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专利号: 201811258236X
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 一般车辆
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于EKF和BP神经网络的路面附着系数估计方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:建立车辆路面附着系数估计系统,包括方向盘转角传感器、纵向加速度传感器、侧向加速度传感器和九个BP神经网络模块;所述方向盘转角传感器、纵向加速度传感器、侧向加速度传感器分别实时采集车身工况数据作为EKF状态观测器的输入,九个BP神经网络模块分别代表不同路面类型进行数据训练;

步骤2:采集车辆的方向盘转角信号δ、纵向加速度信号ax、侧向加速度信号ay;

步骤3:基于四轮车辆动力学模型,以横摆角速度ωr、质心偏角β和纵向车速vx为状态量,以侧向加速度信号ay为观测量,建立EKF扩展卡尔曼状态观测器;

步骤4:采用EKF算法计算出横摆角速度ωr、质心偏角β和纵向车速vx;将方向盘转角信号δ、纵向加速度信号ax和侧向加速度信号ay作为EKF状态观测器的输入,经过对观测量ay的更新从而获得对状态量的估计,状态量横摆角速度ωr、质心偏角β和纵向车速vx作为EKF状态观测器的输出;

步骤5:建立BP神经网络,将汽车在不同附着系数路面行驶采集到的侧向加速度信号ay、方向盘转角信号δ和估计的质心偏角β、纵向车速vx以及确定的路面附着系数μ组成向量组[ay β δ vx μ]T作为对应的路面附着系数神经网络模块的输入,将车辆横摆角速度作为输出;

所述BP神经网络输入层的节点数为5,隐含层的结点个数为10,输出层的结点个数为1,学习速率为η,激活函数为g(x),其中激活函数g(x)为Sigmoid函数为:所述隐含层的输出Hj和输出层的输出Ok为:

其中wij为输入层到隐含层的权重,L输出层节点个数,xi为归一化之前的输入量,n为隐含层节点个数,wjk为隐含层到输出层的权重,aj为输入层到隐含层的偏置,bk为隐含层到输入层的偏置;

步骤6:输入下一时刻的输入量到每个神经网络模块,求出预测横摆角速度 将 与已知的ωr作差并取平方得到ri,ri为选取神经网络模块的参考系数,选出ri最小的神经网络模块,得到估计的路面附着系数。

2.根据权利要求1所述的基于EKF和BP神经网络的路面附着系数估计方法,其特征在于,所述步骤3中,EKF观测器的状态方程可表示为:观测方程可表示为:

k1为前轮侧偏刚度总和;k2为后轮侧偏刚度总和;Ix为绕x轴转动惯量;δ为前轮转角;ωr为横摆角速度;a为质心距前轴的距离;b质心距后轴的距离;Iz为绕z轴的转动惯量;vx为纵向车速;β为质心偏角; 为当前估计横摆角速度; 当前估计质心偏角; 为当前估计纵向车速;m为整车质量;ax为车辆纵向加速度;ay为车辆侧向加速度。

3.根据权利要求2所述的基于EKF和BP神经网络的路面附着系数估计方法,其特征在于,所述步骤4中,EKF算法实现如下:建立系统的状态方程和测量方程:

式中:x(t)为状态变量;u(t)为控制变量;y(t)为测量输出;w(t)为系统激励噪声协方差矩阵为Q;v(t)为测量噪声协方差矩阵为R;w(t)、v(t)均为独立的高斯白噪声;

上面状态量x(t)和测量量y(t)可表示为:

然后将模型线性化:

其中F(t)和H(t)为非线性函数f(x(t),u(t),w(t))和h(x(t),v(t))对状态x(t)求偏导的雅克比矩阵:最后赋予初始状态值 和误差协方差P-(t0),EKF算法开始循环计算并估计出横摆角速度ωr、质心偏角β和纵向车速vx。

4.根据权利要求3所述的基于EKF和BP神经网络的路面附着系数估计方法,其特征在于,所述步骤5还包括将数据进行归一化,并选取若干组数据作为样本,对数据归一化的公式为:式中 为归一化后的输入量,xi为归一化之前的输入量,xmin为输入量的最小值,xmax为输入量的最大值。

5.根据权利要求1所述的基于EKF和BP神经网络的路面附着系数估计方法,其特征在于,所述输出层的误差计算公式为:式中Yk为期望输出,m为所采集数据样本数量,Yk-Ok=ek,则误差公式改写为:

6.根据权利要求5所述的基于EKF和BP神经网络的路面附着系数估计方法,其特征在于,权值更新公式为:

7.根据权利要求5所述的基于EKF和BP神经网络的路面附着系数估计方法,其特征在于,选取ri值最小的神经网络模块并计算ri: