四轮独立驱动电动汽车车速估计研究

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四轮独立驱动电动汽车四轮驱动力矩独立可控 ，转矩转速易于测得，因此在稳定性、节能和主动安全方面f 相对于传统汽车具有显著的控制优势。而四轮独立驱动电动汽车车速的准确估计是实现整车良好控制的前提。汽车状态估计方面广泛应用卡尔曼滤波理论设计状态观测器 ，由于主要是针对传统汽车的状态估计，对于轮胎纵向力的计算采用线性或者非线性轮胎模型。文献 绐出了卡而曼滤波理论知识的介绍 ，卡而曼滤波KF适用于解决线性系统问题，扩展卡尔曼EKF和无轨卡尔曼滤波UKF都能解决非线性系统问题，控制输入量的增加有助于估算精度的提高。EKF需要求解较为繁琐的雅克比矩阵且精度不如 UKF的uT变换高 。

根据四轮独立驱动电动汽车转矩易于测得的优势，设计了基于 UKF理论的车辆状态估计算法〃立了具有纵向、侧向和横摆三自由度非线性车辆估算模型，采用HSR轮胎模型计算轮胎的侧向力，利用四轮独立驱动电动汽车转矩易于获得的优势来计算轮胎纵向力，结合纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度及转角传感器等低成本传感器信号，基于UKF理论对其纵向、侧向车速进行估计，并通过仿真实验对算法进行验证。

2车辆估算模型估算模型采用具有纵向、侧向和横摆运动的三自由度车辆模型。在SO车辆坐标系下，估算模型，如图1所示。作如下假设：t车辆质心和坐标系原点重合；2忽略悬架对车辆垂直运动的影响；3忽略车辆的俯仰和侧倾运动；4忽略纵向滚动阻力的影响。车辆简化为只有纵向、侧向和横摆运动的三自由度模型。

图 1三自由度车辆估算模型Fig.1 Three Degrees of Freedom Estimation Model Vehicles三自由车辆模型动力学方程如下： yrVy -V r来稿日期：2012-11-30基金项目：国家863项目资助2012AA1 10904作者简介：宗新怡，1989-，女，辽宁人，硕士研究生，主要研究方向：汽车动态仿真与控制邓伟文，1963-，男，江西人，博士，教授，主要研究方向：汽车动态仿真与控制12宗新怡等：四轮独立驱动电动汽车车速估计研究 第9期，z rr 3n si co晦-羊F co - si晦aF asir co 等 co晦- si峨6 -手 -6 手 4式中： 纵向车速； 4向车速；r-横摆角速度； 向加速度； -侧向加速度；口，b-质心至前后轴的距离；tf。t 前后轮距； -纵向力∽ ， ，r代表左前轮、右前轮、左后轮、右后轮； 摆力矩； 轮转角 -左前轮 -右前轮。假设汽车转向时左右轮转角相等。

根据动力学方程，纵向加速度 。侧向加速度ay，车轮侧偏角，四轮纵向力 。计算公式如下：co晦- si晦 -睥-1，/F sin - /f si co si吟， co ftan号”tan嚣”an tv,- r156789/ 二 二 眦 孚， 式中： 广 车辆质量。

四轮独立驱动电动汽车，四轮电机力矩响应快速、控制准确、独立可控，电机驱动力矩易于测得，电动汽车驱动行驶时纵向力可通过如下公式进行计算： · i/R 11式中：聃 轮驱动力矩； 轮转动惯量； -各轮角速度；- 车轮角加速度 -左前轮 -右前轮；r 左后轮；- 右后轮；诚速比。

为了准确估算侧向力，采用HSR轮胎模型啊 侧向力进行计算。

附着条件： 1 Syca 12 全部附着状态> >o附着和滑移并存状态0全部滑滑移状态轮胎力计算公式如下：F - 南 >L- 争2-争0《吐 ，3- /2- s，C。 -0 - 音 - 奇争2-争。《吐 ，.
- l，2- qs -0式中： 面附着系数； 车轮垂直载荷；s厂纵向滑移率；s侧向滑移率； 滑刚度； 4偏刚度。

3基于UKF的车速估算算法状态方程：xt xt，ut，wt 15这是-个非线性连续方程∝制器在运行估算算法时，EKF算法要进行离散化和雅克比矩阵线性化两个步骤，而UKF算法的uT变换解决了线性化问题，只需离散化即可。线性化后状态方程为：yxAt- l ×At1 0 0f 0r 16式中：△睬 样时间，本算法中采样步长 o.O01s。

0 0 O l O 0 量测方程：，f ， tl0 0 0 0 l 0 l f 17o o l o 0 0 J状态量： f ， ，r，a，a，r 18控制输入量： ， ， 19量测比较量：，t ，a，r 20式中： t-过程激励噪声； f-测量观测噪声，二者假设为高斯白噪声。

估算时，根据实车给定估算模型参量值，对 UKF算法赋初值，给定过程噪声值、量测噪声值及协方差值，采集传感器信号，由车轮动力学方程和轮胎模型实时计算轮胎与地面间的纵向力、侧向力，UKF估算算法通过预测更新和测量进行递推计算，实时观测车辆实时状态值。

4算法验证应用Matlab/Simulink建立了具有车身平动6个自由度、悬架垂向 4个自由度和车轮转动 4个 自由度及前轮转角 1个自由度的15自由度车辆动力学模型。该模型能很好反映车辆的动力学特性，便于对控制算法进行验证。所选取的车辆模型部分参数，如表 l所示。选用双移线工况对估算算法进行验证。车速是60km/h，路面附着系数是 O.8。纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度、四轮驱动力矩，如图2～图5所示。纵向车速、侧向车速模型输出值和算法估计值，如图6、图7所示。仿真结果表明，该算法能够准确估算四轮独立驱动电动汽车纵向车速和侧向车速。

No.9Sept.2013 机械 设 计 与 制造 85表 1车辆模型部分参数Tab.1 Some Parameters of the Vehicle Model值总质量 ，n/lg质心高度him车轮滚动半径质心至前轴的距离dm质心至后轴的距离b/m侧倾转动惯量 l,/kg.m横摆转动惯量 Ukg.m8250.45O-31.1lO1.2528812101.
1鼍蝇i默 -- l- lO 2 4 6 8 lO时间 s图2纵向加速度Fig.2 Longitudinal Acceleration0 2 4 6 8 1O时间ts图3侧向加速度Fig.3 Lateral Acceleration鼋Z 需薛O 2 4 6 8 l0时间 fs图 4横摆角速度Fig.4 Yaw RateO 2 4 6 8 l0时间s图5四轮驱动力矩Fig.5 Four-Wheel Drive Torques号60.059.5O.O-o.1O 2 4 6 8 lO时间ts图6纵向车速Fig.6 Longitudinal VelocityU Z 4 6 儿J时间ls图7侧向车速Fig.7 Lateral Velocity5结论根据各轮电机驱动力矩易于测得的优势，准确计算轮胎纵向力，减小了通过胎力学模型实时计算轮胎纵向力的误差～驱动力矩作为控制输人量，基于 UKF理论设计的四轮独立驱动电动汽车车速估算算法能够对四轮独立驱动电动汽车纵向车速和侧向车速进行准确估计。