[發(fā)明專利]輪式裝載機(jī)輪胎縱向力動(dòng)態(tài)估計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711224884.9
• 申請(qǐng)日: 2017-11-29
• 公開（公告）號(hào): CN107985315A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王繼新;楊智宇;韓云武;王偉;趙永玲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): B60W40/00
• 分類號(hào): B60W40/00;B60W40/10;B60W40/13
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司22201
• 代理人: 劉程程

1.輪式裝載機(jī)輪胎縱向力動(dòng)態(tài)估計(jì)方法，其特征在于：

所述動(dòng)態(tài)估計(jì)方法首先基于前后橋獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)輪式裝載機(jī)的前后電機(jī)實(shí)時(shí)可知的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T_f,r以及測(cè)量得到的輪胎滾動(dòng)半徑r_eff，通過非線性濾波器估計(jì)得到縱向速度v_x；然后依據(jù)傳感器測(cè)量得到的縱向加速度和坡度θ，估計(jì)得到的縱向速度v_x、通過計(jì)算得到的前后輪胎滑移率σ_f,r以及通過查表或計(jì)算得到的整車質(zhì)量m和鏟掘阻力縱向分力F_x，搭建狀態(tài)方程和量測(cè)方程，最后通過擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)得到動(dòng)態(tài)的前輪縱向力F_xf和后輪縱向力F_xr。

2.如權(quán)利要求1所述輪式裝載機(jī)輪胎縱向力動(dòng)態(tài)估計(jì)方法，其特征在于：

所述動(dòng)態(tài)估計(jì)方法具體過程如下：

一、布置傳感器：

在裝載機(jī)的靜態(tài)重心位置安裝加速度傳感器和坡度傳感器，用于測(cè)量裝載機(jī)的縱向加速度和裝載機(jī)行駛時(shí)路面坡度的變化；

在裝載機(jī)橋殼上安裝輪速傳感器，用于測(cè)量輪胎轉(zhuǎn)速；

二、縱向速度v_x的估計(jì)：

基于前后橋獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)輪式裝載機(jī)的前后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)可知的特點(diǎn)，假設(shè)車輛只是縱向行駛，通過一個(gè)非線性濾波器對(duì)縱向速度進(jìn)行估計(jì)，具體計(jì)算公式如下：

v·x(t)=-Tf,r/L,x(t)>dTf,r/L,x(t)<-d(-Tf,r·x(t))/dL,else...(1)]]>

y(t＝0)＝y(tǒng)₀………………………………(2)

公式(1)中，v_x(t)是車輛的縱向速度，x(t)是前后車輪角速度ω_f,r與輪胎滾動(dòng)半徑r_eff的乘積，前后車輪角速度ω_f,r通過輪速傳感器測(cè)量得到，輪胎滾動(dòng)半徑r_eff通過測(cè)量得到；T_f,r是前后橋電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，L是系統(tǒng)參數(shù)，d是自定義值。

三、推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)模型并建立狀態(tài)方程和量測(cè)方程：

(1)、推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)模型：

基于力平衡原理，縱向加速度與整車質(zhì)量m、前輪縱向力F_xf、后輪縱向力F_xr、路面坡度θ和鏟掘阻力縱向分力F_x的計(jì)算關(guān)系如下：

v·x(k)=1m(Fxf(k)+Fxr(k)-mg sinθ-Fx(k))=1mFxf(k)+1mFxr(k)-g sinθ-1mFx(k)......(3)]]>

上述關(guān)系式(3)中，鏟掘阻力縱向分力F_x通過經(jīng)驗(yàn)公式獲得，整車質(zhì)量m通過車輛出廠手冊(cè)獲得，路面坡度θ通過坡度傳感器測(cè)量得到；

基于力矩平衡原理，前輪角加速度和后輪角加速度與前輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T_f、后輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T_r，輪胎滾動(dòng)半徑r_eff、前輪縱向力F_xf、后輪縱向力F_xr、輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I_e、輪胎滑移系數(shù)K、滾動(dòng)阻力系數(shù)γ、前輪縱向滑移率S_f和后輪縱向滑移率S_r的計(jì)算關(guān)系如下：

ω·wf(k)=1Ie(Tf(k)-Trf(k)-reffFxf(k))=-reffFxf(k)Ie+1IeTf(k)-γreffFxf(k)IeKSf(k)......(4)]]>

ω·wr(k)=1Ie(Tr(k)-Trr(k)-reffFxr(k))=-reffFxr(k)Ie+1IeTr(k)-γreffFxr(k)IeKSr(k)......(5)]]>

上述公式(3)、(4)和(5)即為所需的動(dòng)力學(xué)模型；

(2)、建立狀態(tài)方程和量測(cè)方程：

離散時(shí)間的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)由描述狀態(tài)向量的狀態(tài)方程和描述量測(cè)向量的量測(cè)方程組成：

x_k+1＝A_kx_k+B_ku_k+w_k…………………………………(6)

z_k+1＝H_k+1x_k+1+v_k+1……………………………………(7)

上述公式(6)和(7)中，A_k是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，B_k是控制輸入矩陣，H_k+1是量測(cè)矩陣。w_k和v_k+1是相互獨(dú)立的過程噪聲和量測(cè)噪聲，Q_k是w_k的協(xié)方差矩陣，R_k+1是v_k+1的協(xié)方差矩陣，x_k是狀態(tài)變量，u_k是控制量，z_k是量測(cè)量；

擴(kuò)充狀態(tài)變量x_k，得到x_k＝[v_x ω_f ω_r F_xf F_xr]^T；

量測(cè)矩陣H_k+1定義為：

Hk+1=100000100000100...(8)]]>

k+1時(shí)刻的狀態(tài)量x_k+1與k時(shí)刻的狀態(tài)量x_k的關(guān)系如下所示：

xk+1=xk+Δt·x·k...(9)]]>

式中，Δt是采樣時(shí)間，是x_k的導(dǎo)數(shù)；

基于公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)和(9)，推導(dǎo)出狀態(tài)方程(10)和量測(cè)方程(11)如下所示：

vx,kωf,kωr,kFxf,kFxr,k=vx,k-1+Δt(1mFxf(k-1)+1mFxr(k-1)-g sinθ-1mFx(k-1))ωf,k-1+Δt(-reffFxf(k-1)Ie+1IeTf(k-1)-γreffFxf(k-1)IeKSf(k-1))ωr,k-1+Δt(-reffFxr(k-1)Ie+1IeTr(k-1)-γreffFxr(k-1)IeKSr(k-1))Fxf,k-1Fxr,k-1+wkvxwkωfwkωrwkFxfwkFxr......(10)]]>

yk=100000100000100vx,kωf,kωr,kFxf,kFxr,k+ekvxekωfekωrekFxfekFxr...(11)]]>

四、擴(kuò)展卡爾曼濾波遞推：

在遞推過程中，先初始化濾波器，即定義x_k的初值x(0)以及協(xié)方差矩陣P_k的初值P(0)，具體計(jì)算公式如下：

x(0)=E(x0)=diag(0,0,0,0,0)P(0)=E[(x0-x^0)(x0-x^0)T]=diag(1,1,1,1,1)...(12)]]>

式中，表示估計(jì)值；

后續(xù)計(jì)算中擴(kuò)展卡爾曼濾波中x_k和協(xié)方差矩陣P_k的執(zhí)行時(shí)間更新方程為：

Pk+1|k=Fk+1|kPk|kFk+1|kT+Qkxk+1|k=fk|k(x^k|k,uk|k,0)...(13)]]>

運(yùn)用雅克比矩陣F和G組成的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣x_k+1＝F_kx_k+G_ku_k+w_k，替代原有的非線性狀態(tài)方程(6)，F(xiàn)和G分別如下式所示：

F=∂fF∂x=100ΔtmΔtm010Δt(-reffIe-γreffIeKSf(k))00010Δt(-reffIe-γreffIeKSr(k))0001000001......(14)]]>

G=∂fG∂x=00-Δtm00ΔtIe00ΔtγreffFxf(k)IeKSf(k)200ΔtIe00ΔtγreffFxr(k)IeKSr(k)20000000000...(15)]]>

基于公式(8)、(13)、(14)和(15)，計(jì)算卡爾曼濾波增益K_k，具體計(jì)算公式如下：

Kk=Pk+1|kHkT(HkPk+1|kHkT+Rk)-1...(16)]]>

根據(jù)公式(8)、(13)和(16)，進(jìn)而求狀態(tài)更新和協(xié)方差更新P_k+1|k+1，具體計(jì)算公式如下：

x_k+1|k+1＝x_k+1|k+K_k(y_k+1-H_kx_k+1|k)………………(17)

P_k+1|k+1＝(I-K_kH_k)P_k+1|k……………………(18)

通過前述公式(10)、(11)和上述擴(kuò)展卡爾曼濾波遞推公式計(jì)算后，即實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)估計(jì)輪式裝載機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)中的前后輪輪胎縱向力。