CN109969165B - 考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，该分配方法基于轮胎侧向力对横摆力矩贡献，利用目标优化的方法进行转矩分配；基于目标优化理论，该转矩分配方法首先提出了一个目标函数，该目标函数既能够反映轮胎纵向力占轮胎垂向力的比重，又能够反映轮胎侧向力产生的横摆力矩占全部轮胎力产生的横摆力矩的比重；其次设置了目标优化问题的约束条件；然后通过求解目标优化问题得到各车轮纵向轮胎力的最优解；最后结合轮胎纵向力与车轮转矩的关系，根据最优的轮胎纵向力向车轮施加相应的驱动/制动转矩。与现有技术相比，该方法充分考虑了轮胎侧向力对车辆稳定性的影响，提高了转矩分配的准确度，从而有效地改善了车辆的稳定性。

Description

考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法

技术领域

本发明涉及车辆稳定性控制技术，具体涉及一种考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法。

背景技术

直接横摆力矩控制(Direct Yaw Moment Control)作为一种车辆主动安全技术，具有很高的可靠性和有效性。直接横摆力矩控制分为两层，上层为汽车横摆运动控制，用于获得当前车辆所需目标广义力，包括理想横摆力矩和纵向力；下层为汽车转矩分配控制，基于当前车辆所需理想横摆力矩对各驱动/制动执行器进行控制实现转矩分配，属于典型的控制分配问题。

目前主流的转矩分配策略有两种：

(1)延续传统内燃机的动力学开关控制，基于逻辑判断对驱动/制动执行器进行转矩分配。缺点是控制策略结构复杂，并且没有统一建模，控制的平顺性差，控制分配策略需要依据不同车辆进行调整，校调工作量大。

(2)基于轮胎利用率或者能耗的二次规划方法。这种方法的局限性在于，车辆是一个复杂的车辆是一个复杂的多刚体***，仅选用轮胎利用率这一个特定目标进行优化，无法保证车辆整体运动的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，充分考虑轮胎侧向力对横摆转矩的贡献以及对整车稳定性的影响，并用简明的数学模型对转矩分配控制策略进行描述。

实现本发明目的的技术方案为：一种考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，适用于具有两个以上驱动轮的车辆，所述分配方法包括以下步骤：

采用目标优化转矩分配控制算法对轮胎纵向力建立目标优化问题的目标函数；所述目标函数反映轮胎纵向力占轮胎垂向力的比重以及轮胎侧向力产生的横摆力矩占所有轮胎力产生的横摆力矩的比重；

通过求解目标优化问题得到最优的轮胎纵向力，从而得到驱动/制动执行器作用在车轮上的最优输出转矩。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明充分考虑了轮胎侧向力对车辆稳定性的影响，提高了转矩分配的准确度，从而有效地改善了车辆的稳定性。

附图说明

图1是本发明转矩分配方法的流程图。

图2是利用本发明、利用现有方法以及不施加任何稳定性控制的横摆角速度对比图。

图3是利用本发明、利用现有方法以及不施加任何稳定性控制的质心侧偏角对比图。

具体实施方式

结合图1，一种考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，所述分配方法适用于具有两个及以上驱动轮的车辆,采用目标优化转矩分配控制算法，目标优化问题的目标函数既反映了轮胎纵向力占轮胎垂向力的比重，又反映了轮胎侧向力产生的横摆力矩占所有轮胎力产生的横摆力矩的比重，通过求解目标优化问题得到最优的轮胎纵向力，从而得到驱动/制动执行器作用在车轮上的最优输出转矩。

该目标优化转矩分配控制方法的目标函数使得轮胎纵向力尽量减小且充分利用轮胎侧向力产生的横摆力矩，所述的轮胎纵向力在一定的约束条件内被求解，目标函数的形式如下：

其中i＝1,2，……，n为车轮的序号，k表示车辆中可以被控制的车轮的个数，M_xi和M_yi分别是序号为i＝1，2，……，n的车轮的轮胎纵向力和轮胎侧向力产生的横摆力矩，F_xi是序号为i＝1，2，……，n的车轮的轮胎的纵向力，F_zi是序号为i＝1，2，……，n的车轮的轮胎的垂向力，f_i(M_xi)为以M_xi为自变量的函数，对应序号为i＝1，2，……，n的车轮；g_i(M_xi,M_yi)为以M_xi、M_yi为自变量的函数，对应序号为i＝1，2，……，n的车轮；h_i(F_xi)为以F_xi为自变量的函数，对应序号为i＝1，2，……，n的车轮；k_i(F_zi)为以F_zi为自变量的函数，对应序号为i＝1，2，……，n的车轮。

进一步地，目标函数形式如下：

其中m、n和p和q代表次方数，a_i、b_i、c_i、d_i、e_i为序号为i＝1，2，……，n的车轮的权值系数，反映了不同车轮对目标函数的影响程度，以及同一个车轮中M_xi、M_yi、F_xi、F_zi对目标函数的影响程度，优选地，m＝n＝p＝q＝2。

所述轮胎纵向力满足一定的约束条件，所述约束条件为地面附着极限以及驱动执行器和制动执行器的输出转矩极限：

其中，T_{bi_max}为序号为i＝1，2，……，n的车轮的制动执行器能输出的峰值转矩，T_{di_max}为序号为i＝1，2，……，n的车轮的驱动执行器能输出的峰值转矩，F_zi为序号为i＝1，2，……，n的车轮的轮胎垂向力，μ_i为对应序号为i＝1，2，……，n的车轮的路面附着系数，R_i为序号为i＝1，2，……，n的车轮负载半径。

所述轮胎纵向力和侧向力产生的横摆力矩应尽量逼近目标运动跟踪控制器得到的目标横标力矩，表示如下：

其中，M_Target为目标运动跟踪控制器得到的目标横摆转矩，

表示无限逼近。

进一步地，所述轮胎纵向力和侧向力产生的整车纵向力尽量逼近目标运动跟踪控制器得到的整车目标纵向力，表示如下：

A为1×2k的系数矩阵，F_yi为序号为i＝1，2，……，n的车轮的轮胎侧向力，F_xTarget为目标运动跟踪控制器测到的整车目标纵向力，

表示无限逼近。

进一步地，所述轮胎纵向力和侧向力产生的整车侧向力尽量逼近目标运动跟踪控制器得到的整车目标侧向力，表示如下：

B为1×2k的系数矩阵，F_yTarget为目标运动跟踪控制器测到的整车目标侧向力，

表示无限逼近。

此外，为了避免过大的转矩需求导致执行器的故障，单位时间内执行器的力矩增量是有限制的。因此，目标优化问题还需要执行器的速率约束，如下所示：

其中，

表示转矩分配方法造成的序号为i＝1，2，……，n的车轮的转矩速率，

表示序号为i＝1，2，……，n的车轮的执行器能够达到的最大转矩速率。

进一步地，利用轮胎模型或数值拟合的方法，所述轮胎侧向力用轮胎纵向力进行表示。

进一步地，所述轮胎侧向力由轮胎侧向力传感器测得。

该转矩分配方法中，轮胎纵向力可以通过发动机转矩控制***、液压/气压执行器进行调节，优选地使用电机来驱动该车辆，通过调节电机输出转矩调节轮胎纵向力，维持车辆稳定性。

下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行说明。

实施例

本实施例以四轮分布式驱动电动汽车为控制对象，目标函数如下：

其中，因为车辆为四轮驱动，所以k＝4；

其中四个轮胎的纵向力产生的横摆力M_xi矩和侧向力M_yi分别产生的横摆力矩计算公式如下：

其中，δ表示车轮转向角，l代表车轴到质心的距离，d表示轮距，下标i＝1,2,3,4分别表示左前、右前、左后、右后车轮，f和r分别表示前轴和后轴。在本实施例中，电动车辆为前轮转向车辆即δ₃＝δ₄＝0。

轮胎纵向力由轮胎力观测器得到；

轮胎纵向力由车轮转动模型计算，车轮转动模型如下：

其中，T_i为执行器输出的转矩，J_w为车轮转动惯量，

为车轮角加速度，R为车轮负载半径。

根据轮胎摩擦圆模型，轮胎侧向力由轮胎纵向力进行表示，计算公式如下：

结合图1，基于轮胎侧向力对横摆力矩贡献的目标优化的转矩分配方法包括以下步骤：

首先确定目标优化问题的目标函数：基于轮胎模型将轮胎侧向力F_yi通过轮胎纵向力F_xi进行表示；

其次利用从上层控制器获得保持车辆稳定的理想横摆转矩M_Target，结合路面附着系数、电机最大转矩以及轮胎垂向力F_zi，构成目标优化的约束条件：

然后求解目标优化问题，在本实施例中，目标优化问题采用内点法求解，得到满足条件的最优轮胎纵向力；

根据车轮转动模型，由轮胎纵向力计算得到电机转矩；

输出转矩命令给驱动电机；

车辆受到电机驱动后状态改变，因此理想横摆转矩M_Target、轮胎垂向力等发生改变，目标优化问题的约束条件随之改变，再次进行目标优化问题求解，如此循环。

图2和图3表示了利用本发明的某些实例的车辆稳定性控制的效果对比图，对比对象为不施加任何稳定性控制，施加基于轮胎利用率的稳定性控制方法，施加基于本发明的一个实例的车辆。

其中“无控制”表示了不施加任何稳定性控制的仿真结果，“轮胎利用率”表示施加了基于轮胎利用率的稳定性控制方法的车辆的仿真结果，“本发明”表示施加了基于本发明的某些实例的控制方法的车辆的仿真结果。其仿真场景为，车辆以35km/h的速度行驶，在1s时急打方向盘200°，之后保持200°不变，可以看出无控制的情况下，车辆的横摆角速度存在严重滞后，不能快速跟随目标横摆角速度，而且最终与目标横摆角速度偏差极大，车辆的状态响应无法跟随驾驶员的输入。采用实施例中的控制算法的车辆，横摆角速度滞后小，与理想横摆角速度几乎没有偏差，且车辆横摆角速度状态响应优于采用轮胎利用率控制方法的车辆。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，适用于具有两个以上驱动轮的车辆，其特征在于，所述分配方法包括以下步骤：

采用目标优化转矩分配控制算法对轮胎纵向力建立目标优化问题的目标函数；所述目标函数反映轮胎纵向力占轮胎垂向力的比重以及轮胎侧向力产生的横摆力矩占所有轮胎力产生的横摆力矩的比重；

通过求解目标优化问题得到最优的轮胎纵向力，从而得到驱动/制动执行器作用在车轮上的最优输出转矩；

所述轮胎纵向力在一定的约束条件内被求解，目标函数的形式如下：

其中i＝1，2，……，n为车轮的序号，k表示车辆中可以被控制的车轮个数，M_xi和M_yi分别是序号为i＝1，2，……，n的车轮的轮胎纵向力和轮胎侧向力产生的横摆力矩，F_xi是序号为i＝1，2，……，n的车轮的轮胎纵向力，F_zi是序号为i＝1，2，……，n的车轮的轮胎垂向力，f_i(M_xi)为以M_xi为自变量的函数，对应序号为i＝1，2，……，n的车轮；g_i(M_xi,M_yi)为以M_xi、M_yi为自变量的函数，对应序号为i＝1，2，……，n的车轮；h_i(F_xi)为以F_xi为自变量的函数，对应序号为i＝1，2，……，n的车轮；k_i(F_zi)为以F_zi为自变量的函数，对应序号为i＝1，2，……，n的车轮。

2.根据权利要求1所述的考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，其特征在于，目标函数形式如下：

其中m、n和p和q代表次方数，a_i、b_i、c_i、d_i、e_i为序号为i＝1，2，……，n的车轮的权值系数，反映了不同车轮对目标函数的影响程度，以及同一个车轮中M_xi、M_yi、F_xi、F_zi对目标函数的影响程度。

3.根据权利要求2所述的考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，其特征在于，m＝n＝p＝q＝2。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，其特征在于，所述约束条件为地面附着极限以及驱动执行器和制动执行器的输出转矩极限：

其中，T_{bi_max}为序号为i＝1，2，……，n的车轮的制动执行器能输出的峰值转矩，T_{di_max}为序号为i＝1，2，……，n的车轮的驱动执行器能输出的峰值转矩，F_zi为序号为i＝1，2，……，n的车轮的轮胎垂向力，μ_i为对应序号为i＝1，2，……，n的车轮的路面附着系数，R_i为序号为i＝1，2，……，n的车轮负载半径；

所述轮胎纵向力和侧向力产生横摆力矩应尽量逼近目标运动跟踪控制器得到的目标横摆力矩，表示如下：

其中，M_Target为目标运动跟踪控制器得到的目标横摆转矩，

表示无限逼近。

5.根据权利要求4所述的考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，其特征在于，所述轮胎纵向力和侧向力产生的整车纵向力尽量逼近目标运动跟踪控制器得到的整车目标纵向力，表示如下：

A为1×2k的系数矩阵，F_yi为序号为i＝1，2，……，n的车轮的轮胎侧向力，F_xTarget为目标运动跟踪控制器测到的整车目标纵向力，

表示无限逼近。

6.根据权利要求4所述的考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，其特征在于，所述轮胎纵向力和侧向力产生的整车侧向力尽量逼近目标运动跟踪控制器得到的整车目标侧向力，表示如下：

B为1×2k的系数矩阵，F_yTarget为目标运动跟踪控制器测到的整车目标侧向力，

表示无限逼近。

7.根据权利要求5所述的考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，其特征在于，所述轮胎纵向力和侧向力产生的整车侧向力尽量逼近目标运动跟踪控制器得到的整车目标侧向力，表示如下：

B为1×2k的系数矩阵，F_yTarget为目标运动跟踪控制器测到的整车目标侧向力，

表示无限逼近。

8.根据权利要求4所述的考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，其特征在于，所述轮胎侧向力用轮胎纵向力进行表示，所述轮胎侧向力由轮胎侧向力传感器测得。

9.根据权利要求4所述的考虑轮胎侧向力贡献的基于目标优化的转矩分配方法，其特征在于，使用电机来驱动车辆。

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