[发明专利]轮胎-路面附着系数与轮胎侧偏角的估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种车辆安全性测试技术，特别涉及一种基于非线性滑模观测器的轮胎-路面附着系数与轮胎侧偏角的估计方法。

背景技术

车辆稳定性控制一直是车辆主动安全性研究的热点，一般而言，各种驾驶辅助系统与主动安全产品实现其功能，都需要轮胎与路面接触相互作用的信息，其中关键参数是轮胎-路面接触的附着系数和轮胎的侧偏角。若已知附着系数与轮胎侧偏角等信息，根据轮胎数学模型就能推算出轮胎与路面接触产生的相互作用力。然后设计不同的控制算法，实现各种车辆稳定性控制的功能。

目前工程中虽有能够直接测量轮胎路面附着系数的传感器，但是受限于传感器成本、测量精度以及测量稳定性较差等原因，无法在量产车中推广使用。因此，在设计车辆稳定性控制系统时，一种方式是通过实验获得附着系数与相关参数之间的确定性关系，利用可测信息推算附着系数，例如在ABS系统中，先确定滑移率与附着系数关系曲线，利用已知的滑移率来计算附着系数。这种方式有其一定的适用性，但实验中获得的数据是在特定条件下获得，而影响轮胎-路面附着特性的因素很多，因此运用这种方式，在外部环境改变时，就很难得到准确的附着系数。

另一种方式是采用估计的方式获得附着系数。现有的方法大至可分为：检测道路表面情况，基于激励(cause-based)的方法,例如运用视觉、温度传感器，检测道路表面积水、冰或是雪地路面，间接获得附着系数；另一种，称之为基于运动响应效果(effect-based)的方法,这种方法运用车辆、轮胎的动力学特性，推导路面附着系数与车辆运动行为的关系，通过现有的车辆控制系统硬件（例如EPS、ABS、AFS等）来获取车辆运动参数，利用相关算法估计附着系数。轮胎力与路面附着系数同时与一些无法控制的环境因素密切相关，例如气温，胎面磨损情况，垂向载荷，胎压等。往往这些环境因素难以检测，基于激励的方法无法将这些因素的影响表现出来。同时，相比后者能够从现有系统获取需要的车辆运动状态信息而言，基于激励的方法需要额外增设检测设备，检测成本相对较高。因此，现在的路面附着系数估计的研究更多倾向于基于效果的方法。

发明内容

本发明是针对现在车辆主动安全性研究中轮胎-路面附着特性难测量并且运动信息提取费用高的问题，提出一种轮胎-路面附着系数与轮胎侧偏角的估计方法，以非线性滑模观测器和轮胎回正模型为基础，以鲁棒稳定性为设计指标，能够保证系统获得准确的轮胎-路面附着系数和轮胎侧偏角估计值。

本发明的技术方案为：一种轮胎-路面附着系数与轮胎侧偏角的估计方法，具体包括如下步骤：

1）建立车辆动力学模型；

2）选择轮胎回正模型，通过转向机构模型推导出轮胎自回正力矩数学模型；

3）设计滑模观测器方程如下：

 

式中是观测器增益矩阵，为状态估计值，为系统输入，为估计输出值，为测量值与估计值之差，为符号函数；

设系统的状态为：,输出是，为轮胎侧偏角，为路面附着系数，为侧向加速度，为总回正力矩，将系统状态代入到步骤1），在其硬件平台的基础上，由侧向加速度传感器得到，可由步骤2）中的自回正力矩数学模型推算出；

4）选择合适的观测器增益矩阵，将设计的滑模观测器代入系统，与的测量值与估算值差为误差系统，误差系统趋于零对轮胎-路面附着系数和轮胎侧偏角进行估计。

所述步骤1）车辆动力学模型采用单轨车辆模型，建立车辆侧向及横摆运动的动力学方程：

                       

轮胎侧偏角运动学方程： 

 

                              

其中，为整车质量，、为质心到前后轴的距离，为侧向加速度，和分别为纵向车速和侧向车速，为质心车速，、为前后轮质心速度，、、和分别为前后轮胎的纵向力和侧向力，为横摆转动惯量，和为横摆角速度和质心侧偏角，和为前后轮侧偏角，为前轮转角。

所述步骤2）中轮胎回正模型为Fiala刷子轮胎模型，轮胎的非线性特征为

                   

其中，，，，为轮胎侧向力，为轮胎回正力矩，c为车轮与地面接触长度的一半，为轮胎侧偏角，为附着系数，为轮胎垂载荷，为轮胎侧偏刚度；

自回正力矩用惯性-阻尼数学模型来描述：