CN108248601A - 一种基于四轮独立驱动电动车的转向稳定性控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四轮独立驱动电动车的转向稳定性控制***及方法，所述***包括外部监测模块和中心控制模块；所述外部监测模块包括4个压力传感器、路面环境传感器、4个胎路检测仪、方向盘转角传感器、横摆角速度传感器和速度传感器，所述中心控制模块包括失稳装置和紧急状况处理执行***。本发明同时考虑实时摩擦因数和动态载荷转移等因素，计算出实时状态下不断变化的理想转角和理想横摆角速度，跟踪理想值，解决稳定控制***不能随状态改变而进行控制调节的问题，使控制***更精确，更实际可用。本发明将转向失稳分为调节转角和横摆力矩调节两步进行，把跟踪算法和神经网络PID算法结合运用于转角稳定性控制中，极大提高转向稳定性。

Description

一种基于四轮独立驱动电动车的转向稳定性控制***及方法

技术领域

本发明涉及交通安全和电子领域，特别是一种基于四轮独立驱动电动车的转向稳定性控制***及方法。

背景技术

四轮独立驱动电动车因其节能、高效、灵活的实时控制等特点备受关注。由于轮胎具有非线性的侧偏特性，当汽车转向行驶时，按照普通驾驶员的经验控制汽车，汽车很容易进入严重的不足转向或过多转向状态，这时驾驶员将很难控制汽车回到正常的行驶状态，汽车将失控而导致严重的交通事故。

目前，在四轮独立驱动电车转向安全方面，很少综合考虑转向失稳问题、也很少考虑载荷转移和四轮接触路面状态摩擦因数不同而导致的失稳。在现实情况中，车辆在转弯时很容易出现载荷不等的情况，也可能由于光照角度的差异造成路面的摩擦系数等不同，容易发生交通事故。另一方面，由于车辆在转向工况下容易出现失稳和侧翻现象，应针对不同车速进行相应合理的转角分配和横摆力矩分配，如果驾驶员没有及时进行转角调节，很容易发生事故。所以有必要寻找一种可以综合考虑载荷因素和四轮不同摩擦因素的车辆转向控制***来改善车辆的转向稳定性，同时还能够实时监测车辆状态信息，确保车辆监测数据不在安全裕度内，能够发出危险警告并启动安全保护措施，从而保证车辆行驶安全性。

为了解决这一问题，本专利将跟踪算法和横摆力矩控制算法相结合，有效的解决了四轮毂独立驱动电车转向失控问题，同时极大地提高了车辆的转向稳定性。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种基于四轮独立驱动电动车的转向稳定性控制***及方法，它能有效的解决转向失控问题，同时大幅度提高车辆的转向稳定性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于四轮轮毂独立驱动的转向稳定性控制***，包括外部监测模块和中心控制模块；

所述的外部监测模块包括4个压力传感器、路面环境传感器、4个胎路检测仪、方向盘转角传感器、横摆角速度传感器和速度传感器，所述的4个压力传感器分别安装于车体靠近轮胎位置，路面环境传感器安装于车体前侧，4个胎路监测仪分别安装于车轮上用来监测路面摩擦因数和三个方向的受力情况，方向盘转角传感器安装在转向柱上，横摆角速度传感器装在正副驾驶座下边中间位置，速度传感器装在轮毂电机上；所述的压力传感器监测载荷压力，胎路检测仪采用磁场传感器与自动公路***相呼应获得各轮胎摩擦系数和轮胎实时状态，方向盘转角传感器检测驾驶员转角情况；

所述的中心控制模块包括失稳装置和紧急状况处理执行***。所述的中心控制模块将外部监测模块测得的数据经过计算，并判断是否未超过安全范围；如未超过安全范围但是有失稳情况，则失稳装置工作；如超过安全范围，则紧急状况处理执行***工作，汽车制动。所述的失稳装置包括转角模糊处理器、转角机构处理器和横摆角速度控制器；所述的转角模糊处理器，用于确定转角机构的基本方向；所述的转角机构处理器包括理想转角计算模块、转向执行机构和跟踪算法控制器，用于计算和跟踪理想转角，控制执行器进行转角调节；横摆角速度控制器由理想横摆角速度计算模块和经过改进动量参数的神经网络PID控制器组成，安装在车体下部中央处；所述的紧急状况处理执行***由力矩控制器组成，用来降低四个轮毂电机的转速，进行紧急制动。

一种基于四轮轮毂独立驱动的转向稳定性控制方法，包括以下步骤：

A、数据采集

启动压力传感器、路面环境监测传感器、速度传感器和转角传感器以及轮胎部位的磁场传感器工作，采集路面信息和车辆信息，并结合路面铺设的探针同时测得转弯时的盲区状态，胎路检测仪得到四个轮胎对应的当前路面摩擦因数，将这些实时信息传递给中心控制模块；

B、数据处理

中心控制模块将外部检测模块得到的信息经模糊处理器处理成高速、低速、左转和右转四类转角分配表，先确定实际转角所属区域，再通过理想转角模块计算得出左右前轮理想转角：

其中B表示前轮转角，L_f表示前轮到质心的距离，将计算值和转角传感器测得的实际转角δ_r作差，进行后续处理；

C、转角处理

四个胎路监测仪分别监测四个横纵垂向三个力，若：

且

则表示四轮独立驱动电车在转向时已经失稳但未超出安全范围，需要启用失稳装置；失稳装置中的跟踪算法控制器根据步骤B计算所得的转角差值大小采用跟踪算法不断逼近理想转角，同时转向执行机构成比例角度自动调节转向机构，在驾驶员输入的转角基础上再使转向执行机构转过差值δ_e＝δ_i-δ_r角度来补偿驾驶员转角目的使车转出最佳安全角度；

式中：F_hij表示轮胎横向力，F_zij表示轮胎纵向力，γ、δ和u分别表示横摆角速度传感器测得的横摆角速度、转角传感器测得的转角和速度传感器测得的速度和车辆轴距，δ_r是转角传感器测得的实际转角；

D、横摆力矩控制

将经过调节的转向角度以及测得的车辆参数和路面信息输给失稳装置的横摆角速度控制器中，根据动力学模型公式计算理想横摆角速度，即：

式中：m、l_f、l_r、C_af、C_ar分别表示车体质量、质心到前轴的距离、质心到后轴的距离、前轮胎的侧偏刚度、后轮胎的侧偏刚度，λ越大稳定性越高，所以将作为系数加入理想转角计算公式中，将作为系数加入计算公式中，则：

通过具有自学习能力的神经网络控制器将γ_e＝γ_i-γ_r调节至精度范围内，最终实际横摆角速度趋近最佳横摆角速度，再经过神经网络PID得到最佳横摆力矩，组成神经网络PID控制器得到车辆实时最佳横摆力矩保证车辆的转向稳定性；γ_r代表横摆角速度传感器测得的实际值；

E、若：

且

则人机交互界面显示安全，为了保持车辆处于最佳转角位置，在显示屏上用绿色表示实时安全区域，红色箭头代表当前行驶状态，以方便驾驶员更好的行驶在安全区域里；

F、将传感器测得的胎面摩擦因数、载荷转移率、滑移率用比例转化到-1和1之间，设置安全裕度为-0.8到0.8之间，若安全裕度超出范围或显示屏上发出警告提醒驾驶员，同时紧急状况处理执行***被触发，强制降低电机转矩直至停止，避免事故。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、摩擦因数和动态载荷改变都会很大程度上影响车辆转向稳定性，现存的转向稳定***中，几乎都是将摩擦因数看为一个定值，不考虑路面状况改变和动态载荷变化的情况，本发明同时考虑实时摩擦因数和动态载荷转移等因素，计算出实时状态下不断变化的理想转角和理想横摆角速度，跟踪理想值，解决稳定控制***不能随状态改变而进行控制调节的问题，使控制***更精确，更实际可用。

2、本发明将转向失稳分为调节转角和横摆力矩调节两步进行，把跟踪算法和神经网络PID算法结合运用于转角稳定性控制中，极大提高转向稳定性。

3、本发明在保证转向稳定性的同时，还考虑了转弯时可能遇到紧急事故的处理方法，形成一整套安全体系大大降低转向时交通事故的发生。

4、综上所述，本发明综合考虑各动态因素，将胎面摩擦因数检测器和载荷传感器固装于四轮独立驱动车的各轮胎内组成智能型轮胎，测得的各参数以及经过模糊处理的车速和转角全部输入电控部分，首先将转角调至最佳状态，然后计算附加横摆力矩，将其传入四个电机来调节各输出力矩。当遇到紧急状况时，启动安全防护措施，以消除各种稳定性隐患。

附图说明

图1为本发明的***框图。

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，采用压力传感器、雷达测速仪、胎路监测仪、转角传感器等测出路面状况和车体参数，根据测得的实时信息并结合动力学模型计算出理想转角，在驾驶员转动方向盘的瞬间即用传感器将实际转角信息反馈给中心控制模块的失稳装置部分，通过作差得到最佳调节转角，转角机构处理器的转向执行机构接受指令进行转角调节，再通过转角机构处理器的跟踪算法控制器将转角调至最佳。经过调节的车辆状态信息传输给横摆角速度控制器，利用加入载荷和摩擦因数的动力学模型计算出理想横摆角速度，与实际横摆角速度作差，用神经网络PID控制器处理得出最佳附加横摆力矩施于四个电机，使车辆保持横摆稳定。最后在整套控制***的基础上加入安全保障措施，确保车辆在转向紧急情况下能保持安全运行。将转角信号传给转向轴进行适度调节以达到较佳转向状态，最后将剩余转角和测得的横摆角速度计算出附加横摆力矩施加于四个电机上，同时紧急状况处理执行***根据实际情况进行安全状况保障。本发明通过外部检测模块测得路面周围状态，考虑了动态载荷转移和四轮摩擦因数不同对转向***的影响，采用跟踪控制算法和神经网络控制算法相结合的控制策略对四轮独立驱动电动车的转角和横摆力矩进行控制，使其不断趋近最佳值，对转向稳定性进行双层调控，在实际的四轮毂独立驱动电动车的使用中大大提高了其转向稳定性。

本发明步骤B中的转角分配表如下：

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于四轮独立驱动电动车的转向稳定性控制***，其特征在于：包括外部监测模块和中心控制模块；

所述的外部监测模块包括4个压力传感器；路面环境传感器；4个胎路检测仪；方向盘转角传感器；横摆角速度传感器和速度传感器；所述的4个压力传感器分别安装于车体靠近轮胎位置；路面环境传感器安装于车体前侧；4个胎路监测仪分别安装于车轮上，用来监测路面摩擦因数和三个方向的受力情况；方向盘转角传感器安装在转向柱上；横摆角速度传感器装在正副驾驶座下边中间位置；速度传感器装在轮毂电机上；所述的压力传感器检测载荷压力，胎路检测仪采用磁场传感器与自动公路***相呼应获得各轮胎摩擦系数和轮胎实时状态，方向盘转角传感器监测驾驶员转角情况；

所述的中心控制模块包括失稳装置和紧急状况处理执行***，所述的失稳装置包括转角模糊处理器、转角机构处理器和横摆角速度控制器；所述的转角模糊处理器，用于确定调节装置的基本方向；所述的转角机构处理器包括理想转角计算模块、转向执行机构和跟踪算法控制器，用于计算和跟踪理想转角，控制执行器进行转角调节；横摆角速度控制器由理想横摆角速度计算模块和经过改进动量参数的神经网络PID控制器组成，安装在车体下部中央处；所述的紧急状况处理执行***由电机力矩控制器组成，用来降低四个轮毂电机的转速，进行紧急制动；所述的中心控制模块将外部监测模块测得的数据经过计算，并判断是否未超过安全范围；如未超过安全范围但是有失稳情况，则失稳装置工作；如超过安全范围，则紧急状况处理执行***工作，汽车制动。

2.一种基于四轮独立驱动电动车的转向稳定性控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、数据采集

启动压力传感器、路面环境监测传感器、速度传感器和转角传感器以及轮胎部位的磁场传感器工作，采集路面信息和车辆信息，并结合路面铺设的探针同时测得转弯时的盲区状态，胎路监测仪得到四个轮胎对应的当前路面摩擦因数，将这些实时信息传递给中心控制模块；

B、数据处理

中心控制模块将外部监测模块得到的信息经模糊处理器处理成高速、低速、左转和右转四类转角分配表，先确定实际转角所属区域，再通过理想转角模块计算得出左右前轮理想转角：

其中B表示前轮转角，L_f表示前轮到质心的距离，将计算值和转角传感器测得的实际转角δ_r作差，进行后续处理；

C、转角处理

四个胎路监测仪分别监测四个横纵垂向三个力，若：

且

则表示四轮独立驱动电车在转向时已经失稳但未超出安全范围，需要启用失稳装置；失稳装置中的跟踪算法控制器根据步骤B计算所得的转角差值大小采用跟踪算法不断逼近理想转角，同时转向执行机构成比例角度自动调节转向机构，在驾驶员输入的转角基础上再使转向执行机构转过差值δ_e＝δ_i-δ_r角度来补偿驾驶员转角目的使车转出最佳安全角度；

式中：F_hij表示轮胎横向力，F_zij表示轮胎纵向力，γ、δ和u分别表示横摆角速度传感器测得的横摆角速度、转角传感器测得的转角和速度传感器测得的速度和车辆轴距，δ_r是转角传感器测得的实际转角；

D、横摆力矩控制

将经过调节的转向角度以及测得的车辆参数和路面信息输给失稳装置的横摆角速度控制器中，根据动力学模型公式计算理想横摆角速度，即：

式中：m、l_f、l_r、C_af、C_ar分别表示车体质量、质心到前轴的距离、质心到后轴的距离、前轮胎的侧偏刚度、后轮胎的侧偏刚度，λ越大稳定性越高，所以将作为系数加入理想转角计算公式中，将作为系数加入计算公式中，则：

通过具有自学习能力的神经网络控制器将γ_e＝γ_i-γ_r调节至精度范围内，最终实际横摆角速度趋近最佳横摆角速度，再经过神经网络PID得到最佳横摆力矩，组成神经网络PID控制器得到车辆实时最佳横摆力矩保证车辆的转向稳定性；γ_r代表横摆角速度传感器测得的实际值；

E、若：

且

则人机交互界面显示安全，为了保持车辆处于最佳转角位置，在显示屏上用绿色表示实时安全区域，红色箭头代表当前行驶状态，以方便驾驶员更好的行驶在安全区域里；

F、将传感器测得的胎面摩擦因数、载荷转移率、滑移率用比例转化到-1和1之间，设置安全裕度为-0.8到0.8之间，若安全裕度超出范围或显示屏上发出警告提醒驾驶员，同时紧急状况处理执行***被触发，强制降低电机转矩直至停止，避免事故。