專利名稱：一種基于滑模觀測器的車輛運行狀態(tài)非線性魯棒估計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于滑模觀測器的車輛運行狀態(tài)非線性魯棒估計方法，其目的在于通過所建立的滑模觀測器實現(xiàn)對汽車運行過程的非線性在線估計，獲得汽車在高機動運行工況和復雜多變道路環(huán)境下準確、可靠的運行狀態(tài)，這些狀態(tài)可用于汽車主動安全的相關控制，本發(fā)明方法具有抗干擾能力強、精度高、實時性好以及成本低等顯著特點，屬于汽車主動安全測量與控制領域。
背景技術：
為防止道路交通事故的發(fā)生，汽車主動安全技術近年來得到了迅猛的發(fā)展。汽車主動安全技術能夠防患于未然，主動避免事故的發(fā)生，已成為現(xiàn)代汽車最主要的發(fā)展方向之一。目前常見的主動安全技術主要包括防抱死制動系統(tǒng)(ABS)，車輛電子穩(wěn)定程序 (ESP)，牽引力控制系統(tǒng)(TCS)，電控驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ASR)，四輪轉(zhuǎn)向穩(wěn)定控制系統(tǒng)(4WS)等。 這些系統(tǒng)通常涉及汽車輪胎的速度、汽車的縱向前進速度、側(cè)向速度、橫擺角速度以及質(zhì)心側(cè)偏角等運行狀態(tài)的測量或估計，對這些運行狀態(tài)的測量可用于后續(xù)的汽車主動安全控制，因此其精度直接關系汽車的行駛安全性與穩(wěn)定性，即上述主動安全控制系統(tǒng)能否有效工作在很大程度上依賴于車輛運行狀態(tài)能否被實時、準確的測量或估計。在汽車主動安全領域，車輛運動狀態(tài)主要通過三種方法來測量或估計。一是利用低成本的車載傳感器(如慣性傳感器和輪速傳感器等)，對其測量的信號進行簡單的數(shù)學推算來獲取有關車輛運行狀態(tài)，這種方法成本低，但由于低成本傳感器精度較差且推算處理過于簡單而存在較大的測量誤差，因而影響了控制效果。二是利用高精度的傳感器對有關車輛運行狀態(tài)進行直接測量(如利用光電五輪儀或高精度的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS，尤其是高精度全球定位系統(tǒng)GPS等)，這種方法精度高但價格昂貴，無法大范圍推廣應用。第三種方法是模型法，即通過對汽車的運行過程進行運動學或動力學建模，同時將有關低成本的車載傳感器(如輪速傳感器、陀螺儀、加速度計以及GPS等)信息作為觀測信息，進而利用適當?shù)臑V波估計算法實現(xiàn)對汽車運行狀態(tài)的估計。第三種方法(即模型法)可實現(xiàn)對難于直測量的估計，擴大狀態(tài)估計的維數(shù)，還可提高有關直測量的精度，同時成本較低。但目前已提出的模型法主要是基于汽車的運動學模型或者對整車或輪胎做了較多線性化假定的動力學模型，且往往對外部道路環(huán)境的變化考慮不足，在車輛較平穩(wěn)運行和外部環(huán)境干擾較少時能獲得較好的估計效果和精度，但在高機動運行狀況和復雜多變道路環(huán)境下由于難于反映車輛的真實動力學行為和狀況導致估計精度較低甚至發(fā)散，且抗干擾性能有待提尚。

發(fā)明內(nèi)容
為在高機動工況和復雜多變環(huán)境下實現(xiàn)準確、可靠的車輛狀態(tài)估計，本發(fā)明提出了一種基于滑模觀測器的車輛運行狀態(tài)非線性魯棒估計方法。本發(fā)明提出的方法針對汽車高機動運行狀況和復雜多變道路環(huán)境來確立更接近實際的汽車非線性動力學模型，并設計相應的滑模觀測器，另外利用低成本的車載輪速和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器來建立滑模觀測器系統(tǒng)的外部輸入量和測量信息，進而通過提出的滑模觀測器估計遞推算法實現(xiàn)對汽車縱向前進速度、橫擺角速度、側(cè)向速度以及質(zhì)心側(cè)偏角等運行狀態(tài)的估計，具有抗干擾能力強、精度高、易實現(xiàn)以及成本低等特點。一種基于滑模觀測器的車輛運行狀態(tài)非線性魯棒估計方法，本發(fā)明針對目前應用較多的前輪轉(zhuǎn)向四輪汽車，為適應高機動運行工況和復雜多變路況下汽車主動安全控制對車輛運行狀態(tài)的測量與估計需要，利用低成本的車載輪速和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器來確定建立外部輸入量和測量信息，設計了基于非線性汽車動力學模型的滑模觀測器，通過滑模觀測器的估計遞推來實現(xiàn)對汽車縱向前進速度、橫擺角速度、側(cè)向速度以及質(zhì)心側(cè)偏角等信息的準確、魯棒估計，具體步驟包括1)建立車輛運行狀態(tài)的滑模觀測器采用三自由度的汽車非線性動力學模型，該模型的狀態(tài)空間方程形式如下
權利要求
1. 一種基于滑模觀測器的車輛運行狀態(tài)非線性魯棒估計方法，其特征在于本方法針 對目前應用較多的前輪轉(zhuǎn)向四輪汽車，設計了基于非線性汽車動力學模型的滑模觀測器， 通過滑模觀測器的估計遞推實現(xiàn)對汽車縱向前進速度、橫擺角速度、側(cè)向速度以及質(zhì)心側(cè) 偏角等信息的準確、魯棒估計，具體步驟包括 1)建立車輛運行狀態(tài)的滑模觀測器采用三自由度的汽車非線性動力學模型，該模型的狀態(tài)空間方程形式如下 X1 = fx{xx,X2,f) + gx{8f ,Ftf,Ftr)
2.根據(jù)權利要求1所述的基于滑模觀測器的車輛運行狀態(tài)非線性魯棒估計方法，其特征是縱向前進速度和橫擺角速度是可以直測得到的量，即通過輪速傳感器測量獲得車輛縱向前進速度和橫擺角速度，具體為利用后輪軸上兩個輪速傳感器測得的左后輪角速度ωΛ 和右后輪角速度、κ乘以輪胎半徑R得到V' el = R. ωΛ Ρν' ΕΕ = R · ωΓΕ, V'肌和 V' ΕΕ分別表示Vkl和Vkk含有噪聲的測量值且d = Vrl +Hvri、V: = Vrr +Hvrr，其中分別表示左后輪和右后輪的車輪線速度的加性測量噪聲，進而再利用式( 得到縱向前進速度和橫擺角速度含有噪聲的測量值ν' x和ω ‘ ζ；對于式(3)中三個外輸入變量，通過下面的方法來確定前輪轉(zhuǎn)向角S ￡可通過方向盤轉(zhuǎn)角傳感器測得的方向盤轉(zhuǎn)角δ除以從方向盤到前輪的轉(zhuǎn)向傳動比Cit來確定，S卩Sf= 5/qt；輪胎縱向力Ftf和Fte可根據(jù)Dugoff非線性輪胎模型來確定； 為確定Ftf和Fte，引入車輛縱向滑移率isj(j = f，r)，isj又分為前輪軸縱向滑移率isf 和后輪軸縱向滑移率‘，本方法中下角標j取f或r分別表示前或后輪軸，isJ計算方法為
3.根據(jù)權利要求1所述的基于滑模觀測器的車輛運行狀態(tài)非線性魯棒估計方法，其特征是離散的周期T的典型值取為10毫秒、20毫秒或50毫秒。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于滑模觀測器的車輛運行狀態(tài)非線性魯棒估計方法，本方法針對高機動運行狀況和復雜多變道路環(huán)境來確立更接近實際的汽車非線性動力學模型，并設計相應的滑模觀測器，另外利用低成本的車載輪速和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器來建立滑模觀測器系統(tǒng)的外部輸入量和測量信息，進而通過提出的滑模觀測器估計遞推算法實現(xiàn)對汽車多個運行狀態(tài)的估計，具有抗干擾能力強、精度高、易實現(xiàn)以及成本低等特點。
文檔編號B60W40/105GK102529976SQ20111042004
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權日2011年12月15日
發(fā)明者李旭, 陳偉, 黃金鳳 申請人:東南大學