[发明专利]一种基于二阶滑模观测器的车辆质心侧偏角的估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及车辆控制领域，具体地说是一种基于软件离线编程，构造二阶滑模观测器，实现对车辆控制系统中质心侧偏角的实时估计方法。

背景技术

随着科学技术与社会经济的发展，汽车数量急剧上升，成为人类的首要代步工具。与此同时，普通驾驶员很难应付各种复杂的交通路况，导致汽车交通事故频发。

为了能够提高车辆的操纵稳定性，在恶劣路况和紧急情况下调节车辆状态，避免车辆失稳，汽车的主动安全控制方法被越来越多的应用到车辆系统中。这些主动安全控制方法主要包括车身电子稳定系统(ESP)、四轮转向控制(4WS)、主动前轮转向技术(AFS)等。然而，这些车辆主动安全控制技术均依赖于对车辆质心侧偏角的准确估计。

虽然市面上存在相应的传感器(例如高精度陀螺仪)可以直接测量车辆的质心侧偏角，但这些传感器往往造价昂贵并且其安装固定方式特殊，只能用于汽车的开发试验场合，难以在量产的车辆设计与制造中被选用。从节约成本和开发方便的角度出发，基于状态观测器估计车辆质心侧偏角的方法得到了大量应用。然而，传统的状态观测器一般选择线性的Luenberger观测器。在系统模型精确可知，外部扰动较小的情况下，Luenberger观测器可以较好地实现系统状态的精确估计。但是，当存在较强外部扰动和模型不确定性的情况下，Luenberger状态观测器很难保证系统具有较小的稳态观测误差。值得注意的是，车辆控制系统是一个典型的非线性控制系统，具有较大的外部随机干扰以及系统本身内在的非线性强耦合特性。对该类复杂控制系统而言，Luenberger观测器难以快速准确地估计车辆的质心侧偏角。因此，迫切需要引入新的质心侧偏角估计方法实现其精确和高效的实时估计。基于此，本发明将基于二阶滑模观测理论，提出一种鲁棒性强、收敛速度快的车辆质心侧偏角观测方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于设计一种基于二阶滑模状态观测器的车辆质心侧偏角估计方法，利用其鲁棒性强的特点以一种低成本的方式精确估计车辆系统的质心侧偏角。该方法可以广泛应用于各种车辆控制系统的质心侧偏角估计。实现本发明的技术方案如下：

一种基于二阶滑模观测器的车辆质心侧偏角的估计方法，包括：

步骤1，利用传感器检测车辆状态，具体为：利用速度传感器检测车辆运行的纵向轮速v_x；利用横摆角速度传感器检测车辆运行过程中的横摆角速度ω；利用前轮转角传感器检测车辆运行过程中的前轮转角δ；

步骤2，设计二阶滑模观测器，包括：

步骤2.1，首先建立车辆系统的动力学模型；

步骤2.2，针对车辆动力学模型设计二阶滑模观测器；

步骤3，将步骤1检测的车辆状态信息传递到步骤2设计的二阶滑模观测器，运算估计得出质心侧偏角。

进一步优选方案，所述步骤2.1中车辆系统的动力学模型采用线性二自由度车辆动力学模型，其建立过程包括：

步骤2.1.1，建立车辆二自由度动力学模型的表达式

其中，m为汽车质量，K_f为前轴侧偏刚度，K_r为后轴侧偏刚度，I_z为整车绕Z轴的转动惯量，x表示纵向运动，y表示横向运动，a为车辆前轴到质心的距离，b为车辆后轴到质心的距离，v_x为纵向速度，v_y为侧向速度，ω为车辆的横摆角速度，β为质心侧偏角，δ为车辆的前轮转角，F_xf、F_yf、F_xr、F_yr分别表示前轮纵向力、前轮横向力、后轮纵向力、后轮横向力。

步骤2.1.2，建立质心侧偏角的表达式：并求导得到

步骤2.1.3，将项作为小幅度扰动d(t)，并利用状态空间的形式对步骤2.1.1的车辆二自由度动力学模型进行表达，得到状态空间形式的线性二自由度车辆动力学模型：

其中x₁＝ω，x₂＝β，X＝(ω,β)^T，Y＝ω，u＝δ，d＝d(t)，B_d＝[0 1]，C＝[1 0]。

进一步优选方案，所述步骤2.2中设计二阶滑模观测器的方法包括：将二自由度车辆动力学模型的输出Y＝ω作为反馈量设计二阶滑模观测器，建立二阶滑模观测器的表达式：