CN1865893A - 用于汽车动力学控制系统的动力学参数识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于汽车动力学控制系统的动力学参数识别方法，是在汽车动力学控制系统中设置一输入端与前、后四个车轮上的车轮转速传感器相连接、输出端与动力学控制器相连接的动力学参数识别模块，该动力学参数识别模块基于车体的固有参数：车轮半径、轮距、轴距、汽车质心至前轴和汽车质心至后轴的距离，根据各车轮转速传感器信号输入的瞬时车轮转速，计算即可得到汽车质心侧偏角β和横摆角速度r值，再将计算获得的汽车质心侧偏角β和横摆角速度r值输入到动力学控制器以实现汽车的动力学控制。从而节省了传统汽车上用于测量质心侧偏角与横摆角速度的传感器，简化汽车动力学控制系统的结构，并使其成本明显降低。

Description

用于汽车动力学控制系统的动力学参数识别方法

技术领域

本发明涉及汽车动力学控制系统中对作为控制变量的动力学参数的测取技术，特别是关于对影响汽车行驶稳定性的两个动力学参数——质心侧偏角与横摆角速度的一种间接测取方法。

背景技术

汽车动力学控制系统在汽车处于极限行驶工况时，根据实际汽车的横摆角速度及质心侧偏角与其期望值的偏差，通过调节各车轮驱动力或制动力以调节的汽车运动状态，保持汽车在极限行驶工况的行驶稳定性。它是改善汽车操纵稳定性、提高汽车主动安全性的重要措施。汽车动力学参数主要是指汽车的质心侧偏角与横摆角速度，它们是汽车动力学控制系统的两个关键控制参数。目前汽车质心侧偏角的直接测量成本是非常高的，因此在有的控制系统中，并不将侧偏角作为控制变量。虽然横摆角速度可以通过传感器直接检测但其测量成本也很高。基于此，汽车动力学主动控制系统现在只有少数高级车辆采用，为使更多的用户受益于此技术，可行的途径是降低此系统的成本而不损失系统性能。去掉昂贵的直接测量质心侧偏角与横摆角速度的传感器而代之以用较低成本即可直接测量的数据进行识别或估计是降低汽车动力学控制系统成本的有效途径。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于汽车动力学控制系统的动力学参数识别方法，通过该参数识别方法可得到汽车质心侧偏角与横摆角速度，从而节省了传统汽车上用于测量质心侧偏角与横摆角速度的传感器，简化汽车动力学控制系统的结构，并使其成本明显降低，为汽车动力学控制系统的普及应用奠定基础。

本发明方法是在汽车动力学控制系统中设置一输入端与前、后四个车轮上的车轮转速传感器相连接、输出端与动力学控制器相连接的动力学参数识别模块，该动力学参数识别模块基于车体的固有参数：车轮半径、轮距、轴距、汽车质心至前轴和汽车质心至后轴的距离，根据各车轮转速传感器信号输入的瞬时车轮转速，按下述函数式(1)和式(2)计算即可得到汽车质心侧偏角β和横摆角速度r值，再将计算获得的汽车质心侧偏角β和横摆角速度r值输入到动力学控制器以实现汽车的动力学控制，

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}(\frac{B}{L}\·\frac{v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2-2(L_f^2-L_r^2){\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2}{v_{\mathrm{fr}}^2-v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2})---\left(1\right)$

$r=\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}=\mathrm{sign}\left(\mathrm{\δ}\right)\sqrt{\frac{-F_B+\sqrt{{F_B}^2-4F_A{F}_C}}{{2F}_A}}---\left(2\right)$

其中：

v_fr＝ω_frr_w；v_fl＝ω_flr_w；v_br＝ω_brr_w；v_bl＝ω_blr_w

$F_A=\frac{L^2(L^2+B^2)+{(L_f^2-L_r^2)}^2}{{4L}^2}$

$F_B=\frac{4L(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2+v_{\mathrm{bl}}^2)+2(L_f-L_r)(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}{16L}+\frac{(L_f^2-L_r^2)(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}{{4L}^2}$

$F_C=-\frac{1}{{16L}^2}{(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2-2(L_f^2-L_f^2))}^2-\frac{1}{{16B}^2}{(v_{\mathrm{fr}}^2-v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}^2$

式中：B为汽车轮距；L为汽车轴距；L_f为汽车质心至前轴的距离；L_r为汽车质心至汽车后轴的距离；ω_fr、ω_fl、ω_br、ω_bl分别为前右，前左，后右，后左车轮的转速；相应的v_fr、v_fl、v_br、v_bl分别为前右，前左，后右，后左车轮的旋转线速度；r_w为车轮滚动半径。

本发明方法是在无质心侧偏角与横摆角速度传感器的情况下实现汽车的动力学控制。大大降低了汽车动力学控制系统的成本并使系统得到简化，使汽车动力学控制系统在汽车上的普及应用成为可能。

附图说明

图1是汽车运动参数之间的几何关系示意图；

图2是本发明汽车动力学参数识别方法的系统组成示意图；

图3是本发明汽车动力学参数识别方法的程序流程框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明方法作进一步详细说明。

汽车各车轮速度是很容易检测得到的，由于ABS系统的普及，现代汽车均装有四个车轮转速传感器，本发明利用汽车转向运动学关系推导出汽车横摆角速度及质心侧偏角与四个车轮速度之间的关系并用显函数表达出来。在实际应用中则是通过汽车四个车轮上的转速传感器检测到的转速乘以车轮半径即得到车轮旋转线速度，由四个车轮的旋转线速度根据下述函数式(1)及式(2)可以计算得到汽车质心侧偏角β及横摆角速度r。将计算得到的质心侧偏角β及横摆角速度r代替靠传感器直接检测得到的侧偏角与横摆角速度作为反馈输入汽车动力学控制器，即可在无质心侧偏角与横摆角速度传感器的情况下实现汽车的动力学控制。

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}(\frac{B}{L}\·\frac{v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2-2(L_f^2-L_r^2){\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2}{v_{\mathrm{fr}}^2-v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2}\text{-})---\left(1\right)$

$r=\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}=\mathrm{sign}\left(\mathrm{\δ}\right)\sqrt{\frac{-F_B+\sqrt{{F_B}^2-4F_A{F}_C}}{{2F}_A}}---\left(2\right)$

其中：

v_fr＝ω_frr_w；v_fl＝ω_flr_w；v_br＝ω_brr_w；v_bl＝ω_blr_w

$F_A=\frac{L^2(L^2+B^2)+{(L_f^2-L_r^2)}^2}{{4L}^2}$

$F_B=\frac{4L(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2+v_{\mathrm{bl}}^2)+2(L_f-L_r)(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}{\text{16L}}+\frac{(L_f^2-L_r^2)(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}{{4L}^2}$

$F_C=-\frac{1}{{16L}^2}{(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2-2(L_f^2-L_f^2))}^2-\frac{1}{{16B}^2}{(v_{\mathrm{fr}}^2-v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}^2$

式中：β为汽车质心侧偏角，r为横摆角速度，B为汽车轮距；L为汽车轴距；L_f为汽车质心至前轴的距离；L_r为汽车质心至汽车后轴的距离；ω_fr、ω_fl、ω_br、ω_bl分别为前右，前左，后右，后左车轮的转速；相应的v_fr、v_fl、v_br、v_bl分别为前右，前左，后右，后左车轮的旋转线速度；r_w为车轮滚动半径。

上述函数式(1)及式(2)通过以下公式推导获得：

汽车运动参数之间的几何关系如图1所示，设汽车转向瞬心为P点，质心为C点，H，W，F，E分别为各车轮的轮心。过P点做汽车纵向对称线的垂线并交纵向对称线于垂足O点，交EF线于D点，交HW线于Q点。β＝∠CPO即汽车行驶时的质心侧偏角，v是点C的速度，K是C点轨迹的曲率。[x，y，ψ]^T是代表车辆位置与方向的状态向量，x，y为车辆质心在地面坐标系中的绝对坐标，ψ代表行驶方向也就是汽车的横摆角(汽车对称线与X轴夹角)。汽车运动状态可由下式表示：

$\left.\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=v\cos (\mathrm{\ψ}+\mathrm{\β})\\ \stackrel{\·}{y}=v\sin (\mathrm{\ψ}+\mathrm{\β})\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}=\mathrm{Kv}\end{array}\right\}---\left(3\right)$

车轮速度方向和P点与轮心连线相互垂直。那么可以根据汽车质心速度与轮心速度的关系列出四个方程。

利用P，Q，W构成三角形可得：

${(\frac{\sin \mathrm{\β}}{K}+L_f)}^2+{(\frac{\cos \mathrm{\β}}{K}-\frac{B}{2})}^2={(\frac{1}{K}-q_{\mathrm{fl}})}^2---\left(4\right)$

上式乘以K²并整理得：

$\frac{1}{4}(4{L_f}^2+B^2)K^2+1-\mathrm{KB}\cos \mathrm{\β}+2{\mathrm{KL}}_f\sin \mathrm{\β}={(1-q_{\mathrm{fl}}K)}^2---\left(5\right)$

同理利用ΔPQH ΔPDF ΔPDE可得：

$\frac{1}{4}(4{L_r}^2+B^2)K^2+1-\mathrm{KB}\cos \mathrm{\β}-{2\mathrm{KL}}_r\sin \mathrm{\β}={(1-q_{\mathrm{bl}}K)}^2---\left(6\right)$

$\frac{1}{4}(4{L_r}^2+B^2)K^2+1+\mathrm{KB}\cos \mathrm{\β}-2{\mathrm{KL}}_r\sin \mathrm{\β}={(1+q_{\mathrm{br}}K)}^2---\left(7\right)$

$\frac{1}{4}(4{L_f}^2+B^2)K^2+1+\mathrm{KB}\cos \mathrm{\β}+{2\mathrm{KL}}_f\sin \mathrm{\β}={(1+q_{\mathrm{fr}}K)}^2---\left(8\right)$

不难看出，汽车质心速度v满足下式：

$v=\frac{v_{\mathrm{fl}}}{1-q_{\mathrm{fl}}K}=\frac{v_{\mathrm{fr}}}{1+q_{\mathrm{fr}}K}=\frac{v_{\mathrm{bl}}}{1-q_{\mathrm{bl}}K}=\frac{v_{\mathrm{br}}}{1+q_{\mathrm{br}}K}---\left(9\right)$

将式(9)分别代入(5)～(8)并整理可得以下几式：

$v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2+v_{\mathrm{bl}}^2=(2{L_f}^2+2{L_r}^2+B^2){\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2+{4v}^2+2(L_f-L_r)\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}v\sin \mathrm{\β}---\left(10\right)$

$v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2=({2L}_f^2-{2L}_r^2){\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2+4L\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}v\sin \mathrm{\β}---\left(11\right)$

$v_{\mathrm{fr}}^2-v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2=4B\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}v\cos \mathrm{\β}---\left(12\right)$

汽车转向时， 不为零，联立式(11)、(12)可解出β。

一旦β已知，可由式(1)、(12)得到：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2{v}^2=\frac{1}{{16L}^2}{(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2-2(L_f^2-L_f^2){\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2)}^2+\frac{1}{{16B}^2}{(v_{\mathrm{fr}}^2-v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}^2---\left(13\right)$

由式(11)得

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}v\sin \mathrm{\β}=\frac{v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2-({2L}_f^2-{2L}_r^2){\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2}{4L}---\left(14\right)$

代入式(1    (10)得

$(L^2+B^2){\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2+{4V}^2=v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2+v_{\mathrm{bl}}^2+\frac{2(L_f-L_r)(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}{4L}$

整理可得：

$v^2=\frac{4L(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2+v_{\mathrm{bl}}^2)+2(L_f-L_r)(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}{16L}-\frac{(L^2+B^2)}{4}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2$

$=\mathrm{\Δ}+\frac{L^2+B^2}{4}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2---\left(15\right)$

$\mathrm{\Δ}=\frac{4L(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2+v_{\mathrm{bl}}^2)+2(L_f-L_r)(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}{16L}$

代入式(13)得：

$\frac{L^2(L^2+B^2)+{(L_f^2-L_r^2)}^2}{{4L}^2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^4+(\mathrm{\Δ}+\frac{(L_f^2-L_r^2)\left(\mathrm{\Λ}\right)}{{4L}^2}){\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2$

$-\frac{1}{{16L}^2}{(\mathrm{\Λ}-2(L_f^2-L_f^2))}^2-\frac{1}{{16T}^2}{\left(\mathrm{\Γ}\right)}^2=0$

$\mathrm{\Λ}=v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2,\mathrm{\Γ}=v_{\mathrm{fr}}^2-v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2$

解式(16)即得式(2)。这样便得到利用车轮转速表示汽车质心处横摆角速度与质心侧偏角的计算公式。

参照图2、图3，本发明应用于汽车动力学控制系统的动力学参数识别方法，是在汽车动力学控制系统中设置一输入端与前、后四个车轮4上的车轮转速传感器1、3、5、7相连接、输出端与动力学控制器6相连接的动力学参数识别模块2，该动力学参数识别模块2基于车体的固有参数：车轮半径、轮距、轴距、汽车质心至前轴和汽车质心至后轴的距离，根据各车轮转速传感器信号输入的瞬时车轮转速，按上述函数式(1)和式(2)计算即可得到汽车质心侧偏角β和横摆角速度r值，再将计算获得的汽车质心侧偏角β和横摆角速度r值输入到动力学控制器6。动力学控制器6根据输入的质心侧偏角及横摆角速度调节汽车运动状态。该汽车动力学控制系统省去了昂贵的质心侧偏角与横摆角速度传感器，使系统结构得到简化且成本大大降低。

Claims (1)

1.一种用于汽车动力学控制系统的动力学参数识别方法，其特征在于，是在汽车动力学控制系统中设置一输入端与前、后四个车轮上的车轮转速传感器相连接、输出端与动力学控制器相连接的动力学参数识别模块，该动力学参数识别模块基于车体的固有参数：车轮半径、轮距、轴距、汽车质心至前轴和汽车质心至后轴的距离，根据各车轮转速传感器信号输入的瞬时车轮转速，按下述函数式(1)和式(2)计算即可得到汽车质心侧偏角β和横摆角速度r值，再将计算获得的汽车质心侧偏角β和横摆角速度r值输入到动力学控制器以实现汽车的动力学控制，

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\left(\frac{B}{L}\frac{v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2-2(L_f^2-L_r^2){\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2}{v_{\mathrm{fr}}^2-v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2}\right)---\left(1\right)$

$r=\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}=\mathrm{sign}\left(\mathrm{\δ}\right)\sqrt{\frac{{-F}_B+\sqrt{{F_B}^2-4F_A{F}_C}}{{2F}_A}}---\left(2\right)$

其中：

v_fr＝ω_frr_w；v_fl＝ω_flr_w；v_br＝ω_brr_w；v_bl＝ω_blr_w

$F_A=\frac{L^2(L^2+B^2)+{(L_f^2-L_r^2)}^2}{{4L}^2}$

$F_B=\frac{4L(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2+v_{\mathrm{bl}}^2)+2(L_f-L_r)(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}{16L}+\frac{(L_f^2-L_r^2)(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}{{4L}^2}$

$F_C=\frac{1}{{16L}^2}{(v_{\mathrm{fr}}^2+v_{\mathrm{fl}}^2-v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2-2(L_f^2-L_f^2))}^2-\frac{1}{{16B}^2}{(v_{\mathrm{fr}}^2-v_{\mathrm{fl}}^2+v_{\mathrm{br}}^2-v_{\mathrm{bl}}^2)}^2$

式中：B为汽车轮距；L为汽车轴距；L_f为汽车质心至前轴的距离；L_r为汽车质心至汽车后轴的距离；ω_fr、ω_fl、ω_br、ω_bl分别为前右，前左，后右，后左车轮的转速；相应的v_fr、v_fl、v_br、v_bl分别为前右，前左，后右，后左车轮的旋转线速度；r_w为车轮滚动半径。

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