CN114953886A - 一种载人月球车悬架状态计算方法及系统 - Google Patents

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CN114953886A CN202210554602.6A CN202210554602A CN114953886A CN 114953886 A CN114953886 A CN 114953886A CN 202210554602 A CN202210554602 A CN 202210554602A CN 114953886 A CN114953886 A CN 114953886A
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Abstract

本发明涉及一种载人月球车悬架状态计算方法及系统，包括在载人月球车车体质心布置惯性测量组合模块，在独立悬架顶端布置加速度测量模块，在轮毂处布置加速度测量模块，对车体的垂向加速度、俯仰及侧倾角速度进行测量，对独立悬架和车轮的垂向加速度进行测量；建立载人月球车七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程；根据所述七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程，以悬架性能评价指标作为输出变量，建立载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程；建立载人月球车悬架状态观测模型；按照卡尔曼预估计算方法进行运算，得到悬架状态量。

Description

一种载人月球车悬架状态计算方法及系统
技术领域
本发明涉及一种载人月球车悬架状态计算方法及系统，可用于载人月球车悬架控制,属于载人月球探测技术领域。
背景技术
载人月球车移动系统作为一个具有非线性、时变性、时滞性的多自由度复杂系统，行驶中的转向、加减速等都会引起车体振动，同时低重力环境和非结构崎岖月表都加剧了的振动效应。当振动达到一定的程度时，会影响载人月球车的正常行驶、零部件的疲劳寿命，直接影响航天员在车上的乘坐舒适性、操作稳定性和安全性。与无人月球车不同，载人月球车选用具有弹性的主动悬架系统来连接车身和车轮，作为衰减车体振动的主要装置，因此，悬架性能的直接决定了载人月球车的综合性能。为了提高载人月球车的操纵稳定性和平顺性，针对其主动悬架控制，研究人员提出了基于各种控制理论的控制器，然而这些理论均基于悬架参数完全精确可测量。车体质心垂向加速度、侧倾角加速度、俯仰角加速度、悬架动挠度及对车轮动载荷是体现悬架性能的主要指标，因此实时准确的获取车辆悬架状态参数是提高车辆半主动悬架的控制性能的前提。
传统的悬架状态计算方法主要是采用卡尔曼滤波器、改进型龙贝格预估法、鲁棒预估法、滑模预估法对1/4悬架或1/2悬架模型进行车速、车身姿态等状态量的计算。在传统悬架状态计算方法中，主要针对的是在地面环境单一路况的条件下，复杂路况下对车辆纵向车速算法研究很少，对车辆悬架状态估计准确度也不高，未见针对月面低重力环境条件下、复杂非结构月表的载人月球车悬架状态计算和平顺性研究。
为实现载人月球车在月面的操纵稳定性和平顺性，悬架状态信息在载人月球车主动悬架闭环控制中不可或缺。因此，有必要针对载人月球车提出一种基于多传感器测量融合和准确数学建模的悬架状态计算方法，能够适应月面复杂工况，并满足易于硬件实现、保证计算准确度和实时性的要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种载人月球车悬架状态计算方法，用于进一步提高载人月球车的平顺性和稳定性控制。
本发明的技术解决方案是：
一种载人月球车悬架状态计算方法，包括：
在载人月球车车体质心布置惯性测量组合模块，在独立悬架顶端布置加速度测量模块，在轮毂处布置加速度测量模块，对车体的垂向加速度、俯仰及侧倾角速度进行测量，对独立悬架和车轮的垂向加速度进行测量；
建立载人月球车七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程；
根据所述七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程，以悬架性能评价指标作为输出变量，建立载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程；
建立载人月球车悬架状态观测模型；
按照卡尔曼预估计算方法进行运算，得到悬架状态量。
进一步的，所述载人月球车七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程，具体为：
Figure BDA0003651856210000021
非簧载质量垂向运动方程为：
Figure BDA0003651856210000031
其中，m和mu分别为簧载质量和非簧载质量；z和zu分别为簧载质量和非簧载质量的垂向位移,
Figure BDA0003651856210000032
和
Figure BDA0003651856210000033
分别为簧载质量和非簧载质量的垂向速度，
Figure BDA0003651856210000034
为车身质心处的垂向加速度；
Figure BDA0003651856210000035
Ix、Iy分别为侧倾角加速度、俯仰角加速度、X轴和Y轴的转动惯量；k、c分别为悬架弹簧刚度和不可调节的阻尼系数；kt为轮胎刚度；f为磁流变阻尼器的可调阻尼力；q为车轮路面激励；dl、dr、df、db分别为质心到左轮、右轮、前轴及后轴的距离；
其中下标lf、rf、rr、lr分别表示左前、右前、右后、左后；
簧载质量的位移及速度为：
Figure BDA0003651856210000036
进一步的，所述载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程，具体为：
x＝[x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 x15]T
状态变量x1～x4为左前、右前、右后和左后悬架的相对位移，状态变量x5～x8为左前、右前、右后和左后车轮的垂向位移，状态变量x9～x12为左前、右前、右后和左后车轮的垂向速度，状态变量x13～x15为车身质心处的垂向运动速度、侧倾角速度和俯仰角速度，得到：
Figure BDA0003651856210000041
其中，状态变量
Figure BDA0003651856210000042
为左前、右前、右后和左后悬架垂向速度，状态变量
Figure BDA0003651856210000043
为左前、右前、右后和左后车轮的垂向速度，状态变量
Figure BDA0003651856210000044
为左前、右前、右后和左后车轮的垂向加速度，状态变量
Figure BDA0003651856210000045
为车身质心处的垂向加速度、侧倾角加速度和俯仰角加速度，mf和mr分别为前悬架和后悬架承载的车体质量，kf和kr分别为前悬架和后悬架弹簧刚度，cf和cr分别为前悬架和后悬架阻尼系数；
悬架系统的四个可调阻尼力为系统的输入变量，表示为：
u＝[flf frf frr flr]T
悬架系统的四轮路面激励为系统的扰动输入，表示为：
w＝[qlf qrf qrr qlr]T
根据悬架系统的性能评价指标，选取系统的输出变量为：
Figure BDA0003651856210000051
则其状态方程、输出方程和各系数矩阵为：
Figure BDA0003651856210000052
Figure BDA0003651856210000053
Figure BDA0003651856210000054
Figure BDA0003651856210000055
Figure BDA0003651856210000061
Figure BDA0003651856210000062
其中系统状态矩阵A中右下角的系数为：
Figure BDA0003651856210000063
进一步的，所述载人月球车悬架状态观测模型，具体为：
Figure BDA0003651856210000064
其中，
Figure BDA0003651856210000065
为测量计算值，Vk为测量噪声序列，其测量噪声功率矩阵由所使用的传感器特性决定；Zk为观测量，由传感器所采集的车身质心处的垂向加速度、俯仰角速度、侧倾角速度以及四个独立悬架上下两端的加速度构成，alf、arf、arr和alr分别为左前、右前、右后和左后悬架上端加速度，aulf、aurf、aurr和aulr分别为左前、右前、右后和左后悬架上端加速度，非线性函数h(x)代表了11个悬架状态的测量计算方程：
Figure BDA0003651856210000071
其中，h(1)、h(2)和h(3)分别为车体垂向加速度、侧倾角加速度和俯仰加速度；la和lb分别为质心到前、后轮轴的距离，lc和ld分别为质心到左、右轮的距离；
应用科里奥利效应得到，车身四角处的加速度与质心垂向加速度有关，其关系表示为：
ai＝aCG+ω×(ω×ri)+α×ri
式中，aCG为车体质心的垂向加速度，aCG+ω×(ω×ri)+α×ri为转动加速度，ri是车身每个角在车体参考系下的反馈向量，i＝lf、rf、rr、lr；α和ω为角向运动矩阵，表示为：
Figure BDA0003651856210000072
忽略车身的横摆运动，四个减振器上端连接车身处的垂向加速度经计算表示为：
Figure BDA0003651856210000073
四个轮毂处的垂向加速度表示为：
Figure BDA0003651856210000074
进一步的，所述按照卡尔曼预估计算方法进行运算，得到悬架状态量，具体为：
应用前一时刻的悬架状态参数和七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程做一次先验估计，再通过惯性测量组合模块和加速度测量模块采集的信号来更新估计状态，并结合状态信息进行加权计算获得准确的汽车悬架状态信息；
所述悬架状态参数包括：垂向加速度、侧倾角加速度、俯仰角加速度；
测量更新表示为：
Figure BDA0003651856210000081
式中，
Figure BDA0003651856210000082
为当悬架参数计算量、
Figure BDA0003651856210000083
为悬架状态先验预估量、zk为悬架参数的测量量、h()是悬架状态的测量计算方程，Kk为卡尔曼增益矩阵，表示为：
Figure BDA0003651856210000084
式中，Pk(-)为先验估计协方差矩阵，Rk为测量噪声协方差矩阵，Hk为t＝k时刻悬架状态先验估计的雅可比矩阵，可由泰勒级数展开得到
Figure BDA0003651856210000085
为了降低误差协方差矩阵为负的概率，通过下式进行修正：
Figure BDA0003651856210000086
其中，I为单位阵；
悬架状态的更新：
Figure BDA0003651856210000087
其中，uk为控制量矩阵，wk为高斯白噪声，上式中状态转移矩阵Ф(k+1,k)为指数矩阵：
Φ(k+1,k)＝exp(AΔT)
ΔT为传感器采样周期；
则输入矩阵Bd表示为：
Figure BDA0003651856210000088
悬架状态的误差协方差更新为：
Pk+1(-)＝Φ(k+1,k)Pk(-)Φ(k+1,k)T+Qk
式中，Qk为离散过程噪声功率，与连续过程白噪声协方差矩阵有关。
进一步的，本发明还提出一种载人月球车悬架状态计算系统，包括：
参数测量模块：在载人月球车车体质心布置惯性测量组合模块，在独立悬架顶端布置加速度测量模块，在轮毂处布置加速度测量模块，对车体的垂向加速度、俯仰及侧倾角速度进行测量，对独立悬架和车轮的垂向加速度进行测量；
微分方程建立模块：建立载人月球车七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程；
状态方程建立模块：根据所述七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程，以悬架性能评价指标作为输出变量，建立载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程；
状态观测模型建立模块：建立载人月球车悬架状态观测模型；
悬架状态量计算模块：按照卡尔曼预估计算方法进行运算，得到悬架状态量。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明所提出的载人月球车悬架状态计算方法建立了载人月球车主动悬架的整车七自由度运动状态方程，能够适应月面低重力环境条件下、复杂非结构地形中悬架状态的准确计算。
(2)本发明提出的载人月球车悬架状态计算方法具有高实时性，可以进一步应用于载人月球车悬架的闭环控制。
(3)本发明计算方法通过惯性测量单元和加速度计配置对载人月球车悬架振动的状态信息进行测量，并将其作为主动悬架系统的观测值，在建立七自由度整车模型系统状态方程的基础上，根据悬架状态变量、状态变量与悬架自身参数的数学关系建立观测方程，采用离散扩展卡尔曼滤波算法对悬架的状态信息进行计算，可用于进一步提高载人月球车的平顺性和稳定性控制。
附图说明
图1为本发明实施例中一种载人月球车悬架状态计算方法的流程图；
图2为本发明实施例中一种载人月球车七自由度整车悬架模型示意图；
图3为本发明实施例中卡尔曼预估计算方法步骤流程图；
图4为本发明实施例中对车体垂直加速度的计算结果示意图；
图5为本发明实施例中对车体侧倾角速度的计算结果示意图；
图6为本发明实施例中对车体俯仰角速度的计算结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明提供一种载人月球车悬架状态计算方法。该方法通过惯性测量单元和加速度计配置对载人月球车悬架振动的状态信息进行测量，并将其作为主动悬架系统的观测值，在建立七自由度整车模型系统状态方程的基础上，根据悬架状态变量、状态变量与悬架自身参数的数学关系建立观测方程，采用离散扩展卡尔曼滤波算法对悬架的状态信息进行计算，可用于进一步提高载人月球车的平顺性和稳定性控制。下面结合附图对本发明方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提出一种载人月球车悬架状态计算方法，包括如下步骤：
步骤一：在载人月球车车体质心布置惯性测量组合模块，在独立悬架顶端布置加速度测量模块，在轮毂处布置加速度测量模块，对车体的垂向加速度、俯仰及侧倾角速度进行测量，对独立悬架和车轮的垂向加速度进行测量；
步骤二：建立载人月球车七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程：
Figure BDA0003651856210000101
非簧载质量垂向运动方程为：
Figure BDA0003651856210000111
其中，m和mu分别为簧载质量和非簧载质量；z和zu分别为簧载质量和非簧载质量的垂向位移,
Figure BDA0003651856210000112
和
Figure BDA0003651856210000113
分别为簧载质量和非簧载质量的垂向速度，
Figure BDA0003651856210000114
为车身质心处的垂向加速度；
Figure BDA0003651856210000115
Ix、Iy分别为侧倾角加速度、俯仰角加速度、X轴和Y轴的转动惯量；k、c分别为悬架弹簧刚度和不可调节的阻尼系数；kt为轮胎刚度；f为磁流变阻尼器的可调阻尼力；q为车轮路面激励；dl、dr、df、db分别为质心到左轮、右轮、前轴及后轴的距离；
其中下标lf、rf、rr、lr分别表示左前、右前、右后、左后；
考虑到通常情况下载人月球车悬架的侧倾角
Figure BDA0003651856210000116
和俯仰角θ变化范围均比较小，可得簧载质量的位移及速度为：
Figure BDA0003651856210000117
步骤三：根据步骤二中建立的悬架动力学运动微分方程组，以悬架性能评价指标作为输出变量，建立载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程：
x＝[x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 x15]T
状态变量x1～x4为左前、右前、右后和左后悬架的相对位移，状态变量x5～x8为左前、右前、右后和左后车轮的垂向位移，状态变量x9～x12为左前、右前、右后和左后车轮的垂向速度，状态变量x13～x15为车身质心处的垂向运动速度、侧倾角速度和俯仰角速度。
可得到：
Figure BDA0003651856210000121
其中，状态变量
Figure BDA0003651856210000122
为左前、右前、右后和左后悬架垂向速度，状态变量
Figure BDA0003651856210000123
为左前、右前、右后和左后车轮的垂向速度，状态变量
Figure BDA0003651856210000124
为左前、右前、右后和左后车轮的垂向加速度，状态变量
Figure BDA0003651856210000125
为车身质心处的垂向加速度、侧倾角加速度和俯仰角加速度，mf和mr分别为前悬架和后悬架承载的车体质量，kf和kr分别为前悬架和后悬架弹簧刚度，cf和cr分别为前悬架和后悬架阻尼系数；
悬架系统的四个可调阻尼力为系统的输入变量，可表示为：
u＝[flf frf frr flr]T
悬架系统的四轮路面激励为系统的扰动输入，可表示为：
w＝[qlf qrf qrr qlr]T
根据悬架系统的性能评价指标，选取系统的输出变量为：
Figure BDA0003651856210000131
则其状态方程、输出方程和各系数矩阵为：
Figure BDA0003651856210000132
Figure BDA0003651856210000133
Figure BDA0003651856210000134
Figure BDA0003651856210000135
Figure BDA0003651856210000141
Figure BDA0003651856210000142
其中系统状态矩阵A中右下角的系数为：
Figure BDA0003651856210000143
步骤四：建立载人月球车悬架状态观测模型：
Figure BDA0003651856210000144
其中，
Figure BDA0003651856210000145
为测量计算值，Vk为测量噪声序列，其测量噪声功率矩阵由所使用的传感器特性决定；Zk为观测量，由传感器所采集的车身质心处的垂向加速度、俯仰角速度、侧倾角速度以及四个独立悬架上下两端的加速度构成，alf、arf、arr和alr分别为左前、右前、右后和左后悬架上端加速度，aulf、aurf、aurr和aulr分别为左前、右前、右后和左后悬架上端加速度，非线性函数h(x)代表了11个悬架状态的测量计算方程：
Figure BDA0003651856210000151
其中，h(1)、h(2)和h(3)分别为车体垂向加速度、侧倾角加速度和俯仰加速度；la和lb分别为质心到前、后轮轴的距离，lc和ld分别为质心到左、右轮的距离。
应用科里奥利效应可得到，车身四角处的加速度与质心垂向加速度有关，其关系可表示为：
ai＝aCG+ω×(ω×ri)+α×ri
式中，aCG为车体质心的垂向加速度，aCG+ω×(ω×ri)+α×ri为转动加速度，ri是车身每个角在车体参考系下的反馈向量，i＝lf、rf、rr、lr；α和ω为角向运动矩阵，表示为：
Figure BDA0003651856210000152
忽略车身的横摆运动，四个减振器上端连接车身处的垂向加速度经计算表示为：
Figure BDA0003651856210000153
四个轮毂处的垂向加速度表示为：
Figure BDA0003651856210000154
步骤五：通过悬架状态及测量方程中非线性部分用泰勒级数展开省略高次项得到离散状态及测量方程，然后按照经典卡尔曼预估计算方法进行运算，得到悬架状态量：
应用前一时刻的悬架状态参数和七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程做一次先验估计，再通过惯性测量组合模块和加速度测量模块采集的信号来更新估计状态，并结合状态信息进行加权计算获得准确的汽车悬架状态信息。测量更新表示为：
Figure BDA0003651856210000161
式中，
Figure BDA0003651856210000162
为当悬架参数计算量、
Figure BDA0003651856210000163
为悬架状态先验预估量、zk为悬架参数的测量量、h()是悬架状态的测量计算方程，Kk为卡尔曼增益矩阵，可表示为：
Figure BDA0003651856210000164
式中，Pk(-)为先验估计协方差矩阵，Rk为测量噪声协方差矩阵，Hk为t＝k时刻悬架状态先验估计的雅可比矩阵，可由泰勒级数展开得到
Figure BDA0003651856210000165
为了降低误差协方差矩阵为负的概率，通过下式进行修正：
Figure BDA0003651856210000166
其中，I为单位阵；
悬架状态的更新：
Figure BDA0003651856210000167
其中，uk为控制量矩阵，wk为高斯白噪声，上式中状态转移矩阵Ф(k+1,k)为指数矩阵：
Φ(k+1,k)＝exp(AΔT)
ΔT为传感器采样周期；
则输入矩阵Bd表示为：
Figure BDA0003651856210000168
悬架状态的误差协方差更新为：
Pk+1(-)＝Φ(k+1,k)Pk(-)Φ(k+1,k)T+Qk
式中，Qk为离散过程噪声功率，与连续过程白噪声协方差矩阵有关。
本发明还提出一种载人月球车悬架状态计算系统，包括：
参数测量模块：在载人月球车车体质心布置惯性测量组合模块，在独立悬架顶端布置加速度测量模块，在轮毂处布置加速度测量模块，对车体的垂向加速度、俯仰及侧倾角速度进行测量，对独立悬架和车轮的垂向加速度进行测量；
微分方程建立模块：建立载人月球车七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程；
状态方程建立模块：根据所述七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程，以悬架性能评价指标作为输出变量，建立载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程；
状态观测模型建立模块：建立载人月球车悬架状态观测模型；
悬架状态量计算模块：按照卡尔曼预估计算方法进行运算，得到悬架状态量。
实施例：
参照图1，示出了本发明实施例中一种载人月球车悬架状态计算方法的步骤流程图。在本发明实施例子中，所述载人月球车悬架状态计算方法，包括：
步骤S1，惯性测量模块和加速度测量模块对车体加速度和角速度以及悬架、车轮加速度进行测量。
在本实施例中，在载人月球车车体质心布置惯性测量组合模块用于测量车体角向运动速度及载体坐标系内沿坐标轴的加速度，在四个独立悬架上下两端布置加速度测量模块，分别测量车辆悬架和非簧载质量的运动状态。
步骤S2，建立载人月球车七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程。
为方便建模需要简化载人月球车模型：1)轮毂、轮轴、车架是刚性连接。2)将车轮当作弹性元件处理且始终与路面接触。3)将车辆悬架和车轮当作具有一定刚度的弹簧处理。4)车身始终垂直于路面。
整车悬架模型包括七个自由度：分别是车体垂向运动、车体俯仰运动、车体侧倾运动和四个车轮的垂向运动，七自由度悬架模型参见图2。车身垂向、侧倾和俯仰运动微分方程为：
Figure BDA0003651856210000181
非簧载质量垂向运动方程为：
Figure BDA0003651856210000182
其中，m、mu分别为簧载质量和非簧载质量；z为车身质心处的垂向位移；z、zu分别为簧载质量和非簧载质量的垂向位移；
Figure BDA0003651856210000183
θ、Ix、Iy分别为侧倾角、俯仰角、X轴和Y轴的转动惯量；k、c分别为悬架弹簧刚度和不可调节的阻尼系数；kt为轮胎刚度；f为磁流变阻尼器的可调阻尼力；q为车轮路面激励；dl、dr、df、db分别为质心到左轮、右轮、前轴及后轴的距离。其中下标lf、rf、rr、lr分别表示左前、右前、右后、左后。
考虑到通常情况下载人月球车悬架的侧倾角
Figure BDA0003651856210000185
和俯仰角θ变化范围均比较小，可得簧载质量的位移及速度为：
Figure BDA0003651856210000184
将式(3)代入式(1)和式(2)可得到载人月球车悬架模型的方程组为：
Figure BDA0003651856210000191
Figure BDA0003651856210000192
步骤S3，建立载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程。
根据悬架模型、式(4)和式(5)表示的悬架动力学运动微分方程组，选取影响平顺性和操控稳定性的悬架状态参数作为系统的状态变量，建立悬架系统的状态方程，并以悬架性能评价指标作为输出变量，建立输出方程。
建立载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程为：
x＝[x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 x15]T (6)
其中，状态变量x1～x4为左前、右前、右后和左后悬架的相对位移，状态变量x5～x12为左前、右前、右后和左后车轮的垂向位移和速度，状态变量x13～x15为车身质心处的垂向运动速度、侧倾角速度和俯仰角速度，可得：
Figure BDA0003651856210000201
悬架系统的四个可调阻尼力为系统的输入变量，可表示为：
u＝[flf frf frr flr]T (7)
悬架系统的四轮路面激励为系统的扰动输入，可表示为：
w＝[qlf qrf qrr qlr]T (8)
根据悬架系统的性能评价指标，选取系统的输出变量为：
Figure BDA0003651856210000202
则其状态方程、输出方程和各系数矩阵为：
Figure BDA0003651856210000203
Figure BDA0003651856210000211
Figure BDA0003651856210000212
Figure BDA0003651856210000213
Figure BDA0003651856210000214
Figure BDA0003651856210000221
其中系统状态矩阵A中右下角的系数为：
Figure BDA0003651856210000222
步骤S4，建立载人月球车悬架状态观测模型：
Figure BDA0003651856210000223
其中，
Figure BDA0003651856210000224
为测量计算值，Vk为测量噪声序列，其测量噪声功率矩阵由所使用的传感器特性决定；Zk为观测量，由传感器所采集的车身质心处的垂向加速度、俯仰角速度、侧倾角速度以及四个独立悬架上下两端的加速度构成，alf、arf、arr和alr分别为左前、右前、右后和左后悬架上端加速度，aulf、aurf、aurr和aulr分别为左前、右前、右后和左后悬架上端加速度，非线性函数h(x)代表了11个悬架状态的测量计算方程：
Figure BDA0003651856210000225
其中，h(1)、h(2)和h(3)分别为车体垂向加速度、侧倾角加速度和俯仰加速度；la和lb分别为质心到前、后轮轴的距离，lc和ld分别为质心到左、右轮的距离。
应用科里奥利效应可得到，车身四角处的加速度与质心垂向加速度有关，其关系可表示为：
ai＝aCG+ω×(ω×ri)+α×ri
式中，aCG为车体质心的垂向加速度，aCG+ω×(ω×ri)+α×ri为转动加速度，ri是车身每个角在车体参考系下的反馈向量，i＝lf、rf、rr、lr；α和ω为角向运动矩阵，表示为：
Figure BDA0003651856210000231
忽略车身的横摆运动，四个减振器上端连接车身处的垂向加速度经计算表示为：
Figure BDA0003651856210000232
四个轮毂处的垂向加速度表示为：
Figure BDA0003651856210000233
步骤S5，通过卡尔曼预估方法进行运算，得到悬架状态量。
参考载人月球车悬架模型参数设定模型参数，如下表：
Figure BDA0003651856210000234
Figure BDA0003651856210000241
以上表参数为输入代入步骤S4中悬架状态方程，路面激励利用滤波白噪声随机路面输入产生路面不平度时间轮廓，运用已建立的路，面激励模型，仿真实验条件设定为中等车速5km/h，路面等级设定B级，通过悬架状态及测量方程中非线性部分用泰勒级数展开省略高次项得到离散状态及测量方程，然后按照经典卡尔曼预估计算方法进行运算，卡尔曼预估算法步骤参见图3，经算法预测估计，得到载人月球车悬架状态量，包括车体垂向俯仰侧倾方向的动态参数、悬架振动参数和车轮的振动参数，参见图4～图6。
下表为载人月球车悬架各状态参数计算值与参考值的均方根误差。
悬架状态参数 均方根误差
车体垂向加速度 0.0683
车体侧倾角速度 0.0577
车体俯仰角速度 0.0701
上表各状态参数的计算值和参考值之间的均方根误差很小，表明了计算值偏离真值小，算法精度高，验证了本发明可应用于载人月球车主动悬架状态参数的计算，能够实现载人月球车悬架状态的实时、有效计算，进一步应用于载人月球车悬架的闭环控制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种载人月球车悬架状态计算方法，其特征在于包括：
在载人月球车车体质心布置惯性测量组合模块，在独立悬架顶端布置加速度测量模块，在轮毂处布置加速度测量模块，对车体的垂向加速度、俯仰及侧倾角速度进行测量，对独立悬架和车轮的垂向加速度进行测量；
建立载人月球车七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程；
根据所述七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程，以悬架性能评价指标作为输出变量，建立载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程；
建立载人月球车悬架状态观测模型；
按照卡尔曼预估计算方法进行运算，得到悬架状态量。
2.根据权利要求1所述的一种载人月球车悬架状态计算方法，其特征在于：所述载人月球车七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程，具体为：
Figure FDA0003651856200000011
非簧载质量垂向运动方程为：
Figure FDA0003651856200000012
其中，m和mu分别为簧载质量和非簧载质量；z和zu分别为簧载质量和非簧载质量的垂向位移,
Figure FDA0003651856200000013
和
Figure FDA0003651856200000014
分别为簧载质量和非簧载质量的垂向速度，
Figure FDA0003651856200000015
为车身质心处的垂向加速度；
Figure FDA0003651856200000016
Ix、Iy分别为侧倾角加速度、俯仰角加速度、X轴和Y轴的转动惯量；k、c分别为悬架弹簧刚度和不可调节的阻尼系数；kt为轮胎刚度；f为磁流变阻尼器的可调阻尼力；q为车轮路面激励；dl、dr、df、db分别为质心到左轮、右轮、前轴及后轴的距离；
其中下标lf、rf、rr、lr分别表示左前、右前、右后、左后；
簧载质量的位移及速度为：
Figure FDA0003651856200000021
3.根据权利要求2所述的一种载人月球车悬架状态计算方法，其特征在于：所述载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程，具体为：
x＝[x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 x15]T
状态变量x1～x4为左前、右前、右后和左后悬架的相对位移，状态变量x5～x8为左前、右前、右后和左后车轮的垂向位移，状态变量x9～x12为左前、右前、右后和左后车轮的垂向速度，状态变量x13～x15为车身质心处的垂向运动速度、侧倾角速度和俯仰角速度，得到：
Figure FDA0003651856200000031
其中，状态变量
Figure FDA0003651856200000032
为左前、右前、右后和左后悬架垂向速度，状态变量
Figure FDA0003651856200000033
为左前、右前、右后和左后车轮的垂向速度，状态变量
Figure FDA0003651856200000034
为左前、右前、右后和左后车轮的垂向加速度，状态变量
Figure FDA0003651856200000035
为车身质心处的垂向加速度、侧倾角加速度和俯仰角加速度，mf和mr分别为前悬架和后悬架承载的车体质量，kf和kr分别为前悬架和后悬架弹簧刚度，cf和cr分别为前悬架和后悬架阻尼系数；
悬架系统的四个可调阻尼力为系统的输入变量，表示为：
u＝[flf frf frr flr]T
悬架系统的四轮路面激励为系统的扰动输入，表示为：
w＝[qlf qrf qrr qlr]T
根据悬架系统的性能评价指标，选取系统的输出变量为：
Figure FDA0003651856200000041
则其状态方程、输出方程和各系数矩阵为：
Figure FDA0003651856200000042
Figure FDA0003651856200000043
Figure FDA0003651856200000044
Figure FDA0003651856200000045
Figure FDA0003651856200000051
Figure FDA0003651856200000052
其中系统状态矩阵A中右下角的系数为：
Figure FDA0003651856200000053
4.根据权利要求3所述的一种载人月球车悬架状态计算方法，其特征在于：所述载人月球车悬架状态观测模型，具体为：
Figure FDA0003651856200000054
其中，
Figure FDA0003651856200000055
为测量计算值，Vk为测量噪声序列，其测量噪声功率矩阵由所使用的传感器特性决定；Zk为观测量，由传感器所采集的车身质心处的垂向加速度、俯仰角速度、侧倾角速度以及四个独立悬架上下两端的加速度构成，alf、arf、arr和alr分别为左前、右前、右后和左后悬架上端加速度，aulf、aurf、aurr和aulr分别为左前、右前、右后和左后悬架上端加速度，非线性函数h(x)代表了11个悬架状态的测量计算方程：
Figure FDA0003651856200000061
其中，h(1)、h(2)和h(3)分别为车体垂向加速度、侧倾角加速度和俯仰加速度；la和lb分别为质心到前、后轮轴的距离，lc和ld分别为质心到左、右轮的距离；
应用科里奥利效应得到，车身四角处的加速度与质心垂向加速度有关，其关系表示为：
ai＝aCG+ω×(ω×ri)+α×ri
式中，aCG为车体质心的垂向加速度，aCG+ω×(ω×ri)+α×ri为转动加速度，ri是车身每个角在车体参考系下的反馈向量，i＝lf、rf、rr、lr；α和ω为角向运动矩阵，表示为：
Figure FDA0003651856200000062
忽略车身的横摆运动，四个减振器上端连接车身处的垂向加速度经计算表示为：
Figure FDA0003651856200000063
四个轮毂处的垂向加速度表示为：
Figure FDA0003651856200000064
5.根据权利要求4所述的一种载人月球车悬架状态计算方法，其特征在于：所述按照卡尔曼预估计算方法进行运算，得到悬架状态量，具体为：
应用前一时刻的悬架状态参数和七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程做一次先验估计，再通过惯性测量组合模块和加速度测量模块采集的信号来更新估计状态，并结合状态信息进行加权计算获得准确的汽车悬架状态信息；
所述悬架状态参数包括：垂向加速度、侧倾角加速度、俯仰角加速度；
测量更新表示为：
Figure FDA0003651856200000071
式中，
Figure FDA0003651856200000072
为当悬架参数计算量、
Figure FDA0003651856200000073
为悬架状态先验预估量、zk为悬架参数的测量量、h()是悬架状态的测量计算方程，Kk为卡尔曼增益矩阵，表示为：
Figure FDA0003651856200000074
式中，Pk(-)为先验估计协方差矩阵，Rk为测量噪声协方差矩阵，Hk为t＝k时刻悬架状态先验估计的雅可比矩阵，可由泰勒级数展开得到
Figure FDA0003651856200000075
为了降低误差协方差矩阵为负的概率，通过下式进行修正：
Figure FDA0003651856200000076
其中，I为单位阵；
悬架状态的更新：
Figure FDA0003651856200000077
其中，uk为控制量矩阵，wk为高斯白噪声，上式中状态转移矩阵Ф(k+1,k)为指数矩阵：
Φ(k+1,k)＝exp(AΔT)
ΔT为传感器采样周期；
则输入矩阵Bd表示为：
Figure FDA0003651856200000078
悬架状态的误差协方差更新为：
Pk+1(-)＝Φ(k+1,k)Pk(-)Φ(k+1,k)T+Qk
式中，Qk为离散过程噪声功率，与连续过程白噪声协方差矩阵有关。
6.一种载人月球车悬架状态计算系统，其特征在于包括：
参数测量模块：在载人月球车车体质心布置惯性测量组合模块，在独立悬架顶端布置加速度测量模块，在轮毂处布置加速度测量模块，对车体的垂向加速度、俯仰及侧倾角速度进行测量，对独立悬架和车轮的垂向加速度进行测量；
微分方程建立模块：建立载人月球车七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程；
状态方程建立模块：根据所述七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程，以悬架性能评价指标作为输出变量，建立载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程；
状态观测模型建立模块：建立载人月球车悬架状态观测模型；
悬架状态量计算模块：按照卡尔曼预估计算方法进行运算，得到悬架状态量。
7.根据权利要求6所述的一种载人月球车悬架状态计算系统，其特征在于：所述载人月球车七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程，具体为：
Figure FDA0003651856200000081
非簧载质量垂向运动方程为：
Figure FDA0003651856200000082
其中，m和mu分别为簧载质量和非簧载质量；z和zu分别为簧载质量和非簧载质量的垂向位移,
Figure FDA0003651856200000091
和
Figure FDA0003651856200000092
分别为簧载质量和非簧载质量的垂向速度，
Figure FDA0003651856200000093
为车身质心处的垂向加速度；
Figure FDA0003651856200000094
Ix、Iy分别为侧倾角加速度、俯仰角加速度、X轴和Y轴的转动惯量；k、c分别为悬架弹簧刚度和不可调节的阻尼系数；kt为轮胎刚度；f为磁流变阻尼器的可调阻尼力；q为车轮路面激励；dl、dr、df、db分别为质心到左轮、右轮、前轴及后轴的距离；
其中下标lf、rf、rr、lr分别表示左前、右前、右后、左后；
簧载质量的位移及速度为：
Figure FDA0003651856200000095
8.根据权利要求7所述的一种载人月球车悬架状态计算系统，其特征在于：所述载人月球车七自由度整车悬架系统状态方程，具体为：
x＝[x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 x15]T
状态变量x1～x4为左前、右前、右后和左后悬架的相对位移，状态变量x5～x8为左前、右前、右后和左后车轮的垂向位移，状态变量x9～x12为左前、右前、右后和左后车轮的垂向速度，状态变量x13～x15为车身质心处的垂向运动速度、侧倾角速度和俯仰角速度，得到：
Figure FDA0003651856200000101
其中，状态变量
Figure FDA0003651856200000102
为左前、右前、右后和左后悬架垂向速度，状态变量
Figure FDA0003651856200000103
为左前、右前、右后和左后车轮的垂向速度，状态变量
Figure FDA0003651856200000104
为左前、右前、右后和左后车轮的垂向加速度，状态变量
Figure FDA0003651856200000105
为车身质心处的垂向加速度、侧倾角加速度和俯仰角加速度，mf和mr分别为前悬架和后悬架承载的车体质量，kf和kr分别为前悬架和后悬架弹簧刚度，cf和cr分别为前悬架和后悬架阻尼系数；
悬架系统的四个可调阻尼力为系统的输入变量，表示为：
u＝[flf frf frr flr]T
悬架系统的四轮路面激励为系统的扰动输入，表示为：
w＝[qlf qrf qrr qlr]T
根据悬架系统的性能评价指标，选取系统的输出变量为：
Figure FDA0003651856200000111
则其状态方程、输出方程和各系数矩阵为：
Figure FDA0003651856200000112
Figure FDA0003651856200000113
Figure FDA0003651856200000114
Figure FDA0003651856200000115
Figure FDA0003651856200000121
Figure FDA0003651856200000122
其中系统状态矩阵A中右下角的系数为：
Figure FDA0003651856200000123
9.根据权利要求8所述的一种载人月球车悬架状态计算系统，其特征在于：所述载人月球车悬架状态观测模型，具体为：
Figure FDA0003651856200000124
其中，
Figure FDA0003651856200000125
为测量计算值，Vk为测量噪声序列，其测量噪声功率矩阵由所使用的传感器特性决定；Zk为观测量，由传感器所采集的车身质心处的垂向加速度、俯仰角速度、侧倾角速度以及四个独立悬架上下两端的加速度构成，alf、arf、arr和alr分别为左前、右前、右后和左后悬架上端加速度，aulf、aurf、aurr和aulr分别为左前、右前、右后和左后悬架上端加速度，非线性函数h(x)代表了11个悬架状态的测量计算方程：
Figure FDA0003651856200000131
其中，h(1)、h(2)和h(3)分别为车体垂向加速度、侧倾角加速度和俯仰加速度；la和lb分别为质心到前、后轮轴的距离，lc和ld分别为质心到左、右轮的距离；
应用科里奥利效应得到，车身四角处的加速度与质心垂向加速度有关，其关系表示为：
ai＝aCG+ω×(ω×ri)+α×ri
式中，aCG为车体质心的垂向加速度，aCG+ω×(ω×ri)+α×ri为转动加速度，ri是车身每个角在车体参考系下的反馈向量，i＝lf、rf、rr、lr；α和ω为角向运动矩阵，表示为：
Figure FDA0003651856200000132
忽略车身的横摆运动，四个减振器上端连接车身处的垂向加速度经计算表示为：
Figure FDA0003651856200000133
四个轮毂处的垂向加速度表示为：
Figure FDA0003651856200000134
10.根据权利要求9所述的一种载人月球车悬架状态计算系统，其特征在于：所述按照卡尔曼预估计算方法进行运算，得到悬架状态量，具体为：
应用前一时刻的悬架状态参数和七自由度整车悬架系统垂向与角向运动微分方程做一次先验估计，再通过惯性测量组合模块和加速度测量模块采集的信号来更新估计状态，并结合状态信息进行加权计算获得准确的汽车悬架状态信息；
所述悬架状态参数包括：垂向加速度、侧倾角加速度、俯仰角加速度；
测量更新表示为：
Figure FDA0003651856200000141
式中，
Figure FDA0003651856200000142
为当悬架参数计算量、
Figure FDA0003651856200000143
为悬架状态先验预估量、zk为悬架参数的测量量、h()是悬架状态的测量计算方程，Kk为卡尔曼增益矩阵，表示为：
Figure FDA0003651856200000144
式中，Pk(-)为先验估计协方差矩阵，Rk为测量噪声协方差矩阵，Hk为t＝k时刻悬架状态先验估计的雅可比矩阵，可由泰勒级数展开得到
Figure FDA0003651856200000145
为了降低误差协方差矩阵为负的概率，通过下式进行修正：
Figure FDA0003651856200000146
其中，I为单位阵；
悬架状态的更新：
Figure FDA0003651856200000147
其中，uk为控制量矩阵，wk为高斯白噪声，上式中状态转移矩阵Ф(k+1,k)为指数矩阵：
Φ(k+1,k)＝exp(AΔT)
ΔT为传感器采样周期；
则输入矩阵Bd表示为：
Figure FDA0003651856200000148
悬架状态的误差协方差更新为：
Pk+1(-)＝Φ(k+1,k)Pk(-)Φ(k+1,k)T+Qk
式中，Qk为离散过程噪声功率，与连续过程白噪声协方差矩阵有关。
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