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基于参考结构模型汽车动态监控系统算法
PATRIZIO TURCO1, PANDELI BORODANI1, and FREDERIK W.G. KLAARENBEEK2
- Centro Ricerche Fiat, Strada Torino 50; 10043 Orbassano (TO), Italy
- Delft University; Delft, The Netherlands
摘要：汽车控制深深依赖于汽车操作系统，汽车控制的最重要参数之一是道路摩擦系数，测试汽车控制系统的一个可行办法是参考模型方法，这个模型要求能够提供与估计参数互相比较的测试参数，比较结果的差异则用于确定真正的控制系统条件。本文提供了预测道路摩擦系数的两种不同的参考模型技术的应用，这些技术都是基于轮胎力和滑移的关系,并对车辆横向行为使用扩展卡尔曼滤波，实验数据从测试车辆确认优秀结果获得轮胎的摩擦估计滑坡推力的关系。为了获得可靠的主动车身控制数据，使用扩展卡尔曼滤波器估计横向行为显示准确的跟踪，然后整合所有的车辆的验证算法并在测试范围充足的操作条件证实它。
术语注释：
ax , ay 纵向和横向加速度(m / s2),
a 重心到前轴距离[m]
b 重心到后轴距离[m]
l 轴距(a b)[m]
t 磁道宽度[m]
hcg 距离重心辊中心[m]
A 轮胎力注释常数 [N]
Jy 惯性矩(kg.m2)
Jz z轴惯性矩(kg.m2)
m 质量(kg)
Mf , Mr 前后轴承重(kg)
C , C 横滚和俯仰阻尼(Nms / rad)
K , K 横滚和俯仰刚度(Nm / rad)
v 速度[m/s]
轮胎滑移角(rad),
车辆的滑移角(rad),
轮胎转向角(rad),
轮胎路面摩擦系数(-),
空气密度(公斤/立方米),偏航运动(rad),
辊运动(rad),
· 俯仰运动(rad),
G 重力加速度(m / s2),
S 轮滑[-]。
下标:
r 后方
f 面前
t 总
X 纵
Y 侧
1 前左
2 前右
3 后左
4 后右
- 介绍
操纵机动车辆依赖于轮胎对路面传导一定作用力，这就关联到大量可控和影响抓地力的轮胎控制参数,而轮胎道路的摩擦不可避免。如果司机或系统来控制汽车一个最优控制车辆的方案里必须考虑轮胎地面摩擦因素。本文提供了预测道路摩擦系数的两种不同的方法，第一种预测方法是基于受力-滑行与轮胎之间的联系，提出了当轨道滑行足够给出预测的情况。第二种方法是，通过扩展卡尔曼滤波器估算车辆过弯情况
图 1. 单轨模型.
通过滑动摩擦和世纪摩擦，再利用计算阈值和垂直力之间的比率加上从各种摩擦力水平获得的预判关系推导出摩擦系数。
利用扩展卡尔曼滤波器估计转弯时纵向滑行水平降低的摩擦系数，通过简化描述汽车的非线性横向动作状态,加上与从简化模型中的纵向荷载传递的信息相结合,滤波器再利用噪声信号的横向加速度和角速度提供一个准确的车辆运动摩擦系数值预测,第一个步骤推出进一步的发展和前景。
- 车辆的实时模型
为了拥有一个优秀的车辆运动表述带有5个自由度的简化模型一直在发展。模型包括两个部分:第一个是基于单轨车辆横向动力学的非线性描述(3自由度)和第二个横滚和俯仰的动态描述由于横向和纵向加速度(图1)。
横滚和俯仰运动状态通过下列二阶线性微分方程表述:
|
J |
# C |
˙ |
C |
K |
h .a |
y C |
g |
# /; |
||||||
|
# |
(1) |
|||||||||||||
|
x R |
# |
˙ |
# |
D |
CG |
|||||||||
|
R C |
C |
hG.ax |
minus; |
g |
/: |
|||||||||
|
Jy |
C C |
K D |
||||||||||||
转动惯量的值,横滚和俯仰刚度和阻尼识别对应车辆的动态响应这两个模式。
描述车辆外侧的行为范围内我们必须引入主要由于轮胎非线性特性。通过公式这个信息应该是准确的,能够给出描述(如不同的驾驶条件、垂直荷载、道路条件)和保证简化的较低的计算时间。
由以下指数rep-resentation提供一个达到预期目标的描述:
|
Fyf D Af .1 minus; eminus; f Bf /;Fyr D Ar .1 minus; eminus; r Br /: |
(2) |
图2 转向操纵恒定半径(R D 40米)。
假设为每个轴和垂直载荷成正比系数A代表产生的最大横向力轮胎,B系数是用来改变轮胎接触表面的斜率(斜率时,A B的轮胎滑动角都为零)。否则我们假设A与摩擦系数成比例而对于B我们假设有一阶关联。
这个简单的表述可以表示车辆运动分析,并也允许一个简单的识别,从侧偏角和转向不足特点获得在转向控制恒定半径。使用方程(2)我们可以表达车辆偏离角方法,如下所示:
|
D |
b |
C |
1 |
log |
1 minus; |
Mr |
ay ; |
(3) |
|
|
R |
Br |
Ar |
|||||||
确定Ar和Br的后桥,使用以下表达式,可以获得Af和Bf
|
f D |
l |
minus; |
1 |
log |
1 minus; |
Mf |
ay C |
1 |
log |
1 minus; |
Mr |
ay : |
(4) |
||||
|
R |
Bf |
Af |
Br |
Ar |
|||||||||||||
精度可以达到与简单的描述转向控一致，如图2所示。单线非线性模型是用系统的物理描述和实现轮胎描述[2]中给出。图3显示了方向盘恒定角速度的理论和实际实验的对比。
3.使用轮胎力关系估计摩擦系数
一个有趣的方法来估计在刹车或加速滑动每个轮子生成的摩擦系数。滑动和和力之间的关系，不能直接测量获得滑动情况和各种力，只能从测得的车辆动向状态估算。
利用ABS的每个轮子的速度信号和纠正偏航速度和前轮转向角,可以获得良好的估算。如果前轮驱动的车辆,纵向速度相当于平均自由滚动的后轮,我们假设这是汽车速度无滑移(V 0)。制动期间是不可能只使用车轮速度直接确定车辆速度。为此开发了一个简单的卡尔曼滤波器使用作为额外输入纵向加速度作为简单的模型修正。
|
V |
V3 C V4 |
; |
V 0 |
Vx˙ t=2 |
; |
V 0 |
V |
˙ |
t |
: |
(5) |
||||||||
|
x D |
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