[發(fā)明專利]一種基于卡爾曼濾波和最小二乘法的車輛路面附著系數(shù)估計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110884295.3
• 申請日: 2021-08-03
• 公開（公告）號: CN113460056B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙健;陳志成;朱冰
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: B60W40/064
• 分類號: B60W40/064;G06F30/20;G06F17/15;G06F17/18
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 崔斌

1.一種基于卡爾曼濾波和最小二乘法的車輛路面附著系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、基于車輛動(dòng)力學(xué)模型對車輛的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行求解；

步驟二、基于卡爾曼濾波估計(jì)出車輛行駛過程中輪胎受到的輪胎力；

步驟三、采用最小二乘法對路面附著系數(shù)進(jìn)行了估計(jì)；

步驟四、通過斜率法對步驟三中低滑移率下的路面附著系數(shù)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正；

步驟一中所述狀態(tài)參數(shù)包括車速、制動(dòng)壓力、前輪轉(zhuǎn)角、輪胎滑移率、側(cè)偏角和車輪垂向力；所述車速、制動(dòng)壓力、前輪轉(zhuǎn)角由傳感器獲得；所述輪胎滑移率、側(cè)偏角和車輪垂向力由車輛動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出；

所述輪胎滑移率、側(cè)偏角和車輪垂向力由車輛動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的具體方法如下：

11)建立包含車輛縱向、側(cè)向和橫擺運(yùn)動(dòng)的三自由度模型，得車輛動(dòng)力學(xué)模型方程為：

ma_x＝[cosδ cosδ 1 1 -sinδ 0]F_tire (1)

ma_y＝[sinδ sinδ 0 0 cosδ 1]F_tire (2)

式中，F(xiàn)_tire＝[F_xfl F_xfr F_xrl F_xrr F_yfF_yr]^T表示輪胎力集合；F_xfl表示前左輪縱向力；F_xfr表示前右輪縱向力；F_xrl表示后左輪縱向力；F_xrr表示后右輪縱向力；F_yf＝(F_yfl+F_yfr)表示前輪總側(cè)向力；F_yr＝(F_yrl+F_yrr)表示后輪總側(cè)向力；F_yfl表示前左輪側(cè)向力；F_yfr表示前右輪側(cè)向力；F_yrl表示后左輪側(cè)向力；F_yrr表示后右輪側(cè)向力；m表示整車質(zhì)量，a_x表示車輛縱向加速度；a_y表示車輛側(cè)向加速度；δ表示車輛前輪轉(zhuǎn)角；I_z表示車輛繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；l_f表示車輛質(zhì)心到前軸距離；l_r表示車輛質(zhì)心到后軸距離；t_w表示輪距；表示車輛質(zhì)心處橫擺角加速度；

12)根據(jù)動(dòng)力學(xué)平衡關(guān)系得到車輪的動(dòng)力學(xué)方程為：

式中，i＝fl，fr，rl，rr分別表示對應(yīng)的前左車輪，前右車輪，后左車輪和后右車輪；I_wi表示輪胎旋轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量；表示車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度；T_di表示車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_bi表示車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；F_xi表示車輪受到地面的縱向反作用力；r表示車輛滾動(dòng)半徑；T_Fi＝(a+bv_i)F_zir表示車輪受到的滾動(dòng)阻力矩；a和b表示滾動(dòng)阻力系數(shù)參數(shù)值；v_i表示車輪中心處的縱向速度；F_zi表示車輪受到地面的垂向反作用力；

13)智能電動(dòng)汽車的四輪驅(qū)動(dòng)力矩可以表示為：

式中，T_dfl表示前左車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_dfr表示前右車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_drl表示后左車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_drr表示后右車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_e表示整車動(dòng)力電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；i₀表示傳動(dòng)系的傳動(dòng)比；η_t表示傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率；

14)車輛制動(dòng)過程中由制動(dòng)力形成的制動(dòng)力矩表示為：

T_bi＝k_biP_wi (6)

式中，i＝fl，fr，rl，rr分別表示對應(yīng)的前左車輪，前右車輪，后左車輪和后右車輪；T_bi表示車輪的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；k_bi表示制動(dòng)效能因數(shù)；P_wi表示輪缸制動(dòng)壓力；

15)車輪受到地面的垂向反作用力與車輛加速和減速形成的慣性力存在關(guān)系，表示為：

式中，F(xiàn)_zfl表示前左車輪受到地面的垂向反作用力；F_zfr表示前右車輪受到地面的垂向反作用力；F_zrl表示后左車輪受到地面的垂向反作用力；F_zrr表示后右車輪受到地面的垂向反作用力；m表示整車質(zhì)量；a_x表示車輛縱向加速度；a_y表示車輛側(cè)向加速度；l_f表示車輛質(zhì)心到前軸距離；l_r表示車輛質(zhì)心到后軸距離；h_g表示質(zhì)心高度；t_w表示輪距；

16)選用前左輪縱向力，前右輪縱向力，后左輪縱向力，后右輪縱向力，前輪總側(cè)向力，后輪總側(cè)向力，前左車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，前右車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，后左車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，后右車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和車輛質(zhì)心處橫擺角速度為系統(tǒng)狀態(tài)變量，即選用車輛縱向加速度，車輛側(cè)向加速度，前左車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，前右車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，后左車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，后右車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和車輛質(zhì)心處橫擺角速度為系統(tǒng)輸出，那么得到車輛動(dòng)力學(xué)空間方程為：

式中，X表示系統(tǒng)狀態(tài)變量；表示系統(tǒng)狀態(tài)變量的微分；u表示系統(tǒng)輸入；Φ表示系統(tǒng)狀態(tài)變量矩陣；B表示系統(tǒng)輸入矩陣；Y表示系統(tǒng)輸出；H表示系統(tǒng)輸出矩陣，且有：

H_x＝[cosδ cosδ 1 1 -sinδ 0]，

H_y＝[sinδ sinδ 0 0 cosδ 1]，

式中，Φ表示系統(tǒng)狀態(tài)變量矩陣；B表示系統(tǒng)輸入矩陣；H表示系統(tǒng)輸出矩陣；r表示車輛滾動(dòng)半徑；I表示單位矩陣；T_dfl表示前左車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_dfr表示前右車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_drl表示后左車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_drr表示后右車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_bfl表示前左車輪的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_bfr表示前右車輪的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_brl表示后左車輪的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T_brr表示后右車輪的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；I_wfl表示前左車輪的輪胎旋轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量；I_wfr表示前右車輪的輪胎旋轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量；I_wrl表示后左車輪的輪胎旋轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量；I_wrr表示后右車輪的輪胎旋轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量；I_z表示車輛繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；H_x表示縱向力矩陣；H_y表示側(cè)向力矩陣；表示橫擺角矩陣；l_f表示車輛質(zhì)心至前軸的距離；l_r表示車輛質(zhì)心至后軸的距離；δ表示車輛前輪轉(zhuǎn)角；t_w表示輪距；m表示整車質(zhì)量；T_Ffl表示前左車輪受到的滾動(dòng)阻力矩；T_Ffr表示前右車輪受到的滾動(dòng)阻力矩；T_Frl表示后左車輪受到的滾動(dòng)阻力矩；T_Frr表示后右車輪受到的滾動(dòng)阻力矩；

17)采用刷子模型表征車輛輪胎的縱向力和車輛輪胎的側(cè)向力之間的聯(lián)系，表示為：

式中，i＝fl，fr，rl，rr分別表示對應(yīng)的前左車輪，前右車輪，后左車輪和后右車輪；F_xi表示車輪受到地面的縱向反作用力；F_yi表示車輪受到地面的側(cè)向反作用力；C_xi表示輪胎的縱向剛度；C_αi表示輪胎的側(cè)向剛度；κ_i表示輪胎的滑移率；α_i表示輪胎側(cè)偏角；f_i表示刷子模型剛度系數(shù)；F_ti表示刷子模型表征力；μ表示路面附著系數(shù)；F_zi表示車輪受到地面的垂向反作用力；

18)根據(jù)車輪旋轉(zhuǎn)角速度、前輪轉(zhuǎn)角、車速以及車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算各個(gè)輪胎的滑移率：

式中，κ_fl表示前左輪滑移率；κ_fr表示前右輪滑移率；κ_rl表示后左輪滑移率；κ_rr表示后右輪滑移率；ω_fl表示前左輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；ω_fr表示前右輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；ω_rl表示后左輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；ω_rr表示后右輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；r表示車輛滾動(dòng)半徑；v_x表示車輛縱向速度；v_y表示車輛側(cè)向速度；t_w表示輪距；δ_fl表示車輛前左輪轉(zhuǎn)角；δ_fr表示車輛前右輪轉(zhuǎn)角；l_f表示車輛質(zhì)心到前軸距離；表示車輛質(zhì)心處橫擺角速度；

19)智能電動(dòng)汽車在行駛過程中，對應(yīng)輪胎側(cè)偏角為：

式中，α_fl表示前左輪輪胎側(cè)偏角；α_fr表示前右輪輪胎側(cè)偏角；α_rl表示后左輪輪胎側(cè)偏角；α_rr表示后右輪輪胎側(cè)偏角；表示車輛質(zhì)心處橫擺角速度；l_f表示車輛質(zhì)心到前軸距離；l_r表示車輛質(zhì)心到后軸距離；δ_fl表示車輛前左輪轉(zhuǎn)角；δ_fr表示車輛前右輪轉(zhuǎn)角；β表示車輛質(zhì)心側(cè)偏角；v_x表示車輛縱向速度；