[发明专利]轮式装载机轮胎纵向力动态估计方法

说明书

技术领域

本发明属于轮式装载机状态参数估计技术领域，具体涉及一种轮式装载机轮胎纵向力动态估计方法，适用于前后桥独立电驱动轮式装载机(Front/Rear Axle Electric Wheel Loader,简称FREWL)。

背景技术

近年来，新能源轮式装载机日益得到国内外政府和工程机械厂商的重视。其中，动力学智能控制领域的研究是新能源轮式装载机的重点研究方向之一。为实现整车动力学智能控制，需要向控制系统在线提供整车各种关键的状态参数。然而，这些关键的状态参数有一部分无法通过传感器在线测量或测量仪器价格较高。其中，轮胎纵向力是开展整车智能控制的关键状态参数，但测量仪器价格昂贵，无法在量产轮式装载机上安装。因此，通过先验估计方法对轮胎纵向力进行精确的在线估计具有重要的意义。

现有的轮胎纵向力估计方法主要通过滑膜观测器、递推最小二乘法或扩展卡尔曼滤波方法估计轮胎纵向力，但存在以下两个主要缺点：

1、当前研究的轮胎纵向力估计方法主要应用于公路车辆领域，由于工作装置和铰接结构的存在，FREWL的动力学模型和作业特性与公路车辆有较大的区别；

2、现有通过扩展卡尔曼滤波估计轮胎纵向力的估计方法，动力学方程中通常含有轮胎径向刚度，且将轮胎径向刚度定义为一个常数。然而，轮胎径向刚度的数值变化与轮胎垂向力成正比。因此，公路车辆在沥青路面上行驶时，由于轮胎垂向力变化频率和幅度较小，轮胎径向刚度数值变化较小，其轮胎纵向力估计精度较高。而轮式装载机经常作业在各种恶劣工况，轮胎垂向力变化频繁和幅度较大，无法忽略轮胎径向刚度数值的变化。

以上原因导致现有的估计方法在轮式装载机轮胎纵向力的动态估计上难以得到良好的估计精度。由此可见，在本技术领域，轮胎纵向力的动态估计方法需进行改进。

综上，目前急需一种适用于轮式装载机作业特性，且不含有轮胎径向刚度的轮胎纵向力动态估计方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种适用于前后桥独立电驱动的轮式装载机(简称“FREWL”)轮胎纵向力动态估计方法，为FREWL智能化动力学控制提供准确的轮胎纵向力动态参数，提升整车控制精度和性能。该方法适用于各种作业工况中纵向运动的FREWL，且使用的传感器数量少，价格低廉。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

轮式装载机轮胎纵向力动态估计方法，所述动态估计方法首先基于前后桥独立电驱动轮式装载机的前后电机实时可知的电机输出转矩T_f,r以及测量得到的轮胎滚动半径r_eff，通过非线性滤波器估计得到纵向速度v_x；然后依据传感器测量得到的纵向加速度和坡度θ，估计得到的纵向速度v_x、通过计算得到的前后轮胎滑移率σ_f,r以及通过查表或计算得到的整车质量m和铲掘阻力纵向分力F_x，搭建状态方程和量测方程，最后通过扩展卡尔曼滤波估计得到动态的前轮纵向力F_xf和后轮纵向力F_xr。

所述动态估计方法具体过程如下：

一、布置传感器：

在装载机的静态重心位置安装加速度传感器和坡度传感器，用于测量装载机的纵向加速度和装载机行驶时路面坡度的变化；

在装载机桥壳上安装轮速传感器，用于测量轮胎转速；

二、纵向速度v_x的估计：

基于前后桥独立电驱动轮式装载机的前后电机输出转矩实时可知的特点，假设车辆只是纵向行驶，通过一个非线性滤波器对纵向速度进行估计，具体计算公式如下：

y(t＝0)＝y₀………………………………(2)

公式(1)中，v_x(t)是车辆的纵向速度，x(t)是前后车轮角速度ω_f,r与轮胎滚动半径r_eff的乘积，前后车轮角速度ω_f,r通过轮速传感器测量得到，轮胎滚动半径r_eff通过测量得到；T_f,r是前后桥电机输出转矩，L是系统参数，d是自定义值。

三、推导动力学模型并建立状态方程和量测方程：

(1)、推导动力学模型：

基于力平衡原理，纵向加速度与整车质量m、前轮纵向力F_xf、后轮纵向力F_xr、路面坡度θ和铲掘阻力纵向分力F_x的计算关系如下：