[发明专利]一种基于滑模观测器的车辆非转向左后轮线速度估计方法

摘要

本发明提出了一种基于滑模观测器的车辆非转向左后轮线速度估计方法，适用于前轮为转向轮、后轮为非转向轮的四轮汽车左后轮线速度估计。本方法首先对非转向左后轮建立车轮动力学模型，然后基于此模型设计了左后轮线速度滑模观测器，再根据稳定性原理确定滑模观测器的各增益，接着对设计好的左后轮线速度滑模观测器进行离散化处理，最后通过滑模观测器的估计递推实现了对车辆非转向左后轮线速度的准确估计，具有抗干扰能力强、精度高、成本低以及实时性强的特点。

主权项

1.一种基于滑模观测器的车辆非转向左后轮线速度估计方法，其特征在于：具体步骤如下：1）建立非转向左后轮线速度滑模观测器当车辆加速或匀速运行时，对于左后轮，采用车轮动力学模型，该模型的状态空间方程为：x·1=f1(x1,x2)+TlRJlx·2=f2(x1,x2)---(1)]]>式（1）中x₁和x₂是滑模观测器的状态量，并且x₁＝ω_lR，ω_lR表示左后轮的角速度，表示左后轮的线速度,T_lR为左后轮的扭矩，J_l为左后轮转动惯量，f1(x1,x2)=-RlRClxJl(1-x2RlRx1),]]>f2(x1,x2)=Clxml(1-x2RlRx1).]]>在f₁(x₁,x₂)和f2(x₁,x₂)的表达式中，R_lR为左后轮的有效半径，C_lx为左后轮的纵向轮胎刚度，m_l为左后轮1/4车辆模型的等效质量；左后轮角速度x₁可以通过角速度传感器测得，而左后轮线速度x₂无法直接测得，需要通过滑模观测器进行估计；对式（1）所示车轮动力学模型，建立如下的滑模观测器模型：x^·1=f1(x^1,x^2)+l1s1+k1sgn(s1)x^·2=f2(x^1,x^2)+τ1sgn(s1)---(2)]]>式（2）中，和分别表示x₁和x₂的估计值，l₁是滑模面之外的误差收敛增益，k₁和τ₁则表示滑模面上的误差收敛增益，sgn(.)表示sign函数，滑动函数s₁定义为可测量状态x₁和观测器估计值之间的差值，即：s1=x1-x^1---(3)]]>当车辆减速运行时，对于左后轮，采用车轮动力学模型，该模型的状态空间方程为：x·3=f3(x3,x4)+TlRJlx·4=f4(x3,x4)---(4)]]>式（4）中x₃和x₄是滑模观测器的状态量，并且x₃＝ω_lR，f3(x3,x4)=-RlRClxJl(RlRx3x4-1),]]>f4(x3,x4)=Clxml(RlRx3x4-1);]]>左后轮角速度x₃可以通过角速度传感器测得，而左后轮线速度x₄无法直接测得，需要通过滑模观测器进行估计；对式（4）所示车轮动力学模型，建立如下的滑模观测器模型：x^·3=f3(x^3,x^4)+l2s2+k2sgn(s2)x^·4=f4(x^3,x^4)+τ2sgn(s2)---(5)]]>式（5）中，和分别表示x₃和x₄的估计值，l₂是滑模面之外的误差收敛增益，k₂和τ₂则表示滑模面上的误差收敛增益，sgn(.)表示sign函数，滑动函数s₂定义为可测量状态x₃和观测器估计值之间的差值，即：s2=x3-x^3---(6)]]>为了避免符号函数引起过度的震荡，在实际估计过程中，上述式（2）和式（5）中出现的sgn(.)函数用下面的sgn_eq(.)函数取代，sgn_eq(s₁)＝tanh(μs₁)sgn_eq(s₂)＝tanh(μs₂)                       （7）其中tanh(.)是双曲正切函数，μ是一个用来调整双曲正切函数倾斜度的设计参数；2）确定滑模观测器的各个增益对于式（2）和式（5）所表示的滑模观测器，增益l₁、k₁、τ₁、l₂、k₂和τ₂由下面的式子确定l1>∂f1∂x1,k1>|∂f1∂x2x~2|+|TlRJ1|+η1---(8)]]>l2>∂f3∂x3,k2>|∂f3∂x4x~4|+|TlRJl|+η2---(9)]]>τ₁＝τ₂＝0                                                      （10）式（8）和式（9）中，表示f₁(x₁,x₂)对x₁求偏导数，表示f₁(x₁,x₂)对x₂求偏导数，表示f₃(x₃,x₄)对x₃求偏导数，表示f₃(x₃，x₄)对x₄求偏导数，η₁和η₂为任意给定的正数；3）进行离散化的估计递推在实际的估计过程中，需要采用离散化的估计递推形式，为此将加速或匀速情况下左后轮线速度滑模观测器式（2）和减速情况下左后轮线速度滑模观测器式（5）进行离散化处理；在车辆加速或匀速情况下，左后轮线速度滑模观测器式（2）的离散化形式为：x^1(k)=x^1(k-1)-TRlRClxJl(1-x^2(k-1)RlRx^1(k-1))+Tl1(ωlR′(k-1)-x^1(k-1))+Tk1tanh(μωlR′(k-1)-μx^1(k-1))x^2(k)=x^2(k-1)+TClxml(1-x^2(k-1)RlRx^1(k-1))---(11)]]>在车辆减速情况下，左后轮线速度滑模观测器式（5）的离散化形式为：x^3(k)=x^3(k-1)-TRlRClxJl(RlRx^3(k-1)x^4(k-1)-1)+Tl2(ωlR′(k-1)-x^3(k-1))+Tk2tanh(μωlR′(k-1)-μx^3(k-1))x^4(k)=x^4(k-1)+TClxml(RlRx^3(k-1)x^4(k-1)-1)---(12)]]>在式（11）和式（12）中，k表示离散化时刻，T表示离散的周期，ω′_lR表示通过角速度传感器测得的左后轮角速度，表示加速或匀速情况下估计的k时刻左后轮线速度，表示减速情况下估计的k时刻左后轮线速度。