一种制动工况下的路面附着系数实时估算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽车主动安全控制领域，尤其涉及一种制动工况下的路面附着系数实 时估算方法。
【背景技术】
[0002] 目前，现有汽车上大多装有先进驾驶员辅助系统，如紧急避让系统(ECA)、自适应 巡航控制系统(ACC)、制动防抱死系统(ABS)、驱动力控制系统(TCS)和电子稳定程序(ESP) 等，这些辅助驾驶系统能够大大提高车辆行驶的安全性和稳定性。先进驾驶员辅助系统能 够根据路面附着系数变化自动对控制逻辑进行调整，从而最大限度地发挥控制系统的性 能，而实时、准确地获得路面附着系数是实现主动安全控制的必要前提。
[0003] 对于路面附着系数的获取方法，国内外主要有直接检测方法和估算方法两种。其 中，直接检测方法主要采用光学传感器测量路面对光的吸收和散射情况，根据路面形态与 物理特性进行路面附着系数识别，该方法虽然应用简单直接，但是传感器价格昂贵，不利于 在量产车上推广和应用。而估算方法则通过测量与路面附着系数相关的车辆或轮胎动力学 响应来估算路面附着系数的大小，该方法能够充分利用车载传感器，降低成本。目前，主要 估算方法有卡尔曼滤波算法、双扩展卡尔曼滤波算法和扩张状态观测器方法三种。相比于 卡尔曼滤波算法和双扩展卡尔曼滤波算法，扩张状态观测器方法可以在保证较高的计算精 度的前提下避免求解繁琐的雅可比矩阵，但是其在制动工况下没有考虑载荷的转移，并且 设计参数较多，计算效率不高。
【发明内容】
[0004] 针对当前技术手段存在的问题和缺陷，提出一种制动工况下考虑前后轴荷转移的 路面附着系数实时估算方法。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] -种制动工况下的路面附着系数实时估算方法，包括双轮车辆制动动力学模型、 理想制动力矩控制器和路面附着系数观测器。其中，双轮车辆制动动力学模型由整车模型 和轮胎模型组成。基于双轮车辆制动动力学模型，以前后轮滑移率跟踪理想滑移率为控制 目标，建立滑模控制器，并采用饱和函数及积分切换面重新设计滑模控制器，消除抖动问 题，建立理想制动力矩控制器。最后，在双轮车辆制动动力学模型和理想制动力矩控制器的 基础上，采用二阶线性扩张状态观测器，设计以轮速信号和制动力矩信号为观测器输入，轮 胎与路面之间附着系数为观测器输出的路面附着系数观测器，利用路面附着系数观测器将 与附着系数相关的项作为扩张状态量观测出来，进而完成对路面附着系数的实时估算。
[0007] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0008] 1.该估算方法考虑了制动工况下的轴荷转移，设计参数少，计算效率高；
[0009] 2.采用饱和函数及积分切换面方式消除了滑模变结构控制抖振问题，且路面附着 系数观测器采用二阶线性扩张状态观测器，鲁棒性强。
【附图说明】
[0010] 图1为该路面附着系数估算方法的过程图。
[0011] 图中，1-整车模型，2-轮胎模型，3-双轮车辆制动动力学模型，4-滑模控制器，5-理 想制动力矩控制器，6-路面附着系数观测器。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0013] 如图1所示，本发明公开了一种制动工况下的路面附着系数实时估算方法，包括双 轮车辆制动动力学模型3、理想制动力矩控制器5和路面附着系数观测器6。其中，双轮车辆 制动动力学模型3由整车模型1和轮胎模型2组成。
[0014] 建立整车模型1:
[0015]假设X为车辆行驶过程中位移，mf、mr*别为车辆前后非簧载质量，h f、hr分别为车 辆前后非簧载质量高度，ms为悬挂质量，hs为簧上质量高度，Fzf、F zr分别为前后车轮受到的 地面法向反作用力，lf、lr分别为质心至前后轴距离，有动力学方程组：
[0016]
[0017]
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] 式中：μ(λ￡)和y〇r)分别为前后轮与路面之间的附着系数，m为整车质量，V为车辆 质心纵向速度，T bf、Tbr分别为前后轮制动力矩，Jf、Jr分别为前后轮转动惯量，ω f、ω汾别为 前后轮角速度，Ι?ω为车轮半径。
[0025] 建立轮胎模型2:
[0026] 基于Magic Formula模型，经过理论变形、仿真分析可得到Burckhardt模型，其路 面附着系数与轮胎滑移率λ和车速V有关：
[0027]
[0028] 式中：&、C2、C3为轮胎附着特征参数，C4为汽车行驶速度对附着特性的影响参数。
[0029] 基于双轮车辆制动动力学模型3,以前后轮滑移率跟踪理想滑移率为控制目标，建 立滑模控制器4:
[0030]
[0031]
[0032]式中Af、Ar分别为前后轮实际滑移率;Afd、A rd分别为前后轮目标滑移率。
[0033]对其求导可得等效控制力矩：
[0034]
[0035]
[0036]则前后轮理想制动力矩为：
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] Ff (Af ,λΓ) =F2( l_^f )+RmF3
[0044] Fr(^f，D =F2( 1_D+RcjF4
[0045] 式中：m和都是正数。
[0046] 为了消除抖振问题，将饱和函数sat(57f)应用到滑模控制中并且采用积分切换面 重新设计滑模控制器，建立理想制动力矩控制器5:
[0047] Si = Af-Afd+|iJ (Af-Afd)dt
[0048] S2 = ^.r-Ard+|2j (Ar-Ard)dt
[0049] 式中：ξ#Ρξ2*常数。
[0050] 则前后轮理想制动力矩分别为：
[0051]
[005
[0053] 式中：供1.和％为常数。
[0054]最后，采用二阶线性扩张状态观测器，建立以轮速信号和制动力矩信号为观测器 输入，轮胎与路面之间附着系数为观测器输出的路面附着系数观测器6:
[0055]由双轮车辆制动动力学模型3可得，
[0056]
[0057]将上式含有路面附着系数项看作系统的扰动，并作为系统的扩张状态变量，令： 1 1 , . 1
[0058] ω f = X1 ； _ = χι ; ω r = χ 3 ； + = ; = hi Tbf = Ul; Tbr = U2 〇
[0059] 则得到两个积分器串联型系统分别为： fi, =Xi + hu,
[0060] \ 1 [yi = χι
[0061] /? - X4+\u2 1? = Χ3
[0062] 以第一个积分器串联型系统为例，可以采用如下二阶线性扩张状态观测器观测其 状态XI和扩张状态Χ2:
[0063]
[0064] 其中：ω〇为由极点配置得到的线性扩张状态观测器的带宽;udPyi分别为观测器 的输入信号; 21和22分别为线性扩张状态观测器的输出信号，分别为状态X1和扩张状态^的 观测值;bo为控制增益匕的估计值。同理可以得到第二个积分器串联系统状态 ?和扩张状态 Χ4的观测值。
[0065] 则对于前面两个积分器串联型系统有：
[0066]
[0067]
[0068] 其中：Ζ1和Ζ2为状态Xl(前轮轮速)和扩张状态Χ2的观测值，Ζ3和Ζ4为状态X3(后轮轮 速)和扩张状态X4的观测值。
[0069] 基于建立的路面附着系数观测器6,将与路面附着系数相关的项作为扩张状态量 观测出来，利用上述表达式就可以方便、实时估算出前后轮与路面之间的附着系数。
【主权项】
1. 一种制动工况下的路面附着系数实时估算方法，其特征在于:包括双轮车辆制动动 力学模型(3)、理想制动力矩控制器(5)和路面附着系数观测器(6)。2. 如权利要求1所述的一种制动工况下的路面附着系数实时估算方法，其特征在于:所 述的双轮车辆制动动力学模型（3)，包括整车模型（1)和轮胎模型（2);整车模型（1)满足如 下关系式：式中：x为车辆行驶过程中位移，mf、mr分别为车辆前后非黃载质量，hf、hr分别为车辆前 后非黃载质量高度，ms为悬挂质量，hs为黃上质量高度，Fzf、Fzr分别为前后车轮受到的地面 法向反作用力，lf、lr分别为质屯、至前后轴距离，μ(λ?)和μ(λτ)分别为前后轮与路面之间的 附着系数，m为整车质量，V为车辆质屯、纵向速度，Tbf、Tbr分别为前后轮制动力矩，Jf、Jr分别 为前后轮转动惯量，Wf、分别为前后轮角速度，Κω为车轮半径； 轮胎模型(2)满足如下关系式：式中：Cl、C2、C3为轮胎附着特征参数，C4为汽车行驶速度对附着特性的影响参数，λ为轮 胎滑移率，V为车速。3. 如权利要求1所述的一种制动工况下的路面附着系数实时估算方法，其特征在于:所 述的理想制动力矩控制器（5)，由滑模控制器(4)采用饱和函数和积分切换面重新设计得 到； 理想制动力矩控制器巧)满足如下关系： 5ι = λ 广 λ?(?+ξι]'(λ 广 Afd)化 S2 =、-、d+l2j(、-、d)化 式中:λ?、λτ分别为前后轮实际滑移率，分别为前后轮目标滑移率，ξι和ξ2为常数。4. 如权利要求1所述的一种制动工况下的路面附着系数实时估算方法，其特征在于:所 述的路面附着系数观测器(6)，它是W轮速信号和制动力矩信号为观测器输入，轮胎与路面 之间附着系数为观测器输出的二阶线性扩张状态观测器;路面附着系数观测器(6)满足如 下关系：式中：Z1和Z2为状态財(前轮轮速)和扩张状态X2的观测值，Z3和Z4为状态X3(后轮轮速)和 扩张状态X4的观测值； 状态XI和扩张状态X2观测式为：其中：ω〇为由极点配置得到的线性扩张状态观测器的带宽；山和yi分别为观测器的输 入信号;Z1和Z2分别为线性扩张状态观测器的输出信号，分别为状态XI和扩张状态X2的观测 值;bo为控制增益bl的估计值； 状态X3和扩张状态X4的观测式可同理得到； 基于建立的路面附着系数观测器(6)，将与路面附着系数相关的项作为扩张状态量观 测出来，就可W方便、实时估算出前后轮与路面之间的附着系数。
【专利摘要】一种制动工况下的路面附着系数实时估算方法，包括双轮车辆制动动力学模型、理想制动力矩控制器和路面附着系数观测器。其中，双轮车辆制动动力学模型由整车模型和轮胎模型组成。基于双轮车辆制动动力学模型，采用饱和函数及积分切换面重新设计滑模控制器，消除抖动问题，建立理想制动力矩控制器。在双轮车辆制动动力学模型和理想制动力矩控制器的基础上，采用二阶线性扩张状态观测器，设计路面附着系数观测器，观测与附着系数相关的扩张状态量，进而完成对路面附着系数的实时估算。本发明设计参数少，计算效率高，采用饱和函数及积分切换面方式消除了滑模变结构控制抖振问题，且路面附着系数观测器采用二阶线性扩张状态观测器，鲁棒性强。
【IPC分类】B60W40/064
【公开号】CN105539449
【申请号】CN201510897667
【发明人】王健, 张竹林, 杨君, 邱绪云
【申请人】山东交通学院
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月7日