专利名称：基于最小二乘支持向量机的汽车防抱死制动控制方法
技术领域：
本发明涉及汽车电子控制技术领域，具体涉及一种汽车防抱死制动控制系 统的控制方法。
背景技术：
汽车防抱死制动控制系统(ABS)是保证汽车在紧急制动过程中车轮不抱 死的重要电子系统，为保证车轮不抱死，同时又能以较快的速度制动，ABS必 须针对不同的路面情况采用不同的控制策略，因此ABS系统必须实时的辨识 路面情况，进而根据路面情况采取不同的控制策略对制动系统进行控制。现 有的成熟的ABS控制方法主要包括基于车轮加减速度门限辅助参考滑移率方 法、模糊控制方法、基于神经网络的方法、基于智能控制的方法等。然而这 些控制方法普遍存在的问题是控制系统需要实时辨识路面信息，需要匹配的 控制参数较多，需要很长的实验匹配周期以使控制算法中的各参数处于最优 状态，保证汽车在各种路面条件下制动都有较强的适应性。为此陈军等在东 北大学学报2003年6月，第24巻第6期发表的《基于竞争神经网络的ABS 路面识别》采用神经网络技术进行路面辨识技术，农业机械学报，2001年9 月发表的《基于道路自动识别ABS模糊控制系统研究》采用对比车轮理论减 速度与车轮实际减速度的方法辨识路面，Jin-0h Hahn等采用基于GPS的方法 辨识轮胎与地面的摩擦系数(Jin-0h Hahn， Rajesh Rajamani， and Lee Alexander. GPS-Based Real-Time Identification of Tire- Road Friction Coefficient, IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, VOL. 10，NO. 3)。然而纵观以上这些方法，基于神经网络的方法需要大量的样本数据
对网络进行训练，对比车轮理论减速度与车轮实际减速度的方法需要知道汽
车的质量，而ABS系统并不知道汽车装载任意质量后的总质量，所以该方法 在载重车的ABS中不能实现路面的自动辨识，而基于GPS的方法需要汽车配 备全球定位系统，所以成本较高。汤东胜等在《汽车工程》2003年5月，第 25巻第4期发表的《ABS控制器参数的优化设计》中采用遗传算法，在仿真 实验的基础上采用遗传算法对ABS系统的控制参数进行优化，然而基于仿真 的参数优化存在的问题是仿真模型没有考虑汽车制动过程中的轮速信号波动 和制动系统的延时，因此仿真系统与实际系统之间存在较大的差别，精度较 差。在仿真的基础上得到的优化参数很有可能不是制动控制系统的最优参数， 甚至，如果以此参数作为ABS控制系统的控制参数会使汽车发生危险制动过 程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术汽车防抱死制动控制方法 中需要实时辨识路面情况，并且需要很长的路试周期以匹配算法中的控制参 数，控制参数不准确，开发成本高等缺陷。提出一种基于最小二乘支持向量 机的汽车防抱死制动控制方法，该方法不需进行路面辨识，只需利用支持向 量对控制器进行训练即可得到控制器的各参数。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是提出一种基于最小二乘
支持向量机的汽车防抱死制动控制方法，该方法首先利用成熟的ECU在各种
路面下进行防抱死制动控制实验，当汽车进行紧急制动时，轮速和压力传感 器在线提取制动过程中汽车轮速信号和制动轮缸的压力信号，作为支持向量对控制器进行训练得到控制器的回归参数"和6 ，利用差分法获取车轮的角
减速度^;根据两相邻的轮速曲线峰值连线的斜率得到车身参考减速度V ， 并由此获得车身参考车速；根据车身参考速度和车轮角减速度计算每个车轮 的参考滑移率；将车轮角减速度和车轮参考滑移率作为输入，构建最小二乘 支持向量机LS-SVM控制器，计算每个车轮的期望制动压力；根据每个车轮的 期望制动压力，采用脉宽调制的方法控制电磁阀的通断时间，从而控制每个
车轮的制动压力达到期望制动压力，实现完全制动。根据车轮角减速度的正 负关系变化，确定轮速曲线峰值；控制器算法模块调用公式r^xKK)。/。计算
汽车每个车轮的参考滑移率。所述最小二乘支持向量机LS-SVM控制器为三层 模型结构，包括，输入层、隐含层、输出层，所述输入层以车轮参考滑移率^ 和车轮角减速度"'为输入信号，构建x"^，w')的输入函数关系；隐含层利用核 函数^c,x,)-exp(-lx-x,l2/cr2)对二维输入向量与支持向量进行核运算；输出层
根据公式/^)=1>,(^ )+6=户构建车轮的期望制动压力/>与核函数的关系。
本发明设计了一种成本低廉，计算方法简单，在紧急制动过程中，以车轮 角减速度和车轮的参考滑移率作为输入，根据车轮的角减速度和参考滑移率， 直接计算期望的制动压力，进而通过脉宽调制方法控制制动压力，实现安全 制动。不需进行路面辨识，只需利用支持向量对控制器进行训练即可得到控 制器的各参数，开发周期短，开发成本低，得到的控制参数准确可靠。
图1基于LS-SVM的ABS控制器结构
图2对基于最小二乘支持向量机的ABS控制器的训练示意3基于LS-SVM的ABS控制器的控制过程示意图
具体实施例方式
本发明设计了一种基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)的汽车防抱死制动 控制方法，该方法利用成熟的汽车ABS ECU作为控制器，在各种路面条件下 进行防抱死制动控制实验，实验过程中由轮速传感器和压力传感器采集车轮 轮速和制动轮缸的压力信号，根据车轮的轮速和采样周期，利用差分法得到 车轮的角减速度，可对连续三个或以上车轮角减速度的关系大小进行对比， 根据车轮角减速度的正负关系变化，确定轮速曲线的峰值，根据两相邻的轮 速曲线峰值连线的斜率得到车身参考减速度，根据车身参考减速度和初始车 速计算汽车的车身参考车速，然后计算汽车各车轮的参考滑移率，得到由车 轮参考滑移率、车轮角减速度和轮缸制动压力组成的支持向量；利用上述支 持向量对控制器进行训练，得到控制器的回归参数"和6 ;构建具有三层结 构的最小二乘支持向量机(LS-SVM)控制器，该控制器的三层结构包括，输 入层、隐含层、输出层，所述输入层以汽车ABSECU计算的车轮参考滑移率^ 和车轮角减速度"'为输入信号，根据公式<formula>formula see original document page 7</formula>构建输入函数关系；隐 含层利用核函数调用公式<formula>formula see original document page 7</formula>对二维输入向量与支持向
量进行核运算；输出层调用公式<formula>formula see original document page 7</formula>计算车轮的期望制动
压力P 。以车轮角减速度和车轮参考滑移率为基于最小二乘支持向量机控制器 的输入信号，经过支持向量机的运算，在输出层得到车轮的期望制动压力P。 根据输出层输出的车轮的期望制动压力，采用脉宽调制方法控制电磁阀的通 断时间，进而控制汽车制动压力，从而将车轮的角减速度和参考滑移率控制 在合适的范围，实现安全制动。如图1所示为基于LS-SVM的汽车ABS控制器的训练示意图。首先用成熟 的汽车ABS ECU作为控制单元，在不同的路面条件下做道路实验，轮速传感 器以一定采样周期提取车轮速度信号，获取车轮速度w，并用压力传感器获取 制动轮缸的压力值/>。这样对于每个车轮都会得到一组二维向量("，p)，在根 据预定采样周期定期获取车轮速度的基础上，利用差分法计算得到车轮角减 速度w;控制器进行判断，若某时刻车轮的角减速度大于前一采样时刻和后一 采样时刻的角减速度，则判断该时刻的轮速为峰值轮速，由此得到轮速曲线 的峰值。计算相邻两轮速峰值连线的斜率得到车身参考减速度，以汽车开始 制动时的最大轮速作为车身的初始速度，并根据车身参考减速度和采样周期 计算车身参考速度，由车身参考车速和车轮速度计算得到车轮在每个采样点 的参考滑移率。将车轮角减速度、参考滑移率、制动轮缸的压力作为支持向 量送入LS-SVM控制器模型进行训练，得到回归参数a， b。
阁2所示为基于LS-SVM的ABS控制器模型结构图，控制器模型具有三层 网络结构，包括，输入层、隐含层、输出层。
1)输入层，以汽车ABS ECU计算得到的车轮参考滑移率^和车轮角减速 度W作为输入层的输入信号，根据公式^( ,)=(5, /)构建输入函数关系，构成 支持向量机的二维输入信号。
2)隐含层，对二维输入向量与支持向量进行核运算。隐含层利用核函数 调用公式^c，x,) = eXp(-|x-;c,f/cr2)对二维输入向量与支持向量进行核运算， 其中^(x,x,)是核函数，X是输入向量，A是支持向量中的第,个支持向量，由 第/个采样时刻的车轮参考滑移率和车轮角减速度确定，即<formula>formula see original document page 8</formula>a为核宽度，需经过多次实验确定。通过核运算，将数据映射到高维特征空间。 3)输出层
输出层调用公式<formula>formula see original document page 9</formula>在高维特征空间进行线性回归，
根据隐含层输出的核运算结果，控制器中的回归参数"和"获得制动轮缸的 期望制动压力P。其中g是支持向量的个数。
图3所示为基于LS-SVM的ABS控制器的控制过程示意图。
1、 汽车ABS的ECU的轮速传感器在线提取汽车制动过程中轮速信号，
通过信号条理滤波器后送入输入层进行车速估计，计算得到汽车车轮角速度
。轮速传感器的采样周期为Ar，根据两个相邻采样时刻采集的车轮角速度，
利用差分法计算车轮角加速度w 。假如在第m时刻采集汽车的车轮角速度^，
第《—/时刻采集汽车的车轮角速度^v,， ABS控制器中算法模块调用公式 < =^^±计算第"时刻的车轮角加速度< 。
2、 根据轮速峰值信号计算车身参考速度。不断对轮速进行对比，若某 采样时刻的轮速大于前一采样时刻的轮速和后一采样时刻的轮速，则确定该 时刻的轮速为峰值轮速。计算相邻两轮速峰值连线的斜率得到车身参考减速 度，若第/7—l和第/7时刻的轮速峰值分别为、^和V^， Az;是轮速峰值v^
距轮速峰值V^之间的时间，则第77和第时刻间汽车的参考减速度
<formula>formula see original document page 9</formula>,贝ij在下一采样周期的车身参考车速v^+「、+v'Ar 。
根据参考速度v、汽车车轮角减速度"，控制器算法模块调用滑移率公
式<formula>formula see original document page 9</formula>计算汽车4个车轮的参考滑移率。其中r是车轮半径。
将车轮角减速度和车轮参考滑移率作为基于LS-SVM控制器的输入，计算 车轮的期望控制压力(即制动轮缸的压力)。根据控制压力，采用脉宽调制控制汽车ABS控制器中电磁阀通断时间，使制动轮缸的压力达到期望压力值， 可通过对不同的系统进行相关实验，根据轮缸的压力与时间的函数关系，通 过控制电磁阀通断时间，确定制动轮缸的期望压力值。进而将车轮的角减速 度和参考滑移率控制在期望值附近的适当范围，实现完全制动。
本发明方法简单，计算迅速，只需利用各种路面下路试测量得到的车轮角 减速度、参考滑移率和制动压力作为支持向量，对控制器进行训练得到控制 器的各参数。在紧急制动的时候以每个车轮的轮减速度和参考滑移率作为每 个车轮控制器的输入，即可由控制器计算得到每个车轮期望的制动压力，根 据制动压力的大小，采用脉宽调制方法控制电磁阀的通断时间，进而控制制 动压力，实现安全制动。该方法克服了传统控制方法大多需要经验进行参数 匹配并且开发周期长的缺点，同时该方法在控制过程中不需要辨识路面信息， 避免了控制算法的误动作。
权利要求
1、 一种基于最小二乘支持向量机的汽车防抱死制动控制方法，其特征在 于，包括如下步骤(1) 传感器在线提取制动过程中汽车轮速信号和制动轮缸的压力信号， 作为支持向量对控制器进行训练得到控制器的回归参数"和6 ，利用差分法 获取车轮的角减速度"；(2) 根据两相邻的轮速曲线峰值连线的斜率得到车身参考减速度F ，并 由此获得车身参考车速；(3) 根据车身参考速度和车轮角减速度计算每个车轮的参考滑移率；(4) 将车轮角减速度和车轮参考滑移率作为输入，构建最小二乘支持向 量机LS-SVM控制器，计算每个车轮的期望制动压力；(5) 根据每个车轮的期望制动压力，采用脉宽调制的方法控制电磁阀的 通断时间，从而控制每个车轮的制动压力达到期望制动压力，实现完全制动。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据车轮角减速度的正负 关系变化，确定轮速曲线峰值；控制器算法模块调用公式^^x訓。/。计算汽车每个车轮的参考滑移率；若第/7—1和第/7时刻的轮速峰值分别为、^和、 ，两轮速峰值之间时间为A7;，则根据公式v'-^^计算第77和第时刻间汽车的参考减速度。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最小二乘支持向量机 LS-SVM控制器为三层模型结构，包括，输入层、隐含层、输出层，所述输入 层以车轮参考滑移率s和车轮角减速度"'为输入信号，构建x = ( ')的输入函 数关系；隐含层利用核函数尤(x，x, — exp(-llx-x,l2/一)对二维输入向量与支持向量进行核运算；输出层根据公式/^)=1>,1(^，^)+6 =尸构建车轮的期望制动
全文摘要
本发明请求保护一种基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)的汽车制动防抱死系统控制方法，涉及汽车电子控制技术领域，它利用4个车轮的轮速峰值估算车身减速度，根据车身减速度计算车身参考车速，然后计算得到车轮的参考滑移率；根据车轮的角速度计算车轮的角减速度。分别将每个车轮的角速度和参考滑移率作为输入构建最小二乘支持向量机控制器，计算每个车轮的期望制动压力，根据期望制动压力采用脉宽调制方法控制电磁阀通断时间，从而控制制动压力，实现安全制动。该方法适用于汽车制动防抱死系统(ABS)的控制。
文档编号G05B13/04GK101311047SQ200810069618
公开日2008年11月26日 申请日期2008年5月4日 优先权日2008年5月4日
发明者冯辉宗, 锐 李, 李银国, 平 王, 郑太雄, 郭文浩 申请人:重庆邮电大学