一种多轴分布式电驱动底盘角模块的齿隙参数辨识方法

本发明涉及车辆底盘动力学建模、转向执行机构参数辨识及分布式电驱动底盘控制，特别是一种多轴分布式电驱动底盘角模块的齿隙参数辨识方法。

背景技术：

1、多轴分布式电驱动底盘通过多个角模块实现驱动、制动和转向功能，具有执行器数量多、构型可变、控制自由度高等特点。与传统固定轴系车辆相比，该类底盘的转向中心和运动构型会随控制策略变化，因而对角模块转向执行机构的动态建模精度提出了更高要求。

2、角模块转向执行机构中，电机输出通常需要经过蜗轮蜗杆减速器放大力矩后传递至转向输出端。蜗轮蜗杆传动具有减速比大、结构紧凑和承载能力强等优点，但在实际工程中不可避免存在齿侧间隙。齿侧间隙来源于加工误差、装配公差、轴系支撑游隙、润滑需求、热膨胀补偿以及防卡滞设计等因素。

3、当输入侧电机发生微小位移或正反向切换时，蜗杆与蜗轮需要经历由一侧齿面接触向另一侧齿面接触的过渡过程。在该过程中，输入位移不能立即传递到输出端，导致输出转角相对于输入位移出现死区、迟滞和回差现象。传动链弹性变形、支撑件间隙以及长期运行磨损还会进一步加剧该非理想传递现象。

4、现有齿隙参数辨识方法通常直接采用单一滤波或一次性联合优化方式处理全部参数。由于齿隙模型中包含递推状态和非光滑min-max算子，且齿隙半宽、输出增益、零位偏置和初始内部状态之间存在耦合，直接联合搜索容易受到初值和局部极值影响，导致辨识结果离散、物理一致性不足或对换向区间齿隙特征刻画不充分。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种多轴分布式电驱动底盘角模块的齿隙参数辨识方法，该多轴分布式电驱动底盘角模块的齿隙参数辨识方法用于解决角模块蜗轮蜗杆减速传动中齿隙死区、迟滞和回差难以稳定建模，以及非光滑递推模型参数联合辨识初值敏感、结果离散和物理可解释性不足的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种多轴分布式电驱动底盘角模块的齿隙参数辨识方法，包括如下步骤：

4、步骤1：采集转向电机位置反馈、减速器传动比以及输出端编码器位置反馈建立输出端理想位置模型；引入齿隙半宽和内部传递状态建立齿隙内部状态递推模型；基于输出端编码器观测值与内部传递状态之间的线性映射建立编码器观测映射模模型；将所述输出端理想位置模型、齿隙内部状态递推模型和编码器观测映射模模型共同构成角模块转向执行机构的齿隙模型；

5、步骤2：设定齿隙模型的齿隙参数，所述齿隙参数包括齿隙半宽、输出增益参数、零位偏置参数和初始内部状态，基于所述齿隙参数建立齿隙参数向量，并辨识所述齿隙参数得到最终辨识得到的齿隙参数向量。

6、进一步，所述步骤2之后执行步骤3：将步骤2辨识得到的所述齿隙参数代入所述齿隙模型进行前向仿真，以重构输出端编码器响应并评价模型输出跟踪效果。

7、进一步，所述评价模型输出跟踪效果采用均方根误差rmse、平均绝对误差mae和拟合优度r2。

8、进一步，所述输出端理想位置模型按下式（1）建立

9、；

10、式（1）中，为第k个采样时刻的转向电机位置反馈，为减速器传动比，为第k个采样时刻的输出端理想位置。

11、进一步，所述齿隙内部状态递推模型按下式（2）建立

12、 （2）；

13、式（2）中， 为第k个采样时刻的内部传递状态；为齿隙半宽。

14、进一步，所述编码器观测映射模模型按下式（3）建立

15、；

16、式（3）中，为第k个采样时刻的输出端编码器观测值；为输出增益参数；为零位偏置参数。

17、进一步，所述步骤2具体通过如下步骤辨识所述齿隙参数得到最终辨识得到的齿隙参数向量：

18、步骤2.1：按下式（4）建立齿隙参数向量

19、    (4)；

20、式（4）中，t表示向量转置；

21、步骤2.2：将所述齿隙参数向量输入所述齿隙模型，输出得到第k个采样时刻的预测输出，并按下式（5）构造齿隙参数辨识目标函数

22、  （5）；

23、式（5）中，为采样点数；

24、步骤2.3：按下式（6）、（7）对输出增益参数和零位偏置参数进行初步估计

25、  （6）；

26、  （7）；

27、式（6）中，分别为第一阶段辨识得到的输出增益参数粗估计值和零位偏置参数粗估计值为第次迭代中第个样本的权重；

28、式（7）中，为第次迭代中的对应残差；为第次迭代的输出增益参数估计值；为第次迭代的零位偏置参数估计值；

29、步骤2.4：按下式（8）、（9）、（10）对齿隙半宽和初始内部状态进行多起点辨识：

30、  (8)；

31、  (9)；

32、  (10)；

33、式（8）中，s为第二阶段初值；为第二阶段初值组数；为第s组初值进行局部优化后得到的齿隙半宽估计值；为对应的初始内部状态估计值；

34、式（9）中，为第二阶段第s组候选参数向量；

35、式（10）中，为从s组候选向量中选出，使目标函数值最小的第二阶段最优齿隙参数向量；

36、步骤2.5：按下式（11）、（12）对所有齿隙参数进行联合精修

37、  (11)；

38、   (12)；

39、式（12）中，为以邻域内第s组扰动初值为起点，经第三阶段局部优化得到的第s组候选齿隙参数向量；为第三阶段扰动初值序号；为第三阶段扰动初值组数，为从全部s3组候选参数向量中选取的、使目标函数值最小的最终齿隙参数向量。

40、进一步，所述转向电机位置反馈由转向电机控制器经can网络上传至整车控制器采集，所述输出端编码器位置反馈由蜗轮蜗杆减速器输出轴端编码器测得。

41、进一步，所述齿隙模型用于描述角模块转向执行机构在快速阶跃输入和慢速斜坡输入下的死区、迟滞和回差现象。

42、本发明具有如下有益效果：

43、第一，本发明通过齿隙半宽和内部传递状态构建min-max饱和递推模型，能够直接表征蜗轮蜗杆减速器换向过程中的死区、迟滞和回差现象，从而使角模块转向执行机构模型更加符合实际传动机理。

44、第二，本发明将输出端编码器观测值建模为内部传递状态的线性映射，并将输出增益和零位偏置纳入联合辨识范围，能够补偿实际传动比偏差和编码器零位标定误差，提高模型对实测数据的适应能力。

45、第三，本发明采用由粗到细的三阶段参数辨识策略，先稳定估计线性参数，再集中辨识齿隙非线性参数，最后进行全参数联合精修，从而降低参数耦合程度和初值敏感性。

46、第四，本发明能够在快速阶跃输入和慢速斜坡输入等不同转向工况下开展齿隙参数辨识，并获得较低的均方根误差rmse、平均绝对误差mae以及较高的拟合优度r2，从而提升输出端编码器信号的预测精度。

47、第五，本发明辨识得到的齿隙参数可用于多轴分布式电驱动底盘角模块转向执行机构的动力学建模、转向控制补偿及整车控制模型修正，为高自由度底盘控制提供更可靠的执行器模型基础。

48、综上，本发明通过将齿隙非线性机理建模与分阶段参数辨识方法相结合，实现了对蜗轮蜗杆主销转向执行机构齿隙特性的有效描述与稳定辨识，不仅提高了模型对实际输出响应的拟合与重构能力，而且为后续转向控制补偿及整车控制优化提供了可靠的参数基础，具有较好的实用性和推广价值。