CN105034988B - 汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法，包括以下步骤：设置汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断系统；设置方向盘转角阈值、横摆角速度阈值、侧向加速度阈值和时间阈值；测量方向盘转角实际值，估算方向盘转角估算值，计算方向盘转角残差；比较方向盘转角残差和方向盘转角阈值，确定方向盘转角传感器是否发生故障。测量横摆角速度实际值，估算横摆角速度估算值，比较横摆角速度残差和横摆角速度阈值，确定横摆角速度传感器是否发生故障。测量侧向加速度实际值，估算侧向加速度估算值，比较侧向加速度残差和侧向加速度阈值，确定侧向加速度传感器是否发生故障。本发明可广泛应用于汽车传感器故障诊断和容错控制中。

Description

汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种汽车传感器故障诊断和容错控制方法，特别是关于一种汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法。

背景技术

汽车电子稳定控制系统(ESC)是汽车技术领域重要的主动安全系统，是汽车防抱死制动系统(ABS)和牵引力控制系统(TCS)功能的进一步扩展，并在此基础上，增加了方向盘转角传感器、横摆角速度传感器和侧向加速度传感器。当方向盘转角传感器、横向加速度传感器和横摆角速度传感器的信号表明汽车转向不足或者过度转向时，电子稳定控制系统会控制单个或多个车轮进行主动制动，调整汽车的车身姿态，使车辆保持稳定状态，从而保证汽车安全。当方向盘转角传感器、横摆角速度传感器和侧向加速度传感器中的任何一个传感器发生故障，汽车安全性将会降低，原因包括两方面：(1)如果车辆在稳定状态下，而传感器发生了故障，电子稳定控制系统会因为错误信号误触发，车轮发生主动制动，影响行车安全；(2)如果电子稳定控制系统能够识别出传感器故障，但是不能进行容错控制，当车辆进入不稳定状态时电子稳定控制系统失效，不能对车辆状态进行主动调整，汽车存在严重的安全隐患。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够准确诊断方向盘转角传感器、横摆角速度传感器和侧向加速度传感器是否发生故障，并且当识别出传感器故障后，能够实现传感器故障容错控制，保证电子稳定控制系统正常工作的汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法，其包括以下步骤：

1)设置汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断系统，其包括方向盘转角传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、方向盘转角估算模块、方向盘转角传感器诊断模块、横摆角速度估算模块、横摆角速度诊断模块、侧向加速度估算模块、侧向加速度诊断模块和容错控制模块；

2)设置方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)、横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)、侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)和时间阈值T_(Threshold)；

3)方向盘转角传感器测量方向盘转角实际值δ₀，并将方向盘转角实际值δ₀的信号输送至方向盘转角传感器诊断模块，方向盘转角估算模块估算方向盘转角估算值并将方向盘转角估算值的信号输送至方向盘转角传感器诊断模块，方向盘转角传感器诊断模块根据接收到的信号计算方向盘转角残差Δδ，计算公式如下：

4)比较方向盘转角残差Δδ和方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)，若Δδ＜Δδ_(Threshold)，进入步骤5)；则；若Δδ＞Δδ_(Threshold)，则测量方向盘转角残差Δδ大于方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)持续的时间T₁，若T₁＜T_(Threshold)，则进入步骤5)；否则，进入步骤6)；

5)方向盘转角传感器诊断模块确定方向盘转角传感器正常，并将方向盘转角实际值δ₀和方向盘转角估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出方向盘转角值为进入步骤7)；

6)方向盘转角传感器诊断模块确定方向盘转角传感器发生故障，并将方向盘转角实际值δ₀和方向盘转角估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出方向盘转角值为方向盘转角估算值横摆角速度值为横摆角速度实际值γ₀，侧向加速度值为侧向加速度实际值a_y0，容错控制模块中的方向盘转角传感器报警灯报警提醒，诊断停止；

7)横摆角速度传感器测量横摆角速度实际值γ₀，并将横摆角速度实际值γ₀的信号输送至横摆角速度诊断模块，横摆角速度估算模块估算横摆角速度估算值并将横摆角速度估算值的信号输送至横摆角速度诊断模块，横摆角速度诊断模块根据接收到的信号计算横摆角速度残差Δγ，计算公式如下：

8)比较横摆角速度残差Δγ和横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)，若Δγ＜Δγ_(Threshold)，进入步骤9)；若Δγ＞Δγ_(Threshold)，则测量横摆角速度残差Δγ大于横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)持续的时间T₂，若T₂＜T_(Threshold)，进入步骤9)；否则，进入步骤10)；

9)横摆角速度诊断模块确定横摆角速度传感器正常，并将横摆角速度实际值γ₀和横摆角速度估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出横摆角速度值为进入步骤11)；

10)横摆角速度诊断模块确定横摆角速度传感器发生故障，并将横摆角速度实际值γ₀和横摆角速度估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出横摆角速度值为横摆角速度估算值方向盘转角值为方向盘转角实际值δ₀，侧向加速度值为侧向加速度实际值a_y0，容错控制模块10中的横摆角速度传感器报警灯报警提醒，诊断停止；

11)侧向加速度传感器测量侧向加速度实际值a_y0，并将侧向加速度实际值a_y0的信号输送至侧向加速度诊断模块，侧向加速度估算模块估算侧向加速度估算值并将侧向加速度估算值的信号输送至侧向加速度诊断模块，侧向加速度诊断模块根据接收到的信号计算侧向加速度残差Δa_y，计算公式如下：

12)比较侧向加速度残差Δa_y和侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)，若Δa_y＜Δa_y(Threshold)，进入步骤13)；则若Δa_y＞Δa_y(Threshold)，则测量侧向加速度残差Δa_y大于侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)持续的时间T₃，若T₃＜T_(Threshold)，进入步骤13)；否则，进入步骤14)；

13)侧向加速度诊断模块确定侧向加速度传感器正常，并将侧向加速度实际值a_y0和侧向加速度估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出侧向加速度值为进入步骤3)，进行下一个诊断循环；

14)侧向加速度诊断模块确定侧向加速度传感器发生故障，并将侧向加速度实际值a_y0和侧向加速度估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出侧向加速度值为侧向加速度估算值方向盘转角值为方向盘转角实际值δ₀，横摆角速度值为横摆角速度值γ₀，容错控制模块中的侧向加速度传感器报警灯报警提醒，诊断停止。

所述步骤2)中，方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)、横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)和侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)的设置采用动态阈值的选取方法，包括以下步骤：

(1)根据车辆与轮胎的参数确定方向盘转角阈值的两个取值为Δδ_1(Threshold)和Δδ_2(Threshold)，横摆角速度阈值的两个取值为Δγ_1(Threshold)和Δγ_2(Threshold)，侧向加速度阈值的两个取值为Δa_{y1(Threshold)}和Δa_{y2(Threshold)}，其中Δδ_1(Threshold)＜Δδ_2(Threshold)，Δγ_1(Threshold)＜Δγ_2(Threshold)，Δa_{y1(Threshold)}＜Δa_{y2(Threshold)}；

(2)引入方向盘转角阈值判断条件T_δ，横摆角速度阈值判断条件T_γ，侧向加速度阈值判断条件其中，T_δ、T_γ、的表达式如下：

式中，_u为汽车车速，γ为横摆角速度，a_y为侧向加速度，α_f为前轮侧偏角，g为重力加速度；

(3)若T_δ＝0，则方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)＝Δδ_1(Threshold)，若T_δ＝1，则方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)＝Δδ_2(Threshold)；若T_γ＝0，则横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)＝Δγ_1(Threshold)，若T_γ＝1，则横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)＝Δγ_2(Threshold)，若T_ay＝0，则侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)＝Δa_{y1(Threshold)}；若则侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)＝Δa_{y2(Threshold)}。

所述步骤3)中，方向盘转角估算值的计算方法如下：

(1)二自由度车辆模型状态方程为：

侧向加速度表达式为：

式中，β为汽车质心侧偏角，为β的一阶导数，γ为横摆角速度，为γ的一阶导数，δ为方向盘转角，a_y为侧向加速度，C_f为前轮侧偏刚度，C_r为后轮侧偏刚度，u为汽车车速，M为整车质量，a为汽车质心到前轴距离，b为汽车质心到后轴距离，I_z为汽车绕铅垂轴Z轴的转动惯量，i为转向系传动比；

(2)根据方程(2)得到以侧向加速度a_y表达方向盘转角δ的表达式，并将该表达式代入方程(1)得到：

由方程(3)计算得到

(3)由方程(2)得到方向盘转角δ的表达式为：

所以方向盘转角估算值的计算公式为：

所述步骤7)中，横摆角速度估算值的计算方法包括以下步骤：

(1)状态方程为：

其中，状态量x＝[v γ]^T，T表示转置，v为汽车侧向车速，γ为横摆角速度，控制量U表示前轮转角，且U＝δ/i，w表示系统噪声，A为系统矩阵，B控制矩阵，其中，系统矩阵A和控制矩阵B的表达式如下：

式中，C_f为前轮侧偏刚度，C_r为后轮侧偏刚度，u为汽车车速，M为整车质量，a为汽车质心到前轴距离，b为汽车质心到后轴距离，I_z为汽车绕铅垂轴Z轴的转动惯量，_i为转向系传动比；

(2)量测方程为：

a_y＝Hx+YU+E；

式中，a_y为侧向加速度，E表示量测噪声，H为观测矩阵，Y为传递矩阵，观测矩阵H和传递矩阵Y的表达式如下：

(3)状态预测的计算公式为：

φ_k+1,k＝I+At；

G_k+1,k＝Bt；

式中，是由第k次量测所得估计值的一步预测的结果，其中，为v的预测值，为γ的预测值，φ_k+1,k为状态一步转移矩阵，G_k+1,k为状态一步控制矩阵，U_k为第k次状态的前轮转角，I为单位矩阵，t表示时间步长；

(4)状态误差协方差预测公式为：

P_k+1,k＝φ_k+1,kP_kφ_k+1,k ^T+Γ_kQ_kΓ_k ^T；

Γ_k＝(I+At)t；

式中，P_k+1,k是对应的协方差，Γ_k为噪声输入矩阵，Q_k为系统噪声的协方差矩阵，_T表示转置；

(5)计算卡尔曼增益的公式为：

K_k+1＝P_k+1,kH_k+1 ^T[H_k+1P_k+1,kH_k+1 ^T+R_k+1]^－1；

式中，K_k+1表示第k+1次状态时的卡尔曼增益，R_k+1为第k+1次状态时测量噪声的协方差矩阵，H_k+1为观测矩阵；

(6)测量校正方程为：

式中，表示利用预测误差修正过的k+1时刻的估计值；U_k+1为第k+1次状态的前轮转角；

(7)更新误差协方差的计算公式为：

P_k+1＝(I-K_k+1H_k+1)P_k+1,k；

式中，P_k+1是对应的协方差；

(8)通过步骤(3)～(7)的计算，得到横摆角速度估算值和汽车侧向车速估算值

所述步骤11)中，侧向加速度估算值的计算方法包括以下步骤：

(1)计算前轮轮胎侧偏力F_yf和后轮轮胎侧偏力F_yr，计算公式如下：

F_yf(α)＝D₁sin{C₁arctan[B₁α_f(1-E₁)+E₁arctan(B₁α_f)]}；

F_yr(α)＝D₁sin{C₁arctan[B₁α_r(1-E₁)+E₁arctan(B₁α_r)]}；

其中，B₁、C₁、D₁、E₁为常数，α_f为前轮侧偏角，α_r为后轮侧偏角，α_f和α_r的计算公式如下：

式中，γ为横摆角速度；δ为方向盘转角，v为汽车侧向车速，u为汽车车速，a为汽车质心到前轴距离，b为汽车质心到后轴距离，δ为方向盘转角，i为转向系传动比；

(2)计算侧向加速度估算值计算公式如下：

式中，M为整车质量。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用在诊断出某个传感器信号值残差大于传感器信号阈值后，再进行时间阈值判断，有效地提高了诊断的准确性和可靠性，大大降低了误诊断的概率。2、本发明由于采用在确定某个传感器发生故障后，电子稳定控制系统启动容错控制，将该传感器的信号值被估算值代替，保证了电子稳定性系统正常工作。同时，电子稳定控制系统对应传感器报警灯报警提醒，提示驾驶员该传感器发生故障，使得发生故障的传感器可以得到及时的处理。3、本发明由于采用动态阈值的选取方法，避免了由于阈值过低而做出误诊断，或由于阈值过高而漏报传感器故障的发生。综上所述，本发明可以广泛应用于汽车传感器故障诊断和容错控制中。

附图说明

图1是本发明的电子稳定系统传感器故障实时在线诊断过程示意图；

图2是本发明的电子稳定系统传感器故障诊断方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供一种汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法，包括以下步骤：

1)设置汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断系统，其包括方向盘转角传感器1、横摆角速度传感器2、侧向加速度传感器3、方向盘转角估算模块4、方向盘转角传感器诊断模块5、横摆角速度估算模块6、横摆角速度诊断模块7、侧向加速度估算模块8、侧向加速度诊断模块9和容错控制模块10。

2)设置方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)、横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)、侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)和时间阈值T_(Threshold)。

其中，方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)、横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)和侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)的设置采用动态阈值的选取方法，包括以下步骤：

(1)根据车辆与轮胎的运动参数确定方向盘转角阈值的两个取值为Δδ_1(Threshold)和Δδ_2(Threshold)，横摆角速度阈值的两个取值为Δγ_1(Threshold)和Δγ_2(Threshold)，侧向加速度阈值的两个取值为Δa_{y1(Threshold)}和Δa_{y2(Threshold)}，其中Δδ_1(Threshold)＜Δδ_2(Threshold)，Δγ_1(Threshold)＜Δγ_2(Threshold)，Δa_{y1(Threshold)}＜Δa_{y2(Threshold)}。

(2)引入方向盘转角阈值判断条件T_δ，横摆角速度阈值判断条件T_γ，侧向加速度阈值判断条件其中，T_δ、T_γ、的表达式如下：

式中，u为汽车车速，γ为横摆角速度，a_y为侧向加速度，α_f为前轮侧偏角，g为重力加速度。

(3)若T_δ＝0，则方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)＝Δδ_1(Threshold)，若T_δ＝1，则方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)＝Δδ_2(Threshold)；若T_γ＝0，则横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)＝Δγ_1(Threshold)，若T_γ＝1，则横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)＝Δγ_2(Threshold)，若则侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)＝Δa_{y1(Threshold)}；若则侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)＝Δa_{y2(Threshold)}。

3)方向盘转角传感器1测量方向盘转角实际值δ₀，并将方向盘转角实际值δ₀的信号输送至方向盘转角传感器诊断模块5，方向盘转角估算模块4估算方向盘转角估算值并将方向盘转角估算值的信号输送至方向盘转角传感器诊断模块5，方向盘转角传感器诊断模块5根据接收到的信号计算方向盘转角残差Δδ，计算公式如下：

其中，方向盘转角估算值的计算方法如下：

(1)二自由度车辆模型状态方程为：

侧向加速度表达式为：

式中，β为汽车质心侧偏角，为β的一阶导数，为γ的一阶导数，δ为方向盘转角，C_f为前轮侧偏刚度，C_r为后轮侧偏刚度，u为汽车车速，M为整车质量，a为汽车质心到前轴距离，b为汽车质心到后轴距离，I_z为汽车绕铅垂轴Z轴的转动惯量，i为转向系传动比。

(2)根据方程(6)得到以侧向加速度a_y表达方向盘转角δ的表达式，并将该表达式代入方程(5)得到：

由方程(7)计算得到

(3)由方程(6)得到方向盘转角δ的表达式为：

所以方向盘转角估算值的计算公式为：

4)计算方向盘转角阈值判断条件T_δ的取值，确定方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)。

5)比较方向盘转角残差Δδ和方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)，若Δδ＜Δδ_(Threshold)，进入步骤6)；则；若Δδ＞Δδ_(Threshold)，则测量方向盘转角残差Δδ大于方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)持续的时间T₁，若T₁＜T_(Threshold)，则进入步骤6)；否则，进入步骤7)。

6)方向盘转角传感器诊断模块5确定方向盘转角传感器1正常，并将方向盘转角实际值δ₀和方向盘转角估算值的信号输送至容错控制模块10，容错控制模块10输出方向盘转角值为进入步骤8)。

7)方向盘转角传感器诊断模块5确定方向盘转角传感器1发生故障，并将方向盘转角实际值δ₀和方向盘转角估算值的信号输送至容错控制模块10，容错控制模块10输出方向盘转角值为方向盘转角估算值横摆角速度值为横摆角速度实际值γ₀，侧向加速度值为侧向加速度实际值a_y0，容错控制模块10中的方向盘转角传感器报警灯报警提醒，诊断停止。

8)横摆角速度传感器2测量横摆角速度实际值γ₀，并将横摆角速度实际值γ₀的信号输送至横摆角速度诊断模块7，横摆角速度估算模块6估算横摆角速度估算值并将横摆角速度估算值的信号输送至横摆角速度诊断模块7，横摆角速度诊断模块7根据接收到的信号计算横摆角速度残差Δγ，计算公式如下：

其中，横摆角速度估算值的估算算法如下：

(1)状态方程为：

其中，状态量x＝[v γ]^T，T表示转置，v为汽车侧向车速，控制量U表示前轮转角，且U＝δ/i，w表示系统噪声，A为系统矩阵，B控制矩阵，其中，系统矩阵A和控制矩阵B的表达式如下：

(2)量测方程为：

a_y＝Hx+YU+E (14)

式中，E表示量测噪声，H为观测矩阵，Y为传递矩阵，观测矩阵H和传递矩阵Y的表达式如下：

(3)状态预测的计算公式为：

φ_k+1,k＝I+At (18)

G_k+1,k＝Bt (19)

式中，是由第k次量测所得估计值的一步预测的结果，其中，为v的预测值，为γ的预测值，φ_k+1,k为状态一步转移矩阵，G_k+1,k为状态一步控制矩阵，U_k为第k次状态的前轮转角，I为单位矩阵，t表示时间步长。

(4)状态误差协方差预测公式为：

P_k+1,k＝φ_k+1,kP_kφ_k+1,k ^T+Γ_kQ_kΓ_k ^T (20)

Γ_k＝(I+At)t (21)

式中，P_k+1,k是对应的协方差，Γ_k为噪声输入矩阵，Q_k为系统噪声的协方差矩阵，_T表示转置。

(5)计算卡尔曼增益的公式为：

K_k+1＝P_k+1,kH_k+1 ^T[H_k+1P_k+1,kH_k+1 ^T+R_k+1]^－1 (22)

式中，K_k+1表示第k+1次状态时的卡尔曼增益，R_k+1为第k+1次状态时测量噪声的协方差矩阵，H_k+1为第k+1次状态时的观测矩阵。

(6)测量校正方程为：

式中，表示利用预测误差修正过的k+1时刻的估计值；U_k+1为第k+1次状态的前轮转角。

(7)更新误差协方差的计算公式为：

P_k+1＝(I-K_k+1H_k+1)P_k+1,k (24)

式中，P_k+1是对应的协方差。

(8)通过步骤(3)～(7)的计算，得到横摆角速度估算值和汽车侧向车速估算值

9)计算横摆角速度阈值判断条件T_γ的取值，确定横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)。

10)比较横摆角速度残差Δγ和横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)，若Δγ＜Δγ_(Threshold)，进入步骤11)；若Δγ＞Δγ_(Threshold)，则测量横摆角速度残差Δγ大于横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)持续的时间T₂，若T₂＜T_(Threshold)，进入步骤11)；否则，进入步骤12)。

11)横摆角速度诊断模块7确定横摆角速度传感器2正常，并将横摆角速度实际值γ₀和横摆角速度估算值的信号输送至容错控制模块10，容错控制模块10输出横摆角速度值为进入步骤13)。

12)横摆角速度诊断模块7确定横摆角速度传感器2发生故障，并将横摆角速度实际值γ₀和横摆角速度估算值的信号输送至容错控制模块10，容错控制模块10输出横摆角速度值为横摆角速度估算值方向盘转角值为方向盘转角实际值δ₀，侧向加速度值为侧向加速度实际值a_y0，容错控制模块10中的横摆角速度传感器报警灯报警提醒，诊断停止。

13)侧向加速度传感器3测量侧向加速度实际值a_y0，并将侧向加速度实际值a_y0的信号输送至侧向加速度诊断模块9，侧向加速度估算模块8估算侧向加速度估算值并将侧向加速度估算值的信号输送至侧向加速度诊断模块9，侧向加速度诊断模块9根据接收到的信号计算侧向加速度残差Δa_y，计算公式如下：

其中，侧向加速度估算值的计算方法包括以下步骤：

(1)计算前轮轮胎侧偏力F_yf和后轮轮胎侧偏力F_yr，计算公式如下：

F_yf(α)＝D₁sin{C₁arctan[B₁α_f(1-E₁)+E₁arctan(B₁α_f)]} (26)

F_yr(α)＝D₁sin{C₁arctan[B₁α_r(1-E₁)+E₁arctan(B₁α_r)]} (27)

其中，B₁、C₁、D₁、E₁为常数，α_f为前轮侧偏角，α_r为后轮侧偏角，α_f和α_r的计算公式如下：

(2)计算侧向加速度估算值计算公式如下：

14)计算侧向加速度阈值判断条件的取值，确定侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)。

15)比较侧向加速度残差Δa_y和侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)，若Δa_y＜Δa_y(Threshold)，进入步骤16)；则若Δa_y＞Δa_y(Threshold)，则测量侧向加速度残差Δa_y大于侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)持续的时间T₃，若T₃＜T_(Threshold)，进入步骤16)；否则，进入步骤17)。

16)侧向加速度诊断模块9确定侧向加速度传感器3正常，并将侧向加速度实际值a_y0和侧向加速度估算值的信号输送至容错控制模块10，容错控制模块10输出侧向加速度值为进入步骤3)，进行下一个诊断循环。

17)侧向加速度诊断模块9确定侧向加速度传感器3发生故障，并将侧向加速度实际值a_y0和侧向加速度估算值的信号输送至容错控制模块10，容错控制模块10输出侧向加速度值为侧向加速度估算值方向盘转角值为方向盘转角实际值δ₀，横摆角速度值为横摆角速度值γ₀，容错控制模块10中的侧向加速度传感器报警灯报警提醒，诊断停止。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法，其包括以下步骤：

1)设置汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断系统，其包括方向盘转角传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、方向盘转角估算模块、方向盘转角传感器诊断模块、横摆角速度估算模块、横摆角速度诊断模块、侧向加速度估算模块、侧向加速度诊断模块和容错控制模块；

2)设置方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)、横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)、侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)和时间阈值T_(Threshold)；

3)方向盘转角传感器测量方向盘转角实际值δ₀，并将方向盘转角实际值δ₀的信号输送至方向盘转角传感器诊断模块，方向盘转角估算模块估算方向盘转角估算值并将方向盘转角估算值的信号输送至方向盘转角传感器诊断模块，方向盘转角传感器诊断模块根据接收到的信号计算方向盘转角残差Δδ，计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}=|{\mathrm{\δ}}_0-\widehat{\mathrm{\δ}}|;$

4)比较方向盘转角残差Δδ和方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)，若Δδ＜Δδ_(Threshold)，进入步骤5)；则；若Δδ＞Δδ_(Threshold)，则测量方向盘转角残差Δδ大于方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)持续的时间T₁，若T₁＜T_(Threshold)，则进入步骤5)；否则，进入步骤6)；

5)方向盘转角传感器诊断模块确定方向盘转角传感器正常，并将方向盘转角实际值δ₀和方向盘转角估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出方向盘转角值为进入步骤7)；

6)方向盘转角传感器诊断模块确定方向盘转角传感器发生故障，并将方向盘转角实际值δ₀和方向盘转角估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出方向盘转角值为方向盘转角估算值横摆角速度值为横摆角速度实际值γ₀，侧向加速度值为侧向加速度实际值a_y0，容错控制模块中的方向盘转角传感器报警灯报警提醒，诊断停止；

7)横摆角速度传感器测量横摆角速度实际值γ₀，并将横摆角速度实际值γ₀的信号输送至横摆角速度诊断模块，横摆角速度估算模块估算横摆角速度估算值并将横摆角速度估算值的信号输送至横摆角速度诊断模块，横摆角速度诊断模块根据接收到的信号计算横摆角速度残差Δγ，计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\γ}=|{\mathrm{\γ}}_0-\widehat{\mathrm{\γ}}|;$

8)比较横摆角速度残差Δγ和横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)，若Δγ＜Δγ_(Threshold)，进入步骤9)；若Δγ＞△γ_(Threshold)，则测量横摆角速度残差△γ大于横摆角速度阈值△γ_(Threshold)持续的时间T₂，若T₂＜T_(Threshold)，进入步骤9)；否则，进入步骤10)；

9)横摆角速度诊断模块确定横摆角速度传感器正常，并将横摆角速度实际值γ₀和横摆角速度估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出横摆角速度值为进入步骤11)；

10)横摆角速度诊断模块确定横摆角速度传感器发生故障，并将横摆角速度实际值γ₀和横摆角速度估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出横摆角速度值为横摆角速度估算值方向盘转角值为方向盘转角实际值δ₀，侧向加速度值为侧向加速度实际值a_y0，容错控制模块10中的横摆角速度传感器报警灯报警提醒，诊断停止；

11)侧向加速度传感器测量侧向加速度实际值a_y0，并将侧向加速度实际值a_y0的信号输送至侧向加速度诊断模块，侧向加速度估算模块估算侧向加速度估算值并将侧向加速度估算值的信号输送至侧向加速度诊断模块，侧向加速度诊断模块根据接收到的信号计算侧向加速度残差△a_y，计算公式如下：

${\mathrm{\Δa}}_y=|a_{y0}-{\hat{a}}_y|;$

12)比较侧向加速度残差△a_y和侧向加速度阈值△a_y(Threshold)，若△a_y＜△a_y(Threshold)，进入步骤13)；则若△a_y＞△a_y(Threshold)，则测量侧向加速度残差△a_y大于侧向加速度阈值△a_y(Threshold)持续的时间T₃，若T₃＜T_(Threshold)，进入步骤13)；否则，进入步骤14)；

13)侧向加速度诊断模块确定侧向加速度传感器正常，并将侧向加速度实际值a_y0和侧向加速度估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出侧向加速度值为进入步骤3)，进行下一个诊断循环；

14)侧向加速度诊断模块确定侧向加速度传感器发生故障，并将侧向加速度实际值a_y0和侧向加速度估算值的信号输送至容错控制模块，容错控制模块输出侧向加速度值为侧向加速度估算值方向盘转角值为方向盘转角实际值δ₀，横摆角速度值为横摆角速度值γ₀，容错控制模块中的侧向加速度传感器报警灯报警提醒，诊断停止。

2.如权利要求1所述的一种汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，方向盘转角阈值△δ_(Threshold)、横摆角速度阈值△γ_(Threshold)和侧向加速度阈值△a_y(Threshold)的设置采用动态阈值的选取方法，包括以下步骤：

(1)根据车辆与轮胎的参数确定方向盘转角阈值的两个取值为Δδ_1(Threshold)和Δδ_2(Threshold)，横摆角速度阈值的两个取值为Δγ_1(Threshold)和Δγ_2(Threshold)，侧向加速度阈值的两个取值为Δa_{y1(Threshold)}和Δa_{y2(Threshold)}，其中Δδ_1(Threshold)＜Δδ_2(Threshold)，△γ_1(Threshold)＜△γ_2(Threshold)，Δa_{y1(Threshold)}＜Δa_{y2(Threshold)}；

(2)引入方向盘转角阈值判断条件T_δ，横摆角速度阈值判断条件T_γ，侧向加速度阈值判断条件其中，T_δ、T_γ、的表达式如下：

$T_{\mathrm{\&delta;}}=\left\{\begin{array}{cc}0& |u\mathrm{\&gamma;}-a_y|<0.4\\ 1& |u\mathrm{\&gamma;}-a_y|\&GreaterEqual;0.4\end{array}\right.;$

$T_{\mathrm{\&gamma;}}=\left\{\begin{array}{cc}0& \left|a_y\right|<0.4g\\ 1& \left|a_y\right|\&GreaterEqual;0.4g\end{array}\right.;$

式中，u为汽车车速，γ为横摆角速度，a_y为侧向加速度，α_f为前轮侧偏角，g为重力加速度；

(3)若T_δ＝0，则方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)＝Δδ_1(Threshold)，若T_δ＝1，则方向盘转角阈值Δδ_(Threshold)＝Δδ_2(Threshold)；若T_γ＝0，则横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)＝Δγ_1(Threshold)，若T_γ＝1，则横摆角速度阈值Δγ_(Threshold)＝Δγ_2(Threshold)，若则侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)＝△a_{y1(Threshold)}；若则侧向加速度阈值Δa_y(Threshold)＝Δa_{y2(Threshold)}。

3.如权利要求1所述的一种汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，方向盘转角估算值的计算方法如下：

(1)二自由度车辆模型状态方程为：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&gamma;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{\left(C_f+C_r\right)}{M\&CenterDot;u}& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{M\&CenterDot;u^2}-1\\ \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{Iz}& \frac{a^2\&CenterDot;C_f+b^2\&CenterDot;C_r}{Iz\&CenterDot;u}\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}\\ \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}-\frac{C_f}{M\&CenterDot;u}\\ -\frac{a\&CenterDot;C_f}{Iz}\end{array}\right]\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&delta;}}{i};---\left(1\right)$

侧向加速度表达式为：

$\&lsqb;a_y\&rsqb;=\left[\begin{array}{cc}\frac{C_f+C_r}{M}& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{M\&CenterDot;u}\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}\\ \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]+\&lsqb;-\frac{C_f}{M}\&rsqb;\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&delta;}}{i};---\left(2\right)$

式中，β为汽车质心侧偏角，为β的一阶导数，γ为横摆角速度，为γ的一阶导数，δ为方向盘转角，a_y为侧向加速度，C_f为前轮侧偏刚度，C_r为后轮侧偏刚度，u为汽车车速，M为整车质量，a为汽车质心到前轴距离，b为汽车质心到后轴距离，I_z为汽车绕铅垂轴Z轴的转动惯量，i为转向系传动比；

(2)根据方程(2)得到以侧向加速度a_y表达方向盘转角δ的表达式，并将该表达式代入方程(1)得到：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&gamma;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& -1\\ -\frac{(a+b)C_r}{Iz}& \frac{(ab+b^2)\&CenterDot;C_r}{Iz\&CenterDot;u}\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}\\ \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{u}\\ \frac{a\&CenterDot;M}{Iz}\end{array}\right]\&CenterDot;a_y;---\left(3\right)$

由方程(3)计算得到

(3)由方程(2)得到方向盘转角δ的表达式为：

$\&lsqb;\mathrm{\&delta;}\&rsqb;=i\left[\begin{array}{cc}\frac{C_f+C_r}{C_f}& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{C_f\&CenterDot;u}\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}\\ \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]+i\&lsqb;-\frac{M}{C_f}\&rsqb;\&CenterDot;a_y;$

所以方向盘转角估算值的计算公式为：

$\&lsqb;\widehat{\mathrm{\&delta;}}\&rsqb;=i\left[\begin{array}{cc}\frac{C_f+C_r}{C_f}& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{C_f\&CenterDot;u}\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}\\ \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]+i\&lsqb;-\frac{M}{C_f}\&rsqb;\&CenterDot;a_y.$

4.如权利要求1所述的一种汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法，其特征在于：所述步骤7)中，横摆角速度估算值的计算方法包括以下步骤：

(1)状态方程为：

$\stackrel{\&CenterDot;}{x}=Ax+BU+v;$

其中，状态量x＝[v γ]^T，T表示转置，v为汽车侧向车速，γ为横摆角速度，控制量U表示前轮转角，且U＝δ/i，w表示系统噪声，A为系统矩阵，B控制矩阵，其中，系统矩阵A和控制矩阵B的表达式如下：

$A=\left[\begin{array}{cc}\frac{(C_f+C_r)}{Mu}& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{Mu}-u\\ \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{Izu}& \frac{a^2{C}_f+b^2{C}_r}{Izu}\end{array}\right];$

$B=\left[\begin{array}{c}\frac{-C_f}{M}\\ \frac{-{\mathrm{aC}}_f}{Iz}\end{array}\right];$

式中，C_f为前轮侧偏刚度，C_r为后轮侧偏刚度，u为汽车车速，M为整车质量，a为汽车质心到前轴距离，b为汽车质心到后轴距离，I_z为汽车绕铅垂轴Z轴的转动惯量，i为转向系传动比；

(2)量测方程为：

a_y＝Hx+YU+E；

式中，a_y为侧向加速度，E表示量测噪声，H为观测矩阵，Y为传递矩阵，观测矩阵H和传递矩阵Y的表达式如下：

$H=\left[\begin{array}{cc}\frac{C_f+C_r}{Mu}& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{Mu}\end{array}\right];$

$Y=\&lsqb;\frac{-C_f}{M}\&rsqb;;$

(3)状态预测的计算公式为：

${\hat{x}}_{k+1,k}={\mathrm{\&phi;}}_{k+1,k}{\hat{x}}_k+G_{k+1,k}{U}_k;$

φ_k+1,k＝I+At；

G_k+1,k＝Bt；

式中，是由第k次量测所得估计值的一步预测的结果，其中， 为v的预测值，为γ的预测值，φ_k+1,k为状态一步转移矩阵，G_k+1,k为状态一步控制矩阵，U_k为第k次状态的前轮转角，I为单位矩阵，t表示时间步长；

(4)状态误差协方差预测公式为：

P_k+1,k＝φ_k+1,kP_kφ_k+1,k ^T+Γ_kQ_kΓ_k ^T；

Γ_k＝(I+At)t；

式中，P_k+1,k是对应的协方差，Γ_k为噪声输入矩阵，Q_k为系统噪声的协方差矩阵，_T表示转置；

(5)计算卡尔曼增益的公式为：

K_k+1＝P_k+1,kH_k+1 ^T[H_k+1P_k+1,kH_k+1 ^T+R_k+1]^－1；

式中，K_k+1表示第k+1次状态时的卡尔曼增益，R_k+1为第k+1次状态时测量噪声的协方差矩阵，H_k+1为观测矩阵，P_k+1,k是对应的协方差，是由第k次量测所得估计值的一步预测的结果；

(6)测量校正方程为：

${\hat{x}}_{k+1}={\hat{x}}_{k+1,k}+K_{k+1}\&lsqb;a_y-H_{k+1}\left({\hat{x}}_{k+1,k}\right)-{\mathrm{YU}}_{k+1}\&rsqb;;$

式中，表示利用预测误差修正过的k+1时刻的估计值；U_k+1为第k+1次状态的前轮转角，是由第k次量测所得估计值的一步预测的结果，K_k+1表示第k+1次状态时的卡尔曼增益，a_y为侧向加速度，H_k+1为观测矩阵，Y为传递矩阵；

(7)更新误差协方差的计算公式为：

P_k+1＝(I-K_k+1H_k+1)P_k+1,k；

式中，P_k+1是对应的协方差；

(8)通过步骤(3)～(7)的计算，得到横摆角速度估算值和汽车侧向车速估算值

5.如权利要求1所述的一种汽车电子稳定控制系统传感器故障诊断和容错控制方法，其特征在于：所述步骤11)中，侧向加速度估算值的计算方法包括以下步骤：

(1)计算前轮轮胎侧偏力F_yf和后轮轮胎侧偏力F_yr，计算公式如下：

F_yf(α)＝D₁sin{C₁arctan[B₁α_f(1-E₁)+E₁arctan(B₁α_f)]}；

F_yr(α)＝D₁sin{C₁arctan[B₁α_r(1-E₁)+E₁arctan(B₁α_r)]}；

其中，B₁、C₁、D₁、E₁为常数，α_f为前轮侧偏角，α_r为后轮侧偏角，α_f和α_r的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_f=\frac{v}{u}+\frac{a\mathrm{\&gamma;}}{u}-\frac{\mathrm{\&delta;}}{i}\\ {\mathrm{\&alpha;}}_r=\frac{v}{u}-\frac{b\mathrm{\&gamma;}}{u}\end{array}\right.;$

式中，γ为横摆角速度；δ为方向盘转角，v为汽车侧向车速，u为汽车车速，a为汽车质心到前轴距离，b为汽车质心到后轴距离，δ为方向盘转角，i为转向系传动比；

(2)计算侧向加速度估算值计算公式如下：

${\hat{a}}_y=(F_{yf}+F_{yr})/M;$

式中，M为整车质量，F_yf为前轮轮胎侧偏力，F_yr为后轮轮胎侧偏力。