（车辆工程专业论文）基于四轮轮边驱动电动车的路面识别方法研究.pdf

摘要 摘要 本论文主要研究电动车直线加速时的路面识别问题，通过两种方法辨识路 面。第一种识别方法基于轮胎路面附着特性的线性关系部分，由卡尔曼滤波法 回归在不同路面上的利用附着系数与滑移率的线性关系。实车试验中以两轮驱 动在干、湿沥青和铁皮路面进行验证，估计结果表明铁路面与干、湿沥青路面 差别较大，干、湿沥青路面不能区分。 第二种识别方法考察轮胎路面附着特性曲线由稳定区域向非稳定区域变化 的特征，通过递归最小二乘法( r l s ) 估计滑移率与利用附着系数变化关系， 并给出了两种改进的递归最d x - - 乘法。通过实车估计结果的比较，证明修正后 的方法估计效果较好，适用于路面附着状况的识别。 最后通过估算参考车速，采用递归最小二乘法在s i m u l i n k 环境下仿真辨识 路面。通过设定积分判断条件，重新积分获取参考车速，消除积分误差。仿真 结果表明在此方法下路面辨识是可行的。 关键词：路面识别、驱动防滑、电动车、卡尔曼滤波、递归最d - 乘法 a b s t r a c t a b s t r a c t t w om e t h o d sa r eu s e di nt h ep a p e rt oi d e n t i f yt h et i r e r o a df r i c t i o nw h e nt h e e l e c t r i cv e h i c l ea c c e l e r a t e so ns t r a i g h tr o a d t h ef i r s tm e t h o di sb a s e do nt h el i n e a r p a r to ft h et i r e r o a dr e l a t i o n s h i p k a l m a nf i l t e ri sa p p l i e dt oe s t i m a t et h es l o p eo fs l i p r a t i oa n df r i c t i o nc o e f f i c i e n to nd i f f e r e n tr o a d s t h eg r o u n dt e s t sw e r ec a r r i e do u to n d r ya s p h a l t ，w e ta s p h a l ta n di r o nr o a d ss e p a r a t e l yb yt w ow h e e ld r i v e ne v t h e e s t i m a t e dr e s u l t so ft h ei r o nr o a da r ed i f f e r e n tf r o mt h er e s u l t so fw e to rd r ya s p h a l t r o a d s ，b u tt h er e s u l t so fw e ta n dd r ya s p h a l tr o a d ss h o w e dn oo b v i o u sd i f f e r e n c e t h es e c o n dm e t h o dj u s t i f i e st h ev a r i a t i o no ft h et i r e - r o a df r i c t i o nc u r v eu s i n g r e c u r s i v el e a s ts q u a r e st oe s t i m a t et h er o a d t w om o d i f i e dr l sa r eg i v e nw h i c h a r em u c hb e t t e rt oi d e n t i f yt h er o a dt h r o u g ht h eg r o u n dt e s t s a tl a s tt h et i r e r o a df r i c t i o ne s t i m a t i o ni sc a r r i e do u ti nt h em a t l a b s i m u l i n k s o f t w a r ew i t hr e f e r e n c ev e h i c l e s p e e d a n dr l si no r d e rt o s i m u l a t e f o u r - w h e e l d r i v e nv e h i c l e t or e m o v et h ed r i f td u et ot h el o n g t i m ei n t e g r a t i o n ，t h e r e f e r e n c ev e h i c l es p e e dw i l lb eu p d a t e dt h r o u g hj u s t i f i c a t i o n a n dt h ei n i t i a lv a l u eo f t h ev e h i c l es p e e di sg i v e nb yt h ee q u a t i o nm o d i f i e db yb r u s ht i r em o d e l k e yw o r d s ：t i r e r o a df r i c t i o ne s t i m a t i o n ，e l e c t r i cv e h i c l e ，a n t i s k i dr e g u l a t i o n ， k a l m a nf i l t e r , r l s u 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：五为 2 秒分年弓月，6 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月e 1 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：主约 2 年弓月f 易日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文选题的目的和意义 电动汽车是21 世纪汽车工业清洁和新能源汽车改造和发展的主要方向之 一，与传统内燃机汽车相比在结构布置和驱动力输出等方面有不同的特点。电 动车由电池提供动力源、电动机驱动、四轮可单独控制，具有输出力矩控制准 确、实时响应性好，低速时起动力矩大等特点。 在车辆主动安全性方面，传统汽车的牵引力控制系统( t c s ) 与防抱死制 动系统( a b s ) 均须对发动机与制动系进行联合控制才能达到较好性能，由于 机械系统的响应较慢，限制了t c s 系统与a b s 系统的性能提高，而且增加能 耗。对于四轮独立驱动系统来说，车轮的动力学状态可通过控制电动机一车轮 这一子系统来完成。在t c s 、a b s 及e s p ( 电子稳定程序) 中均由路面提供外 力，识别出路面附着情况，优化电动车动力学控制系统的参数，可以使力矩控 制迅速准确的优势更强，控制效果更好。 国家“8 6 3 电动车研究重大专项燃料电池轿车技术研究已设立了“四轮轮 边驱动电动汽车关键技术研究 子课题。为了进一步优化四轮驱动电动车的行 驶和控制能力，本论文将研究四轮轮边驱动电动车的路面识别问题，主要集中 在驱动过程中识别路面方面，以提高车辆的加速时的安全性。 天雨路滑、路面附着条件不好时，车辆的驱动力矩过大或急剧增加时均容 易出现意外事故，由车辆动力学响应采集路面信息，识别出轮胎路面附着状况， 能优化车辆动力学控制参数，可以使车辆在充分利用地面允许提供的纵向力的 同时，保留一定的侧向附着力，提高行驶的安全性和稳定性。课题将基于我校 自主开发的“春晖 四轮驱动电动车进行实车试验，采集数据并验证路面识别 方法的适用性和有效性。 1 2 路面识别技术的发展现状 1 2 1 路面识别技术的目的和作用 车辆的行驶是外力作用的结果，这个外力只能由地面和空气提供。中低速 1 第1 章绪论 时空气阻力相对较小，实际上外力主要由地面提供，通过轮胎作用到汽车上。 驱动时，地面驱动力是使车辆加速和保持车速的外力，它的大小取决于两个因 素：一个是动力源输出的驱动力，一个是轮胎与地面间的摩擦力也称为附着力。 当驱动力超出地面附着能力时，车轮滑转状况加剧，出现打滑现象。车轮滑转 的成分可以由滑移率来说明，滑移率的定义如下： 设为轮胎旋转角速度，r 为轮胎滚动半径，则轮胎滚动速度 ，p ，盯。又 设y 。为轮轴的前进速度，则制动滑移率r 、驱动滑移率& 可分别表示为 s 6 。尘当 y ， ( 卜1 ) 毛；堡羔 由式( 1 1 ) 可知，0 o 3 m s ，伺服电机开始工作，施加阻力矩，这 样可以有效地避免仿真开始时出现地震荡情况。 3 1 3 台架试验结果及分析 3 1 3 1 低附着系数路面仿真 仿真路面为= 0 1 7 ，图3 - - 3 、4 分别为力矩输入、测量轮速及计算车速， 图3 5 、6 为计算所得滑移率和利用附着系数。 第3 章基于卡尔曼滤波识别路面的试验研究 ；旷 - 蕤，翌 r 卜 ( a ) 斜率倒数i l k ( b ) 偏差6 第3 章基于卡尔曼滤波识别路面的试验研究 图3 7 # 尔曼滤波估计结果 圈3 - 8 晟d - - 乘法拟合结果 3 1 3 2 高附着系数路面仿真 仿真路面为卢雌= 0 5 ，图3 9 、1 0 分s 0 为力矩输入、测量轮速及计算车速， 图3 1 1 、1 2 为计算所得滑移率和利用附着系数。经卡尔曼滤波器所得结果为 ( 图3 - 7 ) 斜率倒数1 k 收敛于0 0 8 与( 图3 - 8 ) 偏差d 收敛于0 0 0 1 7 ，与最小二乘法 拟合结果相符。 “m 图3 - 9 输入力矩l l ( s l 图3 1 0 车速t 及轮速屹 一e 5 第3 章基于卡尔曼滤波识别路面豹试验研究 _ _- 啪 图3 一1 1 滑移率s 嘲 图3 - 1 2 利用附着系数 时m s ) o ) 斜率倒数1 ，t0 ) 偏差6 图3 - 1 3 卡尔曼蔼被估计结果 图3 1 4 虽小二乘法拟合结果 叮衅11“叶|叶寸 i 】广亨一1叫；4- 第3 章基于卡尔曼滤波识别路面的试验研究 3 1 3 3 卡尔曼滤波估计结果分析 ( 1 ) 卡尔曼滤波器的收敛性 比较图3 。4 及3 1 0 ，可以发现在路面条件较好、附着系数较高时，由于车 速和轮速比较接近，一s 曲线噪声加大，但并不用改变卡尔曼滤波器的参数设 置，滤波器输出结果与最小二乘法的拟合结果非常接近。经过台架试验的调试， 可以说明用卡尔曼滤波的方法可以实时地跟踪系统，有自适应调节能力。 ( 2 ) 卡尔曼滤波器的收敛时间 比较图3 1 8 及3 1 4 ，经卡尔曼滤波器估计出一s 曲线的斜率倒数1 k 收敛 到定值的时间较长，约7 s ，正好是力矩加载变化的时间( 图3 3 ) 。这是由于 如果系统是线性的，当其含有随机误差时，卡尔曼滤波法将很快收敛到某一定 值；当系统为非线性时，每增加新的数据点时，卡尔曼滤波法会根据新息进行 调整，使整个输入时间段的估计值符合最小二乘法。由于魔术公式中的j l s 曲 线非线性，因此直至驱动力矩不变时，卡尔曼滤波器收敛到定值。 ( 3 ) 不同附着系数路面判断 比较卡尔曼滤波器的估计结果1 k ，两种路面数值不同，但这是轮胎公式 所表现出的性质。在驱动力矩相同的情况下，比较在不同路面上卡尔曼滤波器 的估计结果，需要在实车试验中验证。 ( 4 ) 未使用路面探测器的原因 与2 4 节相比，台架试验中所使用的魔术公式轮胎模型是非线性的，滤波 器估计某一小段值没有意义。通过输入相同力矩估计整个力矩加载过程可以区 别路面，此时由系统非线性引起的预测误差值s 。( f ) 一h r p 弦p ) 与由路面变 化引起的误差值的强弱难以比较。将根据实车试验的结果，在预测误差值f 。较 小的情况下考虑路面探测器的使用和调试。 第3 章基于卡尔曼滤波识别路面的试验研究 3 2 实车试验车辆及试验设备 3 2 1 整车参数 数为 图3 1 5 春晖电动车 论文所用的试验车为我校自主开发研制的四轮轮边驱动电动车，其整车参 车辆参数 轴距1 8 0 0 r a m 轮距1 2 2 6 m m 长，童，高2 6 0 0 1 4 0 0 1 6 5 0 m m 车轮转动惯量( 含电 机) 1 0 k 舯2 空载 一人( 测曲时)满载( 试验时) 轮荷左前轮 l l t k g1 4 1 k g1 4 4 k g 右前轮 1 2 2 k g1 2 9 k g1 6 3 k g 左后轮1 0 5 k 窑 1 3 4 k g1 3 8 k g 右后轮 9 4 k g 1 0 1 k g1 2 2 k g 轴荷 前轴 2 3 9 k g2 7 0 k g3 0 7 k g 后轴 1 9 9 k 鐾2 3 5 k g2 6 0 k g 总重 4 3 8 k g5 0 5 k g5 6 7 k g 质心到前轴距离8 2 5 n u n ( 按满载算) 质心到前轴距离9 1 5 m m ( 按满载计算) 质心高度3 0 0 r a m 晟高时速 5 0 k m h 动力源配置 4 8 v , 1 0 0 a h 锂离子电池 电动轮电机( 外转子直流无刷轮毅电机) 第3 章基于卡尔曼滤波识别路面的试验研究 功率 8 0 0 w 电压 4 8 v 配置4 只 3 2 2 主要试验设备 旋转编码器采集轮速信号，每转输出脉冲数2 5 0 0 p r ，4 个 m i c r o a u t c l b o x采样仪器，试验数据记录及软件程序下载 笔记本电脑 记录处理数据，1 台 3 2 3 传感器标定 轮速 - 一 每转输出脉冲数0 - - 2 5 0 0 p r ， 2 5 0 0 r a d s p u l s e 2 a t 油门踏板信号， 比一0 0 9 j- 0 7 3 0 0 9 n m 驱动力矩测得信 ， 5 “一2 5 li l l 号 0 巧v 信号对应2 0 0 - - - 2 0 0 n m ，8 0n m 3 3 试验路面 3 3 1 试验路面 试验分别在三种路面上进行，分别为干沥青路面，湿沥青路面，和模拟低 附着系数路面的铁皮路面。如图3 2 ，3 所示，铁皮路面每条长2 0 m ，宽0 6 m 。 表3 1 三种路面的峰值附着系数p l l 路面峰值附着系数 沥青( 干)0 8 0 9 沥青( 湿) o 5 0 7 铁皮 0 1 4 ( 测得) 第3 章基于卡尔曼滤波识别路面的试验研究 鳖嗣 ：雪 3 4 实车试验信号采集与处理 汽车是一个复杂的系统，在汽车行驶过程中采集的信号，会受到空间电磁 场的干扰，车辆的振动及传感器本身精度的影响。由于实车中干扰信号的随机 性强，频率成分复杂，比台架试验中的引起信号误差的因素增多，需要对计算 使用的采集数据进行更多处理，减少误差的影响。下面介绍在计算滑移率5 和 第3 章基于卡尔