CN112477853B - 一种装备非充气车轮的车辆纵-垂集成控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装备非充气车轮的车辆纵‑垂集成控制***及方法，车辆装备含有轮毂电机驱动的非充气弹性车轮，所述纵‑垂控制***包括电子油门、车用惯性传感器、车速传感器、陀螺仪、主动悬架控制器、轮胎力分配控制器、四个轮毂电机控制器、以及四个轮毂电机。车身主动悬架控制器用于获得的期望的纵向力、垂向力和俯仰力矩。轮胎力分配控制器采用最小化轮胎负荷率的方式进行力的分配。本发明提出的控制***及方法能够保证高速行驶下车辆由于加速或制动等动作引起车身产生持续的垂向加速度，使俯仰运动尽可能减小，避免车辆在上述情况下产生较大的姿态变化使得车辆失稳发生安全事故。

Description

一种装备非充气车轮的车辆纵-垂集成控制***及方法

技术领域

本发明涉及汽车轮胎安全性以及智能控制领域技术，尤其涉及一种装备非充气车轮的车辆纵-垂集成控制***及方法。

背景技术

轮胎的安全性是车辆安全研究的重要课题，当车辆在高速行驶发生爆胎时，乘员的死亡率相当高。因此，一种新型安全轮胎的提出即为迫切。非充气弹性车轮(NPEW)由于采用非充气式结构，不会发生爆胎的危险。

分布式驱动电动汽车作为电动化方向发展的一个重要分支，其各驱动轮转矩独立可控，这为车辆底盘动力学控制带来了巨大优势。现阶段，大多数底盘控制研究都是纵-横向的稳定性控制。然而，纵-垂的集成控制却鲜有研究。因此，在该背景下，把NPEW装配在分布式驱动电动车上，研究其在纵-垂集成控制下的运动效果，设计出高性能的新型底盘控制***是十分有意义的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种装备非充气车轮的车辆纵-垂集成控制***及方法，以改善汽车在高速行驶时加速、制动情况下的安全性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种装备非充气车轮的车辆纵-垂集成控制***，所述车辆的四个轮胎均采用非充气弹性车轮，所述纵-垂集成控制***包括电子油门、车用惯性传感器、车速传感器、陀螺仪、主动悬架控制器、轮胎力分配控制器、左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器、左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机和右后轮毂电机；

所述电子油门用于将车辆的加速度传递给所述主动悬架控制器；

所述车速传感器用于测得纵向车速，并将其传递给所述主动悬架控制器；

所述车用惯性传感器用于实时测得电动汽车的垂向速度、垂向加速度，并将其传递给所述主动悬架控制器；

所述陀螺仪用于实时测得车辆的俯仰角速度，并将其传递给所述主动悬架控制器；

所述主动悬架控制器通过CAN总线分别和电子油门、车用惯性传感器、车速传感器、陀螺仪、轮胎力分配控制器相连，用于根据电子油门、车用惯性传感器、车速传感器、陀螺仪的感应数据计算出电动汽车期望的总纵向力、总垂向力、总俯仰力矩，并将其传递给所述轮胎力分配控制器；

所述轮胎力分配控制器通过CAN总线分别和所述左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器相连，用于根据接收到的电动汽车期望的总纵向力、总垂向力、总俯仰力矩控制左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器工作；

所述左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器分别和所述左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机、右后轮毂电机一一对应相连，分别用于控制左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机、右后轮毂电机工作；

所述左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机、右后轮毂电机分别一一对应设置在电动汽车的左前轮、左后轮、右前轮、右后轮上。

所述主动悬架控制器包括纵向力控制器、垂向力控制器和俯仰力矩控制器，其中，所述纵向力控制器用于计算期望的总纵向力，所述垂向力控制器用于计算期望的总垂向力，所述俯仰力矩控制器的期望的总俯仰力矩；

所述纵向力控制器、垂向力控制器、俯仰力矩控制器均采用滑模控制器。

所述滑模控制器采用终端滑模控制器，趋近律选择线性饱和函数，并采用边界层法削弱抖振影响，在零值附近设置一个边界层，在边界层内以连续的饱和函数sat(s)来替代符号函数sgn(s)。

本发明还公开了一种该装备非充气车轮的车辆纵-垂集成控制***的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，建立车辆动力学模型，考虑车辆的俯仰、纵向和垂向运动，通过电子油门获得车辆的加速度，通过车速传感器获得纵向车速，通过车用惯性传感器实时反馈垂向速度、垂向加速度，并通过陀螺仪实时反馈车辆的俯仰角速度；

式中，m为电动汽车的车身质量；u是电动汽车的纵向车速；

是电动汽车的纵向加速度；u_z是电动汽车的垂向速度，θ是电动汽车的俯仰角；

是电动汽车的俯仰角速度；F_xi,i＝1,2,3,4分别是电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的纵向力；

式中，

是电动汽车的垂向加速度；F_zi,i＝1,2,3,4分别为电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂向力；g为重力加速度；

式中，I_y为电动汽车的俯仰转动惯量；

是电动汽车的俯仰角加速度；a是电动汽车前轴的轴距，b是电动汽车后轴的轴距；

步骤2)，通过纵向力控制器、垂向力控制器、俯仰力矩控制器分别输出电动汽车期望的总纵向力F_xd、总垂向力F_zd、总俯仰力矩M_yd：

其中，s₁＝u-u_d，s₂＝u_z-u_zd，

u_d为期望的纵向速度；u_zd为期望的垂向速度；θ_d为期望的俯仰角速度；sat()为饱和函数，η₁,η₂,φ₁,φ₂,α₃,β₃,p₃,q₃为控制参数，其中η₁、η₂分别是预设的用于影响期望的纵向力F_xd、垂向力F_zd收敛速度的参数；φ₁、φ₂分别是预设的用于影响期望的纵向力F_xd、期望的垂向力F_zd抖振幅度的参数，其值越大对F_xd和F_zd抖振抑制能力越强，但相应会导致趋近速度减慢；α₃、β₃分别是滑模面s₃的俯仰角误差项系数、俯仰角速度误差项系数；p₃、q₃分别是滑模面s₃俯仰角速度误差项的指数的分子、分母，用于参数影响***的收敛速度，p₃＞q₃且1＜p₃/q₃＜2；

步骤3)，通过轮胎力分配控制器将电动汽车期望的总纵向力、总垂向力、总俯仰力矩分配至四个车轮处，轮胎垂向力分配采用如下性能指标：

其中，minJ为最小化垂向力的目标函数；Var(ε_i)为垂向力动态系数方差；ε_i(i＝1,2,3,4)分别为电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂向动态系数，

F_zi,0,i＝1,2,3,4分别为电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂向静载；

轮胎纵向力采用轴分配的分配策略，输出各轮毂电机的目标转矩：

F_x＝F_x1+F_x2+F_x3+F_x4

式中，F_x为电动汽车总的纵向力；

式中，F_zf为电动汽车前轴的垂向力；F_zr为电动汽车后轴的垂向力；

令电动汽车的左前轮、右前轮的纵向力相等，左后轮、右后轮的纵向力也相等，有

因此，总的驱动力矩为T_i＝F_xir，r为车轮滚动半径。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提供纵-垂集成控制***及方法，采用的终端滑模控制器以及趋近律可以有效削除抖振现象，提高鲁棒性，能够提升车辆在加速或制动等高速工况下的安全性能。本发明装配的费充气弹性车轮可以有效地防止车轮高速行驶时爆胎所带来的危险。

附图说明

图1为本发明的控制***示意图；

图2为本发明的整体控制方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种装备非充气车轮的车辆纵-垂集成控制***，所述车辆的四个轮胎均采用非充气弹性车轮，所述纵-垂集成控制***包括电子油门、车用惯性传感器、车速传感器、陀螺仪、主动悬架控制器、轮胎力分配控制器、左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器、左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机和右后轮毂电机；

所述电子油门用于将车辆的加速度传递给所述主动悬架控制器；

所述车速传感器用于测得纵向车速，并将其传递给所述主动悬架控制器；

所述车用惯性传感器用于实时测得电动汽车的垂向速度、垂向加速度，并将其传递给所述主动悬架控制器；

所述陀螺仪用于实时测得车辆的俯仰角速度，并将其传递给所述主动悬架控制器；

所述主动悬架控制器通过CAN总线分别和电子油门、车用惯性传感器、车速传感器、陀螺仪、轮胎力分配控制器相连，用于根据电子油门、车用惯性传感器、车速传感器、陀螺仪的感应数据计算出电动汽车期望的总纵向力、总垂向力、总俯仰力矩，并将其传递给所述轮胎力分配控制器；

所述轮胎力分配控制器通过CAN总线分别和所述左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器相连，用于根据接收到的电动汽车期望的总纵向力、总垂向力、总俯仰力矩控制左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器工作；

所述左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器分别和所述左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机、右后轮毂电机一一对应相连，分别用于控制左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机、右后轮毂电机工作；

所述左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机、右后轮毂电机分别一一对应设置在电动汽车的左前轮、左后轮、右前轮、右后轮上。

如图2所示，所述主动悬架控制器包括纵向力控制器、垂向力控制器和俯仰力矩控制器，其中，所述纵向力控制器用于计算期望的总纵向力，所述垂向力控制器用于计算期望的总垂向力，所述俯仰力矩控制器的期望的总俯仰力矩；

所述纵向力控制器、垂向力控制器、俯仰力矩控制器均采用滑模控制器。

所述轮胎力分配控制器为了保证各轮垂向力与各轮静载尽可能的相同，避免悬架位移过大，采用基于垂向动态载荷使其方差最小的性能指标。

所述滑模控制器采用终端滑模控制器，趋近律选择线性饱和函数，并采用边界层法削弱抖振影响，在零值附近设置一个边界层，在边界层内以连续的饱和函数sat(s)来替代符号函数sgn(s)。

本发明还公开了一种该装备非充气车轮的车辆纵-垂集成控制***的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，建立车辆动力学模型，考虑车辆的俯仰、纵向和垂向运动，通过电子油门获得车辆的加速度，通过车速传感器获得纵向车速，通过车用惯性传感器实时反馈垂向速度、垂向加速度，并通过陀螺仪实时反馈车辆的俯仰角速度；

式中，m为电动汽车的车身质量；u是电动汽车的纵向车速；

是电动汽车的纵向加速度；u_z是电动汽车的垂向速度，θ是电动汽车的俯仰角；

是电动汽车的俯仰角速度；F_xi,i＝1,2,3,4分别是电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的纵向力；

式中，

是电动汽车的垂向加速度；F_zi,i＝1,2,3,4分别为电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂向力；g为重力加速度；

式中，I_y为电动汽车的俯仰转动惯量；

是电动汽车的俯仰角加速度；a是电动汽车前轴的轴距，b是电动汽车后轴的轴距；

步骤2)，通过纵向力控制器、垂向力控制器、俯仰力矩控制器分别输出电动汽车期望的总纵向力F_xd、总垂向力F_zd、总俯仰力矩M_yd：

其中，s₁＝u-u_d，s₂＝u_z-u_zd，

u_d为期望的纵向速度；u_zd为期望的垂向速度；θ_d为期望的俯仰角速度；sat()为饱和函数，η₁,η₂,φ₁,φ₂,α₃,β₃,p₃,q₃为控制参数，其中η₁、η₂分别是预设的用于影响期望的纵向力F_xd、垂向力F_zd收敛速度的参数；φ₁、φ₂分别是预设的用于影响期望的纵向力F_xd、期望的垂向力F_zd抖振幅度的参数，其值越大对F_xd和F_zd抖振抑制能力越强，但相应会导致趋近速度减慢；α₃、β₃分别是滑模面s₃的俯仰角误差项系数、俯仰角速度误差项系数；p₃、q₃分别是滑模面s₃俯仰角速度误差项的指数的分子、分母，用于参数影响***的收敛速度，p₃＞q₃且1＜p₃/q₃＜2，p₃、q₃需要根据实际情况在该范围内进行参数调节；上述控制参数根据经验进行调节；

采用线性饱和函数作为滑模面s1和s2的趋近律：

式中，j＝1,2，

是滑模面s_j微分之后的结果；

采用非线性函数作为滑模面s₃趋近律：

构造李雅普诺夫函数证明稳定性：

步骤3)，通过轮胎力分配控制器将电动汽车期望的总纵向力、总垂向力、总俯仰力矩分配至四个车轮处，轮胎垂向力分配采用如下性能指标：

其中，minJ为最小化垂向力的目标函数；Var(ε_i)为垂向力动态系数方差；ε_i(i＝1,2,3,4)分别为电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂向动态系数，

F_zi,0,i＝1,2,3,4分别为电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂向静载；

轮胎垂向力的分配还应受到各种约束的限制

s.t.F_x＝F_x1+F_x2+F_x3+F_x4,

F_z＝F_z1+F_z2+F_z3+F_z4,

M_y＝-a(F_z1+F_z2)+b(F_z3+F_z4),

-T_i,max≤F_xi·r≤T_i,max,

F_zi≥0

式中，M_y为俯仰力矩；

纵向力的前馈控制可以通过车辆的动力学获得：

F_x＝F_x1+F_x2+F_x3+F_x4

式中，F_x为电动汽车总的纵向力；

式中，F_zf为电动汽车前轴的垂向力；F_zr为电动汽车后轴的垂向力；

令电动汽车左前轮、右前轮的纵向力相等，左后轮、右后轮的纵向力也相等，有

因此，总的驱动力矩为T_i＝F_xir，r为车轮滚动半径。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.装备非充气车轮的车辆纵-垂集成控制***的控制方法，所述车辆的四个轮胎均采用非充气弹性车轮，所述纵-垂集成控制***包括电子油门、车用惯性传感器、车速传感器、陀螺仪、主动悬架控制器、轮胎力分配控制器、左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器、左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机和右后轮毂电机；

所述电子油门用于将车辆的加速度传递给所述主动悬架控制器；

所述车速传感器用于测得纵向车速，并将其传递给所述主动悬架控制器；

所述车用惯性传感器用于实时测得电动汽车的垂向速度、垂向加速度，并将其传递给所述主动悬架控制器；

所述陀螺仪用于实时测得车辆的俯仰角速度，并将其传递给所述主动悬架控制器；

所述主动悬架控制器通过CAN总线分别和电子油门、车用惯性传感器、车速传感器、陀螺仪、轮胎力分配控制器相连，用于根据电子油门、车用惯性传感器、车速传感器、陀螺仪的感应数据计算出电动汽车期望的总纵向力、总垂向力、总俯仰力矩，并将其传递给所述轮胎力分配控制器；

所述轮胎力分配控制器通过CAN总线分别和所述左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器相连，用于根据接收到的电动汽车期望的总纵向力、总垂向力、总俯仰力矩控制左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器工作；

所述左前轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、右前轮毂电机控制器、右后轮毂电机控制器分别和所述左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机、右后轮毂电机一一对应相连，分别用于控制左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机、右后轮毂电机工作；

所述左前轮毂电机、左后轮毂电机、右前轮毂电机、右后轮毂电机分别一一对应设置在电动汽车的左前轮、左后轮、右前轮、右后轮上；

所述主动悬架控制器包括纵向力控制器、垂向力控制器和俯仰力矩控制器，其中，所述纵向力控制器用于计算期望的总纵向力，所述垂向力控制器用于计算期望的总垂向力，所述俯仰力矩控制器的期望的总俯仰力矩；

所述纵向力控制器、垂向力控制器、俯仰力矩控制器均采用滑模控制器；

所述滑模控制器采用终端滑模控制器，趋近律选择线性饱和函数，并采用边界层发削弱抖振影响，在零值附近设置一个边界层，在边界层内以连续的饱和函数sat(s)来替代符号函数sgn(s)；

其特征在于，所述装备非充气车轮的车辆纵-垂集成控制***的控制方法包含以下步骤：

步骤1)，建立车辆动力学模型，考虑车辆的俯仰、纵向和垂向运动，通过电子油门获得车辆的加速度，通过车速传感器获得纵向车速，通过车用惯性传感器实时反馈垂向速度、垂向加速度，并通过陀螺仪实时反馈车辆的俯仰角速度；

式中，m为电动汽车的车身质量；u是电动汽车的纵向车速；

是电动汽车的纵向加速度；u_z是电动汽车的垂向速度，θ是电动汽车的俯仰角；

是电动汽车的俯仰角速度；F_xi,i＝1,2,3,4分别是电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的纵向力；

式中，

是电动汽车的垂向加速度；F_zi,i＝1,2,3,4分别为电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂向力；g为重力加速度；

式中，I_y为电动汽车的俯仰转动惯量；

是电动汽车的俯仰角加速度；a是电动汽车前轴的轴距，b是电动汽车后轴的轴距；

步骤2)，通过纵向力控制器、垂向力控制器、俯仰力矩控制器分别输出电动汽车期望的总纵向力F_xd、总垂向力F_zd、总俯仰力矩M_yd：

其中，s₁＝u-u_d，s₂＝u_z-u_zd，

u_d为期望的纵向速度；u_zd为期望的垂向速度；θ_d为期望的俯仰角速度；sat()为饱和函数，η₁,η₂,φ₁,φ₂,α₃,β₃,p₃,q₃为控制参数，其中η₁、η₂分别是预设的用于影响期望的纵向力F_xd、垂向力F_zd收敛速度的参数；φ₁、φ₂分别是预设的用于影响期望的纵向力F_xd、期望的垂向力F_zd抖振幅度的参数；α₃、β₃分别是滑模面s₃的俯仰角误差项系数、俯仰角速度误差项系数；p₃、q₃分别是滑模面s₃俯仰角速度误差项的指数的分子、分母，用于参数影响***的收敛速度，p₃＞q₃且1＜p₃/q₃＜2；

步骤3)，通过轮胎力分配控制器将电动汽车期望的总纵向力、总垂向力、总俯仰力矩分配至四个车轮处，轮胎垂向力分配采用如下性能指标：

其中，minJ为最小化垂向力的目标函数；Var(ε_i)为垂向力动态系数方差；ε_i(i＝1,2,3,4)分别为电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂向动态系数，

F_zi,0,i＝1,2,3,4分别为电动汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂向静载；

轮胎纵向力采用轴分配的分配策略，输出各轮毂电机的目标转矩：

F_x＝F_x1+F_x2+F_x3+F_x4

式中，F_x为电动汽车总的纵向力；

式中，F_zf为电动汽车前轴的垂向力；F_zr为电动汽车后轴的垂向力；

令电动汽车的左前轮、右前轮的纵向力相等，左后轮、右后轮的纵向力也相等，有

因此，总的驱动力矩为T_i＝F_xir，r为车轮滚动半径。

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