專利名稱：用于汽車動力學控制系統的動力學參數識別方法
技術領域：
本發明涉及汽車動力學控制系統中對作為控制變量的動力學參數的測取技術，特別是關于對影響汽車行駛穩定性的兩個動力學參數——質心側偏角與橫擺角速度的一種間接測取方法。
背景技術：
汽車動力學控制系統在汽車處于極限行駛工況時，根據實際汽車的橫擺角速度及質心側偏角與其期望值的偏差，通過調節各車輪驅動力或制動力以調節的汽車運動狀態，保持汽車在極限行駛工況的行駛穩定性。它是改善汽車操縱穩定性、提高汽車主動安全性的重要措施。汽車動力學參數主要是指汽車的質心側偏角與橫擺角速度，它們是汽車動力學控制系統的兩個關鍵控制參數。目前汽車質心側偏角的直接測量成本是非常高的，因此在有的控制系統中，并不將側偏角作為控制變量。雖然橫擺角速度可以通過傳感器直接檢測但其測量成本也很高。基于此，汽車動力學主動控制系統現在只有少數高級車輛采用，為使更多的用戶受益于此技術，可行的途徑是降低此系統的成本而不損失系統性能。去掉昂貴的直接測量質心側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量的數據進行識別或估計是降低汽車動力學控制系統成本的有效途徑。

發明內容
本發明的目的是提出一種用于汽車動力學控制系統的動力學參數識別方法，通過該參數識別方法可得到汽車質心側偏角與橫擺角速度，從而節省了傳統汽車上用于測量質心側偏角與橫擺角速度的傳感器，簡化汽車動力學控制系統的結構，并使其成本明顯降低，為汽車動力學控制系統的普及應用奠定基礎。
本發明方法是在汽車動力學控制系統中設置一輸入端與前、后四個車輪上的車輪轉速傳感器相連接、輸出端與動力學控制器相連接的動力學參數識別模塊，該動力學參數識別模塊基于車體的固有參數車輪半徑、輪距、軸距、汽車質心至前軸和汽車質心至后軸的距離，根據各車輪轉速傳感器信號輸入的瞬時車輪轉速，按下述函數式(1)和式(2)計算即可得到汽車質心側偏角β和橫擺角速度r值，再將計算獲得的汽車質心側偏角β和橫擺角速度r值輸入到動力學控制器以實現汽車的動力學控制，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為汽車輪距；L為汽車軸距；Lf為汽車質心至前軸的距離；Lr為汽車質心至汽車后軸的距離；ωfr、ωfl、ωbr、ωbl分別為前右，前左，后右，后左車輪的轉速；相應的vfr、vfl、vbr、vbl分別為前右，前左，后右，后左車輪的旋轉線速度；rw為車輪滾動半徑。
本發明方法是在無質心側偏角與橫擺角速度傳感器的情況下實現汽車的動力學控制。大大降低了汽車動力學控制系統的成本并使系統得到簡化，使汽車動力學控制系統在汽車上的普及應用成為可能。


圖1是汽車運動參數之間的幾何關系示意圖；圖2是本發明汽車動力學參數識別方法的系統組成示意圖；圖3是本發明汽車動力學參數識別方法的程序流程框圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明方法作進一步詳細說明。
汽車各車輪速度是很容易檢測得到的，由于ABS系統的普及，現代汽車均裝有四個車輪轉速傳感器，本發明利用汽車轉向運動學關系推導出汽車橫擺角速度及質心側偏角與四個車輪速度之間的關系并用顯函數表達出來。在實際應用中則是通過汽車四個車輪上的轉速傳感器檢測到的轉速乘以車輪半徑即得到車輪旋轉線速度，由四個車輪的旋轉線速度根據下述函數式(1)及式(2)可以計算得到汽車質心側偏角β及橫擺角速度r。將計算得到的質心側偏角β及橫擺角速度r代替靠傳感器直接檢測得到的側偏角與橫擺角速度作為反饋輸入汽車動力學控制器，即可在無質心側偏角與橫擺角速度傳感器的情況下實現汽車的動力學控制。
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為汽車質心側偏角，r為橫擺角速度，B為汽車輪距；L為汽車軸距；Lf為汽車質心至前軸的距離；Lr為汽車質心至汽車后軸的距離；ωfr、ωfl、ωbr、ωbl分別為前右，前左，后右，后左車輪的轉速；相應的vfr、vfl、vbr、vbl分別為前右，前左，后右，后左車輪的旋轉線速度；rw為車輪滾動半徑。
上述函數式(1)及式(2)通過以下公式推導獲得汽車運動參數之間的幾何關系如圖1所示，設汽車轉向瞬心為P點，質心為C點，H，W，F，E分別為各車輪的輪心。過P點做汽車縱向對稱線的垂線并交縱向對稱線于垂足O點，交EF線于D點，交HW線于Q點。β＝∠CPO即汽車行駛時的質心側偏角，v是點C的速度，K是C點軌跡的曲率。[x，y，ψ]T是代表車輛位置與方向的狀態向量，x，y為車輛質心在地面坐標系中的絕對坐標，ψ代表行駛方向也就是汽車的橫擺角(汽車對稱線與X軸夾角)。汽車運動狀態可由下式表示x·=vcos(ψ+β)y·=vsin(ψ+β)ψ·=Kv---(3)]]>車輪速度方向和P點與輪心連線相互垂直。那么可以根據汽車質心速度與輪心速度的關系列出四個方程。
利用P，Q，W構成三角形可得(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，汽車質心速度v滿足下式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)]]>汽車轉向時， 不為零，聯立式(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)。這樣便得到利用車輪轉速表示汽車質心處橫擺角速度與質心側偏角的計算公式。
參照圖2、圖3，本發明應用于汽車動力學控制系統的動力學參數識別方法，是在汽車動力學控制系統中設置一輸入端與前、后四個車輪4上的車輪轉速傳感器1、3、5、7相連接、輸出端與動力學控制器6相連接的動力學參數識別模塊2，該動力學參數識別模塊2基于車體的固有參數車輪半徑、輪距、軸距、汽車質心至前軸和汽車質心至后軸的距離，根據各車輪轉速傳感器信號輸入的瞬時車輪轉速，按上述函數式(1)和式(2)計算即可得到汽車質心側偏角β和橫擺角速度r值，再將計算獲得的汽車質心側偏角β和橫擺角速度r值輸入到動力學控制器6。動力學控制器6根據輸入的質心側偏角及橫擺角速度調節汽車運動狀態。該汽車動力學控制系統省去了昂貴的質心側偏角與橫擺角速度傳感器，使系統結構得到簡化且成本大大降低。
權利要求
1.一種用于汽車動力學控制系統的動力學參數識別方法，其特征在于，是在汽車動力學控制系統中設置一輸入端與前、后四個車輪上的車輪轉速傳感器相連接、輸出端與動力學控制器相連接的動力學參數識別模塊，該動力學參數識別模塊基于車體的固有參數車輪半徑、輪距、軸距、汽車質心至前軸和汽車質心至后軸的距離，根據各車輪轉速傳感器信號輸入的瞬時車輪轉速，按下述函數式(1)和式(2)計算即可得到汽車質心側偏角β和橫擺角速度r值，再將計算獲得的汽車質心側偏角β和橫擺角速度r值輸入到動力學控制器以實現汽車的動力學控制，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為汽車輪距；L為汽車軸距；Lf為汽車質心至前軸的距離；Lr為汽車質心至汽車后軸的距離；ωfr、ωfl、ωbr、ωbl分別為前右，前左，后右，后左車輪的轉速；相應的vfr、vfl、vbr、vbl分別為前右，前左，后右，后左車輪的旋轉線速度；rw為車輪滾動半徑。
全文摘要
本發明涉及一種用于汽車動力學控制系統的動力學參數識別方法，是在汽車動力學控制系統中設置一輸入端與前、后四個車輪上的車輪轉速傳感器相連接、輸出端與動力學控制器相連接的動力學參數識別模塊，該動力學參數識別模塊基于車體的固有參數車輪半徑、輪距、軸距、汽車質心至前軸和汽車質心至后軸的距離，根據各車輪轉速傳感器信號輸入的瞬時車輪轉速，計算即可得到汽車質心側偏角β和橫擺角速度r值，再將計算獲得的汽車質心側偏角β和橫擺角速度r值輸入到動力學控制器以實現汽車的動力學控制。從而節省了傳統汽車上用于測量質心側偏角與橫擺角速度的傳感器，簡化汽車動力學控制系統的結構，并使其成本明顯降低。
文檔編號G01M17/00GK1865893SQ200610016959
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月20日 優先權日2006年6月20日
發明者靳立強, 王慶年, 宋傳學, 彭彥宏, 安曉娟 申請人:吉林大學