淺論基於ESP系統的汽車狀態參數估計方法研究論文

隨着我國人民經濟水平的提高，我國的汽車銷量也迅速增長至全球首位，而隨之而來的車輛安全、環保等問題卻日益凸顯。據有關部門統計，在2015年全球發生的交通事故中，車輛在彎道或易滑路面的轉向失控是造成車輛失控導致交通事故的重要原因之一。ESP車身電子穩定系統的提出對於緩解車輛側滑事故起到了很重要的主動安全預防作用，其可以很好地提高車輛在轉彎時的穩定性，減少車輛由於轉向不足或者轉向過大引起的交通事故。然而，目前國內外對ESP控制監測的車輛狀態參數主要來源與車載傳感器數據，某些傳感器測量不精確或者無法測量數據(如橫擺角速度ωr與質心側偏角β)，極大地限制了中低檔車輛ESP控制系統的控制效果。因此研究出一種估算車輛運行中的橫擺角速度ωr與質心側偏角β的方法，對於提升ESP車身電子穩定系統的應用具有非常重要的研究意義。本文基於前人的研究基礎採用軟測量技術，採用卡爾曼濾波算法建立汽車動力學模型與狀態方程估計出汽車運動過程中的狀態參數，估計出汽車運行中的橫擺角速度ωr與質心側偏角β，並通過對比Matlab中建立的整車仿真模型，驗證了算法的有效性。

　　1系統關鍵技術簡介

1.1ESP車身電子穩定系統

ESP是一種穩定車身的控制系統，其組成由ESP電子控制單元、轉速傳感器、方向盤傳感器、搖擺運動感應器與發動機ECU組成。目前國外很多汽車公司都開發出了自己的車身電子穩定系統，不同廠家命名不同，但其功能大體一致，均可實現車輛在緊急操控、路面結冰等特殊行駛條件下的穩定行駛。ESP主要可用於調整汽車轉向控制，它具有監測車輛狀態預防在突發狀況時，駕駛人誤操作而造成車輛轉向失控的情況。根據有關數據表明，不同型號的車輛裝上EPS系統之後都會相應地減少碰撞率，其中SUV車型可減少70%左右的碰撞事故。ESP系統的工作流程爲：車載轉速轉角傳感器將車輛的轉速、轉角信號傳遞給ESP控制單元，ESP根據傳送的信號識別出車輛的轉向信息，結合車輛側向加速傳感器與橫擺角傳感器傳遞的信號識別出車輛的行駛情況，ESP系統對於車輛的轉向具有重要作用，特別對於轉向不足與轉向過度的情況，系統會根據車輛轉向不足或過度的具體情況，向車輛的制動系統發出不同信號，產生不同的制動力，以防止車輛因轉向原因出現事故，維持車輛行駛的安全性與穩定性。

1.2基於狀態估計的軟測量技術

軟測量技術是一種基於數學建模與系統辨識的間接測量方法，其主要通過建立系統數學模型對變量進行估計計算，軟測量技術是一種智能測量方法，通常人們根據參數的容易獲取程度，將易於獲得的變量參數稱爲輔助型參數，將不容易直接獲得的參數稱爲主導型參數。主導型參數往往根據輔助型參數構造的數學模型，通過數學推算獲得。

軟測量技術發展至今已有很多應用到實際中的實例，針對不同的工程對象往往有不同的軟測量方法，目前應用較廣泛的軟測量技術有：基於機理分析的軟測量技術;基於狀態估計的軟測量技術;基於神經網絡、遺傳算法等智能算法的軟測量技術;基於迴歸分析的軟測量技術。本文將着重分析基於狀態估計的軟測量技術。

1.2.1狀態估計測量方法

基於狀態估計的軟測量技術以系統的狀態空間表達式爲估計模型，根據狀態方程通過狀態估計方法或狀態觀測方法對系統參數進行估計計算。首先，建立系統離散數學模型，設已知參數或輔助型參數爲x(t)，對應離散方程時間序列爲{X(nT)};相應待測變量爲y(t)，對應離散方程時間序列爲{Y(nT)}，系統參數測量問題則轉化爲通過時間序列爲{X(nT)}推導時間序列爲{Y(nT)}最優解的數學問題。

其中，x爲狀態參數，y爲觀測參數，θ爲輔助參數，u爲輸入參數，v、w爲噪聲參數;A、B、C、Cθ爲系統係數矩陣。系統參數估計過程爲：狀態初值x(t)藉助輔助參數θ獲得估計值，並最終獲得觀測值y的估計值。

　　2車輛模型狀態估計方法

2.1卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波算法是一種典型的基於狀態參數的軟測量方法。它是一種對離散信號進行線性濾波的遞推，進而獲得最優解的方法，其主要特點爲：1)是一種適用於求解多維隨機問題的遞推算法;2)可對所有信號進行處理並由系統狀態方程描述參數變化情況;3)可利用系統現實存在的白噪聲與測量噪聲特性估計被觀測參數;4)離散型濾波算法可通過計算機仿真實現。

卡爾曼濾波算法大多用於線性系統，而車輛的行駛過程、電機轉軸過程均爲典型的'線性系統，建立上述過程的數學模型後，通過系統離散化即可建立系統狀態方程與觀測方程。

2.2車輛二自由度轉向狀態估計模型

由於我們在分析汽車運動模型時，通常設定其沿x軸運動的速度是恆定的，因此汽車做平面運動時即可等效爲類似於摩托車的二自由度模型。這裏的二自由度常包括沿y軸方向的側向運動與沿z軸方向的擺動轉動的參數。

可以建立汽車的二自由度微分方程，但是還需要假設以下條件：

車輛的驅動力比較小，地面對輪胎特性的影響可以忽略;

可忽略汽車運動過程中的空氣阻力;

可忽略車輛負載大小對於輪胎特性與輪胎回正能力的影響;

　　3系統仿真

根據在MATLAB軟件中搭建離散系統模型並在AMEsim環境中模擬車輛行駛過程，將車輛的車速信號v、方向轉角信號dta、側向加速度信號ay傳遞給simulink模塊，在simulink中建立的仿真結構圖。

設車輛速度爲60km/h，輸入車輛運行過程中方向盤轉角δsw、車速v以及側向加速度ay的值後，估計系統在階躍輸入下橫擺角速度ωr與質心側偏角β的變化曲線。

　　4結論

本文分析了ESP車身電子穩定系統的工作原理與應用現狀，針對當前ESP系統無法準確測量車輛運動過程中的橫擺角速度ωr與質心側偏角β的情況，提出來軟測量技術測量上述參數的方法，通過建立汽車二自由度狀態方程，利用卡爾曼濾波算法估計β與β的值。最後結合AMEsim環境與MATLAB軟件完成了系統模型的搭建，並針對車輛運行過程進行了仿真，獲得了ωr與β的估計值變化曲線。