一种轮毂电机驱动车辆纵向速度估算方法技术

本发明专利技术公开了一种轮毂电机驱动车辆纵向速度估算方法，使用扩展卡尔曼滤波算法，基于七自由度车辆动力学模型与魔术公式轮胎模型，利用轮毂电机驱动车辆纵向力准确已知的特点，分别对其每个车轮的滑移率进行了估计，并结合估计算法残差与运动学模型计算的速度优选出有效轮速，从而对车辆纵向速度进行计算。本发明专利技术所达到的有益效果是：1、根据轮毂电机驱动车辆的各车轮转矩转速易测量且精确度高的特点，设计状态估计器，估计出纵向速度和车轮滑移率；2、结合估计算法残差与运动学模型计算的速度进行有效轮速优选，可弥补单独采用EKF算法估算车辆滑移率进而得到纵向速度或运动学模型计算纵向速度的不足，提高了估计精度，且实时性满足要求。

【技术实现步骤摘要】
一种轮毂电机驱动车辆纵向速度估算方法
本专利技术涉及纵向速度估算
，具体为一种轮毂电机驱动车辆纵向速度估算方法。
技术介绍
车辆的控制需要实时且准确地了解车辆动力学系统状态，从而根据状态参数信息来做出当下时刻最优的控制决策。受当下传感器技术与成本的限制，车辆的某些状态信息如车速、质心侧偏角等无法直接测量，因此需要借助相关的观测器或状态估计算法，结合现有传感器测得的参数，实时且精确地对车辆控制所需某些重要状态量进行估计。传统车辆的纵向速度大都以从动轮作为参考轮速计算得出，而轮毂电机驱动车辆在四轮驱动的模式下没有从动轮，因此需要采用不同的估计算法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种轮毂电机驱动车辆纵向速度估算方法，使用扩展卡尔曼滤波算法，基于七自由度车辆动力学模型与魔术公式轮胎模型，利用轮毂电机驱动车辆纵向力信息准确已知的特点，分别对其每个车轮的滑移率进行了估计，并结合估计算法残差与运动学模型速度优选出有效轮速，从而对车辆纵向速度进行计算。为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种轮毂电机驱动车辆纵向速度估算方法，包括以下步骤：步骤1，输入车载传感器信息，通过动力学模型估计滑移率；输入数据为前轮转角、四个车轮的转矩和转速，经车轮动力学模型建立状态空间方程后，代入EKF算法进行迭代计算，从而得出滑移率估计值；然后将估计值与CarSim真实值相比较，从而评估算法的有效性与准确性；具体为：基于魔术轮胎公式，轮胎的纵向动力学用公式组4-12来表示：公式4-12：其中Ji为轮胎惯量，ωi为轮胎转速，λ为轮胎纵向滑移率；滑移率可用公式4-13表示，其微分形式如公式4-14所示：公式4-13：由公式4-13可得：将公式4-14代入公式4-14，得：公式4-16：将λ作为状态向量，T作为观测向量构建状态空间方程，则单个轮胎的滑移率估计状态方程如公式4-17所示：公式4-17：在整车联合估计中，状态空间方程扩展为4×1的矩阵，分别代表左前、右前、左后和右后的轮胎状态量；如公式4-18所示：公式4-18：将其展开为线性形式，即如公式4-19所示：公式4-19：其中，公式4-20公式4-21：在公式4-21中，公式4-22：将其离散化，得：公式4-23：xk＝φk/k-1xk-1其中，公式4-24：φk/k-1＝I+F(k-1)·ΔTΔT为采样时间、将其代入EKF算法，迭代公式如公式4-24所示公式4-25：以轮胎力矩作为观测量，滑移率为状态量，使用EKF算法迭代即在无需速度信息的前提下，对轮胎滑移率进行估计，估计精度很大程度上取决于轮胎建模的精度；步骤2：基于运动学模型的纵向速度估计；由于运动学模型速度大致等效于纵向加速度积分所得，因此该值变化较为平缓，不会出现估计速度跳变的现象，可弥补残差规则判定的不确定性；因此在通过基于动力学模型的EKF算法得到车辆滑移率后，根据滑移率计算得出四个车轮等效速度，将其与运动学模型速度进行比较，而后根据比较结果对车轮轮速有效性进行判断。车辆纵向运动微分方程为，公式2.1，公式2.1：vx——车辆纵向速度；vy——车辆横向速度；γ——车辆横摆角速度；其中，车辆横摆运动微分方程为，公式2.6：公式2.6其中m为整车质量，Iz为车辆悬挂部分绕z轴旋转的转动惯量；Fx_fl,Fx_fr,Fx_rl,Fx_rr——分别为车辆左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎纵向力；Fy_fl,Fy_fr,Fy_rl,Fy_rr—分别为车辆的左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎侧向力；Mz_fl,Mz_fr,Mz_rl,Mz_rr—分别为车辆的左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎回正力矩；a,b——车辆质心到前后轴之间的距离；tf,tr——前后轮距；δfl,δfr——分别为左前和右前车轮偏转角；由公式2.1与公式2.6基于EKF算法设计纵向速度观测器，选择状态量为x＝[vxγ]T，观测量为z＝[γ]，则纵向速度估计离散化后的状态空间方程为，公式4.27：计算雅克比矩阵得，公式4.28：H＝1其中dt为采样时间；噪声矩阵Q和R可根据实际情况赋值；以上，建立了基于EKF算法的运动学模型速度估计；步骤3：基于车轮滑移率的等效车速变换；根据估算出的车轮滑移率，结合轮速可计算出等效车身速度，将轮速计算速度转换至车辆质心处，其换算公式为，公式4.29：其中，R为车轮有效滚动半径，分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的有效轮速，在数值上等于ωijλij；步骤4：结合滑移率估计残差选择有效轮速，确定最终估计速度；结合滑移率估计残差判断结果进行比较，比较结果将会出现下列四种情况，四种情况及优选规则为：1.运动学模型速度与车轮等效速度相差较大，而根据滑移率估计残差判断此时车轮滑移率过大，非有效轮速；则此时应选择运动学模型作为重点参考依据；2.运动学模型速度与车轮等效速度相差较大，而根据滑移率估计残差判断此时车轮滑移率正常，为有效轮速；此时应选择轮速作为更重要的参考依据；3.运动学模型速度与车轮等效速度相差不大，而根据滑移率估计残差判断此时车轮滑移率过大，非有效轮速；此时应适当降低滑移率估计残差结果的置信度，并结合横摆角速度与侧向加速度推测此刻的工况，若车辆处于非线性工况则认为此时轮速与运动学模型速度皆不可信，应选择滑移率估计残差最低的轮速作为参考量来计算纵向速度；4.运动学模型速度与车轮等效速度相差不大，根据滑移率估计残差判断此时车轮滑移率正常，是有效轮速；则此时可以根据轮速与运动学模型估算出的纵向速度值确定最终估计结果。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：(1)根据轮毂电机驱动车辆的各车轮转矩转速易测量且精确度高的特点，设计状态估计器，从而能够在车辆纵向速度未知的前提下，估计出纵向速度和车轮滑移率；(2)EKF算法能够有效处理非线性函数，且实时性满足要求。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是本专利技术实施例中纵向速度估算方法架构图。图2为本专利技术实施例中高滑移率下的各车轮轮速示意图。图3为本专利技术实施例中各车轮滑移率估计残差值示意图。图4为本专利技术实施例中基于残差分析的轮速判定示意图。图5为本专利技术实施例中基于模型估计速度的轮速判断示意图。图6为本专利技术实施例中过滑移判定结果示意图。图7为本专利技术实施例中EKF滑移率估计算法架构图。具体实施方式...

【技术保护点】
1.一种轮毂电机驱动车辆纵向速度估算方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，输入车载传感器信息，通过动力学模型估计滑移率；/n输入数据为前轮转角、四个车轮的转矩和转速，经车轮动力学模型建立状态空间方程后，代入EKF算法进行迭代计算，从而得出滑移率估计值；然后将估计值与CarSim真实值相比较，从而评估算法的有效性与准确性；具体为：/n基于魔术轮胎公式，轮胎的纵向动力学用公式组4-12来表示：/n公式4-12：

【技术特征摘要】
1.一种轮毂电机驱动车辆纵向速度估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，输入车载传感器信息，通过动力学模型估计滑移率；
输入数据为前轮转角、四个车轮的转矩和转速，经车轮动力学模型建立状态空间方程后，代入EKF算法进行迭代计算，从而得出滑移率估计值；然后将估计值与CarSim真实值相比较，从而评估算法的有效性与准确性；具体为：
基于魔术轮胎公式，轮胎的纵向动力学用公式组4-12来表示：
公式4-12：
其中Ji为轮胎惯量，ωi为轮胎转速，λ为轮胎纵向滑移率；
滑移率可用公式4-13表示，其微分形式如公式4-14所示：
公式4-13：
公式4-14：
由公式4-13可得：
公式4-15：
将公式4-14代入公式4-14，得：
公式4-16：
将λ作为状态向量，T作为观测向量构建状态空间方程，则单个轮胎的滑移率估计状态方程如公式4-17所示：
公式4-17：
在整车联合估计中，状态空间方程扩展为4×1的矩阵，分别代表左前、右前、左后和右后的轮胎状态量；如公式4-18所示：
公式4-18：
将其展开为线性形式，即如公式4-19所示：
公式4-19：
其中，
公式4-20
公式4-21：
在公式4-21中，



公式4-22：
将其离散化，得：
公式4-23：xk＝φk/k-1xk-1
其中，
公式4-24：φk/k-1＝I+F(k-1)·ΔT
ΔT为采样时间、将其代入EKF算法，迭代公式如公式4-24所示
公式4-25：
以轮胎力矩作为观测量，滑移率为状态量，使用EKF算法迭代即在无需速度信息的前提下，对轮胎滑移率进行估计，估计精度很大程度上取决于轮胎建模的精度；
步骤2：基于运动学模型的纵向速度估计；
由于运动学模型速度大致等效于纵向加速度积分所得，因此该值变化较为平缓，不会出现估计速度跳变的现象，可弥补残差规则判定的不确定性；因此在通过基于动力学模型的EKF算法得到车辆滑移率后，根据滑移率计算得出四个车轮等效速度，将其与运动学模型速度进行比较，而后根据比较结果对车轮轮速有效性进行判断。
车辆纵向运动微分方程为，公式2.1，
公式2.1：
vx——车辆纵向速度；
vy——车辆横向速度；
γ——车辆横摆角速度；
其中，车辆横摆运动微分方程为，公式2.6：
公式2.6
其中m为整车质...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟达，杨超，马正，张宇航，倪俊，项昌乐，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆创新中心，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50