基于三軸加速度計最小二乘法質量和坡度估計

尹欣欣，郝劉丹，李 麗，劉奇正，陳鵬輝

（陜西法士特齒輪有限公司汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

在純電動商用車汽車領域，越來越多的載貨汽車質量變化范圍區(qū)間大，作業(yè)路況越來越復雜多變，整車質量和坡度對于商用車變速器的換擋品質、安全系統(tǒng)等是很重要的影響因素，所以對于整車車重和道路坡度的估計越精確越好。

在對整車質量和道路坡度的估計和測量上，可以通過在車身安裝測量儀器來測量，車重可以通過地磅來測量車重，對于純電商用車來說，前者一般需要額外增加測量設備。從主機廠方面來說，第1種方式首先會額外增加整車的費用，其次對于整車的線束和布置也要改變，因此，主機廠一般不會采用；第2種通過地磅的方式只能在廠區(qū)地磅上才能測量出來，而不能實時測量出整車車重，對于變速器的換擋輸入沒有什么實際價值。

本論文基于一種VCU控制器自帶的ADXL313型號三軸加速度計傳感器，結合三軸加速度計的數(shù)值，通過遺忘因子遞推最小二乘法對質量進行估計，提出了結合車輛縱向動力學和加速度傳感器信號的質量最小二乘估計模型，來估計整車車重，并估計出道路坡度值。

1 遺忘因子

采集三軸加速度計的、、三軸的加速度值，使用高斯牛頓法對三軸數(shù)值進行校準，消除讀取的加速度數(shù)值的隨機誤差和系統(tǒng)誤差，以及消除誤差后的穩(wěn)態(tài)三軸加速度值，通過遺忘因子遞推最小二乘法對整車質量和坡度進行估計，并結合車輛縱向動力學和加速度傳感器信號的質量最小二乘估計模型，來估計整車車重和坡度。

遺忘因子遞推最小二乘法，即在遞推最小二乘法中引入一個或多個遺忘因子，可以為常數(shù)，也可以為時變函數(shù)。遺忘因子的作用是減衰舊的信息，降低其在（）中的占有量，從而增加新的信息含量，克服數(shù)據(jù)飽和現(xiàn)象并解決時變跟蹤問題，在本論文中引入遺忘因子，（）=1-0.05·0.98。

2 車重和坡度估計具體實施

1）讀取三軸加速度計傳感器的加速度值、、。

2）讀取的三軸數(shù)值，利用高斯牛頓法進行消除系統(tǒng)誤差和高斯白噪聲，得到校準的數(shù)值、、，并建立控制模型。

式中：，，——校準比例縮放系數(shù)；，，——加速度計零偏校正值；——最小二乘擬合數(shù)據(jù)。

3）根據(jù)以下車輛縱向動力學，建立相應的動力方程式，并轉化為最小二乘格式，得到：（系統(tǒng)的輸出量）、（可觀測的數(shù)據(jù)量）、（待估計的車輛質量）。

式中：——電機轉矩；——變速器當前傳動比；——主減速器傳動比；η——傳動系統(tǒng)的機械效率；——輪胎滾動半徑；——空氣阻力系數(shù)；ρ——空氣密度，kg/m；——行駛速度；——迎風面積；α——坡道角；、——滾動阻力系數(shù)的速度擬合常數(shù)項、一次項系數(shù)；——整車質量；——總轉動慣量；α ——軸校準過的加速度數(shù)值；α ——軸校準過的加速度數(shù)值。

4）根據(jù)遺忘因子的計算（）=1-0.05·0.98，建立相應的遺忘因子模型。

5）根據(jù)以下最小二乘法的3個公式，分別建立EF模型、Ea模型和待估計M模型。

6）根據(jù)當前的整車車速，當前鑰匙信號，當前檔位，當前加速度傳感器信號等輸入，根據(jù)整體模型估計計算出實時的整車質量。

7）根據(jù)計算出的整車質量，計算出現(xiàn)在整車的，建立相應質量模型。

8）根據(jù)以下車輛縱向動力學，建立相應的動力方程式，并轉化為最小二乘格式，得到：（系統(tǒng)的輸出量）、（可觀測的數(shù)據(jù)量）、（待估計的坡度）。

9）根據(jù)遺忘因子的計算（）=1-0.05·0.98，建立相應的遺忘因子模型。

10）根據(jù)以下最小二乘法的3個公式，分別建立Fig模型、U模型和待估計W模型。

3 各個控制邏輯和Simu lin k建模模型

Simulink的建模模型總圖如圖1所示，車重估計總圖如圖2所示，加速度計高斯牛頓法校準加速度數(shù)值模型如圖3所示。

圖1 Simulink模型總圖

圖2 Simulink車重估計總圖

圖3 加速度計高斯牛頓法校準加速度數(shù)值模型圖

Simulink車重估計中的EF與Ea模型分別如圖4、圖5所示。

圖4 Simulink車重估計中EF模型

圖5 Simulink車重估計中Ea模型

Simulink中遺忘因子Lam模型如圖6所示，其車重估計最小二乘法車重模型如圖7所示。

圖6 Simulink車重估計中遺忘因子Lam模型

圖7 Simulink中車重估計最小二乘法車重模型

Simulink中坡度估計模型與坡度角計算模型分別如圖8、圖9所示。

圖8 Simulink中坡度估計模型

圖9 Simulink中坡度估計坡度角計算模型

4 結束語

本文主要闡述純電動商用車基于三軸加速度計的車重和坡度估計的控制策略，結合車輛縱向動力學和加速度傳感器信號進行動力學建模，在運用仿真采用的動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件（MATLAB/Simulink）所依據(jù)數(shù)學模型進行建模和仿真，能夠很準確估計出整車的車重和坡度，通過該估計方法對于純電商用車在有坡度和重載情況下的換擋控制和換擋品質有一個很大的提高。