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XKA5750
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XKA5750型数控铣床主传动系统设计,XKA5750,数控,铣床,传动系统,设计
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黄河科技学院毕业设计（文献翻译） 第15 页基于车辆动力学稳定性控制的轮胎参数实时观测摘要：车辆动力稳定性控制系统（DCS）的性能主要由对轮胎受力的准确实时的估计决定。轮胎受力的特点是由轮胎的动态特性和参数决定，而它们又会随着工作环境的不同在很大程度上发生明显的变化。目前，已经有许多基于非线性观测器来估计轮胎动力和动态参数的方法，但是由于它们计算复杂而且没有很好的考虑四个轮子在转向操纵条件下的动态差异，因此它们只用于离线分析。本文提出了一个新的算法，用于在（DCS）实时控制器中观察轮胎的参数。这是一种基于传感器的算法依靠来自DCS传感器的信号融合技术，通过一组机动的程序来实现轮胎参数的估计。在控制周期内校准轮胎参数被视为车辆动态观察的基本阶段，其中计算和测量的车辆动态误差被用作轮胎参数观测过程中的修正因素。在一个给定的加速度下沿着直线运动的测试过程被用来验证纵向刚度的估计方法，而在一个给定的转向角度的测试过程则被用来验证侧偏刚度的估计值。地面测试的结果表明，该算法可以准确的估计轮胎的刚度，并且由于实时控制器只使用了DCS传感器的信号，因此该算法计算成本可以接受。这一算法可以成为车辆动态稳定性控制系统在轮胎动态参数估计方面的一个高效的算法，并可用来改善DSC控制器的鲁棒性。关键词：轮胎，纵向刚度，侧偏刚度，车辆动力学稳定性1简介随着汽车底盘主动控制技术的发展，精确调整横向和纵向轮胎受力的分布和范围已经成为提高轮胎动态稳定性的一种重要方法。动态控制系统如：防抱死制动系统（ABS），牵引力控制系统（TCS），动态稳定控制（DSC），的动态干预效果由轮胎与路面的摩擦值决定1。VAN ZENTAN2首先解释了基于基本轮胎力估计逻辑的DCS控制逻辑，哈托利等人3进一步开发了基于轮胎力非线性最佳分布控制的车辆动态管理系统。显然对轮胎力的准确估计已经成为上文提到的动态控制系统中的关键环节。考虑到计算的复杂性和轮胎力估算方法的成本，简化参数的轮胎模型是最常使用的方法4。轮胎的参数，尤其是纵向和侧偏刚度，决定了轮胎受力估计的精度。KIN5等人根据轮胎数据地图来估计轮胎力，但是这种方法不能有效的补偿气压，温度，材料老化，轮胎的使用趋势这些因素的影响作用。VAN ZENTAN2通过简化的HSRI轮胎模型来估计轮胎的受力。这些动态状态可以通过DCS控制的实时控制环节获得6。如果这些轮胎参数是通过DCS传感器在车辆动态控制器中观测的，那么就可能实现轮胎受力的精确估计了。一些研究小组已经提出了在车辆动态控制中观察轮胎参数的各种方法。RAY7通过扩展卡尔曼-布西滤波（EKBF）来获得轮胎参数。在这之后，李等人8用-slip关系来估计摩擦力，即便是轮胎工作在较大的滑移率下。PASTERKAMP等人9通过神经网络的方法来估计轮胎的受力。在基于效果的对 max 的预测中可能用到这些方法。然而这些方法没能考虑到由四个轮子的单个主动控制，不同的垂直负载，或在DCS控制下的不平路面摩擦而引起的四个轮子之间的动态差异。同时由于计算复杂这些方法只用于离线分析。RYU10使用差分全球定位系统（DGPS）来估计纵向刚度。他提出了基于GPS的轮胎侧偏刚度的实时识别办法。但在车辆动态控制中差分全球定位系统由于其高成本而不被使用。考虑到车辆动态状态估计是DCS控制器中的一个基本组成部分，可以通过DCS的控制环节或者DCS传感器例如：轮速传感器，陀螺仪传感器，转向角传感器获得车辆和轮胎的动态状态。轮胎参数观测器可以集成到DCS控制器中，从而实现与轮胎相关的名义控制模型的实时自适应调整。为了构建轮胎纵向和侧偏刚度的观测器，由四个轮子的纵向和横向的动态及负载转移引起的差异要在论述中进行补偿。基本的规则是：通过基于某个轮胎的打滑率的变化的纵向动态传感机制来实现纵向刚度的检测。侧偏刚度则可以通过联合励磁支路在一个给定的转向操纵中来实现检测。车辆和轮胎的动态状态可以通过DCS控制器获得；这些相关状态的观测逻辑在本文中只作了简短的描述。相关的横向车辆和轮胎模型在第2节中论述。纵向刚度观测器在第3节中论述。侧偏刚度在第4节中论述。最后，实车测试结果在第5节给出。2车辆和轮胎模型一个七自由度的车辆动力学模型（图1）包括纵向，横向，偏航运动和四个轮子的旋转，可能反映了负荷转移的影响以及单个轮子在主动制动控制下的动态特性。该模型可以描述车辆的平面转向的动态。这些相关的动态状态也可以用DCS传感器测量或估计。因此，该模型适合于轮胎动态观测器。该模型的相关参数在表1中列出图1.七自由度四轮车辆模型表1.被测车辆模型的相关参数动动力学方程可以表述如下： mvx-vy=Fx11+Fx12cosw-Fy11+Fy12sinw+Fx21+Fx22,（1） mvy+vx=Fx11+Fx12sinw+Fy11+Fy12cosw+Fy21+Fy22,(2)Jv=Fy11+Fy12acosw-Fy11-Fy12bsinw-Fy21+Fy22c-Fx11+Fx12asinw-Fx11-Fx12bcosw-Fx21-Fx22b（3）.车轮的动力学方程是：Fxij=TwijR-McalhalfR+JwijRdwwhlijdt,(4)在这里i,j（i，j=1,2）代表了不同的轮子。Fx和Fy分别是轮胎在纵向和横向受的力。vx和vy分别代表轮胎横向和纵向的速度。表示车辆的偏转率。dw代表前轮的转角。Tw代表车轮的制动力矩。Mcalhalf 表示驱动力矩，可以从引擎控制系统获得。Wwhl是车轮的角速度。VAN ZENTEN根据Dugoff轮胎模型提出了DCS中轮胎受力估计的逻辑，可以用轮胎动态状态实时控制中的一个简单的关系来描述非线性摩擦性能。并且根据Dugoff轮胎模型中描述的关系，可以很容易的根据轮胎的纵向受力推导出其横向受力。因此Dugoff轮胎模型是车辆动态控制系统中合适的轮胎模型。该模型表示如下：Fx=1-C,H12 1-C1H-14H2,H12（5） Fy=11-Ctan,H12 1-C1H-14H2tan,H12 （6）这里H是综合的滑动参数，C 和C分别代表轮胎的纵向刚度和侧偏刚度，和分别代表轮胎的滑移率和滑移角。3轮胎的纵向刚度观测器Dugoff轮胎模型应用在纵向刚度观测器中。为了估计结果的精确性轮胎的受力应该定义在轮胎道路摩擦曲线的线性区域。CARLSON等人曾经提出了一种轮胎纵向刚度观测方法，在该方法中轮胎的半径和刚度同时被估计，但前提是假设左右轮的动态是一样的。但是在实时观测中，轮胎的半径可以很容易的测得，然而轮速波动和噪声可能会因为路况的不同而有明显的差异。所以在认为四个轮子的半径和轮胎的类型是一样的情况下四个轮子的动态必须包含在观测过程中。如果一个车轮的滑移率低于5，则轮胎的纵向受力与滑移率的关系可以表示为线性如下：Fxij=Cijij1-ijCijij.7将驱动轮的在驱动状态下的滑动率定义如下：ij=-vx-Rwfijvx,(8)当车辆沿直线运动时，轮胎的纵向刚度可以逐个观测。如果车辆运行的速度低则空气动力学和滚动阻力的影响可以忽略不计。因此车辆在水平地面的纵向运动方程可由式（1）简化：mvx=i,j=12Fxij(9)假设前面轮胎的纵向轮胎刚度是相同的，则只用考虑前轮的驱动力。纵向方程是基于式（7）（9），可表示如下：vx=-1m wwh1mvx2CfRCf(10)这里sign表示测量或检测状态。轮速传感器可以测量车轮的转角u 然后令wwhij=u,则vx=14Ri,j=12wwhij=14Ri,j=12uij, vx=14Ri,j2uij . (11)在DCS控制系统里，控制器可以在时间间隔T通常情况下为10毫秒内，通过轮速脉冲捕获转角运动并且计算轮速。那么，uk=uk+2-uk2T , uk=uk+2-2uk+1+uk2T2. (12)在即时参数k下，车速和车辆纵向加速度的错误可能被包含在估计值中。则uk=uk+uk,vxk=vxk+vxk,axk=vxk=vxk+2-vxk2T=axk+axk. (13)从式子（10）-（13），纵向的方程可以表述如下：ax1m u11+u12mvx2CRfC=-ax+0 vxu11+u12-u11+u12vxmvx+vxvx2CRfC. (14)上述方程是纵向刚度的线性观测方法，可以用最小二乘发来计算C和Rf。乘项的错误可表述如下：vxu11+u12-u11+u12vxmvx+vxvx,这往往会使参数估计出现偏差，为了克服这样的错误vx只能由两个自由的后轮推导出来。那么，uk=uk+uk， vxkRrw21+w222=Rru21+u21+u22+u222 , axk=vxRrw21+w222=Rru21+u21+u22+u222. (15)由式（10），该方程可转化为： f=mvx-i,j=12Fxij=mvx-Cfvx-Rfw11vx+Cfvx-Rfw12vx=0. (16)将式（16）乘以vx，用式（15）代替vx和vx我们就得到：f=mRr24+u21+u21+u22+u22u21+u21+u22+u22 -CfRru21+u21+u22+u22-Rfu11+u11+u12+u12=0.(17) 在实际的测试中，轮胎的半径变化较小几乎可以看做保持不变。Rr 和 Rf可以看做不变，以减少计算的复杂性。那么在即时参数k下，式（17）可表述为以下方便的形式：fku11,u12,u21,u22,u11,u12,u21,u22,Cf=0.(18)来自DCS传感器的检测信号的错误，例如：轮速和纵向速度估计值，可能被视为独立的零均值IZM噪声。为了使测量误差平方后的总值最小，这个问题将转化为利用检测到的IZM噪声来找出正确的参数。那么式（18）可表述如下：minu11;u12;u21;u22, s.t. fku11,u12,u21,u22,u11,u12,u21,u22,Cf=0.(19)为了降低实时控制器的计算复杂程度，观测器可以划分成两个级联的观测器。先估计Vx，再估计纵向刚度。初试值有一个给定的常用范围：CminCCmax。式（19）可简化为：minu11;u12, s.t. fku11,u12,u11,u12,CfCminCfCmax. =0(20)观测器可以和DSC控制算法集成在一块。如果控制器得到检测纵向刚度的命令，那么驱动程序将被告知以温和的加速和减速操作驱动车辆沿直线运动。根据检测到的转向角，控制器可以判断车辆是否在一条直线上。如果符合要求，控制器将会存储给定时间内的轮速，纵向速度和加速度。然后计算出C。观测过程可通过图2说明。图2轮胎纵向刚度观测示意图4轮胎侧偏刚度的检测侧偏刚度可以在自由滑行时的一个转向操作中检测。前轮的驱动力被视为0。如果前轮的转角很小，那么车辆的动力学方程可由式（2）-（3）推导出。则只需估计前轮的侧偏刚度：mcvy+vx+Jv=LFy11+Fy12+Fy12-Fy11bw.(21)如果侧偏角不超过5度，线性的水平轮胎力可以用HSRI轮胎模型来估计，并且认为两轮的侧偏角是相等的。式（21）可进一步简化如下： vy+vx+Jvmc=2LmcCff.(22)我们可以定义：f=w.-+avx,vy=ay-vx,=vyvx.(23)如果用集成的方法计算侧偏角，那么只要整合的时间足够长累积得错误就会大幅增加。因此，用衰减系数（1）缩减错误。那么：vyk=ay-fk-vrefkfk-vyk. (24)用到了复化梯形积分：vyk+1=vyk+ay-fk-vrefkfk-vykT.(25)考虑到转向角的测量误差，水平加速度，偏航率以及轮速，式（22）可表示如下：S= ay+ ay+12Rru21+21+u22+22+Jvmc+-2LmcCfw.+w.-+2a+u21+21+u22+22=0.(26) vx是由自由滚动的车轮的轮速信号计算得出的。如果车辆处于自由滑行时的转向操作中，那么vx可以被看作侧偏刚度检测中的一个独立参数。因此，侧偏刚度检测器是一个级联的观测器。首先，检测vy（或侧偏角），然后检测侧偏刚（26）可简化下：S= ay+ ay+vx+Jvmc+-2LmcCfw.+w.-+a+vx=0(27)加上一个即时参数k，式（27）可简便的表述如下：Skay,ay,Cf=0.(28)为了降低计算的复杂度围绕轮胎刚度的的常用范围CminCfCmin给出了恰当的初始值。那么非线性估计方程如下：minay, s.t. Skay,ay,Cf=0,CminCfCmax. (29)该检测过程如图3所示：图3轮胎侧偏刚度的概略图观测器可以和DCS控制算法集成在一块。如果控制器得到检测偏转刚度的命令，那么驱动程序将以一个温和的转角驱动车辆；为了控制水平加速度，纵向速度必须适应转向角。这样轮胎就能够在水平方向上工作在线性区域内。根据测量到的转向角，偏航率以及水平加速度控制器就能够判断汽车是否以一个适应的方式运行。如果条件满足，该控制器将在给定的时间内存储这些相关数值。然后观测器开始计算C5在线测试受力检测器集成在DCS控制器里，当驱动程序以某一给定操作驱动车辆，就会有一个子程序来校准轮胎的刚度。5.1纵向刚度的验证首先，在操纵过程测试中观测轮胎的纵向刚度。让车辆沿直线加速，加速度ax 范围是03m/s2典型的数据集如图4所示。在测试中有两个加减速周期。DCS传感器测量四个轮子的转角。然后可以通过有限差分的方法推导出纵向速度和加速度。接着可以利用式（20）来估计纵向刚度。图4为观测Cf设置的典型数据正如图5所示，分别基于线性和非线性观测器来估计纵向刚度。进行不同初始值得反复试验：估计值列于表2.非线性观测器更为精确并且硝化数量比线性的小。轮胎的类型是米其林MXV8-205/55R16-91V。垂直载荷约是4120N。车辆和轮胎的参数由华晨汽车有限公司和米其林提供。图5基于通过线性和非线性方法纵向刚度估计表2纵向刚度估计值5.2侧偏刚度验证为了观测侧偏刚度，设置了如下试验：（1）转向角输入是固定的，车辆绕一半径约为16m的圆运行。（2）转向角，偏航率，横向加速度及轮速通过DCS传感器测量。（3）车辆的滑动角通过式（23）和(25)估计。估计逻辑也集成在DCS控制器中。（4）检测器收集典型的数据集并计算出侧偏刚度。测试数据集如图6所示，侧偏刚度的估计如图7所示。来自三项非线性观测的估计值列于表3。因为车辆是稳定的并且DCS控制器在测试的过程中是未激活状态，所以计算轮胎刚度的计算能力是足够的。控制器的主芯片是英飞凌XC2000，控制周期为40ms。控制器的计算时间是9ms。纵向刚度的估计过程可能在10ms内完成，侧偏刚度的估计过程可能在15ms内完成。因此整个轮胎参数的估计过程将很容易在DCS实时控制器中实现。图6为观测侧偏刚度设置的测试数据图7侧偏刚度估计值表3侧偏刚度的估计值（w= 0.16rad）6结论（1）利用DCS传感器获得的信号和直接从DCS控制器获得的一些相关的车辆动态状态轮胎刚度参数，在提出的观测方法中通过一个给定的校准操作过程可实现轮胎刚度参数的估计。（2）轮胎纵向刚度和侧偏刚度的计算复杂程度在实车测试中的到了验证。结果表明该估计算法可用在实时控制器中。（3）校准操纵过程很简单，并且当车辆在普通驾驶状态下运行时控制器可以很容易的激活估计算法。（4）轮胎参数估计的精度并不依赖于车辆和轮胎模型。该算法可以集成在DCS控制算法中来提高鲁棒性。参考文献：1 LI Liang，LI Hongzhi，SONG lian，et a1Road friction estimation under complicated maneuver conditions for active yaw controlJChinese Journal of Mechanical Engineering,2009，22(4)：5145202 VAN ZANTEN A TControl aspect of Bosch-VDCCThe3rd International Symposium on Advanced Vehicle Control Aachen, Germany1 996：5736073HAITTOR1 H，KOIBUCHI K，YOKOYAMA TForce and moment contr01 with nonlinear optimum distribution for vehicle dynamicsCThe 6th International Symposium on Advance
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