浦震峰，唐 亮，上官文斌，王偉瑋，蔣開洪

（1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510621；3.寧波拓普集團(tuán)股份有限公司，寧波 315800）

前言

隨著智能車輛技術(shù)的發(fā)展，車輛控制的精細(xì)化程度越來越高，高精度的車速信息是實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。在自動(dòng)泊車功能中，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的輪速和車速信息可提高車輛位姿估算的準(zhǔn)確性［1-2］，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地泊車和減少控制時(shí)的超調(diào)沖擊。然而，受限于泊車系統(tǒng)硬件電子元件的特性和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能，泊車算法會(huì)限制最高車速。泊車最高車速一般為10 km/h。在泊車過程中，車速經(jīng)常會(huì)低于5 km/h。由于車速過低，輪速傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)間隔時(shí)間增長(zhǎng)，輪速信號(hào)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性大大下降，這會(huì)導(dǎo)致車輛位姿估算的精度下降。多普勒雷達(dá)、五輪儀等可直接精確測(cè)量車速，但是由于成本限制和結(jié)構(gòu)布置等因素，此類設(shè)備無法應(yīng)用于量產(chǎn)汽車。但是隨著低速場(chǎng)景下控制需求的增加，利用標(biāo)準(zhǔn)車載傳感器進(jìn)行低速車速估算的需求也在日益增加。

目前車速估計(jì)的方法主要有兩種。一種是利用輪速傳感器信號(hào)和慣性測(cè)量單元（IMU）信號(hào)設(shè)計(jì)車速估計(jì)器，同時(shí)利用全球定位系統(tǒng)（GPS）的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。但是常規(guī)GPS 精度低，傳感器信號(hào)受環(huán)境因素影響大，常出現(xiàn)信號(hào)丟失的情況，其可靠性難以滿足控制系統(tǒng)的需求［3-4］。Ding等［5］利用全球定位系統(tǒng)、慣性測(cè)量單元以及輪轂電機(jī)狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)了面向四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛的縱向車速估計(jì)算法。另一種是通過傳感器信息和建立的車輛動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測(cè)器，估算車速。該方法的準(zhǔn)確性與所建立的車輛動(dòng)力學(xué)模型密切相關(guān)［6］。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)輪速信號(hào)的噪聲以及車速估計(jì)做了廣泛的研究工作。在消除輪速信號(hào)的周期性噪聲方面，為解決齒圈的非理想等間距所產(chǎn)生的周期性噪聲，基于齒圈幾何模型和遞推約束最小二乘估計(jì)算法，Rallo 等［7］提出了一種在線濾波方法，試驗(yàn)證明了該濾波算法不會(huì)消除系統(tǒng)本身的速度波動(dòng)特征信息。對(duì)高速行駛時(shí)輪速傳感器的信噪比降低以及由輪速信號(hào)計(jì)算數(shù)據(jù)的發(fā)散性等問題，韓宗奇等［8］提出先將輪速信號(hào)在頻域中進(jìn)行“濾波”，再通過傅里葉逆變換獲得時(shí)域下的真實(shí)信號(hào)。

在基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的車速估計(jì)研究方面，陳浩等［9］利用1階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，將車輛縱向動(dòng)力學(xué)方程中的未知非線性部分作為擴(kuò)張狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，降低了模型精度對(duì)車速估計(jì)的影響。Karlsson等［10］以加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)量值為輸入，提出了一種基于深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的車速估算方法。高振海等［11］基于車輛動(dòng)力學(xué)模型，提出了一種以底盤域傳感器信息為輸入、基于混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的車速估計(jì)算法。Hashemi 等［12］基于卡爾曼濾波器，將LuGre 輪胎模型和車輛動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，提出了一種車輛縱向車速估計(jì)方法。在大加速度工況下，由于車輛模型和輪胎模型會(huì)具有很強(qiáng)的非線性，此時(shí)經(jīng)典的卡爾曼濾波器將不再適用，文獻(xiàn)［13］～文獻(xiàn)［15］中將適用于非線性系統(tǒng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器和無跡卡爾曼濾波器應(yīng)用到車速估計(jì)中。為避免濾波發(fā)散，提高估計(jì)精度，周衛(wèi)琪等［16-17］提出利用最小偏度單形采樣策略和遺傳算法改進(jìn)無跡卡爾曼濾波器來減小噪聲干擾對(duì)車輛狀態(tài)估計(jì)精度的影響。

近年來，隨著分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)全輪驅(qū)動(dòng)的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的縱向車速估計(jì)方法已經(jīng)成為車輛動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。高博麟等［18］利用分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了基于聯(lián)邦卡爾曼濾波技術(shù)的多方法融合的車速估計(jì)方法。趙治國(guó)等［19］針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車，利用其后輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩可測(cè)和前輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩可推算的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了對(duì)噪聲方差及均值具有自適應(yīng)功能的無跡卡爾曼車速估計(jì)算法。余卓平等［20］融合運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)縱向車速估計(jì)方法，利用加速度傳感器信息和各車輪滑移率反饋值提出了一種縱向車速非線性自適應(yīng)估計(jì)算法。

然而，針對(duì)車輛在極低速工況下的車速估計(jì)研究則相對(duì)較少。目前，用于確定車輪角速度的多是增量編碼器類型的傳感器［7］，均是以脈沖數(shù)為基礎(chǔ)計(jì)算輪速。當(dāng)輪速極低時(shí)，每單位時(shí)間的脈沖數(shù)較低甚至為零，除非檢測(cè)到脈沖，否則無法更新輪速信息。Pino等［21］采用增加霍爾傳感器的采樣時(shí)間以及使用特殊化后的卡爾曼濾波器方法，以減小在低速工況下輪速傳感器的量化噪聲。中高速工況下的車速估計(jì)研究主要是為解決當(dāng)車輪滑移和側(cè)偏時(shí)，車速無法直接通過輪速進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算得到的問題，而低速工況下的車速估計(jì)研究主要解決低速工況下，輪速信號(hào)精度變低、更新周期變長(zhǎng)等因素對(duì)車速估算的影響。

綜上所述，目前對(duì)車速估計(jì)算法的研究主要集中在輪速信號(hào)的噪聲處理以及中高速工況下的車速估算上，關(guān)于極低速工況下的車速估計(jì)研究較少。為提高低速下車速估算的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，本文針對(duì)電驅(qū)動(dòng)汽車提出了一種基于多傳感器信息的低速車速估計(jì)方法：建立了基于自適應(yīng)加權(quán)融合的輪速算法，提高輪速信息的更新頻率；利用電驅(qū)動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，提出基于電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的車速估計(jì)模型；通過交互多模型融合算法將基于輪速脈沖信號(hào)的估計(jì)車速和基于電機(jī)轉(zhuǎn)速的估計(jì)車速進(jìn)行加權(quán)融合，提高車速估計(jì)的精度。

1 基于多傳感器信息融合的低速車速估計(jì)算法

1.1 算法框架

傳感器輸入的信號(hào)有：4個(gè)輪速傳感器提供4個(gè)車輪的輪速脈沖信號(hào)Ii，i∈{fl，fr，rl，rr}，轉(zhuǎn)向盤角度傳感器提供轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)δ，慣性測(cè)量單元提供車輛縱向加速度axIMU、側(cè)向加速度ayIMU和車輛橫擺角速度信號(hào)ωrIMU，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)nf、nr。

基于測(cè)量的信號(hào)，建立兩個(gè)車速估算模型I（基于多輪速脈沖信號(hào)的車速估算模型）和模型II（基于電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的車速估算模型）。

（1）模型I 的估算方法。首先根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δ判斷車輛處于直行或是轉(zhuǎn)彎工況。如果是直行工況，則根據(jù)各輪速脈沖信號(hào)的跳變時(shí)刻，將4 個(gè)車輪的輪速進(jìn)行加權(quán)融合計(jì)算得到更新周期更短的輪速信息。如果是轉(zhuǎn)彎工況，則利用阿克曼轉(zhuǎn)向定理，通過輪速換算以縮短輪速信息的更新周期。最后，基于車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)，利用縮短更新周期后的輪速信息和車輛橫擺角速度計(jì)算車輛質(zhì)心處的縱向車速和側(cè)向車速。

（2）模型II 的估算方法。首先根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)nf、nr和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)δ，利用整車傳動(dòng)模型計(jì)算輪速，再根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算車輛質(zhì)心處的縱向車速和側(cè)向車速。

（3）基于模型I 估算車速時(shí)，可有效地避免噪聲干擾，基于模型II估算車速時(shí)，求得的車速信息更新周期短、精度高。采用交互多模型融合估計(jì)算法（IMM）對(duì)兩個(gè)子模型的估計(jì)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)融合，將兩個(gè)模型的優(yōu)勢(shì)融合到一個(gè)組合過濾器中，最終得到較為理想的車速估計(jì)結(jié)果。

1.2 基于多輪速脈沖信號(hào)的車速估算模型（模型I）

1.2.1 輪速計(jì)算

霍爾式輪速傳感器由齒圈和霍爾傳感器組成［19］，霍爾傳感器固定在支架上，齒圈隨車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在齒圈齒尖靠近或遠(yuǎn)離霍爾傳感器的過程中，傳感器內(nèi)的霍爾元件產(chǎn)生隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓，經(jīng)電路處理后霍爾傳感器輸出頻率與輪速呈比例的脈沖信號(hào)。

工程中常用式（1）計(jì)算輪速V[k]：

式中：V[k]為第k個(gè)周期時(shí)計(jì)算的輪速；Nz為齒圈齒數(shù)；R0為輪胎有效滾動(dòng)半徑；TN[k-1]為（k-1）周期的時(shí)間長(zhǎng)度；N[k-1]為（k-1）周期時(shí)輪速傳感器脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)。

當(dāng)車速較高時(shí)，TN[k-1]的取值為運(yùn)行周期，固定不變。當(dāng)車速較低時(shí)，單位運(yùn)行周期TN[k-1]內(nèi)所能檢測(cè)到的脈沖數(shù)較低或?yàn)榱?，此時(shí)由于無法檢測(cè)到新的脈沖，傳統(tǒng)輪速算法會(huì)自動(dòng)切換至周期法，即通過計(jì)數(shù)器計(jì)算一個(gè)完整矩形脈沖所經(jīng)過的時(shí)間，并將其賦值給TN[k-1]。這在一定程度上可以提高輪速的計(jì)算精度，但同時(shí)也會(huì)降低輪速的更新頻率，其最直觀的表現(xiàn)便是輪速曲線中出現(xiàn)非連續(xù)的階梯跳變。

1.2.2 自適應(yīng)加權(quán)輪速算法

為解決單個(gè)輪速傳感器時(shí)輪速更新周期長(zhǎng)的問題，本節(jié)在傳統(tǒng)輪速算法的基礎(chǔ)上，通過綜合整車4個(gè)輪速傳感器的輪速脈沖信息，建立自適應(yīng)加權(quán)輪速計(jì)算模型。該模型主要面向自動(dòng)泊車等車輛速度極低且沒有大強(qiáng)度的加速或減速的工況，即假設(shè)車輪的滑移率均很低可忽略不計(jì)。

算法的步驟如下。

（1）利用各輪速脈沖信號(hào)Ii，根據(jù)式（1）通過周期法計(jì)算各輪輪速Vwi。

（2）根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δ判斷汽車是轉(zhuǎn)彎還是直行工況?？紤]到轉(zhuǎn)向盤的自由行程，設(shè)定當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的絕對(duì)值小于10°時(shí)，車輛處于直行工況，否則，車輛處于轉(zhuǎn)彎工況。

（3）在直行工況下，根據(jù)輪速信號(hào)的脈沖更新時(shí)間，計(jì)算各輪速信號(hào)的權(quán)值（可信度），通過自適應(yīng)加權(quán)融合得到更新頻率更高、實(shí)時(shí)性更好的輪速。各輪速信號(hào)的權(quán)值λi的計(jì)算公式為

由于直線行駛時(shí)四輪輪速相差很小，通過加權(quán)系數(shù)將4 個(gè)輪速傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合得到虛擬車速V1，即

式中：λi為各輪輪速信號(hào)的權(quán)重系數(shù)；Vwi為各輪按周期法求得的輪速。

（4）在轉(zhuǎn)彎工況下，根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原理，利用已知的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δ、轉(zhuǎn)向總傳動(dòng)比K、車輛軸距l(xiāng)和輪距S，計(jì)算車輛前外輪轉(zhuǎn)角δo和前內(nèi)輪轉(zhuǎn)角δi。然后根據(jù)車輛前內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角和輪距，計(jì)算各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)彎半徑，最后通過輪速映射，提高輪速信號(hào)的更新頻率。

前輪轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式為

式中φ為前輪平均轉(zhuǎn)角，φ=δ/K。

各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)彎半徑的計(jì)算公式為

式中下標(biāo)fi、fo、ro、ri 分別表示前內(nèi)輪、前外輪、后外輪及后內(nèi)輪。

當(dāng)車輛處于大角度轉(zhuǎn)向時(shí)，各個(gè)車輪間輪速相差較大，此時(shí)選取最小的車輪的輪速Vwi作為虛擬輪速，通過阿克曼轉(zhuǎn)向模型換算剩余車輪的輪速，即當(dāng)車輛在低速工況下轉(zhuǎn)向時(shí)，4 個(gè)車輪的輪心繞轉(zhuǎn)向中心點(diǎn)所做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度相等。因此，各輪輪速間的換算關(guān)系為

式中：a、b∈{fi、fo、ro、ri}，其中不計(jì)算虛擬輪；Va為待求輪速；Vwb為虛擬輪速；Ra和Rb分別為轉(zhuǎn)向時(shí)待求輪和虛擬輪車輪的轉(zhuǎn)彎半徑，具體由式（5）求得。

最后，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過前輪平均轉(zhuǎn)角φ，前輪輪速Vfi、Vfo，車輛橫擺角速度ωr和車輛質(zhì)心到前軸距離lf計(jì)算車輛質(zhì)心處的縱向車速V1x和側(cè)向車速V1y：

1.3 基于電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的車速估算模型（模型II）

目前大部分純電動(dòng)汽車采用的是單級(jí)固定速比減速器的減速方案，整車傳動(dòng)系統(tǒng)中取消了離合器或液力變矩器，這使得通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行輪速估計(jì)的方法變得更加方便。試驗(yàn)車輛由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)前后軸。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車輪之間通過減速器和差速器傳遞動(dòng)力。

當(dāng)車輛直行時(shí)，前輪和后輪輪速為

式中：Vfj、Vrj分別為前輪和后輪輪速；nf、nr分別為前驅(qū)動(dòng)電機(jī)和后驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；i0f、i0r分別為前后減速器的減速比。在整車VCU 及電機(jī)控制器MCU 的控制下，根據(jù)前后電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算所得的前后輪速相差很小，因此可只采用前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行車速計(jì)算。

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于差速器的作用，左右兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速ωil、ωir的平均值等于差速器的輸入軸轉(zhuǎn)速：

將四輪模型轉(zhuǎn)化為兩輪自行車模型后，虛擬前輪輪速Vf可由前差速器輸入軸轉(zhuǎn)速求得：

車輛質(zhì)心處的縱向車速V2x和側(cè)向車速V2y分別為

1.4 基于交互多模型的融合車速估計(jì)

基于多輪速傳感器脈沖信號(hào)的車速估算模型可以有效地避免噪聲干擾，但在極低速的情況下，其更新周期變長(zhǎng)，而基于電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的車速估算模型更新周期短，精度高，但傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒隙以及電機(jī)低速時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)導(dǎo)致車速估計(jì)結(jié)果存在波動(dòng)。為充分發(fā)揮兩個(gè)估算模型的優(yōu)勢(shì)，本文采用交互多模型融合算法（IMM）對(duì)兩個(gè)車速計(jì)算模型的輸出結(jié)果進(jìn)行加權(quán)融合。交互多模型算法是一種軟切換算法，能夠?qū)γ總€(gè)子模型的加權(quán)因子（模型概率）進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而降低估計(jì)誤差。完整的算法循環(huán)包括輸入交互、數(shù)據(jù)濾波、模型概率更新和輸出交互4部分［22］。以縱向車速估計(jì)為例，在第k時(shí)刻，完整的計(jì)算步驟如下。

步驟1：輸入交互

將上一時(shí)刻（k-1 時(shí)刻）數(shù)據(jù)濾波步驟中模型I和模型II 的卡爾曼濾波器輸出的狀態(tài)估計(jì)值、誤差協(xié)方差Pi(k-1|k-1)，通過模型混合概率μij(k-1|k-1)進(jìn)行加權(quán)融合，并將其作為當(dāng)前時(shí)刻步驟2 中卡爾曼濾波器的狀態(tài)初值和初始誤差協(xié)方差P0i(k-1|k-1)，其中i，j為模型序列。本文因只采用了兩個(gè)模型，故取i，j=1，2。由模型i到模型j的混合概率μij(k-1|k-1)的計(jì)算公式為

式中：μi(k-1)為上一時(shí)刻在模型概率更新步驟中求得的各模型的模型概率為各模型的歸一化常數(shù)；p為馬爾科夫概率轉(zhuǎn)移矩陣，矩陣元素pij決定了輸入交互的作用程度，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，最終，p取為

若為第一次循環(huán)（k=1），則模型概率μi(k-1)、狀態(tài)估計(jì)值和誤差協(xié)方差P0i(k-1|k-1)均取初值：

步驟2：數(shù)據(jù)濾波

利用卡爾曼濾波器分別對(duì)兩個(gè)車速估算模型進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波。

模型Ⅰ的卡爾曼濾波器：利用慣性測(cè)量單元的縱向加速度信號(hào)axIMU與由模型Ⅰ計(jì)算所得的縱向車速信號(hào)V1x通過卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波。考慮道路坡度對(duì)縱向加速度信號(hào)的影響，實(shí)際的車輛縱向加速度為

式中：g為重力加速度；i為道路坡度，實(shí)際行駛過程中坡度變化緩慢，可以認(rèn)為道路坡度i對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為零。因此，可建立微分方程組：

將其離散化，得到：

式中Δt為程序運(yùn)行周期。

將縱向車速vx和道路坡度i作為狀態(tài)變量，將式（17）轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間方程的形式：

式中：xk為狀態(tài)變量；zk為系統(tǒng)測(cè)量值；uk為系統(tǒng)輸入；wk為系統(tǒng)過程噪聲；vk為測(cè)量噪聲，它們是均值為零且相互獨(dú)立的高斯白噪聲，各自的協(xié)方差矩陣分別為Q、R；系統(tǒng)矩陣A、控制矩陣B和觀測(cè)矩陣H分別為

卡爾曼濾波器主要包含時(shí)間更新和測(cè)量更新兩個(gè)過程［19］。

模型Ⅱ的卡爾曼濾波器：將基于電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的車速估算模型（模型Ⅱ）求得的縱向車速V2x作為卡爾曼濾波器的測(cè)量值z(mì)k；將axIMU作為卡爾曼濾波器的系統(tǒng)輸入uk；系統(tǒng)矩陣、控制矩陣和觀測(cè)矩陣均與模型Ⅰ中的對(duì)應(yīng)矩陣相同。經(jīng)時(shí)間更新和測(cè)量更新后得到模型II中縱向車速和道路坡度的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)和誤差協(xié)方差P2(k|k)。

步驟3：模型概率更新

交互多模型算法最終是將步驟2 中兩個(gè)濾波器的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)融合。利用極大似然函數(shù)Λi(k)計(jì)算每個(gè)模型的模型概率μi(k)：

步驟4：輸出交互

側(cè)向車速也采用交互多模型融合估計(jì)方法，具體步驟和縱向車速估計(jì)相似，不同的是在數(shù)據(jù)濾波步驟中，采用一維卡爾曼濾波器將模型i得到的Viy、與加速度信號(hào)ayIMU進(jìn)行融合濾波。設(shè)置濾波器的狀態(tài)變量為vy，系統(tǒng)輸入為ayIMU，觀測(cè)值為Viy。系統(tǒng)矩陣A和觀測(cè)矩陣H均設(shè)為1，控制矩陣B的取值設(shè)為Δt。經(jīng)交互多模型融合估計(jì)后得到側(cè)向車速的估計(jì)結(jié)果VyIMM。最終估計(jì)得到的車輛合速度VIMM為

2 車速估計(jì)算法的驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及試驗(yàn)設(shè)備

為檢測(cè)所提出算法的實(shí)時(shí)性與有效性，本文進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。在不同路面上進(jìn)行低速直行和低速轉(zhuǎn)彎以驗(yàn)證算法的可靠性，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖1 所示，其中測(cè)試路面包括平坦路面、鵝卵石路面和坡度為18%的坡道。

圖1 實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)景

實(shí)車試驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示，試驗(yàn)采用一輛雙電機(jī)四驅(qū)SUV 作為試驗(yàn)車輛，該車配備有基礎(chǔ)的底盤域傳感器，即包括輪速傳感器、慣性測(cè)量單元、轉(zhuǎn)向盤角度傳感器、擋位傳感器等。其中慣性單元固定在靠近車輛質(zhì)心，用于測(cè)量車輛縱向加速度、側(cè)向加速度以及橫擺角速度。同時(shí)，該車還裝備有VBox數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（非接觸式汽車測(cè)試儀），其可通過高精度GPS 信號(hào)精確地測(cè)量車輛的實(shí)際速度，用于驗(yàn)證車速估計(jì)算法的準(zhǔn)確性。慣性測(cè)量單元信號(hào)和4 個(gè)輪速傳感器信號(hào)通過線束與控制器連接，電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和轉(zhuǎn)向盤角度信號(hào)通過整車CAN 網(wǎng)絡(luò)輸出給控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時(shí)，控制器輸出的車速估計(jì)結(jié)果也可通過CAN 網(wǎng)絡(luò)輸出，最后利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)采集并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)車輛詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 實(shí)車試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在典型的低速行駛工況下，對(duì)所提出的低速車速估計(jì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。將VBox所測(cè)得的車輛合速度作為用來參考的實(shí)際車速，并將傳統(tǒng)ESP算法輸出的車速估計(jì)結(jié)果和本文所提出的基于多傳感器信息融合的低速車速估計(jì)算法輸出的車速估計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)工況包括在平坦路面下的低速直行和低速轉(zhuǎn)彎工況以及在復(fù)雜路面和坡道上的低速直行工況。

本文中用于對(duì)比的ESP算法采用了一種基于傳感器信號(hào)融合的級(jí)聯(lián)觀測(cè)器系統(tǒng)進(jìn)行車速估計(jì)［23］。該車速觀測(cè)器系統(tǒng)由底層、中層和上層組成。底層為低通濾波器，用于濾去傳感器的部分噪聲，得到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車輪輪速、縱向和側(cè)向加速度以及制動(dòng)管路壓力等信號(hào)；中間層基于濾波后的傳感器信號(hào)估算道路坡度、制動(dòng)力矩并根據(jù)上層估計(jì)得到的縱向和側(cè)向車速估算車輪滑移率和側(cè)滑角；上層則進(jìn)行路面附著系數(shù)估計(jì)、輪胎力估計(jì)、通過車輛動(dòng)力學(xué)估算車輛的縱向、側(cè)向加速度，通過縱向車速估計(jì)器和側(cè)向車速估計(jì)器融合輪速及加速度傳感器信號(hào)得到縱向和側(cè)向車速，并最終獲得車輛的合速度。

2.2.1 平坦路面下的試驗(yàn)結(jié)果

在平坦路面下低速直行試驗(yàn)中，車輛由靜止起步。試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。由圖可見：當(dāng)車輛剛開始起步時(shí)，由于采用的是周期法計(jì)算輪速，ESP 算法輸出的車速曲線呈現(xiàn)出明顯的階梯狀；而本文中提出的車速估計(jì)算法融合了更新周期更短的電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，在車輛起步階段可以得到更加準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的車速估計(jì)結(jié)果。

圖3 平坦路面下低速直行試驗(yàn)結(jié)果

在平坦路面下低速轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)中，車輛由靜止起步，駕駛員施加的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角曲線如圖4 所示，向左轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為負(fù)，向右轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為正。速度曲線如圖5 所示。在8 s 左右時(shí)車輛開始減速，此時(shí)由于檢測(cè)不到新的輪速脈沖，傳統(tǒng)ESP算法的車速曲線會(huì)出現(xiàn)短暫的延遲，而本文提出的算法的車速曲線能夠快速地跟蹤實(shí)際車速的變化。但是，在4 和9 s 左右，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角最大時(shí)，估算的車速與實(shí)際車速間出現(xiàn)較大的誤差。這是由于實(shí)際車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的非線性特性，即實(shí)際的轉(zhuǎn)向總傳動(dòng)比K并非恒定值，由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角計(jì)算前輪轉(zhuǎn)角時(shí)出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致車速估算結(jié)果出現(xiàn)偏差。

圖4 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角曲線

圖5 平坦路面下低速轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 復(fù)雜路面下的試驗(yàn)結(jié)果

在復(fù)雜路面下的低速直行工況試驗(yàn)中，選用鵝卵石路面作為復(fù)雜路面，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。同其他試驗(yàn)工況類似，起步時(shí)，ESP 輸出的車速曲線存在較大的延遲，并且由于路面顛簸，車速曲線出現(xiàn)較大波動(dòng)。得益于卡爾曼濾波器的濾波作用，本文提出的算法的車速曲線波動(dòng)較小，輸出的車速曲線相對(duì)更加平穩(wěn)。但是由于并未考慮車輛在顛簸路面上的俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)對(duì)加速度信號(hào)的影響，故本文方法估算出的車速與實(shí)際車速之間仍有一定的偏差。

圖6 復(fù)雜路面下低速直行

2.2.3 坡道上的試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)車輛處于坡道上時(shí)，受重力影響，慣性單元所測(cè)得的加速度與車輛的實(shí)際加速度之間存在偏差，因此，獲得道路的坡道對(duì)進(jìn)行車速估計(jì)具有重要的作用。道路坡度的估算結(jié)果如圖7 所示，車速的估計(jì)結(jié)果如圖8所示。

圖7 坡度估計(jì)結(jié)果

圖8 坡道上低速直行試驗(yàn)結(jié)果

如圖8（a）所示，當(dāng)車速達(dá)到0.7 km/h 時(shí)，ESP 算法輸出的車速曲線才會(huì)出現(xiàn)變化，而本文提出的算法可以實(shí)時(shí)更新車速變化，其所能檢測(cè)到的最低車速遠(yuǎn)小于0.7 km/h。圖8（b）為模型I、模型II以及本文利用融合算法將兩個(gè)模型加權(quán)融合最終輸出的車速結(jié)果對(duì)比。低速工況下，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的波動(dòng)，模型II 輸出的車速估計(jì)曲線也呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)?；谳喫倜}沖信號(hào)的模型I 的車速估計(jì)結(jié)果則不存在這種波動(dòng)噪聲，但是其更新周期長(zhǎng)，存在階梯形的量化噪聲。本文提出的車速估計(jì)算法將兩個(gè)模型的估計(jì)結(jié)果加權(quán)融合，在縮短車速更新周期的同時(shí)減小了電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的波動(dòng)噪聲對(duì)車速估計(jì)的影響，最終得到更加精準(zhǔn)的車速估計(jì)結(jié)果。由于當(dāng)車輛處于坡道上時(shí)，難以使車輛保持在相對(duì)恒定的低速狀態(tài)，故車速曲線波動(dòng)較大，同時(shí)加速度信號(hào)受車輛俯仰的影響也變大，導(dǎo)致坡度估算出現(xiàn)一定的偏差，車速估算結(jié)果也受到一定的影響。

為了將本文提出的算法和傳統(tǒng)ESP 算法的估計(jì)精度進(jìn)行定量比較，分別計(jì)算兩種算法所輸出的車速結(jié)果相對(duì)于VBox 測(cè)量值的平均絕對(duì)誤差（MAE）?：

式中：yi為由VBox 所得的測(cè)量值為算法輸出的估計(jì)值；n為在一次實(shí)車測(cè)試中數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。表2 列出了在不同測(cè)試場(chǎng)景下，傳統(tǒng)ESP 算法和本文提出的算法所輸出車速信息的MAE指標(biāo)。

表2 ESP和本文算法所輸出車速信息的MAE指標(biāo)

由表2 可以看出，采用融合算法后的估計(jì)結(jié)果比單一方法的估計(jì)結(jié)果精度更高，并且本文提出的算法的車速估計(jì)結(jié)果在各種不同測(cè)試場(chǎng)景下的MAE 指標(biāo)均比傳統(tǒng)ESP 算法有所提升，這表明該算法在典型的低速場(chǎng)景下可以得到更加精確穩(wěn)定的車速估計(jì)結(jié)果。

3 結(jié)論

針對(duì)電驅(qū)動(dòng)汽車，本文以低速工況下的車速估計(jì)方法為研究對(duì)象，利用輪速傳感器脈沖信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)建立了兩個(gè)車速子估計(jì)器模型，通過交互多模型融合算法充分發(fā)揮兩個(gè)子估計(jì)器模型各自的優(yōu)勢(shì)。通過實(shí)車試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）引入驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行車速估算可以降低低速工況下由輪速傳感器的增量式傳感器特性所產(chǎn)生的階梯形量化噪聲，并且可以大大降低車輛起步時(shí)為等待輪速脈沖所產(chǎn)生的車速更新延遲。

（2）針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)在低速工況下出現(xiàn)波動(dòng)對(duì)車速估計(jì)產(chǎn)生影響的問題，將基于多輪速脈沖信號(hào)的車速估算模型與基于電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的車速估算模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)融合，由此減小電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)波動(dòng)和輪速脈沖信號(hào)更新周期長(zhǎng)對(duì)車速估計(jì)精度的影響，從而實(shí)現(xiàn)更加精確實(shí)時(shí)的低速車速估計(jì)。

對(duì)于通過離合器或液力變矩器進(jìn)行切斷和傳遞動(dòng)力的傳統(tǒng)集中動(dòng)力式車輛，當(dāng)車輛處于低速時(shí)，離合器或液力變矩器常處于未完全接合狀態(tài)，此時(shí)無法準(zhǔn)確地通過動(dòng)力源（發(fā)動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)速估算輪速，本文中模型II 的估計(jì)精度將會(huì)因此下降，導(dǎo)致最終融合估計(jì)結(jié)果的精度降低。后續(xù)將討論采用無級(jí)變速系統(tǒng)（CVT）的車輛在低速工況下的車速估計(jì)方法。