一种救援清障车姿态角估计方法技术

本发明专利技术公开了一种救援清障车姿态角估计方法，本方法根据救援清障车工作特点，对其进行动力学建模，并利用带可变遗忘因子的递归最小二乘方法获得救援清障车侧倾角与俯仰角等姿态角的估计值，这些估计值可用于救援清障车姿态监控及危险姿态预警，具有精度高、成本低、实时性好等显著优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，其目的在于根据救援清障车工作特点，对其对其进行动力学建模，并利用带可变遗忘因子的递归最小二乘方法获得救援清障车侧倾角与俯仰角等姿态角的估计值，这些估计值可用于救援清障车姿态监控及危险姿态预警，具有精度高、成本低、实时性好等显著优点，属于救援清障车安全预警领域。
技术介绍
据有关部门统计，近几年救援清障车倾翻的事故频发，往往存在着未能安全救起被救车辆，而救援清障车辆自身发生侧翻或倾翻事故，究其原因，除操作者违章作业、经验不足和管理不善等主观因素外，救援清障车尚无完善的姿态监控装置，无法为驾驶员提供准确的姿态信息是一大缺陷，如果能够针对救援清障车侧倾角与俯仰角等姿态信息进行实时估计和监控，当其处于危险姿态时给予驾驶员相应的信息，则能够避免大量的倾翻事故。一般车辆的姿态角包括侧倾角和横摆角、俯仰角，由于救援清障车的工作特点，即进行清障救援工作时，仅利用吊臂进行施救工作，而车身与地面处于相对静止状态，因此可能导致发生倾翻事故的姿态角仅包括侧倾角和俯仰角，而横摆角则无影响，(本专利即针对救援清障车的侧倾角和俯仰角这两个姿态角进行估计)，侧倾角过大易导致侧翻事故，俯仰角过大则易导致前后方向的倾翻事故，但目前对于救援清障车的侧倾角与俯仰角等姿态信息进行估计的相关技术尚未见研究。对于普通车辆而言，通常用来确定侧倾角和俯仰角等姿态角信息的方法是使用完整的六维惯性测量单元IMU (Inertial Measurement Unit),该IMU包括3个加速度计和3个角速度陀螺仪，车辆的姿态角信息可以通过六维IMU的捷联算法计算得出。然而，六维IMU价格昂贵，特别是三个陀螺仪的价格。理论上，如果车辆的初始状态已知且车辆的横摆角速度可获取，车辆的侧倾角和俯仰角可以通过数值积分方法计算。然而事实上，直接积分方法由于传感器误差和不可避免的数值运算误差，会导致较大的漂移，特别是在使用车载低成本MEMS (Micro-Electro-Mechanic System,微机电系统)传感器时。而对于救援清障车，其进行清障救援工作时，仅利用吊臂进行施救工作，而车身与地面处于相对静止状态，从而可以利用该工作特点对其动力学方程进行进一步合理简化，实时、准确的对于救援清障车的侧倾角与俯仰角等姿态角进行估计，对救援清障车进行姿态监控，但目前尚未见相关研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是填补现有技术的空白，提出，该方法精度高、成本低、实时性好，能够满足救援清障车姿态监控和危险姿态预警的需求，为救援清障车安全工作保驾护航。本专利技术采用的技术方案如下:，其特征在于:本专利技术根据救援清障车工作特点，对其进行动力学建模，进一步通过带可变遗忘因子的递归最小二乘(Recursive Least Squares, RLS)方法实现对救援清障车侧倾角与俯仰角等姿态角的实时、准确估计，且仅需两个低成本MEMS(Micro-Electro_Mechanic System,微机电系统)车载加速度传感器；具体步骤包括:I)建立救援清障车的动力学模型由于救援清障车进行清障救援工作时的特点，本专利所关注的是救援清障车的侧倾角与俯仰角这两个姿态角；忽略地球旋转速度，同时由于救援清障车进行清障救援工作时，仅利用吊臂工作，车身处于与地面相对静止状态，车辆的俯仰角速度、侧倾角速度与垂向速度为零，则可建立车辆动力学方程为:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种救援清障车姿态角估计方法，其特征在于：本专利技术根据救援清障车工作特点，对其进行动力学建模，进一步通过带可变遗忘因子的递归最小二乘（Recursive?Least?Squares,RLS）方法实现对救援清障车侧倾角与俯仰角等姿态角的实时、准确估计，且仅需两个低成本MEMS（Micro?Electro?Mechanic?System，微机电系统）车载加速度传感器；具体步骤包括：1）建立救援清障车的动力学模型由于救援清障车进行清障救援工作时的特点，本专利所关注的是救援清障车的侧倾角与俯仰角这两个姿态角；忽略地球旋转速度，同时由于救援清障车进行清障救援工作时，仅利用吊臂工作，车身处于与地面相对静止状态，车辆的俯仰角速度、侧倾角速度与垂向速度为零，则可建立车辆动力学方程为：v.x=axωzvy+gsinv.y=ay-ωzvx-gsinφcosθ---(1)式（1）中，vx,vy分别表示车辆的纵向和侧向速度，ax,ay分别表示车辆的纵向和侧向加速度，ωz表示车辆的横摆角速度，上述定义都是针对车体坐标系，g表示重力加速度，φ,θ分别表示车辆的侧倾角与俯仰角，上标志“·”表示微分，如表示对vX的微分；由（1）式可得θ=arcsin(vx.-ax-ωzvyg)φ=arcsin(ay-ωzvx-vy.gcosθ)---(2)结合救援清障车工作特点对式（2）进行分析，由于救援清障车进行清障救援工作时，仅利用吊臂工作，而车身处于与地面相对静止状态，即纵向车速、侧向速度与横摆角速度为0，同时，考虑到在救援清障车所工作的路面情况下，车辆的侧倾角与俯仰角通常是小角度，即有arcsin(·)≈·，则式（2）可简化为：θ=arcsin(-axg)≈-axgφ=arcsin(aygcosθ)≈aygcosθ---(3)2）所需车载传感器安装由式（3）可知，只需测得车辆纵向加速度与侧向加速度，即可对救援清障车的俯仰角和侧倾角等姿态角进行估计；因此，仅需要两个低成本MEMS（Micro?Electro?Mechanic? System，微机电系统）加速度传感器即可满足测量要求；两个低成本MEMS加速度传感器安装于车身（即除吊臂外救援清障车辆的其他部分）质心位置附近，一个与车体坐标系纵轴平行，用以测量纵向加速度，一个与车体坐标系横轴平行，用以测量成侧向加速度；3）基于递归最小二乘的救援清障车姿态角估计将式（3）表示为参数识别标准形式：y(k)＝φT(k)γ(k)（4）式（4）中，k表示离散时刻，表示待估参数矩阵，其中，与分别表示待估计的车辆俯仰角与侧倾角；表示系统输出矩阵，ax_m、ay_m分别表示利用低成本MEMS传感器所测得的纵向加速度、侧向加速度；表示输入回归矩阵，本专利技术中上角标T表示对矩阵转置；则利用带可变遗忘因子的递归最小二乘（Recursive?Least?Squares,RLS）算法实时估计车辆侧倾角与横摆角的估计步骤如下：（1）计算系统输出矩阵y(k)，并计算输入回归矩阵φT(k)；（2）计算增益矩阵K(k)；其中，方差矩阵参数λ为遗忘因子，能有效减少不再与模型相关的旧数据的影响，并防止协方差发散，通常取值范围在[0.9,1]，本专利技术在初期0?0.5秒的迭代期内取0.96，而0.5秒之后取为0.99，迭代周期取为0.01秒（即从k?1时刻到k时刻的时间间隔）；（3）计算待估参数矩阵γ(k)；γ(k)＝γ(k?1)+Κ(k)[y(k)?φT(k)γ(k?1)]其中I为2×2单位矩阵，至此，可实时估计出救援清障车侧倾角与俯仰角等姿态角。FDA0000440695440000012.jpg,FDA0000440695440000021.jpg,FDA0000440695440000022.jpg,FDA0000440695440000023.jpg,FDA0000440695440000024.jpg,FDA0000440695440000025.jpg,FDA0000440695440000026.jpg,FDA0000440695440000027.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种救援清障车姿态角估计方法，其特征在于:本发明根据救援清障车工作特点，对其进行动力学建模，进一步通过带可变遗忘因子的递归最小二乘(Recursive LeastSquares, RLS)方法实现对救援清障车侧倾角与俯仰角等姿态角的实时、准确估计，且仅需两个低成本MEMS (Micro-Electro-Mechanic System,微机...

【专利技术属性】
技术研发人员：李旭，宋翔，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：