基于輪速信號(hào)的車輛線性運(yùn)動(dòng)區(qū)狀態(tài)估計(jì)算法開發(fā)

劉偉，劉威，張琨，張廣晟，遲逞

（1.東軟集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110000；

3.華晨汽車集團(tuán)，遼寧 沈陽 110000）

基于輪速信號(hào)的車輛線性運(yùn)動(dòng)區(qū)狀態(tài)估計(jì)算法開發(fā)

劉偉1，劉威2，張琨3，張廣晟1，遲逞1

（1.東軟集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110000；

3.華晨汽車集團(tuán)，遼寧 沈陽 110000）

∶文章以輪速信號(hào)為基礎(chǔ)開展車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)算法的研究，通過對(duì)四輪車輛結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)分析，結(jié)合輪速傳感器的特性以及在車輛系統(tǒng)中的應(yīng)用，開展對(duì)車輛縱向運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)的估計(jì)算法研究，在車輛運(yùn)動(dòng)的線性區(qū)提供一種車輛狀態(tài)的估計(jì)，在傳感器配置有限的條件下為車輛交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的開發(fā)提供更加豐富的信息或者一種作為故障診斷的冗余信號(hào)。

∶輪速；車輛動(dòng)力學(xué)；狀態(tài)估計(jì)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.021

CLC NO.: U461.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-55-04

前言

汽車作為一種提供出行和運(yùn)輸?shù)墓ぞ?，多種的面向不同需求的汽車已經(jīng)普遍應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。由于數(shù)量眾多、能源消耗極大、且在交通參與中不斷釋放能量，因此安全、節(jié)能、環(huán)保是各類汽車共同面對(duì)的基本問題，其中以安全最為重要。但是又由于汽車是一種日常工具，對(duì)系統(tǒng)成本極為敏感，傳感器結(jié)構(gòu)和成本的限制，通過車載傳感器無法充分獲得穩(wěn)定性控制邏輯需要的狀態(tài)信息。通過有限的傳感器盡獲得盡可能多的車輛狀態(tài)信息，對(duì)通過基于信息和控制的智能化手段，突破傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的瓶頸，有重要的意義。本文選擇車輛中普遍使用的輪速傳感器，對(duì)其信號(hào)處理和相關(guān)估計(jì)算法展開研究，獲取車速、方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度等狀態(tài)信號(hào)一方面在缺乏傳感器時(shí)提供更加豐富有效的信息，另一方面為現(xiàn)有傳感器提供冗余來加強(qiáng)信號(hào)的可靠性。

1、車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

本文基于輪速的車輛狀態(tài)估計(jì)算法，面向的研究對(duì)象是由一組轉(zhuǎn)向車輪（主要是前軸）和一組非轉(zhuǎn)向車輪（主要是后軸）組成的四輪結(jié)構(gòu)汽車。不同于四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的輪式機(jī)器人，四個(gè)車輪的布置形式、轉(zhuǎn)向橋和非轉(zhuǎn)向橋的分配形式，使車輛運(yùn)動(dòng)的自由度收到了約束，這就區(qū)別于四輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，使得車輛的機(jī)動(dòng)性受到限制，車輛運(yùn)動(dòng)有很強(qiáng)的規(guī)律性[1]。

考慮在車輛運(yùn)動(dòng)的線性區(qū)，忽略輪胎的縱向、側(cè)向滑移，或可以容忍的小滑移區(qū)間，這個(gè)區(qū)間覆蓋了車輛行駛的絕大多數(shù)工況。在車輛運(yùn)動(dòng)的線性區(qū)，通過對(duì)四個(gè)車輪獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的分析，結(jié)合車輛結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)力學(xué)分析，可以提供車速、方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度等縱/側(cè)向豐富的運(yùn)動(dòng)信息。

2、輪速傳感器及信號(hào)的應(yīng)用

ABS是目前普遍使用的車載控制系統(tǒng)，在歐洲、美國(guó)和日本，ABS早已成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，目前全世界有超過四分之三的車輛裝配了ABS系統(tǒng)[2,3]。

圖1　車輛傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著ABS的不斷普及，其已逐漸被電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）集成和代替，在提高汽車安全性方面發(fā)揮重要的作用。ABS檢測(cè)由各車輪輪速和車速得到的滑移率，通過液壓調(diào)節(jié)器控制輪缸壓力的增壓、減壓和保壓，避免車輪抱死以獲得最大限度的路面附著，保證車輛安全。提供輪速信號(hào)傳感器是ABS、ESC系統(tǒng)的重要組成部分（如圖1所示）[4]，隨著ABS和ESC的普及，輪速傳感器在車輛系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，為輪速信號(hào)的應(yīng)用提供了前提。

輪速信號(hào)是穩(wěn)定性控制中最基本的狀態(tài)信號(hào)，通過對(duì)輪速信號(hào)的軟件濾波和處理獲得車速狀態(tài)。隨輪速和車速的變化，輪胎動(dòng)力學(xué)特性會(huì)發(fā)生顯著的變化，車速是滑移產(chǎn)生的基礎(chǔ)，對(duì)輪胎力學(xué)產(chǎn)生重要的影響，從而影響車輛從路面獲得的縱側(cè)向力輸入。隨車速的變化，車輛動(dòng)力學(xué)特性也會(huì)發(fā)生顯著的變化，從空氣動(dòng)力學(xué)角度來說，車輛在以下運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣的流場(chǎng)特性是一種紊流狀態(tài)，對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響，而隨著車速的提高，流場(chǎng)趨于穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)特性，會(huì)對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著的有規(guī)律性的影響；從車輛動(dòng)力學(xué)角度來說，車速是影響車輛穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，以質(zhì)心側(cè)偏角相平面為例，車速的變化會(huì)對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角相平面穩(wěn)定邊界產(chǎn)生顯著的影響，直接關(guān)系到車輛操縱穩(wěn)定性。

3、輪速信號(hào)的獲取

3.1輪速傳感器的原理

輪速傳感器采用電磁感應(yīng)方式，通過輪齒轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的間隙變化產(chǎn)生感應(yīng)電流。在信號(hào)產(chǎn)生和采集方面分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種類型：被動(dòng)式輪速傳感器提供與車輪轉(zhuǎn)速成正比的正弦頻率信號(hào)；主動(dòng)式輪速傳感器采用霍爾效應(yīng)或磁阻技術(shù)，提供與車輪轉(zhuǎn)速成正比的數(shù)字方波頻率信號(hào)。信號(hào)的采集和處理根據(jù)正弦波或方波的頻率（結(jié)合齒圈輪齒數(shù)）來進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，輸出信號(hào)幅值與速度有關(guān)（如圖2所示）。

圖2　輪速傳感器工作原理

3.2輪速信號(hào)的獲取和預(yù)處理

磁電式傳感器感應(yīng)產(chǎn)生峰值和頻率均變化的正弦波信號(hào)，霍爾式傳感器感應(yīng)產(chǎn)生僅頻率變化的方波信號(hào)，在信號(hào)的變送過程中采用電流環(huán)的方式可以實(shí)現(xiàn)輪速信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳播，降低了車輛復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾，方波的電壓范圍通過配置精密電阻的方式實(shí)現(xiàn)。車輛通過輪速傳感器采集各車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過硬件濾波和軟件濾波得到原始的輪速信息，設(shè)計(jì)兼容霍爾和磁電式輪速傳感器的輪速信號(hào)處理電路，通過精密電阻設(shè)計(jì)兼容電流環(huán)信號(hào)、通過比較器設(shè)計(jì)將正弦波信號(hào)整流為方波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)輪速信號(hào)的采集與硬件濾波（如圖3所示）。

圖3　輪速傳感器信號(hào)采集與濾波電路設(shè)計(jì)

通過硬件電路進(jìn)行低通濾波濾掉高頻干擾信號(hào)，比較器將磁電式傳感器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)或者霍爾式傳感器產(chǎn)生的方波信號(hào)變換為單片機(jī)可采集范圍的方波信號(hào)，通過單片機(jī)端口的輸入捕捉功能和內(nèi)部累加器，采集隨輪速變化的方波信號(hào)頻率，作為輪速傳感器進(jìn)入單片機(jī)的第一步。單片機(jī)通過端口的輸入捕捉功能，使用內(nèi)部累加寄存器對(duì)輪速方波信號(hào)頻率進(jìn)行采集，開始對(duì)輪速信號(hào)在軟件架構(gòu)的組織下進(jìn)行處理和管理。通過硬件接口部分對(duì)端口信號(hào)的獲得，將處理后的信息進(jìn)行軟件濾波（如巴特沃斯數(shù)字濾波器），得到濾波后的輪速信號(hào)[5,6]，過程如圖4所示。

圖4　輪速信號(hào)處理與應(yīng)用過程

4、車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)

4.1車速估計(jì)

在縱向車速估計(jì)中，正常行駛時(shí)取各車輪最小輪速作為當(dāng)前車速估計(jì)值Ve。當(dāng)車輛處于驅(qū)動(dòng)工況時(shí)，非驅(qū)動(dòng)輪不存在滑移，因此對(duì)于兩輪驅(qū)動(dòng)車輛，可采用非驅(qū)動(dòng)輪的輪速平均值作為縱向車速估計(jì)值Ve[7]，如下式：

其中：Vrl左后輪輪速；Vrr右后輪輪速。

當(dāng)車輛處于制動(dòng)工況時(shí)，使用最大輪速法和基于車輛縱向加速度的斜率法相結(jié)合來計(jì)算車速，取兩種方法中的最大值作為縱向車速估計(jì)值Ve，如下式：

其中：Vfl左前輪輪速；Vfr右前輪輪速。

綜上所述對(duì)車速估計(jì)算法進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明本文的車速估計(jì)算法能夠?qū)囕v在各種工況下的行駛速度進(jìn)行合理的估計(jì)。

圖5　車速估計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

4.2方向盤轉(zhuǎn)角估計(jì)

分析輪速信號(hào)在車輛轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)中的變化特性，使用輪速信號(hào)對(duì)車速和方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行估計(jì)。在換道試驗(yàn)中，測(cè)試制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出輪速信號(hào)在一定車速條件下與方向盤轉(zhuǎn)角變化之間的關(guān)系（如圖6-7所示），換道過程中，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)最大角度（絕對(duì)值）約為90°，輪速差異較為明顯（最大輪速差為1.06km/h），可以用于表征車輛的轉(zhuǎn)向過程，但是對(duì)于蛇形轉(zhuǎn)向需要注意中間位置的切換（右減左為正是正方向）。

圖6　車速25km/h，向左側(cè)變道，再向右側(cè)變回原車道時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出的車速與輪速

圖7　車速25km/h，向左側(cè)變道，再向右側(cè)變回原車道時(shí)，兩前輪相對(duì)輪速變化

保持車輛直線行駛，以獲取輪速傳感器自身誤差帶來的信號(hào)波動(dòng)。直線行駛兩側(cè)輪速基本保持一致，最大出現(xiàn)0.3km/h的偏差，這一偏差可以作為限制輪速差對(duì)車輛轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)表征的門限值。根據(jù)該偏差，結(jié)合四輪車輛結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)向過程中的分析（如圖8所示），可以獲得基于輪速差的方向盤轉(zhuǎn)角估計(jì)算法[8]。

通過CAN總線獲取輪速信號(hào)，應(yīng)用非驅(qū)動(dòng)輪的輪速信號(hào)，分別計(jì)算出車速估計(jì)值和方向盤轉(zhuǎn)角估計(jì)值，進(jìn)一步計(jì)算出側(cè)向加速度的估計(jì)值。

方向盤轉(zhuǎn)角估計(jì)算法如下：

進(jìn)一步給出側(cè)向加速度估計(jì)算法，有：

使用上述估計(jì)算法得到在換道過程中方向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度，峰值方向盤轉(zhuǎn)角約為60度（試驗(yàn)車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比為25，峰值轉(zhuǎn)角約為2.4度），峰值側(cè)向加速度約為1m/s2，與車輛30km/h速度行駛情況下，駕駛員操縱車輛換道的情況，如圖9所示。

圖9　方向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度的估計(jì)結(jié)果

5、總結(jié)

本文結(jié)合輪速傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀和車輛狀態(tài)信息的需求，通過結(jié)構(gòu)分析和車輛運(yùn)動(dòng)分析，從現(xiàn)有傳感器中挖掘更加豐富的車輛狀態(tài)信息，量化的線性區(qū)車輛縱向運(yùn)動(dòng)和測(cè)向運(yùn)動(dòng)，從成本控制、可靠性提升等方面提供基于輪速信號(hào)的車輛線性運(yùn)動(dòng)區(qū)狀態(tài)估計(jì)算法。根據(jù)試驗(yàn)，本文對(duì)車速和方向盤轉(zhuǎn)角的估計(jì)能夠滿足大部分使用工況的需求。

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Development of Vehicle Dynamic State Estimation in Linear Region Based on Wheel Speed Information

Liu Wei1, Liu Wei2, Zhang Kun3, Zhang Guangsheng1, Chi Cheng1
(1. Neusoft Corporation, Liaoning Shenyang 110000; 2. Northeastern University, Liaoning Shenyang 110000; 3. Huachen Auto Group, Liaoning Shenyang 110000)

The wheel speed sensor which is widely implemented in vehicle control system is analyzed for vehicle state estimation. According to the four wheel structure and dynamic property of vehicle, combined with the property of wheel speed sensor, the estimation algorithm for vehicle longitudinal and lateral motion state is designed. The algorithm provides a state estimation for HMI and control system， or redundant information for diagnostic, under the condition that senor implement is limited.

Wheel speed; Vehicle System Dynamic; State Estimation

∶U461.6

∶A

∶1671-7988 (2016)09-55-04

劉偉（1985—），男，高級(jí)研究員，就職于東軟集團(tuán)股份有限公司，從事汽車動(dòng)態(tài)仿真與研究。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（JFYS2016ZY02001610）。