基于UKF与修正Dugoff轮胎模型路面峰值附着系数估算方法
【专利摘要】本发明公开一种基于UKF与修正Dugoff轮胎模型路面峰值附着系数估算方法，通过：实时采集车辆的各种传感器信号，利用车辆纵向动力学方程和模型的几何坐标关系对各轮滑移率和侧偏角估计；然后将估计的滑移率、垂向力、侧偏角等传给基于修正Dugoff模型的UKF系数计算模块，得到非线性系统的系数向量，将此向量与实时估计的纵向力发送到UKF路面峰值附着系数估计模块，求取峰值附着系数。本方法应用车辆状态观测系统实时采集信号，保证了计算的实时性，对于没有拟合过的路面情况估计准确度高。应用修正Dugoff轮胎模型和UKF理论，使得求解过程简单，运算量小、快捷，收敛时间短。本方法鲁棒性良好，能够较好的识别各轮的路面情况，适用于路面峰值附着系数的实时估计。
【专利说明】基于UKF与修正Dugoff轮胎模型路面峰值附着系数估算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种分布式驱动电动汽车的路面峰值附着系数估算方法，特别是关于一种基于UKF与修正Dugoff轮胎模型的路面峰值附着系数估算方法。
【背景技术】
[0002]路面峰值附着系数:是指轮胎与地面间作用的纵向力、侧向力的合力与垂向力之比的最大值。目前国内外对于路面峰值附着系数实时估算方法已经进行了大量研究。这些方法可以分为基于原因的方法和基于效果的方法两类。前者利用超声波传感器等来检测路面状况来估算路面附着系数，该类方法需要外加昂贵的传感器，并且对于环境的依赖程度较高。后者方法则是直接利用车辆与轮胎的动力学特性来估计路面附着系数，例如用μ-S曲线斜率(附着系数与滑移率曲线)估算路面附着系数的方法、利用侧向力或回正力矩与轮胎侧偏角的关系估计的方法。该类方法虽然不用加装额外的传感器，但各方法使用的工况有局限性，不能实现纵、侧向力耦合存在的路面峰值附着系数实时估算，且多数方法仅能实现转向轮或者驱动轮的路面峰值附着系数估计。
[0003]从观测器的角度分析，大部分学者采用基本卡尔曼滤波算法或者扩展卡尔曼算法来解决小滑移率条件下(线性轮胎特性区域)的路面峰值附着系数实时估算，这两种滤波器不适于应用于强非线性区下的路面峰值附着系数实时估算。而无迹卡尔曼滤波(UKF)算法由于使用无迹(UT)变换来处理均值和协方差的非线性传递，对非线性函数的概率密度分布进行近似，用一系列确定样本来逼近状态的后验概率密度，不需要求导计算Jacobian矩阵。UKF没有线性化忽略高阶项，因此它特别适用于强非线性区下的路面峰值附着系数实时估算。
[0004]从轮胎模型的角度分析，相关研究为保证求解的实时性，应用较为简单的轮胎模型，如Dugoff轮胎模型、多项式轮胎模型，但这些模型在强非线性区的精度较低。而在2014年美国汽车工程学会年会上发表的修正Dugoff轮胎模型能够在保持较简单的形式的前提下，较大的提高了在强非线性区的精度。
[0005]分布式电驱动车辆区别于传统内燃机驱动的车辆，其四个车轮由四个轮毂电机直接驱动，具有响应快速、传动链短等优点。电机的驱动转矩精确可知，这样就可以实时准确估计出轮胎的纵向力。
【发明内容】
[0006]针对现有的路面峰值附着系数算法只适用工况单一的问题，本发明目的是提供一种基于UKF与修正DugofT轮胎模型路面峰值附着系数估算方法，用以实时准确的估计各种工况下的路面情况。
[0007]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种基于UKF与修正Dugoff轮胎模型路面峰值附着系数估算方法，适用于分布式驱动电动汽车每个车轮的路面峰值附着系数估算，该方法包括以下步骤:
[0008]I)建立一种车辆路面峰值附着系数估算系统，包括用以获得参数的:一设置在车辆驱动系统上的驱动力矩传感器、一设置在转向柱管处的方向盘转角传感器、一设置在车轮处的轮速传感器、一设置在整车质心处的车速传感器和惯性传感器，以及包括用以计算处理的:一车轮滑移率计算模块、一基于纵向动力学的轮胎力估计模块、一侧偏角计算模块、一基于修正Dugoff模型的UKF系数计算模块和一 UKF路面峰值附着系数估计模块；
[0009]2)估算过程为:在车辆运行过程中，整车控制器取某两个相邻的采样时刻k-Ι和k，分别从驱动力矩传感器接收车辆的驱动力矩信号Ti (k)，从轮速传感器接收实时的轮速信号《i(k-l)和COiGO,从车速传感器接收实时的纵向车速信号vx(k)以及侧向车速信号Vy (k)，从惯性传感器接收实时的纵向加速度信号ax(k)和侧向加速度信号ay(k)以及横摆角速度信号#(々)*发送到基于纵向动力学的轮胎力估计模块、侧偏角计算模块和车轮滑移率计算模块；
[0010]3)基于纵向动力学的轮胎力估计模块根据实时采集到的驱动力矩信号TiGO、轮速信号《i(k-l)和《i(k)，纵向加速度信号ax(k)和侧向加速度信号ay(k)，计算出各车轮的纵向力Fxi (k)、垂向力Fzi (k)，将垂向力Fzi (k)发送到基于修正Dugoff模型的UKF系数计算模块；将纵向力Fxi (k)发送到UKF路面峰值附着系数估计模块；
[0011]4)车轮侧偏角计算模块根据接收到的实时方向盘转角信号Osw(k)、纵向车速信号Vx (k)、侧向车速信号Vy (k)和横摆角速度信号#U.)，计算各车轮的侧偏角ai(k)，并将结果发送给车轮滑移率计算模块和基于修正DugofT模型的UKF系数计算模块；
[0012]5)车轮滑移率计算模块根据接收到的实时纵向车速信号vx(k)、侧向车速信号Vy(k)和横摆角速度信号v>(衫、各车轮的侧偏角CIiGO和轮速信号OiGO计算车轮的滑移率Si (k)，并将结果发送给基于修正DugofT模型的UKF系数计算模块；
[0013]6)基于修正Dugoff模型的UKF系数计算模块根据侧偏角计算模块、滑移率计算模块和基于纵向动力学的轮胎力估计模块发送过来的侧偏角a Jk)、滑移率Si(k)、车轮的垂向力Fzi (k)，利用修正Dugoff模型算法计算得到建立UKF滤波器所需的非线性系统的系数an (k)、a2i (k)、a3i (k)、a4i (k)、a5i (k)，并将结果发送给UKF路面峰值附着系数估计模块；
[0014]以上，i = 1、2、3、4，代表4个车轮。
[0015]7)UKF路面峰值附着系数估计模块根据接收到的实时纵向力Fxi(k)和系数au{k% O2lIk) Oti (L) q, (k) q (?结合UKF观测方法得到各轮的路面峰值附着系数
aAiBXi β
[0016]所述步骤3)中，车轮纵向力Fxi(k)、垂向力FziGO的计算方法为:
[0017]①基于纵向动力学的轮胎力估计模块根据前、后两个相邻采样时刻k-Ι和k实时采集到的轮速信号《i(k-1)和COiGO，首先计算得到在采样时刻k时的车轮角加速度?,(?) ?
[0018]
【权利要求】
1.一种基于UKF与修正DugofT轮胎模型路面峰值附着系数估算方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)建立一种车辆路面峰值附着系数估算系统，包括用以获得参数的:驱动力矩传感器、方向盘转角传感器、轮速传感器、车速传感器和惯性传感器，以及用以计算处理的:车轮滑移率计算模块、基于纵向动力学的轮胎力估计模块、侧偏角计算模块、基于修正Dugoff模型的UKF系数计算模块和UKF路面峰值附着系数估计模块； 2)估算过程为:整车控制器取某两个相邻采样时刻k-Ι和k，获得驱动力矩信号Ti(k)，轮速信号《4-1)和Wi(k)，纵向车速信号vx(k)，侧向车速信号vy(k)，纵向加速度信号ax (k)，侧向加速度信号ay (k)以及横摆角速度信号; 3)基于纵向动力学的轮胎力估计模块根据实时采集到的驱动力矩信号TiGO、轮速信号ωΑ-1)和《^!^，纵向加速度信号^㈨和侧向加速度信号ay(k)，计算出各车轮的纵向力Fxi (k)、垂向力Fzi (k)，将垂向力Fzi (k)发送到基于修正Dugoff模型的UKF系数计算模块，将纵向力Fxi(k)发送到UKF路面峰值附着系数估计模块； 4)车轮侧偏角计算模块根据接收到的实时方向盘转角信号《sw(k)、纵向车速信号Vx(k)、侧向车速信号Vy(k)和横摆角速度信号ν>α.)，计算各车轮的侧偏角ai(k)，并将结果发送给车轮滑移率计算模块和基于修正DugofT模型的UKF系数计算模块； 5)车轮滑移率计算模块根据接收到的实时纵向车速信号Vx(k)、侧向车速信号Vy(k)、横摆角速度信号列/0、各车轮的侧偏角％00、轮速信号0^(10，计算车轮的滑移率4(10，并将结果发送给基于修正DugofT模型的UKF系数计算模块； 6)基于修正Dugoff模型的UKF系数计算模块根据侧偏角计算模块、滑移率计算模块和基于纵向动力学的轮胎力估计模块发送过来的侧偏角a i (k)、滑移率Si (k)、车轮的垂向力Fzi (k)，利用修正Dugoff模型算法计算得到建立UKF滤波器所需的非线性系统的系数an (k)、a2i (k)、a3i (k)、a4i (k)、a5i (k)，并将结果发送给UKF路面峰值附着系数估计模块； 7)UKF路面峰值附着系数估计模块根据接收到的实时纵向力Fxi(k)和系数an(k)、%(*) a_(k4 q,(k) ? (i，结合UKF观测方法得到各轮的路面峰值附着系数戍w、;； 以上，i = 1、2、3、4，代表4个车轮。
2.根据权利要求1所述的路面峰值附着系数估算方法，其特征在于，所述步骤3)中，计算车轮纵向力Fxi (k)、垂向力Fzi (k)的方法为: ①基于纵向动力学的轮胎力估计模块根据前、后两个相邻采样时刻k-Ι和k实时采集到的轮速信号ωΑ-1)和ω ,.(k),首先计算得到在采样时刻k时的车轮角加谏度办(A);
3.根据权利要求1所述的路面峰值附着系数估算方法，其特征在于，所述步骤4)中，计算各车轮的侧偏角adk)的方法为: ①首先车轮侧偏角计算模块根据采样时刻k实时采集到的实时方向盘转角信号?sw(k)，经转向传动比换算得到前面两转向轮的转角Q1GO和02(k); ②再根据实时纵向车速信号Vx(k)、侧向车速信号Vy(k)、横摆角速度信号ν>(Α)计算各车轮的侧偏角CtiQO:
4.根据权利要求1所述的路面峰值附着系数估算方法，其特征在于，所述步骤5)中，计算车轮的滑移率SiGO的方法为:
5.根据权利要求1所述的路面峰值附着系数估算方法，其特征在于，所述步骤6)中，基于修正DugofT模型的UKF系数计算模块，利用修正DugofT模型算法计算UKF非线性系统系数的方法如下:
6.根据权利要求1所述的路面峰值附着系数估算方法，其特征在于，所述步骤7)中，UKF路面峰值附着系数估计模块利用UKF观测方法得到各轮的路面峰值附着系数//_,的步骤如下: ①根据修正DugofT轮胎模型，各轮胎的纵向力可表示为其所在路面峰值附着系数μ maxi和该车轮状态的函数，如下所示:
7.根据权利要求1~6之一所述的路面峰值附着系数估算方法，其特征在于，所述估算过程可以选取车辆4个车轮中的任意一个进行。
【文档编号】G06F19/00GK104021310SQ201410282738
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】李克强, 陈龙, 边明远, 罗禹贡, 张书玮, 秦兆博, 向勇, 连小珉, 王建强, 杨殿阁, 郑四发 申请人:清华大学