CN109849932A - 一种路面自适应的车轮动载荷估计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路面自适应的车轮动载荷估计系统及方法，所述系统包括用于支撑车辆的轮胎、安装在车轮和车身之间的悬架系统、用于确定悬架簧上和簧下质量相对位移的位移传感器、用于根据测得的簧上和簧下质量相对位移确定车轮动载荷的估计算法模块。所述方法包括如下步骤：步骤一、将车轮动载荷估计问题转化为非线性系统未知输入重构问题；步骤二、设计滑模观测器，估计非线性系统状态；步骤三、计算观测器估计误差方程；步骤四：给出保证估计误差方程稳定的观测器增益设计方法；步骤五、通过未知输入重构实现对车轮动载荷的估计。该方法考虑悬架阻尼力非线性特性和路面随机扰动的影响，能够实现不同路面条件下车轮动载荷的低成本实时估计。

Description

一种路面自适应的车轮动载荷估计系统及方法

技术领域

本发明属于汽车运动控制技术领域，涉及一种在车辆行驶期间估计车轮动载荷的系统及方法。

背景技术

轮胎与地面在轮-地接触点的作用力决定着车轮的纵向、侧向和垂向运动，进而影响汽车的运动和安全性能。由汽车悬架系统的弹性和阻尼特性以及轮-地耦合形成的车轮动载荷直接影响车轮的纵向和侧向力，是车辆纵-侧-垂向动力学耦合的关键因素。因此，对于汽车运动控制系统，包括制动控制系统、牵引力控制系统、车辆稳定性控制系统、转向控制系统等，均需实时获取车轮动载荷信息。

车轮动载荷受到悬架系统动态特性和路面随机扰动的影响，在车辆加速、制动和转向过程中也会发生变化。现有技术中，对车轮动载荷的获取方法有直接测量法、基于轮胎压力传感器的估计方法、基于模型的开环估计方法、基于模型的闭环估计方法等。其中，直接测量法通过安装轮胎六分力传感器可实现对车轮动载荷的直接测量，但传感器价格昂贵，安装复杂，且与轮胎尺寸密切相关，通用性差；基于轮胎压力传感器的估计方法，借助轮胎压力传感器的测量信息计算车轮动载荷，其对轮胎压力的测量精度和采样频率提出了较高的要求，且必须考虑轮胎内部和外部温度的影响，使得这种方法还处于理论研究阶段；基于模型的开环估计方法通常是利用车辆纵向和侧向加速度以及车辆参数直接计算车轮动载荷，具有结构简单、易于实现的有点，但其忽略了悬架系统的非线性特性和路面随机扰动的影响，导致其无法准确预测极限工况下快速变化的车轮动载荷，且车辆参数的变化会产生不准确的车轮动载荷计算结果；基于模型的闭环估计方法能够利用先进估计技术和悬架动力学提高对车轮动载荷的估计精度，但现有技术通常忽略悬架系统的非线性动态特性，并且其实现依赖于对悬架动力学参数的准确辨识和较多的传感器测量信息，包括车辆纵向和侧向加速度传感器、车身侧倾角速度传感器等，限制了其在实际中的应用范围。

发明内容

为了避免上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了一种理论成熟、适用范围广、精度高的路面自适应的车轮动载荷估计系统及方法。本发明考虑悬架阻尼力非线性特性和路面随机扰动的影响，能够实现不同路面条件下车轮动载荷的低成本实时估计。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种路面自适应的车轮动载荷估计系统，包括轮胎、悬架系统、位移传感器、估计算法模块，其中：

所述轮胎用于支撑车辆；

所述悬架系统安装在车轮和车身之间；

所述位移传感器用于确定悬架簧上和簧下质量相对位移；

所述估计算法模块用于根据测得的簧上和簧下质量相对位移确定车轮动载荷。

一种利用上述系统实现路面自适应的车轮动载荷估计方法，包括如下步骤：

步骤一、按照以下悬架系统动力学模型将车轮动载荷估计问题转化为非线性系统未知输入重构问题：

式中，x₁＝z_s-z_u，输出y＝z_s-z_u，未知输入d＝R_z-R_sz；z_s、分别为悬架簧上质量位移、速度；z_u、分别为悬架簧下质量位移、速度；m_s为悬架簧上质量；m_u为悬架簧下质量；k_s为悬架刚度系数；f(x₁,x₂,x₃)为描述悬架阻尼力的函数；

步骤二、设计滑模观测器，估计非线性系统状态，其中：滑模观测器满足以下条件：

式中，l₁、l₂和l₃为观测器反馈增益；ρ₁、ρ₂和ρ₃为观测器滑模增益；和分别表示状态x₁、x₂和x₃的估计值；表示输出y的估计值；

步骤三、计算观测器估计误差方程：

式中，c₁、c₂和c₃是随 和变化的参数；是(x₁,x₂,x₃)和之间的一个点；η是影响观测器等效符号函数sign_eq(e)的斜率；sign_eq(e)用于替换观测器中的符号函数sign(e)，以避免抖振对状态估计的影响；

步骤四：给出如下保证估计误差方程稳定的观测器增益设计方法：

l₁＞0

ρ₁＞0

l₃＞0

其中：

步骤五、通过未知输入重构实现对车轮动载荷的估计，其中：车轮动载荷R_z重构为：

式中，R_sz表示由悬架簧上和簧下质量引起的车轮静载荷。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的车轮动载荷估计方法不需要对悬架系统非线性动力学进行线性化处理。

2、本发明的车轮动载荷估计方法的鲁棒性是由输入-状态稳定性理论保证的，可以在理论上确保本发明所设计的观测器估计误差是有界的。

3、本发明的车轮动载荷估计方法不依赖于轮-地耦合刚度和阻尼系数等参数，因此可以适应不同的路面条件。

4、本发明的车轮动载荷估计方法仅利用了悬架系统簧上和簧下质量相对位移的测量信息，具有低成本的优势，且可以实现实时估计。

5、本发明的车轮动载荷估计方法可以同时对悬架系统簧上和簧下质量的速度进行估计，用于悬架控制系统设计。

6、本发明的车轮动载荷估计方法可适用于电动汽车、燃油汽车等不同车型，半主动悬架、主动悬架等不同悬架系统，且具体实施估计时可采用不同形式的阻尼器模型，适用于不同悬架阻尼器。

附图说明

图1为轮胎、汽车悬架、车身及簧上和簧下质量相对位移传感器的安装与车轮动载荷估计算法示意图；

图2为路面自适应的车轮动载荷估计方法流程框图；

图3为干燥沥青路面上估计的簧上和簧下质量的相对位移、簧上簧下质量的速度、车轮动载荷与实际值进行比较的示意图；

图4为潮湿泥土路面上估计的簧上和簧下质量的相对位移、簧上簧下质量的速度、车轮动载荷与实际值进行比较的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的路面自适应的车轮动载荷估计系统包括轮胎5、悬架系统1、位移传感器2、估计算法模块3，其中：

所述轮胎5用于支撑车辆；

所述悬架系统1安装在车轮和车身4之间；

所述位移传感器2用于确定悬架簧上和簧下质量相对位移；

所述估计算法模块3用于根据测得的簧上和簧下质量相对位移确定车轮动载荷。

如图2所示，利用上述系统实现路面自适应的车轮动载荷估计方法的包括如下步骤：

步骤一：将车轮动载荷估计问题转化为非线性系统未知输入重构问题。

考虑悬架阻尼力的非线性特性和路面随机扰动的影响，可得本发明采用的如下悬架系统动力学模型：

其中：z_s、和分别为悬架簧上质量位移、速度和加速度；z_u、和分别为悬架簧下质量位移、速度和加速度；z_r和分别为路面高度和路面高度变化率；m_s为悬架簧上质量，m_u为悬架簧下质量，k_s为悬架刚度系数，k_tg为轮-地耦合刚度系数，c_tg为轮-地耦合阻尼系数；为描述悬架阻尼力的函数，如：

其中，C₁、C₂、K₁、K₂和A₀为阻尼器参数。也可以采用其他形式的非线性函数描述阻尼力，从而可以适用于不同形式的阻尼器。

R_sz表示由悬架簧上和簧下质量引起的车轮静载荷，则车轮动载荷R_z定义为：

将表达式(3)代入表达式(1)中，可得：

非线性系统未知输入重构问题：定义系统状态x₁＝z_s-z_u，输出y＝z_s-z_u，未知输入d＝R_z-R_sz，则悬架动力学模型(4)可以重写为：

对于表达式(5)所描述的非线性系统，考虑到系统的成本限制，只有系统输出(z_s-z_u)，即悬架系统簧上和簧下质量的相对位移是可测量的。本发明设计观测器估计非线性系统的状态，并通过重构未知输入d实现对车轮动载荷的估计。由此将车轮动载荷的估计问题转化为表达式(5)所描述的非线性系统的为未知输入d的重构问题。

步骤二：设计滑模观测器，估计非线性系统状态。

对于表达式(4)所描述的非线性系统，利用可测量的系统输出y＝z_s-z_u，本发明设计的滑模观测器如下：

其中：l₁、l₂和l₃为观测器反馈增益，ρ₁、ρ₂和ρ₃为观测器滑模增益；和分别表示状态x₁、x₂和x₃的估计值，表示输出y的估计值。

为了避免抖振对状态估计的影响，本发明采用以下等效符号函数取代表达式(6)所设计的观测器中的符号函数sign(e)：

其中：为输出的估计误差；η是一个小的正数，影响函数sign_eq(e)的斜率。

步骤三：计算观测器的估计误差方程。

定义状态估计误差则根据表达式(5)-(7)可得观测器的估计误差方程：

其中：f(x₁,x₂,x₃)描述的是悬架阻尼力与悬架动行程、簧上和簧下质量速度的函数关系，本质是连续可微的。因此，对于连续可微函数f(x₁,x₂,x₃)，有：

其中，是(x₁,x₂,x₃)和之间的一个点，会随(x₁,x₂,x₃)和变化，c₁、c₂和c₃是随和变化的参数。

将表达式(7)和(9)代入表达式(8)，可得：

令：

则表达式(10)可重写为：

这就是本发明计算出的观测器估计误差方程。

步骤四：给出保证估计误差方程稳定的观测器增益设计方法。

定义李雅普诺夫函数：

结合表达式(12)，有：

其中：Q＝[0 0 1/m_u]，且

可见，P为实对称阵，其三个顺序主子式分别为：

Δ₁＝k₁ (16)；

当且仅当Δ₁＞0，Δ₂＞0，Δ₃＞0，矩阵P是正定的。

因此，如果k₁、k₂、k₃满足以下条件：

k₁＞0

其中：

则有Δ₁＞0，Δ₂＞0，Δ₃＞0，矩阵P是正定的。

对于正定矩阵P，其所有特征根都为正值。用λ_min(P)表示P的特征根的最小值，则对于表达式(14)有：

其中：0＜θ＜1。因此，如果系统未知输入d＝0，则观测器误差方程(12)是渐近稳定的；如果未知输入d≠0，则观测器误差方程(12)关于未知输入d是输入-状态稳定的。未知输入d表征的是车轮动载荷，是有界的，这意味着，估计误差始终有界。

保证估计误差方程稳定的观测器增益设计方法：为了获取观测器增益的设计方法，表达式(11)可以转化为以下形式：

结合不等式(19)和(22)，可得保证估计误差方程稳定的观测器增益设计方法：

l₁＞0

ρ₁＞0

l₃＞0

其中：

步骤五：通过未知输入重构实现对车轮动载荷的估计。

一旦估计误差方程(12)到达滑模面，且估计的系统状态收敛到真实状态，系统未知输入d，即车轮动载荷R_z可根据表达式(5)、(6)和(7)重构为：

可见，测量输出和估计输出之间的偏差被用来重构车轮动载荷，即车轮动载荷的重构仅利用了悬架系统簧上和簧下质量相对位移的测量信息。

本发明仅利用了单一传感器的测量信息，即悬架系统簧上和簧下质量相对位移的测量信息，结合表达式(6)和(25)即可实现对车轮动载荷的估计；且本发明的车轮动载荷估计系统和方法不依赖于轮-地耦合刚度和阻尼系数等参数。因此，本发明的车轮动载荷估计系统和方法具有低成本和实时性优势，且能够适应不同路面条件。

实施例：

根据车辆悬架的设计要求并结合预期的仿真运行结果，设计仿真运行参数以及观测器的反馈增益和滑模增益。

设计的仿真运行相关参数以及观测器增益如下：

m_s＝2353.6kg，m_u＝336.2kg，k_s＝5kN/m

C₁＝8100.8，K₁＝6200.8，C₂＝20.5，K₂＝13.8，A₀＝1885.6

l₁＝1，l₂＝1，l₃＝2，ρ₁＝0.01，ρ₂＝0.01，ρ₃＝100，η＝0.001。

本实施例分别在干燥沥青路面和潮湿泥土路面上验证本发明的估计效果。

图3为实施例提及的干燥沥青路面上估计的簧上和簧下质量的相对位移、簧上簧下质量的速度、车轮动载荷与实际簧上和簧下质量的相对位移、簧上簧下质量的速度、车轮动载荷进行比较的示意图；图4为实施例提及的潮湿泥土路面上估计的簧上和簧下质量的相对位移、簧上簧下质量的速度、车轮动载荷与实际簧上和簧下质量的相对位移、簧上簧下质量的速度、车轮动载荷进行比较的示意图。根据图3和图4可知：本实施例所设计的车轮动载荷估计系统和方法能够在仅使用一个传感器的情况下，获得较好的估计效果，并能够适应不同路面条件。

Claims (3)

1.一种路面自适应的车轮动载荷估计系统，其特征在于所述系统包括轮胎、悬架系统、位移传感器、估计算法模块，其中：

所述轮胎用于支撑车辆；

所述悬架系统安装在车轮和车身之间；

所述位移传感器用于确定悬架簧上和簧下质量相对位移；

所述估计算法模块用于根据测得的簧上和簧下质量相对位移确定车轮动载荷。

2.一种利用权利要求1所述系统实现路面自适应的车轮动载荷估计方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、按照以下悬架系统动力学模型将车轮动载荷估计问题转化为非线性系统未知输入重构问题：

式中，x₁＝z_s-z_u，输出y＝z_s-z_u，未知输入d＝R_z-R_sz；z_s、分别为悬架簧上质量位移、速度；z_u、分别为悬架簧下质量位移、速度；m_s为悬架簧上质量；m_u为悬架簧下质量；k_s为悬架刚度系数；f(x₁,x₂,x₃)为描述悬架阻尼力的函数；

步骤二、设计滑模观测器，估计非线性系统状态，其中：滑模观测器满足以下条件：

式中，l₁、l₂和l₃为观测器反馈增益；ρ₁、ρ₂和ρ₃为观测器滑模增益；和分别表示状态x₁、x₂和x₃的估计值；表示输出y的估计值；

步骤三、计算观测器估计误差方程：

式中，c₁、c₂和c₃是随 和变化的参数；是(x₁,x₂,x₃)和之间的一个点；η是影响观测器等效符号函数sign_eq(e)的斜率；sign_eq(e)用于替换观测器中的符号函数sign(e)；

步骤四：给出如下保证估计误差方程稳定的观测器增益设计方法：

l₁＞0

ρ₁＞0

l₃＞0

其中：

步骤五、通过未知输入重构实现对车轮动载荷的估计，其中：车轮动载荷R_z重构为：

式中，R_sz表示由悬架簧上和簧下质量引起的车轮静载荷。

3.根据权利要求1所述的路面自适应的车轮动载荷估计方法，其特征在于所述符号函数sign(e)采用的等效表达式为：

其中：为输出的估计误差。