Vehicle speed estimation based on a sensor fusion algorithm combining GPS, IMU and wheel speed measurements

Accurate estimation of longitudinal vehicle speed is of fundamental importance for an effective design and implementation of vehicle dynamics control systems. As a matter of fact ABS (Anti-lock Braking System) and TCS (Traction Control System) control logics are based on wheel peripheral acceleration (gained from wheel speed measurement) and longitudinal slip estimation. On the purpose of estimating wheel longitudinal slip, a very accurate estimation of vehicle speed is needed. Current conventional methods use wheel speed measurements or GPS modules to estimate the vehicle speed, nevertheless providing not satisfactory results. High reliability speed measurements can be obtained from optical or microwave sensors; however these devices are extremely expensive and their use is confined to research and development activities. The presented work aims to develop a speed estimator based on a low cost hardware configuration and taking advantage of sensor fusion technique in order to estimate the vehicle speed in a reliable way and with an accuracy comparable to the one of expensive sensors such as optical instruments. The estimator in particular combines GPS, IMU and wheel speed measurements and features the capability to estimate the wheels real rolling radius, beneficial both for speed estimation and slip calculation.

Una stima accurata della velocità longitudinale del veicolo è di importanza fondamentale per un efficace sviluppo ed implementazione dei sistemi di controllo attivi per veicoli. Le logiche di controllo dei più avanzati sistemi ABS (Anti-lock Braking System) e TCS (Traction Control System), difatti, sono basate sull'accelerazione periferica delle ruote (ottenuta dalla misura della velocità delle ruote) e sulla stima dello scorrimento longitudinale. Al fine di calcolare quest'ultimo parametro è necessaria una stima accurata della velocità del veicolo. I metodi tradizionali di stima della velocità sono basati sulle misure delle velocità angolari delle ruote o sull'impiego di dispositivi GPS, fornendo tuttavia risultati non soddisfacenti. L'utilizzo di sensori ottici o a microonde permette di ottenere risultati eccellenti, ma l'elevato costo di questi dispositivi ne limita l'utilizzo ad ambiti di ricerca e sviluppo. Il presente lavoro si propone di sviluppare uno stimatore di velocità basato su una configurazione hardware a basso costo e, sfruttando le tecniche di sensor fusion, capace di stimare la velocità del veicolo con un livello di accuratezza paragonabile a quello dei sensori più costosi. Lo stimatore in particolare combina le informazioni di GPS, IMU e misura delle velocità delle ruote ed offre la possibilità di stimare il reale raggio di rotolamento delle ruote con effetti benefici sia per la stima della velocità che per il calcolo dello scorrimento.