CN110083890B - 基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法 - Google Patents

基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法，包括以下步骤：1)轮速信号处理子模块根据GNSS采样频率对轮速信号进行重采样；2)当GNSS状态判断子模块判断当前GNSS状态良好时，轮胎半径估计模块采用级联卡尔曼滤波估计得到车速和轮胎半径实时估计值；3)输出模块对轮胎半径估计模块得到的轮胎半径实时估计值进行收敛及稳定性判断，当轮胎半径实时估计值稳定且收敛时，输出轮胎半径实时估计值，否则输出初始值。与现有技术相比，本发明具有成本低廉、计结果精度高、鲁棒性强、应用范围广等优点。

Description

基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法
技术领域
本发明涉及智能汽车运动状态检测领域，尤其是涉及一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法。
背景技术
车速是表征车辆运动状态最重要的状态量之一，其对于车辆的动力学控制、驾驶员对车辆状态的把控、智能汽车的轨迹跟踪控制、智能汽车高精度组合定位等都具有重要的意义，因此如何实时获取准确车速一直以来都是车辆领域的研究热点之一。
目前国内外获取车速的方法主要有两种，一种是通过GNSS传感器等额外传感器直接测量得到，而这些基于传感器直接测量的方案亦或是价格昂贵，亦或是不够准确，亦或是不够稳定。另一种方法便是利用轮速信号，轮速信号是车辆上最稳定的获取车速的信息源之一，而通过轮速获取车速就必须要知道轮胎半径的准确值，但轮胎半径受车速、温度、胎压、载荷、磨损等影响较大，固定的轮胎半径参数会使得车速计算产生偏差且随着速度的增加，轮胎半径误差造成的速度误差也显著增大，因此有必要对轮胎半径自适应从而保证车速的准确性。现有的轮胎半径自适应方法往往假设相邻采样间隔轮速保持不变而建立状态方程，而该假设并不成立，因此会使得轮胎半径估计精度较差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法，包括以下步骤：
1)轮速信号处理子模块根据GNSS采样频率对轮速信号进行重采样；
2)当GNSS状态判断子模块判断当前GNSS状态良好时，轮胎半径估计模块采用级联卡尔曼滤波估计得到车速和轮胎半径实时估计值，GNSS接收机可以直接输出当前状态，GNSS状态判断子模块直接根据输出的状态即可判断当前GNSS状态是否良好；
3)输出模块对轮胎半径估计模块得到的轮胎半径实时估计值进行收敛及稳定性判断，当轮胎半径实时估计值稳定且收敛时，输出轮胎半径实时估计值，否则输出初始值。
所述的步骤1)中，轮速信号处理子模块根据GNSS采样频率对轮速信号进行重采样具体计算式为：
Figure BDA0002022928880000021
其中，ωk为当前时刻轮速测量值，ωk-1为前一时刻轮速测量值，i＝1表示当前时刻GNSS测量信号进行了更新，i＝0表示当前时刻GNSS测量信号未更新。
所述的步骤2)具体包括以下步骤：
21)以轮速信号作为第一级卡尔曼滤波子模块的输入，估计得到轮速和轮加速度的第一次估计值；
22)以GNSS速度测量值、轮速信号、轮速和轮加速度的第一次估计值作为第二级卡尔曼滤波子模块的输入，估计得到车速和轮胎半径实时估计值。
所述的步骤2)中，GNSS状态判断子模块的表达式为：
Figure BDA0002022928880000022
其中，flag为表征GNSS状态的标志位，当GNSS状态良好时取1，GNSS状态差时取0。
所述的步骤21)中，第一级卡尔曼滤波子模块的估计式为：
X1(k)＝X1(k|k-1)+K1(k)[Y1(k)-H1 T(k)X1(k|k-1)]
X1(k|k-1)＝A1(k-1)X1(k-1)
K1(k)＝P1(k|k-1)H1 T(k)[H1(k)P1(k|k-1)H1 T(k)+R1]-1
P1(k|k-1)＝A1(k-1)P1(k-1)A1 T(k-1)+Q1
P1(k)＝(I-K1(k)H1(k))P1(k|k-1)
其中，X1(kk-1)为状态预测值，A1(k-1)为上一时刻系统状态转移矩阵，且
Figure BDA0002022928880000031
ΔT为采样间隔，X1(k)、X1(k-1)为当前时刻和上一时刻的系统状态，且
Figure BDA0002022928880000032
ω为轮速，
Figure BDA0002022928880000033
为轮加速度，H1(k)为系统测量矩阵，且H1＝[1 0]，P1(k)为协方差矩阵，P1(kk-1)为协方差矩阵的预测值，Q1为状态方程过程噪声方差，K1(k)为卡尔曼滤波增益，R1为测量过程噪声方差，Y1(k)为通过传感器测量得到的当前观测量，I为二阶单位阵。
所述的步骤22)中，第二级卡尔曼滤波子模块的估计式为：
X2(k)＝X2(k|k-1)+K2(k)[Y2(k)-H2 T(k)X2(k|k-1)]
X2(k|k-1)＝A2(k-1)X2(k-1)
K2(k)＝P2(k|k-1)H2 T(k)[H2(k)P2(k|k-1)H2 T(k)+R2]-1
P2(k|k-1)＝A2(k-1)P2(k-1)A2 T(k-1)+Q2
P2(k)＝(I-K2(k)H2(k))P2(k|k-1)
其中，X2(kk-1)表示状态预测值，A2(k-1)为上一时刻系统状态转移矩阵，且
Figure BDA0002022928880000034
X2(k)、X2(k-1)为当前时刻和上一时刻的系统状态，且
Figure BDA0002022928880000035
H2(k)为系统测量矩阵，且H2＝[1 0]，P2(k)表示协方差矩阵，P2(k|k-1)表示协方差矩阵的预测值，Q2表示状态方程过程噪声方差，K2(k)为卡尔曼滤波增益，R2表示测量过程噪声方差，Y2(k)表示通过传感器测量得到的当前观测量。
所述的步骤3)中，输出模块具体为：
Figure BDA0002022928880000036
其中，rout为输出模块的轮胎半径输出值，mean(rk,...rk-N)为从当前时刻k到k-N时刻所有轮胎半径估计值的均值，var(rk,...rk-N)为从当前时刻k到k-N时刻所有轮胎半径估计值的方差，rini为轮胎半径初始值，α1、α2为参数。
用于实现基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法的估计系统包括：
传感器信号处理模块：用以根据GNSS状态判断当前测量得到的速度是否准确，确定是否启用轮胎半径估计模块，并根据GNSS传感器的采样频率对轮速传感器的测量值进行重采样，保证GNSS的速度测量与轮速传感器的测量值为同一采样时刻的测量值；
轮胎半径估计模块：当GNSS状态良好时，基于级联卡尔曼滤波对轮胎半径进行在线实时估计，第一级卡尔曼滤波子模块用以处理轮速信号的噪声，并对轮加速度进行实时估计，第二级卡尔曼滤波子模块利用第一级卡尔曼滤波子模块输出的轮加速度值对轮胎半径估计系统进行精确建模，从而准确地估计轮胎半径；
输出模块：对轮胎半径估计模块得到的轮胎半径值进行收敛及稳定性判断，当估计的轮胎半径值稳定且收敛在允许范围内时，输出估计得到的轮胎半径值，否则输出初始值。
所述的传感器信号处理模块包括：
GNSS状态判断子模块：用以根据GNSS状态信息判断其测量值是否准确；
轮速信号处理子模块：用以根据GNSS采样频率对轮速信号进行重采样，确保与GNSS信号采样频率相同。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明仅利用车辆轮速传感器和GNSS传感器即可实现轮胎半径的准确估计，成本低廉易实现，鲁棒性高，应用范围广，估计结果可应用于如车辆动力学控制系统、胎压监测系统等；
(2)本发明考虑了轮加速度对轮胎半径估计模型的影响，在计算轮加速度时利用卡尔曼滤波，与直接对轮速信号进行求导相比，可以获得更为平稳准确的轮加速度信息，从而为准确估计轮胎半径奠定了基础；
(3)本发明采用级联卡尔曼滤波技术，将轮加速度考虑进系统模型中，因此在车辆高动态等轮速剧烈变化情况下依然保证了建模精度，从而保证了估计结果的精确性。
附图说明
图1为本发明的系统结构原理框图
图中标记说明：
1为传感器信号处理模块，2为轮胎半径估计模块，3为输出模块4为GNSS信号质量判断模块，5为轮速信号处理模块，6为第一级卡尔曼滤波子模块，7为第二级卡尔曼滤波子模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计系统及方法，该系统包括：
传感器信号处理模块1，包括GNSS信号质量判断模块4，根据GNSS状态判断当前测量得到的速度是否准确，以确定是否启用轮胎半径估计模块；轮速信号处理模块5，根据GNSS传感器的采样频率对轮速传感器的测量值进行再采样，保证GNSS的速度测量与轮速传感器的测量值为同一采样时刻的测量值；
轮胎半径估计模块2，当GNSS状态良好时，基于级联卡尔曼滤波对轮胎半径进行在线实时估计，第一级卡尔曼滤波子模块6处理轮速信号的噪声，并对轮加速度进行实时估计；第二级卡尔曼滤波子模块7利用第一级卡尔曼滤波输出的轮加速度值对轮胎半径估计系统进行精确建模，从而准确地估计轮胎半径。
输出模块3，对轮胎半径估计模块得到的轮胎半径值进行收敛及稳定性判断，当估计的轮胎半径值稳定且收敛在合理范围内时，输出估计得到的轮胎半径值，否则输出初始值。
传感器信号处理模块1，包括：
GNSS状态判断模块4，根据GNSS状态信息判断其测量值是否准确，具体为：
Figure BDA0002022928880000051
其中，flag为表征GNSS状态的标志位，当GNSS状态良好时取1，GNSS状态不好时取0.
轮速信号处理模块5，根据GNSS采样频率对轮速信号进行重采样，确保与GNSS信号采样频率相同具体为：
Figure BDA0002022928880000061
其中，ωk表示当前时刻轮速测量值，ωk-1表示前一时刻轮速测量值，i＝1表示当前时刻GNSS测量信号进行了更新，i＝0表示当前时刻GNSS测量信号未更新。
轮胎半径估计模块2采用级联卡尔曼滤波技术，具体为：
第一级卡尔曼滤波子模块6的传感器输入值为轮速信号，计算得到轮速和信号和轮加速度信号，按照下述步骤进行计算：
系统状态向量：
Figure BDA0002022928880000062
系统状态转移矩阵：
Figure BDA0002022928880000063
系统测量矩阵：
H1＝[1 0]
计算状态预测：
X1(k|k-1)＝A1(k-1)X1(k-1)
计算协方差矩阵预测：
P1(k|k-1)＝A1(k-1)P1(k-1)A1 T(k-1)+Q1
计算卡尔曼滤波增益：
K1(k)＝P1(k|k-1)H1 T(k)[H1(k)P1(k|k-1)H1 T(k)+R1]-1
计算状态更新：
X1(k)＝X1(k|k-1)+K1(k)[Y1(k)-H1 T(k)X1(k|k-1)]
计算协方差矩阵更新：
P1(k)＝(I-K1(k)H1(k))P1(k|k-1)
其中，ω为轮速，
Figure BDA0002022928880000064
为轮加速度，ΔT为采样间隔，X1(k|k-1)表示状态预测值，A1(k-1)为上一时刻系统状态转移矩阵，X1(k-1)为上一时刻系统状态，P1(k|k-1)表示协方差矩阵的预测值，Q1表示状态方程过程噪声方差，K1(k)为卡尔曼滤波增益，R1表示测量过程噪声方差，Y1(k)表示通过传感器测量得到的当前观测量。I表示二阶单位阵。
第二级卡尔曼滤波子模块7的输入为GNSS速度测量值、轮速信号、由第一级卡尔曼滤波计算得到的轮加速度信号，输出为车速和轮胎半径实时估计值，按照下述步骤计算：
当flag＝0时，输出初始值；
当flag＝1时，按如下步骤计算：
系统状态向量：
Figure BDA0002022928880000071
系统状态转移矩阵：
Figure BDA0002022928880000072
系统测量矩阵：
H2＝[1 0]
计算状态预测：
X2(k|k-1)＝A2(k-1)X2(k-1)
计算协方差矩阵预测：
P2(k|k-1)＝A2(k-1)P2(k-1)A2 T(k-1)+Q2
计算卡尔曼滤波增益：
K2(k)＝P2(k|k-1)H2 T(k)[H2(k)P2(k|k-1)H2 T(k)+R2]-1
计算状态更新：
X2(k)＝X2(k|k-1)+K2(k)[Y2(k)-H2 T(k)X2(k|k-1)]
计算协方差矩阵更新：
P2(k)＝(I-K2(k)H2(k))P2(k|k-1)
其中，v为车速，r为车轮半径，ω为车轮转速，
Figure BDA0002022928880000073
为轮加速度。X2(k|k-1)表示状态预测值，A2(k-1)为上一时刻系统状态转移矩阵，X2(k-1)为上一时刻系统状态，P2(k|k-1)表示协方差矩阵的预测值，Q2表示状态方程过程噪声方差，K2(k)为卡尔曼滤波增益，R2表示测量过程噪声方差，Y2(k)表示通过传感器测量得到的当前观测量。I表示二阶单位阵。
输出模块3，具体为：
Figure BDA0002022928880000074
其中，rout为轮胎半径输出值，mean(rk,...rk-N)为从当前时刻k到k-N时刻所有轮胎半径估计值的均值，var(rk,...rk-N)为从当前时刻k到k-N时刻所有轮胎半径估计值的方差，rini为轮胎半径初始值，α1、α2为参数。
在本发明得到准确的轮胎半径估计值后，准确的轮胎半径估计值是车辆根据轮速获取准确车速的前提，能够保证车辆各种动力学控制系统如ABS系统、ESP系统、以及胎压监测系统等正常高效工作。

Claims (7)

1.一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)轮速信号处理子模块根据GNSS采样频率对轮速信号进行重采样，所述的步骤1)中，轮速信号处理子模块根据GNSS采样频率对轮速信号进行重采样具体计算式为：
Figure FDA0002596909470000011
其中，ωk为当前时刻轮速测量值，ωk-1为前一时刻轮速测量值，i＝1表示当前时刻GNSS测量信号进行了更新，i＝0表示当前时刻GNSS测量信号未更新；
2)当GNSS状态判断子模块判断当前GNSS状态良好时，轮胎半径估计模块采用级联卡尔曼滤波估计得到车速和轮胎半径实时估计值，具体包括以下步骤：
21)以轮速信号作为第一级卡尔曼滤波子模块的输入，估计得到轮速和轮加速度的第一次估计值；
22)以GNSS速度测量值、轮速信号、轮速和轮加速度的第一次估计值作为第二级卡尔曼滤波子模块的输入，估计得到车速和轮胎半径实时估计值；
3)输出模块对轮胎半径估计模块得到的轮胎半径实时估计值进行收敛及稳定性判断，当轮胎半径实时估计值稳定且收敛时，输出轮胎半径实时估计值，否则输出初始值。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法，其特征在于，所述的步骤2)中，GNSS状态判断子模块的表达式为：
Figure FDA0002596909470000012
其中，flag为表征GNSS状态的标志位，当GNSS状态良好时取1，GNSS状态差时取0。
3.根据权利要求1所述的一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法，其特征在于，所述的步骤21)中，第一级卡尔曼滤波子模块的估计式为：
X1(k)＝X1(k|k-1)+K1(k)[Y1(k)-H1 T(k)X1(k|k-1)]
X1(k|k-1)＝A1(k-1)X1(k-1)
K1(k)＝P1(k|k-1)H1 T(k)[H1(k)P1(k|k-1)H1 T(k)+R1]-1
P1(k|k-1)＝A1(k-1)P1(k-1)A1 T(k-1)+Q1
P1(k)＝(I-K1(k)H1(k))P1(k|k-1)
其中，X1(k|k-1)为状态预测值，A1(k-1)为上一时刻系统状态转移矩阵，且
Figure FDA0002596909470000021
ΔT为采样间隔，X1(k)、X1(k-1)为当前时刻和上一时刻的系统状态，且
Figure FDA0002596909470000022
ω为轮速，
Figure FDA0002596909470000023
为轮加速度，H1(k)为系统测量矩阵，且H1＝[1 0]，P1(k)为协方差矩阵，P1(k|k-1)为协方差矩阵的预测值，Q1为状态方程过程噪声方差，K1(k)为卡尔曼滤波增益，R1为测量过程噪声方差，Y1(k)为通过传感器测量得到的当前观测量，I为二阶单位阵。
4.根据权利要求3所述的一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法，其特征在于，所述的步骤22)中，第二级卡尔曼滤波子模块的估计式为：
X2(k)＝X2(k|k-1)+K2(k)[Y2(k)-H2 T(k)X2(k|k-1)]
X2(k|k-1)＝A2(k-1)X2(k-1)
K2(k)＝P2(k|k-1)H2 T(k)[H2(k)P2(k|k-1)H2 T(k)+R2]-1
P2(k|k-1)＝A2(k-1)P2(k-1)A2 T(k-1)+Q2
P2(k)＝(I-K2(k)H2(k))P2(k|k-1)
其中，X2(k|k-1)表示状态预测值，A2(k-1)为上一时刻系统状态转移矩阵，且
Figure FDA0002596909470000024
X2(k)、X2(k-1)为当前时刻和上一时刻的系统状态，且
Figure FDA0002596909470000025
H2(k)为系统测量矩阵，且H2＝[1 0]，P2(k)表示协方差矩阵，P2(k|k-1)表示协方差矩阵的预测值，Q2表示状态方程过程噪声方差，K2(k)为卡尔曼滤波增益，R2表示测量过程噪声方差，Y2(k)表示通过传感器测量得到的当前观测量。
5.根据权利要求4所述的一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法，其特征在于，所述的步骤3)中，输出模块具体为：
Figure FDA0002596909470000031
其中，rout为输出模块的轮胎半径输出值，mean(rk,...rk-N)为从当前时刻k到k-N时刻所有轮胎半径估计值的均值，var(rk,...rk-N)为从当前时刻k到k-N时刻所有轮胎半径估计值的方差，rini为轮胎半径初始值，α1、α2为参数。
6.根据权利要求1所述的一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法，其特征在于，用于实现基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法的估计系统包括：
传感器信号处理模块：用以根据GNSS状态判断当前测量得到的速度是否准确，确定是否启用轮胎半径估计模块，并根据GNSS传感器的采样频率对轮速传感器的测量值进行重采样，保证GNSS的速度测量与轮速传感器的测量值为同一采样时刻的测量值；
轮胎半径估计模块：当GNSS状态良好时，基于级联卡尔曼滤波对轮胎半径进行在线实时估计，第一级卡尔曼滤波子模块用以处理轮速信号的噪声，并对轮加速度进行实时估计，第二级卡尔曼滤波子模块利用第一级卡尔曼滤波子模块输出的轮加速度值对轮胎半径估计系统进行精确建模，从而准确地估计轮胎半径；
输出模块：对轮胎半径估计模块得到的轮胎半径值进行收敛及稳定性判断，当估计的轮胎半径值稳定且收敛在允许范围内时，输出估计得到的轮胎半径值，否则输出初始值。
7.根据权利要求6所述的一种基于级联卡尔曼滤波的智能汽车轮胎半径自适应估计方法，其特征在于，所述的传感器信号处理模块包括：
GNSS状态判断子模块：用以根据GNSS状态信息判断其测量值是否准确；
轮速信号处理子模块：用以根据GNSS采样频率对轮速信号进行重采样，确保与GNSS信号采样频率相同。
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