Kφf+Kφr)V為汽車行駛車速，M為整車質(zhì)量，Ms為懸架質(zhì)量，ωr為橫擺角速度，β為質(zhì)心側(cè)偏角，h為輪軸中心距離地面的高度，hf為前軸中心距離地面的高度，hr為后軸中心距離地面的高度，φ為懸架的側(cè)傾角，F(xiàn)yf為前輪等效側(cè)向力，F(xiàn)yr為后輪等效側(cè)向力，為左前輪側(cè)向力，為右前輪側(cè)向力，為左后輪側(cè)向力，為右后輪側(cè)向力，δ為前輪轉(zhuǎn)向角，φ為懸架的側(cè)傾角，kf為前輪輪胎的側(cè)偏剛度，kr為后輪胎的側(cè)偏剛度，為前輪外傾側(cè)傾剛度系數(shù)；βf為前輪輪胎的側(cè)偏角，βr分別為后輪輪胎的側(cè)偏角αf為前輪的側(cè)傾轉(zhuǎn)向角，αr為后輪的側(cè)傾轉(zhuǎn)向，Ef為前軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)，Er分別為后軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)；優(yōu)選的是，所述卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程為：xk＝xk-1+[M]-1[K]xk-1·Δk+[M]-1[N]δk-1Δk+[M]-1wk-1·Δk其中，xk為實(shí)際的狀態(tài)變量；wk為過程噪聲,Iz為整車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ixz為懸架質(zhì)量繞x、z兩軸的慣性積，Δk為采樣時(shí)間。優(yōu)選的是，所述卡爾曼濾波器的量測(cè)方程為：yk＝Cxk-1+Iνk-1yk為觀測(cè)變量，vk為觀測(cè)噪聲，wk和vk二者為相互獨(dú)立且具有正態(tài)分布的高斯白噪聲序列,I為單位矩陣，C＝I4×4。優(yōu)選的是，還包括狀態(tài)預(yù)測(cè)方程：x^k-==Akx^k-1+Bkuk-1]]>其中，Ak為k時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，uk-1為控制變量，Ak＝[M]-1[K]，Bk＝[M]-1[N]；誤差協(xié)方差預(yù)測(cè)方程：Pk-=AkPk-1AkT+Qk]]>其中，Qk為k時(shí)刻過程噪聲的協(xié)方差矩陣。優(yōu)選的是，還包括誤差校正過程：增益矩陣：由觀測(cè)變量更新估計(jì)：誤差協(xié)方差更新方程：本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明提供一種考慮側(cè)傾運(yùn)動(dòng)影響的汽車行駛狀態(tài)估計(jì)方法，建立汽車質(zhì)心運(yùn)動(dòng)、橫擺運(yùn)動(dòng)及側(cè)傾運(yùn)動(dòng)具有非線性特征的運(yùn)動(dòng)微分方程，設(shè)計(jì)汽車質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)器，得到的估計(jì)值更接近實(shí)際值，克服測(cè)量噪聲的影響。2、本發(fā)明提供的一種考慮側(cè)傾影響的汽車行駛狀態(tài)估計(jì)方法，質(zhì)心偏向角和橫擺角速度輸入擴(kuò)展卡爾曼濾波器，可實(shí)現(xiàn)質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的準(zhǔn)確估計(jì)。本發(fā)明得到的橫擺角速度估計(jì)值可代替實(shí)測(cè)值進(jìn)行彎道曲率估計(jì)，可用于汽車主動(dòng)避撞或ACC巡航系統(tǒng)關(guān)鍵目標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別。附圖說明圖1為本發(fā)明所述的三自由度汽車模型簡(jiǎn)圖。圖2為本發(fā)明所述的考慮側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的非線性三自由度汽車操縱穩(wěn)定性模型圖。圖3為本發(fā)明所述的橫擺角速度結(jié)果對(duì)比圖。圖4為本發(fā)明所述的質(zhì)心偏向角結(jié)果對(duì)比圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。本發(fā)明提供的一種考慮側(cè)傾影響的汽車行駛狀態(tài)估計(jì)方法，包括以下步驟：如圖1、2所示，考慮側(cè)傾運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的左右車輪輪胎載荷的變化而引起的輪胎特性的變化以及輪胎回正力矩的影響等因素，在二自由度簡(jiǎn)化的兩輪摩托車二自由度模型基礎(chǔ)上，基于非線性三自由度汽車模型，推導(dǎo)包含汽車質(zhì)心運(yùn)動(dòng)、橫擺運(yùn)動(dòng)及側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的微分方程如下：Y方向的受力平衡方程：MV(β·+ωr)-Mshφ··=2Fyf+2Fyr]]>其中，V為汽車行駛車速，M為整車質(zhì)量，Ms為懸架質(zhì)量，ωr為橫擺角速度，β為質(zhì)心側(cè)偏角，h為輪軸距離地面的高度，hf為前軸中心距離地面的高度，hr為后軸中心距離地面的高度，φ為懸架的側(cè)傾角，F(xiàn)yf為前輪等效側(cè)向力，F(xiàn)yr為后輪等效側(cè)向力，。假定左右輪胎側(cè)偏角相等，則有：Fyf=Fyfl=Fyfr=kfβf+(∂Yfy/∂φ)φ,Fyr=Fyrl=Fyrr=krβr,]]>Fyfcosδ≈Fyf，F(xiàn)yrcosδ≈Fyr，其中，為左前輪側(cè)向力，為右前輪側(cè)向力，為左后輪側(cè)向力，為右后輪側(cè)向力，δ為前輪轉(zhuǎn)向角，φ為懸架的側(cè)傾角，kf為前輪輪胎的側(cè)偏剛度，kr為后輪胎的側(cè)偏剛度，為前輪外傾側(cè)傾剛度系數(shù)；假定前后輪的側(cè)傾轉(zhuǎn)向角與車身側(cè)傾角成正比βf=β+lfVωr-δ-αf,βr=β-lfVωr-αr,]]>其中，βf為前輪輪胎的側(cè)偏角，βr分別為后輪輪胎的側(cè)偏角αf為前輪的側(cè)傾轉(zhuǎn)向角，αr為后輪的側(cè)傾轉(zhuǎn)向角，計(jì)算公式如下：αf=(∂αf/∂φ)φ=Efφ,αr=(∂αr/∂φ)φ=Erφ,]]>其中，Ef為前軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)，Er分別為后軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)；繞Z軸的力矩方程：Izω·r-Ixzφ··=2Fyflf-2Fyrlr+Mf+Mr+(dfΔZf+drΔZr)∂X∂Z]]>Iz為整車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ixz為懸架質(zhì)量繞x、z兩軸的慣性積，lf為前軸至質(zhì)心的距離，lr為后軸至質(zhì)心的距離，df為兩前輪之間的輪距，dr為兩后輪之間的輪距，為車輪的滾動(dòng)阻力系數(shù)；式中的Mf、Mr由下式計(jì)算：Mf=(∂Mf/∂βf)·βf=Ufβf,Mr=(∂Mr/∂βr)·βr=Urβr]]>ΔZf=1df(Fyfhf+Kφfφ+Cφfφ·),ΔZr=1dr(Fyrhr+Kφrφ+Cφrφ·)]]>Uf為前回正力矩剛度系數(shù)、Ur為后回正力矩剛度系數(shù)，Cφf、Cφr分別為前、后懸架側(cè)傾角阻尼，Kφf、Kφr分別為前、后懸架側(cè)傾角剛度；繞X軸的力矩方程：Ixc為懸架質(zhì)量繞車身重心縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，g為重力加速度，Ixc+Msh2＝Ix，Ix為懸架質(zhì)量繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。整理上述公式得到如下運(yùn)動(dòng)微分方程：ω(β·+ωr)-Mshφ··=Wββ+Wrωr+Wφφ+Wδδ]]>其中，Wβ＝2(kf+kr),Wδ＝-2kf；Izω·r-Ixzφ··=Qββ+Qrωr+QPφ·+Qφφ··+Qδδ]]>其中，Qr=2V[kflf2+krlr2+(kflfhf-krlrhr)∂X∂Z+12(Uflf-Urlr)]]]>QP=(Cφf+Cφr)∂X∂Z]]>Qφ=2(-kfEfhf-krErhr+12(Kφf+Kφr)+∂Yfy∂φhf)∂X∂Z+2(krErlr-kfEflf+∂Yfy∂φlf-12(UfEf+UrEr))]]>Qδ=2(-kflf-12Uf-kfhf∂X∂Z);]]>Ixφ··-MsVh(β·+ωr)-Ixzω·r=Lpφ·+Lφφ]]>其中，Lp＝-(Cφf+Cφr)，Lφ＝Msgh-(Kφf+Kφr)。為便于進(jìn)行擴(kuò)展卡爾曼濾波處理，需要將上述運(yùn)動(dòng)微分方程整理成狀態(tài)方程的形式，如下所示。[M]{X·}=[K]{X}+[N]{δ}+I{w}]]>式中：[M]=0MV-Msh0Iz0-Ixz0-Ixz-MsVh-Ix00001,[K]=Wr-MVWβ0WφQrQβQpQφMsVh0LpLφ0010,[N]=WδQδ00]]>X=(ωr,β,φ·,φ)T,X·=(ω·r,β·,φ··,φ·)T]]>進(jìn)一步整理得到：{X·}=[M]-1[K]{X}+[M]-1[N]{δ}+[M]-1I{w}]]>整理成狀態(tài)方程形式{X·}=[A]{X}+[B]{δ}+[E]{w}]]>{Y}＝[C]{X}+[D]{v}其中，[A]＝[M]-1[K]，[B]＝[M]-1[N]，[C]＝I4×4，[D]＝I4×1，[E]＝[M]-1I，δ為前輪轉(zhuǎn)角矩陣；根據(jù)估計(jì)對(duì)象建立狀態(tài)方程與量測(cè)方程，對(duì)非線性模型進(jìn)行線性化并賦初值進(jìn)行遞推估計(jì)，主要包括預(yù)測(cè)過程與校正過程，其具體過程如下：步驟一、建立狀態(tài)方程與量測(cè)方程：xk＝xk-1+[M]-1[K]xk-1·Δk+[M]-1[N]δk-1Δk+[M]-1wk-1·Δkyk＝Cxk-1+Iνk-1式中，xk為實(shí)際的狀態(tài)變量，yk為觀測(cè)變量；wk為過程噪聲，vk為觀測(cè)噪聲，wk和vk二者為相互獨(dú)立且具有正態(tài)分布的高斯白噪聲序列，Δk為采樣時(shí)間步驟二、假定過程噪聲wk和觀測(cè)噪聲vk為零，從而估計(jì)狀態(tài)向量和觀測(cè)向量，得到：x~k=f(x^k-1,uk-1,0)]]>y~k=g(x^k-1,0)]]>其中，是狀態(tài)相對(duì)于前一時(shí)刻的后驗(yàn)估計(jì)。步驟三、非線性三自由度微分方程進(jìn)行線性化，得到新的控制方程：xk=x~k+F(xk-1-x^k-1)+Wwk-1]]>Zk=Z~k+Hk(xk-1-x^k-1)+Vvk]]>其中，H(i,j)=∂g1∂x1...∂g1∂xm......∂gm∂x1...∂gm∂xmV(i,j)=∂g1∂v1...∂g1∂vm......∂gm∂v1...∂gm∂vm]]>式中，F(xiàn)、W、H、V分別表示非線性函數(shù)f(xk,uk,wk)與g(xk,uk)對(duì)狀態(tài)變量求偏導(dǎo)的雅可比矩陣；步驟四、預(yù)估計(jì)，即狀態(tài)預(yù)測(cè)方程為：x^k-=f(x^k-1,uk-1,0)=Akx^k-1+Bkuk-1]]>其中，為k時(shí)刻狀態(tài)變量的估計(jì)值，為k+1時(shí)刻狀態(tài)變量的預(yù)估計(jì)值，Ak為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。步驟五、求解狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣：Ak＝eF(k)*Δk≈I+F(k)*Δk其中，Δk為采樣時(shí)間，I為單位矩陣。步驟六、計(jì)算預(yù)測(cè)誤差:eXk=xk-x~k=Ak(xk-1-x^k-1)+ϵk]]>觀測(cè)變量的殘差為：e~zk=yk-y~k=Hke~xk+ηk]]>其中，εk和ηk分別為具有零均值，協(xié)方差矩陣為WQWT和VRVT的獨(dú)立所及變量，Q為過程噪聲協(xié)方差矩陣，R為觀測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣。將估計(jì)結(jié)果記為獲得后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)，即令估計(jì)值為零，得到e^k=Kke~zk]]>x^k=x~k+Kke~zk=x~k+Kk(yk-y~k)]]>其中，Kk為卡爾曼增益。步驟七、預(yù)測(cè)誤差時(shí)間更新方程為：誤差協(xié)方差預(yù)測(cè)方程：其中，Qk為k時(shí)刻過程噪聲的協(xié)方差矩陣；步驟八、校正過程，測(cè)量更新方程為：增益矩陣：由觀測(cè)變量更新估計(jì)：誤差協(xié)方差更新方程：其中，Hk和Vk是k時(shí)刻測(cè)量的雅可比矩陣，Rk為k時(shí)刻觀測(cè)噪聲的協(xié)方差矩陣。鑒于此，本發(fā)明考慮車輛實(shí)際行駛過程側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的影響，建立非線性三自由度汽車模型，設(shè)計(jì)了汽車質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的擴(kuò)展卡爾曼濾波器模型并建立了Simulink仿真模塊，利用Carsim導(dǎo)入方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)(如：雙移線輸入)的實(shí)際輸入數(shù)據(jù)至非線性三自由度微分方程，得到了汽車質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度及懸架的側(cè)傾角等結(jié)果，將得到的結(jié)果輸入至擴(kuò)展卡爾曼濾波模型，即可實(shí)現(xiàn)質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的準(zhǔn)確估計(jì)。該發(fā)明得到的汽車橫擺角速度的估計(jì)值可代替實(shí)測(cè)值，實(shí)現(xiàn)彎道曲率估計(jì)，可用于汽車主動(dòng)避撞或ACC巡航系統(tǒng)關(guān)鍵目標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別領(lǐng)域，該模型可為從事該領(lǐng)域研究的科研人員提供參考與借鑒。結(jié)果分析如圖3、4所示，利用雙移線輸入驗(yàn)證了車速為80km/h的汽車橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)，得到橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的估計(jì)值(EKFvalue)與實(shí)際值(Actualvalue)對(duì)比結(jié)果。從圖中的對(duì)比結(jié)果可以看出，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)的車輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角與實(shí)際值基本是吻合的，可以獲得理想的估計(jì)效果。這表明：考慮側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的非線性三自由度汽車模型而建立的汽車行駛狀態(tài)擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)器，可以有效地實(shí)現(xiàn)汽車行駛過程中橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的實(shí)時(shí)估計(jì)，該研究方法和結(jié)論對(duì)于汽車智能巡航控制或避撞控制系統(tǒng)關(guān)鍵目標(biāo)識(shí)別中彎道道路曲率估計(jì)具有重要參考價(jià)值。盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。當(dāng)前第1頁1 2 3