本發(fā)明涉及一種汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)方法，尤其是涉及一種多信息融合的汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)方法。

背景技術(shù)：

質(zhì)心側(cè)偏角是大多數(shù)車(chē)輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)控制中輸入信息，實(shí)時(shí)估計(jì)車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角是車(chē)輛穩(wěn)定性控制的基礎(chǔ)。

目前國(guó)內(nèi)外車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)方法主要有：1、基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型估計(jì)方法，利用側(cè)向加速度傳感器進(jìn)行直接積分得到車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角，但該方法嚴(yán)格依賴(lài)于傳感器信息，由于imu存在噪聲，長(zhǎng)時(shí)間對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分會(huì)導(dǎo)致誤差積累；2、基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型估計(jì)方法，但是這類(lèi)方法對(duì)模型本身的精度要求很高，同時(shí)對(duì)模型參數(shù)的變化比較敏感。3、用gps或非接觸式光學(xué)等傳感器直接測(cè)量質(zhì)心側(cè)偏角，但是成本過(guò)高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種多信息融合的汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種多信息融合的汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)方法，該方法包括如下步驟：

(1)采用運(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)法進(jìn)行估計(jì)，得到運(yùn)動(dòng)學(xué)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)值

(2)采用線性二自由度單軌車(chē)輛模型建立基于動(dòng)力學(xué)的龍貝格觀測(cè)器，采用觀測(cè)器估計(jì)得到動(dòng)力學(xué)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)值

(3)采用下述公式對(duì)和進(jìn)行融合，得到質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)值

其中，τ為濾波常數(shù)，s為拉氏算子。

步驟(1)具體包括：

(1a)實(shí)時(shí)測(cè)量車(chē)身側(cè)向加速度ay和車(chē)身橫擺角速度已知縱向車(chē)速為v；

(2a)根據(jù)下述運(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)公式求取

其中，β0為質(zhì)心側(cè)偏角初始值。

步驟(1a)中還需實(shí)時(shí)測(cè)量方向盤(pán)轉(zhuǎn)角γ，當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角γ變化范圍在±10°以內(nèi)保持5s以上，則步驟(2a)中求取時(shí)將積分項(xiàng)置。

步驟(2)中的線性二自由度單軌車(chē)輛模型為：

其中，cf1和cf2分別為前輪模型參數(shù)，cr1和cr2分別表示后輪模型參數(shù)，cf1、cf2、cr1和cr2均為常數(shù)，δ為前輪轉(zhuǎn)角，j為車(chē)身橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，lf和lr分別為車(chē)輛質(zhì)心至前軸和后軸的距離，m為車(chē)輛質(zhì)量，v為縱向車(chē)速，為車(chē)身橫擺角速度，β為動(dòng)力學(xué)質(zhì)心側(cè)偏角；

αf和αr分別為前輪和后輪側(cè)偏角，具體為：

對(duì)于線性二自由度單軌車(chē)輛模型，構(gòu)建廣義龍貝格觀測(cè)器對(duì)β進(jìn)行觀測(cè)得到觀測(cè)值，β觀測(cè)值即為動(dòng)力學(xué)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)值

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明將運(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)和動(dòng)力學(xué)估計(jì)相融合，在低頻范圍內(nèi)，基于動(dòng)力學(xué)方法的估計(jì)結(jié)果對(duì)最終估計(jì)結(jié)果起主要作用，此時(shí)，估計(jì)結(jié)果對(duì)傳感器偏置誤差具有較強(qiáng)的魯棒性，在高頻響應(yīng)階段，運(yùn)動(dòng)學(xué)方法的估計(jì)結(jié)果起主要作用，此時(shí)，估計(jì)結(jié)果對(duì)模型誤差具有較強(qiáng)的魯棒性，并且對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角的動(dòng)態(tài)變化估計(jì)得更準(zhǔn)確，多信息融合估計(jì)的方法對(duì)傳感器偏差和模型誤差的魯棒性都有所加強(qiáng)，同時(shí)，由于該融合估計(jì)方法使用到了信號(hào)所有的頻率，因此，其估計(jì)結(jié)果的相位滯后也是最小的，估計(jì)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

(2)本發(fā)明采用運(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)法獲取運(yùn)動(dòng)學(xué)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)值時(shí)，以方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)為依據(jù)，當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角γ在±10°以內(nèi)保持5s以上，重置積分，從而實(shí)現(xiàn)了積分重置機(jī)制，當(dāng)車(chē)輛保持較長(zhǎng)時(shí)間直線行駛時(shí)，對(duì)積分法進(jìn)行重置，以減小誤差積累，從而提高后續(xù)估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明多信息融合的汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)方法的流程框圖；

圖2為本線性二自由度單軌車(chē)輛模型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明廣義龍貝格觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例

如圖1所示，一種多信息融合的汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)方法，該方法包括如下步驟：

(1)采用運(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)法進(jìn)行估計(jì)，得到運(yùn)動(dòng)學(xué)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)值

(2)采用線性二自由度單軌車(chē)輛模型建立基于動(dòng)力學(xué)的龍貝格觀測(cè)器，采用觀測(cè)器估計(jì)得到動(dòng)力學(xué)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)值

(3)采用下述公式對(duì)和進(jìn)行融合，得到質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)值

其中，τ為濾波常數(shù)，s為拉氏算子。

步驟(1)具體包括：

(1a)實(shí)時(shí)測(cè)量車(chē)身側(cè)向加速度ay、縱向車(chē)速v和車(chē)身橫擺角速度即為車(chē)身橫擺角速度利用陀螺儀直接測(cè)量得到，ψ為車(chē)身橫擺角；

(2a)根據(jù)下述運(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)公式求取

其中，β0為質(zhì)心側(cè)偏角初始值。

步驟(1a)中還需實(shí)時(shí)測(cè)量方向盤(pán)轉(zhuǎn)角γ，為了解決積分法誤差積累的問(wèn)題，步驟(2a)中，以方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)為依據(jù)，當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角γ變化范圍在±10°以內(nèi)保持5s以上，設(shè)置積分重置機(jī)制，以減小誤差積累。

步驟(2)中的線性二自由度單軌車(chē)輛模型為：

其中，cf1和cf2分別為前輪模型參數(shù)，cr1和cr2分別表示后輪模型參數(shù)，cf1、cf2、cr1和cr2均為常數(shù)，δ為前輪轉(zhuǎn)角，j為車(chē)身橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，lf和lr分別為車(chē)輛質(zhì)心至前軸和后軸的距離，m為車(chē)輛質(zhì)量，v為縱向車(chē)速，為車(chē)身橫擺角速度，β為動(dòng)力學(xué)質(zhì)心側(cè)偏角；

αf和αr分別為前輪和后輪側(cè)偏角，具體為：

對(duì)于線性二自由度單軌車(chē)輛模型，構(gòu)建廣義龍貝格觀測(cè)器對(duì)β進(jìn)行觀測(cè)得到觀測(cè)值，β觀測(cè)值即為動(dòng)力學(xué)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)值

本發(fā)明的原理：

(1)考慮積分重置的運(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)法估計(jì)

本研究建立二自由度單軌車(chē)輛模型，如圖2所示，假定車(chē)輛的縱向速度不變，只考察車(chē)輛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)和橫擺運(yùn)動(dòng)。

基于車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可以得到：

其中β0表示質(zhì)心側(cè)偏角初始值，v為縱向車(chē)速，ay為車(chē)身側(cè)向加速度，為車(chē)身橫擺角速度。將等式兩邊進(jìn)行積分，可得到：

其中β0表示質(zhì)心側(cè)偏角初始值。

為了解決積分法誤差積累的問(wèn)題，設(shè)置積分重置機(jī)制，當(dāng)車(chē)輛保持較長(zhǎng)時(shí)間直線行駛時(shí)，對(duì)積分法進(jìn)行重置，以減小誤差積累。以方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)為依據(jù)，當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角在±10°以內(nèi)保持5s以上，重置積分。

(2)基于動(dòng)力學(xué)的龍貝格觀測(cè)器估計(jì)

采用如下的反正切函數(shù)來(lái)描述輪胎側(cè)偏角-側(cè)向力的非線性關(guān)系：

fy＝c1atan(c2α)，

式中，c1和c2為輪胎模型參數(shù)，fy和α分別為輪胎的側(cè)向力和側(cè)偏角。

車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以轉(zhuǎn)化成如下形式：

將車(chē)輛運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)化為如下的狀態(tài)空間形式：

對(duì)于非線性狀態(tài)函數(shù)和觀測(cè)函數(shù)，其廣義龍貝格觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，狀態(tài)方程為：

上式中表示反饋系數(shù)矩陣。

定義估計(jì)誤差：

將該非線性系統(tǒng)線性化，其雅克比矩陣元素為：

通過(guò)局部線性化處理，估計(jì)誤差可表示為：

定義誤差矩陣：

則誤差方程的解為：

上式中t0表示初始時(shí)刻。只要誤差矩陣f恒為負(fù)，那么在任意初始條件下，經(jīng)過(guò)有限長(zhǎng)的時(shí)間，估計(jì)誤差將收斂到零，即估計(jì)值將收斂到真實(shí)值。因此，需要設(shè)計(jì)反饋增益矩陣，保證誤差矩陣的所有特征根恒為負(fù)。

在二自由度模型中，選取前輪轉(zhuǎn)角作為系統(tǒng)輸入變量，橫擺角速度作為觀測(cè)變量，可得誤差矩陣表達(dá)式為：

上式中l(wèi)1和l2表示反饋系數(shù)中的兩個(gè)元素。

則誤差矩陣的特征根為：

得到系統(tǒng)兩個(gè)特征根：

由于λ1恒小于零，選擇合適的l2，使λ2也小于零，保證觀測(cè)器的兩個(gè)特征根都小于零，從而能夠使?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器在原點(diǎn)處收斂。