基于卡尔曼滤波的汽车行驶姿态的研究

【摘要】：国外已经开发了许多汽车主动安全性控制系统,这些控制系统大多是针对表征汽车行驶姿态的一些关键变量进行控制,而这些状态变量通常很难用合理的成本直接测量,这给控制算法的实用性提出了挑战。本文在汽车高速行驶时紧急避让姿态的影响因素分析的基础上,对状态估计理论在汽车行驶姿态预估上的应用进行了研究。 首先结合汽车操纵动力学数学模型和MATLAB/SIMULINK软件建立二、三和八自由度的整车动力学仿真模型。针对不同的使用参数,包括车速、前轮转角和路面摩擦系数,对不同模型的仿真结果进行比较分析,说明了轮胎的侧偏角和侧偏力之间存在的非线性关系对仿真结果的影响。同时,以优尼柯轿车作为样车进行了稳态回转和角阶跃操纵稳定性实车试验,对考虑车身侧倾、轮胎非线性和横向质量转移的轴侧偏三自由度模型进行验证。 然后基于验证的整车仿真模型进行了汽车高速行驶时紧急避让姿态的影响因素分析;讨论汽车设计参数,包括后轮侧倾不足转向、质心前后位置、轴距、转动惯量、侧倾阻尼、侧倾刚度和质心到侧倾轴侧倾中心距以及车轮外倾角的设置对表示汽车行驶姿态的广义坐标—横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角的影响。同时讨论了上述参数对非线性轮胎侧偏力趋于饱和的危险工况时汽车行驶姿态的影响。 最后在SIMULlNK环境下构建卡尔曼滤波估计器预估横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角。基于“魔术”公式建立双线性轮胎模型对高速大转角的“bicycle model”轮胎侧偏力进行修正,得到较之更准确的结果。同时建立自适应卡尔曼滤波器解决了卡尔曼滤波的发散问题。此研究工作实现了利用较容易测得状态量对较难直接测量或无法直接测量的状态量的线性最小均方误差估计,为汽车参数的测量提供了一种可行、准确、低成本的方法。