【技术实现步骤摘要】
一种基于集装箱货车信号采集装置的参数估计方法
[0001]本专利技术属于集装箱货车主动安全控制领域，具体涉及一种基于集装箱货车信号采集装置的参数估计方法。
技术介绍
[0002]近年来，驾驶员的安全性和车辆的稳定性越来越受到研究人员的重视，因此准确获取车辆在行驶过程中的参数尤为重要，集装箱货车惯性参数是集装箱货车控制算法中的重要参数。集装箱货车在载货之后，质量和质心距前轴的位置和质心高度都将产生变化。这将间接影响集装箱货车轮胎的纵向力、侧向力、侧倾稳定性和操作稳定性。因此要实现主动安全系统有效可靠的控制，就需要实时准确获取货车行驶过程中的货车惯性参数信息。
[0003]然而，传统的测量的质心位置都需要在实验台上进行，但对于大型集装箱货车因外廓尺寸和重量等问题很难实现质心位置的计算。尤其在集装箱货车载货之后质心位置更加难以通过实验台进行计算。同时基于实际集装箱货车工程应用视角，如何基于现有集装箱货车加速度计传感器、轮速传感器和CAN总线信息，在线估计集装箱货车载货之后的质心距前轴位置和质心高度是集装箱货车工程应用中的难题。
[0004]目前的集装箱货车惯性参数估计研究中，大部分研究主要集中在对货车载货之后对货车的质量和道路坡度进行估计，而对于货车装载货物在运行过程中的货物加载致使集装箱货车的惯性参数改变的研究还很少。由于货物的加载会使得集装箱货车质心距后轴的位置、质心高度也产生改变，将直接影响集装箱货车底盘系统的操作特性、稳定性和控制性能。因此实时获取对集装箱载货行驶时的质心距后轴的位置和质心高度信息就...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于集装箱货车信号采集装置的参数估计方法，其特征在于：所述集装箱货车信号采集装置包括：CAN总线采集装置、CAN总线、微控制器、加速度计传感器和轮速传感器；所述微控制器与所述CAN总线采集装置通过有线方式连接；所述的CAN总线采集装置与所述的CAN总线通过有线方式连接；所述的CAN总线与所述的加速度计传感器和轮速传感器通过有线方式连接所述的加速度计传感器装在集装箱货车的质心纵轴处，并进行标定；所述轮速传感器装载至各车轮上，并进行标定；所述的加速度计传感器用于采集集装箱货车的纵向加速度，将集装箱货车的纵向加速度通过所述的CAN总线采集装置传输至所述的微处理器；所述的轮速传感器用于采集集装箱货车的各个车轮的转速，将集装箱货车的各个车轮的转速通过所述的CAN总线采集装置传输至所述的微处理器；所述的集装箱货车CAN总线用于采集集装箱货车的发动机扭矩、发动机转速、变速器传动比、纵向车速，并通过所述CAN总线采集装置传输至所述微处理器所述参数估计方法，包括以下步骤：步骤1：构建集装箱货车纵向动力学模型，将原始集装箱货车纵向动力学模型进一步化简得到集装箱货车纵向动力学模型，进一步构建集装箱货车质量估计模型、道路坡度估计模型，结合不同遗忘因子的双递归最小二乘法的算法分别对集装箱货车质量估计模型进行集装箱货车质量估计得到估计后集装箱货车质量、对道路坡度估计模型进行道路坡度估计得到估计后道路坡度得到估计后道路坡度；步骤2：构建集装箱货车车轮动力学模型，结合集装箱货车处于低滑移率情况下集装箱货车前后轴车轮纵向力和集装箱货车前后轴车轮垂向力的模型，得到集装箱货车前后轴车轮垂向力估计模型；步骤3：基于步骤2所获得基于集装箱货车前后轴车轮垂向力的车轮动力学观测器模型，结合容积卡尔曼滤波算法对集装箱货车前后轴车轮的垂向力进行估计，根据容积卡尔曼滤波估计出的集装箱货车前后轴车轮的垂向力代入集装箱货车前后轴车轮的纵向力方程式中，最终得到集装箱货车前后轴车轮的垂向力和纵向力；步骤4：根据步骤3中所述的集装箱货车前后轴车轮的垂向力和纵向力，根据力矩平衡方程实现质心高度和质心到前轴的位置解耦，得到集装箱货车质心到前轴的位置估计模型，将集装箱货车质心到前轴的位置估计模型结合基于遗忘因子的递归最小二乘法对集装箱货车质心到前轴位置估计，得到集装箱货车质心到前轴位置，并结合集装箱货车后轴车轮垂向力方程式，得到集装箱货车质心高度值。2.根据权利要求1所述的一种基于集装箱货车信号采集装置的参数估计方法，其特征在于，步骤1所述集装箱货车纵向动力学模型为：
考虑到公路路线设计规范，道路坡度一般较小，则假设cos(β)＝1，sin(β)＝tan(β)＝β；进一步集装箱货车纵向动力学模型可以简化为：式中：F
acc
为集装箱货车的惯性力，F
t
为集装箱货车的驱动力，F
air
为集装箱货车的空气阻力，F
f
为集装箱货车的滚动阻力，F
grade
为集装箱货车的坡度阻力，δ为旋转质量换算系数，m为集装箱货车的质量，为集装箱货车的纵向加速度，通过加装于集装箱货车上面的加速度计进行采集，T
tq
为集装箱货车的发动机扭矩，通过货车CAN总线进行采集i
g
为集装箱货车变速器传动比，通过货车CAN总线进行采集；i0为集装箱货车的最终传动系统传动比，η为集装箱货车传动系统效率，r
e
为集装箱货车车轮有效滚动半径，C
d
为空气阻力系统，A为集装箱货车迎风面积，ρ为空气密度，v
x
为集装箱货车的纵向速度，通过货车CAN总线进行采集，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，β为道路坡度值，I
w
为集装箱货车车轮的转动惯量，I
f
为集装箱货车飞轮的转动惯量；步骤1所述的质量估计模型为上式中：其中y1是纵向加速度是通过加装加速度计进行采集的、重力加速度g、滚动阻力系数
和道路坡度值β的测量函数，为系数矩阵，θ1为待估计的集装箱货车质量值的倒数；步骤1所述的道路坡度估计模型为：上式中：其中y2是驱动力、空气阻力、坡度阻力和惯性力的测量函数，为系数矩阵，θ1为待估计道路坡度值；根据步骤1所述的不同遗忘因子的双递归最小二乘法的集装箱货车质量和道路坡度估计器的具体包括以下步骤：初始化：需要初始化的值分别为：质量估计值道路坡度估计值质量估计值协方差矩阵P1(0)、道路坡度估计值协方差矩阵P2(0)、质量估计值的遗忘因子λ1和道路坡度估计值的遗忘因子λ2；将道路坡度初值传入集装箱货车质量的遗忘因子的递归最小二乘法的算法中计算集装箱货车质量的增益K1更新误差协方差矩阵P1(k)更新状态值更新状态值将集装箱货车质量的估计值传入道路坡度的遗忘因子的递归最小二乘法的算法中计算集装箱货车质量的增益K2更新误差协方差矩阵P2(k)更新状态值更新状态值循环迭代，满足要求，停止迭代。3.根据权利要求1所述的一种基于集装箱货车信号采集装置的参数估计方法，其特征在于，所述的步骤2所述的集装箱货车前后轴车轮动力学模型为：集装箱货车通常采用前置后驱，通过后轴车轮提供驱动力矩，当集装箱货车行驶时，集装箱货车车轮前后轴动力学方程分别为：
上式中J1为集装箱货车前轴车轮的转动惯量，为集装箱货车前轴车轮的角加速度，T
f
为集装箱货车前轴车轮的驱动力矩，r
e
为集装箱货车车轮有效滚动半径，f为集装箱货车前轴车轮的滚动阻力系数，F
zf
为集装箱货车前轴车轮的垂向力，F
xf
为集装箱货车前轴车轮的纵向力，J2为集装箱货车后轴车轮的转动惯量，为集装箱货车后轴车轮的角加速度，T
r
为集装箱货车后轴车轮的驱动力矩，F
zr
为集装箱货车后轴车轮的垂向力，F
xr
为集装箱货车后轴车轮的纵向力。根据集装箱货车车轮受力分析可知上式中：F
xf
为集装箱货车前轮轮胎纵向力，F
xr
为集装箱货车后轮轮胎纵向力，f为轮胎滚动阻力系数，F
zf
为集装箱货车前轮的轮胎垂向力，F
zr
为集装箱小货车后轮的轮胎垂向力，T
tq
为集装箱货车的发动机扭矩，通过货车CAN总线进行采集i
g
为集装箱货车变速器传动比，通过货车CAN总线进行采集；i0为集装箱货车的最终传动系统传动比，η为集装箱货车传动系统效率，r
e
为集装箱货车车轮有效滚动半径；所述步骤2中的集装箱货车在低滑移率下集装箱货车前后轴车轮垂向力和集装箱货车前后轴车轮纵向力模型为：当集装箱货车在稳定加速过程中，车轮处于低滑移率下，因此集装箱货车前后轴车轮垂向力和纵向力的关系式如下式所示:垂向力和纵向力的关系式如下式所示:k
f
和k
r
分别为集装箱货车前轴车轮的滑移斜率和后轴车轮的滑移斜率；s
f
和s
r
分别为集装箱货车前轴车轮的滑移率和后轴车轮的滑移斜率；F
zf
和F
zr
分别为集装箱货车前轴车轮的垂向力和后轴车轮的垂向力；其中前后轴车轮的纵向滑移率如下式所示：s
f
＝(r
e
w
f
‑
v
x
)/max(r
e
w
f
,v
x
)s
r
＝(r
e
w
r
‑
v
x
)/max(r
e
w
r
,v
x
)式中s
f
为集装箱货车前轴车轮的滑移率，s
r
为集装箱货车后轴车轮的滑移率，w
f
为集装箱货车前轴车轮的角速度，通过轮速传感器进行采集，w
r
为集装箱货车后轴车轮的角速度，通过轮速传感器进行采集，r
e
为集装箱货车车轮的有效滚动半径，通过轮速传感器进行采集，v
x
为集装箱货车的纵向速度，通过CAN总线进行采集；通过集装箱货车前后轴车轮垂向力和纵向力方程式，假设k
f
≈k
r
，因此可得到如下方程式：
结合方程式：基于上面两个方程式得到如下方程式：基于上面两个方程式得到如下方程式：F
xf
为集装箱货车前轮轮胎纵向力，F
xr
为集装箱货车后轮轮胎纵向力，F
zf
为集装箱货车前轮的轮胎垂向力，F
zr
为集装箱小货车后轮的轮胎垂向力，s
f
为集装箱货车前轴车轮的滑移率，s
r
为集装箱货车后轴车轮的滑移率，f为轮胎滚动阻力系数，T
tq
为集装箱货车的发动机扭矩，通过CAN总线进行采集i
g
为集装箱货车变速器传动比，通过CAN总线进行采集；i0为集装箱货车的最终传动系统传动比，η为集装箱货车传动系统效率，r
e
为集装箱货车车轮有效滚动半径，步骤2所述的集装箱货车前后轴车轮垂向力估计模型为：通过集装箱货车前后轴车轮动力学方程式与低滑移率下货车前后轴车轮垂向力和货车前后轴车轮纵向力方程式，可得到关于基于货车前后轴车轮垂向力的车轮动力学方程式：式：上式中J1为集装箱货车前轴车轮的转动惯量，为集装箱货车前轴车轮的角加速度，T
f
为集装箱货车前轴车轮的驱动力矩，r
e
为集装箱货车车轮有效滚动半径，f为集装箱货车前轴车轮的滚动阻力系数，F
zf
为集装箱货车前轴车轮的垂向力，T
tq
为集装箱货车的发动机扭矩，通过货车CAN总线进行采集i
g
为集装箱货车变速器传动比，通过货车CAN总线进行采集；i0为集装箱货车的最终传动系统传动比，η为集装箱货车传动系统效率，J2为集装箱货车后轴车轮的转动惯量，为集装箱货车后轴车轮的角加速度，T
r
为集装箱货车后轴车轮的驱动力矩，F
zr
为集装箱货车后轴车轮的垂向力；建立基于集装箱货车前后轴车轮垂向力的车轮动力学的容积卡尔曼滤波观测器的状态方程和观测方程如下式所示：上述状态观测系统中，x(k)为集装箱货车车轮动力学观测系统的状态变量，u(k)是集
装箱货车车轮动力学观测系统的输入变量，y(k)是集装箱货车车轮动力学观测系统的量测变量，Q
m
(k)为系统的过程噪声，是均值为零的高斯白噪声，W
m
(k)为观测系统的量测噪声，是均值为零的高斯白噪声；定义系统的状态变量：x(t)＝(w
f
,w
r
,F
zf
,F
zr
)其中w
f
为集装箱货车前轴车轮角速度，w
r
为集装箱货车前轴车轮角速度，F
zf
为集装箱货车前轴车轮的垂向力，F
zr
为集装箱货车后轴车轮的垂向力；系统的观测变量：y(t)＝(w
f
,...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺宜，高林，吴青，王一泓，徐丰，王颂，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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