CN111006884B - 基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法 - Google Patents

基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法，包括如下步骤：求取车轴侧偏角和车轮侧偏角；获取车轮侧向力和车轴侧向力；求取车轮侧偏刚度和车轴侧偏刚度。本发明适用范围广，测量对象多样，本发明既可以应用于普通的乘用车也可以应用于复杂的铰接式车辆，既可以应用于四轮车辆也可以应用于两轮或多轮车辆；测量成本低廉，本发明无需使用先进且昂贵的光学传感器来测量车轮侧偏角和车轴侧偏角，仅需常见的车用级别轮速传感器，车轮侧向力传感器或者车轮六分力仪即可。

Description

基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法
技术领域
本发明涉及车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法，尤其涉及一种基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法。
背景技术
汽车行驶过程中的车轮/车轴侧偏角与侧偏刚度是用以评价车辆操纵稳定性等动力学性能、实现汽车电子控制***精准控制与智能车辆辅助或无人驾驶技术的关键车辆参数与状态信息。如何在工程实践中低成本且实时准确估算与测量二者一直是汽车工程的研发人员不懈努力的目标之一。同时，获取较为准确的车轮/车轴侧偏刚度这一重要参数也是建立车辆动力学仿真模型并实施虚拟样机仿真分析的必备基础。传统方法中一般可以采用线性化的车辆单轨模型从运动学的角度来对车辆试验数据进行处理，近年来科研与技术人员提出一些新的方法，一方面可以通过较为昂贵的光学速度传感器实时测量车轮/车轴侧偏角，另一方面可以通过先进的卡尔曼滤波或者状态观测器估计实时的车轮/车轴侧偏角，然后再辅以测量的或估计的侧向力从而计算侧偏刚度。然而，传统方法适用范围局限，难以用于实时控制，先进的光学传感器成本太高难以配置在量产车型中，而卡尔曼滤波或者状态观测器等先进算法的鲁棒性与实践性仍然有待完善。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种适用于车辆动力学状态处于轮胎线性范围内且车辆***具有谐波响应的工况、同时可操作性强且成本低廉的基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法，包括如下步骤：
(1)、求取车轴侧偏角和车轮侧偏角，通过轮速传感器检测得到车轮速度，车轮速度通过计算得到车辆的纵向行驶速度vx，通过侧向加速度传感器检测得到车辆前轴处的侧向加速度ay,f和车辆后轴处的侧向加速度ay,r，通过横摆角速度传感器检测得到车辆的横摆角速度
Figure GDA0002959578790000011
通过方向盘转角传感器检测得到车辆的方向盘转角信号δs；根据公式计算车轴前轴侧偏角αf，
Figure GDA0002959578790000021
根据公式计算车轴后轴侧偏角αr，
Figure GDA0002959578790000022
其中，is表示车辆转向***经过线性简化后得到的固定传动比，^表示复频域里面的复数幅值，j表示虚数单位，ω1表示获取的车辆横摆角速度的主导频率；忽略车轮定位参数的影响，左右两侧车轮的车轮侧偏角等于车轴侧偏角；
(2)、获取车轮侧向力和车轴侧向力，通过车轮侧向力传感器或车轮六分力仪检测得到车轮侧向力，将左右两侧车轮侧向力相加得到车轴侧向力；
(3)、求取车轮侧偏刚度和车轴侧偏刚度，当车辆动力学状态处在轮胎线性范围内时，根据公式计算得到车辆前轴侧偏刚度Cα,f和车辆后轴侧偏刚度Cα,r，
Figure GDA0002959578790000023
Figure GDA0002959578790000024
其中，Fy,f表示车辆的前轴的侧向力，Fy,r表示车辆的后轴的侧向力；车辆前轮侧偏刚度等于车辆前轴侧偏刚度，车辆后轮侧偏刚度等于车辆后轴侧偏刚度。
其中，所述步骤(1)中车轮速度通过最大轮速算法或均值轮速算法计算得到车辆的纵向行驶速度vx。
进一步，所述步骤(1)中在后轴中心处安装一个侧向加速度传感器，通过该侧向加速度传感器检测得到车辆后轴处的侧向加速度ay,r，通过公式计算得到车辆前轴处的侧向加速度ay,f，
Figure GDA0002959578790000025
其中，l1表示车辆前后轴之间的轴距。
优选的，所述步骤(3)中当测得的车辆侧向加速度的幅值最大值小于5m/s2时即表示车辆动力学状态处在轮胎线性范围内。
再者，所述步骤(3)中当车辆的车轮侧偏角和车轴侧偏角小于5度时即表示车辆动力学状态处在轮胎线性范围内。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
(1)、适用范围广，测量对象多样，本发明既可以应用于普通的乘用车也可以应用于复杂的铰接式车辆，既可以应用于四轮车辆也可以应用于两轮或多轮车辆；(2)、测量成本低廉，本发明无需使用先进且昂贵的光学传感器来测量车轮侧偏角和车轴侧偏角，仅需常见的车用级别轮速传感器，车轮侧向力传感器或者车轮六分力仪即可；(3)、测量条件简单，本发明可以直接在车辆的道路试验中加以应用，无需额外的测量条件，相比其他车辆状态观测器等方法更为简单有效，且不易受外界环境干扰。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本测量方法基于车辆***的谐波响应机理，故测试场景主要有以下两种：(1)在外界谐波激励下，一般车辆将会表现出受迫振动下的谐波响应，如乘用车标准蛇形绕桩试验；(2)在外界非周期激励下，特殊车辆将会表现出自由振动下的谐波响应，如高速行驶的铰接式车辆在脉冲激励下所触发的动态临界振荡试验。
如图1所示，本发明一种基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法，包括如下步骤：
(1)、求取车轴侧偏角和车轮侧偏角，通过轮速传感器检测得到车轮速度，车轮速度通过最大轮速算法或均值轮速算法计算得到车辆的纵向行驶速度vx，其中车辆应匀速行驶，车辆的四个或多个车轮都安装车轮轮速传感器；在后轴中心处安装一个侧向加速度传感器，通过该侧向加速度传感器检测得到车辆后轴处的侧向加速度ay,r，通过公式计算得到车辆前轴处的侧向加速度ay,f，
Figure GDA0002959578790000031
其中，l1表示车辆前后轴之间的轴距；
通过横摆角速度传感器检测得到车辆的横摆角速度
Figure GDA0002959578790000032
车辆侧向加速度传感器与横摆角速度传感器都安装在试验车辆的后备箱内，保证二者在水平面内的位置垂向投影在车辆后轴的中间处，或者选用可实现车辆侧向加速度与横摆角速度集成测量的车用级别传感器，或者车用级别惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)；通过方向盘转角传感器检测得到车辆的方向盘转角信号δs；根据公式计算车轴前轴侧偏角αf，
Figure GDA0002959578790000041
Figure GDA0002959578790000042
根据公式计算车轴后轴侧偏角αr，
Figure GDA0002959578790000043
其中，is表示车辆转向***经过线性简化后得到的固定传动比，^表示复频域里面的复数幅值，j表示虚数单位，ω1表示获取的车辆横摆角速度的主导频率；vy,f与vy,r分别表示车辆前、后轴处的侧向速度；ψ1表示车辆的横摆角；βf表示车辆前轴处的质心侧偏角；αf表示车辆前轮/前轴侧偏角，αr表示车辆后轮/后轴侧偏角；s表示拉普拉斯算子；∫表示积分符号；忽略车轮定位参数的影响，左右两侧车轮的车轮侧偏角等于车轴侧偏角；
(2)、获取车轮侧向力和车轴侧向力，通过车轮侧向力传感器或车轮六分力仪检测得到车轮侧向力，将左右两侧车轮侧向力相加得到车轴侧向力；Fy,i与vw,i分别表示待测量车轮的侧向力与轮速，i指代车轮的编号(1，2，3，4)；其中车轮侧向力传感器可选装在相应的车轴左右侧车轮；
(3)、求取车轮侧偏刚度和车轴侧偏刚度，当车辆动力学状态处在轮胎线性范围内时，其中当测得的车辆侧向加速度的幅值最大值小于5m/s2时即表示车辆动力学状态处在轮胎线性范围内或当车辆的车轮侧偏角和车轴侧偏角小于5度时即表示车辆动力学状态处在轮胎线性范围内；
根据公式计算得到车辆前轴侧偏刚度Cα,f和车辆后轴侧偏刚度Cα,r，
Figure GDA0002959578790000044
Figure GDA0002959578790000045
其中，Fy,f表示车辆的前轴的侧向力，Fy,r表示车辆的后轴的侧向力；车辆前轮侧偏刚度等于车辆前轴侧偏刚度，车辆后轮侧偏刚度等于车辆后轴侧偏刚度。
本发明得到的侧偏刚度既包含幅值大小信息，也包含相位信息，但在实际道路试验中经数据处理得到的相位信息一般应该在零度附近；其中的幅值大小即为测量得到的侧偏刚度，而相位信息一般为零。本发明测量方法主要适用于车辆动力学状态处于轮胎线性范围内且车辆***具有谐波响应的工况，通过工程实践中成本较为低廉的车辆状态传感器获取必要的车辆状态信息，在已知车辆几何参数与转向系转向比的基础上，可建立简单常用的带有线性轮胎特性的车辆单轨模型；进而通过信号分析方法中的常见的傅立叶变换可进一步获取各个车辆状态谐波信号的幅频与相频特性，最终基于线性轮胎特性便可实现车轮/车轴侧偏角与侧偏刚度的准确测量。
本发明当车辆车轮/车轴侧偏角小于5度时，车辆动力学状态工作在轮胎线性范围内时，借助于数学中的小角度近似原理(sin x≈x,cos x≈1)与傅立叶变换，可对处于谐波响应下的车辆***的车轮/车轴侧偏角与侧偏刚度实施较为准确的测量。处于谐波响应下的车辆***可视为一机械振动***，此时其侧向加速度、横摆角速度等车辆状态量呈现出在某一主导频率下的谐波响应特性。此时，车轮/车轴侧偏角与侧向力同样呈现出在此主导频率下的谐波响应特性，由于二者均具有幅值与相位信息，故可采用傅立叶变换与复数计算得到以复频域方式表示的车轮/车轴侧偏刚度，其中的幅值大小即为测量得到的侧偏刚度，而相位信息一般为零。以复频域方式表示的车轮/车轴侧偏角的推导过程中需要融合汽车理论中的线性两自由度车辆单轨模型中的车轴侧偏角的计算方法；由于计算过程中的必要简化，常常忽略车轮定位参数的影响，因此可将得到的车轴侧偏角近似为左右两侧车轮的车轮侧偏角，从而实现了车轮/车轴侧偏角与侧偏刚度的准确测量。

Claims (5)

1.一种基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、求取车轴侧偏角和车轮侧偏角，通过轮速传感器检测得到车轮速度，车轮速度通过计算得到车辆的纵向行驶速度vx，通过侧向加速度传感器检测得到车辆前轴处的侧向加速度ay,f和车辆后轴处的侧向加速度ay,r，通过横摆角速度传感器检测得到车辆的横摆角速度
Figure FDA0002293542860000015
通过方向盘转角传感器检测得到车辆的方向盘转角信号δs；根据公式计算车轴前轴侧偏角αf，
Figure FDA0002293542860000011
根据公式计算车轴后轴侧偏角αr，
Figure FDA0002293542860000012
其中，is表示车辆转向***经过线性简化后得到的固定传动比，^表示复频域里面的复数幅值，j表示虚数单位，ω1表示获取的车辆横摆角速度的主导频率；忽略车轮定位参数的影响，左右两侧车轮的车轮侧偏角等于车轴侧偏角；
(2)、获取车轮侧向力和车轴侧向力，通过车轮侧向力传感器或车轮六分力仪检测得到车轮侧向力，将左右两侧车轮侧向力相加得到车轴侧向力；
(3)、求取车轮侧偏刚度和车轴侧偏刚度，当车辆动力学状态处在轮胎线性范围内时，根据公式计算得到车辆前轴侧偏刚度Cα,f和车辆后轴侧偏刚度Cα,r，
Figure FDA0002293542860000013
Figure FDA0002293542860000014
其中，Fy,f表示车辆的前轴的侧向力，Fy,r表示车辆的后轴的侧向力；车辆前轮侧偏刚度等于车辆前轴侧偏刚度，车辆后轮侧偏刚度等于车辆后轴侧偏刚度。
2.根据权利要求1所述的基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中车轮速度通过最大轮速算法或均值轮速算法计算得到车辆的纵向行驶速度vx。
3.根据权利要求1所述的基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中在后轴中心处安装一个侧向加速度传感器，通过该侧向加速度传感器检测得到车辆后轴处的侧向加速度ay,r，通过公式计算得到车辆前轴处的侧向加速度ay,f，
Figure FDA0002293542860000021
其中，l1表示车辆前后轴之间的轴距。
4.根据权利要求1所述的基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中当测得的车辆侧向加速度的幅值最大值小于5m/s2时即表示车辆动力学状态处在轮胎线性范围内。
5.根据权利要求1所述的基于傅立叶变换的车轮车轴侧偏角与侧偏刚度的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中当车辆的车轮侧偏角和车轴侧偏角小于5度时即表示车辆动力学状态处在轮胎线性范围内。
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