陳 特 陳 龍,2 蔡英鳳,2 徐 興,2 江浩斌,2
(1.江蘇大學汽車與交通工程學院, 鎮(zhèn)江 212013; 2.江蘇大學汽車工程研究院, 鎮(zhèn)江 212013)
近年來,包括電子穩(wěn)定系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)、驅(qū)動防滑系統(tǒng)在內(nèi)的主動安全系統(tǒng)在車輛上應(yīng)用越來越廣泛[1-4]。良好的車輛系統(tǒng)閉環(huán)控制需要精確可靠的車輛狀態(tài)測量值[5-8],然而包括質(zhì)心側(cè)偏角在內(nèi)的一些車輛狀態(tài)難以采用車載傳感器直接測量得到,或者考慮到傳感器成本過高的因素,人們越來越傾向于設(shè)計可行的觀測器對部分車輛狀態(tài)進行準確估計,從而為車輛控制系統(tǒng)提供依據(jù)。
目前關(guān)于車輛行駛狀態(tài)估計已有許多研究成果[9-10],其中車輛質(zhì)心側(cè)偏角估計是重要的研究方向之一。車輛狀態(tài)估計常用的算法包括Kalman濾波[11-15]、滑模觀測器[16]、非線性觀測器[17]和魯棒觀測器[18]等,其中Kalman濾波及其改進算法(如擴展Kalman、無跡Kalman、容積Kalamn、粒子Kalman等)應(yīng)用最為廣泛。隨著研究的深入,研究者開始將卡爾曼濾波與其他估計理論進行結(jié)合,通過模型或觀測器之間的相互迭代,利用已知信息的冗余度來提高估計精度。BOADA等[13]采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和無跡Kalman濾波結(jié)合的方式,提出了一種新的質(zhì)心側(cè)偏角估計方法。LIU等[14]提出采用最小模型誤差算法和擴展Kalman濾波結(jié)合的方式設(shè)計質(zhì)心側(cè)偏角觀測器,旨在減小輪胎力輸入誤差和不確定性對估計的影響。現(xiàn)有的車輛狀態(tài)估計研究大多關(guān)注于估計性能的提升與估計成本的降低,通常采用誤差迭代和數(shù)據(jù)融合的方式來提高估計的可靠性。LI等[19]基于不同形式的車輛模型設(shè)計了質(zhì)心側(cè)偏角觀測器,并利用GPS和慣性系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的冗余性,通過觀測器迭代和誤差補償?shù)姆绞教岣吖烙嬀?。YOON等[20]利用低成本的單天線GPS的測量值,結(jié)合慣性裝置采集的數(shù)據(jù)信息,通過數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)了質(zhì)心側(cè)偏角的可靠估計。
本文基于車輛動力學模型設(shè)計強跟蹤濾波器,用于行駛狀態(tài)估計。結(jié)合四輪輪速的耦合關(guān)系,考慮數(shù)據(jù)擾動和病態(tài)矩陣對估計的影響,提出采用嶺估計算法對車輛行駛狀態(tài)進行估計。為進一步提高估計系統(tǒng)的估計精度與抗干擾能力,提出動力學模型觀測器與運動學模型觀測器補償與迭代的估計方式,設(shè)計模糊控制器進行車輛狀態(tài)估計信息的動態(tài)加權(quán)融合,并將質(zhì)心側(cè)偏角和滑移率的偽測量值反饋到模糊控制器中用于權(quán)重判斷,以期形成閉環(huán)迭代系統(tǒng)以確保估計系統(tǒng)的可靠性與多工況自適應(yīng)性。
1.1.1三自由度車輛模型
如圖1所示,建立具有縱向、側(cè)向以及橫擺運動的三自由度車輛動力學模型。固定在車輛上的動坐標系xOy原點與車輛質(zhì)心重合,x軸為車輛縱向?qū)ΨQ軸,規(guī)定向前為正;y軸通過車輛質(zhì)心,規(guī)定向左為正;所有坐標系平面內(nèi)的角度和力矩以逆時針方向為正,所有矢量的分量以與坐標軸同向為正。忽略懸架以及車輛垂向運動,忽略車輛繞y軸的俯仰運動和繞x軸的側(cè)傾運動,認為車輛各個輪胎的機械特性相同。車輪1、2、3、4分別對應(yīng)左前、右前、左后、右后車輪。三自由度車輛模型的動力學方程為
(1)
圖1 三自由度車輛模型Fig.1 Vehicle model with three degree of freedom
式中vx——縱向車速vy——側(cè)向車速
γ——橫擺角速度m——汽車質(zhì)量
Fxj——輪胎縱向力,j=1,2,3,4
Fyj——輪胎側(cè)向力,j=1,2,3,4
δ——前輪轉(zhuǎn)角
Iz——繞z軸的轉(zhuǎn)動慣量
lf——質(zhì)心距前軸的距離
lr——質(zhì)心距后軸的距離
bf——前輪距的1/2
br——后輪距的1/2
1.1.2輪胎模型
采用半經(jīng)驗?zāi)g(shù)公式輪胎模型對輪胎力進行估計,公式為
Y=Dsin(Carctan(Bα-
E(Bα-arctan(Bα))))
(2)
式中Y——縱、橫向輪胎力B——剛度因子
C——曲線形狀因子D——峰值因子
E——曲線曲率因子α——車輪側(cè)偏角
輪胎模型參數(shù)B、C、D、E都與輪胎的垂直載荷相關(guān),各輪胎的垂直載荷為
(3)
式中Fz1、Fz2、Fz3、Fz4——對應(yīng)輪胎的垂直載荷
h——質(zhì)心高度g——重力加速度
各輪胎側(cè)偏角為
(4)
式中α1、α2、α3、α4——對應(yīng)輪胎的側(cè)偏角
設(shè)車輛縱向加速度和橫向加速度分別為ax、ay,則車輛縱橫向運動學關(guān)系可表示為
(5)
且四輪輪速耦合關(guān)系可表示為
(6)
式中r——車輪有效半徑
n1、n2、n3、n4——4個車輪輪速
強跟蹤濾波相較卡爾曼濾波在預(yù)報誤差協(xié)方差陣中引入了漸消因子,比卡爾曼濾波具有更強的系統(tǒng)狀態(tài)實時跟蹤能力。強跟蹤濾波算法步驟為:
(1)計算殘差及均方誤差矩陣
r(k+1)=Y(k+1)-H(k+1)(k+1)
(7)
式中ρ——遺忘因子
遺忘因子滿足0≤ρ≤1,取ρ=0.95。
(2)計算次優(yōu)漸消因子
(8)
其中
式中β——弱化因子,β≥1
(3)計算預(yù)測協(xié)方差陣與增益陣
(9)
(4)計算狀態(tài)估計協(xié)方差陣與狀態(tài)估計值
(10)
由三自由度車輛動力學模型和輪胎模型,建立狀態(tài)空間方程用于強跟蹤卡爾曼濾波器設(shè)計
(11)
其中
式中w(t)——符合高斯分布的過程噪聲
v(t)——符合高斯分布的量測噪聲
從而可設(shè)計相應(yīng)的車輛狀態(tài)強跟蹤濾波器,記所得的強跟蹤濾波結(jié)果為vxSTF、vySTF、γSTF。
根據(jù)式(6)中的輪速耦合關(guān)系,可將系統(tǒng)的觀測方程表示為
Y=Hξ+V
(12)
式中Y——觀測向量ξ——待觀測向量
H——觀測矩陣V——零均值白噪聲
根據(jù)式(12)特點,可知能夠采用最小二乘法(RLS)進行車輛狀態(tài)估計。最小二乘估計準則為計算得到最優(yōu)估計使觀測誤差的二次函數(shù)最小化,即
minJ=VTV=[H-Y]T[H-Y]
(13)
=[HTH]-1HTY
(14)
理論上式(6)中的n1、n2、n3、n4皆為理想輪速,但理想輪速與實際輪速不可能完全相等。此外,待估計的質(zhì)心側(cè)偏角與輪速不是同一量級,若矩陣H為病態(tài)矩陣,非常小的不確定因素都會導致RLS出現(xiàn)較為嚴重的估計誤差。假設(shè)式(6)中存在擾動,表示為
Y+ΔY=(H+ΔH)(ξ+Δξ)
(15)
展開并化簡式(15),可得
ΔY=HΔξ+ΔHξ+ΔHΔξ
(16)
則RLS估計結(jié)果對于病態(tài)矩陣的敏感程度可表示為
Δξ=-H-1ΔHξ-H-1ΔHΔξ+H-1ΔY
(17)
對式(17)求取范數(shù),可得
‖Δξ‖=‖H-1‖(‖ΔH‖‖ξ‖+
‖ΔH‖‖Δξ‖+‖ΔY‖)
(18)
推導可得
(19)
設(shè)C=‖H-1‖‖H‖,可得
(20)
觀察式(20)可知,C越大,就越敏感。根據(jù)以上分析可知,若同時增大病態(tài)矩陣H的特征值,則C就會一定程度的減小,從而提高RLS估計的魯棒性。
根據(jù)以上分析,采用嶺估計法來抑制病態(tài)矩陣對估計的影響。嶺估計算法本質(zhì)上是一種改進的最小二乘算法,設(shè)病態(tài)矩陣H的特征值增量為K1,由式(14)可得嶺估計模型下ξ的估計量為
=[HTH+K1I]-1HTY
(21)
式中I——單位矩陣
則用于車輛狀態(tài)估計的嶺估計算法可表示為
(22)
式中K2(k)——卡爾曼增益矩陣
P(k)——協(xié)方差矩陣
ρ0——嶺估計遺忘因子
ρ0用來平衡估計結(jié)果的快速跟蹤能力與抗干擾能力。從而可得相應(yīng)的車輛狀態(tài)嶺估計結(jié)果,記為vxR、vyR、γR。
2.1節(jié)中基于車輛動力學模型所設(shè)計的強跟蹤卡爾曼濾波器,大多情況下能得到較為精確的估計結(jié)果,但該觀測器比較依賴精確的輪胎力模型,在一些復雜工況如輪胎處于強非線性區(qū)域時,該估計結(jié)果會出現(xiàn)一定程度的偏差。2.2節(jié)中所采用的嶺估計算法,在繼承最小二乘算法優(yōu)點的同時,提高了估計的可靠性,但該估計器比較依賴準確的輪速信息,在輪胎出現(xiàn)滑移時估計效果會受到影響。因此,可將基于動力學模型和運動學模型所得的估計量視為偽測量值,通過多模型觀測器信息之間的迭代與加權(quán)融合的方式提高車輛狀態(tài)估計精度與可靠性。提出的車輛狀態(tài)融合估計策略如圖2所示。
圖2 車輛狀態(tài)融合估計策略Fig.2 Vehicle state fusion estimation strategy
考慮嶺估計器可能存在的由模型不確定性引起的偏差,分別設(shè)計PID控制器1和2用于縱橫向車速估計的偏差補償。將嶺估計器橫擺角速度估計偏差Δγ=γR-γ作為控制器PID1和PID2的輸入,得到補償后的縱橫向車速為
(23)
式中kPID1、kPID2——PID控制器得到的補償系數(shù)
輪胎縱向滑移率為
(24)
(25)
同時,采用最后質(zhì)心側(cè)偏角的融合估計結(jié)果視為偽測量值輸入到模糊控制器中,縱向車速的融合估計結(jié)果輸入到滑移率估計器中,為下一步的迭代估計提供判斷基準,從而利用基于多模型觀測器之間的誤差迭代與補償,提高整個估計系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力以及多工況自適應(yīng)性。
圖3 隸屬度函數(shù)Fig.3 Degree of membership functions
λ0|β|SMLHSSMMLMMLLHLLHHHHLHHH
為了驗證本文提出的估計方法的效果,基于CarSim和Simulink搭建聯(lián)合仿真平臺并進行仿真分析。仿真參數(shù)為:m=703.6 kg,r=0.245 m,lf=0.795 m,lr=0.975 m,bf=br=0.775 m,Iz=1 000 kg·m2,Cf=60 000 N/rad,Cr=40 000 N/rad。
雙移線仿真工況如圖4所示,仿真時路面附著系數(shù)為0.4,車速為20 m/s。估計結(jié)果如圖5所示,可知強跟蹤濾波器和嶺估計器都能較好地估計車輛行駛狀態(tài)。圖6所示為仿真時融合權(quán)重系數(shù)與|β|和λ0的對比,可知在高速低附著的雙移線工況下,縱向滑移相對較大,此時縱向滑移對嶺估計產(chǎn)生了一定的影響,嶺估計器的估計精度低于強跟蹤濾波器,可以看出此時融合權(quán)重系數(shù)km相對較小,即在融合結(jié)果中強跟蹤估計占有更大比重,從而驗證了提出的加權(quán)迭代融合估計方法能有效提升車輛狀態(tài)的估計精度。
圖4 雙移線工況Fig.4 Double lane changes manoeuvre
圖5 車輛行駛狀態(tài)估計(雙移線工況)Fig.5 Estimation of vehicle running state
如圖7所示,J-turn工況設(shè)定如下:0~1 s,方向盤轉(zhuǎn)角從0°激增到90°;1~4 s,方向盤轉(zhuǎn)角保持90°不變;4~10 s,方向盤轉(zhuǎn)角逐漸回正為0°。仿真時路面附著系數(shù)為1.0,同時考慮車速變化的情況,在10 m/s的基礎(chǔ)車速上疊加一個幅值為1頻率為1 rad/s的正弦波,用來模擬復雜工況下車速時變的特性,仿真結(jié)果如圖8所示。在快速轉(zhuǎn)向的劇烈工況下,與雙移線工況仿真結(jié)果類似,所提出的估計方法仍能保持較好的估計性能。圖9所示為J-turn仿真工況下的融合權(quán)重系數(shù)??芍诟吒街鴹l件下,縱向滑移減小,此時λ0對融合權(quán)重系數(shù)的影響減弱。由于在所設(shè)定的J-turn工況下,車輛質(zhì)心側(cè)偏角相對較大,此時強跟蹤濾波器的估計精度相對來說低于嶺估計器,融合權(quán)重系數(shù)km相應(yīng)增大,意味著融合估計結(jié)果中嶺估計所占比重增加。所提出的融合估計方法此時仍能兼顧兩種估計器的優(yōu)勢,保證了估計精度,同時提高了估計系統(tǒng)的抗干擾性能。
圖6 融合權(quán)重系數(shù)(雙移線工況)Fig.6 Fusion weight coefficient
圖7 J-turn工況Fig.7 J-turn manoeuvre
圖8 車輛行駛狀態(tài)估計(J-turn工況)Fig.8 Estimation of vehicle running state
圖9 融合權(quán)重系數(shù)(J-turn工況)Fig.9 Fusion weight coefficient
圖10所示為蛇形實車道路實驗時的實驗裝備和場景、行駛軌跡示意圖、四輪輪速以及方向盤轉(zhuǎn)角。所使用的實驗車為一款改裝的四輪獨立驅(qū)動電動汽車,基于快速原型搭建了整車控制系統(tǒng),采用Vehicle Spy進行傳感器數(shù)據(jù)記錄。實驗道路為一條平直瀝青道路,道路上每間隔30 m安放標樁來模擬蛇形工況,實驗結(jié)果如圖11所示??芍獛X估計器能實時跟蹤車輛狀態(tài)的變化趨勢,但觀察側(cè)向車速和質(zhì)心側(cè)偏角估計結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),雖然嶺估計算法能整體上跟蹤車輛狀態(tài)趨勢,但估計結(jié)果存在一些波動,這是因為側(cè)向車輛狀態(tài)的大小與輪速不是同一量級,微小的干擾便可能導致相對較大的估計波動,而所設(shè)計的嶺估計器此時仍能保持較好的估計結(jié)果,波動范圍相對側(cè)向狀態(tài)的量級來說也相對較小。強跟蹤濾波器具有較好的估計精度與穩(wěn)定性,但該基于動力學模型所設(shè)計的濾波器在估計實時性上相對來說弱于嶺估計器。圖12所示為融合權(quán)重系數(shù)。與仿真結(jié)果變化趨勢吻合,融合權(quán)重系數(shù)能根據(jù)質(zhì)心側(cè)偏角與縱向滑移的變化,動態(tài)調(diào)節(jié)強跟蹤估計與嶺估計所占權(quán)重,能夠較好地實時跟蹤車輛狀態(tài),提高了車輛狀態(tài)估計的精度與可靠性。
圖10 道路實驗Fig.10 Road test1.方向盤轉(zhuǎn)角傳感器 2.GPS/INS 3.電機控制器 4.方向盤標樁 5.輪速傳感器
圖11 車輛行駛狀態(tài)估計(實車)Fig.11 Estimation of vehicle running state
圖12 融合權(quán)重系數(shù)(實車)Fig.12 Fusion weight coefficient
(1)設(shè)計了強跟蹤濾波算法并應(yīng)用于車輛行駛狀態(tài)估計,同時,提出采用四輪輪速耦合關(guān)系進行車輛行駛狀態(tài)估計的新思路,并考慮到輪速和待估計的側(cè)向車輛狀態(tài)非同一量級,微小的數(shù)據(jù)擾動或者
可能存在的病態(tài)矩陣都會導致較大的估計誤差,從而設(shè)計了嶺估計算法用于車輛行駛狀態(tài)估計,進一步提高了車輛狀態(tài)估計的可靠性。
(2)采用基于動力學模型觀測器與運動學模型觀測器結(jié)合的估計方式,利用多模型耦合觀測器信息迭代與誤差補償?shù)姆绞綄鞲衅餍畔⒑蛡螠y量信息進行融合,提高了整個估計系統(tǒng)的精度與抗干擾能力。
(3)分別進行了雙移線和J-turn工況的聯(lián)合仿真以及實車道路實驗,結(jié)果表明,所提出的車輛狀態(tài)迭代融合估計方法具有較高的估計精度與可靠性。
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