[发明专利]一种基于卡尔曼滤波和最小二乘法的车辆路面附着系数估计方法

权利要求书

1.一种基于卡尔曼滤波和最小二乘法的车辆路面附着系数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、基于车辆动力学模型对车辆的状态参数进行求解；

步骤二、基于卡尔曼滤波估计出车辆行驶过程中轮胎受到的轮胎力；

步骤三、采用最小二乘法对路面附着系数进行了估计；

步骤四、通过斜率法对步骤三中低滑移率下的路面附着系数估计结果进行修正；

步骤一中所述状态参数包括车速、制动压力、前轮转角、轮胎滑移率、侧偏角和车轮垂向力；所述车速、制动压力、前轮转角由传感器获得；所述轮胎滑移率、侧偏角和车轮垂向力由车辆动力学模型计算出；

所述轮胎滑移率、侧偏角和车轮垂向力由车辆动力学模型计算的具体方法如下：

11)建立包含车辆纵向、侧向和横摆运动的三自由度模型，得车辆动力学模型方程为：

ma_x＝[cosδ cosδ 1 1 -sinδ 0]F_tire (1)

ma_y＝[sinδ sinδ 0 0 cosδ 1]F_tire (2)

式中，F_tire＝[F_xfl F_xfr F_xrl F_xrr F_yfF_yr]^T表示轮胎力集合；F_xfl表示前左轮纵向力；F_xfr表示前右轮纵向力；F_xrl表示后左轮纵向力；F_xrr表示后右轮纵向力；F_yf＝(F_yfl+F_yfr)表示前轮总侧向力；F_yr＝(F_yrl+F_yrr)表示后轮总侧向力；F_yfl表示前左轮侧向力；F_yfr表示前右轮侧向力；F_yrl表示后左轮侧向力；F_yrr表示后右轮侧向力；m表示整车质量，a_x表示车辆纵向加速度；a_y表示车辆侧向加速度；δ表示车辆前轮转角；I_z表示车辆绕z轴的转动惯量；l_f表示车辆质心到前轴距离；l_r表示车辆质心到后轴距离；t_w表示轮距；表示车辆质心处横摆角加速度；

12)根据动力学平衡关系得到车轮的动力学方程为：

式中，i＝fl，fr，rl，rr分别表示对应的前左车轮，前右车轮，后左车轮和后右车轮；I_wi表示轮胎旋转惯性质量；表示车轮转动角加速度；T_di表示车轮的驱动转矩；T_bi表示车轮的驱动转矩与制动转矩；F_xi表示车轮受到地面的纵向反作用力；r表示车辆滚动半径；T_Fi＝(a+bv_i)F_zir表示车轮受到的滚动阻力矩；a和b表示滚动阻力系数参数值；v_i表示车轮中心处的纵向速度；F_zi表示车轮受到地面的垂向反作用力；

13)智能电动汽车的四轮驱动力矩可以表示为：

式中，T_dfl表示前左车轮的驱动转矩；T_dfr表示前右车轮的驱动转矩；T_drl表示后左车轮的驱动转矩；T_drr表示后右车轮的驱动转矩；T_e表示整车动力电机输出转矩；i₀表示传动系的传动比；η_t表示传动系的传动效率；

14)车辆制动过程中由制动力形成的制动力矩表示为：

T_bi＝k_biP_wi (6)

式中，i＝fl，fr，rl，rr分别表示对应的前左车轮，前右车轮，后左车轮和后右车轮；T_bi表示车轮的制动转矩；k_bi表示制动效能因数；P_wi表示轮缸制动压力；

15)车轮受到地面的垂向反作用力与车辆加速和减速形成的惯性力存在关系，表示为：

式中，F_zfl表示前左车轮受到地面的垂向反作用力；F_zfr表示前右车轮受到地面的垂向反作用力；F_zrl表示后左车轮受到地面的垂向反作用力；F_zrr表示后右车轮受到地面的垂向反作用力；m表示整车质量；a_x表示车辆纵向加速度；a_y表示车辆侧向加速度；l_f表示车辆质心到前轴距离；l_r表示车辆质心到后轴距离；h_g表示质心高度；t_w表示轮距；

16)选用前左轮纵向力，前右轮纵向力，后左轮纵向力，后右轮纵向力，前轮总侧向力，后轮总侧向力，前左车轮转动角速度，前右车轮转动角速度，后左车轮转动角速度，后右车轮转动角速度和车辆质心处横摆角速度为系统状态变量，即选用车辆纵向加速度，车辆侧向加速度，前左车轮转动角速度，前右车轮转动角速度，后左车轮转动角速度，后右车轮转动角速度和车辆质心处横摆角速度为系统输出，那么得到车辆动力学空间方程为：

式中，X表示系统状态变量；表示系统状态变量的微分；u表示系统输入；Φ表示系统状态变量矩阵；B表示系统输入矩阵；Y表示系统输出；H表示系统输出矩阵，且有：

H_x＝[cosδ cosδ 1 1 -sinδ 0]，

H_y＝[sinδ sinδ 0 0 cosδ 1]，

式中，Φ表示系统状态变量矩阵；B表示系统输入矩阵；H表示系统输出矩阵；r表示车辆滚动半径；I表示单位矩阵；T_dfl表示前左车轮的驱动转矩；T_dfr表示前右车轮的驱动转矩；T_drl表示后左车轮的驱动转矩；T_drr表示后右车轮的驱动转矩；T_bfl表示前左车轮的制动转矩；T_bfr表示前右车轮的制动转矩；T_brl表示后左车轮的制动转矩；T_brr表示后右车轮的制动转矩；I_wfl表示前左车轮的轮胎旋转惯性质量；I_wfr表示前右车轮的轮胎旋转惯性质量；I_wrl表示后左车轮的轮胎旋转惯性质量；I_wrr表示后右车轮的轮胎旋转惯性质量；I_z表示车辆绕Z轴的转动惯量；H_x表示纵向力矩阵；H_y表示侧向力矩阵；表示横摆角矩阵；l_f表示车辆质心至前轴的距离；l_r表示车辆质心至后轴的距离；δ表示车辆前轮转角；t_w表示轮距；m表示整车质量；T_Ffl表示前左车轮受到的滚动阻力矩；T_Ffr表示前右车轮受到的滚动阻力矩；T_Frl表示后左车轮受到的滚动阻力矩；T_Frr表示后右车轮受到的滚动阻力矩；

17)采用刷子模型表征车辆轮胎的纵向力和车辆轮胎的侧向力之间的联系，表示为：

式中，i＝fl，fr，rl，rr分别表示对应的前左车轮，前右车轮，后左车轮和后右车轮；F_xi表示车轮受到地面的纵向反作用力；F_yi表示车轮受到地面的侧向反作用力；C_xi表示轮胎的纵向刚度；C_αi表示轮胎的侧向刚度；κ_i表示轮胎的滑移率；α_i表示轮胎侧偏角；f_i表示刷子模型刚度系数；F_ti表示刷子模型表征力；μ表示路面附着系数；F_zi表示车轮受到地面的垂向反作用力；

18)根据车轮旋转角速度、前轮转角、车速以及车辆结构参数，计算各个轮胎的滑移率：

式中，κ_fl表示前左轮滑移率；κ_fr表示前右轮滑移率；κ_rl表示后左轮滑移率；κ_rr表示后右轮滑移率；ω_fl表示前左轮转动角速度；ω_fr表示前右轮转动角速度；ω_rl表示后左轮转动角速度；ω_rr表示后右轮转动角速度；r表示车辆滚动半径；v_x表示车辆纵向速度；v_y表示车辆侧向速度；t_w表示轮距；δ_fl表示车辆前左轮转角；δ_fr表示车辆前右轮转角；l_f表示车辆质心到前轴距离；表示车辆质心处横摆角速度；

19)智能电动汽车在行驶过程中，对应轮胎侧偏角为：

式中，α_fl表示前左轮轮胎侧偏角；α_fr表示前右轮轮胎侧偏角；α_rl表示后左轮轮胎侧偏角；α_rr表示后右轮轮胎侧偏角；表示车辆质心处横摆角速度；l_f表示车辆质心到前轴距离；l_r表示车辆质心到后轴距离；δ_fl表示车辆前左轮转角；δ_fr表示车辆前右轮转角；β表示车辆质心侧偏角；v_x表示车辆纵向速度；