車輛狀態觀測系統的製作方法
2023-05-21 03:08:36 3
專利名稱：車輛狀態觀測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及估算車輛運動狀態的車輛狀態觀測系統。
在機動車輛中使用的車輛狀態觀測系統是公知的。日本Keigaku Shuppan公司1987年11月25日版的M.Shiraishi著《現代控制理論導論》中公開了一種估算車輛運動狀態參數的車輛狀態觀測系統。
上述車輛狀態觀測系統測量車輛狀態的可觀測到的參數。在車輛狀態觀測系統中的一個受控變量檢測機構檢測車輛的受控變量。車輛狀態觀測系統中的觀測器根據測出的可觀測的參數和檢測到的受控變量，按照包括系統變量的一個系統矩陣來估算車輛狀態的不可觀測的參數。
上述車輛狀態觀測系統通過在一固定點保持一個觀測器極點以便使觀測器極點和系統極點之間的誤差最佳化，從而估算車輛狀態的參數。
一般來說，系統的傳遞函數G(S)由下式表示G(S)＝N(S)/D(S)式中S是複數，N(S)是分子多項式，D(S)是分母多項式。分子多項式N(S)表示被測參數，分母多項式D(S)表示受控變量。觀測器傳遞函數G′(S)由下式代表G′(S)＝N′(S)/D′(S)式中S是複數，N′(S)是分子多項式，D′(S)是分母多項式。分子多項式N′(S)表示被觀測參數，分母多項式D′(S)表示受控變量。
上述系統極點是指使系統傳遞函數的分母多項式D(S)等於零而得到的解。上述觀測器極點是指使觀測器傳遞函數的分母多項式D′(S)等於需而得到的解。
如果觀測器極點大於系統極點，那麼就不可能估算車輛狀態的參數。因此，在普通的系統中，觀測器極點被保持在小於系統極點的固定點上。
但是，包括在系統矩陣中的系統變量被改變，按照系統變量的變化系統的穩定性也改變。例如，系統變量是車速、車重等等。因此，系統極點按照系統變量的變化被改變。例如，當系統變量改變時，系統變得更不穩定，系統的極點變得比以前大。
如上所述，在上述的車輛狀態觀測系統中，觀測器極點保持在固定點上，因此，當系統變量改變時，觀測器極點和系統極點之間的誤差可根據系統變量的變化而較大。如果觀測器極點和系統極點間的誤差大於一個參照值，那麼，車輛狀態估算參數的精度變低，其精度會分散。
因此，當系統變量改變時，上述車輛狀態觀測系統會產生車輛狀態估算參數精度分散的現象。
另外，本發明的車輛狀態觀測系統的背景技術公開於1994年7月24日提交的美國專利申請第280,214號(相當於日本專利申請公本文本第7-89304號)，該專利申請已轉讓給本發明的受讓人。上述專利申請的技術內容本文用作參考。
本發明的一個目的是提供一種克服了上述問題的改進型車輛狀態觀測系統。
本發明的另一個目的是提供一種車輛狀態觀測系統，其中，觀測器極點的轉移追隨系統極點的轉移，因此，即使當系統極點響應於系統變量的改變而變化時，觀測器極點和系統極點間的誤差也可保持恆定不變。
為實現本發明的上述目的，一種車輛狀態觀測系統包括一個測量車輛狀態的可觀測參數的狀態參數測量組件；一個檢測車輛受控變量的受控變量檢測組件；在包括系統變量的系統矩陣基礎上，根據由狀態參數測量組件測量出的可觀測參數和由受控變量檢測組件檢測出的受控變量估算車輛狀態不可觀測參數的觀測器；一個檢測包括在系統矩陣中的系統變量的系統變量檢測組件，以及一個響應於由系統變量檢測組件檢測出的系統變量來修正觀測器極點的修正組件。
按照本發明，系統變量檢測組件檢測系統變量的改變，修正組件按照系統變量的改變修正觀測器極點，即使當系統極點響應於系統變量的改變而變化時也可防止車輛狀態估算參數精度的分散。因此，本發明的車輛狀態觀測系統可精確地估算車輛狀態的不可觀測參數。
現在對照以下附圖進行詳細說明以便進一步閱明本發明的上述的和其它的目的、特徵和優點。
圖1是本發明一個實施例的車輛狀態觀測系統的框圖；圖2是應用本發明實施例的四輪驅動的轉向系統的示意圖；圖3是與車輛型號有關而提供的觀測器的框圖；圖4是用於說明車速和系統極點的實數部分(real part)之間關係的曲線圖；圖5是用於說明車速和系統極點的實數部分之間關係的曲線圖；圖6A，6B和6C是用於說明普通車輛狀態觀測系統的估算結果的時間表；圖7A，7B和7C是用於說明本發明實施例的車輛狀態觀測系統的估算結果的時間表。
現在對照附圖詳述本發明的推薦實施例。
圖1表示按照本發明一個實施例的車輛狀態觀測系統。
如圖1所示，車輛狀態觀測系統包括一個測量車輛狀態的可觀測參數的狀態參數測量組件21。一個受控變量檢測組件22檢測車輛的受控變量。一個觀測器23按照包括系統變量的系統矩陣，根據由狀態測量組件測量出的可觀測參數和由受控變量檢測組件22檢測出的受控變量估算車輛狀態的不可觀測參數。
在圖1所示的車輛狀態觀測系統中，一個系統變量檢測組件24檢測系統矩陣內包括的系統變量。一個修正組件按照由系統變量檢測組件24檢測出的系統變量決定觀測器23的修正極點。
在圖1所示的車輛狀態觀測系統中，修正組件25按照由系統變量檢測組件24檢測出的系統變量來決定觀測器23的修正極點。因此，觀測器23的極點變化到由修正組件25決定的修正極點。使用修正極點，觀測器23按照系統矩陣，根據由狀態參數測量組件21測量出的可觀測參數和由受控變量檢測組件22檢測出的受控變量估算車輛狀態的不可觀測參數。
因此，本發明的車輛狀態觀測系統可以使觀測器極點的轉移追隨系統極點的轉移，從而即使當系統極點按照系統變量的改變而變化時也可使觀測器極點和系統極點之間的誤差保持恆定不變。因此，本發明的車輛狀態觀測系統即使當系統極點按照系統變量的改變而變化時也可防止車輛狀態的估算參數的分散。
在下文中，取偏駛率Ｔ和側滑角β作為車輛狀態參數。下面考慮一種系統，其中操縱車輛後輪以控制車輛狀態參數。為了進行考慮，取體現兩個自由度的車輛模型作為受控系統。
考慮這種車輛模型的已知運動方程，由下述方程限定的車輛模型變量是偏駛率Γ、側滑角β、車速V、前輪轉向角δf和後輪轉向角δr。
dx/dt＝Ax＋Bu(1)x=B---(2)]]>u=fr---(3)]]>A=-(cf+cr)/MV-1-(afcf-arcr)/MV2-(afcf-arcr)/Iz-(af2cf+ar2cr)/IzV2--(4)]]>B=cf/MVcr/MVafcf/Iz-arcr/Iz---(5)]]>在上式(1)中，x是狀態矢量，u是控制矢量，A是系統矩陣，B是控制矩陣。
在上式(4)和(5)中
M是車輛質量；Iz是車輛慣性的盤旋力矩；af是車輛重心至前軸的水平距離；ar是車輛重心至後軸的水平距離；cf是前輪的抗偏能力；cr是後輪的抗偏能力。
在上式(4)和(5)中的車輛參數是與各別車輛相關而確定的，它們被認為是不變的值。
下面描述估算測滑角β的觀測器。
如上所述，偏駛率Γ、側滑角β、車速V、前輪轉向角δf和後輪轉向角δr之間的關係是由上式(1)至(5)限定的。
一般來說，使用偏駛率傳感器可容易地測出偏駛率Γ。因此，偏駛率Γ是一個由偏駛率傳感器監測的車輛的可觀測狀態。但是，側滑角β是難於檢測的。因而假定側滑角β是一個由觀測器估算的車輛的不可觀測狀態。
假定觀測器根據偏駛率Γ的參考輸入估算側滑角β，觀測器的輸出方程則由下式規定。
Y＝CX (6)C＝〔01〕 (7)在上式(6)和(7)中，Y是輸出矢量，C是輸出矩陣。
圖3表示相應於由式(1)至(7)限定的車輛模型設置的觀測器。
圖3所示觀測器的狀態方程如下dx*/dt＝(A－Kc)x*＋Ky＋Bu＝Ax*＋Bu－Kc(x*－x)(8)
式中x*是狀態矢量X的估算值，dx*/dt是估算值x*的導數，K是觀測器的反饋增益。
如圖3所示，觀測器輸入測量出的偏駛率Γ和檢測出的控制矢量u，並以上式(8)限定的狀態方程為基礎，根據上述輸入產生狀態矢量X的估算值x*。
更具體來說，由上式(8)限定的觀測器根據偏駛傳感器測量出的偏駛率Γ、前輪轉向角傳感器檢測出的前輪轉向角δf，以及後輪轉向角傳感器檢測出的後輪轉向角δr產生估算的側滑角β*和估算的偏駛率Γ。在本實施例中，取前輪轉向角δf和後輪轉向角δr作為受控變量。
觀測器的傳遞函數G′(S)由方程G′(S)＝N′(S)/D′(S)表示，式中S是複數，N′(S)是分子多項式(它是被觀測參數的代表)，D′(S)是分母多項式(它是受控變量的代表)。
由上式(8)限定的觀測器極點是指使觀測器的傳遞函數的分母多項式D′(S)等於零得到的解。這個解是觀測器的極點，相當於矩陣(A-Kc)的特徵值。
圖4表示按照在複數平面上系統變量(或車速V)的變化，系統極點的轉移。
在本實施例取車速傳感器檢測的車速V作為系統變量。車速V是包括在系統矩陣A中的系統變量之一。
由上式(4)限定的系統矩陣A包括作為系統變量的車速V。當車速V變化時，系統矩陣A中包括的元素相應地變化。
一般來說，系統的傳遞函數G(S)由方程G(S)＝N(S)/D(S)表示，式中S是複數，N(S)是分子多項式(它是被測量參數的代表)，D(S)是分母多項式(它是受控變量的代表)。
系統的極點是使系統的傳遞函數的分母多項式等於零得到的解。這個解，即，系統的極點相當於系統矩陣A的特徵值。
因此，當系統矩陣A中包括的系統變量(或車速V)變化時，系統矩陣A的特徵值變化。因此，系統的極點按照車速V的變化而變化。
在本發明中的系統矩陣A是由上式(4)表示的一個2×2的方形矩陣。該系統矩陣A有兩個特徵值。因此，本實施例中的系統有兩個極點」P1」和「P2」。如圖4所示，系統的極點P1和P2按照車速V從10Km/小時至180Km/小時的增加分別由「*」和「o」標識按照車速V的變化，系統極點P1和P2的轉移在圖4中用箭頭表示。一般來說，當車速增加時車輛的穩定性降低。在圖4中複數平面的左半部，系統的極點的P1和P2，其每一個的實數部分按照車速的增加而趨近於零。系統的每個極點P1和P2的實數部分按照車速V的增加而變大。
圖5表示車速和系統極點的實數部分之間的關係。在圖5中，系統極點P1和P2的實數部分，其每一個按照車速增加的轉移由虛線表示。可以看出，系統的極點P1和P2的實數部分是按照車速V的增加而增加的。
在本發明中，當車速V低於37Km/小時(低速範圍)時，系統的兩個極點P1和P2表示為兩個不同的實數(圖4)。因此，當車速V在低速範圍內時，對於車速V的一個值，存在著系統極點的兩個實數部分。
在本實施例中，當車速高於37Km/小時(高速範圍)時，系統的兩個極點表示為兩個共軛的複數(圖4)。因此，當車速V在高速範圍內時，對於車速V的一個值有系統極點的一個實數部分。
如圖5中虛線所示，隨著車速V的增加，系統的每個極點P1和P2的轉移是按照車速V的增加，通過計算系統矩陣A的特徵值而預定的。
在本實施例中，觀測器包括兩個被限定為車速V的函數的兩個極點P11和P12。觀測器的極點被修正，使得觀測器的每個極點P11和P12的轉移按照車速V的變化追隨系統的極點P1和P2的轉移。在本實施例中觀測器的每個極點P11和P12的定義為P11＝-5.0－1080/V(-100≤P11)(9)P12＝-7.0－720/V(-60≤P12) (10)在本實施例中，觀測器的反饋增益K受到控制，使極點P11和P12如式(9)和(10)定義的那樣，按照車速V的變化而變化。
觀測器的反饋增益K是按下式由變量K11和K12限定的。K=k11k12---(11)]]>在本實施例中觀測器的極點P11和P12按照由上式(9)和(10)限定的函數來修正。因此，觀測器每個極點P11和P12按照車速V的增加的轉移由圖5中的實線所示。如圖5所示，在本實施例中，觀測器的極點P11和P12的轉移分別追隨系統極點P1和P2的轉移。
因此，本實施例中的觀測器，以由上式(9)和(10)得到的修正的觀測器極點為基礎，按照上式(8)，根據測量出的偏駛率Γ、檢測出的前輪轉向角δf和檢測出的後輪轉向角δr產生估算的側滑角β*和估算的偏駛率Γ。
圖6A，6B和6C表示普通的車輛狀態觀測系統的估算結果。
圖6A是指示當用普通系統進行試驗時，在時間t和車速V之間關係的時間表。
在圖6B中表示在普通系統的極點固定的觀測器估算的偏駛率(由虛線表示)和偏駛率測量儀測量出的偏駛率(由實線表示)之間的誤差。
在圖6C中表示在普通系統的極點固定的觀測器估算的側滑角(由虛線表示)和側滑角測量儀測量出的側滑角(由實線表示)之間的誤差。
在試驗過程中，普通系統的觀測器極點P11和P12被保持在固定點(＝-20.0)上。
在普通系統的情況下，如圖6B和6C所示，在估算的偏駛率和測量出的偏駛率之間的誤差，以及在估算的側滑角和測量出的側滑角之間的誤差較大。可以發現，按照車速V，極點固定的測量器的估算精度分散。
在普通系統的情況下，當車速V在50Km/小時左右時，估算的偏駛率的精度最高，由於觀測器的極點預調至適當的固定點，估算的側滑角的精度在車速V的整個範圍內較高。
可以看出，當車速V低時，系統極點和觀測器極點之間的誤差變得太小，因此，估算的偏駛率和測值之間的差較大。還可以看出，當車速V高時，系統極點和觀測器極點之間的誤差變得太大，因此，估算的偏駛率和測值之間的差較大。
在普通系統的情況下，觀測器的極點經過預調，使估算的側滑角的精度較高。但是可以看出，當車速V高時，估算的側滑角和測值之間的差較大。
圖7A，7B和7C通過與圖6A，6B和6C的估算結果的比較，表示本實施例的車輛狀態觀測系統的估算結果。
圖7A是表示當試驗是使用本實施例的車輛狀態觀測系統進行時，時間t和車速V之間的關係。
在圖7B中表示在本實施例的觀測器的估算的偏駛率(曲虛線表示)和偏駛率測量儀測量出的偏駛率之間的誤差。
在圖7C中表示在本實施例的觀測器的估算的側滑角(由虛線表示)和側滑角測量儀的測量出的側滑角(由實線表示)之間的誤差。
在從側滑角測量儀取得測出的側滑角之前，在上述試驗中將測量儀的輸出通過一個低通濾波器以便消除噪聲。因此，在圖7C中，在測量出的側滑角的相位和估算的側滑角的相位之間有一個小的時滯。
在本實施例的觀測器的極點P11和P12是由作為車速V的函數的上式(9)和(10)限定的，使觀測器的極點P11和P12的轉移可追隨系統的極點P1和P2的轉移。可以看出，當車速增加時，如圖7B和7C所示，在估算的偏駛率和測值之間，以及在估算的側滑角和測值之間的誤差可以忽略不計。
側滑角測量儀利用一個都卜勒傳感器來檢測前後方向的車速和左右方向的車速。通過使用這種側滑角測量儀可確定被檢測的車速的矢量合與前後方向的夾角。
圖2表示一個使用本發明的實施例的四輪驅動轉向系統。
如圖2所示，四輪驅動轉向系統，按照本實施例中的包括觀測器的車輛狀態觀測系統估算的車輛狀態參數控制後輪的轉向。在本實施例中，觀測器的兩個極點P11和P12是由作為車速V的函數的上式(9)和(10)限定的。
在圖2所示的四輪驅動轉向系統中，操縱車輪後輪的受控參數是按照本發明車輛狀態觀測系統估算的車輛狀態參數來確定的。
圖2所示的四輪驅動轉向系統包括一個車輛操縱者用來使車輛前輪3轉向的方向盤1，以及用於使車輛後輪4轉向的傳動裝置2。在安裝四輪驅動轉向系統的車輛內設有電控制組件18。
電控制組件18包括一個監測車速V的車速傳感器11，一個監測前輪轉向角δf的前輪轉向角傳感器12，一個監測後輪轉向角δr的後輪轉向角傳感器13，以及一個監測偏駛率Γ的偏駛率傳感器14。偏駛率Γ是可觀測的車輛狀態參數，是由偏駛率傳感器14監測的。
上述傳感器11，12，13和14的輸出端連接在微機15的有關輸入端上。
包括由上式(9)和(10)限定的極點P11和P12的觀測器17設置在微機15中。另外，上式(9)和(10)存儲在微機15的一個部分中。
另外，在上述四輪驅動轉向系統中，在微機15內存有一個需要的轉向參數確定單元，它按照估算的偏駛率和估算的側滑角確定與後輪4相關的需要的轉向參數。
微機15的輸出連接在傳動裝置的驅動電路16的輸入上。傳動裝置驅動電路16的輸出連接在傳動裝置2的輸入上。傳動裝置驅動電路16按照上述需要的轉向參數確定單元的信號輸出所代表的需要的後輪轉向參數來控制傳動裝置2，因此，後輪4的轉向是由傳動裝置2控制的。
設在微機15中的觀測器根據各測量出的參數而產生估算的偏駛率和估算的側滑角，上述測量出的參數包括偏駛率傳感器14測量出的偏駛率Γ，前輪轉向角傳感器12測量出的前輪轉向角δf，後輪轉向角傳感器13測量出的後輪轉向角δr，以及車速傳感器11測量出的車速V。
上述需要的轉向參數確定單元設置在微機15內，按照來自觀測器17估算的偏駛率和估算的側滑角確定需要的後輪轉向參數。上述需要的轉向參數確定單元向傳動裝置驅動電路16輸出一個代表需要的後輪轉向參數的信號。傳動裝置驅動電路16接收來自需要的轉向參數確定單元(或來自微機15的輸出)的需要的後輪轉向參數信號，並且按照上述需要的後輪轉向參數信號，通過傳動裝置2控制後輪4的轉向。
在圖2的實施例中，狀態參數測量組件21是由監測車輛的偏駛率的偏駛率傳感器14構成的。受控變量檢測組件22是由監測前輪轉向角δf的前輪轉向角傳感器12和監測後輪轉向角δr的後輪轉向角傳感器13構成的。
在圖2的實施例中，系統變量檢測組件24是由監測車速V的車速傳感器11構成的。修正組件25和觀測器23是由存有上式(9)和(10)的微機15的部分構成的，觀測器23的反饋增益K是按照上式(9)和(10)的計算結果確定的。上式(9)和(10)是包括在系統矩陣A中的系統變量的函數。在本實施例中系統變量是車速V。
當然，修正組件25中所包括的方程並不局限於上式(9)和(10)。另外，在上式(9)和(10)中包括的係數也可修改成其它適當的值。由系統變量檢測組件24監測的系統變量也不局限於車速V，也可以監測車重M而不是車速V。
在本實施例中，修正組件25按照系統極點和系統變量預定變化的關係來修改觀測器的極點，因此，觀測器極點的轉移可以追隨系統極點的轉移。在本實施例中的修正組件產生作為系統變量的函數的經修正的觀測器極點，而不檢測系統極點的現有值。
另外，按照本發明的修正組件並不局限於本實施例。也可以設置一種監測系統極點當前值並按照測出的系統極點的當前值確定觀測器極點的修正組件。
另外，本發明的上述實施例應用於四輪驅動轉向系統中，但是，本發明並不局限於上述實施例。本發明的車輛狀態觀測系統也適用於防鎖住的制動系統、牽引控制系統或任何其它的系統。
權利要求
1.一種車輛狀態觀測系統，它包括一個測量車輛狀態的可觀測參數的狀態參數測量裝置，一個檢測車輛的受控變量的受控變量檢測裝置，以及一個根據由所述狀態參數測量裝置測量出的可觀測的參數和由所述受控變量檢測裝置檢測出的受控變量，按照包括系統變量的系統矩陣估算車輛狀態的不可觀測是的參數，其特徵在於所述車輛狀態觀測系統包括檢測在所述系統矩陣中包括的系統變量的系統變量檢測裝置(24)；以及響應於由所述系統變量檢測裝置(24)檢測出的系統變量來修正所述觀測器(23)的極點的修正裝置(25)。
2.如權利要求1所述的車輛狀態觀測系統，其特徵在於所述觀測器(23)以所述修正裝置(25)修正觀測器極點為基礎，根據所述測量出的可觀測參數和所述檢測出的受控變量來產生估算的車輛狀態的不可觀測的參數和估算的車輛狀態的可觀測的參數。
3.如權利要求1所述的車輛狀態觀測系統，其特徵在於按照所述系統變量(V)的變化，計算所述系統矩陣(A)的特徵值，從而確定車輛模型的極點的轉移。
4.如權利要求1所述的車輛狀態觀測系統，其特徵在於所述車輛狀態觀測系統確定所述觀測器(23)的反饋增益(K)，從而使所述修正裝置(25)修正的觀測器極點的轉移按照系統變量的變化追隨車輛模型極點的轉移。
5.如權利要求1所述的車輛狀態觀測系統，其特徵在於所述修正裝置(25)和所述觀測器(23)設置在微機(15)中，所述修正裝置(25)包括所述系統變量(V)的一個預定函數，所述觀測器的修正極點(P11，P12)是按照所述系統變量(V)通過所述函數限定的。
6.如權利要求1所述的車輛狀態觀測系統，其特徵在於所述受控變量檢測裝置(23)包括一個檢測車輛前輪轉向角的前輪轉向角傳感器(12)和一個檢測車輛後輪轉向角的後輪轉向角傳感器(13)。
7.如權利要求1所述的車輛狀態觀測系統，其特徵在於所述狀態參數測量裝置(21)包括一個檢測車輛偏駛率的偏駛率傳感器(14)。
8.如權利要求1所述的車輛狀態觀測系統，其特徵在於所述系統變量檢測裝置(24)包括一個檢測作為系統矩陣中包括的系統變量的車速的車速傳感器(11)。
全文摘要
一種車輛狀態觀測系統包括一個測量車輛狀態的可觀測參數的狀態參數測量組件(21)。受控變量檢測組件(22)檢測車輛的受控變量。觀測器(23)根據包括系統變量的系統矩陣，根據由狀態參數測量組件測量出的車輛狀態的可觀測參數和由受控變量檢測組件檢測出的受控變量估算車輛狀態的不可觀測參數。系統變量檢測組件(24)檢測系統矩陣包括的系統變量。修正組件(25)響應於由系統變量檢測組件檢測出的系統變量來修正觀測器的極點。
文檔編號B62D7/15GK1134897SQ96100678
公開日1996年11月6日 申請日期1996年1月24日 優先權日1995年1月26日
發明者深谷克己 申請人:豐田自動車株式會社