一種基于二階滑模觀測器的車輛質(zhì)心側(cè)偏角的估計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于二階滑模觀測器的車輛質(zhì)心側(cè)偏角的估計方法，屬于車輛控制領(lǐng)域，包括：步驟1：利用傳感器檢測車輛狀態(tài)，具體為：利用速度傳感器檢測車輛運行的縱向輪速vx；利用橫擺角速度傳感器檢測車輛運行過程中的橫擺角速度ω；利用方向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測車輛運行過程中的前輪轉(zhuǎn)角δ；步驟2：設(shè)計二階滑模觀測器，包括：步驟2.1：首先建立車輛系統(tǒng)的動力學(xué)模型；步驟2.2：針對車輛動力學(xué)模型設(shè)計二階滑模觀測器；步驟3：將步驟1檢測的車輛狀態(tài)信息傳遞到步驟2設(shè)計的二階滑模觀測器，運算估計得出質(zhì)心側(cè)偏角。本發(fā)明利用二自由度車輛動力學(xué)模型，設(shè)計的觀測器具有分數(shù)冪項，能降低穩(wěn)態(tài)誤差，且觀測器具有符號函數(shù)項，能提高系統(tǒng)的魯棒性。
【專利說明】
-種基于二階滑模觀測器的車輛質(zhì)心側(cè)偏角的估計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及車輛控制領(lǐng)域，具體地說是一種基于軟件離線編程，構(gòu)造二階滑模觀 測器，實現(xiàn)對車輛控制系統(tǒng)中質(zhì)屯、側(cè)偏角的實時估計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)與社會經(jīng)濟的發(fā)展，汽車數(shù)量急劇上升，成為人類的首要代步工具。 與此同時，普通駕駛員很難應(yīng)付各種復(fù)雜的交通路況，導(dǎo)致汽車交通事故頻發(fā)。
[0003] 為了能夠提高車輛的操縱穩(wěn)定性，在惡劣路況和緊急情況下調(diào)節(jié)車輛狀態(tài)，避免 車輛失穩(wěn)，汽車的主動安全控制方法被越來越多的應(yīng)用到車輛系統(tǒng)中。運些主動安全控制 方法主要包括車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)化SP)、四輪轉(zhuǎn)向控制(4WS)、主動前輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(AFS)等。 然而，運些車輛主動安全控制技術(shù)均依賴于對車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角的準確估計。
[0004] 雖然市面上存在相應(yīng)的傳感器(例如高精度巧螺儀)可W直接測量車輛的質(zhì)屯、側(cè) 偏角，但運些傳感器往往造價昂貴并且其安裝固定方式特殊，只能用于汽車的開發(fā)試驗場 合，難W在量產(chǎn)的車輛設(shè)計與制造中被選用。從節(jié)約成本和開發(fā)方便的角度出發(fā)，基于狀態(tài) 觀測器估計車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角的方法得到了大量應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的狀態(tài)觀測器一般選擇線 性的Luenberger觀測器。在系統(tǒng)模型精確可知，外部擾動較小的情況下，Luenberger觀測器 可W較好地實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的精確估計。但是，當存在較強外部擾動和模型不確定性的情況 下，Luenberger狀態(tài)觀測器很難保證系統(tǒng)具有較小的穩(wěn)態(tài)觀測誤差。值得注意的是，車輛控 制系統(tǒng)是一個典型的非線性控制系統(tǒng)，具有較大的外部隨機干擾W及系統(tǒng)本身內(nèi)在的非線 性強禪合特性。對該類復(fù)雜控制系統(tǒng)而言，Luenberger觀測器難W快速準確地估計車輛的 質(zhì)屯、側(cè)偏角。因此，迫切需要引入新的質(zhì)屯、側(cè)偏角估計方法實現(xiàn)其精確和高效的實時估計。 基于此，本發(fā)明將基于二階滑模觀測理論，提出一種魯棒性強、收斂速度快的車輛質(zhì)屯、側(cè)偏 角觀測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種基于二階滑模狀態(tài)觀 測器的車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角估計方法，利用其魯棒性強的特點W-種低成本的方式精確估計車 輛系統(tǒng)的質(zhì)屯、側(cè)偏角。該方法可W廣泛應(yīng)用于各種車輛控制系統(tǒng)的質(zhì)屯、側(cè)偏角估計。實現(xiàn) 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種基于二階滑模觀測器的車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角的估計方法，包括：
[0007] 步驟1，利用傳感器檢測車輛狀態(tài)，具體為:利用速度傳感器檢測車輛運行的縱向 輪速vx;利用橫擺角速度傳感器檢測車輛運行過程中的橫擺角速度ω;利用前輪轉(zhuǎn)角傳感 器檢測車輛運行過程中的前輪轉(zhuǎn)角δ ;
[000引步驟2，設(shè)計二階滑模觀測器，包括：
[0009] 步驟2.1，首先建立車輛系統(tǒng)的動力學(xué)模型；
[0010] 步驟2.2,針對車輛動力學(xué)模型設(shè)計二階滑模觀測器；
[0011] 步驟3,將步驟1檢測的車輛狀態(tài)信息傳遞到步驟2設(shè)計的二階滑模觀測器，運算估 計得出質(zhì)屯、側(cè)偏角。
[0012] 進一步優(yōu)選方案，所述步驟2.1中車輛系統(tǒng)的動力學(xué)模型采用線性二自由度車輛 動力學(xué)模型，其建立過程包括：
[0013] 步驟2.1.1，建立車輛二自由度動力學(xué)模型的表達式
[0016] 其中，m為汽車質(zhì)量，Kf為前軸側(cè)偏剛度，Kr為后軸側(cè)偏剛度，Iz為整車繞Z軸的轉(zhuǎn)動 慣量，X表示縱向運動，y表示橫向運動，a為車輛前軸到質(zhì)屯、的距離，b為車輛后軸到質(zhì)屯、的 距離，Vx為縱向速度，Vy為側(cè)向速度，ω為車輛的橫擺角速度，β為質(zhì)屯、側(cè)偏角，δ為車輛的前 輪轉(zhuǎn)角，F(xiàn)xf、Fyf、Fxr、Fyr分別表示前輪縱向力、前輪橫向力、后輪縱向力、后輪橫向力。
[0017] 步驟2. 1 .2,建立質(zhì)屯、側(cè)偏角的表達式：
并求導(dǎo)得到
[0018] 步驟2.1.3,將^項作為小幅度擾動d(t)，并利用狀態(tài)空間的形式對步驟2.1.1 1'、- 的車輛二自由度動力學(xué)模型進行表達，得到狀態(tài)空間形式的線性二自由度車輛動力學(xué)模 型：
[0019]
[0020] 其中χι=ω，χ2 = β，Χ=(ω ,β)τ，γ=ω，u = 5，d = d(t)，
^二[0 1],C 二[1 0]。
[0021 ]進一步優(yōu)選方案，所述步驟2.2中設(shè)計二階滑模觀測器的方法包括:將二自由度車 輛動力學(xué)模型的輸出Υ=ω作為反饋量設(shè)計二階滑模觀測器，建立二階滑模觀測器的表達 式：
[0022]
[0023] 其中，《1，矣分別表示對X 1 = ω、X 2 = β的觀測值：

[0024]
，sign(t)表示符號函數(shù)，具體為
C1、 C2為二階滑模觀測器的參數(shù)，通過調(diào)節(jié)C1、C2的值可W改變二階滑模觀測器的觀測性能。
[0025] 進一步優(yōu)選方案，所述 m= 1464kg，a= 1.256m，b = 1.368m，Kf = 20600，Kr = 45600, Iz= 1523kg. m^,Vx = 20m/s〇
[00%]本發(fā)明的有益效果：
[0027] 1、本發(fā)明設(shè)計的滑模觀測器是基于二自由度車輛動力學(xué)模型建立起來的，與完整 的屯自由度車輛模型相比，屯自由度模型具有較強的非線性W及禪合關(guān)系，基于屯自由度 模型設(shè)計的質(zhì)屯、側(cè)偏角觀測器很難實現(xiàn)且運算量大，因而難W保證觀測器所需的動態(tài)品 質(zhì)。而本發(fā)明所采用的二自由度模型針對車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角進行了模型簡化，更便于列寫關(guān) 于質(zhì)屯、側(cè)偏角的狀態(tài)方程，便于觀測器設(shè)計。
[0028] 2、設(shè)計的滑模觀測器中具有分數(shù)幕項，用W降低觀測器的穩(wěn)態(tài)誤差，且觀測器具 有符號函數(shù)項，能夠提高系統(tǒng)的魯棒性和觀測偏差的收斂速度。
[0029] 3、實際使用時，只需要3個簡易廉價的傳感器就可實現(xiàn)對車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角的估計， 操作簡便、實時性和實用性較好。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明中的車輛動力學(xué)模型示意圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明中車輛前輪轉(zhuǎn)角輸入曲線圖；
[0033 ]圖4為本發(fā)明中二階滑模觀測器反饋偏差曲線圖。
【具體實施方式】
[0034] 本發(fā)明提供了一種新型的車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角估計方法。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方 案及效果更加清楚、明確，W下將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方 案進行清楚、完整的描述。應(yīng)當理解的是，此處描述的具體實施例僅用W解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0035] 本發(fā)明的質(zhì)屯、側(cè)偏角估計方法是基于車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)化SP)所用的常規(guī)傳感器 如測速傳感器、橫擺角速度傳感器、加速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等設(shè)計的，需要通過 運些傳感器測量車輛運行狀態(tài)作為狀態(tài)觀測器模塊的輸入信號W估計車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角。
[0036] 圖1所示是本發(fā)明的質(zhì)屯、側(cè)偏角估計的系統(tǒng)原理示意圖，它包括縱向速度傳感器 1、橫擺角速度傳感器2、前輪轉(zhuǎn)角傳感器3、車輛動力學(xué)模型4、二階滑模觀測器5。利用車輛 動力學(xué)模型4建立二階滑模觀測器5,然后根據(jù)縱向速度傳感器1、橫擺角速度傳感器2W及 前輪轉(zhuǎn)角傳感器3分別測得的縱向輪速vx、橫擺角速度ω、車輛前輪轉(zhuǎn)角δ信息，利用二階滑 模觀測器5計算得到車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角的估計值。
[0037] 下面通過具體實施例來解釋本發(fā)明對行駛過程中的車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角的估計方法：
[0038] 第一步:利用傳感器檢測車輛狀態(tài)
[0039] 設(shè)計二階滑模觀測器估計車輛的質(zhì)屯、側(cè)偏角，首先應(yīng)該利用車輛中已安裝的傳感 器檢測出車輛系統(tǒng)的縱向輪速vx、橫擺角速度ω、車輛前輪轉(zhuǎn)角δ。利用速度傳感器1檢測車 輛運行的縱向輪速vx;利用橫擺角速度傳感器2檢測車輛運行過程中的橫擺角速度ω;利用 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器3檢測車輛運行過程中的前輪轉(zhuǎn)角δ。
[0040] 第二步:設(shè)計二階滑模觀測器
[0041] 本發(fā)明的核屯、在于針對車輛系統(tǒng)質(zhì)屯、側(cè)偏角估計任務(wù)的二階滑模狀態(tài)觀測器的 構(gòu)造方法，而二階滑模狀態(tài)觀測器設(shè)計的基礎(chǔ)在于車輛模型的結(jié)構(gòu)。因此，首先應(yīng)建立起車 輛系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明中，將車輛運動建模為半轉(zhuǎn)向架的線性二自由度車輛動力學(xué)模 型4。選用該模型的原因在于相較于完整的屯自由度車輛模型，二自由度模型針對車輛質(zhì)屯、 側(cè)偏角進行了模型簡化，能夠精確得出關(guān)于質(zhì)屯、側(cè)偏角的狀態(tài)方程，屯自由度模型具有較 強的非線性W及禪合關(guān)系，因而難W保證觀測器所需的動態(tài)品質(zhì)。
[0042] 車輛系統(tǒng)的二自由度動力學(xué)模型的示意圖如圖2所示，X表示縱向運動，y表示橫向 運動，a為車輛前軸到質(zhì)屯、的距離，b為車輛后軸到質(zhì)屯、的距離，vx為縱向速度，vy為側(cè)向速 度，ω為車輛的橫擺角速度，β為質(zhì)屯、側(cè)偏角，δ為車輛的前輪轉(zhuǎn)角，F(xiàn)xf、Fyf、Fxr、Fyr分別表示 前輪縱向力、前輪橫向力、后輪縱向力、后輪橫向力。
[0043] 結(jié)合圖2,車輛二自由度動力學(xué)模型可W表示為如下形式：
[0046] 式（1) (2)中，m為汽車質(zhì)量，Kf為前軸側(cè)偏剛度，Kr為后軸側(cè)偏剛度，Ιζ為整車繞Ζ軸 的轉(zhuǎn)動慣量。
[0047] 車輛的質(zhì)屯、側(cè)偏角
，所W
[004引
C3)
[0049] 考慮到實際車輛行駛過程中^數(shù)值很小，故將其處理為小幅度擾動d(t)，因此 V、'- 有：
[0化4] 將(5)(6)式寫成狀態(tài)空間的形式，其中xi= ω，χ2 = β，Χ=( ω ,β)τ，γ= ω，u = S，d = d(t)，得到：
[0055]
(7)
[0056] 式(7)表示狀態(tài)空間形式的車輛二自由度動力學(xué)模型，其中
[0057]
Bd=[0 1]，C=[1 0]〇
[005引本發(fā)明實施例中采用的車輛參數(shù)如表1所示，選取的試驗工況為縱向速度vx = 20m/s，車輛W圖3所示的前輪轉(zhuǎn)角δ蛇形前進進行Matlab仿真試驗。
[0059] 表1示例車輛參數(shù)
[0060]
[0061] 將二自由度車輛動力學(xué)模型的輸出Υ= ω作為反饋量設(shè)計二階滑模觀測器5,狀態(tài) 觀測器5的形式如下：
[0062]
巧）
[0063] 其中，為，為分別表示對X1 = ω、X 2 = β的觀測值


[0064] 式(8)中，ci、C2是二階滑模觀測器5的參數(shù)，通過調(diào)節(jié)ci、C2的值可W改變狀態(tài)觀測 器5的觀測性能。觀測器中具有分數(shù)幕項，用W降低穩(wěn)態(tài)誤差，且觀測器具有符號函數(shù)項，用 W提高系統(tǒng)的魯棒性。
[0065] 綜上所述，二階滑模狀態(tài)觀測器的構(gòu)造主要包括兩個步驟。第一，建立車輛系統(tǒng)的 二自由度線性模型，將車輛的系統(tǒng)參數(shù)輸入到模型中，將模型具體化。第二，針對車輛二自 由度動力學(xué)模型設(shè)計出二階滑模觀測器5的表達式。
[0066] 第Ξ步:將檢測的車輛狀態(tài)信息傳遞到設(shè)計的二階滑模觀測器，估計出質(zhì)屯、側(cè)偏 角
[0067] 前面兩個步驟已經(jīng)檢測到了車輛的狀態(tài)信號，并推導(dǎo)得到二階滑模觀測器的基本 結(jié)構(gòu)。第Ξ步主要是將縱向速度傳感器1、橫擺角速度傳感器2、前輪轉(zhuǎn)角傳感器3檢測到的 車輛狀態(tài)信號傳遞到二階滑模觀測器5中。二階滑模觀測器5根據(jù)車輛實時的縱向輪速vx、 橫擺角速度ωΚ及車輛前輪轉(zhuǎn)角δ，采用第二步推導(dǎo)得到的公式(8)進行運算即可得到車輛 質(zhì)屯、側(cè)偏角的估計值為。
[0068] 在本發(fā)明實例的仿真試驗工況下，觀測器的觀測反饋偏差曲線如圖4所示。由圖4 得出：本發(fā)明設(shè)計的車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角觀測器觀測誤差很小，能夠?qū)崿F(xiàn)對質(zhì)屯、側(cè)偏角的精確 觀測。
[0069] 盡管本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)各種【具體實施方式】被描述，但其并不用于限定本發(fā)明的保護 范圍，所應(yīng)理解，在不違背本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容和精神的前提下，所作任何修改、改進和等同 替換等都將落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于二階滑模觀測器的車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角的估計方法，其特征在于，包括： 步驟1，利用傳感器檢測車輛狀態(tài)，具體為:利用速度傳感器(1)檢測車輛運行的縱向輪 速Vx;利用橫擺角速度傳感器(2)檢測車輛運行過程中的橫擺角速度ω;利用方向盤轉(zhuǎn)角傳 感器(3)檢測車輛運行過程中的前輪轉(zhuǎn)角δ。 步驟2，設(shè)計二階滑模觀測器，包括： 步驟2.1，首先建立車輛系統(tǒng)的動力學(xué)模型； 步驟2.2，利用車輛動力學(xué)模型設(shè)計二階滑模觀測器； 步驟3,將步驟1檢測的車輛狀態(tài)信息傳遞到步驟2設(shè)計的二階滑模觀測器，運算估計得 出質(zhì)屯、側(cè)偏角。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于二階滑模觀測器的車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角的估計方法，其 特征在于，所述步驟2.1中車輛系統(tǒng)的動力學(xué)模型采用線性二自由度車輛動力學(xué)模型，其建 立過程包括： 步驟2.1.1，建立車輛二自由度動力學(xué)模型的表達式其中，m為汽車質(zhì)量，Kf為前軸側(cè)偏剛度，Kr為后軸側(cè)偏剛度，Ιζ為整車繞Ζ軸的轉(zhuǎn)動慣 量，X表示縱向運動，y表示橫向運動，a為車輛前軸到質(zhì)屯、的距離，b為車輛后軸到質(zhì)屯、的距 離，vx為縱向速度，vy為側(cè)向速度，ω為車輛的橫擺角速度，β為質(zhì)屯、側(cè)偏角，δ為車輛的前輪 轉(zhuǎn)角，F(xiàn)xf、Fyf、Fxr、Fyr分別表示前輪縱向力、前輪橫向力、后輪縱向力、后輪橫向力。 步驟2 . 1 . 2，建立質(zhì)屯、側(cè)偏角的表達式：并求導(dǎo)得到步驟2.1.3,將^項作為小幅度擾動d(t)，并利用狀態(tài)空間的形式對步驟2.1.1的車 輛二自由度動力學(xué)模型進行表達，得到狀態(tài)空間形式的線性二自由度車輛動力學(xué)模型： 3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于二階滑模觀測器的車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角的估計方法，其 特征在于，所述步驟2.2中設(shè)計二階滑模觀測器的方法包括:將二自由度車輛動力學(xué)模型的 輸出Υ=ω作為反饋量設(shè)計二階滑模觀測器，建立二階滑模觀測器的表達式：其中，為，％分別表示對X 1 = ω、X 2 = β的觀測值，sign(t)表示符號函數(shù)，具體為ci、C2為 二階滑模觀測器的參數(shù)，通過調(diào)節(jié)C1、C2的值可W改變二階滑模觀測器的觀測性能。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種基于二階滑模觀測器的車輛質(zhì)屯、側(cè)偏角的估計方法， 其特征在于，所述m= 1464kg，a=l .256m，b = l .368m，Kf = 20600，Kr = 45600，Iz = 1523kg. m^,Vx = 20m/s〇
【文檔編號】B60W40/103GK105835889SQ201610224498
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】丁世宏, 孫金林, 張圣道, 史鑫達, 馬莉
【申請人】江蘇大學(xué)