本發(fā)明屬于車輛系統(tǒng)關(guān)鍵信息感知領(lǐng)域，具體涉及一種考慮輸入和輸出時(shí)滯的車輛質(zhì)心側(cè)偏角軟測量方法。

背景技術(shù)：

1、質(zhì)心側(cè)偏角是車輛主動(dòng)安全控制所需的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)之一，其直接測量常需借助昂貴的專用傳感器，且安裝條件較為苛刻。相比較而言，基于動(dòng)力學(xué)模型的軟測量方法更為實(shí)用。此類方法一般考慮車輛在不同路面、車速和轉(zhuǎn)向狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性，并利用前輪轉(zhuǎn)向角、側(cè)向加速度、橫擺角速度以及縱向車速等信息進(jìn)行迭代計(jì)算，具有低成本、易移植等顯著優(yōu)勢。

2、目前，基于動(dòng)力學(xué)模型的質(zhì)心側(cè)偏角軟測量方法主要依賴經(jīng)典的觀測器技術(shù)提升其整體性能，其中的重點(diǎn)是利用滑模觀測器或未知輸入觀測器實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎力的觀測。需要注意的是，實(shí)際車輛系統(tǒng)中存在較多無法避免的時(shí)滯，例如方向盤轉(zhuǎn)角的輸入以及側(cè)向加速度和橫擺角速度的輸出等過程中均存在時(shí)滯?，F(xiàn)有的動(dòng)力學(xué)模型常忽略這些時(shí)滯，這種簡化操作會(huì)給質(zhì)心側(cè)偏角軟測量方法帶來較大的建模誤差。另一方面，方向盤轉(zhuǎn)角的輸入過程中也會(huì)引入擾動(dòng)。這些擾動(dòng)信號(hào)可能破壞系統(tǒng)的平衡，使系統(tǒng)偏離原本的穩(wěn)定狀態(tài)。顯然，對(duì)于時(shí)滯和擾動(dòng)同時(shí)作用下的實(shí)際車輛系統(tǒng)，現(xiàn)有的基于動(dòng)力學(xué)模型的質(zhì)心側(cè)偏角軟測量方法并不能在精度和魯棒性方面提供有效的保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，提出一種考慮時(shí)滯的車輛質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)方法，考慮車輛系統(tǒng)中的控制輸入信號(hào)和量測輸出信號(hào)中的時(shí)滯，通過對(duì)輸入、輸出時(shí)滯的補(bǔ)償提高車輛質(zhì)心側(cè)偏角的軟測量精度。并利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(extended?stateobserver,eso)估計(jì)控制輸入信號(hào)中的擾動(dòng)并進(jìn)行補(bǔ)償，可以有效增強(qiáng)車輛系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)的魯棒性。

2、技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供一種考慮時(shí)滯的車輛質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)方法，該方法包括以下步驟：

4、步驟1.建立車輛系統(tǒng)的連續(xù)時(shí)間模型；

5、步驟2.考慮時(shí)滯，對(duì)步驟1建立的車輛系統(tǒng)的連續(xù)時(shí)間模型進(jìn)行離散化；

6、步驟3.使用artstein狀態(tài)變換的方法，通過引入一個(gè)輔助狀態(tài)變量zk，將有時(shí)滯的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為等效的無時(shí)滯系統(tǒng)；

7、步驟4.量測方程的確定及進(jìn)行輸出時(shí)滯的補(bǔ)償；

8、步驟5.設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，將系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)和擾動(dòng)觀測相結(jié)合，通過實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)及其擾動(dòng)并進(jìn)行反饋，獲得輸入時(shí)滯和輸出時(shí)滯影響下的系統(tǒng)狀態(tài)及擾動(dòng)項(xiàng)；

9、步驟6.將步驟5獲得的擾動(dòng)項(xiàng)估計(jì)結(jié)果反饋至控制輸入端，構(gòu)造擾動(dòng)反饋策略，以消除擾動(dòng)的影響；再利用步驟5的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器進(jìn)行迭代，獲得系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果，根據(jù)實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果計(jì)算車輛質(zhì)心側(cè)偏角。

10、作為優(yōu)先，步驟1的具體方法如下：

11、首先考慮車輛的側(cè)向和橫擺運(yùn)動(dòng)，確定前驅(qū)車輛的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程如下：

12、

13、其中，m為車輛的質(zhì)量，ay為車輛的側(cè)向加速度，fyf、fyr分別表示前、后軸的輪胎側(cè)向合力，fxf為前軸的輪胎縱向合力，δf為車輛前輪轉(zhuǎn)角，iz為車輛繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，r為車輛的橫擺角速度，為r的導(dǎo)數(shù)，a、b分別為車輛質(zhì)心到前、后軸的距離；

14、進(jìn)一步，考慮平緩的工況，前、后軸的輪胎側(cè)向合力根據(jù)如下的線性輪胎模型得到：

15、

16、其中，cyf、cyr分別為前、后軸總的輪胎側(cè)偏剛度，αf為前輪側(cè)偏角，αr為后輪側(cè)偏角，vy為車輛質(zhì)心處的側(cè)向速度，vx為車輛質(zhì)心處的縱向速度；

17、當(dāng)前輪轉(zhuǎn)向角δf小于5°時(shí)，有sinδf≈0、cosδf≈1，且車輛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)滿足此時(shí)，考慮側(cè)向和橫擺運(yùn)動(dòng)中由前輪轉(zhuǎn)向角δf引入的擾動(dòng)，即方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)中的擾動(dòng)，車輛系統(tǒng)的連續(xù)時(shí)間模型表示為：

18、

19、其中，狀態(tài)向量x＝[vy?r]t，上標(biāo)t表示轉(zhuǎn)置操作，控制輸入量u＝δf，μ為側(cè)向和橫擺運(yùn)動(dòng)中由前輪轉(zhuǎn)向角δf引入的擾動(dòng)，狀態(tài)矩陣控制矩陣

20、作為優(yōu)先，步驟2的具體方法如下：

21、令采樣周期為ts，輸入時(shí)滯為則車輛系統(tǒng)的連續(xù)時(shí)間模型離散化為：

22、

23、其中，下標(biāo)k表示第k個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)，離散的狀態(tài)矩陣離散的控制矩陣xk+1表示k+1時(shí)刻的狀態(tài)向量，xk表示k時(shí)刻的狀態(tài)向量，表示時(shí)刻的控制量，μk表示k時(shí)刻的擾動(dòng)量，τ表示積分變量；

24、假設(shè)側(cè)向和橫擺運(yùn)動(dòng)中的擾動(dòng)類型已知但幅值未知，有如下關(guān)系式：

25、μk+1＝awμk(17)

26、其中，μk+1為k+1時(shí)刻的擾動(dòng)量，aw為描述外部擾動(dòng)動(dòng)態(tài)行為的擾動(dòng)類型系數(shù)。

27、此外，系統(tǒng)的輸入時(shí)滯應(yīng)限定為時(shí)變、有界，其邊界為：

28、

29、其中，上、下界是已知的。

30、作為優(yōu)先，步驟3的具體方法如下：

31、使用artstein狀態(tài)變換的方法，通過引入一個(gè)輔助狀態(tài)變量zk，將有時(shí)滯的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為等效的無時(shí)滯系統(tǒng)，具體的狀態(tài)變換為：

32、

33、其中，是針對(duì)輸入時(shí)滯的補(bǔ)償項(xiàng)，反映歷史輸入對(duì)輸出的延遲影響；

34、在此基礎(chǔ)上，得到等效的無時(shí)滯車輛系統(tǒng)模型：

35、

36、其中，等效的控制矩陣輸入時(shí)滯持續(xù)時(shí)間hd,k為控制輸入增量，wd,k為擾動(dòng)信號(hào)，δd,k為描述系統(tǒng)的不確定性或外部擾動(dòng)的時(shí)變不確定算子，且滿足|δd,k|≤1，zk+1為k+1時(shí)刻的輔助狀態(tài)變量，uk-1為k-1時(shí)刻的控制量。

37、作為優(yōu)先，步驟4的具體方法如下：

38、選擇側(cè)向加速度和橫擺角速度作為量測信號(hào)，相應(yīng)的量測方程表示為：

39、y＝cx+du+dμ???(21)

40、其中，量測輸出向量y＝[aym?rm]t，下標(biāo)m表示量測值，c為狀態(tài)量對(duì)輸出的作用矩陣，d為控制量對(duì)輸出的作用矩陣，

41、輸出時(shí)滯是指系統(tǒng)輸出信號(hào)的量測值相對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)狀態(tài)的滯后，輸出時(shí)滯的存在也會(huì)影響車輛系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，假設(shè)量測信號(hào)存在時(shí)變、有界的輸出時(shí)滯邊界為且上、下界是已知的，則式(33)所示的量測方程離散化為：

42、

43、其中，yk為k時(shí)刻的量測向量，ys,k為k時(shí)刻的中間變量ys，離散的狀態(tài)量對(duì)輸出的作用矩陣離散的控制量對(duì)輸出的作用矩陣cs、ds為描述中間變量ys與狀態(tài)變量、控制輸入之間關(guān)系的矩陣；

44、同時(shí)考慮輸入時(shí)滯和輸出時(shí)滯，確定輸出預(yù)測

45、

46、其中，是針對(duì)輸出時(shí)滯的修正項(xiàng)，以補(bǔ)償輸出時(shí)滯引起的當(dāng)前量測值的偏移，為與輸入時(shí)滯下界有關(guān)的項(xiàng)，為與輸入時(shí)滯上界有關(guān)的項(xiàng)。

47、作為優(yōu)先，步驟5的具體方法如下：

48、首先設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，將狀態(tài)向量擴(kuò)展為增廣狀態(tài)向量包含對(duì)原系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)以及擾動(dòng)估計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的狀態(tài)估計(jì)方程表示為：

49、

50、其中，g為ad的增廣矩陣，h為cd的增廣矩陣，h＝[cd?0]；γ為f的增廣矩陣，γ＝[ft?0]t；l為觀測器的增益矩陣，其取值應(yīng)使得g-lh滿足離散系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)；

51、利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，能夠準(zhǔn)確估計(jì)輸入時(shí)滯和輸出時(shí)滯影響下的系統(tǒng)狀態(tài)及擾動(dòng)項(xiàng)。

52、作為優(yōu)先，步驟6的具體方法如下：

53、首先將擴(kuò)張狀態(tài)觀測器輸出的擾動(dòng)項(xiàng)估計(jì)結(jié)果反饋至控制輸入端，構(gòu)造擾動(dòng)反饋策略，以消除擾動(dòng)的影響；

54、再利用步驟5的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器進(jìn)行迭代，獲得系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果；

55、進(jìn)一步，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果中的側(cè)向車速的估計(jì)值和輪速傳感器輸出的縱向車速vx，確定車輛的質(zhì)心側(cè)偏角

56、本發(fā)明的有益效果為：

57、(1)時(shí)變、有界是時(shí)滯問題處理時(shí)較為有效的設(shè)定操作。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明對(duì)多個(gè)時(shí)滯項(xiàng)分別進(jìn)行相應(yīng)的建模和補(bǔ)償。對(duì)車輛系統(tǒng)中的輸入和輸出時(shí)滯進(jìn)行合理補(bǔ)償，確定考慮時(shí)滯的車輛系統(tǒng)離散模型，提高車輛質(zhì)心側(cè)偏角的軟測量精度；、

58、(2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(extended?state?observer,eso)是一種不依賴于模型的觀測器，能夠估計(jì)由模型不準(zhǔn)確、內(nèi)部耦合及外部干擾導(dǎo)致的擾動(dòng)，在工程實(shí)踐中表現(xiàn)出色。因此，本發(fā)明利用eso估計(jì)輸入信號(hào)中的擾動(dòng)項(xiàng)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的擾動(dòng)反饋策略，以消除擾動(dòng)的影響，有效增強(qiáng)車輛系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)的魯棒性。

59、(3)本發(fā)明無需昂貴的專用傳感器，可以實(shí)現(xiàn)車輛質(zhì)心側(cè)偏角的低成本獲取。