CN107145683A - 一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法，该方法遵循先纯工况后复合工况、先力后力矩的辨识顺序，在辨识纯工况的力时，采用分段式的辨识方法；在辨识复合工况的力之前，消除侧向力初始偏差并重新辨识纵向摩擦系数；在辨识复合工况的回正力矩之前，消除回正力矩初始偏差。本发明所述的辨识方法保证了辨识的模型参数的物理意义，使模型的外延能力和预测能力能够发挥，并且提高了模型的辨识精度。

Description

一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法

技术领域

本发明属于轮胎力学技术领域，具体涉及一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法。

背景技术

轮胎模型参数的辨识是指利用最小二乘法对轮胎试验数据进行拟合并获取轮胎模型中待定参数的过程。UniTire轮胎模型是高精度的半经验模型，具有对纵滑、侧偏和复合工况的表达能力，具有对运行参数速度、载荷、胎压和侧倾角等变化的表达能力。通过对轮胎试验数据进行辨识获取模型参数，可以有效地表达轮胎的力学特性。摩擦采用外插式的表达，使模型对不同的道路和行驶速度具有切换能力，但同时也会带来模型的冗余，当缺少不同速度下的轮胎试验数据时，在采用整体辨识时，由于辨识寻优的随机性，可能使模型参数不能满足物理意义，导致模型的外延能力和预测能力不能够发挥。

复合工况的试验方法通常为固定侧偏角，进行纵向滑移率三角波输入。当纵向滑移率为零时的侧向力，理应等于侧偏工况该侧偏角的侧向力，但是对比试验数据发现二者往往存在偏差，根据侧偏工况和复合工况试验过程中记录到的负载半径差异，以及新、旧轮胎的对比试验，证实了轮胎磨损是其中很重要的原因，轮胎磨损带来摩擦系数的变化，也会影响纵滑刚度。由于试验过程中始终伴随着轮胎磨损，尤其是考虑多运行参数时，试验量很大，在进行复合工况试验时，轮胎磨损与纯工况相比差异大，导致复合工况辨识效果不理想。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的不足，提出一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法，在辨识纯工况试验数据时，将轮胎力曲线分为刚度区、摩擦区和过渡区，分别进行辨识得到刚度参数、摩擦参数和曲率参数，避免整体辨识导致的参数不满足物理意义的现象，并在辨识复合工况试验数据前，进行一些前处理消除磨损的影响，提高模型对复合工况的辨识精度。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法，所述辨识方法遵循先纯工况后复合工况、先力后力矩的辨识顺序，在辨识纯工况的力时，采用分段式的辨识方法；在辨识复合工况的力之前，消除侧向力初始偏差并重新辨识纵向摩擦系数；在辨识复合工况的回正力矩之前，消除回正力矩初始偏差。

所述分段式的辨识方法为：利用小侧偏角或小纵向滑移率下的试验数据辨识表达刚度的参数；利用大侧偏角或大纵向滑移率下的试验数据辨识表达摩擦系数的参数；然后利用已辨识的表达刚度和摩擦系数的参数对完整轮胎力试验数据进行整体辨识，以辨识表达过渡区曲率和偏移量的模型参数。

所述侧向力初始偏差是指复合工况的某侧偏角下，纵向滑移率为零时的侧向力与侧偏工况下该侧偏角时的侧向力的差值；

所述消除侧向力初始偏差的方法为：小侧偏角下，利用侧向力初始偏差对复合工况侧偏刚度值进行修正；大侧偏角下，直接采用侧向力初始偏差修正侧向力。

所述重新辨识纵向摩擦系数的方法为：利用复合工况大纵向滑移率下的试验数据对表达纵向摩擦系数的参数进行重新辨识，获取新的表达纵向摩擦系数的参数。

所述回正力矩初始偏差是指复合工况的某侧偏角下，纵向滑移率为零时的回正力矩和侧偏工况下该侧偏角时的回正力矩的差值；

所述消除回正力矩初始偏差的方法为：将回正力矩初始偏差除以复合工况下该侧偏角时的侧向力，以得到回正力臂初始偏差，在小侧偏角下，利用回正力臂初始偏差修正初始回正力臂，在大侧偏角下，直接采用回正力臂初始偏差修正回正力臂。

一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法，其具体步骤如下：

步骤一：纵滑工况纵向力辨识；

利用小纵向滑移率范围内的试验数据辨识表达纵滑刚度的参数，利用大纵向滑移率范围内的试验数据辨识表达纵向摩擦系数的参数，再结合已辨识得到的表达纵滑刚度和纵向摩擦系数的参数，对完整纵向力试验数据进行整体辨识，以辨识表达纵滑过渡区曲率和纵滑偏移量的模型参数；

步骤二：侧偏工况侧向力辨识；

利用小侧偏角范围内的试验数据辨识表达侧偏刚度的参数，利用大侧偏角范围内的试验数据辨识表达侧向摩擦系数的参数，结合已辨识得到的表达侧偏刚度和侧向摩擦系数的参数对完整轮胎侧向力试验数据进行整体辨识，以辨识表达侧偏过渡区曲率和侧偏偏移量的模型参数；

步骤三：侧偏工况回正力矩辨识；

以步骤二侧偏工况侧向力辨识结果为基础，以最小二乘法拟合回正力矩与侧偏角的试验数据，辨识得到表达回正力臂的参数；

步骤四：消除侧向力初始偏差；

利用复合工况各侧偏角下纵向滑移率为零时的侧向力与侧偏工况下该侧偏角时的侧向力做差，得到侧向力初始偏差。然后在小侧偏角下，利用侧向力初始偏差对侧偏刚度进行修正；在大侧偏角下，直接将侧向力初始偏差加到侧向力中进行修正，消除侧向力初始偏差；

步骤五：重新辨识纵向摩擦系数；

利用复合工况大纵向滑移率下的试验数据对表达纵向摩擦系数的参数进行重新辨识。获取复合工况大纵向滑移率范围内的纵向力和侧向力试验数据，以复合工况纵向力公式计算值与实验值偏差的平方和与复合工况侧向力公式计算值与实验值偏差的平方和之和最小为目标，拟合纵向力与纵向滑移率、侧向力与纵向滑移率的试验数据，辨识得到新的表达纵向摩擦系数的参数，其中侧向摩擦系数的参数使用步骤二中的辨识结果；

步骤六：复合工况侧纵向力辨识；

结合所述步骤一中的纵滑工况纵向力和步骤二中的侧偏工况侧向力辨识得到的参数，纵向摩擦系数选用步骤五重新辨识之后的参数，以及步骤四中的侧向力初始偏差消除方法，以复合工况纵向力公式计算值与实验值偏差平方和与复合工况侧向力公式计算值与实验值偏差平方和之和最小为目标，拟合纵向力与纵向滑移率、侧向力与纵向滑移率在全纵向滑移率范围内的试验数据，辨识得到表达总切力方向因子的参数；

步骤七：消除回正力矩初始偏差；

利用复合工况各侧偏角下纵向滑移率为零时的回正力矩与侧偏工况该侧偏角时的回正力矩做差，得到回正力矩初始偏差，并将回正力矩初始偏差除以复合工况下该侧偏角时的侧向力得到回正力臂初始偏差。然后在小侧偏角下，将回正力臂初始偏差加到初始回正力臂中；在大侧偏角下，直接将回正力臂初始偏差加到回正力臂中，消除回正力矩初始偏差；

步骤八：复合工况回正力矩辨识；

结合步骤一中的纵滑工况纵向力、步骤二中的侧偏工况侧向力以及步骤三中的侧偏工况回正力矩辨识得到的参数，纵向摩擦系数选用步骤五重新辨识之后的参数，和步骤七复合工况侧纵向力辨识得到的参数，以及步骤四中的消除侧向力初始偏差和步骤七中消除回正力矩初始偏差的方法，以最小二乘法拟合回正力矩与纵向滑移率的试验数据，辨识得到胎体平移刚度的参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明所述的一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法保证了辨识的模型参数的物理意义，使模型的外延能力和预测能力能够发挥，并且提高了模型的辨识精度。

附图说明

图1为本发明所述的一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法的流程框图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

如图1所示，本发明提供了一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法，具体过程如下：

步骤一：纵滑工况纵向力辨识；

1.1 利用小纵向滑移率范围内的试验数据辨识表达纵滑刚度的参数：

取纵向滑移率κ与纵向力F_x近似成线性关系的小纵向滑移率范围内的试验数据，所述小纵向滑移率绝对值一般小于0.01～0.015，利用公式(1)～(3)以最小二乘法拟合纵向力与纵向滑移率的试验数据，辨识得到纵滑刚度K_x、纵滑偏移量S_hx和S_vx；

S_xe＝S_x+S_hx...........................................(2)

F_x＝K_xS_xe+S_vx.........................................(3)

1.2 利用大纵向滑移率范围内的试验数据辨识表达纵向摩擦系数的参数：

取纵向滑移率κ大于纵向力峰值对应的纵向滑移率的试验数据，所述纵向力峰值对应的纵向滑移率绝对值一般大于0.05，利用公式(4)～(8)以最小二乘法拟合纵向力与纵向滑移率的试验数据，辨识得到表达纵向摩擦系数μ_x的参数μ_xm、μ_xs、μ_xh、V_sxm，纵滑偏移量S_hx和S_vx，公式(6)中V为轮胎运动速度；

S_xe＝S_x+S_hx...........................................(5)

F_x＝μ_xF_z+S_vx..........................................(8)

1.3 结合已辨识得到的表达纵滑刚度和纵向摩擦系数的参数，对完整纵向力试验数据进行整体辨识，以辨识表达纵滑过渡区曲率和纵滑偏移量的模型参数：

将前述1.1和1.2辨识得到的纵滑刚度和纵向摩擦系数的参数带入公式(9)～(13)，并以最小二乘法拟合全纵向滑移率范围的纵向力与纵向滑移率的试验数据，辨识得到纵滑过渡区曲率因子E_x，纵滑偏移量S_hx和S_vx，并且，以此时辨识获得的纵滑偏移量S_hx和S_vx为最终结果；

S_xe＝S_x+S_hx.........................................(10)

步骤二：侧偏工况侧向力辨识；

2.1 利用小侧偏角范围内的试验数据辨识表达侧偏刚度的参数：

取侧偏角α与侧向力F_y近似成线性关系的小侧偏角范围内的试验数据，所述小侧偏角绝对值一般小于2～3°，利用公式(14)～(16)以最小二乘法拟合侧向力与侧偏角的试验数据，辨识得到侧偏刚度K_y、侧偏偏移量S_hy和S_vy；

S_y＝-tanα..........................................(14)

S_ye＝S_y+S_hy.........................................(15)

F_y＝K_yS_ye+S_vy.......................................(16)

2.2 利用大侧偏角范围内的试验数据辨识表达侧向摩擦系数的参数：

取侧偏角α大于侧向力峰值对应侧偏角的试验数据，所述侧向力峰值对应的侧偏角绝对值一般大于6～7°，利用公式(17)～(21)以最小二乘法拟合侧向力与侧偏角的试验数据，辨识得到表达侧向摩擦系数μ_y的参数μ_ym、μ_ys、μ_yh、V_sym，侧偏偏移量S_hy和S_vy；

S_y＝-tanα..........................................(17)

S_ye＝S_y+S_hy.........................................(18)

V_sy＝-S_yeVcosα.......................................(19)

F_y＝μ_yF_z+S_vy........................................(21)

2.3 结合已辨识得到的表达侧偏刚度和侧向摩擦系数的参数对完整轮胎侧向力试验数据进行整体辨识，以辨识表达侧偏过渡区曲率和侧偏偏移量的模型参数：

将前述2.1和2.2中辨识得到的侧偏刚度和侧向摩擦系数的参数带入公式(22)～(26)，并以最小二乘法拟合全侧偏角范围内的侧向力与侧偏角的试验数据，辨识得到侧偏过渡区曲率因子E_y，侧偏偏移量S_hy和S_vy。并且，以此时辨识获得的侧偏偏移量S_hy和S_vy为最终结果；

S_y＝-tanα..........................................(22)

S_ye＝S_y+S_hy.........................................(23)

步骤三：侧偏工况回正力矩辨识；

以步骤二侧偏工况侧向力辨识结果为基础，利用公式(27)和(28)以最小二乘法拟合回正力矩与侧偏角的试验数据，辨识得到表达回正力臂D_x的参数D_x0、D_e、D₁、D₂；

D_x＝(D_x0-D_e)exp(-D₁|φ_x|-D₂|φ_x|)+D_e........................(27)

M_z＝-F_y·D_x.........................................(28)

步骤四：消除侧向力初始偏差；

利用复合工况各侧偏角下纵向滑移率为零时的侧向力F_{y_com0}与侧偏工况该侧偏角时的侧向力F_{y_pure}做差，得到侧向力初始偏差DIF，如公式(29)所示。然后在小侧偏角下，利用侧向力初始偏差对侧偏刚度值进行修正；在大侧偏角下，直接将侧向力初始偏差加到侧向力中进行修正，如公式(30)所示；

DIF＝F_{y_com0}-F_{y_pure}...................................(29)

步骤五：重新辨识纵向摩擦系数；

利用复合工况大纵向滑移率下的试验数据对表达纵向摩擦系数的参数进行重新辨识。获取复合工况大纵向滑移率范围内的纵向力和侧向力试验数据，利用公式(31)～(38)以复合工况纵向力公式计算值与实验值偏差的平方和与复合工况侧向力公式计算值与实验值偏差的平方和之和最小为目标，如式(39)所示，拟合纵向力与纵向滑移率、侧向力与纵向滑移率的试验数据，辨识得到表达纵向摩擦系数μ_x的参数，其中侧向摩擦系数μ_y的参数使用步骤二2.2中的辨识结果；

V_r＝Vcosα·(1+κ).....................................(31)

V_sx＝-S_xeV_r..........................................(32)

V_sy＝-S_yeV_r..........................................(33)

F＝μF_z............................................(36)

步骤六：复合工况侧纵向力辨识；

结合所述步骤一中的纵滑工况纵向力和步骤二中的侧偏工况侧向力辨识得到的参数，纵向摩擦系数选用步骤五重新辨识之后的参数，以及步骤四中的侧向力初始偏差消除方法，利用公式(40)～(48)，仍然以复合工况纵向力公式计算值与实验值偏差平方和与复合工况侧向力公式计算值与实验值偏差平方和之和最小为目标，如式(39)所示，拟合纵向力与纵向滑移率、侧向力与纵向滑移率在全纵向滑移率范围内的试验数据，辨识得到表达总切力方向因子λ的参数n和φ_c；

φ_xn＝λ·φ_x，φ_yn＝φ_y....................................(42)

步骤七：消除回正力矩初始偏差；

利用复合工况各侧偏角下纵向滑移率为零时的回正力矩M_{z_com0}与侧偏工况该侧偏角时的回正力矩M_{z_pure}做差，得到回正力矩初始偏差，并将回正力矩初始偏差除以复合工况下该侧偏角时的侧向力F_{y_com0}得到回正力臂初始偏差DIF_D_x，如公式(49)所示。然后在小侧偏角下，将回正力臂初始偏差加到初始回正力臂D_x0中；在大侧偏角下，将回正力臂初始偏差加到回正力臂D_x中，如公式(50)所示；

DIF_D_x＝(M_{z_com0}-M_{z_pure})/F_{y_com0}.........................(49)

步骤八：复合工况回正力矩辨识；

结合步骤一中的纵滑工况纵向力、步骤二中的侧偏工况侧向力以及步骤三中的侧偏工况回正力矩辨识得到的参数，纵向摩擦系数选用步骤五重新辨识之后的参数，和步骤七复合工况侧纵向力辨识得到的参数，以及步骤四中的消除侧向力初始偏差和步骤七中消除回正力矩初始偏差的方法，利用公式(51)以最小二乘法拟合回正力矩与纵向滑移率的试验数据，辨识得到胎体平移刚度参数K_cx和K_cy；

上述实施例仅用于说明本发明所述技术方案，当存在运行参数速度、载荷、胎压和侧倾角中一个或多个变化时，上述待辨识的模型参数会更多，也应属于本发明保护范围之内，以及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保护范围之外。

Claims (5)

1.一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法，其特征在于：

所述辨识方法遵循先纯工况后复合工况、先力后力矩的辨识顺序，在辨识纯工况的力时，采用分段式的辨识方法；在辨识复合工况的力之前，消除侧向力初始偏差并重新辨识纵向摩擦系数；在辨识复合工况的回正力矩之前，消除回正力矩初始偏差；

所述分段式的辨识方法为：利用小侧偏角或小纵向滑移率下的试验数据辨识表达刚度的参数；利用大侧偏角或大纵向滑移率下的试验数据辨识表达摩擦系数的参数；然后利用已辨识的表达刚度和摩擦系数的参数对完整轮胎力试验数据进行整体辨识，以辨识表达过渡区曲率和偏移量的模型参数。

2.如权利要求1所述一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法，其特征在于：

所述侧向力初始偏差是指复合工况的某侧偏角下，纵向滑移率为零时的侧向力与侧偏工况下该侧偏角时的侧向力的差值；

所述消除侧向力初始偏差的方法为：小侧偏角下，利用侧向力初始偏差对复合工况侧偏刚度值进行修正；大侧偏角下，直接采用侧向力初始偏差修正侧向力。

3.如权利要求1所述一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法，其特征在于：

所述重新辨识纵向摩擦系数的方法为：利用复合工况大纵向滑移率下的试验数据对表达纵向摩擦系数的参数进行重新辨识，获取新的表达纵向摩擦系数的参数。

4.如权利要求1所述一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法，其特征在于：

所述回正力矩初始偏差是指复合工况的某侧偏角下，纵向滑移率为零时的回正力矩和侧偏工况下该侧偏角时的回正力矩的差值；

所述消除回正力矩初始偏差的方法为：将回正力矩初始偏差除以复合工况下该侧偏角时的侧向力，以得到回正力臂初始偏差，在小侧偏角下，利用回正力臂初始偏差修正初始回正力臂，在大侧偏角下，直接采用回正力臂初始偏差修正回正力臂。

5.如权利要求1-4中任一项所述一种UniTire轮胎模型参数的辨识方法，其特征在于：

具体步骤如下：

步骤一：纵滑工况纵向力辨识；

利用小纵向滑移率范围内的试验数据辨识表达纵滑刚度的参数，利用大纵向滑移率范围内的试验数据辨识表达纵向摩擦系数的参数，再结合已辨识得到的表达纵滑刚度和纵向摩擦系数的参数，对完整纵向力试验数据进行整体辨识，以辨识表达纵滑过渡区曲率和纵滑偏移量的模型参数；

步骤二：侧偏工况侧向力辨识；

利用小侧偏角范围内的试验数据辨识表达侧偏刚度的参数，利用大侧偏角范围内的试验数据辨识表达侧向摩擦系数的参数，结合已辨识得到的表达侧偏刚度和侧向摩擦系数的参数对完整轮胎侧向力试验数据进行整体辨识，以辨识表达侧偏过渡区曲率和侧偏偏移量的模型参数；

步骤三：侧偏工况回正力矩辨识；

以步骤二侧偏工况侧向力辨识结果为基础，以最小二乘法拟合回正力矩与侧偏角的试验数据，辨识得到表达回正力臂的参数；

步骤四：消除侧向力初始偏差；

利用复合工况各侧偏角下纵向滑移率为零时的侧向力与侧偏工况下该侧偏角时的侧向力做差，得到侧向力初始偏差。然后在小侧偏角下，利用侧向力初始偏差对侧偏刚度进行修正；在大侧偏角下，直接将侧向力初始偏差加到侧向力中进行修正，消除侧向力初始偏差；

步骤五：重新辨识纵向摩擦系数；

利用复合工况大纵向滑移率下的试验数据对表达纵向摩擦系数的参数进行重新辨识。获取复合工况大纵向滑移率范围内的纵向力和侧向力试验数据，以复合工况纵向力公式计算值与实验值偏差的平方和与复合工况侧向力公式计算值与实验值偏差的平方和之和最小为目标，拟合纵向力与纵向滑移率、侧向力与纵向滑移率的试验数据，辨识得到新的表达纵向摩擦系数的参数，其中侧向摩擦系数的参数使用步骤二中的辨识结果；

步骤六：复合工况侧纵向力辨识；

结合所述步骤一中的纵滑工况纵向力和步骤二中的侧偏工况侧向力辨识得到的参数，纵向摩擦系数选用步骤五重新辨识之后的参数，以及步骤四中的侧向力初始偏差消除方法，以复合工况纵向力公式计算值与实验值偏差平方和与复合工况侧向力公式计算值与实验值偏差平方和之和最小为目标，拟合纵向力与纵向滑移率、侧向力与纵向滑移率在全纵向滑移率范围内的试验数据，辨识得到表达总切力方向因子的参数；

步骤七：消除回正力矩初始偏差；

利用复合工况各侧偏角下纵向滑移率为零时的回正力矩与侧偏工况该侧偏角时的回正力矩做差，得到回正力矩初始偏差，并将回正力矩初始偏差除以复合工况下该侧偏角时的侧向力得到回正力臂初始偏差。然后在小侧偏角下，将回正力臂初始偏差加到初始回正力臂中；在大侧偏角下，直接将回正力臂初始偏差加到回正力臂中，消除回正力矩初始偏差；

步骤八：复合工况回正力矩辨识；

结合步骤一中的纵滑工况纵向力、步骤二中的侧偏工况侧向力以及步骤三中的侧偏工况回正力矩辨识得到的参数，纵向摩擦系数选用步骤五重新辨识之后的参数，和步骤七复合工况侧纵向力辨识得到的参数，以及步骤四中的消除侧向力初始偏差和步骤七中消除回正力矩初始偏差的方法，以最小二乘法拟合回正力矩与纵向滑移率的试验数据，辨识得到胎体平移刚度的参数。