（车辆工程专业论文）基于四轮驱动电动车的路面识别及驱动防滑研究.pdf

摘要 摘要 论文以四轮轮边驱动电动车为研究对象 以提高车辆主动安全性和行驶 稳定性为目标 对四轮轮边驱动电动车驱动防滑以及与之相关的路面附着系 数估算和车速估算进行了研究 论文的研究成果是对四轮轮边驱动电动车底 盘控制技术的初步探索 有利于进一步地底盘集成控制研究 论文分别使用卡尔曼滤波和基于车轮动态响应特性的路面附着系数估 算方法对路面附着系数进行了估算 实车试验结果表明 在不锈钢路面 低 附着系数路面 和沥青路面上 一名曲线的斜率和截距有所不同 卡尔曼滤波 法能够估算出 一五曲线的斜率和截距 能够粗略区分不锈钢路面和沥青路 面 但在低滑移率段干湿沥青路面的 一五曲线的斜率和截距基本相同 因 而无法区分干 湿沥青路面 基于车轮动态响应特性的路面附着系数估算方 法能够对轮胎即将打滑时候的路面的附着系数进行较准确的估算 使用估算 结果对车轮驱动力矩进行控制 能够有效的防止轮胎滑转 较好的发挥地面 附着能力 保证行车安全性 论文利用轮毂电机驱动力矩可以通过电机驱动器直接获得的特点对车 辆实际行驶速度进行了估算 根据轮毂电机驱动力矩估算出的车辆速度需要 与最小轮速法相结合 在必要时中断某个车轮的驱动力矩 将其轮速取为车 体速度 从而实现对车速的回归 解决了连续积分会使车速估算结果出现较 大偏差的问题 另外 论文研究了基于车辆模型的车速估算算法 建立了三 自由度5 输入车速估算模型 并进行了直道实车试验和弯道仿真分析 试验 结果表明 利用路面附着系数估算结果 根据各个车轮轮速的三自由度五输 入车辆模型车速估算法具有很好的鲁棒性 能够在一定程度上消除车速估算 误差的积累 较准确地估算出车辆速度信息 论文对多种电动车驱动防滑方法进行了研究 仿真结果表明 滑模变控 制方法能够成功控制车轮的滑转 但滑模变结构控制算法中用到估算滑移 率 估算利用附着系数 以及利用附着系数的导数 对信号质量要求过高 无法在实车试验中得到验证 基于模型跟踪的驱动防滑控制方法能够在一定 程度上减小车轮的滑转 但它只能将滑移率控制在0 4 左右 上述两种方法 同济大学博士学位论文 均存在一定的局限性 因此本文提出了基于路面附着系数和车速估算结果的 最优滑移率控制方法 试验结果表明该控制方法能够将轮胎的滑移率控制在 0 1 0 3 基本维持在最优滑移率o 2 左右 通过本文的研究 对四轮轮边驱动电动车路面附着系数估算 车速估算 驱动防滑提出了初步的解决方案 为四轮轮边驱动电动车动力学控制的进一 步研究奠定了基础 关键词 四轮驱动 电动汽车 轮边驱动 驱动防滑 车速估算 附着 系数估算 a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k e st h e4 wi n w h e e l m o t o rd r i v ev e h i c l ei 妒r e s e a r e ho b j e c t i t a i m sa tt h ee n h a n c e m e n to ft h ev e h i c l e sa c t i v es a f e t ya n ds t a b i l i t y i nt h e i n w h e e l m o t o rd r i v ev e h i c l e t h ed r i v i n gt o r q u eo fe v e r yw h e e lc a nb eo b s e r v e d a n dc o n t r o l l e de a s i l y s ot h ew h e e ls l i pc o n t r o la n dt y r e r o a df r i c t i o ne s t i m a t i o n c a l lb ee a s i l yd o n e t h i sp a p e rd i ds o m eb a s i cr e s e a r c ho nt h ea l l w h e e l i n w h e e l m o t o rd r i v ev e h i c l ed y n a m i cc o n t r o l i tw i l lb eu s e f u lf o rt h es t u d yo f i n t e g r a t e dc h a s s i sc o n t r o ls y s t e m k a l m a nf i l t e rm e t h o da n dw h e e ld y n a m i cr e s p o n s eb a s e d e s t i m a t i o n m e t h o da r eu s e dt oe s t i m a t et h et y r e r o a df r i c t i o n v e h i c l et e s t ss h o wt h a tt h e o f f s e ta sw e l la st h es l o p eo ft h e 一名c u l n ef o rt h es t a i n l e s ss t e e lr o a da n dt h e a s p h a l t u mr o a da r ed i f f e r e n t s oi ti se a s yt od i s t i n g u i s ht h e mf r o me a c ho t h e r b u tt h ek a l m a nf i l t e rm e t h o di sd i f f i c u l tt ot e l lt h ew e ta s p h a l t u mr o a df r o mt h e d r yo n e t h ew h e e ld y n a m i cr e s p o n s eb a s e d e s t i m a t i o nm e t h o dc a l le s t i m a t et h e t y r e r o a df r i c t i o no f t h es l i pw h e e lm o r ee x a c t l y c o n t r o l l i n gt h ed r i v i n gt o r q u e a c c o r d i n gt ot h ee s t i m a t i o nr e s u l t l a r g ew h e e ls l i pc a nb ea v o i d e d v e h i c l e s a f e t yi se n s u r e d i nt h ea 1 1 w h e e li n w h e e l m o t o rd r i v ev e h i c l et h ed r i v i n gt o r q u ee a r lb e e s t i m a t e db yt h em o t o rc o n t r o lu n i t w ec a nu s et h em e a s u r e dd r i v i n gt o r q u et o e s t i m a t et h ev e h i c l es p e e d b u tt h i se s t i m a t i o nm e t h o ds h o u l db ec o r r e c t e db y u s i n gt h em i n i m u m w h e e ls p e e dm e t h o d w h e nt h ee s t i m a t e dw h e e ls l i pe x c e e d t h es e to n e t h ed r i v i n gt o r q u eo fo n ew h e e ls h o u l db ec u to f f a n dt a k ei t s r o t a t i o n a ls p e e da st h ev e h i c l es p e e d u s i n gt h i sm e t h o dl a r g ee s t i m a t i o ne r r o r c a l lb eo m i t t e d t h e3 d o fv e h i c l em o d e lb a s e dv e h i c l es p e e de s t i m a t i o nm e t h o d w h i c hu s e st h et y r e r o a df r i c t i o ne s t i m a t i o nr e s u l t i sm o r er o b u s t i tc a l l e l i m i n a t et h ee s t i m a t i o ne r r o r t h ee s t i m a t i o nr e s u l ti sc l o s et ot h ea c t u a lv e h i c l e s p e e d f o ra n t i s l i pr e g u l a t i o n t h ev a r i a b l es t r u c t u r ee o n t r o lc a l le l i m i n a t ew h e e l s l i pi ns i m u l a t i o n b u ti td i d n tw o r ki nt h ev e h i c l ef i e l dt e s t s m o d e lf o l l o w i n g h i 同济大学博士学位论文 c o n t r o lm e t h o dc a nr e d u c et y r es l i pi ns o m ed e g r e e b u tt h em i n i m u ms l i pr a t i o i ss t i l la b o v e0 4 w h i c hi sm u c hb i g g e rt h a nt h eo p t i m a ls l i pr a t i o u s i n gt h e e s t i m a t e dt y r e r o a df r i c t i o n t h eo p t i m a ls l i pr a t i oc o n t r o lm e t h o dc a no b t a i na s l i pr a t i oo f0 1 0 3 w h i c hi sa r o u n dt h eo p t i m a ls l i pr a t i o0 2 t h r o u g ht h es t u d yo ft h i sp a p e r t h eb a s i cm e t h o d so ft y r e r o a df r i c t i o n e s t i m a t i o nf o ra l l w h e e li n w h e e l m o t o rd r i v ev e h i c l e v e h i c l es p e e de s t i m a t i o n a n t i s l i pr e g u l a t i o nf o ra l l w h e e li n w h e e l m o t o rd r i v ev e h i c l ea r eo b t a i n e d i t c a nb eu s e f u lf o rd y n a m i cc o n t r o lo ft h ea l l w h e e li n w h e e l m o t o rd r i v ev e h i c l e k e y w o r d s a l l w h e e l d r i v e e l e c t r i cv e h i c l e i n w h e e l m o t o r d r i v e a n t i s l i pr e g u l a t i o n v e h i c l es p e e de s t i m a t i o n t y r e i 沁a df r i c t i o ne s t i m a t i o n i v 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 左姒 z 一7 年 月7 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 五数 年月 日卅年f 月7日 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 古建苍 堋年 月7 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文选题背景 汽车的大量推广和普及带了一系列日益严峻的问题 节能 安全 环保 已经成为当今世界汽车发展的主题 为了解决汽车普及化所带来的能源危机 和环境污染 新能源汽车的开发成为各国研究的焦点之一 由于电能可以从 各种能源中获得 电能的获得可以集中进行 便于污染降低和污染的处理 大力发展电动汽车 混合动力汽车成为时代的需求 正在加速其产业化的发 展步伐 为了提高车辆安全性 汽车被动安全和主动安全技术的开发研究也得到 广泛关注 l 2 1 主动安全技术方面 制动防抱死 驱动防滑以及电子稳定性 控制等已经得到了很好的发展 逐渐在车辆上得到普及和推广 3 羽 并有向 进一步集成发展的趋势 基于轮毂电机的四轮驱动电动车能够通过轮毂电机对各个车轮进行快 速驱动 制动控制 改善车辆行驶性能 成为电动车研究的热点之一 2 0 0 1 年日本庆应大学开发了八轮轮毂电机驱动的电动大轿车k a z 7 8 美国通用 汽车于2 0 0 2 年推出了线控四轮轮毂电机驱动的燃料电池概念车a u t o n o m y 在2 0 0 3 年丰田汽车公司东京国际汽车展上展出四轮轮毂电机驱动电动车 f i n e n 在国内 上海燃料电池汽车动力系统有限公司联合同济大学汽车学 院于2 0 0 2 年至2 0 0 4 年试制成功由四个直流无刷轮毂电机独立驱动 燃料电 池和锂离子蓄电池电电混合的微型电动汽车动力平台 春晖 系列四轮驱 动电动车 本文的研究课题来源于8 6 3 子课题四轮驱动电动汽车项目 主要目的是 为了实现四轮轮边驱动电动车的驱动防滑 提高车辆的主动安全性能 基于 四轮轮边驱动电动车的特点和驱动防滑的需要 本文对路面附着系数估算 车速估计 驱动防滑等技术进行研究 为四轮驱动电动车底盘集成控制奠定 基础 同济大学博士学位论文 1 2 国内外电动驱动及路面附着系数估算等技术发展概况 为了更好的了解当前电动汽车的最新发展 借鉴前人经验 弥补前人研 究的不足 在此对电动汽车发展现状 路面附着系数估算算法 车速估算 以及电动车动力学控制方法做如下综合叙述 1 2 1 国内外典型轮毂电机驱动系统 日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组 在过去的十几年中 一直以基于轮毂电机的全轮驱动电动汽车为研究对象 至今已试制了五种不同型式的样车 9 1 3 其中 1 9 9 1 年与东京电力公司共 同开发的电动汽车i z a 采用n i c d 电池为动力源 采用四个额定功率为 6 8 k w 峰值功率达到2 5 k w 的外转子式永磁同步轮毂电机驱动 最高时速 可达1 7 6 k r n h 2 0 0 1 年 最新推出了以锂电池为动力源 采用8 个大功率交 流同步轮毂电机独立驱动的电动大轿车k a z 最高时速达到3 1 l k m h 2 0 0 3 年日本丰田汽车公司在东京车展上推出的燃料电池概念车f i n e n 也采用了 轮毂电机驱动技术 法国t m 4 公司设计制造的一体化轮毂电机采用外转子式永磁电动机 1 4 1 将电动机转子外壳直接与轮辋相固结 将电动机外壳作为车轮轮辋的 组成部分 而且电动机转子与鼓式制动器的制动鼓集成在一起 实现电机转 子 轮辋以及制动器三个回转运动物体的集成 大大减轻一体化轮毂电机系 统的质量 集成化程度相当高 该一体化轮毂电机系统的永磁无刷直流电动 机的额定功率为1 8 5 k w 峰值功率可达到8 0 k w 峰值扭矩为6 7 0 n m 额定 转速为9 5 0 r p m 最高转速为1 3 8 5 r p m 而且额定工况下的平均效率可达到 9 6 3 此外 日本的三菱 本田 普利斯通 法国的标志雪铁龙 德国的大众 奥迪 英国的贝母勒 美国的通用汽车都开发了自己的轮边驱动电动车 1 1 5 3 我国在该领域的研究相对落后 但随着国家 8 6 3 计划电动汽车重大 课题研究的深入 各公司 高校也加强了该类驱动系统的研究 哈尔滨工业 大学爱英斯电动汽车研究所研制开发的e v 9 6 电动汽车也采用外转子型轮 毂电机驱动系统 选用一种称为 多态电动机 的永磁式电动机 兼有同步 电动机和异步电动机的双重特性 其功率为1 6 8 k w 同济大学汽车学院在 2 0 0 2 年 2 0 0 5 年间先后推出了 春晖 系列轮边驱动电动车 它们均采用四 第l 苹绪论 个低速永磁直流无刷外转子型轮毂电动机直接驱动 1 6 1 电机额定功率 o 8 k w 峰值功率2 5 k w 额定转矩2 5 n m 峰值转矩1 5 5 n m 额定转速 3 0 0 r p m 最高转速5 1 0 r p m 1 2 2 路面附着系数估算技术的研究状况 国外的科研人员已经对路面附着系数的估算方法及算法进行了广泛研 究 根据测试手段和测量参数的不同将路面附着系数估算方法分为 c a u s e b a s e d 和e 仃e c t b a s e d 两种 4 3 l c a u s e b a s e d 辨识法是通过测量一些对路面附着系数影响较大的因素 并根据以往经验预测当前路面附着系数的大小 例如 使用光学传感器测量 路面对光的吸收和散射情况以判别路面上的水和其它降低路面附着系数的 物质 4 4 5 1 从而判断路面附着系数的变化 由于光学传感器一般安装在汽 车的前部 所以这种方法往往在汽车轮胎真正接触到地面之前就能够正确判 别出该段路面的附着性能 以便于驾驶员或汽车的控制系统采取相应措施 一些日本学者还通过采用一种峰值功率为2 0 0 w 的激光束对路面进行判别 该装置对干路面 湿路面以及冰雪路面的识别正确率可达9 8 4 6 j 基于同 样原理 超声波传感器在路面检测中也有一定的应用 4 6 1 同时也有利用光 学传感器直接测量路面粗糙度的 4 5 1 路面附着系 数估算 l ii e f f e c tb a s e d 估算方法 i 估算方法 l l l 使用胎面变形传 通过测量轮胎 基于滑移率的i 测量路面 测量路面l l 感器估算路面 噪声估算路面估算算法 l 表面粗糙度 润滑状况l f 利用加速过程 利用制动过程利用车辆侧向运 进行路面估算 进行路面估算 动学估算路面 图1 1路面附着系数估算方法分类 然而光学传感器对工作环境要求十分苛刻 受外部的影响因素也较多 同济大学博士学位论文 近年来在路面附着系数估算研究中采用雷达波 毫米波等电磁波的方法也逐 渐增多 这些措施一般是通过特殊装置向地面发射电磁波 由微波传感器等 接收路面的反射波 并对反射波做频谱分析 根据频谱差异判别路面的种类 4 6 1 o 但上述几种测试方法也有其致命的缺点 首先需要额外装加传感器 这 些传感器成本较高 难以实现大规模的商业应用 其次需要进行大量的测试 训练 估算精度很大程度上依赖于经验 难以准确估算没有测试和训练过的 路面附着系数 4 3 j e f f e c t b a s e d 辨识法是通过测试由路面附着系数或附着系数的变化在车 体或车轮上产生的运动响应来估算路面附着系数的大小 这种估算方法主要 有以下几种 1 通过测量轮胎局部应变 应力等 分析路面附着系数及其变 化 4 4 4 5 4 7 4 8 2 坝0 量轮胎与路面之间的噪声 根据轮胎与地面之间的噪声 分析路面附着系数m 4 5 1 3 通过 z 一五曲线的形状估算路面附着系数 4 9 5 3 4 其它估算算法 轮胎局部应变 应力测试法 文献 4 4 4 5 4 7 介绍了一种胎面变形 传感器 它将磁性材料固化在轮胎胎面中 然后从轮胎内表面进行信号检测 试验结果显示即使在轮胎驱动力 制动力很小的情况下 这种传感器也能很 好的估算路面附着系数大小 与c a u s e b a s e d 估算方法相比有许多优点 但 是这种传感器需要能量自给 而且需要实现数据的无线传输 造价较高 难 以实现商业应用 噪声分析法 文献 4 4 4 5 使用一种声学传感器测量车辆行驶过程中 轮胎与地面之间的噪声 从而判断路面峰值附着系数的大小及变化 同时文 献 4 4 也指出 轮胎与地面之间产生噪声机理的复杂性使得根据噪声估算 路面峰值附着系数具有一定的困难 根据 z 一九曲线的形状估算路面附着系数 各种研究方法中关于 一五曲 线在小滑移率阶段的斜率研究最多 但是多数研究集中在车辆加速过程 对 制动过程中路面附着系数辨识的研究相对较少 主要是因为驱动过程中可以 取非驱动轮轮速作为车身速度 而制动过程中车速的确定相对困难 这种路 面附着系数估算方法大致如下 首先假设轮胎附着力已知或可以通过模型估 算轮胎与地面之间的附着力 同时根据轮速 车速信息得到车轮的滑移率 然后采用最小二乘法或卡尔曼滤波等方法得到 一五曲线的斜率 根据斜率 第1 章绪论 大小判断路面峰值附着系数的高低 4 9 5 3 图1 2 为使用滤波方法得到的干 沥青路面和压实的雪路面上 a 一旯曲线斜率的拟合结果 拟合直线的斜率和 直线在五轴上的截距表明了路面附着系数信息 轮胎利用附着力的估算是该 辨识算法的重要环节 其估算方法有通过g p s 和加速度传感器进行估算的 4 8 有通过发动机模型 根据油门位置和发动机转速确定发动机的输出力 矩 5 4 j 然后根据变速器档位等计算地面驱动力 也有对装有液力变矩器的 车辆根据发动机转速 变速箱输入轴转速 车轮轮速 利用液力变矩器的工 作特性估算地面驱动力矩和利用附着系数 5 5 5 7 1 对于制动过程有人使用压 力传感器测量主缸压力 然后通过a b s 系统模型得到制动力矩 5 引 从而得 到地面驱动力 滑移率丸 t o a 沥青路面 拇移率x 1 0 b 冰珞丽 图1 2 用滤波法得到的斜率拟合结果 文献 5 4 中王军民等将轮胎模型线性化 同时假设车辆为一个自行车 模型 而且前后轮行驶在相同的路面上 这样前后轮 一名曲线斜率的差异 就只与前后轮轮胎特性有关 从而将路面附着系数估算问题简化 再通过使 用加速度传感器和g p s 等设备测得车辆行驶状态 估算出轮胎附着力 该 方法能够适用于两轮驱动 四轮驱动 以及制动过程的路面附着系数估算 但文献 5 4 的研究对象主要是高速公路等均匀路面 车辆直线行驶的情况 没有考虑左右车轮附着条件的差异 以及车辆横向动力学的影响 具有一定 的局限性 尽管多数研究者认为 a 一五曲线斜率的大小能够直接反映路面附着系数 大小 但一个具体的斜率值对应多大的路面附着系数需要通过大量试验得 同济大学博士学位论文 到 这种估算方法能够利用轮胎在小附着力 小滑移率阶段的数据估算路面 的峰值附着系数 但无论是轮胎的附着力还是滑移率信号都具有较大的噪 声 要从中拟合出曲线的斜率需要大量的数据 因而在实时性方面存在一定 不足 使用该算法的研究者多数没有说明自己的路面附着系数估算方法是在 线辨识 还是离线估算 算法的实时性有待于进一步验证 同时 一a 曲线 斜率的大小还受轮胎类型 轮胎气压 轮胎磨损程度等因素的影响 对同一 路面 一五曲线斜率的大小随其它条件的变化而存在一定差异 给路面摩擦 系数的估算带来一定困难 需要进一步研究 4 3 1 图1 3 入曲线多项式拟合结果 当然也有其它一些基于滑移率的路面附着系数估算方法 文献 4 3 中 s t e f i e n m t i l l e r 等采用非线性公式 五 心 o 2 瓦南拟合路面的 一允曲线 将拟合曲线的峰值作为路面峰值附着系数 文献 5 9 1 中s t g e r m a n n m w t i r t e n b e r g e r 等人采用多项式 a o a h t a 2 2 2 对 一名曲线进 行了拟合 取曲线的峰值作为路面峰值附着系数 从而得到路面附着特性 如图1 3 所示 但无论是多项式拟合还是其它形式的非线性公式拟合 都需 要在较大轮胎滑移率条件下才能使估算结果更加接近于真实值 而且拟和结 果的准确性受所选择函数固有特性的影响严重 文献 6 0 1 中c h i a s h a n g l i u 第l 章绪论 和h u ip e n g 两人提出了使用单轮模型估算地面附着力 然后通过刷子轮胎 模型根据当前滑移率反推路面峰值摩擦系数的估算方法 然而文章主要是建 立在仿真的基础上 没有采用场地试验验证估算结果的准确性 另外该估算 算法对轮胎模型的依赖性很强 需要准确而又简单的轮胎模型做基础 日本 东京大学的h i d e os a d o 和s h i n i c h i r os a k a i 等人以轮边驱动电动汽车为基 础 通过电机输出力矩和车轮转动角速度观测路面附着力 在整个滑移率变 化范围内对 一a 曲线的斜率进行估算 2 5 2 9 1 但是斜率与路面峰值附着系 数之间的对应关系仍然需要做进一步试验研究 其它路面附着系数估算算法 文献 6 3 中j i n o hh a h n 等人认为在正 常行驶状态下 轮胎的纵向滑移率很小 通过纵向滑移率来估算路面附着系 数具有一定的局限性 作者提出了一种根据车辆侧向动力学的路面附着系数 估算方法 该方法利用g p s 系统估算轮胎侧偏角 然后根据车辆侧向动力 学进行路面附着系数的估算 但在车辆侧偏角很小的情况下 该方法仍然无 法正确估算路面附着系数 同时估算中使用了陀螺仪 陀螺仪的造价过高使 得估算系统难以在实车上应用 文献 6 4 6 5 中t a k a j iu m e n o 提出非驱 动轮的振动频率与路面摩擦系数有关 文中使用回归最小二乘法和辅助变量 法进行在线估算 在车辆不进行制动 加速 转向的情况下就能够识别从沥 青路面到冰路面的附着系数变化 文献 6 6 1 中t a e h y u ns h i m 等人给出了 一种先假设一个路面附着系数 利用车辆动力学模型估算车辆的响应 再根 据模型估算的轮速 横摆角速度等与实际车辆响应的差别 对假设的路面附 着系数进行校正的估算方法 但该文中提及的校正参数的设定具有一定的经 验性 难以适应各种复杂情况 文献 6 7 中l a u r ar r a y 通过八自由度车 辆模型使用扩展的k a l m a n b u e y 滤波法对车辆状态和轮胎力进行估计 然 后用在给定路面附着系数下通过轮胎模型计算得到的轮胎力与估算出的轮 胎力进行对比 得到假设的附着系数的权值 最后加权得到路面峰值附着系 数 它能够对驱动 制动 转向以及各种联合工况下的路面附着系数进行估 算 但是本算法模型复杂 计算量大 如进行在线估算对硬件的要求较高 文献 6 8 1 中h i k a r un i s h i r a 等人以驱动力矩 驱动轮转速 非驱动轮转速 为输入 将路面附着系数表示为一个已知函数和一个未知参数的乘积 采用 自适应算法对未知参数进行估计 并采用仃修正法则增强了估算算法对干扰 信号的鲁棒性 但文中只是给出了数值仿真结果 没有通过实车试验证明算 同济大学博士学位论文 法的有效性 国内路面附着系数估算技术研究较少 主要有以下几种方法 济南重汽技术中心的程军将路面划分为干 湿 滑三类 并分别将其模 糊化为三个离散的数值 以不同路况下a b s 系统的制动压力变化时间作为 防抱死循环的特征参数 连同车辆参考减速度一并输入以神经网络模型 采 用有教师的学习算法对网络进行训练估算路面附着系数 6 9 1 但在实际的应 用方面该方法还有待于进一步解决诸如教师信号的采集 网络训练规模的控 制等问题 并且将路面划分为三类进行判别尚不能完全涵盖车辆实际行驶过 程中经常遇到的典型路况 上海交通大学的喻凡等人以指数多项式形式的路面 轮胎模型为基础 将各种路况下的 一名曲线存储于计算机中 辨识时 同时计算几种假设路 况下车轮的理论角减速度 然后将各种假设路况下计算出的车轮理论角减速 度与实际的车轮角减速度进行比较 取差别最小者为当前行驶路况 7 0 该 算法结构较为简单 但计算量较大 而且其有效性主要还依赖于能够涉及各 种路面状况的比较细化和精确的轮胎 地面模型 北京理工大学的边明远等人也在路面附着系数估算领域做了一些研究 4 6 1 他用路面特征因子将路面分为干沥青 湿沥青 湿土路面 松散的雪 路 压实的雪路 干燥冰路面 积水路面等七个等级 在估算算法中他认为 纵向附着系数与各影响因素之间具有唯一确定性 认为 f c r v f z 旯 是 一个单值函数 利用误差逆向传播b p 神经网络对路面附着状况进行了估算 各种主要路面附着系数估算方法的优缺点如表1 1 所示 表1 1 各种主要路面附着系数估算方法的优缺点比较 路面附着系数估算方法优点 缺点 提前预测 可用于实 光学传感器测量法 4 4 4 5 l时控制 有利于提高对环境要求苛刻 使用成本高 车辆安全性 提前预测 可用于实 电磁波测量法f 4 6 l 时控制 有利于提高使用成本高 难以实现实车应用 车辆安全性 直接测量 精度高 需要信号无线传输 能量自给 轮胎局部变形测量法i 4 4 4 5 4 7 1 可用于实时控制 成本高 第1 章绪论 轮胎噪声测量法 4 5 i噪声发生机理复杂 识别困难 不受驱动 制动影车轮振动受路面多种因素的影 振动分析法 6 5 响 可用于多种工况响 数据分析困难 斜率与路面附着系数之间的对 应关系受多种因素影响 二者之 斜率估算法1 4 9 5 3 l间不具有一一对应关系 需要大 基于 量试验标定 响应速度慢 难以 g 2 用于实时控制 曲线估算结果好坏受模型直接影响 模型反求法 删 对轮胎模型要求较高 非线性拟和法1 4 3 4 9 l 需要传感器数量少 估算结果受拟和曲线的直接影 有利于成本降低 响 估算精度较低 计算量大 权值的确定具有一定 加权平均法 6 7 l 经验性 需要o p s 信号 直线行驶时难 侧向动力学估算法 6 3 l 以估算路面附着系数 校正参数的确定困难 带有一定 假设校正法 6 6 l 经验型 计算量较大 结果依赖于细化的 假设检验法 7 0 l 轮胎 地面模型 1 2 3 车速估算技术发展现状 汽车的驱动防滑控制系统a s r 也称t c s 主要是针对车辆加速或起步 时的纵向力控制 在a s r 系统中基于车轮最佳滑移率的控制逻辑及策略被 广泛应用 此外准确的车速信息是控制系统调整控制参数充分发挥其控制性 能的重要参考依据 而要掌握某一时刻车轮的滑转情况 则必须准确测定该 时刻车身的运动速度 所以车身速度的实时监控也是实现a s r 系统精确控 制的一项关键技术 目前在很多研究当中都认为在a s r 控制过程中车辆的 非驱动轮由于没有受到控制而处于自由滚动的零滑转状态 控制逻辑中所需 的车身速度也往往由非驱动轮速信号来代替f 7 1 四轮驱动车辆没有非驱动 轮 根据非驱动轮转速获得车速或者装加额外的车速传感器是根本不可能 的 所以有必要找出一种能够快速准确估算车速的计算方法 同济大学博士学位论文 下面对现有车速回归方法做一下总结 文献 7 2 f a n g j u nj i a n g 等人根据检测到的四个车轮轮速 使用非线性 滤波器估算制动过程中的车速信号 其中使用的非线性滤波器可用下面方程 表示 y f 一r s i g n v t 一j f 1 1 y t o 1 2 f1x 0 s i g n x 0 x 0 1 3 一1 x 0 为了避免系统振荡 使用饱和函数代替符号函数 y 一r s a t y t 一砸 1 4 f 1dd s a t x 一1 x d 1 5 i x d d x 3 估计模型 五 何 k 乙一致何 3 6 式中 k 是卡尔曼增益矩阵 农是预测估计 也叫先验估计 代表获 得气时刻的观测值互以前所作的关于五的估计 并定义预测误差为 露 五一茸 3 7 同济大学博士学位论文 预测误差的协方差矩阵为巧 e 巧乓r k 乙一峨矗 称为新息 代 表由 时刻的观测值乙得到的关于五估计的新信息 定义估计误差为 最 鼍一互 3 8 其协方差为最 研乓霹 估计模型也就是利用气时刻的观测值乏来幺 t ti e 预测估计t 从而得到 更新估计盅 由以上定义可得卡尔曼滤波递推方程为 k k p i h 忸k 发h r r x k x i k k 幄k h t x 丑 一丘风 巧 x n 固k x l 西七最 q 3 9 3 1 0 3 1 1 3 1 2 3 1 3 3 2 3 卡尔曼滤波估计器 车辆在正常行驶驱动时 通过线性回归滑移率和利用附着系数的关系来 估算路面附着系数 由于轮胎的有效滚动半径计算误差等因素 一名曲线 未必通过原点 令偏移量为万 名l p 假设 后 允一万 由于名 竺 的噪声比较大 i t 鲁的噪声相对较 小 可以将式子 k t a 改写为 名 万 3 1 4 把式子 3 1 4 作为卡尔曼滤波器的观测模型 则有 z a r 万 口 f 咖矗t 加 3 1 5 日 o x e 式中 x 1 k 万 r 为所要估计的状态向量 e t 为测量误差 其均 方差为仃2 观测矩阵h 阻o 1 第三章路面附着系数估算 3 2 4 基于卡尔曼滤波的路面附着系数估算仿真分析 由于卡尔曼滤波器的的收敛速度和质量受初始状态x t o 初始状态估 计值的协方差昂 测量噪声协方差冠和系统噪声协方差g 的影响 测量噪 声协方差r 可以通过对试验数据进行相关处理获得 系统噪声协方差幺的 获得比较困难 通常采用试凑法得到 而滤波初值的确定当前并没有统一的 标准 通常通过假定进行试凑 由此通过以下数据检验估算程序的准确性 完成系统噪声协方差姨 测量噪声协方差风的初步调试 3 2 4 1 仿真输入 车辆4 0 s 前行驶在沥青路面上 4 0 秒后行驶在雪路面上 输入数据取 自文献 5 0 1 图3 2 3 3 为卡尔曼滤波器的估计输入 o 3 o 2 5 o 2 j 0 1 5 o 1 o 0 5 一一 卜 o 0 f 陇 一 01 02 0 3 0 4 0 5 06 0 时间 s 图3 2 利用附着系数 3 2 4 2 卡尔曼滤波器估计结果 图3 4 估计出的斜率倒数i l k 1 2 1 1 1 0 9 8 天7 6 5 4 3 0 1 0 2 03 0 4 05 06 0 时闻 s 图3 3 滑移率名 时问 s 图3 5 估计出的偏移万 图3 4 3 5 为卡尔曼滤波估计结果 在4 0 s 前滤波器的估算结果 斜率 的倒数l l l 收敛于0 2 4 偏移万收敛于0 0 0 5 4 0 s 后滤波器的估算结果 斜 同济大学博十学位论文 率的倒数i l k 收敛于0 3 7 偏移万收敛于0 0 0 5 通过最小二乘法分别对两 段数据拟合如图3 6 可知卡尔曼滤波结果有效 但收敛时间较长 达到1 2 秒 这表明此算法不适用于车辆危险状况的实时控制 其输出量不能及时 为控制器提供所需要的控制参数 p 图3 6 最小二乘法拟合结果 3 2 5 实车试验 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 春晖 号 其整车参数表3 1 控制系统结构简图如图3 7 所示 表3 1 整车参数表 车辆参数 轴距 2 0 1 0 m m 轮距 1 2 2 6 m m 车轮转动惯量 0 8 k g m 2 空载乘坐一人 驾驶员 坐两人 左刖轮 1 0 9 k g1 3 7 k g1 3 6 k g 右前轮 1 0 6 k g1 l o k g1 3 8 k g 轮荷 左后轮 1 9 7 k g 2 3 5 k g2 4 4 k g 右后轮 1 9 3 k g2 0 3 k g2 2 3 k g 前轴 2 1 5 k g2 4 7 k g2 7 4 k g 轴荷 后轴 3 9 0 k g4 3 8 k g4 6 7 k g 第三章路面附着系数估算 总重 6 0 5 k g 6 8 5 k g 7 4 1 k g 质心到前轴距离1 2 6 7 m m 按满载计算 质心到后轴距离7 4 3 m m 按满载计算 最高时速 5 0 k m h 动力源配置4 8 v 1 4 0 a h 铅酸电池 4 节 电动轮电机 外转子直流无刷轮毂电机 额定功率 o 8 k w 峰值功率2 6 k w 额定扭矩 2 5 n m 峰值扭矩 1 5 5 n m 额定转速 3 0 0 r p m 最高转速 5 0 0 r p m 电压4 8 v 数量4 只 轮速传感器 4 只光电编码器 分辨率 每转输出脉冲数2 0 4 8 p 瓜 缈 专丢 r 删s 潲h m 伽o x 笔记本电脑 i i 一 力矩指令 i 电机力矩电机控制器 产门指令i 兰竺竺兰l 光电编码器 图3 7 试验车控制系统结构简图 轮毂电机 车轮 试验分别在沥青路面和不锈钢板路面上进行 如图3 8 3 9 所示 不锈 钢板每条长2 0 m 宽0 6 m 由轮胎在不锈钢路面上滑转测得轮胎与不锈钢路面的峰值附着系数 一约为o 1 3 而测得最佳滑移率 在0 2 0 左右 量兰奎耋量 兰 釜 田3 8 沥青路面 圈3 9 不锈锕路面 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 低附着系数路面的不锈钢路面 三种路面的峰值附着系数分别为 干沥青 0 8 09 湿沥青0 5 0 7 3 不锈钢01 3 三种路面上的卡尔曼滤波结果如表32 34 所示 袭3 2 干沥青路面条件下试验数据滤波估计结果 l 试验号 艿 k 1 0 1 70 20 0 30 1 60 40 3 0 0 0 0 5 5仉1 50 0 0 2 6 o 8 0 o o l 7 02 0 0 0 0 l 80 1 7 00 0 l 9 0 1 60 0 l l 1 0 0 2 000 0 2 第三章路面附着系数估算 表3 3 湿沥青路面条件下试验数据滤波估计结果 1 试验号 万 七 lo 1 8 o 0 0 1 2 0 2 5 0 0 0 4 3o 1 40 0 0 1 4 o 2 7 o 0 0 4 5o 1 50 0 0 2 60 2 6 0 0 0 2 7o 2 0 0 0 0 2 8o 1 90 0 0 1 90 1 6 0 0 0 2 1 0o 1 8 0 0 0 2 1 1 o 1 30 0 0 1 1 2o 2 5 0 0 0 3 1 3o 1 60 0 0 2 表3 4 不锈钢路面条件下试验数据滤波估计结果 1 试验号 6 七 lo 6 0o 0 0 1 20 4 3 0 0 1 6 3 0 4 7 0 0 0 4 4 0 5 5 0 0 0 3 50 4 5 0 0 1 7 60 4 1 0 0 0 9 7o 3 9 0 0 1 5 80 6 4 0 o o g 9o 3 9 0 0 0 6 1 0o 6 7 0 0 1 3 1 1o 5 9 0 0 1 4 3 3 同济大学博士学位论文 1 20 4 2o 1 0 0 1 30 5 60 0 0 2 由表3 1 3 2 3 3 得卡尔曼滤波路面估计结果分布如图3 1 0 所示 图3 1 0 三种路面滤波估计结果的分布图 滑移率入 图3 1 l 干湿沥青路面p 2 曲线对比 由图3 1 0 可见 不锈钢路面上的数据分布比较分散 但是能够与沥青 第三章路面附着系数估算 路面明显区分 而干湿沥青路面的区别并不明显 分析干湿沥青路面难以区 分的原因可能是轮毂电机最大驱动力矩较小 因而利用附着系数仅仅能达到 o 2 5 这样试验中干湿沥青路面上的 一力曲线仅可位于图3 1 l 中的b 区 在该区域内干湿沥青路面上 一五曲线的斜率相差不大 在a 区内斜率才有 较大差异 因而试验结果无法区分干湿沥青路面 由试验结果可以看出基于卡尔曼滤波的路面附着系数估算技术 响应速 度 滞后约2 s 和估算精度都较差 难以实现在线辨识的目的 但是它在 一定程度上能够区分路面附着特性 估算结果对车辆巡航控制 交通指挥将 有一定的指导作用 3 3 基于车轮响应特性的路面附着系数估算方法 基于 一a 曲线斜率的路面附着系数估算方法需要知道轮胎的滑移率名 四轮驱动车辆没有非驱动轮 因而准确的车速信息就难以获得 基于 一2 曲 线斜率的路面附着系数估算方法也就难以在四轮驱动车辆上得到应用 下面 利用电机驱动力矩能够快速准确获得的特点对路面附着系数进行估算 3 3 1 估算使用的单轮车辆模型 为了便于推导 这里使用第二章建立的两自由度单轮车辆模型进行理论 分析 各种路面上的 一名曲线如图2 2 所示 当驱动力矩突然增大或者路面 峰值附着系数突然变小时 滑移率会迅速增大 利用附着系数 由 一2 曲 线的稳定区进入非稳定区 路面驱动力e 减小 同时随着滑移率的增大 轮胎的侧向附着性能也变差 车辆稳定性降低 在小的外力扰动下就会失稳 因而要避免车轮大滑移率的出现 3 3 2 附着系数估算算法 当轮胎处于 一名曲线的稳定附着区域 且利用附着系数远小于当前路 面的峰值附着系数时 我们可以不必关心路面附着系数的大小 只要在轮胎 的利用附着系数接近于 一兄曲线的峰值时 控制系统能够对该附着状态和 附着系数进行识别 并快速控制电机驱动力矩 防止车轮滑转和车辆失稳即 可 所以首先要对车辆行驶状态进行估计 当系统判断轮胎即将达到 一五 同济大学博十学位论文 曲线的峰值时 对利用路面附着系数进行估算 将估算结果作为路面峰值附 着系数 并根据该附着系数对车辆驱动力矩进行控制 在忽