CN107505941A - 四轮独立驱动独立转向电动车的集中‑分布式控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四轮独立驱动独立转向电动车的集中‑分布式控制***，包括：人机交互界面，用于输入车辆控制信息；软件架构，用于所述车辆控制信息得到多个车轮控制信息，并将所述多个车轮控制信息发送给多个单轮控制模块；传感器，用于采集车辆的行车状态信息和周围环境信息，并将所述车辆的行车状态信息和周围环境信息发送至软件架构，以对控制过程进行反馈并在所述人机交互界面进行显示；所述多个单轮控制模块，用于根据所述多个车轮控制信息一一对应地控制相应的车轮动作。本发明具有如下优点：提高了控制***的自由度和安全裕度，且可以实现对车辆的能量最优的运动控制。
Description
技术领域
本发明属于四轮独立驱动电动车控制***设计领域，尤其涉及一种四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***。
背景技术
传统地面车辆由于采用集中动力驱动和硬式机械传动的转向机构，自下而上地满足了车辆转弯的运动学关系，且仅有速度、转弯半径两个控制变量，因而基于传统车辆架构的控制***较为简单。然而，传统车辆的结构约束了过多的自由度，无法实现偏航、车身指向保持不变的蛇形机动、以及指定任意转向中心、包括原地转向等操作；与此同时，动力***采用差速器意味着四轮的动力分配只能满足运动学，而不能满足能量最优的运动控制。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，对车辆的控制满足能量最优的运动控制。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，包括：人机交互界面，用于输入车辆控制信息；软件架构，用于所述车辆控制信息得到多个车轮控制信息，并将所述多个车轮控制信息发送给多个单轮控制模块；传感器，用于采集车辆的行车状态信息和周围环境信息，并将所述车辆的行车状态信息和周围环境信息发送给所述人机交互界面进行显示；所述多个单轮控制模块，用于根据所述多个车轮控制信息一一对应地控制相应的车轮动作。
进一步地，所述软件架构运行在上位机上，每个所述单轮控制模块通过嵌入式硬件与所述上位机进行通讯，并受所述上位机控制。
进一步地，所述多个车轮控制信息是根据所述车辆控制信息和其它参考信息通过基于驾驶模式的数据融合得到，所述其它参考信息包括根据自动驾驶***得到的决策、经过传感器得到的车辆运动信息与车辆性能包线的比较、驾驶模式的选择与切换。
进一步地，所述车辆性能包线通过综合每个车轮的最大输出力矩-转速曲线、最快转向角速度、最大制动力矩、悬架的动力学模型、轮胎模型等得到的整车各个自由度的二阶量与一阶量和零阶量之间的关系；其中，所述二阶量包括车身的加速度、角加速度，所述一阶量和零阶量包括车身的线速度、角速度、角度、各车轮转向角。
进一步地，所述基于驾驶模式的数据融合为根据选定的驾驶模式，将人机交互界面输入和/或自动驾驶输入转换成相应驾驶模式下的车辆运动目标量；其中，所述车辆运动目标量包括车辆质心轨迹的瞬时曲率中心、车辆偏航角速度和车辆质心的运动速度。
进一步地，所述将人机交互界面输入和/或自动驾驶输入转换成相应驾驶模式下的车辆运动目标量包括：根据人通过人机交互界面输入、自动驾驶***的决策和传感器获得的车辆运动数据，与车辆性能包线作比较，对人的输入和自动驾驶***的输入进行加权，生成所述车辆运动目标量。
进一步地，通过人机交互界面所含的操纵设备的输入，同时由人机交互界面通过机械振动、语音等形式向驾驶员反馈车辆的运动响应信息；其中，人机交互界面所含的操纵设备包括方向盘、踏板、操纵杆、触摸屏和麦克风。
进一步地，所述软件架构通过基于车辆动力学模型的控制算法得到所述多个车轮控制信息，其中，所述基于车辆动力学模型的控制算法包括：根据车辆运动目标量和车辆真实的运动状态的反馈，由车辆动力学模型计算得出使真实运动状态收敛到车辆运动目标量所需的各个车轮的动力学量，如再根据单轮控制模块反馈的信息和电动机模型，得到每个车轮的状态量，并以所有车轮滚动角速度和车轮转向角度数据合成车辆真实的运动状态；其中，所述各个车轮的动力学量包括每个车轮的转矩、转速和转向角。
进一步地，所述车辆动力学模型是根据车辆质量和惯量、质心坐标、车轮坐标、车轮模型等物理特征，按照牛顿第二定律建立的二阶微分方程组，建立每个车轮的控制目标与整车运动状态的控制目标间的对应关系。
进一步地，所述单轮控制模块提供与所述软件架构兼容的数据接口，并且实时地控制一个轮子的转向和驱动。
进一步地，所述单轮控制模块对一个轮子的转向和驱动的控制包括局部反馈和全局反馈的闭环控制。
进一步地，所述单轮控制模块通过硬件执行机构驱动车轮的转向和滚动；其中，所述硬件执行机构包括用于驱动车轮的转向的步进电机、液压马达、伺服电机或舵机；所述硬件执行机构还包括用于驱动所述车轮滚动的电动机、轮毂电机或轮边电机。
根据本发明实施例的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，每一个单轮控制模块相互独立工作，通过嵌入式硬件与上位机进行通讯，并受上位机集中控制。每个单轮控制模块地位平等，因而在任何一个单轮控制模块出现故障的情况下，整个***仍然可以与正常的部分稳定通信和工作，极大地提高了***在非正常工况下的安全裕度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***的结构框图；
图2是本发明一个实施例的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***的车辆坐标系；
图3是本发明一个实施例的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***的各子程序之间数据交换关系示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述本发明。
图1是本发明一个实施例的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***的结构框图。如图1所示，本发明实施例的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，包括人机交互界面1-1、软件架构1-3、多个单轮控制模块1-11和传感器1-4。
其中，人机交互界面1-1用于输入车辆控制信息，车辆控制信息包括加速、减速、转向等控制车辆以不同方式行动的信息。通过人机交互界面1-1所含的操纵设备的输入1-2，同时由人机交互界面1-1通过机械振动、语音等形式向驾驶员反馈车辆的运动响应信息1-7。其中，人机交互界面1-1所含的操纵设备包括方向盘、踏板、操纵杆、触摸屏和麦克风。
软件架构1-3用于车辆控制信息得到多个车轮控制信息，并将多个车轮控制信息发送给多个单轮控制模块1-11。
传感器1-4用于采集车辆的行车状态信息和周围环境信息，并将车辆的行车状态信息和周围环境信息发送给人机交互界面1-1进行显示以完成整车控制算法的闭环。其中，车辆的行车状态信息包括转向角度和车轮滚动的角速度。在本发明的一个实施例中，用于基于驾驶模式的数据融合模块和/或自动驾驶***，感知车辆运动状态并获取周围环境信息的传感器，包括但不限于激光雷达、摄像头、结构光模块、GPS、惯性导航单元等。
在本发明的一个实施例中，软件架构1-3运行在上位机上，包括自动驾驶1-5、基于驾驶模式的数据融合1-6和基于车辆动力学模型的控制算法1-8。
其中，基于驾驶模式的数据融合1-6为根据选定的驾驶模式，将人机交互界面1-1的输入1-2和/或自动驾驶1-5输入转换成相应驾驶模式下的车辆运动目标量。其中，人机交互界面1-1的输入1-2时根据人机交互界面1-1和其它参考信息通过基于驾驶模式的数据融合得到。其他参考信息包括但不限于：根据自动驾驶***1-5得到的决策、经过传感器1-4得到的车辆运动信息与车辆性能包线的比较、驾驶模式的选择与切换等。车辆运动目标量包括车辆质心轨迹的瞬时曲率中心、车辆偏航角速度和车辆质心的运动速度。
在本发明的一个实施例中，车辆性能包线通过综合每个车轮的最大输出力矩-转速曲线、最快转向角速度、最大制动力矩、悬架的动力学模型、轮胎模型等得到的整车各个自由度(车身的前后向、横侧向、转向)的二阶量与一阶量和零阶量之间的关系。其中，二阶量包括车身的加速度、角加速度，一阶量和零阶量包括车身的线速度、角速度、角度、各车轮转向角。
基于车辆动力学模型的控制算法1-8为据车辆运动目标量和车辆真实的运动状态的反馈，由车辆动力学模型计算得出使真实运动状态收敛到车辆运动目标量所需的各个车轮的动力学量，如每个车轮的转矩、转速、转向角，再根据单轮控制模块反馈的信息1-9和电动机模型，得到每个车轮的状态量，并以所有车轮滚动角速度和车轮转向角度数据合成车辆真实的运动状态。
在本发明的一个实施例中，车辆动力学模型是根据车辆质量和惯量、质心坐标、车轮坐标、车轮模型等物理特征，按照牛顿第二定律建立的二阶微分方程组，建立每个车轮的控制目标与整车运动状态的控制目标间的对应关系。
基于车辆动力学模型的控制算法，具体包括基于运动学的控制算法、基于动力学的控制算法和基于两者的混合控制算法，根据上位机运算性能和车辆运行速度、运行场景选择所使用的算法。其核心在于使用速度的合成与分解、加速度的合成与分解，以及牛顿三大定律，通过建立***的代数或微分方程，将车辆的运动学状态及其改变分配到每个车轮的运动状态改变上。图2是本发明一个实施例的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***的车辆坐标系。如图2所示，在两种不同的驾驶模式下，其目标控制量分配到四轮的目标量的规律分别为：
偏航模式：vi＝vd；θi＝θd，旨在使车身速度矢量与车身朝向形成夹角θd；
指定转向中心模式： 旨在使车身相对转向中心(xCd,yCd)作刚体转动。
其中，各符号含义如下：vi：某一个车轮的线速度；θi：某一个车轮的转向角；vd：车辆的目标运动速度；θd：车辆的目标偏航角；1/σd：目标转向半径；xCd,yCd：目标转向中心在车辆坐标系中的x,y坐标；xi,yi：某一个车轮在车辆坐标系中的x,y坐标。
可以据此设计一种至少包含一次积分的反馈传递函数，使控制器根据此控制目标和各轮反馈的实际运动状态，对每个车轮的滚动和转向进行闭环控制。
对车辆坐标系，定义为与车身固连，x坐标指向车身正前方，y坐标指向车身正左方，z坐标垂直于xy平面向上，原点位于车身的几何中心在车辆底盘平面的竖直投影处。车辆的转向中心定义为车身作刚体转动运动时的瞬心，其位置表达为它在与车身固连的坐标系中的坐标。同时定义车辆的偏航角为车身指向+x方向与速度矢量方向航向之间的夹角θ，车身指向矢量方向在航向的逆时针方向则偏航角为负，车身指向矢量在航向顺时针方向则偏航角为正。
多个单轮控制模块1-11用于根据多个车轮控制信息一一对应地控制相应的车轮动作。其中，单轮控制模块1-11提供与软件架构兼容的数据接口，并且实时地控制一个轮子的转向和驱动。每个轮子对应一个单轮控制模块，每个单轮控制模块原理相同且呈模块化布置。该***包括但不限于：嵌入式硬件及代码、硬件执行机构和必要的传感器。
进一步地，单轮控制模块1-11对一个轮子的转向和驱动的控制包括局部反馈1-12和全局反馈1-9的闭环控制。局部反馈用于提高控制的实时精度，全局反馈用于提高整车运动的控制精度。
图3是本发明一个实施例的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***的各子程序之间数据交换关系示意图。如图3所示，1-方向盘和踏板输入；2-车身航向、偏航角、速度和角速度等；3-目标转向中心、目标速度；4-每个车轮的目标转向角和目标转速；5,6-单轮控制模块与上位机之间的通信；7,8-上位机到人机交互界面的反馈。
通信接口采用机器人操作***(Robot Operating System,ROS)搭建。其中Interface部分为处理人机交互界面的接口程序，包括对控制量的解析、对反馈量的解析和图形界面程序等。自动驾驶程序Automatic Driving输出可被人理解的驾驶意图，即车身航向、偏航角、速度和角速度等，与人工输入一同被软件架构的核心部分即基于驾驶模式的数据融合模块DataFusion通过ROS的接收接口Subscribers读取，并生成目标转向中心、目标速度等，输入基于车辆动力学模型的控制算法并通过运动学分解、动力学方法保证稳定性和控制误差限，生成四轮的目标转向角和目标转速，通过ROS的数据发送接口Publishers发送至各单轮控制模块的嵌入式硬件本实施例选型为ATSAM3X8E并接收其对车轮真实运动状态的反馈，进而实现全局闭环控制。
在本发明的一个实施例中，单轮控制模块1-11通过硬件执行机构驱动车轮的转向和滚动。其中，驱动转向的执行机构包括但不限于：步进电机、液压马达、伺服电机或舵机，经过或不经过减速器进行输出转向扭矩。驱动车轮滚动的执行机构为电动机，可以是轮毂电机、轮边电机、位于车架上的电机或其它形式的电机，但不限于此。当驱动车轮滚动的执行机构安放在车架上时，驱动转向的执行机构包括电机和将电机旋转力矩转化为带动车轮转动的连杆的线运动的机械装置。该机械装置的类型包括但不限于：液压缸、滚珠丝杠、丝杠、齿条等。
根据本发明实施例的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，每一个单轮控制模块相互独立工作，通过嵌入式硬件与上位机进行通讯，并受上位机集中控制。每个单轮控制模块地位平等，因而在任何一个单轮控制模块出现故障的情况下，整个***仍然可以与正常的部分稳定通信和工作，极大地提高了***在非正常工况下的安全裕度。
另外，本发明实施例的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (12)
1.一种四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，包括：
人机交互界面(1-1)，用于输入车辆控制信息；
软件架构(1-3)，用于所述车辆控制信息得到多个车轮控制信息，并将所述多个车轮控制信息发送给多个单轮控制模块(1-11)；
传感器(1-4)，用于采集车辆的行车状态信息和周围环境信息，并将所述车辆的行车状态信息和周围环境信息发送给所述人机交互界面(1-1)进行显示；
所述多个单轮控制模块(1-11)，用于根据所述多个车轮控制信息一一对应地控制相应的车轮动作。
2.根据权利要求1所述的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，所述软件架构(1-3)运行在上位机上，每个所述单轮控制模块(1-11)通过嵌入式硬件与所述上位机进行通讯，并受所述上位机控制。
3.根据权利要求1所述的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，所述多个车轮控制信息是根据所述车辆控制信息和其它参考信息通过基于驾驶模式的数据融合(1-6)得到，所述其它参考信息包括根据自动驾驶***(1-5)得到的决策、经过传感器(1-4)得到的车辆运动信息与车辆性能包线的比较、驾驶模式的选择与切换。
4.根据权利要求3所述的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，所述车辆性能包线通过综合每个车轮的最大输出力矩-转速曲线、最快转向角速度、最大制动力矩、悬架的动力学模型、轮胎模型等得到的整车各个自由度的二阶量与一阶量和零阶量之间的关系；
其中，所述二阶量包括车身的加速度、角加速度，所述一阶量和零阶量包括车身的线速度、角速度、角度、各车轮转向角。
5.根据权利要求3所述的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，所述基于驾驶模式的数据融合(1-6)为根据选定的驾驶模式，将人机交互界面输入(1-2)和/或自动驾驶(1-5)输入转换成相应驾驶模式下的车辆运动目标量；
其中，所述车辆运动目标量包括车辆质心轨迹的瞬时曲率中心、车辆偏航角速度和车辆质心的运动速度。
6.根据权利要求5所述的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，所述将人机交互界面输入(1-2)和/或自动驾驶(1-5)输入转换成相应驾驶模式下的车辆运动目标量包括：
根据人通过人机交互界面输入(1-2)、自动驾驶***(1-5)的决策和传感器(1-4)获得的车辆运动数据，与车辆性能包线作比较，对人的输入和自动驾驶***的输入进行加权，生成所述车辆运动目标量。
7.根据权利要求1所述的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，通过人机交互界面(1-1)所含的操纵设备的输入(1-2)，同时由人机交互界面(1-1)通过机械振动、语音等形式向驾驶员反馈车辆的运动响应信息(1-7)；
其中，人机交互界面(1-1)所含的操纵设备包括方向盘、踏板、操纵杆、触摸屏和麦克风。
8.根据权利要求1所述的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，所述软件架构(1-3)通过基于车辆动力学模型的控制算法(1-8)得到所述多个车轮控制信息，其中，所述基于车辆动力学模型的控制算法(1-8)包括：
根据车辆运动目标量和车辆真实的运动状态的反馈，由车辆动力学模型计算得出使真实运动状态收敛到车辆运动目标量所需的各个车轮的动力学量，如再根据单轮控制模块反馈的信息(1-9)和电动机模型，得到每个车轮的状态量，并以所有车轮滚动角速度和车轮转向角度数据合成车辆真实的运动状态；
其中，所述各个车轮的动力学量包括每个车轮的转矩、转速和转向角。
9.根据权利要求8所述的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，所述车辆动力学模型是根据车辆质量和惯量、质心坐标、车轮坐标、车轮模型等物理特征，按照牛顿第二定律建立的二阶微分方程组，建立每个车轮的控制目标与整车运动状态的控制目标间的对应关系。
10.根据权利要求1所述的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，所述单轮控制模块(1-11)提供与所述软件架构(1-3)兼容的数据接口，并且实时地控制一个轮子的转向和驱动。
11.根据权利要求10所述的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，所述单轮控制模块(1-11)对一个轮子的转向和驱动的控制包括局部反馈(1-12)和全局反馈(1-9)的闭环控制。
12.根据权利要求10所述的四轮独立驱动独立转向电动车的集中-分布式控制***，其特征在于，所述单轮控制模块(1-11)通过硬件执行机构驱动车轮的转向和滚动；
其中，所述硬件执行机构包括用于驱动车轮的转向的步进电机、液压马达、伺服电机或舵机；所述硬件执行机构还包括用于驱动所述车轮滚动的电动机、轮毂电机或轮边电机。
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