基于UKF與修正Dugoff輪胎模型路面峰值附著系數(shù)估算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于UKF與修正Dugoff輪胎模型路面峰值附著系數(shù)估算方法，通過：實(shí)時采集車輛的各種傳感器信號，利用車輛縱向動力學(xué)方程和模型的幾何坐標(biāo)關(guān)系對各輪滑移率和側(cè)偏角估計(jì)；然后將估計(jì)的滑移率、垂向力、側(cè)偏角等傳給基于修正Dugoff模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊，得到非線性系統(tǒng)的系數(shù)向量，將此向量與實(shí)時估計(jì)的縱向力發(fā)送到UKF路面峰值附著系數(shù)估計(jì)模塊，求取峰值附著系數(shù)。本方法應(yīng)用車輛狀態(tài)觀測系統(tǒng)實(shí)時采集信號，保證了計(jì)算的實(shí)時性，對于沒有擬合過的路面情況估計(jì)準(zhǔn)確度高。應(yīng)用修正Dugoff輪胎模型和UKF理論，使得求解過程簡單，運(yùn)算量小、快捷，收斂時間短。本方法魯棒性良好，能夠較好的識別各輪的路面情況，適用于路面峰值附著系數(shù)的實(shí)時估計(jì)。
【專利說明】基于UKF與修正Dugoff輪胎模型路面峰值附著系數(shù)估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種分布式驅(qū)動電動汽車的路面峰值附著系數(shù)估算方法，特別是關(guān)于一種基于UKF與修正Dugoff輪胎模型的路面峰值附著系數(shù)估算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]路面峰值附著系數(shù):是指輪胎與地面間作用的縱向力、側(cè)向力的合力與垂向力之比的最大值。目前國內(nèi)外對于路面峰值附著系數(shù)實(shí)時估算方法已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。這些方法可以分為基于原因的方法和基于效果的方法兩類。前者利用超聲波傳感器等來檢測路面狀況來估算路面附著系數(shù)，該類方法需要外加昂貴的傳感器，并且對于環(huán)境的依賴程度較高。后者方法則是直接利用車輛與輪胎的動力學(xué)特性來估計(jì)路面附著系數(shù)，例如用μ-S曲線斜率(附著系數(shù)與滑移率曲線)估算路面附著系數(shù)的方法、利用側(cè)向力或回正力矩與輪胎側(cè)偏角的關(guān)系估計(jì)的方法。該類方法雖然不用加裝額外的傳感器，但各方法使用的工況有局限性，不能實(shí)現(xiàn)縱、側(cè)向力耦合存在的路面峰值附著系數(shù)實(shí)時估算，且多數(shù)方法僅能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪或者驅(qū)動輪的路面峰值附著系數(shù)估計(jì)。
[0003]從觀測器的角度分析，大部分學(xué)者采用基本卡爾曼濾波算法或者擴(kuò)展卡爾曼算法來解決小滑移率條件下(線性輪胎特性區(qū)域)的路面峰值附著系數(shù)實(shí)時估算，這兩種濾波器不適于應(yīng)用于強(qiáng)非線性區(qū)下的路面峰值附著系數(shù)實(shí)時估算。而無跡卡爾曼濾波(UKF)算法由于使用無跡(UT)變換來處理均值和協(xié)方差的非線性傳遞，對非線性函數(shù)的概率密度分布進(jìn)行近似，用一系列確定樣本來逼近狀態(tài)的后驗(yàn)概率密度，不需要求導(dǎo)計(jì)算Jacobian矩陣。UKF沒有線性化忽略高階項(xiàng)，因此它特別適用于強(qiáng)非線性區(qū)下的路面峰值附著系數(shù)實(shí)時估算。
[0004]從輪胎模型的角度分析，相關(guān)研究為保證求解的實(shí)時性，應(yīng)用較為簡單的輪胎模型，如Dugoff輪胎模型、多項(xiàng)式輪胎模型，但這些模型在強(qiáng)非線性區(qū)的精度較低。而在2014年美國汽車工程學(xué)會年會上發(fā)表的修正Dugoff輪胎模型能夠在保持較簡單的形式的前提下，較大的提高了在強(qiáng)非線性區(qū)的精度。
[0005]分布式電驅(qū)動車輛區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的車輛，其四個車輪由四個輪轂電機(jī)直接驅(qū)動，具有響應(yīng)快速、傳動鏈短等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩精確可知，這樣就可以實(shí)時準(zhǔn)確估計(jì)出輪胎的縱向力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有的路面峰值附著系數(shù)算法只適用工況單一的問題，本發(fā)明目的是提供一種基于UKF與修正DugofT輪胎模型路面峰值附著系數(shù)估算方法，用以實(shí)時準(zhǔn)確的估計(jì)各種工況下的路面情況。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種基于UKF與修正Dugoff輪胎模型路面峰值附著系數(shù)估算方法，適用于分布式驅(qū)動電動汽車每個車輪的路面峰值附著系數(shù)估算，該方法包括以下步驟:
[0008]I)建立一種車輛路面峰值附著系數(shù)估算系統(tǒng)，包括用以獲得參數(shù)的:一設(shè)置在車輛驅(qū)動系統(tǒng)上的驅(qū)動力矩傳感器、一設(shè)置在轉(zhuǎn)向柱管處的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、一設(shè)置在車輪處的輪速傳感器、一設(shè)置在整車質(zhì)心處的車速傳感器和慣性傳感器，以及包括用以計(jì)算處理的:一車輪滑移率計(jì)算模塊、一基于縱向動力學(xué)的輪胎力估計(jì)模塊、一側(cè)偏角計(jì)算模塊、一基于修正Dugoff模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊和一 UKF路面峰值附著系數(shù)估計(jì)模塊；
[0009]2)估算過程為:在車輛運(yùn)行過程中，整車控制器取某兩個相鄰的采樣時刻k-Ι和k，分別從驅(qū)動力矩傳感器接收車輛的驅(qū)動力矩信號Ti (k)，從輪速傳感器接收實(shí)時的輪速信號《i(k-l)和COiGO,從車速傳感器接收實(shí)時的縱向車速信號vx(k)以及側(cè)向車速信號Vy (k)，從慣性傳感器接收實(shí)時的縱向加速度信號ax(k)和側(cè)向加速度信號ay(k)以及橫擺角速度信號#(々)*發(fā)送到基于縱向動力學(xué)的輪胎力估計(jì)模塊、側(cè)偏角計(jì)算模塊和車輪滑移率計(jì)算模塊；
[0010]3)基于縱向動力學(xué)的輪胎力估計(jì)模塊根據(jù)實(shí)時采集到的驅(qū)動力矩信號TiGO、輪速信號《i(k-l)和《i(k)，縱向加速度信號ax(k)和側(cè)向加速度信號ay(k)，計(jì)算出各車輪的縱向力Fxi (k)、垂向力Fzi (k)，將垂向力Fzi (k)發(fā)送到基于修正Dugoff模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊；將縱向力Fxi (k)發(fā)送到UKF路面峰值附著系數(shù)估計(jì)模塊；
[0011]4)車輪側(cè)偏角計(jì)算模塊根據(jù)接收到的實(shí)時方向盤轉(zhuǎn)角信號Osw(k)、縱向車速信號Vx (k)、側(cè)向車速信號Vy (k)和橫擺角速度信號#U.)，計(jì)算各車輪的側(cè)偏角ai(k)，并將結(jié)果發(fā)送給車輪滑移率計(jì)算模塊和基于修正DugofT模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊；
[0012]5)車輪滑移率計(jì)算模塊根據(jù)接收到的實(shí)時縱向車速信號vx(k)、側(cè)向車速信號Vy(k)和橫擺角速度信號v>(衫、各車輪的側(cè)偏角CIiGO和輪速信號OiGO計(jì)算車輪的滑移率Si (k)，并將結(jié)果發(fā)送給基于修正DugofT模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊；
[0013]6)基于修正Dugoff模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊根據(jù)側(cè)偏角計(jì)算模塊、滑移率計(jì)算模塊和基于縱向動力學(xué)的輪胎力估計(jì)模塊發(fā)送過來的側(cè)偏角a Jk)、滑移率Si(k)、車輪的垂向力Fzi (k)，利用修正Dugoff模型算法計(jì)算得到建立UKF濾波器所需的非線性系統(tǒng)的系數(shù)an (k)、a2i (k)、a3i (k)、a4i (k)、a5i (k)，并將結(jié)果發(fā)送給UKF路面峰值附著系數(shù)估計(jì)模塊；
[0014]以上，i = 1、2、3、4，代表4個車輪。
[0015]7)UKF路面峰值附著系數(shù)估計(jì)模塊根據(jù)接收到的實(shí)時縱向力Fxi(k)和系數(shù)au{k% O2lIk) Oti (L) q, (k) q (?結(jié)合UKF觀測方法得到各輪的路面峰值附著系數(shù)
aAiBXi β
[0016]所述步驟3)中，車輪縱向力Fxi(k)、垂向力FziGO的計(jì)算方法為:
[0017]①基于縱向動力學(xué)的輪胎力估計(jì)模塊根據(jù)前、后兩個相鄰采樣時刻k-Ι和k實(shí)時采集到的輪速信號《i(k-1)和COiGO，首先計(jì)算得到在采樣時刻k時的車輪角加速度?,(?) ?
[0018]
【權(quán)利要求】
1.一種基于UKF與修正DugofT輪胎模型路面峰值附著系數(shù)估算方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)建立一種車輛路面峰值附著系數(shù)估算系統(tǒng)，包括用以獲得參數(shù)的:驅(qū)動力矩傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、輪速傳感器、車速傳感器和慣性傳感器，以及用以計(jì)算處理的:車輪滑移率計(jì)算模塊、基于縱向動力學(xué)的輪胎力估計(jì)模塊、側(cè)偏角計(jì)算模塊、基于修正Dugoff模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊和UKF路面峰值附著系數(shù)估計(jì)模塊； 2)估算過程為:整車控制器取某兩個相鄰采樣時刻k-Ι和k，獲得驅(qū)動力矩信號Ti(k)，輪速信號《4-1)和Wi(k)，縱向車速信號vx(k)，側(cè)向車速信號vy(k)，縱向加速度信號ax (k)，側(cè)向加速度信號ay (k)以及橫擺角速度信號; 3)基于縱向動力學(xué)的輪胎力估計(jì)模塊根據(jù)實(shí)時采集到的驅(qū)動力矩信號TiGO、輪速信號ωΑ-1)和《^!^，縱向加速度信號^㈨和側(cè)向加速度信號ay(k)，計(jì)算出各車輪的縱向力Fxi (k)、垂向力Fzi (k)，將垂向力Fzi (k)發(fā)送到基于修正Dugoff模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊，將縱向力Fxi(k)發(fā)送到UKF路面峰值附著系數(shù)估計(jì)模塊； 4)車輪側(cè)偏角計(jì)算模塊根據(jù)接收到的實(shí)時方向盤轉(zhuǎn)角信號《sw(k)、縱向車速信號Vx(k)、側(cè)向車速信號Vy(k)和橫擺角速度信號ν>α.)，計(jì)算各車輪的側(cè)偏角ai(k)，并將結(jié)果發(fā)送給車輪滑移率計(jì)算模塊和基于修正DugofT模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊； 5)車輪滑移率計(jì)算模塊根據(jù)接收到的實(shí)時縱向車速信號Vx(k)、側(cè)向車速信號Vy(k)、橫擺角速度信號列/0、各車輪的側(cè)偏角％00、輪速信號0^(10，計(jì)算車輪的滑移率4(10，并將結(jié)果發(fā)送給基于修正DugofT模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊； 6)基于修正Dugoff模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊根據(jù)側(cè)偏角計(jì)算模塊、滑移率計(jì)算模塊和基于縱向動力學(xué)的輪胎力估計(jì)模塊發(fā)送過來的側(cè)偏角a i (k)、滑移率Si (k)、車輪的垂向力Fzi (k)，利用修正Dugoff模型算法計(jì)算得到建立UKF濾波器所需的非線性系統(tǒng)的系數(shù)an (k)、a2i (k)、a3i (k)、a4i (k)、a5i (k)，并將結(jié)果發(fā)送給UKF路面峰值附著系數(shù)估計(jì)模塊； 7)UKF路面峰值附著系數(shù)估計(jì)模塊根據(jù)接收到的實(shí)時縱向力Fxi(k)和系數(shù)an(k)、%(*) a_(k4 q,(k) ? (i，結(jié)合UKF觀測方法得到各輪的路面峰值附著系數(shù)戍w、;； 以上，i = 1、2、3、4，代表4個車輪。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的路面峰值附著系數(shù)估算方法，其特征在于，所述步驟3)中，計(jì)算車輪縱向力Fxi (k)、垂向力Fzi (k)的方法為: ①基于縱向動力學(xué)的輪胎力估計(jì)模塊根據(jù)前、后兩個相鄰采樣時刻k-Ι和k實(shí)時采集到的輪速信號ωΑ-1)和ω ,.(k),首先計(jì)算得到在采樣時刻k時的車輪角加諫度辦(A);
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的路面峰值附著系數(shù)估算方法，其特征在于，所述步驟4)中，計(jì)算各車輪的側(cè)偏角adk)的方法為: ①首先車輪側(cè)偏角計(jì)算模塊根據(jù)采樣時刻k實(shí)時采集到的實(shí)時方向盤轉(zhuǎn)角信號?sw(k)，經(jīng)轉(zhuǎn)向傳動比換算得到前面兩轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角Q1GO和02(k); ②再根據(jù)實(shí)時縱向車速信號Vx(k)、側(cè)向車速信號Vy(k)、橫擺角速度信號ν>(Α)計(jì)算各車輪的側(cè)偏角CtiQO:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的路面峰值附著系數(shù)估算方法，其特征在于，所述步驟5)中，計(jì)算車輪的滑移率SiGO的方法為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的路面峰值附著系數(shù)估算方法，其特征在于，所述步驟6)中，基于修正DugofT模型的UKF系數(shù)計(jì)算模塊，利用修正DugofT模型算法計(jì)算UKF非線性系統(tǒng)系數(shù)的方法如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的路面峰值附著系數(shù)估算方法，其特征在于，所述步驟7)中，UKF路面峰值附著系數(shù)估計(jì)模塊利用UKF觀測方法得到各輪的路面峰值附著系數(shù)//_,的步驟如下: ①根據(jù)修正DugofT輪胎模型，各輪胎的縱向力可表示為其所在路面峰值附著系數(shù)μ maxi和該車輪狀態(tài)的函數(shù)，如下所示:
7.根據(jù)權(quán)利要求1~6之一所述的路面峰值附著系數(shù)估算方法，其特征在于，所述估算過程可以選取車輛4個車輪中的任意一個進(jìn)行。
【文檔編號】G06F19/00GK104021310SQ201410282738
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】李克強(qiáng), 陳龍, 邊明遠(yuǎn), 羅禹貢, 張書瑋, 秦兆博, 向勇, 連小珉, 王建強(qiáng), 楊殿閣, 鄭四發(fā) 申請人:清華大學(xué)