一種適用于多維輪力傳感器的實(shí)時(shí)濾波方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及汽車測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于多維輪力傳感器的實(shí)時(shí)濾 波方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽車試驗(yàn)技術(shù)是伴隨汽車工業(yè)的建立而逐漸成長(zhǎng)起來(lái)的，廣泛應(yīng)用于車輛研發(fā)、 性能檢測(cè)以及道路試驗(yàn)等工程領(lǐng)域。汽車運(yùn)動(dòng)是地面與車輪的作用產(chǎn)生的，因此，汽車行駛 過(guò)程中車輪力的測(cè)試技術(shù)是汽車道路試驗(yàn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。隨著對(duì)于汽車車型開(kāi)發(fā)和質(zhì) 量評(píng)價(jià)的需要，輪力傳感器也從一維向多維發(fā)展。多維輪力傳感器可直接用于路譜的采集、 懸架特性、車輛底盤(pán)控制系統(tǒng)等的研究。由于車輪力信號(hào)具有不可預(yù)估、非線性和時(shí)變等特 點(diǎn)，因此對(duì)于其的數(shù)據(jù)處理難度較大。我國(guó)在這項(xiàng)領(lǐng)域比較薄弱，對(duì)多維輪力傳感器的數(shù)據(jù) 濾波，尤其是實(shí)時(shí)濾波方面的研究基本處于起步和探索階段。
[0003] 本發(fā)明專利所應(yīng)用的對(duì)象為東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院自主研發(fā)的多維輪 力傳感器(汽車車輪多維力測(cè)量裝置ZL200320110714. 5 ;汽車車輪多維力測(cè)量傳感器 ZL200320110713. 0)，該多維輪力傳感器能夠感知車輛行駛過(guò)程中地面對(duì)車輪的作用力，其 中的牽引力和正壓力為本發(fā)明專利所關(guān)注的信號(hào)量。牽引力反映了汽車動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)于車輪 的力的效果，可用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與制動(dòng)器性能研究，正壓力則反映了路面對(duì)于車輪的影響，可 用于路譜采集等研究領(lǐng)域。為了保證多維輪力傳感器解算的牽引力和正壓力的精度，必須 對(duì)多維輪力傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理。
[0004] 常規(guī)的方法是在采集完多維輪力數(shù)據(jù)以后，使用小波分析的方法對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行離 線濾波。很明顯該方法存在兩個(gè)問(wèn)題，一是小波分析無(wú)法處理信號(hào)與噪聲頻段相同的問(wèn)題； 二是離線濾波無(wú)法實(shí)時(shí)獲得的高精度車輪力數(shù)據(jù)。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，卡爾曼濾波器被 引入到多維輪力傳感器的數(shù)據(jù)處理當(dāng)中。但是想要使用卡爾曼濾波器，就必須得到多維輪 力傳感器的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，而由于車輪力的隨機(jī)性和不確定性，很難構(gòu)造出準(zhǔn)確的 狀態(tài)方程。想要設(shè)計(jì)出適用于多維輪力傳感器的高精度實(shí)時(shí)濾波器，就必須攻克這一技術(shù) 瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于多維輪力 傳感器的實(shí)時(shí)濾波方法，能夠適用于多維輪力傳感器在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的實(shí)時(shí)濾波，解決多維 輪力傳感器狀態(tài)方程構(gòu)造困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多維輪力傳感器的實(shí)時(shí)高精度濾波。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種適用于多維輪力 傳感器的實(shí)時(shí)濾波方法，包括以下步驟： (1〇〇)根據(jù)多維輪力傳感器的工作原理，建立車輪負(fù)載和多維輪力傳感器兩個(gè)通道的 輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式； (200)根據(jù)步驟（100)所建立的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式，證實(shí)多維輪力傳感器兩個(gè)通道的輸出 在二維平面上符合勻速轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)軌跡； (300)根據(jù)步驟（200)所證實(shí)的多維輪力傳感器兩個(gè)通道的輸出在二維平面上符合勻 速轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)計(jì)出以勻速轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型作為狀態(tài)方程的高斯正交積分點(diǎn)卡爾曼濾波 器； (400)采用步驟（300)所設(shè)計(jì)的高斯正交積分點(diǎn)卡爾曼濾波器對(duì)車輪負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)濾 波。
[0007] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述多維輪力傳感器的兩個(gè)通道為X通道和Y通道， 步驟（100)建立的車輪負(fù)載和多維輪力傳感器兩個(gè)通道的輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式為：
(1) 式（1)中：F為車輪負(fù)載；為多維輪力傳感器X通道的輸出；為多維輪力傳感器 Y通道的輸出；a為當(dāng)前時(shí)刻車輪負(fù)載和多維輪力傳感器Y通道的夾角。
[0008] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，當(dāng)車輪滾動(dòng)了一個(gè)角度0以后，多維輪力傳感器兩 個(gè)通道的輸出和車輪負(fù)載滿足如下數(shù)學(xué)關(guān)系式：
(2) 式（2)中：為車輪滾動(dòng)了一個(gè)角度0以后，多維輪力傳感器X通道的輸出；為 車輪滾動(dòng)了一個(gè)角度9以后，多維輪力傳感器Y通道的輸出。
[0009] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，由式（1)和式（2)可知，在任意時(shí)刻，多維輪力傳感 器兩個(gè)通道的輸出都滿足如下數(shù)學(xué)關(guān)系式：
(3) 式（3)中，為任意時(shí)刻，多維輪力傳感器X通道的輸出；為任意時(shí)刻，多維輪力傳 感器Y通道的輸出； 可見(jiàn)，在車輪滾動(dòng)時(shí)，多維輪力傳感器兩個(gè)通道的輸出二維平面上符合勻速轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng) 軌跡。
[0010] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟（200)具體為：根據(jù)步驟（100)所建立的數(shù)學(xué)關(guān) 系表達(dá)式，證實(shí)多維輪力傳感器兩個(gè)通道的輸出，在多維輪力傳感器坐標(biāo)系下滿足平面圓 周運(yùn)動(dòng)的特征。
[0011] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟（300)具體為：將勻速轉(zhuǎn)彎模型引入高斯正交 積分點(diǎn)卡爾曼濾波器，并作為高斯正交積分點(diǎn)卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程，并選用線性觀測(cè) 方程，將多維輪力傳感器的輸出作為高斯正交積分點(diǎn)卡爾曼濾波器的觀測(cè)量。
[0012] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，進(jìn)一步的，將平面轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型作為高斯正交積分 點(diǎn)卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程。
[0013] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述平面轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
所述平面轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型的狀態(tài)方程FCT( ? )為：
式（4)中，
，wk為高斯白噪聲，式 (5)中，T為系統(tǒng)的采樣時(shí)間，co為車輪的轉(zhuǎn)彎角速度。
[0014] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述平面轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型中的轉(zhuǎn)彎角速度由車輪的旋 轉(zhuǎn)角速度得到。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)多維輪力傳感器的輸出，利用高斯正交積分點(diǎn)卡爾曼 濾波器，實(shí)時(shí)地得到高精度的真實(shí)車輪負(fù)載值；能夠適用于多維輪力傳感器在動(dòng)態(tài)環(huán)境下 的實(shí)時(shí)濾波，解決多維輪力傳感器狀態(tài)方程構(gòu)造困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多維輪力傳感器的實(shí)時(shí) 高精度濾波。該方法能夠應(yīng)用于東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院研發(fā)的多維輪力傳感器的數(shù) 據(jù)濾波，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明一種適用于多維輪力傳感器的實(shí)時(shí)濾波方法一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu) 框圖； 圖2是本發(fā)明所述的車輪負(fù)載與多維輪力傳感器輸出關(guān)系示意圖； 圖中：0-多維輪力傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)，X-多維輪力傳感器X通道，Y-多維輪力傳感 器Y通道，F(xiàn)-車輪負(fù)載，a-當(dāng)前時(shí)刻車輪負(fù)載和多維輪力傳感器Y通道的夾角，0-車輪 滾動(dòng)角度。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能 更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0018] 請(qǐng)參閱圖1和圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例包括： 一種適用于多維輪力傳感器的實(shí)時(shí)濾波方法，包括以下步驟： (1〇〇)根據(jù)多維輪力傳感器的工作原理，建立車輪負(fù)載(車輪所受的外力：牽引力和正 壓力的合力）和多維輪力傳感器兩個(gè)通道的輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式； 如圖2所示，定義多維輪力傳感器坐標(biāo)系{0XY}，坐標(biāo)系的原點(diǎn)0位于車輪的軸的中心， 當(dāng)車輪沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)