CN109398361B - 一种用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法，该方法设计车辆运动控制器包括纵向控制器和横摆控制器，基于质心侧偏角和横摆角速度相图分别获取车辆运动过程中所需的目标纵向力和目标横摆力矩，设计轮胎力分配控制器，综合考虑驱动模式切换和驱动电机***不同程度的失效，通过拉格朗日方法计算各个车轮的目标轮胎纵向力，局部控制器即电机控制器，控制车轮实际角速度跟踪目标角速度，合理有效地协调控制分配各个电机的转矩。该方法明显提高四轮独立驱动车辆的操纵稳定性，尤其是车辆高速瞬间通过变附着系数路面的操纵稳定性。

Description

一种用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法，属于汽车控制技术领域。

背景技术

当前的独立驱动车辆进行操纵稳定性控制时，通常多研究在约束下的最优控制分配问题，即如何合理有效地进行独立驱动***的驱动力矩分配，这种分配方法在一般工况或者路面附着条件不变时具有良好的适用性，当车辆个别车轮快速通过变附着路面时，例如车辆在高附着路面上，高速瞬时通过一段附着系数比较低的路面，全局控制器并不能有效地快速做出反应，分配后的电机驱动力矩过大，轮胎纵向力达到最大附着力，导致了车轮滑转，而且各车轮驱动力的变化，瞬间作用于车辆的非期望横摆力矩或不能满足车辆纵向力需求，导致非期望横摆运动或车辆突然运动，这对车辆的操纵稳定性不利。

此外，在进行车辆控制时，多基于非线性控制方法对横摆角速度连续控制，提高了车辆的稳定性，横摆角速度和质心侧偏角反映了车辆操纵稳定性，为了进一步提高车辆的操纵稳定性，目前研究中对横摆角速度和横摆角速度联合控制，通过控制横摆角速度得到车辆运动过程中的目标横摆力矩，通过控制质心侧偏角获得车辆运动过程中所需的目标侧向力，这对具有主动转向的车辆具有良好的适用性，但是对不具有主动转向***的车辆难以适用，因为不具备主动转向***的车辆，轮胎侧向力不可控，通过控制驱动电机的驱动力矩进而控制轮胎纵向力，此时轮胎纵向力难以满足车辆侧向力需求，这就导致了在进行转矩分配时，容易导致驱动电机的输出转矩饱和，这对工作的电机和车辆的控制反而不利。还有一些研究，利用非线性模糊控制设计横摆力矩合成控制器，同时控制横摆角速度和质心侧偏角获得车辆运动过程中所需的目标横摆力矩，虽然提高了车辆的稳定性，但同时也减弱了车辆操纵性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法，本发明明显提高四轮独立驱动车辆的操纵稳定性，尤其是车辆高速瞬间通过变附着系数路面的操纵稳定性。

实现本发明的技术方案如下：

一种用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、设计纵向控制器，所述纵向控制器基于模糊PI控制车辆实际纵向车速v_x跟踪参考纵向车速v_xd得到车辆目标纵向力F_xd；

基于非线性控制方法设计横摆控制器，基于质心侧偏角和横摆角速度相图，控制质心侧偏角β和横摆角速度ω_z在临界范围内，获得车辆运动过程中的目标横摆力矩M_zxd；

步骤2、基于目标力/距[F_xd M_zxd]，利用四轮独立分布式驱动车辆的过驱动特性，设计轮胎力分配控制器，综合考虑驱动模式切换和电机不同程度故障设计可重构控制分配矩阵，利用拉格朗日算法得到各个车轮目标轮胎纵向力F_xdij；

步骤3、基于所述各车轮目标轮胎纵向力F_xdij，计算各车轮的目标角速度ω_dij，各电机控制器基于PI控制得到各电机的目标驱动力矩T_dij实现驱动，使得各车轮的实际角速度ω_ij对目标角速度ω_dij进行跟踪。

进一步地，步骤1中设计的纵向控制器的控制算法如下：

其中，e(t)为车辆实际车速与目标车速的偏差，k_p和k_i为PI控制的比例和积分环节的参数，Δk_p和Δk_i为比例和积分环节系数的修正量。

进一步地，步骤1中设计的横摆控制器的控制算法如下：

其中，M_zy为轮胎侧向力作用在车辆绕质心的横摆力矩，I_zz为车辆绕质心的转动惯量，

为临界横摆角加速度，Λ为权重因子，S为滑模面，

为临界质心侧偏角速度，

为质心侧偏角速度，Z₁和Z₂分别为常数，sat()为饱和函数。

进一步地，步骤2中设计的轮胎力分配控制器的控制算法如下：

M^*＝W·(BN)^T(BN·W·(BN)^T)^-1·E^*

E^*＝[F_xd M_zxd]^T

其中，M^*＝[F_xd11 F_xd12 F_xd21 F_xd22]^T为分配后的目标轮胎纵向力，BN为可重构控制分配矩阵，B为控制有效矩阵，N为协调控制分配矩阵，D_xij为与各轮胎垂向载荷和路面附着系数有关的比例因子，i＝1，2，j＝1，2。

进一步地，本发明所述协调控制分配矩阵N采用如下过程确定：

设计控制协调分配矩阵具体为：

N＝diag(ξ₁ ξ₂ ξ₃ ξ₄)

其中，ξ_i为驱动模式切换因子；

对控制协调矩阵N进行重构，重构后的控制协调矩阵N^*表述如下：

N^*＝ΓN

其中，Γ为重构矩阵，Γ＝diag(1-χ₁₁ 1-χ₁₂ 1-χ₂₁ 1-χ₂₂)，χ_ij∈[01]为各个电机的故障因子，当χ值为1时，表示电机完全失效；当χ值为0时，表示电机处于正常工作状态。

有益效果

第一，本发明利用全局控制器(纵向控制器+横摆控制器+轮胎力分配控制器)不直接得到各个电机的驱动力矩，而是获得各个车轮的目标轮胎纵向力，通过局部控制器，即电机控制器把目标轮胎力，转化为车轮目标角速度，进而获取各个车轮目标的驱动力矩，从而有效提高四轮独立驱动车辆的操纵稳定性，尤其是车辆高速瞬间通过变附着系数路面的操纵稳定性。

第二，质心侧偏角和横摆角速度相图能判断车辆行驶过程中的稳定性状态或非稳定性状态，本发明基于横摆角速度和质心侧偏角相图，设计车辆横摆控制器，提高了车辆操纵性和稳定性。

附图说明

图1为本发明用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作出进一步详尽的阐述。

本发明的设计思路为：基于动力学理论与方法设计的四轮驱动车辆的全局－局部控制策略，全局控制器基于分层控制方法设计车辆运动控制器和驱动力控制器，局部控制器包括各电机控制器，实现各电机目标转矩分配。车辆运动控制器包括纵向控制器和横摆控制器，基于质心侧偏角和横摆角速度相图分别获取车辆运动过程中所需的目标纵向力和目标横摆力矩，驱动力控制器即轮胎力分配控制器，综合考虑驱动模式切换和驱动电机***不同程度的失效，通过拉格朗日方法计算各个车轮的目标轮胎纵向力，局部控制器即电机控制器，控制车轮实际角速度跟踪目标角速度，合理有效地协调控制分配各个电机的转矩。该控制策略明显提高四轮独立驱动车辆的操纵稳定性，尤其是车辆高速瞬间通过变附着系数路面的操纵稳定性。

本发明所提供的用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法，其针对车辆处于变工况下的四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一、采集各个车轮轮速n_ij、车辆横摆角速度ω_z，纵向加速度a_x和侧向加速度a_y信号，并估计各个轮胎纵向力F_xij、轮胎侧向力F_yij、车辆实际纵向车速v_x和质心侧偏角β参数。

步骤二、基于所述步骤一中实时获取或估计的车辆状态量v_x、β和ω_z，纵向控制器基于模糊PI控制车辆实际纵向车速v_x跟踪预设的参考纵向车速v_xd得到车辆目标纵向力F_xd；基于质心侧偏角和横摆角速度相图，控制β和ω_z在临界质心侧偏角β_s和临界横摆角速度ω_zs范围内，基于非线性控制方法设计横摆控制器，获得车辆运动过程中的目标横摆力矩M_zxd，车辆运动控制器(纵向控制器+横摆控制器)获得了车辆运动过程中所需的目标力/距[F_xd M_zxd]。

步骤三、基于步骤二的车辆运动过程中所需的目标力/距[F_xd M_zxd]，充分利用四轮独立分布式驱动车辆的过驱动特性，设计轮胎力分配控制器，综合考虑以驱动模式切换和电机不同程度故障设计可重构控制分配矩阵，利用拉格朗日算法得到各个车轮目标轮胎力F_xdij。

步骤四、基于所述步骤三中得到的各车轮目标轮胎力F_xdij，由局部控制器(即各电机控制器)得到各车轮的目标角速度ω_dij，基于PI控制得到各个电机的目标驱动力矩T_dij，实现车轮的目标角速度ω_dij对设定车轮角速度ω_ij的跟踪。

在本申请的一个优选实施例中，步骤二中所述的纵向控制器和横摆控制器，具体包括：

车辆纵向控制器采用模糊PI控制方法设计，获取车辆运动过程中所需的目标纵向力F_xd，实现车辆实际纵向车速v_x跟踪参考纵向车速v_xd，所述车辆纵向控制器的控制算法具体描述如下；

e(t)＝v_x-v_xd

其中，F_xd为车辆运动过程中所需的目标纵向力，e(t)为车辆实际车速与目标车速的偏差，k_p和k_i为PI控制的比例和积分环节的参数，Δk_p和Δk_i为比例和积分环节系数的修正量。本实例由模糊控制理论设计隶属度函数、隶属度和模糊规则，以e(t)和de(t)/dt为输入，输出为Δk_p和Δk_i，将输出的Δk_p和Δk_i作为车辆纵向控制器的控制算法的输入。

由滑模控制理论设计横摆控制器，其具体描述如下：

由车辆动力学横摆运动微分方程：

其中，I_zz为车辆绕质心的转动惯量，M_zx和M_zy分别为由轮胎纵向力和轮胎侧向力作用在车辆绕质心的横摆力矩，

为车辆横摆角加速度。

M_zx＝F_xH_x

M_zy＝F_yH_y

其中，F_x＝[F_x11 F_x12 F_x21 F_x22]和F_y＝[F_y11 F_y12 F_y21 F_y22]分别为四个轮胎纵向力F_xij组成的向量(i＝1/2表示前/后轮，j＝1/2表示左/右轮)。H_x和H_y分别为协调矩阵，具体表示为：

其中，δ_ij表示各个车轮的转向角，四轮独立驱动车辆配备前轮转向的机械***，满足阿克曼转向理论，而后轮不具有转向能力，因此δ₁₁和δ₁₂存在一定的关系，δ₂₁和δ₂₂均为零。a，b和d分别表示了质心距前轴的距离，质心距后轴的距离和左右车轮的轮距。四轮独立驱动车辆配备四个驱动电机，分别驱动四个车轮，不存在传统意义上的车轴，这里描述的“前轴”和“后轴”等同于传统车辆的前轴和后轴。

在质心侧偏角比较小的情况下，车辆的横摆运动主要与横摆角有关，横摆角速度与驾驶员方向盘输入存在一定的关系，此时，车辆的横摆运动由驾驶员决定，稳定时不对质心侧偏角控制有利于提高车辆的操纵性。质心侧偏角和横摆角速度相图反映了车辆的稳定性状态，当车辆处于稳定性区时，车辆的横摆角由驾驶员输入决定，当车辆处于到非稳定状态时，充分利用四轮独立驱动车辆各个电机驱动***独立可控的优势，通过控制各个电机的驱动力矩，产生作用于车辆的附加横摆力矩，控制车辆从非稳定区进入稳定区，满足车辆的稳定性，通过以上分析，基于横摆角速度和质心侧偏角相图，设计车辆运动控制器，提高了车辆操纵性和稳定性。

通过下列不等式描述车辆的稳定状态：

其中，Θ₁、Θ₂、Π₁和Π₂分别为系数因子，与路面附着系数和车速有关。

以上不等式描述了车辆的稳定性或非稳定性状态。当四个不等式均满足时，车辆处于稳定区(状态)；当四个不等式不能同时满足时，车辆处于非稳定区(状态)；稳定性区域与非稳定性区域的交界线即为车辆稳定性边界。

选择合适的滑模面：

Λ＝κ₁Θ₁+κ₂Θ₂

其中，S为滑模面，ω_zs和β_s为横摆角速度相图和质心侧偏角稳定性边界值，Λ为权重因子，其值选取与Θ₁和Θ₂有关，κ₁∈{-1,0,1}和κ₂∈{-1,0,1}为比例因子。

四轮独立驱动车辆配备四个独立可控的电机驱动***，且不具有主动转向***，因此四个轮胎的纵向力独立可控，四个轮胎的侧向力不可控。由轮胎纵向力产生的横摆力矩为：

为了保证***的快速收敛性和减弱***滑模运动趋近过程中产生高频振动问题，选取修正带饱和函数的趋近律率：

其中，Z₁和Z₂分别为常数，sat()表示饱和函数。

基于滑模理论设计横摆运动控制器，获得车辆运动过程中所需的目标横摆力距：

在本申请的一个优选实施例中，所述步骤三中的轮胎力分配控制器，综合考虑驱动模式切换和电机不同程度的故障设计可重构控制分配矩阵，利用拉格朗日算法得到各个驱动轮的目标轮胎力，具体包括：

车辆运动控制过程获取车辆所需的目标力/矩[F_xd M_zd]^T，四轮独立驱动车辆***是一个过驱动***，轮胎力分配控制器的目的是实现四个目标轮胎力的分配，其分配控制方程表示如下：

E^*＝BNM^*

B＝[H_m H_x]^T

其中，E^*＝[F_xd M_zxd]^T和M^*＝[F_xd11 F_xd12 F_xd21 F_xd22]^T分别为车辆运动过程中的目标力/矩和分配后的目标轮胎力，B为控制分配矩阵，H_m＝[cosδ₁₁ cosδ₁₂ cosδ₂₁ cosδ₂₂]^T，N为协调控制分配矩阵，与驱动模式和电机工作状态有关。

由于过驱动***在约束条件下存在多解，基于轮胎负荷率构造性能优化目标函数J：

其中，λ_ij为各轮胎负荷率，F_xij为各个轮胎的纵向力，D_xij是与轮胎垂向载荷和路面附着系数有关的比例因子。

综合以上的分析，对分配矩阵和目标函数转化为等式约束下的目标函数最小化问题：

其中，

为了求解以上问题，定义拉格朗日函数：

利用拉格朗日函数L(M^*,l)对轮胎目标纵向力M^*和拉格朗日系数l分别求偏导数，并赋值为零，描述如下：

进而求得各目标轮胎力：

M^*＝W·(BN)^T(BN·W·(BN)^T)^-1·E^*

如上所述，四轮独立驱动***具有独立精确可控的优势，为了充分发挥独立驱动车辆的优势，考虑以节能和操纵稳定性为目标的驱动模式切换，控制协调分配矩阵具体为：

N＝diag(ξ₁ ξ₂ ξ₃ ξ₄)

其中，ξ_i为驱动模式切换因子。

四轮独立驱动车辆具有四个独立可控的驱动电机，理论上可实现任意的驱动模式切换4×i(i＝1，2，3，4)，为了更符合车辆的工作实际，这里优先考虑4×4和4×2两种驱动模式。由质心侧偏角和横摆角速度相图分析，当质心侧偏角和横摆角速度超过稳定性边界，车辆处于非稳定区时，采用4×4驱动模式，否则采用4×2驱动模式。采用4×2驱动模式时，ξ₁＝ξ₂＝1，ξ₃＝ξ₄＝0；采用4×4驱动模式时，ξ_i＝1,(i＝1～4)。驱动电机尽可能不在低转矩区工作，而在中高转矩区工作，此时，电机***具有较高的驱动效率，可提高车辆的经济性。此外，当四个驱动电机均能工作正常，车辆采用4×2驱动模式时，让前侧或后侧两个电机同时工作，以避免各轴的轮距可能不等带来的负效应和动力的非协调性问题。

电机在运行过程中，驱动电机***会出现不同类型的故障问题，例如电机绕组、逆变器故障等。考虑到电机不同程度的故障问题，对控制协调矩阵N进行重构，重构后的控制协调矩阵N^*表述如下：

N^*＝ΓN

其中，Γ为重构矩阵，Γ＝diag(1-χ₁₁ 1-χ₁₂ 1-χ₂₁ 1-χ₂₂)，χ_ij∈[01]为各个电机的故障因子，当χ值为1时，表示电机完全失效；当χ值为0时，表示电机处于正常工作状态。

在本申请的一个优选实施例中，步骤四中所述的基于步骤三中得到的各目标轮胎力，输入到局部控制器即各电机控制器中，各电机控制器基于车轮动力学微分方程获得各车轮目标角速度ω_dij，基于PI控制方法获得各电机的目标驱动力矩T_dij，实现车轮实际角速度ω_ij跟踪目标角速度ω_dij，具体包括：

车轮动力学微分方程表示如下：

其中，I_wij为各个车轮的转动惯量，ω_ij为各个车轮的角速度，T_ij为各个电机的驱动力矩，F_xij为各个轮胎实际纵向力，r为车轮滚动半径。

对上式进行变形：

其中，ω_dij为各个车轮的目标角速度。

利用PI控制器实现各个车轮实际角速度ω_ij跟踪目标角速度ω_dij，从而得到各个电机的目标驱动力矩T_dij，最终由电机控制器发送给驱动电机目标驱动力矩指令，实现车辆的操纵控制的目的。通过各个电机控制器的局部控制，改善了由于各车轮路面附着条件的突然变化引起的车辆操纵稳定性变差问题，例如由于轮胎力分配不协调导致车辆产生的横摆运动。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、设计纵向控制器，所述纵向控制器基于模糊PI控制车辆实际纵向车速v_x跟踪参考纵向车速v_xd得到车辆目标纵向力F_xd；

基于非线性控制方法设计横摆控制器，基于质心侧偏角和横摆角速度相图，控制质心侧偏角β和横摆角速度ω_z在临界范围内，获得车辆运动过程中的目标横摆力矩M_zxd；

步骤2、基于目标力/距[F_xd M_zxd]，利用四轮独立分布式驱动车辆的过驱动特性，设计轮胎力分配控制器，综合考虑驱动模式切换和电机不同程度故障设计可重构控制分配矩阵，利用拉格朗日算法得到各个车轮目标轮胎纵向力F_xdij；

步骤3、基于所述各车轮目标轮胎纵向力F_xdij，计算各车轮的目标角速度ω_dij，各电机控制器基于PI控制得到各电机的目标驱动力矩T_dij实现驱动，使得各车轮的实际角速度ω_ij对目标角速度ω_dij进行跟踪；

步骤1中设计的纵向控制器的控制算法如下：

其中,e(t)为车辆实际车速与目标车速的偏差，k_p和k_i为PI控制的比例和积分环节的参数，Δk_p和Δk_i为比例和积分环节系数的修正量。

2.根据权利要求1所述用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法，其特征在于，步骤1中设计的横摆控制器的控制算法如下：

其中，M_zy为轮胎侧向力作用在车辆绕质心的横摆力矩，I_zz为车辆绕质心的转动惯量，

为临界横摆角加速度，Λ为权重因子，S为滑模面，

为临界质心侧偏角速度，

为质心侧偏角速度，Z₁和Z₂分别为常数，sat()为饱和函数。

3.根据权利要求1所述用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法，其特征在于，步骤2中设计的轮胎力分配控制器的控制算法如下：

M^*＝W·(ΒN)^T(ΒN·W·(ΒN)^T)^-1·Ε^*

Ε^*＝[F_xd M_zxd]^T

其中，M^*＝[F_xd11 F_xd12 F_xd21 F_xd22]^T为分配后的目标轮胎纵向力，ΒN为可重构控制分配矩阵，Β为控制有效矩阵，N为协调控制分配矩阵，D_xij为与各轮胎垂向载荷和路面附着系数有关的比例因子，i＝1，2，j＝1，2。

4.根据权利要求3所述用于四轮独立驱动车辆的操纵稳定性控制方法，其特征在于，所述协调控制分配矩阵N采用如下过程确定：

设计控制协调分配矩阵具体为：

N＝diag(ξ₁ ξ₂ ξ₃ ξ₄)

其中，ξ_i为驱动模式切换因子；

对控制协调矩阵N进行重构，重构后的控制协调矩阵N^*表述如下：

N^*＝ΓN

其中，Γ为重构矩阵，Γ＝diag(1-χ₁₁ 1-χ₁₂ 1-χ₂₁ 1-χ₂₂)，χ_ij∈[01]为各个电机的故障因子，当χ值为1时，表示电机完全失效；当χ值为0时，表示电机处于正常工作状态。

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