一种基于预测时域内误差的车辆动力学模型精度评价方法技术

本发明专利技术涉及一种基于预测时域内误差的车辆动力学模型精度评价方法，通过将连续车辆动力学模型离散化，根据设置的预测时域、采样周期及给定控制量时间序列，在每一采样时刻只仿真一个预测时域，并根据预测时域内车辆模型状态输出与真值之间的误差评价模型在非线性模型预测控制器中的预测精度，解决了传统基于全局误差的模型评价方法无法反映车辆动力学模型在NMPC控制器中模型预测精度的评价问题，为NMPC控制器设计者提供了车辆动力学模型、预测时域及采样周期的选择依据。时域及采样周期的选择依据。时域及采样周期的选择依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于预测时域内误差的车辆动力学模型精度评价方法


[0001]本专利技术属于汽车动力学
及模型预测控制领域，具体涉及一种基于预测时域内误差的车辆动力学模型精度评价方法。

技术介绍

[0002]非线性模型预测控制(Nonlinear Model Predictive Control)，即非线性预测模型，简称NMPC，其为一种基于非线性模型的闭环优化控制策略，是解决车辆控制问题的有效手段。然而，NMPC控制器在对车辆进行控制时，既需要模型足够简单满足控制的实时性，又需要模型足够精确，以保证通过优化算法求解出的控制序列的有效性。因此，使用有效手段对车辆动力学模型进行评价，对NMPC 控制器的实现至关重要。
[0003]目前，在非线性模型预测控制领域，使用的是传统车辆动力学领域内基于全局误差的模型精度评价方法，即对实测输入数据下的连续模型输出与真实的输出进行比较，仿真比较时通常针对连续的车辆动力学模型，设置较小步长，进行整个仿真时间段内的全局误差比较。然而，NMPC控制器在进行预测时，需要将动力学模型离散化，并找到一个显示的迭代方程对微分方程进行较大步长的近似求解，并且NMPC控制器关心的是预测时域内模型的预测精度，而不是全局误差。所以，连续模型的全局误差的模型精度评价方法关注的是连续模型长时间的仿真精度，无法评价NMPC中离散化、短时域的模型精度，具有相当大的局限性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于预测时域内误差的车辆动力学模型精度评价方法，解决了汽车设计仿真分析阶段的操纵稳定性定量化计算问题。
[0005]本专利技术的目的通过如下技术方案实现：
[0006]一种基于预测时域内误差的车辆动力学模型精度评价方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一、实车参数测定及试验
[0008]根据控制的目标车辆，对目标车辆各项结构参数进行测定，而后进行相应典型工况的车辆试验，试验结束后记录试验中状态量及控制量的时间序列。所述的状态变量X包括但不限于侧向速度，横摆角速度，纵向速度，侧倾角，侧倾角速度及前后轮角速度。控制量时间序列包括但不限于前轮转角，驱动力矩和制动力矩。典型工况包括但不限于方向盘正弦输入试验、方向盘阶跃输入试验。
[0009]步骤二、构建车辆动力学模型如下：
[0010][0011]式(1)中X为状态变量；为指X的导数，f为求取该状态变量值的关系表达式；
[0012]步骤三、将车辆动力学模型离散化，即对于式(1)所示的微分方程采用式 (2)得到n+1时刻相对于n时刻的迭代方程：
[0013]X
n+1
＝X
n
+T
·
f(X
n
,U
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]式(2)中X
n
为n时刻的状态变量，X
n+1
为n+1时刻的状态变量，T为采样周期；
[0015]步骤四、设定仿真评价工况和NMPC控制器中采样周期T和预测时域N
p
，其中预测时域为采样周期的正整数倍；
[0016]步骤五、给定起始时刻t车辆状态及t时刻后一个预测时域内的控制量时间序列；
[0017]步骤六、通过式(2)的车辆动力学模型仿真一个预测时域，得到车辆状态的预测结果X
p
；重复步骤四，给定t+T时刻车辆状态及一个预测时域内的控制量时间序列，直到到达终止条件t＝N，其中N为终止时刻，是采样周期T的正整数倍；
[0018]步骤七、将车辆状态的预测结果X
p
与作为真值的车辆状态X
real
进行比较，计算状态单点误差绝对值X
error
＝|X
p
‑
X
real
|，并统计误差的平均值及方差；若状态误差在允许范围内，则该车辆动力学模型及相应的采样周期、预测时域参数可用于设计NMPC控制器，若状态误差不在允许范围内，则需对上述参数进行调整。
[0019]进一步的，所述的状态变量X包括侧向速度，横摆角速度，纵向速度，侧倾角，侧倾角速度及前后轮角速度。
[0020]进一步的，所述的控制量时间序列包括前轮转角，驱动力矩和制动力矩。
[0021]进一步的，所述的典型工况包括方向盘正弦输入试验、方向盘阶跃输入试验。
[0022]本专利技术还有一个目的是提供一种基于非线性预测模型的预测时域内车辆动力学模型精度评价系统，包括：
[0023]坐标系获取模块；用于获取车辆坐标系、轮胎坐标系、地理坐标系以及轮胎模型；
[0024]力和力矩平衡运动方程建立模块；用于当车辆以固定速度行驶时，对所述车辆进行受力分析，根据所述车辆坐标系建立力和力矩平衡运动方程；
[0025]车辆悬架特性参数获取模块；用于获取所述车辆沿曲线行驶时的车辆悬架特性参数；
[0026]车辆动力学模型建立模块；用于根据所述轮胎坐标系以及所述力和力矩平衡运动方程以及车辆悬架特性参数建立车辆动力学模型；
[0027]车辆动力学模型离散化模块；用于将车辆动力学模型离散化得到迭代方程；
[0028]仿真模块；用于得到车辆状态的预测结果，首先选取仿真评价工况和设定 NMPC控制器中采样周期和预测时域，再给定起始时刻t车辆状态及t时刻后一个预测时域内的控制量时间序列，通过离散化后的车辆动力学模型仿真一个预测时域；
[0029]计算模块；将车辆状态的预测结果与作为真值的车辆状态进行比较，计算状态单点误差绝对值，并统计误差的平均值及方差。
[0030]有益效果如下：
[0031]本专利技术提供的车辆动力学模型精度评价方法将连续车辆动力学模型离散化，再根据设置的预测时域、采样周期及给定控制量时间序列，在每个采样时刻只仿真一个预测时域，并计算预测时域内车辆模型状态输出与真值之间的误差，根据其评价模型在NMPC控制器中的预测精度。所述评价方法解决了传统基于全局误差的模型精度评价方法无法反映车辆动力学模型在NMPC控制器中模型预测精度的评价问题，可为NMPC控制器设计者提供了车辆动力学模型、预测时域及采样周期的选择依据，从而降低控制器设计的时间与成本。
附图说明
[0032]图1是本专利技术的基于预测时域内误差的车辆动力学模型精度评价方法流程示意图；
[0033]图2是本专利技术的实施例1中用于模型评价的控制量输入时间序列；
[0034]图3是本专利技术的实施例1中基于预测时域内误差的模型评价结果及其与传统的基于全局误差的模型评价结果对比(以横摆角速度为例，下同)；
[0035]图4是本专利技术的实施例1中不同预测时域下模型的预测精度评价；
[0036]图5是本专利技术的实施例1中不同采样周期下模型的预测精度评价。
具体实施方式
[0037]实施例1、对参考某型两轴商用车建立的六自由度车辆动力学模型进行精确度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于预测时域内误差的车辆动力学模型精度评价方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、实车参数测定及试验根据控制的目标车辆，对目标车辆各项结构参数进行测定，而后进行相应典型工况的车辆试验，试验结束后记录试验中状态量及控制量的时间序列；步骤二、构建车辆动力学模型如下：式(1)中X为状态变量；为指X的导数，f为求取该状态变量值的关系表达式；步骤三、将车辆动力学模型离散化，即对于式(1)所示的微分方程采用式(2)得到n+1时刻相对于n时刻的迭代方程：X
n+1
＝X
n
+T
·
f(X
n
,U
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中X
n
为n时刻的状态变量，X
n+1
为n+1时刻的状态变量，T为采样周期；步骤四、设定仿真评价工况和NMPC控制器中采样周期T和预测时域N
p
，其中预测时域为采样周期的正整数倍；步骤五、给定起始时刻t车辆状态及t时刻后一个预测时域内的控制量时间序列；步骤六、通过式(2)的车辆动力学模型仿真一个预测时域，得到车辆状态的预测结果X...

【专利技术属性】
技术研发人员：施树明，张博识，林楠，于树友，余建华，李永福，孟凡钰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：