CN105835889B - 一种基于二阶滑模观测器的车辆质心侧偏角的估计方法 - Google Patents

一种基于二阶滑模观测器的车辆质心侧偏角的估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二阶滑模观测器的车辆质心侧偏角的估计方法，属于车辆控制领域，包括：步骤1：利用传感器检测车辆状态，具体为：利用速度传感器检测车辆运行的纵向轮速vx；利用横摆角速度传感器检测车辆运行过程中的横摆角速度ω；利用方向盘转角传感器检测车辆运行过程中的前轮转角δ；步骤2：设计二阶滑模观测器，包括：步骤2.1：首先建立车辆系统的动力学模型；步骤2.2：针对车辆动力学模型设计二阶滑模观测器；步骤3：将步骤1检测的车辆状态信息传递到步骤2设计的二阶滑模观测器，运算估计得出质心侧偏角。本发明利用二自由度车辆动力学模型，设计的观测器具有分数幂项，能降低稳态误差，且观测器具有符号函数项，能提高系统的鲁棒性。

Description

一种基于二阶滑模观测器的车辆质心侧偏角的估计方法
技术领域
本发明涉及车辆控制领域，具体地说是一种基于软件离线编程，构造二阶滑模观测器，实现对车辆控制系统中质心侧偏角的实时估计方法。
背景技术
随着科学技术与社会经济的发展，汽车数量急剧上升，成为人类的首要代步工具。与此同时，普通驾驶员很难应付各种复杂的交通路况，导致汽车交通事故频发。
为了能够提高车辆的操纵稳定性，在恶劣路况和紧急情况下调节车辆状态，避免车辆失稳，汽车的主动安全控制方法被越来越多的应用到车辆系统中。这些主动安全控制方法主要包括车身电子稳定系统(ESP)、四轮转向控制(4WS)、主动前轮转向技术(AFS)等。然而，这些车辆主动安全控制技术均依赖于对车辆质心侧偏角的准确估计。
虽然市面上存在相应的传感器(例如高精度陀螺仪)可以直接测量车辆的质心侧偏角，但这些传感器往往造价昂贵并且其安装固定方式特殊，只能用于汽车的开发试验场合，难以在量产的车辆设计与制造中被选用。从节约成本和开发方便的角度出发，基于状态观测器估计车辆质心侧偏角的方法得到了大量应用。然而，传统的状态观测器一般选择线性的Luenberger观测器。在系统模型精确可知，外部扰动较小的情况下，Luenberger观测器可以较好地实现系统状态的精确估计。但是，当存在较强外部扰动和模型不确定性的情况下，Luenberger状态观测器很难保证系统具有较小的稳态观测误差。值得注意的是，车辆控制系统是一个典型的非线性控制系统，具有较大的外部随机干扰以及系统本身内在的非线性强耦合特性。对该类复杂控制系统而言，Luenberger观测器难以快速准确地估计车辆的质心侧偏角。因此，迫切需要引入新的质心侧偏角估计方法实现其精确和高效的实时估计。基于此，本发明将基于二阶滑模观测理论，提出一种鲁棒性强、收敛速度快的车辆质心侧偏角观测方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于设计一种基于二阶滑模状态观测器的车辆质心侧偏角估计方法，利用其鲁棒性强的特点以一种低成本的方式精确估计车辆系统的质心侧偏角。该方法可以广泛应用于各种车辆控制系统的质心侧偏角估计。实现本发明的技术方案如下：
一种基于二阶滑模观测器的车辆质心侧偏角的估计方法，包括：
步骤1，利用传感器检测车辆状态，具体为：利用速度传感器检测车辆运行的纵向轮速vx；利用横摆角速度传感器检测车辆运行过程中的横摆角速度ω；利用前轮转角传感器检测车辆运行过程中的前轮转角δ；
步骤2，设计二阶滑模观测器，包括：
步骤2.1，首先建立车辆系统的动力学模型；
步骤2.2，针对车辆动力学模型设计二阶滑模观测器；
步骤3，将步骤1检测的车辆状态信息传递到步骤2设计的二阶滑模观测器，运算估计得出质心侧偏角。
进一步优选方案，所述步骤2.1中车辆系统的动力学模型采用线性二自由度车辆动力学模型，其建立过程包括：
步骤2.1.1，建立车辆二自由度动力学模型的表达式
其中，m为汽车质量，Kf为前轴侧偏刚度，Kr为后轴侧偏刚度，Iz为整车绕Z轴的转动惯量，x表示纵向运动，y表示横向运动，a为车辆前轴到质心的距离，b为车辆后轴到质心的距离，vx为纵向速度，vy为侧向速度，ω为车辆的横摆角速度，β为质心侧偏角，δ为车辆的前轮转角，Fxf、Fyf、Fxr、Fyr分别表示前轮纵向力、前轮横向力、后轮纵向力、后轮横向力。
步骤2.1.2，建立质心侧偏角的表达式：并求导得到
步骤2.1.3，将项作为小幅度扰动d(t)，并利用状态空间的形式对步骤2.1.1的车辆二自由度动力学模型进行表达，得到状态空间形式的线性二自由度车辆动力学模型：
其中x1＝ω，x2＝β，X＝(ω,β)T，Y＝ω，u＝δ，d＝d(t)，Bd＝[0 1]，C＝[1 0]。
进一步优选方案，所述步骤2.2中设计二阶滑模观测器的方法包括：将二自由度车辆动力学模型的输出Y＝ω作为反馈量设计二阶滑模观测器，建立二阶滑模观测器的表达式：
其中，分别表示对x1＝ω、x2＝β的观测值，
sign(t)表示符号函数，具体为c1、c2为二阶滑模观测器的参数，通过调节c1、c2的值可以改变二阶滑模观测器的观测性能。
进一步优选方案，所述m＝1464kg，a＝1.256m，b＝1.368m，Kf＝20600，Kr＝45600,Iz＝1523kg.m2，vx＝20m/s。
本发明的有益效果：
1、本发明设计的滑模观测器是基于二自由度车辆动力学模型建立起来的，与完整的七自由度车辆模型相比，七自由度模型具有较强的非线性以及耦合关系，基于七自由度模型设计的质心侧偏角观测器很难实现且运算量大，因而难以保证观测器所需的动态品质。而本发明所采用的二自由度模型针对车辆质心侧偏角进行了模型简化，更便于列写关于质心侧偏角的状态方程，便于观测器设计。
2、设计的滑模观测器中具有分数幂项，用以降低观测器的稳态误差，且观测器具有符号函数项，能够提高系统的鲁棒性和观测偏差的收敛速度。
3、实际使用时，只需要3个简易廉价的传感器就可实现对车辆质心侧偏角的估计，操作简便、实时性和实用性较好。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明中的车辆动力学模型示意图；
图3为本发明中车辆前轮转角输入曲线图；
图4为本发明中二阶滑模观测器反馈偏差曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种新型的车辆质心侧偏角估计方法。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。应当理解的是，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的质心侧偏角估计方法是基于车身电子稳定系统(ESP)所用的常规传感器如测速传感器、横摆角速度传感器、加速度传感器、方向盘转角传感器等设计的，需要通过这些传感器测量车辆运行状态作为状态观测器模块的输入信号以估计车辆质心侧偏角。
图1所示是本发明的质心侧偏角估计的系统原理示意图，它包括纵向速度传感器1、横摆角速度传感器2、前轮转角传感器3、车辆动力学模型4、二阶滑模观测器5。利用车辆动力学模型4建立二阶滑模观测器5，然后根据纵向速度传感器1、横摆角速度传感器2以及前轮转角传感器3分别测得的纵向轮速vx、横摆角速度ω、车辆前轮转角δ信息，利用二阶滑模观测器5计算得到车辆质心侧偏角的估计值。
下面通过具体实施例来解释本发明对行驶过程中的车辆质心侧偏角的估计方法：
第一步：利用传感器检测车辆状态
设计二阶滑模观测器估计车辆的质心侧偏角，首先应该利用车辆中已安装的传感器检测出车辆系统的纵向轮速vx、横摆角速度ω、车辆前轮转角δ。利用速度传感器1检测车辆运行的纵向轮速vx；利用横摆角速度传感器2检测车辆运行过程中的横摆角速度ω；利用方向盘转角传感器3检测车辆运行过程中的前轮转角δ。
第二步：设计二阶滑模观测器
本发明的核心在于针对车辆系统质心侧偏角估计任务的二阶滑模状态观测器的构造方法，而二阶滑模状态观测器设计的基础在于车辆模型的结构。因此，首先应建立起车辆系统的数学模型。本发明中，将车辆运动建模为半转向架的线性二自由度车辆动力学模型4。选用该模型的原因在于相较于完整的七自由度车辆模型，二自由度模型针对车辆质心侧偏角进行了模型简化，能够精确得出关于质心侧偏角的状态方程，七自由度模型具有较强的非线性以及耦合关系，因而难以保证观测器所需的动态品质。
车辆系统的二自由度动力学模型的示意图如图2所示，x表示纵向运动，y表示横向运动，a为车辆前轴到质心的距离，b为车辆后轴到质心的距离，vx为纵向速度，vy为侧向速度，ω为车辆的横摆角速度，β为质心侧偏角，δ为车辆的前轮转角，Fxf、Fyf、Fxr、Fyr分别表示前轮纵向力、前轮横向力、后轮纵向力、后轮横向力。
结合图2，车辆二自由度动力学模型可以表示为如下形式：
式(1)(2)中，m为汽车质量，Kf为前轴侧偏刚度，Kr为后轴侧偏刚度，Iz为整车绕Z轴的转动惯量。
车辆的质心侧偏角所以
考虑到实际车辆行驶过程中数值很小，故将其处理为小幅度扰动d(t)，因此有：
将(4)式带入(1)(2)式，得：
将(5)(6)式写成状态空间的形式，其中x1＝ω，x2＝β，X＝(ω,β)T，Y＝ω，u＝δ，d＝d(t)，得到：
式(7)表示状态空间形式的车辆二自由度动力学模型，其中
Bd＝[0 1]，C＝[10]。
本发明实施例中采用的车辆参数如表1所示，选取的试验工况为纵向速度vx＝20m/s，车辆以图3所示的前轮转角δ蛇形前进进行Matlab仿真试验。
表1示例车辆参数
定义 符号 值(单位)
车辆质量 m 1464kg
重力加速度 g 9.8m/s2
转动惯量 Iz 1523kg.m2
车辆前轴到质心的距离 a 1.256m
车辆后轴到质心的距离 b 1.368m
前轴侧偏刚度 Kf 20600
后轴侧偏刚度 Kr 45600
将二自由度车辆动力学模型的输出Y＝ω作为反馈量设计二阶滑模观测器5，状态观测器5的形式如下：
其中，分别表示对x1＝ω、x2＝β的观测值， sign(t)表示符号函数，具体为
式(8)中，c1、c2是二阶滑模观测器5的参数，通过调节c1、c2的值可以改变状态观测器5的观测性能。观测器中具有分数幂项，用以降低稳态误差,且观测器具有符号函数项，用以提高系统的鲁棒性。
综上所述，二阶滑模状态观测器的构造主要包括两个步骤。第一，建立车辆系统的二自由度线性模型，将车辆的系统参数输入到模型中，将模型具体化。第二，针对车辆二自由度动力学模型设计出二阶滑模观测器5的表达式。
第三步：将检测的车辆状态信息传递到设计的二阶滑模观测器，估计出质心侧偏角
前面两个步骤已经检测到了车辆的状态信号，并推导得到二阶滑模观测器的基本结构。第三步主要是将纵向速度传感器1、横摆角速度传感器2、前轮转角传感器3检测到的车辆状态信号传递到二阶滑模观测器5中。二阶滑模观测器5根据车辆实时的纵向轮速vx、横摆角速度ω以及车辆前轮转角δ，采用第二步推导得到的公式(8)进行运算即可得到车辆质心侧偏角的估计值
在本发明实例的仿真试验工况下，观测器的观测反馈偏差曲线如图4所示。由图4得出：本发明设计的车辆质心侧偏角观测器观测误差很小，能够实现对质心侧偏角的精确观测。
尽管本发明已经根据各种具体实施方式被描述，但其并不用于限定本发明的保护范围，所应理解，在不违背本发明的实质内容和精神的前提下，所作任何修改、改进和等同替换等都将落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于二阶滑模观测器的车辆质心侧偏角的估计方法，其特征在于，包括：
步骤1，利用传感器检测车辆状态，具体为：利用速度传感器(1)检测车辆运行的纵向轮速vx；利用横摆角速度传感器(2)检测车辆运行过程中的横摆角速度ω；利用方向盘转角传感器(3)检测车辆运行过程中的前轮转角δ；
步骤2，设计二阶滑模观测器，包括：
步骤2.1，首先建立车辆系统的动力学模型；
车辆系统的动力学模型采用线性二自由度车辆动力学模型，其建立过程包括：
步骤2.1.1，建立车辆二自由度动力学模型的表达式
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其中，m为汽车质量，Kf为前轴侧偏刚度，Kr为后轴侧偏刚度，Iz为整车绕Z轴的转动惯量，x表示纵向运动，y表示横向运动，a为车辆前轴到质心的距离，b为车辆后轴到质心的距离，vx为纵向速度，vy为侧向速度，ω为车辆的横摆角速度，β为质心侧偏角，δ为车辆的前轮转角，Fxf、Fyf、Fxr、Fyr分别表示前轮纵向力、前轮横向力、后轮纵向力、后轮横向力；
步骤2.1.2，建立质心侧偏角的表达式：并求导得到
步骤2.1.3，将项作为小幅度扰动d(t)，并利用状态空间的形式对步骤2.1.1的车辆二自由度动力学模型进行表达，得到状态空间形式的线性二自由度车辆动力学模型：
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其中x1＝ω，x2＝β，X＝(ω,β)T，Y＝ω，u＝δ，d＝d(t)，
Bd＝[0 1]，C＝[1 0]；
步骤2.2，利用车辆动力学模型设计二阶滑模观测器；设计二阶滑模观测器的方法包括：将二自由度车辆动力学模型的输出Y＝ω作为反馈量设计二阶滑模观测器，建立二阶滑模观测器的表达式：
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其中， 分别表示对x1＝ω、x2＝β的观测值， sign(t)表示符号函数，具体为c1、c2为二阶滑模观测器的参数，通过调节c1、c2的值可以改变二阶滑模观测器的观测性能；
步骤3，将步骤1检测的车辆状态信息传递到步骤2设计的二阶滑模观测器，运算估计得出质心侧偏角。
2.根据权利要求1所述的一种基于二阶滑模观测器的车辆质心侧偏角的估计方法，其特征在于，所述m＝1464kg，a＝1.256m，b＝1.368m，Kf＝20600，Kr＝45600,Iz＝1523kg.m2，vx＝20m/s。
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