專(zhuān)利名稱(chēng)：用于汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)中對(duì)作為控制變量的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)取技術(shù)，特別是關(guān)于對(duì)影響汽車(chē)行駛穩(wěn)定性的兩個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)——質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的一種間接測(cè)取方法。
背景技術(shù)：
汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)在汽車(chē)處于極限行駛工況時(shí)，根據(jù)實(shí)際汽車(chē)的橫擺角速度及質(zhì)心側(cè)偏角與其期望值的偏差，通過(guò)調(diào)節(jié)各車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力以調(diào)節(jié)的汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，保持汽車(chē)在極限行駛工況的行駛穩(wěn)定性。它是改善汽車(chē)操縱穩(wěn)定性、提高汽車(chē)主動(dòng)安全性的重要措施。汽車(chē)動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要是指汽車(chē)的質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度，它們是汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵控制參數(shù)。目前汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角的直接測(cè)量成本是非常高的，因此在有的控制系統(tǒng)中，并不將側(cè)偏角作為控制變量。雖然橫擺角速度可以通過(guò)傳感器直接檢測(cè)但其測(cè)量成本也很高?；诖?，汽車(chē)動(dòng)力學(xué)主動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)在只有少數(shù)高級(jí)車(chē)輛采用，為使更多的用戶(hù)受益于此技術(shù)，可行的途徑是降低此系統(tǒng)的成本而不損失系統(tǒng)性能。去掉昂貴的直接測(cè)量質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的傳感器而代之以用較低成本即可直接測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別或估計(jì)是降低汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)成本的有效途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法，通過(guò)該參數(shù)識(shí)別方法可得到汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度，從而節(jié)省了傳統(tǒng)汽車(chē)上用于測(cè)量質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的傳感器，簡(jiǎn)化汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并使其成本明顯降低，為汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的普及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
本發(fā)明方法是在汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)中設(shè)置一輸入端與前、后四個(gè)車(chē)輪上的車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器相連接、輸出端與動(dòng)力學(xué)控制器相連接的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別模塊，該動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別模塊基于車(chē)體的固有參數(shù)車(chē)輪半徑、輪距、軸距、汽車(chē)質(zhì)心至前軸和汽車(chē)質(zhì)心至后軸的距離，根據(jù)各車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)輸入的瞬時(shí)車(chē)輪轉(zhuǎn)速，按下述函數(shù)式(1)和式(2)計(jì)算即可得到汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角β和橫擺角速度r值，再將計(jì)算獲得的汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角β和橫擺角速度r值輸入到動(dòng)力學(xué)控制器以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)控制，β=tan-1(BL·vfr2+vfl2-vbr2-vbl2-2(Lf2-Lr2)ψ·2vfr2-vfl2+vbr2-vbl2)---(1)]]>r=ψ·=sign(δ)-FB+FB2-4FAFC2FA---(2)]]>
其中vfr＝ωfrrw；vfl＝ωflrw；vbr＝ωbrrw；vbl＝ωblrwFA=L2(L2+B2)+(Lf2-Lr2)24L2]]>FB=4L(vfr2+vfl2+vbr2+vbl2)+2(Lf-Lr)(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2)16L+(Lf2-Lr2)(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2)4L2]]>FC=-116L2(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2-2(Lf2-Lf2))2-116B2(vfr2-vfl2+vbr2-vbl2)2]]>式中B為汽車(chē)輪距；L為汽車(chē)軸距；Lf為汽車(chē)質(zhì)心至前軸的距離；Lr為汽車(chē)質(zhì)心至汽車(chē)后軸的距離；ωfr、ωfl、ωbr、ωbl分別為前右，前左，后右，后左車(chē)輪的轉(zhuǎn)速；相應(yīng)的vfr、vfl、vbr、vbl分別為前右，前左，后右，后左車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度；rw為車(chē)輪滾動(dòng)半徑。
本發(fā)明方法是在無(wú)質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)控制。大大降低了汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的成本并使系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，使汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)在汽車(chē)上的普及應(yīng)用成為可能。


圖1是汽車(chē)運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的幾何關(guān)系示意圖；圖2是本發(fā)明汽車(chē)動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法的系統(tǒng)組成示意圖；圖3是本發(fā)明汽車(chē)動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法的程序流程框圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
汽車(chē)各車(chē)輪速度是很容易檢測(cè)得到的，由于ABS系統(tǒng)的普及，現(xiàn)代汽車(chē)均裝有四個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器，本發(fā)明利用汽車(chē)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系推導(dǎo)出汽車(chē)橫擺角速度及質(zhì)心側(cè)偏角與四個(gè)車(chē)輪速度之間的關(guān)系并用顯函數(shù)表達(dá)出來(lái)。在實(shí)際應(yīng)用中則是通過(guò)汽車(chē)四個(gè)車(chē)輪上的轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速乘以車(chē)輪半徑即得到車(chē)輪旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度，由四個(gè)車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度根據(jù)下述函數(shù)式(1)及式(2)可以計(jì)算得到汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角β及橫擺角速度r。將計(jì)算得到的質(zhì)心側(cè)偏角β及橫擺角速度r代替靠傳感器直接檢測(cè)得到的側(cè)偏角與橫擺角速度作為反饋輸入汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制器，即可在無(wú)質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)控制。
β=tan-1(BL·vfr2+vfl2-vbr2-vbl2-2(Lf2-Lr2)ψ·2vfr2-vfl2+vbr2-vbl2-)---(1)]]>r=ψ·=sign(δ)-FB+FB2-4FAFC2FA---(2)]]>其中
vfr＝ωfrrw；vfl＝ωflrw；vbr＝ωbrrw；vbl＝ωblrwFA=L2(L2+B2)+(Lf2-Lr2)24L2]]>FB=4L(vfr2+vfl2+vbr2+vbl2)+2(Lf-Lr)(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2)16L+(Lf2-Lr2)(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2)4L2]]>FC=-116L2(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2-2(Lf2-Lf2))2-116B2(vfr2-vfl2+vbr2-vbl2)2]]>式中β為汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角，r為橫擺角速度，B為汽車(chē)輪距；L為汽車(chē)軸距；Lf為汽車(chē)質(zhì)心至前軸的距離；Lr為汽車(chē)質(zhì)心至汽車(chē)后軸的距離；ωfr、ωfl、ωbr、ωbl分別為前右，前左，后右，后左車(chē)輪的轉(zhuǎn)速；相應(yīng)的vfr、vfl、vbr、vbl分別為前右，前左，后右，后左車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度；rw為車(chē)輪滾動(dòng)半徑。
上述函數(shù)式(1)及式(2)通過(guò)以下公式推導(dǎo)獲得汽車(chē)運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的幾何關(guān)系如圖1所示，設(shè)汽車(chē)轉(zhuǎn)向瞬心為P點(diǎn)，質(zhì)心為C點(diǎn)，H，W，F(xiàn)，E分別為各車(chē)輪的輪心。過(guò)P點(diǎn)做汽車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)線(xiàn)的垂線(xiàn)并交縱向?qū)ΨQ(chēng)線(xiàn)于垂足O點(diǎn)，交EF線(xiàn)于D點(diǎn)，交HW線(xiàn)于Q點(diǎn)。β＝∠CPO即汽車(chē)行駛時(shí)的質(zhì)心側(cè)偏角，v是點(diǎn)C的速度，K是C點(diǎn)軌跡的曲率。[x，y，ψ]T是代表車(chē)輛位置與方向的狀態(tài)向量，x，y為車(chē)輛質(zhì)心在地面坐標(biāo)系中的絕對(duì)坐標(biāo)，ψ代表行駛方向也就是汽車(chē)的橫擺角(汽車(chē)對(duì)稱(chēng)線(xiàn)與X軸夾角)。汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可由下式表示x·=vcos(ψ+β)y·=vsin(ψ+β)ψ·=Kv---(3)]]>車(chē)輪速度方向和P點(diǎn)與輪心連線(xiàn)相互垂直。那么可以根據(jù)汽車(chē)質(zhì)心速度與輪心速度的關(guān)系列出四個(gè)方程。
利用P，Q，W構(gòu)成三角形可得(sinβK+Lf)2+(cosβK-B2)2=(1K-qfl)2---(4)]]>上式乘以K2并整理得14(4Lf2+B2)K2+1-KBcosβ+2KLfsinβ=(1-qflK)2---(5)]]>同理利用ΔPQH ΔPDF ΔPDE可得14(4Lr2+B2)K2+1-KBcosβ-2KLrsinβ=(1-qblK)2---(6)]]>
14(4Lr2+B2)K2+1+KBcosβ-2KLrsinβ=(1+qbrK)2---(7)]]>14(4Lf2+B2)K2+1+KBcosβ+2KLfsinβ=(1+qfrK)2---(8)]]>不難看出，汽車(chē)質(zhì)心速度v滿(mǎn)足下式v=vfl1-qflK=vfr1+qfrK=vbl1-qblK=vbr1+qbrK---(9)]]>將式(9)分別代入(5)～(8)并整理可得以下幾式vfr2+vfl2+vbr2+vbl2=(2Lf2+2Lr2+B2)ψ·2+4v2+2(Lf-Lr)ψ·vsinβ---(10)]]>vfr2+vfl2-vbr2-vbl2=(2Lf2-2Lr2)ψ·2+4Lψ·vsinβ---(11)]]>vfr2-vfl2+vbr2-vbl2=4Bψ·vcosβ---(12)]]>汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)， 不為零，聯(lián)立式(11)、(12)可解出β。
一旦β已知，可由式(1)、(12)得到ψ·2v2=116L2(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2-2(Lf2-Lf2)ψ·2)2+116B2(vfr2-vfl2+vbr2-vbl2)2---(13)]]>由式(11)得ψ·vsinβ=vfr2+vfl2-vbr2-vbl2-(2Lf2-2Lr2)ψ·24L---(14)]]>代入式(1(10)得(L2+B2)ψ·2+4V2=vfr2+vfl2+vbr2+vbl2+2(Lf-Lr)(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2)4L]]>整理可得v2=4L(vfr2+vfl2+vbr2+vbl2)+2(Lf-Lr)(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2)16L-(L2+B2)4ψ·2]]>=Δ+L2+B24ψ·2---(15)]]>Δ=4L(vfr2+vfl2+vbr2+vbl2)+2(Lf-Lr)(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2)16L]]>代入式(13)得
L2(L2+B2)+(Lf2-Lr2)24L2ψ·4+(Δ+(Lf2-Lr2)(Λ)4L2)ψ·2]]>-116L2(Λ-2(Lf2-Lf2))2-116T2(Γ)2=0]]>Λ=vfr2+vfl2-vbr2-vbl2,Γ=vfr2-vfl2+vbr2-vbl2]]>解式(16)即得式(2)。這樣便得到利用車(chē)輪轉(zhuǎn)速表示汽車(chē)質(zhì)心處橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角的計(jì)算公式。
參照?qǐng)D2、圖3，本發(fā)明應(yīng)用于汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法，是在汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)中設(shè)置一輸入端與前、后四個(gè)車(chē)輪4上的車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器1、3、5、7相連接、輸出端與動(dòng)力學(xué)控制器6相連接的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別模塊2，該動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別模塊2基于車(chē)體的固有參數(shù)車(chē)輪半徑、輪距、軸距、汽車(chē)質(zhì)心至前軸和汽車(chē)質(zhì)心至后軸的距離，根據(jù)各車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)輸入的瞬時(shí)車(chē)輪轉(zhuǎn)速，按上述函數(shù)式(1)和式(2)計(jì)算即可得到汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角β和橫擺角速度r值，再將計(jì)算獲得的汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角β和橫擺角速度r值輸入到動(dòng)力學(xué)控制器6。動(dòng)力學(xué)控制器6根據(jù)輸入的質(zhì)心側(cè)偏角及橫擺角速度調(diào)節(jié)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。該汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)省去了昂貴的質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度傳感器，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化且成本大大降低。
權(quán)利要求
1.一種用于汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法，其特征在于，是在汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)中設(shè)置一輸入端與前、后四個(gè)車(chē)輪上的車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器相連接、輸出端與動(dòng)力學(xué)控制器相連接的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別模塊，該動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別模塊基于車(chē)體的固有參數(shù)車(chē)輪半徑、輪距、軸距、汽車(chē)質(zhì)心至前軸和汽車(chē)質(zhì)心至后軸的距離，根據(jù)各車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)輸入的瞬時(shí)車(chē)輪轉(zhuǎn)速，按下述函數(shù)式(1)和式(2)計(jì)算即可得到汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角β和橫擺角速度r值，再將計(jì)算獲得的汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角β和橫擺角速度r值輸入到動(dòng)力學(xué)控制器以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)控制，β=tan-1(BLvfr2+vfl2-vbr2-vbl2-2(Lf2-Lr2)ψ·2vfr2-vfl2+vbr2-vbl2)---(1)]]>r=ψ·=sign(δ)-FB+FB2-4FAFC2FA---(2)]]>其中vfr＝ωfrrw；vfl＝ωflrw；vbr＝ωbrrw；vbl＝ωblrwFA=L2(L2+B2)+(Lf2-Lr2)24L2]]>FB=4L(vfr2+vfl2+vbr2+vbl2)+2(Lf-Lr)(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2)16L+(Lf2-Lr2)(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2)4L2]]>FC=116L2(vfr2+vfl2-vbr2-vbl2-2(Lf2-Lf2))2-116B2(vfr2-vfl2+vbr2-vbl2)2]]>式中B為汽車(chē)輪距；L為汽車(chē)軸距；Lf為汽車(chē)質(zhì)心至前軸的距離；Lr為汽車(chē)質(zhì)心至汽車(chē)后軸的距離；ωfr、ωfl、ωbr、ωbl分別為前右，前左，后右，后左車(chē)輪的轉(zhuǎn)速；相應(yīng)的vfr、vfl、vbr、vbl分別為前右，前左，后右，后左車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度；rw為車(chē)輪滾動(dòng)半徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法，是在汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)中設(shè)置一輸入端與前、后四個(gè)車(chē)輪上的車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器相連接、輸出端與動(dòng)力學(xué)控制器相連接的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別模塊，該動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別模塊基于車(chē)體的固有參數(shù)車(chē)輪半徑、輪距、軸距、汽車(chē)質(zhì)心至前軸和汽車(chē)質(zhì)心至后軸的距離，根據(jù)各車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)輸入的瞬時(shí)車(chē)輪轉(zhuǎn)速，計(jì)算即可得到汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角β和橫擺角速度r值，再將計(jì)算獲得的汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角β和橫擺角速度r值輸入到動(dòng)力學(xué)控制器以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)控制。從而節(jié)省了傳統(tǒng)汽車(chē)上用于測(cè)量質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度的傳感器，簡(jiǎn)化汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并使其成本明顯降低。
文檔編號(hào)G01M17/00GK1865893SQ200610016959
公開(kāi)日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月20日
發(fā)明者靳立強(qiáng), 王慶年, 宋傳學(xué), 彭彥宏, 安曉娟 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)