一種基于無跡卡爾曼濾波的車輛參數在線估計方法
【專利摘要】本發明公開了一種在車輛行駛過程中，利用無跡卡爾曼濾波技術進行整車質量、重心位置等車輛參數的在線估計方法，其硬件部分主要包括車輛縱向速度和加速度、車輪角速度和角加速度、車輛垂向加速度等車載傳感器，以及微控制器等；軟件部分主要為進行整車質量和重心位置估計的無跡卡爾曼濾波算法。該方法可針對重型貨車、輕量化汽車等車輛的載荷變化對整車質量與重心位置影響較大的特點，通過對車輛動力學狀態進行采集，并建立無跡卡爾曼濾波器，實現對整車質量、重心位置等車輛參數的在線估計。
【專利說明】一種基于無跡卡爾曼濾波的車輛參數在線估計方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種在車輛行駛過程中，利用無跡卡爾曼濾波技術進行整車質量、重 心位置等車輛參數的在線估計方法，屬于車輛輔助駕駛領域。

【背景技術】
[0002] 對于重型貨車、輕量化汽車而言，其載重量的變化會對整車質量產生顯著的影響， 同時也會導致車輛重心位置發生明顯變動。然而，現有的防抱死制動控制、車身電子穩定控 制等車輛主動安全系統，一般通過靜態測量方式預先獲取車輛在靜止狀態時的整車質量和 重心位置，并假定這兩類參數在車輛行駛過程中近似恒定，以建立線性的車輛動力學模型， 實現控制系統設計。可見，一旦整車質量和重心位置在行駛過程中發生變化，例如重型貨車 的載荷變化必將導致其質量和重心位置發生變化，就會造成車輛動力學模型的不準確，從 而導致控制系統失效。因此，為使重型貨車、輕量化汽車等車輛的主動安全控制系統工作正 常，必須在車輛行駛過程中準確、及時地掌握整車質量和重心位置的變化，以修正控制系統 中的車輛動力學模型參數。
[0003] 目前，已有專利文獻分別針對整車質量、重心位置進行估計。專利文獻 CN200680045320. 2公開了 一種用于確定實際的相對重心高度的方法和設備，專利文 獻CN200980161608. X公開了一種利用車載已有傳感器估計車輛重心高度的方法，專 利文獻CN201210105145.9公開了一種基于高頻信息提取整車質量的方法，專利文獻 CN201210502132. 5公開了一種在車輛處于自動加速事件控制之下，通過比較車輛實際加速 度與預計加速度之間的差值來估計整車質量的方法。這些專利均通過特殊方法在線估計整 車質量或重心位置，但均無法同時估計整車質量和重心位置。同時，這些專利方法均未采用 基于模型的在線估計方法，所獲取的整車質量、重心位置等車輛參數的精度并不高。本發明 基于無跡卡爾曼濾波算法，利用低成本的車載傳感器采集縱向速度、加速度、前后輪速等車 輛狀態信息，對整車質量、重心位置等車輛參數進行在線估計，及時獲取車輛載荷變化導致 的車輛參數變化，從而為車輛主動安全控制系統實時地提供精確可靠的車輛參數。具體地， 本發明基于車輛動力學模型構建無跡卡爾曼濾波器，以低成本傳感器采集的車輛動力學狀 態信息作為觀測量，實現對難以在線、直接測量的車輛參數進行估計。


【發明內容】

[0004] 本發明所要解決的問題是：針對上述問題，本發明采用基于模型的在線估計方法， 即無跡卡爾曼濾波算法，估計整車質量、重心位置等車輛參數，為車輛主動安全控制系統在 運行過程中及時地更新整車質量、重心位置等信息。
[0005] 本發明解決其技術問題采用以下的技術方案：
[0006] 本發明提供的基于無跡卡爾曼濾波的車輛參數在線估計方法，具體是：通過獲取 車輛的縱向速度和加速度、車輪角速度和角加速度、車輛垂向加速度以及車輛前后輪轉矩 信息，結合車輛三自由度動力學模型構建無跡卡爾曼濾波算法，以車輛縱向速度，前后車輪 轉速作為系統觀測量，車輛前后輪轉矩作為系統輸入量，實現對整車質量、重心高度、重心 位置等參數的在線估計方法，包括以下步驟：
[0007] (1)構建三自由度車輛動力學模型，建立與整車質量m、重心高度ha及重心水平位 置L f相關的車輛動力學模型，
[0008] (2)結合所構建的車輛動力學模型，建立無跡卡爾曼濾波器的狀態方程和觀測方 程，以確定相應的輸入量以及觀測量，實現整車質量m、重心高度h ra及重心水平位置Lf的在 線估計算法。
[0009] 上述步驟（1)中，所述的三自由度車輛動力學模型包括車輛的縱向運動、垂向運 動以及俯仰運動，對應的動力學方程為：

【權利要求】
1. 一種基于無跡卡爾曼濾波的車輛參數在線估計方法，其特征在于通過獲取車輛的 縱向速度和加速度、車輪角速度和角加速度、車輛垂向加速度等信息，結合車輛三自由度動 力學模型構建無跡卡爾曼濾波器，以車輛縱向速度、前后車輪轉速作為系統觀測量，車輛前 后輪轉矩作為系統輸入量，實現對整車質量、重心位置等參數的在線估計方法，包括以下步 驟： (1) 構建三自由度車輛動力學模型，建立與整車質量m、重心高度h和重心水平位置Lf相關的車輛動力學模型； (2) 結合所構建的車輛動力學模型，建立無跡卡爾曼濾波器的狀態方程和觀測方程，以 確定相應的輸入量與觀測量，實現整車質量m、重心高度hra及重心水平位置Lf的在線估計 算法。
2. 如權利要求1所述的基于無跡卡爾曼濾波的車輛參數在線估計方法，其特征在于： 所述步驟（1)中的車輛三自由度動力學模型包括車輛的縱向運動、垂向運動以及俯仰運 動，對應的動力學方程為： 期\=心+1?-及- Jwf = If-Trf-VFxf Mr^Tr-Trr-T-Fxr 式中：m為整車質量；vx為縱向速度；Fxf、F"分別為車輛前后輪胎的縱向力；Fa為空氣 阻力；g為重力加速度；為道路坡度J為車輪轉動慣量；wf、W1?分別為前后輪速；Tf、I；為 前后車輪轉矩，Trt、T"為前后車輪滾動阻力矩，r為車輪有效半徑，并假設前后車輪半徑相 同。
3. 如權利要求1所述的基于無跡卡爾曼濾波的車輛參數在線估計方法，其特征在于所 述步驟（2)中建立的無跡卡爾曼濾波器的狀態方程是：
上式中而=[￥!￡，15，'\^15，《^15，1]1，11 〇;，11?]1,為六維矢量系統,115中包含的前三個參數￥ !￡,'\^， W,為可測量，后三個參數HUha, If是系統的待估計參數；U= [Tf，TjT為系統的輸入量，Wk為過程噪聲。
4. 如權利要求1所述的基于無跡卡爾曼濾波的車輛參數在線估計方法，其特征在于所 述步驟（2)中建立的無跡卡爾曼濾波器的觀測方程是： yk = Hxk+Vk其中，
上式中：xk為系統狀態向量，yk為觀測向量，yk = [vx k，wf k，w, k]T，H為狀態轉移矩陣， vk為觀測噪聲。
【文檔編號】B60W40/13GK104354700SQ201410609166
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】褚端峰, 吳超仲, 田飛, 孫川 申請人:武漢理工大學