CN111086520A - 一种适用于四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于四轮驱动汽车多轮高滑移率时的速度估计算法，所述方法分两层，第一层包括：利用基于轮速的车速估算模块，将车轮角速度转换为车轮纵向速度并修正轮胎旋转半径和轮胎标记半径的偏差，根据模糊逻辑估计车速；利用基于加速度的车速估算模块，根据积分加速度变量来估计车速；多轮大滑移率时第一层算法无法准确估算车速，第二层算法中车速估算模块引入模糊逻辑以精确判断车轮打滑状况，并估算精确车速；按照第二层车速估算模块的加权系数，平衡车轮和加速度传感器的两种信号，估算最终车速。本方法引入了临时估算车速，以解决对车速和轮胎滑移率估算不准确的问题，本方法提高了精度，适用于四轮驱动车辆多轮高滑移率时估算速度。

Description

一种适用于四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法

技术领域

发明涉及四轮驱动车辆状态估计技术领域，具体为一种适用于四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法。

背景技术

随着智能和先进的驾驶员辅助系统的发展，车辆状态估计对于汽车主动系统的意义越来越大，而车速是车辆状态估计的关键变量，多个车轮出现滑移时的速度估算是重点也是难点。

现有的技术通常针对低滑移率，在普通路面上进行车辆速度估计。然而，四驱车辆在雪地路面上出现高滑移率是更危险的情况，特别是四轮同时打滑。传统上，基于轮速传感器的纵向车速估算和基于加速度传感器的纵向车速估算都有缺点，基于轮速传感器的纵向车速估算在没有车轮滑移的情况下估算值是比较准确的；基于加速度传感器的车速估算在加速度比较小或是频繁加减速的情况下估算值精度差。另外，由于轮胎模型的误差而引起的动力学算法性能下降，也会影响车辆速度估计精度。

利用四轮编码器和加速度传感器，引入轮胎转动系数修正轮胎旋转半径与轮胎标记半径之间的偏差，再引入临时估算车速处理车速和轮胎滑移率计算不准确的问题，能在多轮高滑移率情况下准确估算车速。本发明在此基础上，采用二次模糊控制的方法提高最终估算车速的精度，提出了一种四驱车辆多轮高滑移率的速度估算方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术缺陷，提供一种四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法。

为实现上述目的，可以通过一下技术方案来实现：一种四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法，包括轮速计算模块、基于轮速的车速估算模块、信号滤波模块、基于加速度的车速估算模块、滑移率置信度计算模块、车速估算模块和最终模糊控制模块。

具体包括以下步骤：1)根据第一层算法进行预估算，在大滑移率的情况下分别基于四个轮速传感器和纵向加速度传感器估算相对准确的纵向车速，作为参考值提供给第二层算法；2) 根据第二层算法进行最终的纵向车速估算，调节在不同车轮滑移情况下的置信程度，使得在大滑移率、多轮打滑的情况下得出精确的纵向车速估算值。

其中，所述的轮速计算模块接收传感器信号，信号为车轮角速度ω_i，j，其数值会随实际车辆轮胎气压等变化而有偏差，因此引入轮胎转动系数η进行标定，再输出估算车轮线速度V_i，j给基于轮速的车速估算模块。

其中，所述的基于轮速的车速估算模块从传感器得到的四个轮速中选取最小速度，并计算四个车轮的滑移率，作为模糊控制的输入量，输出相对准确的车速估算值v_E，w给基于加速度的车速估算模块和第二层算法。

其中，所述的信号滤波模块用于处理加速度传感器的信号，对车辆纵向加速度a_sensor进行滤波。

其中，所述的基于加速度的车速估算模块接收滤波后的加速度，采用小步长时间迭代积分，然后用线性补偿方式进行标定输出车速估算值V_{E a}给第二层算法。

其中，所述的车速估算模块根据第一层算法得出的相对准确的估算车速，在考虑滑移率和滑移车轮个数基础上，输出估算值到滑移率置信度计算模块和最终模糊控制模块。

其中，所述的滑移率置信度计算模块利用置信参数平衡基于轮速的车速估算和基于加速度的车速估算中估算出的纵向车速，根据不同滑移率得出相对准确的纵向车速值V_{E temp}，并重新计算出四个轮胎的滑移率

输出到最终模糊控制模块。

其中，所述的最终模糊控制模块用于综合输入变量滑移率

基于轮速的纵向车速估计值v_E，w、基于加速度的纵向车速估计值v_E，a和传感器原始信号ω_i，j，最终计算出准确的纵向车速估计v_E。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过引入轮胎旋转系数，抵消轮胎旋转半径和标记轮胎半径之间的偏差，提高了基于轮速的车速估算模块的计算精度；并且通过噪音滤波处理加速度传感器的信号，再采用线性补偿方式消除估计纵向车速和实际车速之间的偏差，提高了车速估计精度。

本发明通过计算临时估算车速的方法来处理轮胎滑移率估算不准确的问题，临时车速估算值并不作为最终估算值，但作为参考估算滑移率非常必要，出现大滑移且有两个以上车轮滑移时，通过加速度积分和标定校正的车速估算值在车速较低且加速度变化较大时不精确，利用相对准确的临时估算车速再次计算轮胎滑移率，提高了滑移率估算精度。

本发明利用置信度参数平衡基于轮速的车速估算和基于加速度的车速估算，可仅仅使用低成本的速度编码器和加速度传感器，通过两次模糊控制得出最终车速估算值，大大减小了车速和滑移率误差，提高了控制精度。

附图说明

图1为本发明的算法总体流程图

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。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，本发明提供一种一种四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法，包括以下步骤：

1)在第一层算法中进行预估算，在大滑移率的情况下分别基于四个轮速传感器和纵向加速度传感器估算出相对准确的临时车速，作为第二层算法的参考值；

11)轮速计算模块根据传感器信号车轮角速度ω_i，j，转化为车轮线速度V_i，j，引入轮胎转动系数η进行标定校正；

12)根据步骤11)得到的车轮速度V_i，j，基于轮速的车速估算模块从传感器得到的四个轮速中选取最小速度，并计算四个车轮的滑移率，作为模糊控制的输入量，输出量为车速估算值v_E，w；

13)根据步骤12)得到的车速估算值v_E，w，基于加速度的车速估算模块综合滤波后的加速度信号，采用小步长时间迭代积分，然后用线性补偿方式进行标定计算车速估算值V_{E a}；

2)根据步骤1)得到的车速估算值v_E，w和V_{E a}在第二层算法中进行最终的纵向车速估算，调节在不同车轮滑移情况下的置信程度，使得在大滑移率、多轮打滑的情况下得出精确的纵向车速估算值；

21)首先通过车速估算模块根据相对准确的临时估算车速，考虑滑移率和滑移车轮个数，分别输出变量到滑移率置信度计算模块和最终模糊控制模块；

22)分析不同工况下车速估算的置信度，用置信度参数平衡基于轮速的车速估算和基于加速度的车速估算的纵向车速估算值，将临时车速值V_{E temp}用于重新计算四个轮胎的滑移率

23)设计最终模糊逻辑规则，综合利用滑移率

基于轮速的纵向车速估计值v_E，w、基于加速度的纵向车速估计值v_E，a和传感器原始信号ω_i，j，估计最终纵向车速v_E。

实施例：

本实施例中，根据上述方法实现的速度估算流程具体为：

首先，建立了基于轮速的车速估计器，通过模糊控制逻辑来估计车速，估计器包括将车轮角速度转换为车轮纵向速度，并且修正轮胎转动半径和轮胎标记半径的偏差。其次，设计了基于加速度的车速估计器，基于积分加速度变量来估计车速。第三，考虑了在四轮高滑移率的情况下，即使用模糊控制逻辑，在四轮高滑移率的情况下，也无法在第一次估算中获得准确的估计车速，因此在车速估计器的第二次模糊逻辑引入了相对准确的临时车速以更准确地判断车轮打滑状况，以获得准确的估计车速。第四，建立了车速估计器，通过置信度模块的加权系数，平衡从车轮编码器和加速度传感器获得的信号，然后得到最终估计车速。

所述的轮速编码器输出的信号为角速度信号，通过每个取样周期内的计数来计算车轮角速度，轮胎滚动半径计算公式为：

为了消除轮胎转动半径与轮胎标号半径的差异，需要引入车轮轮胎转动因数η，此系数由简单的车辆直线加速实验确定，车轮速度计算公式为：

V_i，j＝3.6·ω_ij·R_ij·η

其中R_i，j为轮胎半径，i代表前轮或后轮，j代表左轮或右轮；ω_i，j为车轮角速度，i代表前轮或后轮，j代表左轮或右轮；η为轮胎转动系数；V_i，j为车轮速度，i代表前轮或后轮，j代表左轮或右轮。

所述的基于轮速的车速估算模块，选取四个轮速的最小值作为参考值，考虑到这个最小的轮速只作为车速的参考值，这个值并不是一个确定的轮胎给出的，而是由行驶过程中四个轮胎中的最小值确定的：

V_min＝min{V_i，j}，1≤i，j≤2

分析看出实际分为一下几种情况：

1)所有轮胎都不打滑，那么在直线行驶的状态下，四个车轮的轮速应该是相等的，计算公式为：

v_i，j＝真实纵向车速

2)四个轮胎中至少有一个轮胎不打滑，那么假设根据这个车轮计算出的车速为V_m，m，计算公式为：

V_i，j≥V_m，m＝真实纵向车速

其中m≠i，j，1≤m，i，j≤2；

3)四个轮胎都打滑，计算公式为：

V_i，j≥V_m，m≥真实纵向车速

其中m≠i，j，1≤m，i，j≤2。

这种情况很难准确计算出的车速准确地表征当前的纵向车速，因此需要比较接近的纵向车速数值作为参考，此数值与基于加速的的车速估算值比较后，根据置信度参数进行校准。

除四个车轮最小轮速外，滑移率也是最终模糊控制的输入变量，计算公式为：

其中m≠i，j，1≤m，i，j≤2。

所述的最终模糊控制模块，考虑了所有输入变量即最小轮速和四个轮胎的滑移率及滑移车轮的数量，判断出基于轮速的车速估算和基于加速度的车速估算模块计算出的车速的置信度，根据置信度赋予权重值，估算车速计算公式为：

V_{E_w}＝mon(V_i，j)/fuzzy logic weight

其中V_{E_w}为基于轮速的估算车速。

所述的基于加速度的车速估算模块，采用小步长时间迭代积分，计算公式为：

其中a_sensor为车辆纵向加速度；V_time为加速积分器的初始车速。

尽管经过噪声滤波并且积分过程由对应的处理来尽量使结果准确，但是由于传感器自身的精度问题，得到的估计车速仍然和实际车速有一定的偏差，采用线性补偿方式进行修正，计算公式为：

V_{E_a}＝V'_{E_a}·标定系数

其中V_{E_a}为基于加速度的估算车速。

所述的车速估算模块为了满足大滑移率且多轮打滑的情况，采用权重系数矩阵的方式平衡两种估算方法的纵向车速估算值，为最终的模糊算法提供精确的输入变量，车速估算公式为：

V_{E_temp}＝WV_{E_w}+(1-W)V_{E_a}

其中V_{E temp}为相对精确的估算车速；W为fuzzy logicweight的矩阵。

所述的滑移率置信度计算模块考虑了滑移率和打滑车轮个数，如果轮胎打滑车轮数量小于2，置信参数偏向于基于轮速的估计车速；如果轮胎打滑数量大于2，置信参数偏向于基于加速度的估计车速，再进行逻辑估算最终车速v_E。

Claims (7)

1.一种适用于四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法，其特征在于，包括轮速计算模块(1)、基于轮速的车速估算模块(2)、信号滤波模块(3)、基于加速度的车速估算模块(4)、滑移率置信度计算模块(5)、车速估算模块(6)和最终模糊控制模块(7)，还包括以下步骤：

1)在第一层算法中进行预估算，在大滑移率的情况下分别基于四个轮速传感器和纵向加速度传感器估算出相对准确的临时车速，作为第二层算法的参考值；

2)根据步骤1)得到的车速估算值v_E，w和V_{E a}在第二层算法中进行最终的纵向车速估算，调节在不同车轮滑移情况下的置信程度，使得在大滑移率、多轮打滑的情况下得出精确的纵向车速估算值。

2.根据权利要求1所述的一种四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)轮速计算模块(1)根据传感器信号车轮角速度ω_i，j，转化为车轮线速度V_i，j，引入轮胎转动系数η进行标定校正；

12)根据步骤11)得到的车轮速度V_i，j，基于轮速的车速估算模块(2)从传感器得到的四个轮速中选取最小速度，并计算四个车轮的滑移率，作为模糊控制的输入量，输出量为车速估算值v_E，w；

13)根据步骤12)得到的车速估算值v_E，w，基于加速度的车速估算模块(4)接收信号滤波模块(3)后的加速度信号，采用小步长时间迭代积分，然后用线性补偿方式进行标定计算车速估算值V_{E a}。

3.根据权利要求2所述的一种四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法，其特征在于，所述的步骤11)中，引入轮胎旋转系数修正的表达式为：

V_i，j＝3.6·ω_i，j·R_i，j·η

其中R_i，j为轮胎半径；ω_i，j为车轮角速度；η为轮胎转动系数；V_i，j为车轮速度；i代表前轮或后轮，j代表左轮或右轮。

4.根据权利要求2所述的一种四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法，其特征在于，所述的步骤12)中，基于轮速的车速估算模块的最小轮速的方式分别为：

第一种情况：所有轮胎都不打滑，那么在直线行驶的状态下，四个车轮的轮速应该是相等的，计算公式为：

V_i，j＝真实纵向车速

第二种情况：四个轮胎中至少有一个轮胎不打滑，那么假设根据这个车轮计算出的车速为V_m，m，计算公式为：

V_i，j≥V_m，m＝真实纵向车速

第三种情况：四个轮胎都打滑，计算公式为：

V_i，j≥V_m，m≥真实纵向车速

其中m≠i，j，1≤m，i，j≤2。

5.根据权利要求2所述的一种四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法，其特征在于，所述的步骤13)中，基于加速度的车速估算用小步长时间迭代积分并用线性补偿方式进行修正的表达式为：

V_{E_a}＝V′_{E_a}·标定系数

其中a_sensor为车辆纵向加速度；V_time为加速积分器的初始车速；V_{E_a}为基于加速度的估算车速。

6.根据权利要求1所述的一种四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)首先通过车速估算模块(6)根据相对准确的临时估算车速，考虑滑移率和滑移车轮个数，分别输出变量到滑移率置信度计算模块(5)和最终模糊控制模块(7)；

22)分析不同工况下车速估算的置信度，用置信度参数平衡基于轮速的车速估算模块(2)和基于加速度的车速估算模块(4)的纵向车速估算值，将临时车速值V_{E temp}用于重新计算四个轮胎的滑移率

23)设计最终模糊逻辑规则，综合利用滑移率

基于轮速的纵向车速估计值v_E，w、基于加速度的纵向车速估计值v_E，a和传感器原始信号ω_i，j，估计最终纵向车速v_E。

7.根据权利要求6所述的一种四轮驱动车辆多轮高滑移率时的速度估计算法，其特征在于，所述的步骤22)中，计算临时估算车速和滑移率的表达式为：

V_{E_w}＝min(V_i，j)/fuzzy logic weight

V_{E_temp}＝W·V_{E_w}+(1-W)·V_{E_a}

其中V_{E_w}为基于轮速的估算车速；V_{E temp}为相对精确的估算车速；W为fuzzy logicweight的矩阵；m≠i，j，1≤m，i，j≤2。

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