基于鲁棒滤波的救援车整体重心平面位置估计方法技术

本发明专利技术公开了一种救援车整体重心平面位置的估计方法。本方法分别测得救援车自身重心与被救援车辆重心的平面位置，然后根据合力矩定理推导获得整体重心的平面位置，在此基础上利用鲁棒滤波算法推算出整体重心平面位置的精确估计值，该方法可用于救援车安全监控及危险工况预警，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】

本专利技术涉及一种起吊工况下救援车整体重心平面位置的估计方法，尤其涉及一种基于H∞鲁棒滤波的救援车整体重心平面位置的估计方法，其目的在于为救援车提供安全监控及危险姿态预警，属于救援车安全预警领域。
技术介绍
近年来，我国的救援车行业得到了高速发展。但是，根据有关部门的统计，救援车发生侧翻或倾翻的事故率也逐年增加，存在着很多未能安全救起被救车辆，而自身却发生事故的情况。究其原因，除了存在操作者违章作业、经验不足和管理不善等主观因素外，救援车的安全监控装置尚不完善，无法为驾驶员提供准确的状态信息和安全预警也是不可回避的客观因素。根据救援车的工作需求，救援车需通过吊臂对被救车辆进行起吊等作业。在操作过程中，由于受到被救车辆的影响，整体重心(救援车以及被救车辆的整体重心)会发生变化，甚至可能超出安全范围，进而导致救援车自身发生侧翻或倾翻。如果能够对正在进行起吊作业的救援车的整体重心位置进行实时估计和监控，并在其超出安全范围时给予驾驶员相应的警示信息，则能够避免大量的侧翻或倾翻事故。为此，本专利技术专利提出了一种基于H∞鲁棒滤波的救援车整体重心平面位置估计方法。H∞滤波是将鲁棒控制设计中引入的性能指标H∞范数应用于滤波，以解决系统中存在的各种不确定性问题，它将噪声看作是能量有限的随机信号，构建一个滤波器使得从干扰输入到估计误差输出的闭环传递函数的H∞范数最小或者小于给定的正数γ。因此，H∞对噪声的不确定性具有很强的鲁棒性。本方法适用于救援车起吊作业时的整体重心平面位置的动态估计，具有低成本、高精度、实时性好的优点，对防止救援过程中出现二次事故，具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于H∞鲁棒滤波的救援车整体重心平面位置估计方法，该方法适用于在路面水平、空旷的环境下进行起吊作业的救援车。该方法使用的传感器数量少，价格低廉，且可以在无法确切知道干扰信号的统计特性的情况下，动态估算出救援车整体重心的平面位置，具有精度高、成本低、实时性好、适用范围广的特点，可以为救援车提供整体重心的实时监控以及安全预警。本专利技术采用的技术方案如下：首先分别测得救援车自身重心与被救援车辆重心的平面位置，然后根据合力矩定理推导获得整体重心的平面位置，并在此基础上利用鲁棒滤波算法推算出整体重心平面位置的精确估计值。该方法可以用于无法确切知道干扰信号的统计特性的情况下，精确估计救援车整体重心的平面位置，且仅需一个角度传感器、一个拉力传感器、一个加速度传感器、一套长度传感器。具体步骤包括：1)建立坐标系本方法适用在路面水平、空旷的工作环境下，坐标系采用平面坐标系，以救援车转台轴心位置作为坐标系的原点O(0 0)，OX轴沿救援车纵轴指向车辆的前方，OY轴沿救援车横轴指向车辆的左侧。2)安装传感器角度传感器安装在吊臂转台上，传感器的轴心与转台转动轴心一致；加速度传感器安装在吊臂上，且安装方向与吊臂方向一致；拉力传感器安装在吊钩与吊臂连接处；长度传感器安装在吊臂上且与吊臂方向一致。3)获取救援车自身重心平面位置和被救车辆重心平面位置①救援车自身重心平面位置：救援车的重量及重心水平位置，可以通过救援车的产品手册或静态测量等方式获得，救援车的重量为G0，重心的平面位置为S0(x0 y0)。鉴于吊臂重量远小于救援车总重量，在此忽略救援车吊臂运动变化对救援车重心的影响。②被救车辆重心平面位置：吊臂的回转角α(吊臂的回转角范围：0≤α≤360°，α为吊臂与车体坐标系ox轴沿逆时针方向的夹角)，被吊起车辆重量G1通过吊臂顶端拉力传感器测量；由于被救车辆被吊起，根据悬挂法重心的平面位置与吊钩的平面位置相同；吊臂的长度L(Lmin≤L≤Lmax，Lmin为吊臂长度最小值、Lmax为长度最大值)由长度传感器直接测得；考虑到吊臂在起吊的过程中处于静止状态，吊臂的仰角β(β为吊臂与XOY平面的夹角，0≤β≤90°)可通过加速度传感器测得的重力沿吊臂方向的分量A解算出来，具体公式如下： β = sin - 1 ( A g ) - - - ( 1 ) ]]>式中，g表示重力加速度常量，sin-1表示正弦函数的反函数。综上，被吊起车辆重心在XOY平面的坐标S1(x1 y1)的具体计算公式如下： x 1 = c o s β × L × c o s α y 1 = cos β × L × sin α - - - ( 2 ) ]]>4)根据合力矩定理推导整体重心的平面位置救援车和被救车辆整体的重力即救援车重力和被救车辆重力的合力：G＝G0+G1，合力的作用线过整体重心的平面位置S(p q)。根据合力矩定理可推导计算出整体重心的平面位置S(p q)，具体计算公式如下： p = G 0 x 0 + G 1 x 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于鲁棒滤波的救援车整体重心平面位置估计方法，其特征在于：依据合力矩定理，用测得的救援车自身的重心平面位置和被救车辆的重心平面位置推导出整体重心的平面位置，通过鲁棒滤波算法得出更加精确的整体重心平面位置的估计值，且仅需一个角度传感器、一个拉力传感器、一个加速度传感器、一套长度传感器，具有低成本高精度的特点；具体步骤包括：(1)建立坐标系采用平面坐标系，以救援车转台轴心位置作为坐标系的原点O(0 0)，OX轴沿救援车纵轴指向车辆的前方，OY轴沿救援车横轴指向车辆的左侧；(2)安装传感器角度传感器安装在吊臂转台上，传感器的轴心与转台转动轴心一致；加速度传感器安装在吊臂上，且安装方向与吊臂方向一致；拉力传感器安装在吊钩与吊臂连接处；长度传感器安装在吊臂上且与吊臂方向一致；(3)获取救援车自身重心平面位置和被救车辆重心平面位置①救援车自身重心平面位置：救援车的重量及重心水平位置，通过救援车的产品手册或静态测量等方式获得，救援车的重量为G0，重心的平面位置为S0(x0 y0)；忽略救援车吊臂运动变化对救援车重心的影响；②被救车辆重心平面位置：吊臂的回转角α，被吊起车辆重量G1通过吊臂顶端拉力传感器测量；根据悬挂法重心的平面位置与吊钩的平面位置相同；吊臂的长度L(Lmin≤L≤Lmax，Lmin为吊臂长度最小值、Lmax为长度最大值)由长度传感器直接测得；吊臂的仰角β(β为吊臂与XOY平面的夹角，0≤β≤90°)通过加速度传感器测得的重力沿吊臂方向的分量A解算出来，具体公式如下：β=sin-1(Ag)---(1)]]>式中，g表示重力加速度常量，sin‑1表示正弦函数的反函数；综上，被吊起车辆重心在XOY平面的坐标S1(x1 y1)的具体计算公式如下：x1=cosβ×L×cosαy1=cosβ×L×sinα---(2)]]>(4)根据合力矩定理推导整体重心的平面位置救援车重力和被救车辆重力的合力：G＝G0+G1，合力的作用线过整体重心平面位置S(p q)，根据合力矩定理可推导计算出整体重心的平面位置S(p q)，具体计算公式如下：p=G0x0+G1x1G0+G1q=G0y0+G1y1G0+G1---(3)]]>(5)H∞鲁棒滤波①建立H∞滤波的状态方程和观测方程离散化后的H∞滤波状态方程的矩阵形式为：式中，k表示离散化时刻；X为系统状态向量，且Xk＝[pk qk]T，pk为平面坐标系下的整体重心OX方向的位置坐标，qk为平面坐标系下的整体重心OY方向的位置坐标，上角标T表示对矩阵转置；W表示系统噪声向量，且W＝[w1 w2]T，其中w1、w2分别表示两个系统噪声分量；状态转移矩阵为Γk‑1为系统噪声输入矩阵，取Γk‑1为离散化的H∞滤波观测方程的矩阵形式为：Zk＝Hk·Xk+Vk   (5)式中，Z为观测向量，H为观测阵，V表示观测噪声向量，V＝[np nq]，其中np是整体重心的平面位置X轴坐标的观测噪声，nq是整体重心的平面位置Y轴坐标的观测噪声；其中和分别为各个采样时刻初步推算得出的含有噪声的整体重心的平面位置的X轴坐标和Y轴坐标，根据式(3)有：pmk=G0x0+G1x1_mkG0+G1qmk=G0y0+G1y1_mkG0+G1---(6)]]>式中，分别表示各个采样时刻由式(2)初步推算出的被救车辆的重心平面位置的X轴坐标和Y轴坐标；②H∞滤波递推：对于式(4)和式(5)所描述的系统状态方程和观测方程，建立次优H∞滤波的递推过程，对于一定的正数γ，次优H∞滤波递推过程主要包括以下三个步骤：a)状态线性组合的估计Y^k-1=Lk-1X^k-1---(7)]]>式中，为Yk‑1的估计值，Yk‑1为系统的待估计的向量；为Xk‑1的估计值；Lk‑1为给定的状态量线性组合矩阵，取Lk‑1为b)时间修正状态一步预测：估计误差方差阵：其中，Pk的初始值P0可选为c)量测修正滤波增益矩阵：状态估计：通过上述递推计算，实时、精确地动态估计起吊工况下救援车整体重心的平面位置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于鲁棒滤波的救援车整体重心平面位置估计方法，其特征在于：依据合力矩定理，用测得的救援车自身的重心平面位置和被救车辆的重心平面位置推导出整体重心的平面位置，通过鲁棒滤波算法得出更加精确的整体重心平面位置的估计值，且仅需一个角度传感器、一个拉力传感器、一个加速度传感器、一套长度传感器，具有低成本高精度的特点；具体步骤包括：(1)建立坐标系采用平面坐标系，以救援车转台轴心位置作为坐标系的原点O(0 0)，OX轴沿救援车纵轴指向车辆的前方，OY轴沿救援车横轴指向车辆的左侧；(2)安装传感器角度传感器安装在吊臂转台上，传感器的轴心与转台转动轴心一致；加速度传感器安装在吊臂上，且安装方向与吊臂方向一致；拉力传感器安装在吊钩与吊臂连接处；长度传感器安装在吊臂上且与吊臂方向一致；(3)获取救援车自身重心平面位置和被救车辆重心平面位置①救援车自身重心平面位置：救援车的重量及重心水平位置，通过救援车的产品手册或静态测量等方式获得，救援车的重量为G0，重心的平面位置为S0(x0 y0)；忽略救援车吊臂运动变化对救援车重心的影响；②被救车辆重心平面位置：吊臂的回转角α，被吊起车辆重量G1通过吊臂顶端拉力传感器测量；根据悬挂法重心的平面位置与吊钩的平面位置相同；吊臂的长度L(Lmin≤L≤Lmax，Lmin为吊臂长度最小值、Lmax为长度最大值)由长度传感器直接测得；吊臂的仰角β(β为吊臂与XOY平面的夹角，0≤β≤90°)通过加速度传感器测得的重力沿吊臂方向的分量A解算出来，具体公式如下： β = sin - 1 ( A g ) - - - ( 1 ) ]]>式中，g表示重力加速度常量，sin-1表示正弦函数的反函数；综上，被吊起车辆重心在XOY平面的坐标S1(x1 y1)的具体计算公式如下： x 1 = c o s β × L × c o s α y 1 = cos β × L × sin α - - - ( 2 ) ]]>(4)根据合力矩定理推导整体重心的平面位置救援车重力和被救车辆重力的合力：G＝G0+G1，合力的作用线过整体重心平面位置S(p q)，根据合力矩定理可推导计算出整体重心的平面位置S(p q)，具体计算公式如下： p = G 0 x 0 + G 1 x 1 G 0 + G 1 q = G 0 y 0 + G 1 y 1 G 0 + G 1 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：周炜，张国胜，任春晓，唐歌腾，黄李原，
申请(专利权)人：交通运输部公路科学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11