基于三軸加速度計(jì)最小二乘法質(zhì)量和坡度估計(jì)

尹欣欣，郝劉丹，李 麗，劉奇正，陳鵬輝

（陜西法士特齒輪有限公司汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710119）

在純電動(dòng)商用車汽車領(lǐng)域，越來(lái)越多的載貨汽車質(zhì)量變化范圍區(qū)間大，作業(yè)路況越來(lái)越復(fù)雜多變，整車質(zhì)量和坡度對(duì)于商用車變速器的換擋品質(zhì)、安全系統(tǒng)等是很重要的影響因素，所以對(duì)于整車車重和道路坡度的估計(jì)越精確越好。

在對(duì)整車質(zhì)量和道路坡度的估計(jì)和測(cè)量上，可以通過(guò)在車身安裝測(cè)量?jī)x器來(lái)測(cè)量，車重可以通過(guò)地磅來(lái)測(cè)量車重，對(duì)于純電商用車來(lái)說(shuō)，前者一般需要額外增加測(cè)量設(shè)備。從主機(jī)廠方面來(lái)說(shuō)，第1種方式首先會(huì)額外增加整車的費(fèi)用，其次對(duì)于整車的線束和布置也要改變，因此，主機(jī)廠一般不會(huì)采用；第2種通過(guò)地磅的方式只能在廠區(qū)地磅上才能測(cè)量出來(lái)，而不能實(shí)時(shí)測(cè)量出整車車重，對(duì)于變速器的換擋輸入沒(méi)有什么實(shí)際價(jià)值。

本論文基于一種VCU控制器自帶的ADXL313型號(hào)三軸加速度計(jì)傳感器，結(jié)合三軸加速度計(jì)的數(shù)值，通過(guò)遺忘因子遞推最小二乘法對(duì)質(zhì)量進(jìn)行估計(jì)，提出了結(jié)合車輛縱向動(dòng)力學(xué)和加速度傳感器信號(hào)的質(zhì)量最小二乘估計(jì)模型，來(lái)估計(jì)整車車重，并估計(jì)出道路坡度值。

1 遺忘因子

采集三軸加速度計(jì)的、、三軸的加速度值，使用高斯牛頓法對(duì)三軸數(shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)，消除讀取的加速度數(shù)值的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，以及消除誤差后的穩(wěn)態(tài)三軸加速度值，通過(guò)遺忘因子遞推最小二乘法對(duì)整車質(zhì)量和坡度進(jìn)行估計(jì)，并結(jié)合車輛縱向動(dòng)力學(xué)和加速度傳感器信號(hào)的質(zhì)量最小二乘估計(jì)模型，來(lái)估計(jì)整車車重和坡度。

遺忘因子遞推最小二乘法，即在遞推最小二乘法中引入一個(gè)或多個(gè)遺忘因子，可以為常數(shù)，也可以為時(shí)變函數(shù)。遺忘因子的作用是減衰舊的信息，降低其在（）中的占有量，從而增加新的信息含量，克服數(shù)據(jù)飽和現(xiàn)象并解決時(shí)變跟蹤問(wèn)題，在本論文中引入遺忘因子，（）=1-0.05·0.98。

2 車重和坡度估計(jì)具體實(shí)施

1）讀取三軸加速度計(jì)傳感器的加速度值、、。

2）讀取的三軸數(shù)值，利用高斯牛頓法進(jìn)行消除系統(tǒng)誤差和高斯白噪聲，得到校準(zhǔn)的數(shù)值、、，并建立控制模型。

式中：，，——校準(zhǔn)比例縮放系數(shù)；，，——加速度計(jì)零偏校正值；——最小二乘擬合數(shù)據(jù)。

3）根據(jù)以下車輛縱向動(dòng)力學(xué)，建立相應(yīng)的動(dòng)力方程式，并轉(zhuǎn)化為最小二乘格式，得到：（系統(tǒng)的輸出量）、（可觀測(cè)的數(shù)據(jù)量）、（待估計(jì)的車輛質(zhì)量）。

式中：——電機(jī)轉(zhuǎn)矩；——變速器當(dāng)前傳動(dòng)比；——主減速器傳動(dòng)比；η——傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率；——輪胎滾動(dòng)半徑；——空氣阻力系數(shù)；ρ——空氣密度，kg/m；——行駛速度；——迎風(fēng)面積；α——坡道角；、——滾動(dòng)阻力系數(shù)的速度擬合常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)系數(shù)；——整車質(zhì)量；——總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；α ——軸校準(zhǔn)過(guò)的加速度數(shù)值；α ——軸校準(zhǔn)過(guò)的加速度數(shù)值。

4）根據(jù)遺忘因子的計(jì)算（）=1-0.05·0.98，建立相應(yīng)的遺忘因子模型。

5）根據(jù)以下最小二乘法的3個(gè)公式，分別建立EF模型、Ea模型和待估計(jì)M模型。

6）根據(jù)當(dāng)前的整車車速，當(dāng)前鑰匙信號(hào)，當(dāng)前檔位，當(dāng)前加速度傳感器信號(hào)等輸入，根據(jù)整體模型估計(jì)計(jì)算出實(shí)時(shí)的整車質(zhì)量。

7）根據(jù)計(jì)算出的整車質(zhì)量，計(jì)算出現(xiàn)在整車的，建立相應(yīng)質(zhì)量模型。

8）根據(jù)以下車輛縱向動(dòng)力學(xué)，建立相應(yīng)的動(dòng)力方程式，并轉(zhuǎn)化為最小二乘格式，得到：（系統(tǒng)的輸出量）、（可觀測(cè)的數(shù)據(jù)量）、（待估計(jì)的坡度）。

9）根據(jù)遺忘因子的計(jì)算（）=1-0.05·0.98，建立相應(yīng)的遺忘因子模型。

10）根據(jù)以下最小二乘法的3個(gè)公式，分別建立Fig模型、U模型和待估計(jì)W模型。

3 各個(gè)控制邏輯和Simu lin k建模模型

Simulink的建模模型總圖如圖1所示，車重估計(jì)總圖如圖2所示，加速度計(jì)高斯牛頓法校準(zhǔn)加速度數(shù)值模型如圖3所示。

圖1 Simulink模型總圖

圖2 Simulink車重估計(jì)總圖

圖3 加速度計(jì)高斯牛頓法校準(zhǔn)加速度數(shù)值模型圖

Simulink車重估計(jì)中的EF與Ea模型分別如圖4、圖5所示。

圖4 Simulink車重估計(jì)中EF模型

圖5 Simulink車重估計(jì)中Ea模型

Simulink中遺忘因子Lam模型如圖6所示，其車重估計(jì)最小二乘法車重模型如圖7所示。

圖6 Simulink車重估計(jì)中遺忘因子Lam模型

圖7 Simulink中車重估計(jì)最小二乘法車重模型

Simulink中坡度估計(jì)模型與坡度角計(jì)算模型分別如圖8、圖9所示。

圖8 Simulink中坡度估計(jì)模型

圖9 Simulink中坡度估計(jì)坡度角計(jì)算模型

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要闡述純電動(dòng)商用車基于三軸加速度計(jì)的車重和坡度估計(jì)的控制策略，結(jié)合車輛縱向動(dòng)力學(xué)和加速度傳感器信號(hào)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，在運(yùn)用仿真采用的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件（MATLAB/Simulink）所依據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模和仿真，能夠很準(zhǔn)確估計(jì)出整車的車重和坡度，通過(guò)該估計(jì)方法對(duì)于純電商用車在有坡度和重載情況下的換擋控制和換擋品質(zhì)有一個(gè)很大的提高。