CN115503736A - 一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法，旨在解决现有车辆质量估计方法中估计精度较低、输入信号不易获得、鲁棒性较差等缺点。通过从车载网络总线和传感器获取整车纵向车速、纵向加速度、车轮转速、进气质量流量、空燃比等信息，首先计算出发动机扭矩以及实时挡位信息，为质量估计算法创造较为理想的工况条件利用制定好的模糊规则进行整车质量估计工况判断，之后利用递推最小二乘法对当前汽车质量进行更新。本发明主要使用基本车载总线信号及传感器信息，具有适用范围广、精度高以及鲁棒性较强的优点，为汽车控制***提供了可靠的整车质量信号输入。

Description

一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法

技术领域

本发明涉及车辆参数估计领域，更具体地，涉及一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法。

背景技术

随着近些年来车辆电控***的高速发展，参数估计的准确性对车辆控制效果的影响愈发明显。其中，整车质量与车辆动力学性质息息相关，且汽车在整个行驶过程中质量实时发生变化，尤其重型商用车满载空载质量相差较大，较大质量变化会对整车的制动性、操纵稳定性等汽车基本性能产生很大影响。实现整车质量在线准确的估计，是实现汽车电子控制技术的必要条件之一。

汽车质量的实时估计可以使用动态汽车称重***(WIM)，该***由一系列传感器及软件组成，可以计算当前车辆的轮重、轴重、以及总重数据。但该方法成本较高，故在实车上应用较少。常见的车辆实时质量估计方法通常以汽车纵向动力学平衡方程为基础，利用最小二乘、卡尔曼滤波、或其他衍生方法对整车质量进行估计。这些动力学方法需要从汽车总线上获取发动机扭矩、传动比等时变信息，但并不是所有制造商规定的总线数据都能提供相关信息。故相关方法在适用性上仍然需要进一步提升。

现有的专利中,如中国专利授权公告号为CN 109477754 B，授权公告日为2021年1月8日，发明名称为“用于确定机动车辆总质量估计值的方法和装置”，该发明利用通讯网络数据以及车辆参数，根据前一时刻的车辆质量等参数，对下一时刻的车辆参数进行估计，但该方法没有考虑牵引力获取方法以及精度的影响；如中国专利公开号为CN 113978473 A，公开日为2022年1月28日，发明名称为“一种车辆质量与道路坡度估计方法”，该发明结合了车辆纵向动力学模型和纵向运动学模型，同时利用神经网络算法对当前车辆的质量及坡度进行联合估计，但其结果精度会受到神经网络训练样本的影响，适应性以及鲁棒性较差。

综上所述，现在的车辆在线质量估计方法中，很少考虑扭矩、传动比等部分数据的获取方法，适应性较差。因此，有必要提供这样一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有汽车质量估计方法中扭矩和传动比不易获得进而导致方法泛用性较差等问题，提供了一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：包括下列步骤：

第一步，质量置信度判别

定义车辆质量置信度为：定义质量置信度为0到1的无量纲数，代表当前时刻质量估计值的可信程度，1代表可信，0代表不可信，当车辆停止时间超过一定限值时置信度为0。下一时刻的质量置信度与上一时刻的质量置信度、模糊逻辑隶属度，以及前后时刻的质量差值相关。如果当前时刻与前一时刻质量差值较大时，说明质量估计值还没有稳定，依然处于计算阶段，此时车辆质量置信度下降；如果当前时刻与前一时刻质量差值较小时，说明估计质量趋于稳定置信度增加。同时，本文发明引入了模糊规则的隶属度来修正置信度，当隶属度较小，意味着当前时刻工况不适合进行质量估计，此时隶属度对置信度影响较小；当隶属度较大，意味着当前时刻工况适合进行质量估计，此时隶属度对置信度影响较大。当车辆质量置信度到达一定数值时，可以认为目前质量结果可靠，直至下次停车时间超过门限值都可以认为保持当前质量不变。置信度计算公式如下：

式中，α(k)——k时刻的车辆质量置信度，无单位

β(k)——停车时间判别系数，当停车时间超过限值时取0，否则取1，无单位

κ——经验系数，无单位

F(k)——k时刻的模糊逻辑隶属度，无单位

Δm(k)——k时刻与前一时刻估计质量的差值，单位为kg

m_max——质量差值门限值，单位为kg

第二步，数据获取

通过车载网络总线和其他传感器获取整车纵向车速、纵向加速度、车轮转速、进气质量流量、空燃比等信息。

第三步，发动机扭矩及传动比计算

考虑到部分车型无法从车载CAN总线上获取发动机扭矩数据，需要利用已有数据对发动机扭矩进行计算。由于发动机功率可以表示为：

P_e＝η_eQ_fH_f (2)

式中，P_e——发动机功率，单位为W

η_e——发动机热效率，无单位

Q_f——燃料质量流量，单位为kg/s

H_f——燃料热值，单位为J/s

且发动机扭矩可以通过发动机功率以及转速求得：

式中，T_e——发动机扭矩，单位为Nm

n_e——发动机转速，单位为r/min

结合公式(2)以及公式(3)，可得：

式中，Q_a——进气质量流量，单位kg/s

α_AF——空燃比，无单位

同理，需要获取车辆实时传动比数据，假设车辆轮胎滑移较小，忽略不计，则车速计算公式为：

式中，v_x——车辆纵向速度，单位m/s

n_w——车速转速，单位r/min

r——车轮半径，单位m

发动机转速与轮速的关系为：

n_e＝n_wi_gi₀ (6)

式中，i_g——变速器传动比，无单位

i₀——主减速器传动比，无单位

联立公式(5)以及公式(6)可得，变速器传动比为：

第四步，基于模糊规则的整车质量估计工况判断

使用动力学进行车辆质量估计需要考虑车辆的实际状态，需要通过模糊逻辑对当前的汽车行驶状态进行判断，在较为理想的工况条件下使用公式进行质量估计，模糊规则如下：

首先，考虑到质量估计算法主要原理时牛顿第二定律以及车辆纵向动力学平衡方程，所以理想工况需要较大的纵向力以及纵向加速度；同理，为了防止侧向运动给纵向运动产生的影响，需选择在较小侧向加速度范围内进行质量估计；车速数值适中，表明汽车处于持续行驶状态，且为前进方向；纵向力滤波数值与原始纵向力差值不宜过大；为避免急加速急减速带来干扰的情况，应该保证纵向力变化率不宜过大。

进而获得当前工况在模糊规则下的隶属度F(k)。

第五步，基于递推最小二乘的质量估计

根据车辆运动学知识，加速度传感器采集到的数据同时包括车辆纵向加速度信息以及坡度信息，公式如下：

式中，a_x——加速计采集到的纵向加速度，单位为m/s²

δ——旋转质量换算系数，无单位

g——重力加速度，单位为m/s²

θ——坡度，单位为rad

且车辆纵向动力学平衡方程为：

式中，η_t——传动效率，无单位

C_D——空气阻力系数，无单位

A——迎风面积，单位为m²

ρ——空气密度，kg/m³

f——滚动阻力系数，无单位

结合公式(8)，同时考虑到实际情况中坡度角较小，可以认为mgfcosθ≈mgf，将纵向动力学平衡方程转换为如下形式：

将公式(10)转换为最小二乘形式：

式中，

——k时刻质量估计值

γ(k)——k时刻增益系数

P(k)——k时刻协方差矩阵

λ——遗忘因子

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法是在车载CAN总线基本数据的基础上设计了一套车辆在线质量估计算法，无需用到部分车型无法获取的发动机扭矩信号以及实时传动比信息，该方法拥有应用广泛的优点；

2.本发明所述的一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法在传统车辆总线及传感器的基础上，没有增添其他信号或装置，减轻了设计负担，降低了车辆在线质量估计算法的成本；

3.本发明所述的一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法在置信度符合要求后即可稳定质量估计值，节约了车辆控制器整个运行过程中的算力；

4.本发明所述的一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法采用带遗忘因子的递推最小二乘法，减少了复杂工况下车辆受力情况变化剧烈所带来的误差，保证了质量估计值的鲁棒性和准确性；

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述车辆在线质量估计方法的逻辑图；

图2为本发明所述的工况识别模糊规则使用的隶属度函数；

图3为本发明所述的车辆纵向动力学分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明公开了一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法，本发明利用整车CAN总线上的基本数据，以及加速度计等基本传感器，通过二者之间的联系实现整车质量的在线估计。本方法首先获取整车纵向车速v_x、纵向加速度a_x、车轮转速n_w、进气质量流量Q_a、空燃比α_AF等信息，之后利用这些信息计算出部分非基本总线数据，包括当前时刻的发动机转矩T_e以及变速箱传动比i_g，之后利用这些数据对当前工况进行模糊规则隶属度的判断，进一步使用带遗忘因子的递归最小二乘法进行质量估计。该质量估计方法仅仅使用了基本总线数据以及基本的车载传感器，所以可以广泛运用于不同类型的车辆，同时本方法拥有足够鲁棒性以及准确性，可以为车辆控制提供合理的质量信息，能有效改善整车的操纵稳定性以及燃油经济性控制。接下来就具体说明实现基于发动机扭矩估算的汽车质量估计思路。

参阅图1，本发明所述的一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法包括车辆质量置信度计算与判断、发动机扭矩及传动比计算、模糊规则隶属度求解和递推最小二乘质量估计。下面分步具体叙述基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法。

包括下列步骤：

第一步，质量置信度判别

车辆质量置信度是衡量汽车当前质量信息可信程度的标准。首先定义车辆质量置信度为：定义质量置信度为0到1的无量纲数，代表当前时刻质量估计值的可信程度，1代表可信，0代表不可信，当车辆停止时间超过一定限值时置信度为0。下一时刻的质量置信度与上一时刻的质量置信度、模糊逻辑隶属度，以及前后时刻的质量差值相关。如果当前时刻与前一时刻质量差值较大时，说明质量估计值还没有稳定，依然处于计算阶段，此时车辆质量置信度下降；如果当前时刻与前一时刻质量差值较小时，说明估计质量趋于稳定置信度增加。同时，本发明引入了模糊规则的隶属度来修正置信度，当隶属度较小，意味着当前时刻工况不适合进行质量估计，此时隶属度对置信度影响较小；当隶属度较大，意味着当前时刻工况适合进行质量估计，此时隶属度对置信度影响较大。当车辆质量置信度到达一定数值时，可以认为目前质量结果可靠，直至下次停车时间超过门限值都可以认为保持当前质量不变。置信度计算公式如下：

式中，α(k)——k时刻的车辆质量置信度，无单位

β(k)——停车时间判别系数，当停车时间超过限值时取0，否则取1，无单位

κ——经验系数，无单位

F(k)——k时刻的模糊逻辑隶属度，无单位

Δm(k)——当前时刻与前一时刻估计质量的差值，单位为kg

m_max——质量差值门限值，单位为kg

第二步，数据获取

考虑不同汽车制造商对汽车总线数据的限制，需要用基本数据对其他数据间接计算求解。为了计算发动机扭矩以及当前传动比信息，需要先通过车载网络总线和其他传感器获取整车纵向车速、纵向加速度、车轮转速、进气质量流量、空燃比等信息。

第三步，发动机扭矩及传动比计算

考虑到部分车型无法从车载CAN总线上获取发动机扭矩数据，需要利用已有数据对发动机扭矩进行计算。由于发动机功率可以表示为：

P_e＝η_eQ_fH_f (13)

式中，P_e——发动机功率，单位为W

η_e——发动机热效率，无单位

Q_f——燃料质量流量，单位为kg/s

H_f——燃料热值，单位为J/s

且发动机扭矩可以通过发动机功率以及转速求得：

式中，T_e——发动机扭矩，单位为Nm

n_e——发动机转速，单位为r/min

结合公式(2)以及公式(3)，可得：

式中，Q_a——进气质量流量，单位kg/s

α_AF——空燃比，无单位

同理，需要获取车辆实时传动比数据，假设车辆轮胎滑移较小，忽略不计，则车速计算公式为：

式中，v_x——车辆纵向速度，单位m/s

n_w——车速转速，单位r/min

r——车轮半径，单位m

发动机转速与轮速的关系为：

n_e＝n_wi_gi₀ (17)

式中，i_g——变速器传动比，无单位

i₀——主减速器传动比，无单位

联立公式(5)以及公式(6)可得，变速器传动比为：

第四步，基于模糊规则的整车质量估计工况判断

参阅图2，使用动力学进行车辆质量估计需要考虑车辆的实际状态，需要通过模糊逻辑对当前的汽车行驶状态进行判断，在较为理想的工况条件下使用公式进行质量估计。模糊规则中的隶属度函数由实际工程经验确定，对模糊规则的输出结果由很大影响。同时，制定模糊规则如下：

首先，考虑到质量估计算法主要原理时牛顿第二定律以及车辆纵向动力学平衡方程，所以理想工况需要较大的纵向力以及纵向加速度；同理，为了防止侧向运动给纵向运动产生的影响，需选择在较小侧向加速度范围内进行质量估计；车速数值适中，表明汽车处于持续行驶状态，且为前进方向；纵向力滤波数值与原始纵向力差值不宜过大；为避免急加速急减速带来干扰的情况，应该保证纵向力变化率不宜过大。

进而获得当前工况在模糊规则下的隶属度F(k)。

第五步，基于递推最小二乘的质量估计

参阅图3，建立车辆纵向动力学平衡方程。根据车辆运动学知识，加速度传感器采集到的数据同时包括车辆纵向加速度信息以及坡度信息，公式如下：

式中，a_x——加速计采集到的纵向加速度，单位为m/s²

δ——旋转质量换算系数，无单位

g——重力加速度，单位为m/s²

θ——坡度，单位为rad

且车辆纵向动力学平衡方程为：

式中，η_t——传动效率，无单位

C_D——空气阻力系数，无单位

A——迎风面积，单位为m²

ρ——空气密度，kg/m³

f——滚动阻力系数，无单位

结合公式(8)，同时考虑到实际情况中坡度角较小，cosθ≈1，故可以认为mgfcosθ≈mgf，将纵向动力学平衡方程转换为如下形式：

将公式(10)转换为最小二乘形式：

式中，

——k时刻质量估计值

γ(k)——k时刻增益系数

P(k)——k时刻协方差矩阵

λ——遗忘因子

进而求解出当前时刻的汽车质量估计值。

Claims (1)

1.一种基于发动机扭矩估算的汽车质量估计方法，其特征在于包括下列步骤：

第一步，质量置信度判别

定义车辆质量置信度为：定义质量置信度为0到1的无量纲数，代表当前时刻质量估计值的可信程度，1代表可信，0代表不可信，当车辆停止时间超过一定限值时置信度为0；下一时刻的质量置信度与上一时刻的质量置信度、模糊逻辑隶属度，以及前后时刻的质量差值相关；如果当前时刻与前一时刻质量差值较大时，说明质量估计值还没有稳定，依然处于计算阶段，此时车辆质量置信度下降，如果当前时刻与前一时刻质量差值较小时，说明估计质量趋于稳定置信度增加；同时，本文发明引入了模糊规则的隶属度来修正置信度，当隶属度较小，意味着当前时刻工况不适合进行质量估计，此时隶属度对置信度影响较小，当隶属度较大，意味着当前时刻工况适合进行质量估计，此时隶属度对置信度影响较大；当车辆质量置信度到达一定数值时，可以认为目前质量结果可靠，直至下次停车时间超过门限值都可以认为保持当前质量不变；置信度计算公式如下：

式中，α(k)——k时刻的车辆质量置信度，无单位

β(k)——停车时间判别系数，当停车时间超过限值时取0，否则取1，无单位

κ——经验系数，无单位

F(k)——k时刻的模糊逻辑隶属度，无单位

Δm(k)——当前时刻与前一时刻估计质量的差值，单位为kg

m_max——质量差值门限值，单位为kg

第二步，数据获取

通过车载网络总线和其他传感器获取整车纵向车速、纵向加速度、车轮转速、进气质量流量、空燃比等信息；

第三步，发动机扭矩及传动比计算

考虑到部分车型无法从车载CAN总线上获取发动机扭矩数据，需要利用已有数据对发动机扭矩进行计算；由于发动机功率可以表示为：

P_e＝η_eQ_fH_f (2)

式中，P_e——发动机功率，单位为W

η_e——发动机热效率，无单位

Q_f——燃料质量流量，单位为kg/s

H_f——燃料热值，单位为J/s

且发动机扭矩可以通过发动机功率以及转速求得：

式中，T_e——发动机扭矩，单位为Nm

n_e——发动机转速，单位为r/min

结合公式(2)以及公式(3)，可得：

式中，Q_a——进气质量流量，单位kg/s

α_AF——空燃比，无单位

同理，需要获取车辆实时传动比数据，假设车辆轮胎滑移较小，忽略不计，则车速计算公式为：

式中，v_x——车辆纵向速度，单位m/s

n_w——车速转速，单位r/min

r——车轮半径，单位m

发动机转速与轮速的关系为：

n_e＝n_wi_gi₀ (6)

式中，i_g——变速器传动比，无单位

i₀——主减速器传动比，无单位

联立公式(5)以及公式(6)可得，变速器传动比为：

第四步，基于模糊规则的整车质量估计工况判断

使用动力学进行车辆质量估计需要考虑车辆的实际状态，需要通过模糊逻辑对当前的汽车行驶状态进行判断，在较为理想的工况条件下使用公式进行质量估计，模糊规则如下：

首先，考虑到质量估计算法主要原理时牛顿第二定律以及车辆纵向动力学平衡方程，所以理想工况需要较大的纵向力以及纵向加速度，同理，为了防止侧向运动给纵向运动产生的影响，需选择在较小侧向加速度范围内进行质量估计，车速数值适中，表明汽车处于持续行驶状态，且为前进方向，纵向力滤波数值与原始纵向力差值不宜过大，为避免急加速急减速带来干扰的情况，应该保证纵向力变化率不宜过大；

进而获得当前工况在模糊规则下的隶属度F(k)；

第五步，基于递推最小二乘的质量估计

根据车辆运动学知识，加速度传感器采集到的数据同时包括车辆纵向加速度信息以及坡度信息，公式如下：

式中，a_x——加速计采集到的纵向加速度，单位为m/s²

δ——旋转质量换算系数，无单位

g——重力加速度，单位为m/s²

θ——坡度，单位为rad

且车辆纵向动力学平衡方程为：

式中，η_t——传动效率，无单位

C_D——空气阻力系数，无单位

A——迎风面积，单位为m²

ρ——空气密度，kg/m³

f——滚动阻力系数，无单位

结合公式(8)，同时考虑到实际情况中坡度角较小，可以认为mgfcosθ≈mgf，将纵向动力学平衡方程转换为如下形式：

将公式(10)转换为最小二乘形式：

式中，

——k时刻质量估计值

γ(k)——k时刻增益系数

P(k)——k时刻协方差矩阵

λ——遗忘因子

进而求解出当前时刻的汽车质量估计值。

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