基于輪速信號的車輛線性運動區狀態估計算法開發

劉偉，劉威，張琨，張廣晟，遲逞

（1.東軟集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.東北大學，遼寧 沈陽 110000；

3.華晨汽車集團，遼寧 沈陽 110000）

基于輪速信號的車輛線性運動區狀態估計算法開發

劉偉1，劉威2，張琨3，張廣晟1，遲逞1

（1.東軟集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.東北大學，遼寧 沈陽 110000；

3.華晨汽車集團，遼寧 沈陽 110000）

∶文章以輪速信號為基礎開展車輛運動狀態估計算法的研究，通過對四輪車輛結構和運動分析，結合輪速傳感器的特性以及在車輛系統中的應用，開展對車輛縱向運動、側向運動的估計算法研究，在車輛運動的線性區提供一種車輛狀態的估計，在傳感器配置有限的條件下為車輛交互系統、控制系統的開發提供更加豐富的信息或者一種作為故障診斷的冗余信號。

∶輪速；車輛動力學；狀態估計

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.021

CLC NO.: U461.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-55-04

前言

汽車作為一種提供出行和運輸的工具，多種的面向不同需求的汽車已經普遍應用于生產生活的各個領域。由于數量眾多、能源消耗極大、且在交通參與中不斷釋放能量，因此安全、節能、環保是各類汽車共同面對的基本問題，其中以安全最為重要。但是又由于汽車是一種日常工具，對系統成本極為敏感，傳感器結構和成本的限制，通過車載傳感器無法充分獲得穩定性控制邏輯需要的狀態信息。通過有限的傳感器盡獲得盡可能多的車輛狀態信息，對通過基于信息和控制的智能化手段，突破傳統機械結構設計面臨的瓶頸，有重要的意義。本文選擇車輛中普遍使用的輪速傳感器，對其信號處理和相關估計算法展開研究，獲取車速、方向盤轉角、側向加速度等狀態信號一方面在缺乏傳感器時提供更加豐富有效的信息，另一方面為現有傳感器提供冗余來加強信號的可靠性。

1、車輛運動狀態

本文基于輪速的車輛狀態估計算法，面向的研究對象是由一組轉向車輪（主要是前軸）和一組非轉向車輪（主要是后軸）組成的四輪結構汽車。不同于四輪獨立轉向的輪式機器人，四個車輪的布置形式、轉向橋和非轉向橋的分配形式，使車輛運動的自由度收到了約束，這就區別于四輪轉向結構的機器人，使得車輛的機動性受到限制，車輛運動有很強的規律性[1]。

考慮在車輛運動的線性區，忽略輪胎的縱向、側向滑移，或可以容忍的小滑移區間，這個區間覆蓋了車輛行駛的絕大多數工況。在車輛運動的線性區，通過對四個車輪獨立運動的分析，結合車輛結構分析、動力學分析，可以提供車速、方向盤轉角、側向加速度等縱/側向豐富的運動信息。

2、輪速傳感器及信號的應用

ABS是目前普遍使用的車載控制系統，在歐洲、美國和日本，ABS早已成為汽車的標準配置，目前全世界有超過四分之三的車輛裝配了ABS系統[2,3]。

圖1　車輛傳感器應用現狀

隨著ABS的不斷普及，其已逐漸被電子穩定控制系統（ESC）集成和代替，在提高汽車安全性方面發揮重要的作用。ABS檢測由各車輪輪速和車速得到的滑移率，通過液壓調節器控制輪缸壓力的增壓、減壓和保壓，避免車輪抱死以獲得最大限度的路面附著，保證車輛安全。提供輪速信號傳感器是ABS、ESC系統的重要組成部分（如圖1所示）[4]，隨著ABS和ESC的普及，輪速傳感器在車輛系統中得到了廣泛的應用，為輪速信號的應用提供了前提。

輪速信號是穩定性控制中最基本的狀態信號，通過對輪速信號的軟件濾波和處理獲得車速狀態。隨輪速和車速的變化，輪胎動力學特性會發生顯著的變化，車速是滑移產生的基礎，對輪胎力學產生重要的影響，從而影響車輛從路面獲得的縱側向力輸入。隨車速的變化，車輛動力學特性也會發生顯著的變化，從空氣動力學角度來說，車輛在以下運動時，空氣的流場特性是一種紊流狀態，對車輛運動幾乎不會產生影響，而隨著車速的提高，流場趨于穩定的運動特性，會對車輛運動產生顯著的有規律性的影響；從車輛動力學角度來說，車速是影響車輛穩定性的重要指標，以質心側偏角相平面為例，車速的變化會對質心側偏角相平面穩定邊界產生顯著的影響，直接關系到車輛操縱穩定性。

3、輪速信號的獲取

3.1輪速傳感器的原理

輪速傳感器采用電磁感應方式，通過輪齒轉動帶來的間隙變化產生感應電流。在信號產生和采集方面分為被動式和主動式兩種類型：被動式輪速傳感器提供與車輪轉速成正比的正弦頻率信號；主動式輪速傳感器采用霍爾效應或磁阻技術，提供與車輪轉速成正比的數字方波頻率信號。信號的采集和處理根據正弦波或方波的頻率（結合齒圈輪齒數）來進行轉速計算，輸出信號幅值與速度有關（如圖2所示）。

圖2　輪速傳感器工作原理

3.2輪速信號的獲取和預處理

磁電式傳感器感應產生峰值和頻率均變化的正弦波信號，霍爾式傳感器感應產生僅頻率變化的方波信號，在信號的變送過程中采用電流環的方式可以實現輪速信號的遠距離傳播，降低了車輛復雜的電磁環境對信號的干擾，方波的電壓范圍通過配置精密電阻的方式實現。車輛通過輪速傳感器采集各車輪的轉動，經過硬件濾波和軟件濾波得到原始的輪速信息，設計兼容霍爾和磁電式輪速傳感器的輪速信號處理電路，通過精密電阻設計兼容電流環信號、通過比較器設計將正弦波信號整流為方波信號，從而實現輪速信號的采集與硬件濾波（如圖3所示）。

圖3　輪速傳感器信號采集與濾波電路設計

通過硬件電路進行低通濾波濾掉高頻干擾信號，比較器將磁電式傳感器產生的正弦波信號或者霍爾式傳感器產生的方波信號變換為單片機可采集范圍的方波信號，通過單片機端口的輸入捕捉功能和內部累加器，采集隨輪速變化的方波信號頻率，作為輪速傳感器進入單片機的第一步。單片機通過端口的輸入捕捉功能，使用內部累加寄存器對輪速方波信號頻率進行采集，開始對輪速信號在軟件架構的組織下進行處理和管理。通過硬件接口部分對端口信號的獲得，將處理后的信息進行軟件濾波（如巴特沃斯數字濾波器），得到濾波后的輪速信號[5,6]，過程如圖4所示。

圖4　輪速信號處理與應用過程

4、車輛運動狀態估計

4.1車速估計

在縱向車速估計中，正常行駛時取各車輪最小輪速作為當前車速估計值Ve。當車輛處于驅動工況時，非驅動輪不存在滑移，因此對于兩輪驅動車輛，可采用非驅動輪的輪速平均值作為縱向車速估計值Ve[7]，如下式：

其中：Vrl左后輪輪速；Vrr右后輪輪速。

當車輛處于制動工況時，使用最大輪速法和基于車輛縱向加速度的斜率法相結合來計算車速，取兩種方法中的最大值作為縱向車速估計值Ve，如下式：

其中：Vfl左前輪輪速；Vfr右前輪輪速。

綜上所述對車速估計算法進行實車試驗，結果如圖5所示。試驗結果表明本文的車速估計算法能夠對車輛在各種工況下的行駛速度進行合理的估計。

圖5　車速估計試驗結果

4.2方向盤轉角估計

分析輪速信號在車輛轉向運動中的變化特性，使用輪速信號對車速和方向盤轉角進行估計。在換道試驗中，測試制動系統發出輪速信號在一定車速條件下與方向盤轉角變化之間的關系（如圖6-7所示），換道過程中，方向盤轉動最大角度（絕對值）約為90°，輪速差異較為明顯（最大輪速差為1.06km/h），可以用于表征車輛的轉向過程，但是對于蛇形轉向需要注意中間位置的切換（右減左為正是正方向）。

圖6　車速25km/h，向左側變道，再向右側變回原車道時，制動系統發出的車速與輪速

圖7　車速25km/h，向左側變道，再向右側變回原車道時，兩前輪相對輪速變化

保持車輛直線行駛，以獲取輪速傳感器自身誤差帶來的信號波動。直線行駛兩側輪速基本保持一致，最大出現0.3km/h的偏差，這一偏差可以作為限制輪速差對車輛轉向運動表征的門限值。根據該偏差，結合四輪車輛結構在轉向過程中的分析（如圖8所示），可以獲得基于輪速差的方向盤轉角估計算法[8]。

通過CAN總線獲取輪速信號，應用非驅動輪的輪速信號，分別計算出車速估計值和方向盤轉角估計值，進一步計算出側向加速度的估計值。

方向盤轉角估計算法如下：

進一步給出側向加速度估計算法，有：

使用上述估計算法得到在換道過程中方向盤轉角和側向加速度，峰值方向盤轉角約為60度（試驗車轉向傳動比為25，峰值轉角約為2.4度），峰值側向加速度約為1m/s2，與車輛30km/h速度行駛情況下，駕駛員操縱車輛換道的情況，如圖9所示。

圖9　方向盤轉角和側向加速度的估計結果

5、總結

本文結合輪速傳感器應用現狀和車輛狀態信息的需求，通過結構分析和車輛運動分析，從現有傳感器中挖掘更加豐富的車輛狀態信息，量化的線性區車輛縱向運動和測向運動，從成本控制、可靠性提升等方面提供基于輪速信號的車輛線性運動區狀態估計算法。根據試驗，本文對車速和方向盤轉角的估計能夠滿足大部分使用工況的需求。

[1] T.J.Gordon&M.Lidberg(2015)Automateddrivingandautonomousfunctionsonroadvehicles,VehicleSystemDynamics,53:7,958-994.

[2] 郝煒,劉偉,張戎,李偉.汽車主動安全系統中的幾種關鍵性技術[J].汽車運用:2009.12:34-35.

[3] 博世公司.從創新到標配博世ABS安全制動30年[J].汽車與配件:2008.44.

[4] LiuWei,LiuWenying,DingHaitao.HydraulicControlUnitModeling of ElectronicStabilityProgramBasedonAMESim[C].ICEIM2011,Appli edMechanicsandMaterials,143:402-407.

[5] 劉國福.ABS輪速信號的濾波技術研究[J].汽車技術:2004.03.

[6] 叢玉良.數字信號處理[M].吉林科學技術出版社:2000.

[7] 李以農,郝奕,鄭玲等.基于多傳感器信息融合的車速估計方法[J].江蘇大學學報自然科學版:2007,28(4).

[8] 余志生.汽車理論5版第[M].北京:機械工業出版社,2009.03.

Development of Vehicle Dynamic State Estimation in Linear Region Based on Wheel Speed Information

Liu Wei1, Liu Wei2, Zhang Kun3, Zhang Guangsheng1, Chi Cheng1
(1. Neusoft Corporation, Liaoning Shenyang 110000; 2. Northeastern University, Liaoning Shenyang 110000; 3. Huachen Auto Group, Liaoning Shenyang 110000)

The wheel speed sensor which is widely implemented in vehicle control system is analyzed for vehicle state estimation. According to the four wheel structure and dynamic property of vehicle, combined with the property of wheel speed sensor, the estimation algorithm for vehicle longitudinal and lateral motion state is designed. The algorithm provides a state estimation for HMI and control system， or redundant information for diagnostic, under the condition that senor implement is limited.

Wheel speed; Vehicle System Dynamic; State Estimation

∶U461.6

∶A

∶1671-7988 (2016)09-55-04

劉偉（1985—），男，高級研究員，就職于東軟集團股份有限公司，從事汽車動態仿真與研究。

國家重點研發計劃項目（JFYS2016ZY02001610）。