一種適用于多維輪力傳感器的實時濾波方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及汽車測控技術領域，特別是涉及一種適用于多維輪力傳感器的實時濾 波方法。
【背景技術】
[0002] 汽車試驗技術是伴隨汽車工業(yè)的建立而逐漸成長起來的，廣泛應用于車輛研發(fā)、 性能檢測以及道路試驗等工程領域。汽車運動是地面與車輪的作用產(chǎn)生的，因此，汽車行駛 過程中車輪力的測試技術是汽車道路試驗系統(tǒng)中的關鍵技術。隨著對于汽車車型開發(fā)和質(zhì) 量評價的需要，輪力傳感器也從一維向多維發(fā)展。多維輪力傳感器可直接用于路譜的采集、 懸架特性、車輛底盤控制系統(tǒng)等的研究。由于車輪力信號具有不可預估、非線性和時變等特 點，因此對于其的數(shù)據(jù)處理難度較大。我國在這項領域比較薄弱，對多維輪力傳感器的數(shù)據(jù) 濾波，尤其是實時濾波方面的研究基本處于起步和探索階段。
[0003] 本發(fā)明專利所應用的對象為東南大學儀器科學與工程學院自主研發(fā)的多維輪 力傳感器(汽車車輪多維力測量裝置ZL200320110714. 5 ;汽車車輪多維力測量傳感器 ZL200320110713. 0)，該多維輪力傳感器能夠感知車輛行駛過程中地面對車輪的作用力，其 中的牽引力和正壓力為本發(fā)明專利所關注的信號量。牽引力反映了汽車動力系統(tǒng)對于車輪 的力的效果，可用于對發(fā)動機與制動器性能研究，正壓力則反映了路面對于車輪的影響，可 用于路譜采集等研究領域。為了保證多維輪力傳感器解算的牽引力和正壓力的精度，必須 對多維輪力傳感器的輸出信號進行濾波處理。
[0004] 常規(guī)的方法是在采集完多維輪力數(shù)據(jù)以后，使用小波分析的方法對于數(shù)據(jù)進行離 線濾波。很明顯該方法存在兩個問題，一是小波分析無法處理信號與噪聲頻段相同的問題； 二是離線濾波無法實時獲得的高精度車輪力數(shù)據(jù)。為了解決這兩個問題，卡爾曼濾波器被 引入到多維輪力傳感器的數(shù)據(jù)處理當中。但是想要使用卡爾曼濾波器，就必須得到多維輪 力傳感器的狀態(tài)方程和觀測方程，而由于車輪力的隨機性和不確定性，很難構(gòu)造出準確的 狀態(tài)方程。想要設計出適用于多維輪力傳感器的高精度實時濾波器，就必須攻克這一技術 瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要解決的技術問題是：針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種適用于多維輪力 傳感器的實時濾波方法，能夠適用于多維輪力傳感器在動態(tài)環(huán)境下的實時濾波，解決多維 輪力傳感器狀態(tài)方程構(gòu)造困難的問題，實現(xiàn)多維輪力傳感器的實時高精度濾波。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的一個技術方案是：提供一種適用于多維輪力 傳感器的實時濾波方法，包括以下步驟： (1〇〇)根據(jù)多維輪力傳感器的工作原理，建立車輪負載和多維輪力傳感器兩個通道的 輸出之間的數(shù)學關系表達式； (200)根據(jù)步驟（100)所建立的數(shù)學關系表達式，證實多維輪力傳感器兩個通道的輸出 在二維平面上符合勻速轉(zhuǎn)彎運動軌跡； (300)根據(jù)步驟（200)所證實的多維輪力傳感器兩個通道的輸出在二維平面上符合勻 速轉(zhuǎn)彎運動軌跡，設計出以勻速轉(zhuǎn)彎運動模型作為狀態(tài)方程的高斯正交積分點卡爾曼濾波 器； (400)采用步驟（300)所設計的高斯正交積分點卡爾曼濾波器對車輪負載進行實時濾 波。
[0007] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述多維輪力傳感器的兩個通道為X通道和Y通道， 步驟（100)建立的車輪負載和多維輪力傳感器兩個通道的輸出之間的數(shù)學關系表達式為：
(1) 式（1)中：F為車輪負載；為多維輪力傳感器X通道的輸出；為多維輪力傳感器 Y通道的輸出；a為當前時刻車輪負載和多維輪力傳感器Y通道的夾角。
[0008] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，當車輪滾動了一個角度0以后，多維輪力傳感器兩 個通道的輸出和車輪負載滿足如下數(shù)學關系式：
(2) 式（2)中：為車輪滾動了一個角度0以后，多維輪力傳感器X通道的輸出；為 車輪滾動了一個角度9以后，多維輪力傳感器Y通道的輸出。
[0009] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，由式（1)和式（2)可知，在任意時刻，多維輪力傳感 器兩個通道的輸出都滿足如下數(shù)學關系式：
(3) 式（3)中，為任意時刻，多維輪力傳感器X通道的輸出；為任意時刻，多維輪力傳 感器Y通道的輸出； 可見，在車輪滾動時，多維輪力傳感器兩個通道的輸出二維平面上符合勻速轉(zhuǎn)彎運動 軌跡。
[0010] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，步驟（200)具體為：根據(jù)步驟（100)所建立的數(shù)學關 系表達式，證實多維輪力傳感器兩個通道的輸出，在多維輪力傳感器坐標系下滿足平面圓 周運動的特征。
[0011] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，步驟（300)具體為：將勻速轉(zhuǎn)彎模型引入高斯正交 積分點卡爾曼濾波器，并作為高斯正交積分點卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程，并選用線性觀測 方程，將多維輪力傳感器的輸出作為高斯正交積分點卡爾曼濾波器的觀測量。
[0012] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，進一步的，將平面轉(zhuǎn)彎運動模型作為高斯正交積分 點卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程。
[0013] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述平面轉(zhuǎn)彎運動模型的數(shù)學表達式為：
所述平面轉(zhuǎn)彎運動模型的狀態(tài)方程FCT( ? )為：
式（4)中，
，wk為高斯白噪聲，式 (5)中，T為系統(tǒng)的采樣時間，co為車輪的轉(zhuǎn)彎角速度。
[0014] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述平面轉(zhuǎn)彎運動模型中的轉(zhuǎn)彎角速度由車輪的旋 轉(zhuǎn)角速度得到。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：通過多維輪力傳感器的輸出，利用高斯正交積分點卡爾曼 濾波器，實時地得到高精度的真實車輪負載值；能夠適用于多維輪力傳感器在動態(tài)環(huán)境下 的實時濾波，解決多維輪力傳感器狀態(tài)方程構(gòu)造困難的問題，實現(xiàn)多維輪力傳感器的實時 高精度濾波。該方法能夠應用于東南大學儀器科學與工程學院研發(fā)的多維輪力傳感器的數(shù) 據(jù)濾波，具有很強的實用性。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明一種適用于多維輪力傳感器的實時濾波方法一較佳實施例的結(jié)構(gòu) 框圖； 圖2是本發(fā)明所述的車輪負載與多維輪力傳感器輸出關系示意圖； 圖中：0-多維輪力傳感器坐標系原點，X-多維輪力傳感器X通道，Y-多維輪力傳感 器Y通道，F(xiàn)-車輪負載，a-當前時刻車輪負載和多維輪力傳感器Y通道的夾角，0-車輪 滾動角度。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能 更易于被本領域技術人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。
[0018] 請參閱圖1和圖2所示，本發(fā)明實施例包括： 一種適用于多維輪力傳感器的實時濾波方法，包括以下步驟： (1〇〇)根據(jù)多維輪力傳感器的工作原理，建立車輪負載(車輪所受的外力：牽引力和正 壓力的合力）和多維輪力傳感器兩個通道的輸出之間的數(shù)學關系表達式； 如圖2所示，定義多維輪力傳感器坐標系{0XY}，坐標系的原點0位于車輪的軸的中心， 當車輪沒有轉(zhuǎn)動時