一种车辆异常状态下的纵向车速估计方法及系统

技术领域

本发明涉及车辆车速监测技术领域，尤其涉及一种车辆异常状态下的纵向车速估计方法及系统。

背景技术

随着交通行业的快速发展，车辆控制系统变得越来越复杂。为了确保安全和舒适性，现代车辆通常配备了多种传感器和控制器，用于监测车辆状态并实时调整车辆控制参数。其中，纵向车速估计是车辆控制系统中至关重要的一部分，它为车辆控制和驾驶员辅助系统提供必要的输入信号。然而，在某些车辆异常状态情况下，如车轮转速传感器故障，GPS信号丢失，车轮打滑、抱死工况，传统的车速估计方法可能会失效，导致车辆控制系统性能下降，甚至出现危险情况。

为了解决上述问题，本发明提供了一种车辆异常状态下的纵向车速估计系统。本系统利用多个传感器(如转速传感器，加速度传感器，GPS等)的数据，并采用先进的估计算法，实时估计车辆的纵向速度。与传统的车速估计方法相比，本系统具有更高的鲁棒性和可靠性，能够在车辆异常状态下仍能准确估计车辆的纵向速度，从而提高车辆控制系统的性能和安全性。

发明内容

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了一种车辆异常状态下的纵向车速估计方法，针对车辆异常状态，即车轮转速传感器出现的传感器噪声或故障信号以及传感器失效，GPS信号丢失，车轮打滑、抱死工况，提出一种系统的解决方案，用于保证车辆在运行过程中的纵向车速信号可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种车辆异常状态下的纵向车速估计方法，包括：

通过车载传感器，获取车辆信息；构建车速计算模型，将获取的车辆信息导入模型；通过车速计算模型输出纵向车速并进行分析判断，得到最终的车辆异常状态下的纵向车速估计结果。

作为本发明所述的车辆异常状态下的纵向车速估计方法的一种优选方案，其中：所述车辆信息包括，通过车上搭载的传感器，获取四个车轮转速、车辆纵向加速度、电机转速、GPS信号，在车辆正常行驶工况下，通过将轮速信息输入降维观测器，得到去噪和去故障信号后的估计轮速和估计车速；通过GPS信号，得到参考车速。

作为本发明所述的车辆异常状态下的纵向车速估计方法的一种优选方案，其中：所述参考车速包括，使用车辆纵向加速度积分V3作为GPS信号V2信号丢失时的冗余备份信号，判断GPS信号是否有效，若GPS信号有效且GPS信号V2正常时，则参考车速Vref取值为GPS信号V2；若GPS信号判定为无效、失效或丢失，则用车辆纵向加速度积分V3代替，参考车速Vref取值为车辆纵向加速度积分V3。

作为本发明所述的车辆异常状态下的纵向车速估计方法的一种优选方案，其中：所述车速计算模型包括，使用电机转速Wmn*传动比Kn作为轮速传感器信号Wwn丢失时的冗余备份信号；

若轮速传感器信号Wwn正常，则将轮速传感器信号作为车轮转速；若判定某个轮速传感器失效，则将失效的车轮转速获取来源切换到电机转速Wmn*传动比Kn，获取四个车轮转速n；其中，传动比Kn为电机输出轴到车轮之间的传动系统的传动系数。

作为本发明所述的车辆异常状态下的纵向车速估计方法的一种优选方案，其中：所述车速计算模型包括，对某一个轮速传感器进行分析，判断是否失效，当一个轮速传感器的信号值丢失，或信号值与电机转速值做差并除以电机转速值后超过设定阈值A，具体如下：

其中，0≤A≤1，Wmn、Wwn分别代表四个电机转速和转速传感器数值，n为车轮转速，n＝1、2、3、4；

将获取到的车轮转速n作为输入信号传递到降维观测器估计系统，输出估计车轮转速n和估计纵向车速V1，实现对传感器信号的噪声和故障信号处理。

作为本发明所述的车辆异常状态下的纵向车速估计方法的一种优选方案，其中：所述降维观测器估计系统包括，依据车辆模型搭建车辆纵向动力学方程进行设计，具体如下：

其中，m为总车质量，

作为本发明所述的车辆异常状态下的纵向车速估计方法的一种优选方案，其中：所述降维观测器估计系统还包括，将车辆纵向动力学方程转换成状态空间方程，表示如下：

其中，A为系统状态矩阵，B为控制输入矩阵，D为未知输入矩阵，C为选取的可测输出系数矩阵，F为测量干扰系数矩阵。

作为本发明所述的车辆异常状态下的纵向车速估计方法的一种优选方案，其中：所述降维观测器估计系统还包括，将左乘矩阵I-FF

其中，

对系数矩阵进行分块计算求解：

设计增益矩阵L，使A_H

设计降维观测器如下：

完成降维观测器设计，选择实际测量的四个车轮转速作为降维观测器系统输入，四个车轮转速以及纵向车速为可测输出，实现对车轮转速信号中噪声信号的去除以及纵向车速的估计。

作为本发明所述的车辆异常状态下的纵向车速估计方法的一种优选方案，其中：所述车辆异常状态下的纵向车速估计结果包括，

使用Butter Worth低通滤波处理纵向加速度信号a，判断车辆处于加速或减速阶段，进而使用不同的滑移率计算公式；在计算完成滑移率p后，将得到的参考车速和得到的估计车速进行加权计算，得到整个系统最后的输出车速V4。

本发明的另外一个目的是车辆异常状态下的纵向车速估计系统，其能通过实现车辆异常状态下的纵向车速估计方法，解决现有技术中无法解决的问题。

作为本发明所述的车辆异常状态下的纵向车速估计系统的一种优选方案，其中：所述系统包括，传感器模块、车速计算模块、降维观测器估计系统以及数据传输模块；所述传感器模块包括车辆搭载的所有传感器，用于对车辆数据信息进行获取和传输；所述车速计算模块用于搭载车速计算模型；所述降维观测器估计系统用于对车轮转速信号中噪声信号的去除以及纵向车速的估计；所述数据传输模块用于系统内一切的信息数据传输。

本发明的有益效果：本发明采用的降维观测器对信号进行处理，创新性解决了一般估计方法如卡尔曼滤波对传感器信号中的噪声信号、故障信号处理能力不足的问题。同时，设计的车辆异常状态下的纵向车速估计系统，综合车辆纵向加速度信号、GPS信号、电机转速信号，创新性解决了车辆在传感器失效，以及打滑、抱死工况时，仅使用车轮转速进行车速估计的不准确问题。与传统的车速估计方法相比，本系统具有更高的鲁棒性和可靠性，能够在车辆异常状态下仍能准确估计车辆的纵向速度，从而提高车辆控制系统的性能和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一个实施例提供的一种车辆异常状态下的纵向车速估计方法的参考车速Vref计算方法流程示意图。

图2为本发明一个实施例提供的一种车辆异常状态下的纵向车速估计方法的估计纵向车速V1计算方法示意图。

图3为本发明一个实施例提供的一种车辆异常状态下的纵向车速估计方法的纵向车速V4计算方法示意图。

图4为本发明一个实施例提供的一种车辆异常状态下的纵向车速估计方法的噪声信号下降维观测器的车速估计效果示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1-图4，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种车辆异常状态下的纵向车速估计方法，包括：

S1：通过车载传感器，获取车辆信息。

所述车辆信息包括，通过车上搭载的传感器，获取四个车轮转速、车辆纵向加速度、电机转速、GPS信号，在车辆正常行驶工况下，通过将轮速信息输入降维观测器，得到去噪和去故障信号后的估计轮速和估计车速；通过GPS信号，得到参考车速。

所述参考车速包括，使用车辆纵向加速度积分V3作为GPS信号V2信号丢失时的冗余备份信号，判断GPS信号是否有效，若GPS信号有效且GPS信号V2正常时，则参考车速Vref取值为GPS信号V2；若GPS信号判定为无效、失效或丢失，则用车辆纵向加速度积分V3代替，参考车速Vref取值为车辆纵向加速度积分V3。

S2：构建车速计算模型，将获取的车辆信息导入模型。

所述车速计算模型包括，使用电机转速Wmn*传动比Kn作为轮速传感器信号Wwn丢失时的冗余备份信号；

若轮速传感器信号Wwn正常，则将轮速传感器信号作为车轮转速；若判定某个轮速传感器失效，则将失效的车轮转速获取来源切换到电机转速Wmn*传动比Kn，获取四个车轮转速n；其中，传动比Kn为电机输出轴到车轮之间的传动系统的传动系数。

所述车速计算模型包括，对某一个轮速传感器进行分析，判断是否失效，当一个轮速传感器的信号值丢失，或信号值与电机转速值做差并除以电机转速值后超过设定阈值A，具体如下：

其中，0≤A≤1，Wmn、Wwn分别代表四个电机转速和转速传感器数值，n为车轮转速，n＝1、2、3、4；

将获取到的车轮转速n作为输入信号传递到降维观测器估计系统，输出估计车轮转速n和估计纵向车速V1，实现对传感器信号的噪声和故障信号处理。

所述降维观测器估计系统包括，依据车辆模型搭建车辆纵向动力学方程进行设计，具体如下：

其中，m为总车质量，

所述降维观测器估计系统还包括，将车辆纵向动力学方程转换成状态空间方程，表示如下：

其中，A为系统状态矩阵，B为控制输入矩阵，D为未知输入矩阵，C为选取的可测输出系数矩阵，F为测量干扰系数矩阵。

所述降维观测器估计系统还包括，将左乘矩阵I-FF

其中，

对系数矩阵进行分块计算求解：

设计增益矩阵L，使A_H

设计降维观测器如下：

完成降维观测器设计，选择实际测量的四个车轮转速作为降维观测器系统输入，四个车轮转速以及纵向车速为可测输出，实现对车轮转速信号中噪声信号的去除以及纵向车速的估计。

S3：通过车速计算模型输出纵向车速并进行分析判断，得到最终的车辆异常状态下的纵向车速估计结果。

所述车辆异常状态下的纵向车速估计结果包括，使用Butter Worth低通滤波处理纵向加速度信号a，判断车辆处于加速或减速阶段，进而使用不同的滑移率计算公式；在计算完成滑移率p后，将得到的参考车速和得到的估计车速进行加权计算，得到整个系统最后的输出车速V4。

将车辆纵向加速度a经过Butter Worth低通滤波处理，得到数值a*，使用a*进行车辆处于加减速工况判断；当a*≥0时，处于加速工况；当a*＜0时，处于减速工况。

依据车辆处于加、减速工况，分别使用：

即通过滑移率p＝|(估计纵向车速V1-Vref)|/估计纵向车速V1、滑移率p＝|(Vref-估计纵向车速V1)|/Vref进行滑移率计算；

在计算得到滑移率p之后，使用公式：

v

计算得到最终的车辆纵向速度V4。

实施例2

本发明的另一个实施例，提供了一种车辆异常状态下的纵向车速估计系统，为了验证本发明的有益效果，通过实验进行科学论证。

所述系统包括，传感器模块、车速计算模块、降维观测器估计系统以及数据传输模块；

所述传感器模块包括车辆搭载的所有传感器，用于对车辆数据信息进行获取和传输；

所述车速计算模块用于搭载车速计算模型；

所述降维观测器估计系统用于对车轮转速信号中噪声信号的去除以及纵向车速的估计；

所述数据传输模块用于系统内一切的信息数据传输。

实施例3

本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。