卡尔曼滤波估算车辆质量——matab simulink仿真

本文介绍使用Simulink进行车辆动力学仿真的方法,并通过卡尔曼滤波对仿真结果进行质量估算。展示了车辆动力学模型的系统状态方程及其雅克比矩阵,提供了系统仿真与卡尔曼滤波的函数程序代码,旨在验证卡尔曼滤波能否准确估算出车辆的实际质量。

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用simulink两个函数模块完成,一个完成车辆动力学仿真,一个对仿真的结果进行卡尔曼滤波估算车辆质量。

链接:https://pan.baidu.com/s/1rCWkWanyAPRX4kWSyv9BQA 
提取码:1234

理论可参考基于扩展卡尔曼滤波的车辆质量与道路坡度估计 - 百度文库(注意其系统方程没考虑旋转质量的影响)

车辆动力学模型,系统状态方程及其雅克比矩阵为:

系统仿真函数程序为:

(车辆参数为上一篇车辆动力性经济性计算的数据,注意W为引入的系统加速度噪声,V为引入的测量速度噪声,仿真中车辆质量为60000kg)

%Plant
function [u]=kalman_sim(u1,u2,u3,u4)
%u1:输入Ttq
Ttq=u1;
%u2:系统噪声W
W=u2;
%u3:测量噪声V
V=u3;
%u4:时间t
t=u4;

persistent v m i Ts ig i0 nn g f r CD A rou qq
if t==0
    Ts=0.1;
    ig=1.0;
    i0=6.83;
    nn=0.95*0.96;
    g=9.8;
    f=0.011;
    r=0.502;
    CD=0.8;%%%%%卡车取0.8 客车0.65
    A=1.92*3.09;
    rou=1.2258;
    qq=1.027+0.000331*i0^2.*ig.^2;%%汽车质量转换系数
    
    v=0.0;
    m=60000.0;
    i=0.0;
    z=v+V;
end
if t>0
    dv=1/qq*(Ttq*ig*i0*nn/(m*r)-g*f-CD*A*rou*v^2/(2*m)-g*i);
    v=v+Ts*dv+Ts*W;
    z=v+V;
end

u(1)=v;
u(2)=m;
u(3)=i;
u(4)=z;

卡尔曼滤波函数程序为:

(注意车辆质量初始值设定为30000kg,看卡尔曼滤波可否正确估算车辆的质量60000kg)

%Plant
function [u]=kalman_sim(u1,u2,u3)
%u1:输入Ttq
Ttq=u1;
%u2:系统噪声W
z=u2;
%u3:时间t
t=u3;

%persistent v m i
persistent x Ts ig i0 nn g f r CD A rou qq Q R P C Jf
if t==0
    Ts=0.1;
    ig=1.0;
    i0=6.83;
    nn=0.95*0.96;
    g=9.8;
    f=0.011;
    r=0.502;
    CD=0.8;%%%%%卡车取0.8 客车0.65
    A=1.92*3.09;
    rou=1.2258;
    qq=1.027+0.000331*i0^2.*ig.^2;%%汽车质量转换系数

    %系统方程:
    
    C=[1.0,0.0,0.0];  
      
    %Covariances of w:
    Q=diag([Ts*0.1*Ts',0,0]);

    %Covariances of v:
    R=[0.1];

    %初始估计值:
    x=[0.0;30000;0.0];

    %初始估计误差协方差:
    P=diag([Ts*0.1*Ts',90000000000,0.000001]);    

end

%后验,Measurement update:
%根据估计误差协方差和测量噪声协方差计算卡尔曼增益:
Kk=P*C'/(C*P*C'+R);

%计算最优估计值:    
%x=A*x+Mn*(yv-C*A*x);
x=x+Kk*(z-C*x);

%计算最优估计值和真实值之间的误差协方差矩阵,为下次递推做准备:
P=(eye(3)-Kk*C)*P;

%ye=C*x;           %Filtered value
u=x;    %Filtered signal

errcov=C*P*C';      %Covariance of estimation error

%先验,Time update:
%根据系统状态方程计算下一状态预测值:
%x=A*x+B*u1;
Jf=eye(3);
Jf(1,1)=1-CD*A*rou*x(1)*Ts/x(2);
Jf(1,2)=(CD*A*rou*x(1)^2*r-2*Ttq*ig*i0*nn)/(2*x(2)^2*r)*Ts;
Jf(1,3)=-g*Ts; 

v=x(1);
m=x(2);
i=x(3);
dv=1/qq*(Ttq*ig*i0*nn/(m*r)-g*f-CD*A*rou*v^2/(2*m)-g*i);
v=v+Ts*dv;
x(1)=v;
x(2)=m;
x(3)=i;
    
%预测误差协方差:
P=Jf*P*Jf'+Q;

系统仿真的不含测量噪声的车速v(可认为是真实值)、含测量噪声的车速z(测量值)、卡尔曼滤波后的车速v_e(估算值):

实际的车辆质量m与坡度i,估算的车辆质量m与坡度i:

<think>嗯,用户想查找关于使用载重传感器计算重的算法实现。我需要先理解载重传感器的基本原理。通常,这类传感器通过应变片将机械形变转化为电信号,然后进行模数转换,得到数字信号。接下来,可能需要校准步骤,将信号与实际重量对应起来。校准可能使用线性回归或者多项式拟合,这样可以得到一个转换公式。 然后,信号处理也很重要,可能需要滤波算法去除噪声,比如移动平均滤波或者卡尔曼滤波卡尔曼滤波在动态测量中效果不错,能有效处理噪声。另外,温度补偿也需要考虑,因为温度变化可能影响传感器的准确性,可能需要温度传感器来实时调整数据。 算法实现的话,可能包括校准模型的应用,比如线性模型或者非线性模型。动态补偿算法在车辆运动时尤其重要,因为振动会影响测量结果,这时候可能需要结合加速度计的数据进行补偿。此外,机器学习方法,比如使用BP神经网络或者CNN,可以处理更复杂的非线性关系,提升精度。引用[2]提到CNN在车辆重量识别中的应用,可能可以借鉴。 还要考虑实际应用中的问题,比如传感器的安装位置、多点测量时的数据融合算法,以及实时性要求。用户可能需要具体的代码示例,比如Python或C++的实现,展示如何从传感器读数转换到实际重量。同时,可能还要提到硬件选型,比如应变片传感器或压电式传感器的选择,以及它们的优缺点。 另外,用户可能对现有技术的挑战感兴趣,比如环境因素的影响、算法的鲁棒性等。引用[1]提到特斯拉通过大量数据优化算法,这可能提示数据积累对算法优化的重要性。不过用户的问题是关于载重传感器,所以需要更聚焦在传感器本身的算法,而不是纯视觉方案。 需要确保回答结构清晰,分步骤讲解,包括传感器原理、信号处理、校准算法、动态补偿和机器学习应用。最后生成相关问题,可能涉及算法优化、传感器类型比较、实时处理挑战等。</think>### 载重传感器计算重的算法实现 #### 1. **基本原理** 载重传感器(如应变片式、压电式传感器)通过检测机械形变产生的电信号,转换为重量数值。核心算法流程如下: ``` 传感器信号采集 → 模数转换 → 信号滤波 → 校准模型应用 → 重量输出 ``` #### 2. **关键技术实现** - **信号处理** - **滤波算法**:采用移动平均滤波($y_n = \frac{1}{N}\sum_{i=0}^{N-1} x_{n-i}$)或卡尔曼滤波消除噪声 - **温度补偿**:通过温度传感器数据修正漂移误差,例如线性补偿公式: $$ W_{corrected} = W_{raw} \cdot (1 + \alpha \Delta T) $$ 其中$\alpha$为温度系数,$\Delta T$为温差 - **校准算法** - **线性回归模型**:通过标定砝码建立电压-重量关系 $$ W = k \cdot V + b $$ - **多项式拟合**:用于非线性传感器特性补偿,例如二次多项式: $$ W = a \cdot V^2 + b \cdot V + c $$ - **动态补偿算法**(针对运动状态测量) ```python # 结合加速度计数据的动态补偿示例 def dynamic_compensation(raw_weight, acceleration): inertial_force = mass_estimate * acceleration # 需迭代计算 return raw_weight - inertial_force ``` #### 3. **机器学习增强方法**(引用[2]技术) ```python # 基于CNN的车辆重量估计模型框架 import tensorflow as tf model = tf.keras.Sequential([ tf.keras.layers.Conv1D(32, 3, activation='relu', input_shape=(100, 1)), # 处理时序传感器数据 tf.keras.layers.MaxPooling1D(2), tf.keras.layers.LSTM(64), tf.keras.layers.Dense(1) ]) ``` 该模型可融合多传感器时序数据(压力、振动等),提升复杂工况下的精度[^2]。 #### 4. **硬件实现要点** - 传感器选型:桥式/柱式应变传感器(精度0.03%-0.05%FS) - 采样频率:静态测量≥10Hz,动态测量≥100Hz - 多点测量:采用加权融合算法 $$ W_{total} = \sum_{i=1}^n \alpha_i W_i \quad (\sum \alpha_i = 1) $$ #### 5. **挑战与解决方案** | 挑战 | 解决方案 | |-------|----------| | 非线性迟滞 | Preisach模型补偿 | | 偏载误差 | 多传感器联合标定 | | 长期漂移 | 在线自校准算法 |
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