CN105667577B - 带有传感器信号容错功能的线控转向系统及控制方法 - Google Patents
带有传感器信号容错功能的线控转向系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种带有信号容错功能的线控转向系统及控制方法，属于汽车转向控制领域。在行驶过程中，通过采集前轮转角、横摆角速度、侧向加速度以及转向电机电流联合探测诊断传感器故障情况，如果传感器发生故障，则通过其他传感器信号估计补偿得到，控制汽车转向。通过实时探测诊断传感器故障情况，在发生故障时能够在线进行信号重构，补偿故障信号，作为信号输入，对驾驶员的转向指令做出准确的响应，对转向电机进行鲁棒控制，提高线控转向系统的可靠性和汽车行驶时的稳定性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车一种线控转向系统，具体讲是一种带有传感器信号容错功能的线控转向系统及控制方法，属于汽车转向控制领域。
背景技术
转向系统是汽车的关键部件之一，它不仅能保证汽车能按驾驶员的意志进行转向行驶，还关系到汽车的操纵稳定性。如何合理地设计转向系统，使汽车具有更好更稳定的操纵性，始终是设计人员研究的重要课题。在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计变得极为重要。线控转向系统的发展正是迎合了这种客观需求，是继电动助力转向系统后发展起来的新一代转向系统。
汽车线控转向系统形式不同于以往的转向系统，它取消了以往转向系统方向盘到前轮的机械连接，用控制信号控制汽车转向。它主要由方向盘模块、转向执行模块、主控制器、动力电源等组成，由于线控转向系统的运行强烈依赖于传感器信号，其可靠性较传统转向系统大大降低。目前，现有技术中所应用的线控转向系统无法通过传感器配置方式和有效的重构算法能够实现传感器之间的信号互判和解析冗余，其控制系统的可靠性和稳定性相对较差，并影响行车的安全性。此外，现有的车型中大多备有一套冗余的机械系统，其不仅成本昂贵，不适用于经济车型的开发，而且造成不必要的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能提高线控转向系统的可靠性、汽车行驶时的稳定性和安全性的带有传感器信号容错功能的线控转向系统及控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的带有传感器信号容错功能的线控转向系统，包括转向盘总成、方向盘转角传感器、路感电机及减速机构总成、转向电机及减速机构总成、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、前轮转角传感器、齿轮齿条转向器、路感控制单元、转向控制单元和容错控制单元；
所述转向盘总成连接路感电机及其减速机构总成，方向盘转角传感器分别与路感控制单元和转向控制单元连接；所述路感控制单元连接并控制路感电机及其减速机构；
所述转向电机及减速机构总成与齿轮齿条转向器连接，齿轮齿条转向器上安装前轮；所述前轮上安装前轮转角传感器，前轮转角传感器连接容错控制单元；所述转向控制单元连接转向电机及其减速机构；
所述侧向加速传感器、横摆角速度传感器均与容错控制单元连接；所述车速传感器分别与路感控制单元和转向控制单元相连；
所述容错控制单元分别与路感控制单元和转向控制单元相连，所述容错控制单元将侧向加速信号、横摆角速度信号传输到路感控制单元，将前轮转角信号传输到转向控制单元；所述转向控制单元将转向控制信号同时传输到容错控制单元、转向电机及其减速机构。
本发明还提供了上述带有传感器信号容错功能的线控转向系统的控制方法，包括以下步骤：
1)、建立转向模块与整车数学模型，求取鲁棒控制器：
式中，δ为前轮转角；v为纵向车速；β为质心侧偏角；ω为横摆角速度；ay是汽车侧向加速度；L为汽车前后轴距；m为整车质量；b为质心到后轴轴距；a为质心到前轴轴距；K1、K2为前后轮侧偏刚度；Iz为整车绕z轴转动惯量；JR、BR为齿轮齿条系统的等效转动惯量与阻尼；G为齿轮齿条转向器传动比；Kz为电机转矩系数；iz为电机减速器减速比；I为电机电流；
令系统状态为系统控制输入u＝I、v＝[1,0,0,0]x、G(s)为由δ到v的传递函数，ω＝δ*，z1和z2为被调输出，W1、W2为相对应的加权函数，z＝[z1；z2]，P(s)为广义受控对象，y为测量输出，K为控制器，设计如下的鲁棒控制系统：
选择z的H2范数作为目标函数求取鲁棒控制系统的控制器K；
2)、转向控制单元通过方向盘转角传感器、车速传感器采集到方向盘转角θ以及车速信号v，根据变传动比规律(4)得到汽车该时刻的理想前轮转角δ：
式中，i为转向系统传动比；θ为转向盘转角；Ku为转向不足系数，计算如式(5)；Ks为行驶角系数，范围为0.12-0.37 1/s：
将前轮转角传感器采集实时前轮转角信号，与求得的理想前轮转角δ做差，通过鲁棒控制器求得转向电机电流，输入到转向及减速机构总成，控制汽车转向；
3)、容错控制单元采集转向电机电流信号I、前轮转角信号δ、横摆角速度信号ω、侧向加速度信号ay：通过无迹卡尔曼滤波算法，由转向电机电流和横摆角速度估计得到前轮转角信号δ1，估计模型为：
由转向电机电流和侧向加速度估计得到前轮转角信号δ2，估计模型为：
通过δ、δ1、δ2相互做差判断故障源，|δ-δ1|＞Δ时，s1设为1，否则为0；|δ1-δ2|＞Δ，s2设为1，否则为0；|δ-δ2|＞Δ，s3设为1，否则为0；标志向量S＝[s1,s2,s3]，通过标志值判断传感器是否发生故障，若S＝[0,0,0]，所有传感器正常；若S＝[0,1,1]，侧向加速度传感器故障；若S＝[1,0,1]，前轮转角传感器故障；若S＝[1,1,0]，横摆角速度传感器故障；
当前轮转角传感器故障时，通过式(7)使用侧向加速度信号和转向电机电流来重构故障信号；
当横摆角速度传感器故障时，通过式(2)和(7)使用侧向加速度信号和转向电机电流来重构故障信号；
当侧向加速度传感器故障时，通过式(2)和(6)使用横摆角速度信号和转向电机电流来重构故障信号。
本发明的有益效果在于：(1)、本发明通过采集前轮转角、横摆角速度、侧向加速度以及转向电机电流联合探测诊断各传感器故障情况，在传感器发生故障时能够在线进行信号重构，补偿故障信号，作为信号输入，对驾驶员的转向指令做出准确、快速的响应，对转向电机进行鲁棒控制，节省了使用硬件冗余容错的成本，提高线控转向系统的可靠性、汽车行驶时的稳定性和安全性；(2)、避免在车辆中备置机械转向系统，降低车辆制造成本，减少了资源的耗费。
附图说明
图1是本发明带有传感器信号容错功能的线控转向系统结构示意图。
图2是本发明的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的带有传感器信号容错功能的线控转向系统，包括由转向盘总成1、方向盘转角传感器2、路感电机及减速机构总成3、转向电机及减速机构总成4、车速传感器5、侧向加速度传感器6、横摆角速度传感器7、前轮8、前轮转角传感器9、齿轮齿条转向器10、转向控制单元11、容错控制单元12和路感控制单元13。转向盘总成1通过转向杆柱与路感电机及其减速机构总成2相连接，方向盘转角传感器2安装在转向杆柱上。路感控制单元13连接路感电机及其减速机构总成2，控制路感电机及其减速机构总成2的运行。方向盘转角传感器2分别连接路感控制单元13和转向控制单元11，将转向盘总成1的转向信号输入到路感控制单元13和转向控制单元11中。
转向电机及其减速机构总成4与齿轮齿条转向器10相连接，前轮8安装在齿轮齿条转向器10的两侧。前轮转角传感器9安装与前轮8上，前轮转角传感器9连接容错控制单元12，将前轮转角信号输入到容错控制单元12中。转向电机及其减速机构总成4连接转向控制单元11，转向控制单元11控制转向电机及其减速机构总成4的运行。
侧向加速传感器6和横摆角速度传感器7均与容错控制单元12连接，将采集到信号输入到容错控制单元12中。容错控制单元12的输出端分别与路感控制单元13的输入端和转向控制单元11的输入端相连接。容错控制单元12将横摆角速度信号和侧向加速度信号传输到路感控制单元13，另将前轮转角信号传输到转向控制单元11。
转向控制单元11产生的用于控制转向电机及其减速机构总成4运行的转向电机电流信号同时传输到容错控制单元12中。
如图2所示，本发明的线控转向系统的控制过程，具体步骤如下：
(1)、建立转向模块与整车数学模型，求取鲁棒控制器：
转向模块与整车模型：
式中，δ为前轮转角；v为纵向车速；β为质心侧偏角；ω为横摆角速度；L为汽车前后轴距；ay是汽车侧向加速度；m为整车质量；b为质心到后轴轴距；a为质心到前轴轴距；K1、K2为前后轮侧偏刚度；Iz为整车绕z轴转动惯量；JR、BR为齿轮齿条系统的等效转动惯量与阻尼；G为齿轮齿条转向器传动比；Kz为电机转矩系数；iz为电机减速器减速比；I为电机电流；
令系统状态为系统控制输入u＝I、v＝[1,0,0,0]x、G(s)为由δ到v的传递函数，ω＝δ*，z1和z2为被调输出，W1、W2为相对应的加权函数，z＝[z1；z2]。P(s)为广义受控对象，y为测量输出，K为控制器，设计如下的鲁棒控制系统：
广义控制系统
在线控转向控制过程中，要求使输出的前轮转角能够良好地跟踪理想前轮转角值，并且尽量节约能量，于此，选择z的H2范数作为目标函数求取系统的鲁棒控制器K。
由于广义控制对象P(s)的H∞范数为求min||z||2即可变为求解控制器K，能使广义控制对象稳定且Tzω||∞最小，则K即为广义控制对象P(s)的H∞控制器。
(2)、车辆行驶过程中，当驾驶员转动转向盘，转向控制单元通过方向盘转角传感器、车速传感器采集到方向盘转角θ以及车速信号v，根据变传动比规律式(4)得到汽车该时刻的理想前轮转角δ。通过前轮转角传感器采集实时前轮转角信号，与求得的理想前轮转角做差，通过上述鲁棒控制器求得转向电机电流，输入到转向电机及减速机构总成4，控制汽车转向：
式中，i为转向系统传动比；θ为转向盘转角；Ku为转向不足系数，计算如式(5)；Ks为行驶角系数，范围可根据驾驶员喜好选取，该范围为0.12-0.371/s
(3)、车辆行驶过程中，容错控制单元通过传感器采集转向电机电流信号I、前轮转角信号δ、横摆角速度信号ω、侧向加速度信号ay。
通过无迹卡尔曼滤波算法，由转向电机电流和横摆角速度估计得到前轮转角信号δ1，估计模型为：
由转向电机电流和侧向加速度估计得到前轮转角信号δ2，估计模型为：
在不考虑多个传感器同时出现故障的小概率事件的前提下，通过δ、δ1、δ2相互做差判断故障源，Δ为判断阈值，超过阈值，对应的标志值设为1，没有超过则设为0；|δ-δ1|＞Δ时，s1设为1，否则为0；|δ1-δ2|＞Δ，s2设为1，否则为0；|δ-δ2|＞Δ，s3设为1，否则为0；标志向量S＝[s1,s2,s3]，通过标志值判断传感器是否发生故障，若S＝[0,0,0]，所有传感器正常；若S＝[0,1,1]，侧向加速度传感器失效；若S＝[1,0,1]，前轮转角传感器失效；若S＝[1,1,0]，横摆角速度传感器失效。
当所有传感器正常时，传感器信号正常输出；当前轮转角传感器故障时，通过公式(7)使用侧向加速度信号和转向电机电流来重构故障信号；
当横摆角速度传感器故障时，通过公式(2)、(7)使用侧向加速度信号和转向电机电流来重构故障信号；
当侧向加速度传感器故障时，通过公式(2)、(6)使用横摆角速度信号和转向电机电流来重构故障信号，将得到的正确信号输入到上述的控制模块中，从而实现了一种带有传感器信号容错功能的线控转向系统其控制方法。
无迹卡尔曼滤波是一套适用于计算机实现的实时递推算法，它处理的对象是随机信号，并且可以适用于非线性系统，能够根据系统数学模型对所需信号进行最优估计，排除噪声干扰，符合信号重构的要求，得到较好的应用。上述步骤(3)中的无迹卡尔曼滤波具体流程如下：
对于非线性离散系统：
设定初值：
时间更新：
①k>1时，按式构造2n+1个sigma点，即
②计算预测sigma点，即
③计算预测sigma点的均值和方差，即
测量更新，当获得新的测量值z(k)后，利用以下公式对状态均值和方差进行更新，即
式中，
本发明的应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种带有传感器信号容错功能的线控转向系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)、建立转向模块与整车数学模型，求取鲁棒控制器：
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式中，δ为前轮转角；v为纵向车速；β为质心侧偏角；ω为横摆角速度；ay是汽车侧向加速度；L为汽车前后轴距；m为整车质量；b为质心到后轴轴距；a为质心到前轴轴距；K1、K2为前后轮侧偏刚度；Iz为整车绕z轴转动惯量；JR、BR为齿轮齿条系统的等效转动惯量与阻尼；G为齿轮齿条转向器传动比；Kz为电机转矩系数；iz为电机减速器减速比；I为电机电流；
令系统状态为系统控制输入u＝I、v＝[1，0，0，0]x、G(s)为由δ到v的传递函数，ω＝δ*，z1和z2为被调输出，W1、W2为相对应的加权函数，z＝[z1；z2]，P(s)为广义受控对象，y为测量输出，K为控制器，设计如下的鲁棒控制系统：
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<mn>0</mn>
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<mtd>
<mrow>
<mi>W</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
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<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>W</mi>
<mn>2</mn>
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<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>G</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>s</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>W</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
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<mtd>
<mi>I</mi>
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<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>G</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>s</mi>
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</mrow>
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<mtr>
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<mo>,</mo>
<mi>u</mi>
<mo>=</mo>
<mi>K</mi>
<mi>y</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
选择z的H2范数作为目标函数求取鲁棒控制系统的控制器K；
2)、转向控制单元通过方向盘转角传感器、车速传感器采集到方向盘转角θ以及车速信号v，根据变传动比规律(4)得到汽车该时刻的理想前轮转角δ：
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mi>v</mi>
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</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，i为转向系统传动比；θ为转向盘转角；Ku为转向不足系数，计算如式(5)；Ks为行驶角系数，范围为0.12-0.37 1/s：
<mrow>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>u</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mrow>
<msub>
<mi>K</mi>
<mn>1</mn>
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<msub>
<mi>K</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mi>L</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
将前轮转角传感器采集实时前轮转角信号，与求得的理想前轮转角δ做差，通过鲁棒控制器求得转向电机电流，输入到转向及减速机构总成，控制汽车转向；
3)、容错控制单元采集转向电机电流信号I、前轮转角信号δ、横摆角速度信号ω、侧向加速度信号ay：通过无迹卡尔曼滤波算法，由转向电机电流和横摆角速度估计得到前轮转角信号δ1，估计模型为：
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
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<mtr>
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<mtd>
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<mi>J</mi>
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<mtd>
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<mfrac>
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<mi>K</mi>
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<mi>J</mi>
<mi>R</mi>
</msub>
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<mi>G</mi>
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</msup>
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</mfrac>
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<mtr>
<mtd>
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<mo>-</mo>
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<mi>m</mi>
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<mtr>
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<mrow>
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<mi>J</mi>
<mi>R</mi>
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<mi>v</mi>
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<mtr>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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</mrow>
</mrow>
由转向电机电流和侧向加速度估计得到前轮转角信号δ2，估计模型为：
<mrow>
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<mi>t</mi>
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<mi>R</mi>
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<mn>2</mn>
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<mo>(</mo>
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<mn>2</mn>
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<mn>2</mn>
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<mrow>
<mo>-</mo>
<mfrac>
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<msub>
<mi>K</mi>
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<mrow>
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<mi>R</mi>
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<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
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<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>(</mo>
<mi>a</mi>
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<mi>b</mi>
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<msub>
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<mtr>
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<mn>2</mn>
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<mi>v</mi>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>aK</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>bK</mi>
<mn>2</mn>
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<mfenced open = "[" close = "]">
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<mi>m</mi>
<mi>v</mi>
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<mrow>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
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</mrow>
</mrow>
通过δ、δ1、δ2相互做差判断故障源，|δ-δ1|＞Δ时，s1设为1，否则为0；|δ1-δ2|＞Δ，s2设为1，否则为0；|δ-δ2|＞Δ，s3设为1，否则为0；标志向量S＝[s1，s2，s3]，通过标志值判断传感器是否发生故障，若S＝[0，0，0]，所有传感器正常；若S＝[0，1，1]，侧向加速度传感器故障；若S＝[1，0，1]，前轮转角传感器故障；若S＝[1，1，0]，横摆角速度传感器故障；
当前轮转角传感器故障时，通过式(7)使用侧向加速度信号和转向电机电流来重构故障信号；
当横摆角速度传感器故障时，通过式(2)和(7)使用侧向加速度信号和转向电机电流来重构故障信号；
当侧向加速度传感器故障时，通过式(2)和(6)使用横摆角速度信号和转向电机电流来重构故障信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |