CN116901982A - 一种面向车辆质心侧偏角高性能获取的切换策略构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向车辆质心侧偏角高性能获取的切换策略构造方法，利用贝塞尔滤波器对侧向加速度信号进行时延滤波，一路经可靠性检验后作为运动学方案的输入，另一路作为切换策略的输入；在切换策略过程中，对滤波处理后的信号进行中值滤波，得到a_yf，比较|a_yf|和阈值a_yT的大小：|a_yf|≤a_yT时，采用运动学方案获取车辆质心侧偏角，|a_yf|>a_yT时，采用动力学方案获取车辆质心侧偏角，最终实现车辆质心侧偏角获取在运动学和动力学方案之间的高效切换。本发明不仅可以规避动力学方案中非线性轮胎建模难度大的问题，而且可以实现对运动学方案中累积误差的有效清除。

Description

一种面向车辆质心侧偏角高性能获取的切换策略构造方法

技术领域

本发明属于车辆系统关键信息感知领域，尤其涉及一种面向车辆质心侧偏角高性能获取的切换策略构造方法。

背景技术

车辆质心侧偏角(vehicle sideslip angle，VSA)信息是底盘高级控制的重要参考。基于软测量原理的VSA获取具有成本低、可移植性好等显著优点，是学术界和工业界发展的重要方向。具体而言，此类方案可分为运动学和动力学两种。在精度、计算量以及环境适用性等方面，这两种方案各有其优缺点。

运动学方案的实现依赖于对惯性器件(包括陀螺仪和加速度计)的量测信号进行积分，其性能不受车辆运动的影响、计算量小且对道路条件的适应性较好。但是，惯性器件的量测信号中存在偏置。这些偏置难以准确估计且会随时间累积，最终严重影响VSA获取的长期性能。动力学方案的性能主要取决于车辆动力学建模的准确性，特别是轮胎的动力学建模。目前，轮胎力的计算主要依赖观测器或轮胎模型。利用滑模观测器或未知输入观测器，可以实现轮胎力的有效观测，但存在观测结构复杂以及需要进行稳定性设计等问题。轮胎模型可分为非线性和线性轮胎模型两类：非线性轮胎模型精度高，但含有较多难以准确获取的时变参数；线性轮胎模型结构简单，但其性能会在非线性区呈现显著下降。

考虑到运动学和动力学方案各自的优点，有学者提出对两种方案得到的结果进行融合，试图通过两种方案的优势互补来提升VSA获取的整体性能。但是，现有的研究主要集中在车辆运动状态的判定以及融合策略的设计等方面，较少涉及对运动学和动力学方案优点的直接利用，且计算复杂度和系统成本较高。事实上，对于运动学和动力学方案，合理利用切换系统理论进行设计，可以在显著降低计算负担的同时获得较好的动态性能和抗干扰能力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向车辆质心侧偏角高性能获取的切换策略构造方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种面向车辆质心侧偏角高性能获取的切换策略构造方法：

侧向加速度量测信号经贝塞尔滤波器处理后，一路经可靠性检验后作为运动学方案的输入，另一路作为切换策略的输入；

所述运动学方案的输入还包括横摆率量测信号可靠性判别的结果以及车辆质心处的纵向车速，输出车辆质心侧偏角β_k；

将前轮转向角、车辆质心处的纵向车速、侧向加速度量测信号和横摆率量测信号输入动力学方案，利用卡尔曼滤波器进行迭代计算，输出车辆质心侧偏角β_d；

具体的切换策略为：对贝塞尔滤波器处理后的信号进行中值滤波，得到中值滤波后侧向加速度信号a_yf，通过比较中值滤波后侧向加速度信号的幅值|a_yf|和阈值a_yT的大小关系，实现车辆质心侧偏角获取在运动学和动力学方案之间的高效切换，即：|a_yf|≤a_yT时，采用运动学方案获取车辆质心侧偏角，|a_yf|>a_yT时，采用动力学方案获取车辆质心侧偏角。

进一步地：

当|a_yf|≤a_yT时，轮胎侧向力F_y与轮胎侧偏角α之间的关系处于线性区，轮胎侧偏刚度C_y为常值，对车辆平面运动的侧向运动学关系进行积分，得到运动学方案输出的车辆质心侧偏角β_k；

当|a_yf|>a_yT时，F_y与α之间的关系进入非线性区和饱和区，切换到运动学方案：将前轮转向角和车辆质心处的纵向车速输入动力学方案，确定系统的状态方程，将侧向加速度量测信号、横摆率量测信号和前轮转向角输入动力学方案，确定系统的量测关系，利用卡尔曼滤波器进行迭代计算，得到侧向车速的估计值，进而获取车辆质心侧偏角β_d；

当再次出现|a_yf|≤a_yT时，再切换至运动学方案；如此循环。

进一步地，在将动力学方案切换至运动学方案时，将动力学方案中对车辆质心处的侧向车速v_y的估计结果作为运动学方案的积分初值。

进一步地，在将运动学方案切换至动力学方案时，运动学方案中对车辆质心处的侧向车速v_y的积分结果作为动力学方案中卡尔曼滤波的初值。

进一步地，所述可靠性检验为：将参考横摆率r_ref沿垂直方向进行平移，得到可信区间r_range；将k时刻处于可信区间r_range内的横摆率量测值r_m,k视为可靠值r存入缓存器并进行更新，对可信区间r_range之外的横摆率量测值，利用缓存器中最新的数据进行替代。

进一步地，采用二阶贝塞尔滤波器对侧向加速度量测信号行处理。

进一步地，所述中值滤波后侧向加速度信号的幅值|a_yf|表征车辆侧向机动的剧烈程度。

更进一步地，所述车辆平面运动的侧向运动学关系为对上式进行积分，得到运动学方案车辆质心侧偏角/>其中，v_y为车辆质心处的侧向车速，a_y为车辆质心处的侧向加速度，r为车辆质心处的横摆率。

更进一步地，所述状态方程为：

其中，状态向量x＝[v_y r]^T，控制量u＝δ_f，w为过程噪声向量，δ_f为前轮转向角，矩阵C_yf为前轴总的轮胎侧偏刚度，C_yr为后轴总的轮胎侧偏刚度，a为车辆质心到前轴的距离，b为车辆质心到后轴的距离，m为车辆整备质量，I_z为车辆绕z轴的转动惯量。

更进一步地，所述量测关系为：

z＝C(t)x+D(t)u+v

其中，量测向量z＝[a_ym r_m]^T，v为量测噪声向量，a_ym为侧向加速度量测信号，r_m为横摆率信号，矩阵

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出一种面向车辆质心侧偏角高性能获取的切换策略构造方法，不仅可以规避动力学方案中非线性轮胎建模难度大的问题，而且可以实现对运动学方案中累积误差的有效清除。

(2)对于含有较大噪声的侧向加速度量测信号，本发明选择贝塞尔滤波器对其进行预处理，可以通过相位调节使侧向加速度信号与VSA信号达到近乎同步。

(3)对于横摆率等信号，本发明提出一种可靠性判别方法，可以对异常量测点处的突变进行有效识别并替换。

附图说明

图1为本发明的总体架构图；

图2为本发明横摆率信号的可靠性判别流程图；

图3为本发明前驱车辆的二自由度模型图；

图4为本发明轮胎侧向力与轮胎侧偏角之间的关系统一；

图5为本发明切换的过程及相应的VSA获取效果图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明一种面向车辆质心侧偏角高性能获取的切换策略构造方法，利用贝塞尔滤波器的近似线性时延特性，调节侧向加速度量测信号的相位并滤除其中的高频噪声；采用可靠性检验模块清除横摆率等信号中的异常突变点；最后，利用平滑后的侧向加速度信号的幅值表征车辆侧向机动的剧烈程度，通过设置恒定的阈值实现VSA获取在运动学和动力学方案之间的高效切换。

本发明的总体架构如图1所示，主要包括传感器量测信号预处理、系统的运动学和动力学建模以及切换策略设计等部分。其中，传感器量测信号预处理部分由贝塞尔滤波器和可靠性检验模块组成。侧向加速度量测信号a_ym经贝塞尔滤波器处理后分为两路：一路经可靠性检验后作为运动学方案的输入a_y，另一路a_yb直接送至切换策略设计部分。此外，可靠性检验模块还负责对横摆率量测信号r_m进行可靠性判别，其结果r也作为运动学方案的输入。在系统的运动学和动力学建模部分，分别根据相应的信号实现基于运动学和动力学方案的VSA获取。最后，在切换策略设计部分对a_yb进行中值滤波，并根据其结果a_yf设计具体的切换模块，实现车辆质心侧偏角β在运动学方案输出结果β_k和动力学方案输出结果β_d之间的高效切换。

本发明具体包括如下步骤：

步骤(1)，侧向加速度信号的时延滤波

本发明中，侧向加速度是运动学和动力学方案之间进行切换的重要依据。考虑到侧向加速度量测信号a_ym与VSA信号之间存在一定的相位差，可以通过减小此类相位差来提升VSA获取的精度。贝塞尔滤波器具有向其截止频率以下的所有频率提供等量延时的特性，其带通相位响应近乎呈线性，相应的传递函数可表示为：

其中，θ(s/ω₀)是一个反向贝塞尔多项式，ω₀是选定的期望截止频率，s表示拉氏变换因子，θ(0)表示比例系数。

本发明选用二阶的贝塞尔滤波器对侧向加速度量测信号a_ym进行处理，利用其近似线性的时延特性，在减小a_ym与VSA信号之间相位差的同时实现对相应高频噪声的滤除，以保证信号处理的准确性。

步骤(2)，可靠性检验

实际车辆的运行环境较为复杂，温差、冲击等都会影响车载传感器量测信号(如横摆率信号r_m等)的可靠性。因此，有必要在使用之前对此类信号进行可靠性检验。

作为基础信号，对横摆率进行可靠性检验的参考信息较少，故采用图2所示的可靠性判别流程。其中，将参考横摆率r_ref沿垂直方向进行平移(具体的平移幅值取决于传感器量测信号的噪声统计特性)，得到某一可信区间r_range。在此基础上，将k时刻处于可信区间r_range内的横摆率量测值r_m,k视为可靠值r并存入缓存器，对可信区间r_range之外的横摆率量测值则用缓存器中最新的数据进行替代。此外，可靠性判别过程中的参考横摆率r_ref按下式计算：

其中，δ_f为前轮转向角，l为车辆轴距，车辆质心处的纵向车速稳定性因数/>ω₃、ω₄分别后轴左、右从动轮的转速，R_eff为车轮有效半径，m为车辆整备质量，a和b分别为车辆质心到前、后轴的距离，C_yf、C_yr分别为前、后轴总的轮胎侧偏刚度。

对于经时延滤波处理的侧向加速度信号a_yb，也可以采用类似的流程进行可靠性检验，获得相应的可靠值a_y。

步骤(3)，运动学方案建模

考虑车辆的平面运动，有如下的侧向运动学关系：

其中，v_y、a_y和r分别为车辆质心处的侧向车速、侧向加速度和横摆率。

对上式进行积分运算，可以得到运动学方案输出的车辆质心侧偏角

测量横摆率的车载陀螺仪一般为低成本器件，其信号中含有较大的常值偏置。相应地，对此类信号进行积分操作会使误差随时间快速累积。考虑常值偏置的特点，采用合理的建模补偿方法对车载陀螺信号进行处理，可以有效减少短时间内积分误差的累积，进而准确描述短时间内VSA的变化趋势。其中，常值偏置的数值可根据传感器手册或静态测试得到。

步骤(4)，动力学方案建模

前驱车辆的二自由度模型如图3所示，相应的侧向和横摆运动可表示为：

其中，F_yf、F_yr分别表示前、后轴的轮胎侧向合力，F_xf为前轴的轮胎纵向合力，I_z为车辆绕z轴的转动惯量。

对于较为平缓的工况，前、后轴的轮胎侧向合力可根据如下的线性轮胎模型得到：

其中，前轮侧偏角后轮侧偏角/>

当前轮转向角δ_f很小时，有sinδ_f≈0、cosδ_f≈1，且车辆的侧向运动满足将上述关系及式(5)带入式(4)，并考虑系统的过程噪声，可以得到如下的状态方程：

其中，状态向量x＝[v_y r]^T，控制量u＝δ_f，w为过程噪声向量，

进一步，将式(5)带入式(4)的第一部分，同时考虑实际侧向加速度信号和横摆率信号的构成，有如下的量测关系式：

z＝C(t)x+D(t)u+v (8)

其中，量测向量z＝[a_ym r_m]^T，v为量测噪声向量，

对式(6)和式(8)进行离散化，并利用卡尔曼滤波器(Kalman filter，KF)进行迭代计算，可以得到侧向车速的估计值最后，确定动力学方案输出的车辆质心侧偏角

步骤(5)，切换策略的设计

需要注意的是，经时延滤波处理的侧向加速度信号a_yb中仍存在噪声尖峰。这会导致切换策略的误触发，进而影响VSA获取的效果。中值滤波器可以有效克服偶然因素引起的噪声波动，能在抑制噪声尖峰的同时保护信号的边缘不被模糊。本发明在贝塞尔滤波的基础上，对经时延滤波处理的侧向加速度信号a_yb再进行中值滤波，不仅可以通过相位调节使侧向加速度信号与VSA信号达到近乎同步，而且可以利用非线性的方法对侧向加速度信号中的噪声尖峰部分进行有效平滑。

此外，对于不同的轮胎-路面附着系数(tire-road friction coefficient，TRFC)，轮胎侧向力F_y与轮胎侧偏角α之间存在如下关系(见图4)：当α较小时，F_y与α基本呈线性关系，可以认为轮胎侧偏刚度C_y基本为常值，且TRFC对F_y的影响较小；随着α的逐渐增大(即车辆从较为平缓的工况逐渐进入剧烈工况)，上述关系进入非线性区和饱和区，C_y发生显著变化。此时，式(5)所示的线性轮胎模型已不再适用。相应地，动力学方案的VSA获取精度会出现明显的下降。相比较而言，运动学方案适用于各种工况。但是，即使经过合理的传感器误差建模补偿，长时间采用步骤(3)中描述的运动学方案，仍会使VSA的获取结果中存在较大的累积误差。

综合考虑以上因素，本发明提出如下的切换策略设计思路：在图4所示的非线性区和饱和区采用运动学方案，在车辆运动较为平缓的线性区则采用动力学方案；同时，利用经中值滤波之后的侧向加速度信号的幅值|a_yf|表征车辆侧向机动的剧烈程度，通过设置相应的阈值a_yT实现VSA获取在运动学和动力学方案之间的高效切换。具体的切换过程如下：

当|a_yf|不超过设定的阈值a_yT时，可以近似认为轮胎侧向力F_y与轮胎侧偏角α之间的关系处于图4中的线性区，轮胎侧偏刚度C_y基本为常值。此时，采用动力学方案获取VSA，其精度主要取决于惯性器件的噪声统计特性，VSA的误差值|Δβ|较小(例如图5中的[t₁,t₂]区间)。当|a_yf|>a_yT时，F_y与α之间的关系进入非线性区和饱和区，C_y不再为常值。此时，采用基于线性轮胎模型的动力学方案的VSA获取精度出现显著下降，故需及时切换到对车辆运行工况不敏感的运动学方案。进行此类切换时(例如图5中的t₂时刻)，可以将动力学方案中对状态量v_y的估计结果直接作为运动学方案的积分初值。在图5中的[t₂,t₃]区间，VSA由运动学方案确定，其误差随时间累积，故应尽量缩短运动学方案的工作时间。当再次出现|a_yf|≤a_yT时(例如图5中的t₃时刻)，F_y与α之间的关系重新进入线性区，C_y可视为常值。此时，运动学方案的误差值即为一个切换过程中VSA的最大误差。对于图5中的[t₃,t₅]区间，VSA由动力学方案确定，且t₃时刻运动学方案中对v_y的积分结果也可作为动力学方案中KF的初值。其原因在于KF算法本身对系统状态的初值并不敏感，在模型建立准确的前提下，KF的估计误差能够快速收敛(例如图5中的[t₃,t₄]区间)。总体而言，t₃时刻的切换能够起到类似误差零点重置的作用。当再次出现|a_yf|>a_yT时，按上述过程依次循环切换即可。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向车辆质心侧偏角高性能获取的切换策略构造方法，其特征在于：

侧向加速度量测信号经贝塞尔滤波器处理后，一路经可靠性检验后作为运动学方案的输入，另一路作为切换策略的输入；

所述运动学方案的输入还包括横摆率量测信号可靠性判别的结果以及车辆质心处的纵向车速，输出车辆质心侧偏角β_k；

将前轮转向角、车辆质心处的纵向车速、侧向加速度量测信号和横摆率量测信号输入动力学方案，利用卡尔曼滤波器进行迭代计算，输出车辆质心侧偏角β_d；

具体的切换策略为：对贝塞尔滤波器处理后的信号进行中值滤波，得到中值滤波后侧向加速度信号a_yf，通过比较中值滤波后侧向加速度信号的幅值|a_yf|和阈值a_yT的大小关系，实现车辆质心侧偏角获取在运动学和动力学方案之间的高效切换，即：|a_yf|≤a_yT时，采用运动学方案获取车辆质心侧偏角，|a_yf|>a_yT时，采用动力学方案获取车辆质心侧偏角。

2.根据权利要求1所述的切换策略构造方法，其特征在于：

当|a_yf|≤a_yT时，轮胎侧向力F_y与轮胎侧偏角α之间的关系处于线性区，轮胎侧偏刚度C_y为常值，对车辆平面运动的侧向运动学关系进行积分，得到运动学方案输出的车辆质心侧偏角β_k；

当|a_yf|>a_yT时，F_y与α之间的关系进入非线性区和饱和区，切换到运动学方案：将前轮转向角和车辆质心处的纵向车速输入动力学方案，确定系统的状态方程，将侧向加速度量测信号、横摆率量测信号和前轮转向角输入动力学方案，确定系统的量测关系，利用卡尔曼滤波器进行迭代计算，得到侧向车速的估计值，进而获取车辆质心侧偏角β_d；

当再次出现|a_yf|≤a_yT时，再切换至运动学方案；如此循环。

3.根据权利要求1所述的切换策略构造方法，其特征在于，在将动力学方案切换至运动学方案时，将动力学方案中对车辆质心处的侧向车速v_y的估计结果作为运动学方案的积分初值。

4.根据权利要求1所述的切换策略构造方法，其特征在于，在将运动学方案切换至动力学方案时，运动学方案中对车辆质心处的侧向车速v_y的积分结果作为动力学方案中卡尔曼滤波的初值。

5.根据权利要求1所述的切换策略构造方法，其特征在于，所述可靠性检验为：将参考横摆率r_ref沿垂直方向进行平移，得到可信区间r_range；将k时刻处于可信区间r_range内的横摆率量测值r_m,k视为可靠值r存入缓存器并进行更新，对可信区间r_range之外的横摆率量测值，利用缓存器中最新的数据进行替代。

6.根据权利要求1所述的切换策略构造方法，其特征在于，采用二阶贝塞尔滤波器对侧向加速度量测信号行处理。

7.根据权利要求1所述的切换策略构造方法，其特征在于，所述中值滤波后侧向加速度信号的幅值|a_yf|表征车辆侧向机动的剧烈程度。

8.根据权利要求2所述的切换策略构造方法，其特征在于，所述车辆平面运动的侧向运动学关系为对上式进行积分，得到运动学方案车辆质心侧偏角其中，v_y为车辆质心处的侧向车速，a_y为车辆质心处的侧向加速度，r为车辆质心处的横摆率。

9.根据权利要求8所述的切换策略构造方法，其特征在于，所述状态方程为：

其中，状态向量x＝[v_y r]^T，控制量u＝δ_f，w为过程噪声向量，δ_f为前轮转向角，矩阵C_yf为前轴总的轮胎侧偏刚度，C_yr为后轴总的轮胎侧偏刚度，a为车辆质心到前轴的距离，b为车辆质心到后轴的距离，m为车辆整备质量，I_z为车辆绕z轴的转动惯量。

10.根据权利要求9所述的切换策略构造方法，其特征在于，所述量测关系为：

z＝C(t)x+D(t)u+v

其中，量测向量z＝[a_ym r_m]^T，v为量测噪声向量，a_ym为侧向加速度量测信号，r_m为横摆率信号，矩阵