[发明专利]一种基于纵向力观测器的车辆质心侧偏角鲁棒估计方法

权利要求书

1.一种基于纵向力观测器的车辆质心侧偏角鲁棒估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、建立二自由度车辆模型和电驱动轮模型；

所述二自由度车辆模型的建立包括以下步骤：

建立二自由度的单轨车辆动力学模型，动力学方程为：

式中，v_x为纵向车速，γ为横摆角速度，β为质心侧偏角，C_f、C_r分别为前后轮胎的侧偏刚度，m为汽车质量，I_z为绕z轴的转动惯量，l_f、l_r分别为质心距前轴和后轴的距离；

ΔM_z为四轮轮胎纵向力产生的额外横摆力矩，表示为：

ΔM_z＝(F_x2-F_x1)b_fcosδ+(F_x1+F_x2)l_fsinδ+(F_x4-F_x3)b_r式二

式中b_f、b_r为半轮距，F_xj,其中j＝1,2,3,4，为编号为j的轮胎所具有的纵向力，编号1、2、3、4分别代表左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；

前后横向轮胎力表示为：

F_yf＝C_fα_f,F_yr＝C_rα_r式三

前后轮轮胎侧偏角为：

α_f＝δ_f-l_fγ/v_x-β

α_r＝l_rγ/v_x-β 式四

所述电驱动轮模型的建立包括以下步骤：

单个车轮的旋转动力学方程为：

式中，ω_j为纵向力F_xj所对应车轮的转速；J₁为车轮转动惯量；r为车轮有效半径；T_Lj为安装于车轮内轮毂电机的负载力矩；

轮毂电机输出轴上的转矩平衡方程为：

轮毂电机等效电路的动态电压平衡方程为：

式三、四中，J₂为电机转子的转动惯量；b为阻尼系数；K_t为电机转矩常数；i_j为线电流；

u_j为线电压；R为绕组等效线电阻；L为绕组等效电感；K_a为反电动势系数；

步骤S2、纵向力观测器设计，首先通过系统降阶构造纵向力重构方程，针对直驱轮毂电机系统含有未知输入和噪声的情况，通过对直驱电机系统降阶处理实现系统的解耦，从而得到纵向力的解析重构方程：通过纵向力的重构方程先基于伦伯格观测器设计系统状态估计器，得到估计量；再根据待估计量含有微分的特点，基于高阶滑模观测器实现子系统状态量的微分的估计；

所述通过系统降阶构造纵向力重构方程具体过程如下：

由式五、六、七联立得：

其中，J＝J₁+J₂，则电驱动轮模型的系统方程表示为：

y＝Cx+Fv式九b

其中，x，u，d，y，分别为系统状态量，已知输入，未知输入和测量值，w和v为互不相关的零均值白噪声序列；且有

式九a展开得：

由式十b得纵向力的解析式为：

设P＝D₂^-1，则纵向力的重构方程表示为：

所述步骤S2中基于伦伯格观测器的系统状态估计具体包括以下步骤：

式十二中，为状态量的观测值，设计伦伯格观测器如下：

其中，构建一个新的变量：

从而得：

令T＝I-DPC₂，则有

此时，式十三转化为

针对式十七a含噪声的情况，设计卡尔曼滤波器KF1实现z的无偏估计，再由式十七b估计得到

所述步骤S2中还包括估计的步骤：

由式十b知：

令

从而得：

设计高阶滑模观测器为：

利用此高阶滑模观测器即得到的微分根据式九设计卡尔曼滤波器KF2，将和作为已知输入，即估计出驱动轮的纵向力F_xj；

步骤S3、基于纵向力观测器的车辆质心侧偏角鲁棒估计，根据所述步骤S2的纵向力观测器设计方法，设计纵向力观测器来实时估计车轮的纵向力，并将该纵向力估计值作为计算车辆横摆力矩的输入量，且设计鲁棒卡尔曼滤波进行车辆质心侧偏角估计；

步骤S4、仿真验证和实验验证。