abs轮速信号处理及参考车速估计方法的研究-王超.docx

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1、ABS轮 速 信 号 处 理 及 参 考 车 速 估 计 方 法 的 研 究 Research on ABS Wheel Speed Processing and Estimation of Absolute Vehicle Speed 作 者 姓 名 王 超 学 位 类 型 学历 硕 士 学 科、 专 业 车辆 工 程 研 究 方 向 电动汽 车 技术 导 师及 .职 称 孙骏 副教 :授 2013年 4月 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名： （ 工作单位、职称 ) 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的

2、研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 字 ： 签 字 日 期 ： 如 /3年 +月 R 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权 合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采

3、用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学位论文者签名： 导师签名 : 签 字 日 期 ： 外 /5年 +月对日 签 字 日 期 ： 叫 3年 个 月 巧 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：丄 I泠 、 你 工 工 水 1_喊可 电话 : 通讯地址： 邮编 : 在汽车给人们的出行带来极大方便的同时，随之而来的汽车安全问题也是 不容忽视的，因此在汽车的设计研发过程中需要解决一系列的技术问题，其中 与汽车安全性能具有密切关系的 ABS防抱死制动系统是目前研究的热点技术。 对于未安装 ABS防抱死制动系统的汽车而言，其在制动过程中容易出现甩

4、尾、 方向失灵等危险状况，安装了 ABS系统的汽车可以有效防止上述危险状况的发 生。所以对汽车而言， ABS系统的可靠性是一个衡量汽车安全性能的重要指标， 生产厂家与消费者也越来越重视 ABS系统的可靠性。 轮速信号的处理与参考车速的估计关系到汽车 ABS控制系统的可靠性和 准确性，是汽车 ABS控制系统的关键 技术。本文的重点就是探讨 ABS轮速信 号的处理方法和参考车速的估计方法。首先，对 ABS的发展概况、结构以及工 作原理作了介绍，同时说明了轮速信号的处理与参考车速的估计对ABS控制系 统的重要意义。其次，分析介绍了小波理论，包括连续小波变换、离散小波变 换、二进小波变换、 Malla

5、t算法及几种小波分析去噪方法的原理。对小波变换 模极大值法的原理做了详细分析，并应用该法对 ABS轮速信号在 MATLAB平 台上进行了处理，所得处理结果表明小波变换模极大值滤波方法能有效去除 ABS轮速信号中的噪声干扰，提高信号的信噪 比。最后，对数据融合的概念、 优势、理论以及卡尔曼滤波数据融合方法做了详细分析。同时对传统的参考车 速估计方法作了分析，包括斜率法、最大轮速法、综合法等。对经过小波变换 模极大值去噪法处理过的左右轮速信号在 MALAB平台上进行数据融合处理， 得出了参考车速的估计值，同时与传统方法所得的参考车速进行比较，卡尔曼 滤波数据融合处理方法得到的结果较为理想。 关 键

6、 词 ： 防 抱 死 制 动 信 号 处 理 小 波 变 换 参 考 车 速 数 据 融 合 Abstract A huge convenience was brought by the car to people, but the safety problem can not be ignored, so a series of technical problems needs to solve during the car9s design. The anti-lock braking system which is closely related to the automobile sa

7、fety performance is a focus of the current research. Without the ABS system, the drift, direction failure and other dangerous situations are prone to happen during the braking; the ABS system reliability is an indicator of automotive safety performance, so more and more attention was paid by the man

8、ufacturers and the consumers to the reliability of the ABS system. The wheel speed signal processing and reference speed estimation which is related to the reliability and the accuracy of the of automobile ABS control system, are the key issues of the automobile ABS control system. The focus of this

9、 article is to study the method of ABS wheel speed signal processing and the reference speed estimation. Firstly, the overview of the development of the ABS, the structure as well as the working principle of ABS were introduced, meanwhile the significance of the wheel speed signal processing and the

10、 reference speed estimation of the ABS control system were made clear. Secondly, the detailed description of wavelet theory was given, including the continuous wavelet transform, discrete wavelet transform, dyadic wavelet transform, Mallat algorithm and several wavelet denoising methods. On this bas

11、is, the wavelet transform denoising methods were introduced and the theoretical principles and the steps of the modulus maxima denoising method were given. The result of this method in the MATLAB platform shows that the wavelet transform modulus maxima filtering method can effectively remove the noi

12、se from the ABS wheel speed signal and improve the signal-to-noise ratio. Finally, the data fusion concept, its advantages, theory, and the Kalman filtering data fusion method was introduced. Traditional reference speed estimation methods were also analyzed, including the slope method, maximum wheel

13、 speed method, complex method. The result of data fusion in the MATLAB platform was compared to the result of the traditional methods. The comparison told us that the Kalman filter based on data fusion got a satisfied result. Keywords: ABS; signal processing; wavelet transform; reference speed; data

14、 fusion 致谢 我的研究生学习阶段即将结束，在我的研究生之路上，我获得了知识，也 获得了成长。然而正是导师的悉心指教、家人对我无私的关怀以及同学朋友对 我的帮助鼓励才让在人生的路上不断成长。我希望在学位论文将要定稿之际， 对老师、家人、朋友同学在我处于困境之时给予我的关心以及帮助表示我最真 挚的感谢，谢谢你们的帮助。 首先对于我尊敬的导师孙骏老师，我要说一声您辛苦了，谢谢您对我的指 导。从研一时的迷茫到课题试验的忙乱中，始终能够感受到孙老师的真切关怀； 在论文的写作过程中，从无从着手到论文的定稿之际，孙老师始终如一地对我 悉心指导。感谢孙老师在我的研究生之路给予我的指导与帮助。 我要感谢

15、母亲对我无私的奉献，感谢亲人给予我的关怀与帮助，为了我的 学业母亲在默默的为我做了能够做到的一切。亲人们的支持和鼓励给了我不断 前进的动力，感谢所有给予我帮助的亲人。 感谢师兄李宝辉，师姐薛敏和房娜娜对我提供的指导与帮助，感谢学长们 的帮助。感谢我的同学王明、张广清、吴浩和熊乐，在学业与生活上对我的关 心与帮助。也感谢我的师弟徐回、邾远、程斌、胡悦和张海宁给我提供的帮助。 感谢你们在我的课题研究和论文写作期间给予的帮助，谢谢你们在试验中的付 出的汗水，感谢你们为我所作的一切，我会铭记于心。 感谢朋友们在生活与学业上对我的关心和帮助，感谢你们在我困难之时伸 出援助之手，谢谢你们为友谊的付出，感谢

16、你们！ 作 者 ：王 超 2013年 4月 第 一 章 绪 论 . 1 1_1背景及意义 . 1 1.1.1防抱死制动系统 ABS概述 . 1 1.1.2防抱死制动系统 ABS发展史 . 1 1.1.3研究意义 . 2 1.2轮速信号处理综述 . 2 1.2.1数字滤波技术 . 2 1.2.2基于统计理论的滤波方法 . 4 1.2.3小波分析 . 4 1.3参考车速处理方法综述 . 5 1.3.1最大轮速法 . 5 1.3.2斜率法 . 5 1.3.3综合法 . 5 1.3.4基于车辆制动学模型的参考车速算法 . 6 1.3.5多传感器数据融合估计算法 . 6 1.4本文的主要工作 . 6 1

17、.4.1本课题的主要研究内容 . 6 1.4.2技术思路 . 7 第 二 章 试 验 数 据 采 集 . 8 2.1防抱死制动系统 ABS结构及工作原理 . 8 2.1_1 ABS 结构 . 8 2.1.2 ABS理论基础 . 8 2.1.3 ABS工作过程 . 11 2.2 ABS试验台及试验过程介绍 . 12 2.2.1 ABS试验台简介 . 12 2.2.2试验过程及结果 . 12 2.3试验数据的预处理 . 13 2.3.1轮速传感器的工作原理 . 13 2.3.2轮速计算方法分析 . 13 2.3.3 ABS试验台数据预处理 . 14 2.3.4计算车速与轮速 . 15 2.4本章小

18、结 . 16 第 三 章 小 波 分 析 . 17 3.1小波分析概述 . 17 3.1.1小波分析发展概况 . 17 3.1.2小波分析的优点及应用现状 . 17 3.2小波变换理论基础 . 17 3.2.1连续小波变换 . 17 3.2.2离散小波变换与二进小波变换 . 19 3_2.3小波框架 . 19 3.2.4正交小波 . 20 3.3多分辨率分析 . 20 3.3.1尺度函数与尺度空间 . 20 3_3.2多分辨率分析 . 21 3.3.3小波函数与小波空间 . 21 3.3.4正交小波变换与多分辨率分析 . 22 3.4 Mallat 算法 . 22 3.4.1二尺度方程 . 2

19、2 3.4.2 Mallat 算法 . 23 3.5小波去噪方法简介 . 24 3.5.1小波阈值去噪 . 24 3.5.2小波系数相关性去噪 . 25 3.5.3小波分析模极大值去噪 . 25 3.6本章小结 . 26 第 四 章 基 于 模 极 大 值 的 ABS轮速信号处理 . 27 4.1模极大值和奇异性指数 . 27 4.1.1模极大值定义 . 27 4.1.2奇异性指数 . 27 4.2信号奇异点和白噪声小波变换模极大值的尺度传播特性 . 28 4.2.1信号奇异点的小波变换模极大值的尺度传播特性 . 28 4.2.2白噪声的小波变换模极大值的尺度传播特性 . 28 4.2_3尺度

20、跟踪理论 . 29 4.3去噪算法 . 29 4.3.1对信号进行二进小波变换 . 30 4.3.2采用层间相关搜索去除噪声的模极大值 . 30 4.3.3利用保留的模极大值重构 . 31 4.4 ABS轮速信号处理 . 32 4.4.1二进小波变换 . 32 4.4.2采用层间相关搜索去除噪声的模极大值 . 33 4.4.3利用保留的模极大值重构信号 .34 4.4.4轮速信号信噪比计算分析 .35 4.5本章小结 .35 第五章基于数据融合估计理论的参考车速估计 .37 5.1数据融合概述 . 37 5丄 1数据融合技术的优势 . 37 5丄 2数据融合的结构 . 37 5.2多传感器信息

21、融合算法 . 38 5.2.1基于权系数的融合方法 . 38 5.2_2贝叶斯估计法 . 38 5.2.3基于模糊神经网络的融合方法 . 38 5.2.4基于卡尔曼滤波的融合方法 . 39 5.3最优估计理论 . 39 5.3.1最小二乘估计 . 39 5.3.2加权最小二乘估计 . 40 5.3.3最小方差估计 . 40 5.3.4线性最小方差估计 . 40 5.4基于融合估计理论的卡尔曼滤波 . 41 5.4.1经典卡尔曼滤波理论 . 41 5.4.2多传感器集中式卡尔曼数据融合滤波 . 42 5.4.3多传感器分散卡尔曼数据融合滤波 . 43 5.5参考车速估计 . 46 5.5.1基于

22、综合法的参考车速估算 . 46 5.5.2基于融合估计算法的参考车速计算 . 47 5.5.3两种参考车速估算方法比较 . 49 5.6本章小结 . 50 第 六 章 全 文 总 结 与 展 望 . 51 6.1工作总结 . 51 6.2工 作 展 望 . 51 参考文献 . 53 攻读硕士学位期间发表的论文 . 56 插图清单 图 1-1论文内容结构 . 7 图 2-1典型 ABS结构图 . 8 图 2-2制动状态车轮受力 . 9 图 2-3制动过程中路面制动力、制动器制动力 . 以及附着力之间的关系 . 1 图 2-4典型的附着系数与滑移率关系的曲线 . 1 图 2-5逻辑门控制方式工作示

23、意图 . 11 图 2-6试验台实物 . 12 图 2-7 ABS试验台采集数据部分样例 . 12 图 2-8磁电感应式轮速传感器工作原理简图 . 13 图 2-9测频率法原理图 . 14 图 2-10测周期法原理图 . 14 图 2-11车速计算流程图 . 16 图 2-12车速及左右轮速图 . 16 图 3-1分解快速算法示意图 . 24 图 3-2重构快速算法示意图 . 24 图 4-1特殊函数在奇异点的李氏指数 . 28 图 4-2空间 V和 r之间的交替投影 . 32 图 4-3原轮速信号的二进小波变换 . 33 图 4-4不同尺度上模极值传播点位置图 . 34 图 4-5处理后的小

24、波模极值点图 . 34 图 4-6重构后的信号与原信号对比图 . 35 图 5-1集中式融合结构 . 37 图 5-2分布式融合结构 . 38 图 5-3经典卡尔曼滤波计算流程图 . 42 图 5-4集中式卡尔曼滤波算法流程图 . 43 图 5-5分布式顺序滤波卡尔曼算法流程图 . 44 图 5-6分布式平行卡尔曼滤波算法流程图 . 45 图 5-7分布式联合卡尔曼滤波算法流程图 . -.46 图 5-8斜率法参考车速估计结果 . 47 图 5-9综合法参考车速估计结果 . 47 图 5-10基于融合估计算法的参考车速估计结果 . 48 图 5-11基于综合法的参考车速估计误差 . 49 图 5-12基于融合估计算法的参考车速估计误差 . 49