CN1134897A - 车辆状态观测系统 - Google Patents

Abstract

一种车辆状态观测系统包括一个测量车辆状态的可观测参数的状态参数测量组件(21)。受控变量检测组件(22)检测车辆的受控变量。观测器(23)根据包括系统变量的系统矩阵，根据由状态参数测量组件测量出的车辆状态的可观测参数和由受控变量检测组件检测出的受控变量估算车辆状态的不可观测参数。系统变量检测组件(24)检测系统矩阵包括的系统变量。修正组件(25)响应于由系统变量检测组件检测出的系统变量来修正观测器的极点。

Description

车辆状态观测系统

本发明涉及估算车辆运动状态的车辆状态观测系统。

在机动车辆中使用的车辆状态观测系统是公知的。日本Keigaku Shuppan公司1987年11月25日版的M.Shiraishi著《现代控制理论导论》中公开了一种估算车辆运动状态参数的车辆状态观测系统。

上述车辆状态观测系统测量车辆状态的可观测到的参数。在车辆状态观测系统中的一个受控变量检测机构检测车辆的受控变量。车辆状态观测系统中的观测器根据测出的可观测的参数和检测到的受控变量，按照包括系统变量的一个系统矩阵来估算车辆状态的不可观测的参数。

上述车辆状态观测系统通过在一固定点保持一个观测器极点以便使观测器极点和系统极点之间的误差最佳化，从而估算车辆状态的参数。

一般来说，系统的传递函数G(S)由下式表示：G(S)＝N(S)/D(S)式中S是复数，N(S)是分子多项式，D(S)是分母多项式。分子多项式N(S)表示被测参数，分母多项式D(S)表示受控变量。观测器传递函数G′(S)由下式代表：G′(S)＝N′(S)/D′(S)式中S是复数，N′(S)是分子多项式，D′(S)是分母多项式。分子多项式N′(S)表示被观测参数，分母多项式D′(S)表示受控变量。

上述系统极点是指使系统传递函数的分母多项式D(S)等于零而得到的解。上述观测器极点是指使观测器传递函数的分母多项式D′(S)等于需而得到的解。

如果观测器极点大于系统极点，那么就不可能估算车辆状态的参数。因此，在普通的系统中，观测器极点被保持在小于系统极点的固定点上。

但是，包括在系统矩阵中的系统变量被改变，按照系统变量的变化系统的稳定性也改变。例如，系统变量是车速、车重等等。因此，系统极点按照系统变量的变化被改变。例如，当系统变量改变时，系统变得更不稳定，系统的极点变得比以前大。

如上所述，在上述的车辆状态观测系统中，观测器极点保持在固定点上，因此，当系统变量改变时，观测器极点和系统极点之间的误差可根据系统变量的变化而较大。如果观测器极点和系统极点间的误差大于一个参照值，那么，车辆状态估算参数的精度变低，其精度会分散。

因此，当系统变量改变时，上述车辆状态观测系统会产生车辆状态估算参数精度分散的现象。

另外，本发明的车辆状态观测系统的背景技术公开于1994年7月24日提交的美国专利申请第280,214号(相当于日本专利申请公本文本第7-89304号)，该专利申请已转让给本发明的受让人。上述专利申请的技术内容本文用作参考。

本发明的一个目的是提供一种克服了上述问题的改进型车辆状态观测系统。

本发明的另一个目的是提供一种车辆状态观测系统，其中，观测器极点的转移追随系统极点的转移，因此，即使当系统极点响应于系统变量的改变而变化时，观测器极点和系统极点间的误差也可保持恒定不变。

为实现本发明的上述目的，一种车辆状态观测系统包括一个测量车辆状态的可观测参数的状态参数测量组件；一个检测车辆受控变量的受控变量检测组件；在包括系统变量的系统矩阵基础上，根据由状态参数测量组件测量出的可观测参数和由受控变量检测组件检测出的受控变量估算车辆状态不可观测参数的观测器；一个检测包括在系统矩阵中的系统变量的系统变量检测组件，以及一个响应于由系统变量检测组件检测出的系统变量来修正观测器极点的修正组件。

按照本发明，系统变量检测组件检测系统变量的改变，修正组件按照系统变量的改变修正观测器极点，即使当系统极点响应于系统变量的改变而变化时也可防止车辆状态估算参数精度的分散。因此，本发明的车辆状态观测系统可精确地估算车辆状态的不可观测参数。

现在对照以下附图进行详细说明以便进一步阅明本发明的上述的和其它的目的、特征和优点。

图1是本发明一个实施例的车辆状态观测系统的框图；

图2是应用本发明实施例的四轮驱动的转向系统的示意图；

图3是与车辆型号有关而提供的观测器的框图；

图4是用于说明车速和系统极点的实数部分(real part)之间关系的曲线图；

图5是用于说明车速和系统极点的实数部分之间关系的曲线图；

图6A，6B和6C是用于说明普通车辆状态观测系统的估算结果的时间表；

图7A，7B和7C是用于说明本发明实施例的车辆状态观测系统的估算结果的时间表。

现在对照附图详述本发明的推荐实施例。

图1表示按照本发明一个实施例的车辆状态观测系统。

如图1所示，车辆状态观测系统包括一个测量车辆状态的可观测参数的状态参数测量组件21。一个受控变量检测组件22检测车辆的受控变量。一个观测器23按照包括系统变量的系统矩阵，根据由状态测量组件测量出的可观测参数和由受控变量检测组件22检测出的受控变量估算车辆状态的不可观测参数。

在图1所示的车辆状态观测系统中，一个系统变量检测组件24检测系统矩阵内包括的系统变量。一个修正组件按照由系统变量检测组件24检测出的系统变量决定观测器23的修正极点。

在图1所示的车辆状态观测系统中，修正组件25按照由系统变量检测组件24检测出的系统变量来决定观测器23的修正极点。因此，观测器23的极点变化到由修正组件25决定的修正极点。使用修正极点，观测器23按照系统矩阵，根据由状态参数测量组件21测量出的可观测参数和由受控变量检测组件22检测出的受控变量估算车辆状态的不可观测参数。

因此，本发明的车辆状态观测系统可以使观测器极点的转移追随系统极点的转移，从而即使当系统极点按照系统变量的改变而变化时也可使观测器极点和系统极点之间的误差保持恒定不变。因此，本发明的车辆状态观测系统即使当系统极点按照系统变量的改变而变化时也可防止车辆状态的估算参数的分散。

在下文中，取偏驶率Ｔ和侧滑角β作为车辆状态参数。下面考虑一种系统，其中操纵车辆后轮以控制车辆状态参数。为了进行考虑，取体现两个自由度的车辆模型作为受控系统。

考虑这种车辆模型的已知运动方程，由下述方程限定的车辆模型变量是偏驶率Γ、侧滑角β、车速V、前轮转向角δf和后轮转向角δr。

dx/dt＝Ax＋Bu    (1) $x=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}B\\ \mathrm{\Γ}\end{array}\right]\end{array}---\left(2\right)$ $u=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δf}\\ \mathrm{\δr}\end{array}\right]---\left(3\right)$ $A=\left[\begin{array}{cc}-(\mathrm{cf}+\mathrm{cr})/M\·V& -1-(\mathrm{af}\·\mathrm{cf}-\mathrm{ar}\·\mathrm{cr})/M\·V^2\\ -(\mathrm{af}\·\mathrm{cf}-\mathrm{ar}\·\mathrm{cr})/\mathrm{Iz}& -(a{f}^2\·\mathrm{cf}+a{r}^2\·\mathrm{cr})/\mathrm{Iz}\·V^2\end{array}\right]--\left(4\right)$ $B=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{cf}/M\·V& \mathrm{cr}/M\·V\\ \mathrm{af}\·\mathrm{cf}/\mathrm{Iz}& -\mathrm{ar}\·\mathrm{cr}/\mathrm{Iz}\end{array}\right]---\left(5\right)$

在上式(1)中，x是状态矢量，u是控制矢量，A是系统矩阵，B是控制矩阵。

在上式(4)和(5)中：

M是车辆质量；

Iz是车辆惯性的盘旋力矩；

af是车辆重心至前轴的水平距离；

ar是车辆重心至后轴的水平距离；

cf是前轮的抗偏能力；

cr是后轮的抗偏能力。

在上式(4)和(5)中的车辆参数是与各别车辆相关而确定的，它们被认为是不变的值。

下面描述估算测滑角β的观测器。

如上所述，偏驶率Γ、侧滑角β、车速V、前轮转向角δf和后轮转向角δr之间的关系是由上式(1)至(5)限定的。

一般来说，使用偏驶率传感器可容易地测出偏驶率Γ。因此，偏驶率Γ是一个由偏驶率传感器监测的车辆的可观测状态。但是，侧滑角β是难于检测的。因而假定侧滑角β是一个由观测器估算的车辆的不可观测状态。

假定观测器根据偏驶率Γ的参考输入估算侧滑角β，观测器的输出方程则由下式规定。

Y＝CX         (6)

C＝〔01〕     (7)

在上式(6)和(7)中，Y是输出矢量，C是输出矩阵。

图3表示相应于由式(1)至(7)限定的车辆模型设置的观测器。

图3所示观测器的状态方程如下：

dx^*/dt＝(A－Kc)x^*＋Ky＋Bu

      ＝Ax^*＋Bu－Kc(x^*－x)    (8)

式中x^*是状态矢量X的估算值，dx^*/dt是估算值x^*的导数，K是观测器的反馈增益。

如图3所示，观测器输入测量出的偏驶率Γ和检测出的控制矢量u，并以上式(8)限定的状态方程为基础，根据上述输入产生状态矢量X的估算值x^*。

更具体来说，由上式(8)限定的观测器根据偏驶传感器测量出的偏驶率Γ、前轮转向角传感器检测出的前轮转向角δf，以及后轮转向角传感器检测出的后轮转向角δr产生估算的侧滑角β^*和估算的偏驶率Γ。在本实施例中，取前轮转向角δf和后轮转向角δr作为受控变量。

观测器的传递函数G′(S)由方程：G′(S)＝N′(S)/D′(S)表示，式中S是复数，N′(S)是分子多项式(它是被观测参数的代表)，D′(S)是分母多项式(它是受控变量的代表)。

由上式(8)限定的观测器极点是指使观测器的传递函数的分母多项式D′(S)等于零得到的解。这个解是观测器的极点，相当于矩阵(A-Kc)的特征值。

图4表示按照在复数平面上系统变量(或车速V)的变化，系统极点的转移。

在本实施例取车速传感器检测的车速V作为系统变量。车速V是包括在系统矩阵A中的系统变量之一。

由上式(4)限定的系统矩阵A包括作为系统变量的车速V。当车速V变化时，系统矩阵A中包括的元素相应地变化。

一般来说，系统的传递函数G(S)由方程G(S)＝N(S)/D(S)表示，式中S是复数，N(S)是分子多项式(它是被测量参数的代表)，D(S)是分母多项式(它是受控变量的代表)。

系统的极点是使系统的传递函数的分母多项式等于零得到的解。这个解，即，系统的极点相当于系统矩阵A的特征值。

因此，当系统矩阵A中包括的系统变量(或车速V)变化时，系统矩阵A的特征值变化。因此，系统的极点按照车速V的变化而变化。

在本发明中的系统矩阵A是由上式(4)表示的一个2×2的方形矩阵。该系统矩阵A有两个特征值。因此，本实施例中的系统有两个极点”P1”和“P2”。如图4所示，系统的极点P1和P2按照车速V从10Km/小时至180Km/小时的增加分别由“*”和“o”标识

按照车速V的变化，系统极点P1和P2的转移在图4中用箭头表示。一般来说，当车速增加时车辆的稳定性降低。在图4中复数平面的左半部，系统的极点的P1和P2，其每一个的实数部分按照车速的增加而趋近于零。系统的每个极点P1和P2的实数部分按照车速V的增加而变大。

图5表示车速和系统极点的实数部分之间的关系。在图5中，系统极点P1和P2的实数部分，其每一个按照车速增加的转移由虚线表示。可以看出，系统的极点P1和P2的实数部分是按照车速V的增加而增加的。

在本发明中，当车速V低于37Km/小时(低速范围)时，系统的两个极点P1和P2表示为两个不同的实数(图4)。因此，当车速V在低速范围内时，对于车速V的一个值，存在着系统极点的两个实数部分。

在本实施例中，当车速高于37Km/小时(高速范围)时，系统的两个极点表示为两个共轭的复数(图4)。因此，当车速V在高速范围内时，对于车速V的一个值有系统极点的一个实数部分。

如图5中虚线所示，随着车速V的增加，系统的每个极点P1和P2的转移是按照车速V的增加，通过计算系统矩阵A的特征值而预定的。

在本实施例中，观测器包括两个被限定为车速V的函数的两个极点P11和P12。观测器的极点被修正，使得观测器的每个极点P11和P12的转移按照车速V的变化追随系统的极点P1和P2的转移。在本实施例中观测器的每个极点P11和P12的定义为：

P11＝-5.0－1080/V(-100≤P11)    (9)

P12＝-7.0－720/V(-60≤P12)      (10)

在本实施例中，观测器的反馈增益K受到控制，使极点P11和P12如式(9)和(10)定义的那样，按照车速V的变化而变化。

观测器的反馈增益K是按下式由变量K11和K12限定的。 $K=\left[\begin{array}{c}k11\\ k12\end{array}\right]---\left(11\right)$

在本实施例中观测器的极点P11和P12按照由上式(9)和(10)限定的函数来修正。因此，观测器每个极点P11和P12按照车速V的增加的转移由图5中的实线所示。如图5所示，在本实施例中，观测器的极点P11和P12的转移分别追随系统极点P1和P2的转移。

因此，本实施例中的观测器，以由上式(9)和(10)得到的修正的观测器极点为基础，按照上式(8)，根据测量出的偏驶率Γ、检测出的前轮转向角δf和检测出的后轮转向角δr产生估算的侧滑角β*和估算的偏驶率Γ。

图6A，6B和6C表示普通的车辆状态观测系统的估算结果。

图6A是指示当用普通系统进行试验时，在时间t和车速V之间关系的时间表。

在图6B中表示在普通系统的极点固定的观测器估算的偏驶率(由虚线表示)和偏驶率测量仪测量出的偏驶率(由实线表示)之间的误差。

在图6C中表示在普通系统的极点固定的观测器估算的侧滑角(由虚线表示)和侧滑角测量仪测量出的侧滑角(由实线表示)之间的误差。

在试验过程中，普通系统的观测器极点P11和P12被保持在固定点(＝-20.0)上。

在普通系统的情况下，如图6B和6C所示，在估算的偏驶率和测量出的偏驶率之间的误差，以及在估算的侧滑角和测量出的侧滑角之间的误差较大。可以发现，按照车速V，极点固定的测量器的估算精度分散。

在普通系统的情况下，当车速V在50Km/小时左右时，估算的偏驶率的精度最高，由于观测器的极点预调至适当的固定点，估算的侧滑角的精度在车速V的整个范围内较高。

可以看出，当车速V低时，系统极点和观测器极点之间的误差变得太小，因此，估算的偏驶率和测值之间的差较大。还可以看出，当车速V高时，系统极点和观测器极点之间的误差变得太大，因此，估算的偏驶率和测值之间的差较大。

在普通系统的情况下，观测器的极点经过预调，使估算的侧滑角的精度较高。但是可以看出，当车速V高时，估算的侧滑角和测值之间的差较大。

图7A，7B和7C通过与图6A，6B和6C的估算结果的比较，表示本实施例的车辆状态观测系统的估算结果。

图7A是表示当试验是使用本实施例的车辆状态观测系统进行时，时间t和车速V之间的关系。

在图7B中表示在本实施例的观测器的估算的偏驶率(曲虚线表示)和偏驶率测量仪测量出的偏驶率之间的误差。

在图7C中表示在本实施例的观测器的估算的侧滑角(由虚线表示)和侧滑角测量仪的测量出的侧滑角(由实线表示)之间的误差。

在从侧滑角测量仪取得测出的侧滑角之前，在上述试验中将测量仪的输出通过一个低通滤波器以便消除噪声。因此，在图7C中，在测量出的侧滑角的相位和估算的侧滑角的相位之间有一个小的时滞。

在本实施例的观测器的极点P11和P12是由作为车速V的函数的上式(9)和(10)限定的，使观测器的极点P11和P12的转移可追随系统的极点P1和P2的转移。可以看出，当车速增加时，如图7B和7C所示，在估算的偏驶率和测值之间，以及在估算的侧滑角和测值之间的误差可以忽略不计。

侧滑角测量仪利用一个多普勒传感器来检测前后方向的车速和左右方向的车速。通过使用这种侧滑角测量仪可确定被检测的车速的矢量合与前后方向的夹角。

图2表示一个使用本发明的实施例的四轮驱动转向系统。

如图2所示，四轮驱动转向系统，按照本实施例中的包括观测器的车辆状态观测系统估算的车辆状态参数控制后轮的转向。在本实施例中，观测器的两个极点P11和P12是由作为车速V的函数的上式(9)和(10)限定的。

在图2所示的四轮驱动转向系统中，操纵车轮后轮的受控参数是按照本发明车辆状态观测系统估算的车辆状态参数来确定的。

图2所示的四轮驱动转向系统包括一个车辆操纵者用来使车辆前轮3转向的方向盘1，以及用于使车辆后轮4转向的传动装置2。在安装四轮驱动转向系统的车辆内设有电控制组件18。

电控制组件18包括一个监测车速V的车速传感器11，一个监测前轮转向角δf的前轮转向角传感器12，一个监测后轮转向角δr的后轮转向角传感器13，以及一个监测偏驶率Γ的偏驶率传感器14。偏驶率Γ是可观测的车辆状态参数，是由偏驶率传感器14监测的。

上述传感器11，12，13和14的输出端连接在微机15的有关输入端上。

包括由上式(9)和(10)限定的极点P11和P12的观测器17设置在微机15中。另外，上式(9)和(10)存储在微机15的一个部分中。

另外，在上述四轮驱动转向系统中，在微机15内存有一个需要的转向参数确定单元，它按照估算的偏驶率和估算的侧滑角确定与后轮4相关的需要的转向参数。

微机15的输出连接在传动装置的驱动电路16的输入上。传动装置驱动电路16的输出连接在传动装置2的输入上。传动装置驱动电路16按照上述需要的转向参数确定单元的信号输出所代表的需要的后轮转向参数来控制传动装置2，因此，后轮4的转向是由传动装置2控制的。

设在微机15中的观测器根据各测量出的参数而产生估算的偏驶率和估算的侧滑角，上述测量出的参数包括偏驶率传感器14测量出的偏驶率Γ，前轮转向角传感器12测量出的前轮转向角δf，后轮转向角传感器13测量出的后轮转向角δr，以及车速传感器11测量出的车速V。

上述需要的转向参数确定单元设置在微机15内，按照来自观测器17估算的偏驶率和估算的侧滑角确定需要的后轮转向参数。上述需要的转向参数确定单元向传动装置驱动电路16输出一个代表需要的后轮转向参数的信号。传动装置驱动电路16接收来自需要的转向参数确定单元(或来自微机15的输出)的需要的后轮转向参数信号，并且按照上述需要的后轮转向参数信号，通过传动装置2控制后轮4的转向。

在图2的实施例中，状态参数测量组件21是由监测车辆的偏驶率的偏驶率传感器14构成的。受控变量检测组件22是由监测前轮转向角δf的前轮转向角传感器12和监测后轮转向角δr的后轮转向角传感器13构成的。

在图2的实施例中，系统变量检测组件24是由监测车速V的车速传感器11构成的。修正组件25和观测器23是由存有上式(9)和(10)的微机15的部分构成的，观测器23的反馈增益K是按照上式(9)和(10)的计算结果确定的。上式(9)和(10)是包括在系统矩阵A中的系统变量的函数。在本实施例中系统变量是车速V。

当然，修正组件25中所包括的方程并不局限于上式(9)和(10)。另外，在上式(9)和(10)中包括的系数也可修改成其它适当的值。由系统变量检测组件24监测的系统变量也不局限于车速V，也可以监测车重M而不是车速V。

在本实施例中，修正组件25按照系统极点和系统变量预定变化的关系来修改观测器的极点，因此，观测器极点的转移可以追随系统极点的转移。在本实施例中的修正组件产生作为系统变量的函数的经修正的观测器极点，而不检测系统极点的现有值。

另外，按照本发明的修正组件并不局限于本实施例。也可以设置一种监测系统极点当前值并按照测出的系统极点的当前值确定观测器极点的修正组件。

另外，本发明的上述实施例应用于四轮驱动转向系统中，但是，本发明并不局限于上述实施例。本发明的车辆状态观测系统也适用于防锁住的制动系统、牵引控制系统或任何其它的系统。

Claims (8)

1.一种车辆状态观测系统，它包括一个测量车辆状态的可观测参数的状态参数测量装置，一个检测车辆的受控变量的受控变量检测装置，以及一个根据由所述状态参数测量装置测量出的可观测的参数和由所述受控变量检测装置检测出的受控变量，按照包括系统变量的系统矩阵估算车辆状态的不可观测是的参数，其特征在于所述车辆状态观测系统包括：

检测在所述系统矩阵中包括的系统变量的系统变量检测装置(24)；以及

响应于由所述系统变量检测装置(24)检测出的系统变量来修正所述观测器(23)的极点的修正装置(25)。

2.如权利要求1所述的车辆状态观测系统，其特征在于：所述观测器(23)以所述修正装置(25)修正观测器极点为基础，根据所述测量出的可观测参数和所述检测出的受控变量来产生估算的车辆状态的不可观测的参数和估算的车辆状态的可观测的参数。

3.如权利要求1所述的车辆状态观测系统，其特征在于：按照所述系统变量(V)的变化，计算所述系统矩阵(A)的特征值，从而确定车辆模型的极点的转移。

4.如权利要求1所述的车辆状态观测系统，其特征在于：所述车辆状态观测系统确定所述观测器(23)的反馈增益(K)，从而使所述修正装置(25)修正的观测器极点的转移按照系统变量的变化追随车辆模型极点的转移。

5.如权利要求1所述的车辆状态观测系统，其特征在于：所述修正装置(25)和所述观测器(23)设置在微机(15)中，所述修正装置(25)包括所述系统变量(V)的一个预定函数，所述观测器的修正极点(P11，P12)是按照所述系统变量(V)通过所述函数限定的。

6.如权利要求1所述的车辆状态观测系统，其特征在于：所述受控变量检测装置(23)包括一个检测车辆前轮转向角的前轮转向角传感器(12)和一个检测车辆后轮转向角的后轮转向角传感器(13)。

7.如权利要求1所述的车辆状态观测系统，其特征在于：所述状态参数测量装置(21)包括一个检测车辆偏驶率的偏驶率传感器(14)。

8.如权利要求1所述的车辆状态观测系统，其特征在于：所述系统变量检测装置(24)包括一个检测作为系统矩阵中包括的系统变量的车速的车速传感器(11)。

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