侧偏角估计

摘要在本研究中作者设计了一种同时估计车辆侧滑角和路面摩擦系数的切实稳定的非线性切换观察器。在观察器中的每个独立的的非线性状态估计是基于一个具有明显被参数化的的路面摩擦系数的一种非线性横向动力学车辆模型。非线性观察器的输入是横向稳定性控制系统内可用的典型信号，其中包括车速，转向角，横向加速度和横摆率。作者表明，建议的非线性状态估计实际上是稳定的下任意切换。最后，作者提供了数值模拟，以证明我们的非线性切换观测器的设计方法的有效性。1简介图1.车辆横向的动态模型和侧滑角β的简化插图道路车辆安全中发挥了重要作用另一个参数是侧滑角。在汽车工程背景下,该参数被定义为车辆的速度矢量和相对于重力的车辆的中心（CG）测得的车辆中心线之间的角度。图1所示的车辆横向动力学模型中，车辆侧滑角通常表示为β。这个动态属性是用于说明车辆的横向和纵向运动的一个重要变量。而在车辆的极限驾驶情况下轮胎达到其极限附着力（尤其是道路上有减弱的摩擦）时，侧滑角的知识就显得至关重要，充分代表和预测车辆移动。在本文中，我们的目标是利用简化的合理的轮胎模型和ESC传感器测量，估算侧滑角。用简化的理性轮胎模型来模拟对于给定的车辆速度和转向角、当前估计的路面摩擦系数的轮胎力。2横向动力学模型我们假设以下车辆模型，很容易通过基本运动学方程，通过计算得到在重心位置的有关自由偏航度的力矩平衡，如图1所示。其中Fyf，Fyr分别代表的前轴和后轴的总的横向轮胎力，出现在上式子中的变量的进一步的定义列于表1中。我们强调的是，上述模型仅用于设计该非线性观测器，是我们接下来描述线性双轨车辆模型的仿真模型的简化。表1车辆模型参数定义变量定义单位δ前轮转向角radγ横摆角速度rad/sJz车辆绕ｚ轴转动惯量kg/m2m汽车质量kgνx，νy纵向速度,横向速度m/slf，lr质心到前轴的距离，质心到后轴的距离may纵向加速度m/s23具有非线性动力轮的非线性双轨车型图2非线形双轨偏航平面车辆模型ryrfyfzyxylFlFJrarcos1该模型是我们执行模拟一个基准车辆模型。该模型包括的状态，对于车辆偏航/侧滑动力学估计和控制的研究是必不可少的，如图2所示。车速:侧滑角：xyvva/tan在该模型中假设车辆具有低重心高度，假定悬挂动态（例如身体反弹和车轮跳动）和轧辊动力基本上不影响车辆的平面动态。该系统的输入是前轮转向角δ。车辆的速度ν，侧滑角β和横摆率γ的动力学运动方程描述，分别如下：1234y12341234123412431(()cos()()cos()sin()()sin)1(()sin()()sin()cos()()cos)1((sincos)(sincos)22()2xxxxyyyxxxxyyyyxfxfZxxvFFFFmFFFFFFFFmvFFFFrddrFlFlJdFF1234(sincos)2(sincos)()2yfyfryydFldFllFF3仿真根据上述三个公式搭建仿真模型，转向角，m，lf，lr，Jz为输入，车辆速度ν，侧滑角β和横摆率γ为输出量，设置各个参数，输入转向角为正弦函数。图3简化的三个公式搭建的仿真模型2/122yxvvv图4速度ν的仿真模型图5侧偏角β的仿真模型图6横摆角γ的仿真模型模型中各个参数和增益的值如下表所示：表2车辆模型的主要参数参数mlflrJzGain14Gain15值13001.251.3217501.251.32参数GainGain1Gain2Gain3Gain4Gain5Gain6值-20100300-100-201.25-20参数Gain7Gain8Gain9Gain10Gain11Gain12Gain13值1.25015001.25-200-14仿真结果图7速度ν的仿真图形图8侧偏角的仿真图形图9横摆角γ的仿真图形由于输入转向角是一个正弦波，车辆行走路线是S形，仿真结果车辆速度曲线和侧偏角曲线接近正弦波形，横摆角有规律的周期变化，基本接近实际工况。5参考文献[1]Solmaz,S.,Ba¸slamı¸slı,S.Ç.:‘Simultaneousestimationofroadfrictionandsideslipanglebasedonswitchedmultiplenon-linearobservers’,IETControlTheoryAppl.,2012,Vol.6,Iss.14,pp.2235–2247[2]Solmaz,S.,Ba¸slamı¸slı,S.Ç.:‘Anonlinearsideslipobserverdesignmethodologyforautomotivevehiclesbasedonarationaltiremodel’,Int.J.Adv.Manuf.Technol.,2012,60,(5–8),pp.765–775[3]Kiencke,U.,Nielsen,L.:‘Automotivecontrolsystemsforengine,drivelineandvehicle’(Springer-Verlag&SAEInt.,Berlin,2000)[4]刘飞，熊璐等.车辆质心侧偏角估计算法设计与对比分析[J].同济大学学报，2015,(43):３,448-455.[5]王健，余贵珍等.基于滑模观测理论的车辆质心侧偏角估算[J].北京工业大学学报，2011,(37)：3,335-341.[6]高晓杰．行驶极限工况下汽车质心侧偏角的非线性估计[Ｄ]．上海：同济大学,2009．[7]高振海，郑程洪.基于车辆动力学和Kalman滤波的汽车状态软测量[J]．系统仿真学报,2004，16(1):22．