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1、第1 0 卷第1 6 期2 0 1 0 年6 月1 6 7 1-1 8 1 5(2 0 1 0)1 6 3 8 8 8 0 5科学技术与工程S c i e n c eT e c h n o l o g ya n dE n g i n e e r i n gV o L1 0N o 1 6J u n e2 0 1 0 2 0 1 0S c i T e c h E n g n g 交通运输利用七自由度车辆模型估计汽车状态参数管欣张素民高振海詹军(吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室，长春1 3 0 0 2 5)摘要针对汽车主动悬架控制系统中难以测得的侧倾角速率俯仰角速率等状态参数，提出一种利用七自由度
2、车辆模型，并采用滑模观测器估计汽车姿态的方法。提出的方法在未知道路状况的情况下可以降低模型不确定因素的影响。仿真计算与场地实验的结果验证了该方法的有效性，同时也为汽车控制系统的状态参数测量提供了一个可行的低成本策略。关键词汽车姿态估计滑模观测器车辆模型侧倾角速率俯仰角速率中图法分类号U 4 6 1 1；文献标志码A近年来汽车底盘综合控制系统的设计逐渐成为汽车领域的一个热点研究问题。这些底盘综合控制控制系统大多是针对汽车行驶过程中一些关键的状态变量来进行控制q】。例如整车主动悬架控制系统往往以车身的垂向振动加速度、侧倾角、俯仰角作为控制对象q】。实现这些控制的重要前提就是能够有效而精确地测量出反
3、应控制过程变化的汽车自身状态参数，这就对汽车动力学和运动学参数的测试提出了更高更多的要求1 _】。通常汽车参数的测试是通过车载传感器，如陀螺仪、加速度传感器及车轮角速度传感器等直接测量。但在汽车行驶过程中，有一些重要的过程变量目前无法测得或很难以通过传感器来测量，或测量成本太高。侧倾角速度、俯仰角速度的测量通常采用陀螺仪，而车载陀螺仪的成本非常高，而且受路面状况的影响很大_ 2J。为了使车辆在不同的路面状态和行驶工况下都保持良好的平顺性和操作稳定性，整车主动悬架控制系统应当以车身的垂向振2 0 1 0 年3 月1 8 日收到“8 6 3”国家高科技资助项目(2 0 0 6 A A l l 0
4、1 0 2)、吉林省科技厅重点项目(2 0 0 8 6 0 0 6)资助第一作者简介：管欣(1 9 6 l 一)，男，教授，博士生导师。研究方向：汽车动态仿真与控制。E-m a i l：g u a n h s i n a s c l j l u e d u。动加速度、侧倾角、俯仰角作为检测的对象，运用特定的控制算法实时调节执行机构的作用力，提高车辆的行驶性能一，l o j。因此，从节约成本和实际应用的角度来看，必须根据量产车上的传感器配置，通过车辆状态估计技术(也称状态观测器、软测量技术)，准确计算得到其他所需、但不可测的状态信息”。由于车辆具有较强的非线性动态特性，应用扩展卡尔曼滤波器方法估
5、计汽车状态时，在线性化过程中会引人与状态估计值有关的模型误差，而降低估计精确度。而滑模观测器方法由于其有限时间收敛特性和鲁棒性而被广泛用于解决非线性系统的状态估计问题【1 1|。本文针对整车主动悬架控制过程中较难直接测得的车辆关键状态参数，提出基于滑模观测器理论，建立了包含车身的垂向振动加速度、侧倾角、俯仰角和四个车轮的垂向运动在内的汽车七自由度动力学模型和状态估计模型。文中对该状态估计模型进行了仿真分析和场地实验验证分析。分析结果表明，采用该方法可以有效地估计汽车的侧倾角速率、俯仰角速率和垂向加速度。该方法还为汽车先进控制系统中的状态参数估计提供了一种准确且低成本的实时软测量技术。万方数据对
6、于新人们来说，一辆装饰着鲜花和彩带的漂亮婚车是结婚过程中必不可少的，而气派大、空间大的豪华婚车阵容则更能一圆渴望的梦想。在这个追求个性化的年代，选择什么样的婚车，不仅渠道多，价格差异也大，就看新人们以怎样的经济实力和巧妙心思来勾画新生活的开始了。婚车的发展婚车的发展自行车、拖拉机、大客车、桑塔纳、凯迪拉克不同时代流行不同的婚车。几十年来婚车的变化，折射的是百姓幸福生活的变迁史。60年代 接新娘得用自行车流行婚车：自行车流行婚车：自行车http:/ 70 年代，婚车的轮子也发生了质的变化，在马达轰鸣声中，拖拉机成为了无数年轻人的流行婚车。70707070 年代年代 接新娘有了接新娘有了“机动车机
7、动车”流行婚车：拖拉机、卡车从自行车到拖拉机，婚车的轮子在发生变化的同时，也预示着美好的生活在提速，而这种速度提升得越来越快。上世纪 70 年代末 80 年代初，随着改革开放的步伐加快，拖拉机作为婚车已经退出了历史舞台，而大客和面包则取而代之。80 年代 接新娘流行大客车流行婚车：大客车、面包当时，除了大客，面包车也开始作为婚车出现，不过，由于比较少，想借一辆面包车作婚车也是一件比较困难的事情。上世纪在 80 年代后期，私家轿车和出租车则代替大客成为了流行婚车。上世纪在 80 年代末，轿车进入了中国市场，年轻人结婚时也不约而同瞄准了桑塔纳、拉达等私家车。杭州租车杭州租车9 9 9 90 0 0
8、 0年代年代 接新娘流行私家车接新娘流行私家车流行婚车：桑塔纳、拉达、奥迪100上世纪 80 年代末和 90 年代初，用拉达作婚车已经是很普遍的事情了，而高档一点的则选择了桑塔纳。而在 90 年代后期，老奥迪等高档私家车也进入了婚车市场，并受到年轻人的追捧。社会在变，观念在变，人们对生活的追求也在变。如今，普通的私家车已经不能满足现代人对于婚车的要求，除了“流动车展”般的豪门车队和以量取胜的“一水儿车型”之外，花轿、自行车、公交车卷土重来，成为“婚车”的另一道风景线。2000200020002000 年年 豪华婚车豪华婚车 PKPKPKPK 个性婚车个性婚车流行婚车：凯迪拉克、奔驰、个性婚车从
9、杭州汽车租赁公司杭州汽车租赁公司了解到，凯迪拉克、奔驰等仍是众多年轻人结婚时头车的首选。除了豪华车型，时下，部分个性的年轻消费者在结婚时也动足了心思，目的就是希望自己的婚礼能与众不同。2004年结婚的杜先生没有选择大奔，而是借了一辆跑车，自己开车把新娘接回了家。1 6 期管欣，等：利用七自由度车辆模型估计汽车状态参数3 8 8 91 七自由度车辆模型1 1 模型概述本文建立的七自由度车辆模型如图1 所示。假定车身为-N 性体，四个车轮为质量点。悬架类型可简化为四个独立悬架，四，一玩四个点分别表示四个独立悬架和车体的链接点。七个自由度分别是车身的垂向位移z c、侧倾角妒、俯仰角0 和四个车轮的垂
10、向位移Z 讲，Z 以，Z d，Z 讲，用列向量Z 表示：Z=【Z c妒0Z。lZ 心乙z 舛】1(1)即雌 M。m l00m 200000000m 300m 4悬架的弹簧刚度和阻尼矩阵分别表示为K=K l00如00000O00如00，c J=轮胎的刚度和阻尼矩阵分别表示为K l=K l00 如0O0O0O00K t 300，C。=G l000 0C a0000C o0000C“一(5)车体的纵向力和侧向力对车体的俯仰和侧倾有关联，本文假设车体纵向加速度叱和侧向加速度a，以及横摆角速度可以从车上配置的传感器中得到，横摆角架加速度可对横摆角速度差分得到，则与侧倾和俯仰关联的广义力可以表示为：l L
11、=Ms o，h。一l 圆t o=一M，口，h，(6)式(6)中，h，和h，分别表示惯性力关于菇轴和Y 轴的力臂，并且假设k=0。四个独立悬架的作用到车体的力如下式所示：Z=5 lS 2S 3豇=K,A Z，+C,A Z，+H(7)式(7)中，A Z，为悬架阻尼器的压缩量，业，压缩速率，可以从悬架传感器中测量得到。H 为悬架弹簧力和阻尼力的非线性部分。1 2 运动方程本文所建立的七自由度车辆模型的运动方程为M Z+D Z+K Z=厂+E l W+E 2，+E 3(8)其中，肘=点翟卜1 t1-f,1r f1一r lD=窿日嚣H K C,H翟=IJ，=I【一e+eJ【一K 日，：l|j；e仉，。叫
12、珂叫H 叫o。1，J哆旷oo H0O OoQo0eO00万方数据3 8 9 0科学技术与工程1 0 卷Z 表示前轴轮距的一半，L 表示后轴轮距的一半。表示车体质心到前轴的距离，b 表示车体质心到后轴的距离，w 和话表征路面输入和路面变化。2 综合滑模观测器考虑动态系统一：2 篓：柚“幻懈o (9)【Y(t)=仇(t)、7式(9)中，A 彤“，B F“，C 彤“，D 彤“，p g。假设矩阵B，C，D 满秩，干扰亭未知但有界，即f 0。假设存在线形坐标变换瓦，使得动态系统可变成式(1 0)。f 茹-()=A-石-()+A z，()+曰-“(1 0)【夕()=A 2 l 菇l(t)+A 篮y()+曰
13、2(t)+D 2 亭式(1 0)中，菇ER 叫，Y R p，矩阵A 具有稳定特征值。如果量代表算的状态估计，e=未一髫，则综合滑模观测器具有如式(1 1)形式。曼(t)=A 未(t)+B u(t)一G l C e(t)+G。(1 1)式(1 1)中线形增益为G，吲巴铭】(1 2)A；：是稳定的设计矩阵。非线性项增益为G。钏驯吲嘲(1 3)移：叫埘斋。(1 4)【o，其它式(1 4)中，秽为不连续矢量，P(t，)，)为非负标量函数。3 车辆状态观测器设计系统的状态向量定义为趾囱(1 5)系统的状态方程为X=A X+丑，+B 1 W+B 2 W+B 3 口(1 6)式(1 6)中A=【：1 7 M
14、。7 一。K2。M 7 一。D ，曰。=【M。7：?】【一-。一-1J”【一J耻0 孙i=1,2,3，。定义系统的观测向量为y 毪】，定义系统的状态估计为戈，则P=C。岩(1 8)C 是与相对位置和相对速度有关的8 1 4 矩阵。经验证，该模型满足构造综合滑模器的前提条件。首先对原系统进行坐标变换，建立其规范标准型。然后运用M A T L A B 指令，对观测器方程中的系数矩阵进行计算。通过计算，可得到综合滑模观测器中的各项系数G，瓯，t 2 及A G。C。则车辆观测器构造如下宴=【A G I C l)启+曰，+曰3 口+G 1，+G。口(1 9)4 仿真与实验为了验证本文提出的汽车状态软件测
15、量方法的准确性和可靠性，利用国产某型轿车进行了鱼钩试验。试验场地为干燥，平坦且清洁的水泥混凝土路面。试验车安装了用于陀螺仪，非接触式五轮仪以及其他车载测量仪器等，实时采集了汽车侧倾角速率，俯仰角速率，垂向加速度等参量。试验数据和观测器输出对比如图2 至图5 所示。从图2 一图5 中可见，通过观测器得到的结果和试车数据结果吻合较为良好。但是俯仰角速度和垂向加速度存在一定的误差。原因在于本文中的车辆模型是一个简化的汽车动力学线性模型。相对于真实汽车的强非线性动力学特性来讲，该模型万方数据1 6 期管欣，等：利用七自由度车辆模型估计汽车状态参数3 8 9 l尚无法准确全面地描述汽车的动力学特性。图2
16、 侧倾角速度，侧倾角对比图3 俯仰角速度对比图4 垂向振动加速度观测曲线图5 车轮垂向运动观测曲线5 结论本文建立的七自由度车辆模型具有参数少，意义明确的特点，可较好地反映车辆的侧倾、俯仰和垂向振动的动态特性。在此基础上，采用滑模观测器技术提出了一种车辆状态的估计方法，并设计了一个简单的观测器。实验结果表明，采用该方法可以有效地估计汽车的侧倾角速率、俯仰角速率和垂向加速度。该方法可以有效地用于车辆主动悬架控制系统中，还为汽车先进控制系统中的状态参数估计提供了一种准确且低成本的实时软测量技术。参考文献1 高振海，郑南宁，程洪基于车辆动力学和K a l m a n 滤波的汽车状态软测量系统仿真学报
17、，2 0 0 4；1 6(1)：2 2 2 42 高越，高振海。李向瑜基于自适应K a l m 一滤波的汽车横摆角速度软测量算法江苏大学学报，2 0 0 5；2 6(1)：2 4 2 73 余卓平，高晓杰车辆行驶过程中的状态估计问题综述机械工程学报，2 0 0 9；4 5(5)，2 0 3 34 施树明L u p k e rH，B r e m m e rP 基于模糊逻辑的车辆侧偏角估计方法汽车工程，2 0 0 5；2 7(4)：4 2 6-4 3 05 齐志权，刘昭度，时开斌基于汽车A B S A S R A C C 集成化系统的A B S 参考车速确定方法的研究汽车工程，2 0 0 3；2
18、5(6)：6 1 7 一6 2 06H r o v a tD A p p l i c a t i o no fo p t i m a lc o n t r o lt oa d v a n c e da u t o m o t i v e8 1 I 軎p e n s i o nd e s i g n，A S M EJD y I IS m，M e a s u r e m e n tC o n t r，1 9 9 3；1 1 5(1 0)：3 2 8 3 4 2(下转第3 8 9 6 页)万方数据3 8 9 6科学技术与工程1 0 卷参考文献l 姬芬竹，高峰，吴志新电动汽车传动系参数设计及动力性仿真
19、北京航空航天大学学报2 0 0 5；3 2(1)：1 0 9 一ll l2 李国良，初亮采用交流感应电机的电动汽车动力传动系统的合理踞配吉林工业大学自然科学学报2 0 0 1；3 1(4)：6 一1 13 雷英杰，张善文，李续武，等遗传算法工具箱及应用西安电子科技大学出版社，2 0 0 5：1 一1 24 尹冰声、孙跃东罚函数法在汽车传动系统最优匹配中的应用机械设计与制造，2 0 0 4；(6)：4 5P o w e r-t r a i nM a t c h i n ga n dO p t i m i z a t i o no fE l e c t r i cV e h i c l e sG
20、U OK o n g h u i，J I A N GH u i，Z H A N GJ i a n w e i(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f A u t o m o b i l eD y n a m i cS i m u l a t i o n，J i l i nU n i v e r s i t y，C h a n g o h u n1 3 0 0 2 2，P R C h i n a)A b s t r a c t T h em e t h o da n dp r i n c i p l eo fp a r a m e t e r sd e s i
21、g nf o re l e c t r o m o t o r，t h er a t i oo fp o w e rt r a i na n db a t t e r i e sc a p a c i t yo fe l e c t r i cv e h i c l e sw e r ee x p l o r e da n dd i s c u s s e d B a s e do ns o m et y p eo fE V，t h ep a r a m e t e r so fp o w e rt r a i no fE V Sw e r es e l e c t e da n dd e s
22、 i g n e dm o r er e a s o n a b l ya n dp i t h i l y A d d i t i o n a l l y，t h et h e s i so p t i m i z e dc e r t a i nm a i np a-r a m e t e r su t i l i z i n gd e s i g np a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nm e t h o do fa u t o m o b i l ep o w e rt r a i no nt h eb a s i so fg e n e
23、t i ca l g o r i t h m(G A)，m o t o re f f i c i e n c y，b a t t e r yc a p a c i t y，t r a n s m i s s i o nr a t i oe t c，w h i c hm a d et h ep e r f o r m a n c eo ft h eE Vb e t t e r K e yw o r d s e l e c t r i cv e h i c l ep o w e r t r a i ng e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i
24、 o na n a l y s i so fs i m u l a t i o n(上接第3 8 9 1 页)7L uJ D e P o y s t e rM M u l t i o b j e e t l v eo p t i m a ls u s p e n s i o nc o n t r o lt oa c h i e v eI n t e g r a t e dr i d ea n dh a n d l i n gp e r f o r m a n c e I E E ET r a n s a c-t i o n so nC o n t r o lS y s t e m sT e c
25、 h n o l o g y，2 0 0 2；1 0(6)：8 0 r 7 8 2 l8B a r a kP O nar i d ec o n t r o la l g o r i t h mf o rh e a v e，p i t c ha n dm l lm o t i o n so fUm o t o rv e h i c l e D e p tM e c hE n g，W a y n eS t a t eU n i v，D e t r o i t，M I，1 9 8 59B a r a kP，H r o v a tD A p p l i c a t i o no ft h eL Q G
26、a p p r o a c ht od e s i g no fa na u t o m o t i v es u s p e n s i o nf o rt h r e ed l m e n s i o n a lv e h i c l em o d e l s I n：P r o cI n tC o n fO HA d v a n c e dS u s p e n s i o n slo n d o n，U K I M E C H E，1 9 8 81 0C h e nHHF G u e n t h e rD A t u n i n go p t i m a lc o n t r o lo
27、 f 蛐a c t i v e 8-p e n s i o n S o z i e t yo fA u t o m o t i u eE n g i n e e r s，1 9 8 9：8 9 2 4 8-8 9 2 5 21 1高为炳变结构控制的理论及设计方法北京：科学出版社。1 9 9 6V e h i c l eS t a t eE s t i m a t i o nU s i n gA u t o m o b i l eD y n a m i cM o d e lw i t h7 D O F sG U A NX i n，Z H A N GS u-m i n，G A OZ h e n h
28、 a i，Z H A NJ u n(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fA u t o m o b i l eD y l l m m cS i m u l a t i o n，J i l i nU n i v e r s i t y，C h a n g o h u n1 3 0 0 2 5，P R C h i n a)A b s t r a c t T os o l v et h ep r o b l e mt h a tS o m es t a t ep a r a m e t e r s，s u c ha sr o l la n g l er a t e
29、a n dp i t c ha n g l er a t e，a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r o lp r o c e s sa r et o od i f f i c u l tt om e a s u r eo n l i n e Am e t h o do fv e h i c l es t a t ee s t i m a t i o nu s i n gad y n a m i cs l i d i n gm o d eo b s e r v e rw i t ha7d e g r e e-o f-f r e e d o mm o d
30、e lo ft h ev e r t i c a lv e h i c l ed y n a m i c sa sa ne s s e n t i a lc o m p o n e n ti sp r e s e n t e d T h eo b s e r v e rr e l i e so ns u s p e n s i o ns e n s o r sa n ds t a b i l i t ys y s t e ms e n s o r s T h ee f f e c to fu n c e r t a i n t yi sg r e a t l yr e d u c e de v
31、 e nw i t hu n k n o w nr o a di n p u t s T h ed e s i g ni sv e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n dv e h i c l et e s t i n gu n d e rv a r i e t yo fm a n e u v e r sa n di tp r o v i d e saf e a s i b l e，a c c u r a c ya n dl o w c o s tw a yf o rm e a s u r e m e n to fv e h i c l
32、 es t a t ep a r a m e t e r K e yw o r d s v e h i c l es t a t ee s t i m a t i o ns l i d i n gm o d eo b s e r v e rv e h i c l em o d e lr o l lr a t ep i t c hr a t e万方数据利用七自由度车辆模型估计汽车状态参数利用七自由度车辆模型估计汽车状态参数作者：管欣，张素民，高振海，詹军，GUAN Xin，ZHANG Su-min，GAO Zhen-hai，ZHANJun作者单位：吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室,长春,130
33、025刊名：科学技术与工程英文刊名：SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING年，卷(期)：2010，10(16)被引用次数：0次 参考文献(11条)参考文献(11条)1.高振海.郑南宁.程洪 基于车辆动力学和Kalman滤波的汽车状态软测量期刊论文-系统仿真学报 2004(1)2.高越.高振海.李向瑜 基于自适应Kalman 滤波的汽车横摆角速度软测量算法 2005(1)3.余卓平.高晓杰 车辆行驶过程中的状态估计问题综述 2009(5)4.施树明.Henk Lupker.Paul Bremmer.Joost Zuurbier 基于模糊逻辑的车辆侧偏角估计方法期刊论
34、文-汽车工程 2005(4)5.齐志权.刘昭度.时开斌.马岳峰.张景波 基于汽车ABS/ASR/ACC集成化系统的ABS参考车速确定方法的研究期刊论文-汽车工程 2003(6)6.Hrovat D Application of optimal control to advanced automotive suspension design 1993(10)7.Lu J.DePoyster M Multiobjective optimal suspension control to achieve Integrated ride and handlingperformance 2002(6)8.
35、Barak P On a ride control algorithm for heave,pitch and roll motions of a motor vehicle 19859.Barak P.Hrovat D Application of the LQG approach to design of an automotive suspension for threedimensional vehicle models 198810.Chen H H F.Guenther D A-tuning optimal control of an active suspension 198911.高为炳 变结构控制的理论及设计方法 1996 本文链接：http:/