[发明专利]一种车辆行驶过程中的路面高度实时估计方法

权利要求书

1.一种车辆行驶过程中的路面高度实时估计方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、建立考虑悬架几何结构的四分之一悬架模型：

为了建立更加准确的四分之一悬架模型，本发明考虑了悬架真实几何结构的影响，并以麦弗逊悬架为例建立悬架模型，忽略轮-地耦合阻尼的影响，根据拉格朗日方程，可得悬架系统动力学模型如下：

其中：

D1＝m_sl_C+m_ul_Csin²(θ-θ₀)；

b＝2l_Al_B；

c＝a²-abcosα′；

d＝ab-b²cosα′；

α′＝α+θ₀；

式中：z_s、分别为悬架簧上质量位移、速度和加速度；θ、分别为OC相对于平衡位置的角位移、角速度、角加速度；θ₀和α分别为稳态时OC与水平线夹角和OA与水平线的夹角；z_r为路面高度；m_s为四分之一悬架簧上质量，m_u为四分之一悬架簧下质量，k_s为悬架刚度系数，c_p为悬架阻尼器阻尼系数，k_t为轮-地耦合刚度系数；l_A、l_B、l_C分别为OA、OB、OC长度；f_a为主动悬架施加的控制力，在半主动悬架中，该值取为0；f_d为车身载荷的变化；

步骤二、将路面高度估计问题转化为未知输入重构问题：

根据步骤一中给出的悬架系统动力学模型，定义系统状态为输出为其中：为悬架簧上质量加速度，Δl为AB长度的变化量，即簧上质量和簧下质量的相对位移，由几何关系可知：

式中：l和l′分别为簧上质量和簧下质量的长度；

由式(1)和(2)可知，由拉格朗日方程推导出的悬架模型中，状态变量与路面高度z_r耦合在一起，使得难以使用模型估计路面高度，因此考虑在平衡点对上述模型进行线性化处理；

在平衡点对步骤一中的模型进行线性化处理，其中，z_s为悬架簧上质量位移，为悬架簧上质量速度，θ为相对于平衡位置的角位移，即相对于平衡位置角度变化量，为对应的角速度，f_a为主动悬架施加的控制力，在半主动悬架中，该值取为0，f_d为车身载荷的变化量，z_r为路面高度；在平衡点的稳态状态下，上述变量显然全部为0；

得到线性化后的状态方程：

其中：

W1＝(m_sl_C+m_ul_Csin²(-θ₀))²；

得到线性化后的测量方程：

其中：

在表达式(3)和(4)中，考虑主动悬架施加的控制力f_a和车身载荷的变化f_d均为已知输入，而路面激励z_r为未知输入，特别的，当使用半主动动悬架时，f_a＝0；当车身载荷不发生变化时，f_d＝0；

步骤三、建立考虑悬架阻尼器非线性特性的估计模型：

考虑步骤二中的线性化模型，其中参数c_p是悬架阻尼器阻尼系数，在实际过程中是一个随速度变化的量，注意到参数c_p只在a₂₄、a₄₄中出现，则该系统可写成如下形式：

其中，是系统选取的状态变量；是系统测量值；z_r为路面高度；f_a,f_d分别为主动悬架施加的控制力和车身载荷的变化量，为已知输入；A(c_p)、C(c_p)为随参数c_p变化的矩阵，B、G、H、D、E、F分别为对应的系数矩阵，即：

为了处理该变参数，将模型改写为线性参变系统多胞体的形式；在线性参变系统中，选取变参数c_p为调度变量，根据c_p的取值范围选取该多胞体的顶点为c_pmax,c_pmin，其中c_pmax,c_pmin分别为变参数c_p的最大值和最小值；将c_pmax,c_pmin分别代入模型的A矩阵、C矩阵，得到线性变参数模型的多胞体的形式：

其中，是通过调度变量c_p计算得到的权重系数，z_r为路面高度，f_a,f_d分别为主动悬架施加的控制力和车身载荷，均为已知输入；为变参数c_p取边界值时的系数矩阵，即：

B,G,H,D,E,F分别为对应的系数矩阵；

步骤四、设计状态观测器估计系统状态：

对于表达式(6)所描述的线性参变系统，利用可测量的系统输出作为观测量，设计状态观测器，其中为悬架簧上质量加速度，Δl为簧上质量和簧下质量的相对位移；

考虑f_a和f_d为已知量，分别对c_p＝c_pmax和c_p＝c_pmin两种情况设计状态观测器；

当c_p＝c_pmax时设计状态观测器如下：

其中：为观测器反馈增益，为观测器滑模增益，分别表示状态x₁、x₂、x₃、x₄的估计值，分别表示输出y₁、y₂的估计值；

类似的，当c_p＝c_pmin时设计状态观测器如下：

其中：为观测器反馈增益，为观测器滑模增益,分别表示状态x₁、x₂、x₃、x₄的估计值，分别表示输出y₁、y₂的估计值；

将状态观测器写成多胞体的形式如下：

其中：

分别为多胞体顶点时观测器反馈增益矩阵；

分别为多胞体顶点时观测器滑模增益矩阵；

为了避免抖振对状态估计的影响，采用以下等效符号函数取代表达式(9)所设计的观测器中的符号函数sign(e)：

式中：为输出的估计误差；η是一个小的正数，可以调节函数在零值估计误差附近的斜率，影响对系统为未知输入的重构精度；

步骤五、计算观测器误差方程：

定义状态估计误差：

分别对c_p＝c_pmax和c_p＝c_pmin两种情况计算观测器的估计误差方程；

当c_p＝c_pmax时，观测器误差方程如下：

其中：

类似的，当c_p＝c_pmin时，观测器误差方程如下：

其中：

将误差方程写成多胞体的形式如下：

其中：

步骤六、设计观测器增益矩阵保证观测器误差方程稳定，其中，观测器增益矩阵为：

K(c_p)＝P^-1(c_p)Y(c_p)；

误差方程为：

步骤七、通过未知输入重构，实现对路面高度的估计，其中，路面高度重构为：