CN112519873A - 一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及***，包括硬件平台和主动容错控制算法，硬件包括转向盘总成、中央控制器和转向执行总成，算法部分采用基于间接自适应主动容错控制理论。本发明能够通过主动调节控制器的参数，在不增加硬件冗余的前提下，实现四轮独立线控转向电动汽车转向执行机构在部分失效、中断及卡死故障情况下的容错控制，保证执行器故障模式下汽车对理想参考模型的零质心侧偏角和修正横摆角速度的跟踪，提高转向过程中的操纵稳定性。本发明能够有效避免在四轮独立线控转向电动汽车转向过程中由于执行机构故障导致的交通事故的发生，提高车辆对转向执行机构故障的容忍能力和驾驶的安全性。

Description

一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法 及***

技术领域

本发明涉及智能汽车领域，具体为一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容 错控制算法及***。

背景技术

随着智能汽车技术的发展，汽车主动安全技术在电动化趋势中得到快速发展，线控 转向技术在汽车上得到了广泛应用。基于线控技术的汽车转向***取消了方向盘和车轮 之间的机械连接结构，取而代之的是执行电子指令的电控执行机构。线控转向***采用电控转向执行机构减轻了汽车许多重量，是提高车辆行驶安全性、提高驾驶员舒适性和 操控性的一种有效方法，可以实现快速、精确的转向干预。四轮独立线控转向(4WIS) 电动汽车低速时具有较好的机动性，高速时具有较优秀的操纵稳定性和安全性，通过控 制转向角度还能实现诸如斜行，蟹行和原地转向等优于传统的转向***的特殊功能而受 到越来越多科研人员的关注。但由于4WIS汽车具有多个频繁工作的转向执行机构，考 虑到电子设备的鲁棒性比传统机械、液压部件低，很容易随时出现各种故障。当其中一 个或多个执行机构发生故障时，发生故障的执行机构可能无法提供预期的扭矩，导致线 控转向***性能不理想，质心侧偏角和横摆角速度发生较大波动从而危及车辆的稳定性 控制。

虽然已有很多学者进行了多执行器故障的容错控制研究，并取得了优秀的研究成果。 但目前线控转向汽车大都采用被动容错技术，即采用硬件冗余方法实现硬件备份，当执 行机构出现故障，***切换到冗余***，这样会导致成本和体积增加。因此，如何在不增加硬件冗余的前提下，通过容错算法实现执行器出现故障情况下，尤其是出现卡死或 中断等严重故障情况下，仍能够保证4WIS电动汽车具有良好的稳定性，是4WIS电动 汽车转向***亟待解决的问题。

因此，本发明提出一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及系 统。当某个执行器出现故障时，在不需要增加硬件的前提下，通过主动容错控制算法，实现部分失效、卡死和中断故障情况下的容错控制。通过查阅资料，目前基于该种四轮 独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制***的应用尚未见到报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算 法及***，在算法层面通过建立简化线性二自由度模型及定义包含多种故障的执行器故 障模型，基于间接自适应控制理论，引入一种鲁棒自适应主动容错控制策略。以跟踪参考模型为目标进行了容错控制器的设计，实现执行器故障模式下汽车对理想参考模型的零质心侧偏角和修正横摆角速度的跟踪。本发明能够有效避免四轮独立线控转向电动汽车转向过程中由于执行机构故障导致的交通事故的发生，提高车辆对故障的容忍能力和驾驶的安全性。

本发明的技术方案：一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及 ***，由硬件平台和主动容错控制算法组成。硬件平台由转向盘总成、中央控制器ECU和转向执行总成组成。主动容错控制算法由建立四轮独立转向汽车的车辆二自由度动力学模型、车辆参考模型、执行机构故障模型和设计间接自适应主动容错控制器组成。

本发明所述转向盘总成：转向盘总成负责将驾驶员转向意图通过转向盘的转角信号 传递给中央控制器ECU。

本发明所述中央控制器ECU：中央控制器ECU根据方向盘总成传递过来的转角、 车速等信息通过内置算法计算得到四个车轮的目标转角，然后将目标转角发送到转向执 行总成中的各转向控制器。

本发明所述转向执行总成：由4个转向控制器和4个转向电机组成。其中，各个转向控制器分别控制转向电机转到由ECU计算出的目标转角。

本发明所述车辆二自由度动力学模型如下：

其中：F_Yf是前轮侧向力，F_Yr是后轮侧向力；β是车体质心处的侧偏角；γ是车体 质心处的横摆角速度；m是车辆质量；u_x是车辆的纵向速度；a是车辆质心到前轴的距 离，b是车辆质心到后轴的距离；δ_f是车辆前轮转角，δ_r是车辆后轮转角，I_z是汽车 绕z轴的转动惯量。

因此基于对轮胎侧偏特性的考虑，本发明采用如下的近似线性模型：

F_Yf＝-C_fα_f，F_Yr＝-C_rα_r (3)

其中，C_f是前轮的侧偏刚度，C_r是后轮的侧偏刚度，α_f为前轮的侧偏角，α_r为 后轮的侧偏角。车轮的侧偏角定义如下：

将式(3)和(4)带入***运动方程(1)和(2)中可得：

在线控四轮独立转向汽车中，以四个车轮转角作为控制器输入。其中， x(t)＝[βγ]^T是状态向量，u(t)＝[δ_fl δ_fr δ_rl δ_rr]^T是控制输入量，δ_fl,δ_fr,δ_rl,δ_rr分 别是左前轮、右前轮、左后轮、右后轮转角，A∈R^2×2是***矩阵，B∈R^2×4是输入矩 阵，将四轮转向模型转化为四轮独立转向模型，可得到状态方程：

其中

本发明所述车辆参考模型如下：

在质心侧偏角较小的情况下，可以将前轮转向(FWS)汽车线性二自由度模型的横摆角速度稳态值视为理想的横摆角速度。将横摆角速度与前轮转角的稳态增益G_w作为 横摆角速度与前轮转角的理想比例关系，可得：

式中，γ^*表示理想的横摆角速度，

表示期望的前轮转角。式(8)中，K表示车 辆的转向特性稳定性因数，表达式为：

考虑轮胎侧向力的极限值受路面附着系数的限制，汽车的侧向加速度a_y受到如下条件 限制：

a_y≤|μg| (10)

式中，μ为路面附着系数，g为重力加速度。稳态条件下

由此可得：

γ≈u_xγ，则

综上，可将理想横摆角速度修正为：

利用零质心侧偏角作为质心侧偏角的理想参考目标，式(12)描述的横摆角速度作为理想参考目标，将理想质心侧偏角和横摆角速度写成以下状态空间方程形式：

式中x_d＝[β^* γ^*]^T,

B_d＝[0 G_w/τ_γ]^T。

式中τ_β、τ_γ分别表示质心侧偏角与横摆角速度的惯性环节时间常数均取值为0.1。γ^*同时需要满足路面附着系数的限制，即要满足式(11)。

本发明所述执行机构故障模型如下：

令

表示线控转向执行机构中第i个执行器在第j个故障模式下的执行器故障信号。

定义以下通用执行器故障模型：

其中，i＝1，2，3，4，j＝1…4，

为失效因子。j为第j个故障模式，一共有4 种故障模式。

和

分别为失效因子

的上界和下界。u_si(t)表示第i个执行器未知时 变有界的卡死故障。由实际情况可知

定义

为：

各种故障模式的具体情况如表1所示：

表1故障模型

定义：

u_j ^F(t)＝[u_1j ^F(t)，，，u_4j ^F(t)]^T＝ρ^ju(t)+σ^ju_s(t) (16)

式中ρ^j＝diag[ρ^j ₁,ρ^j ₂,ρ^j ₃,ρ^j ₄]，

σ^j＝diag[σ^j ₁,σ^j ₂,σ^j ₃,σ^j ₄]，j ＝1,2,3,4，为了描述方便，对于所有可能的故障模式，本发明采用以下执行器故障模型：

u^F(t)＝ρu(t)+σu_s(t),ρ＝diag[ρ₁,ρ₂,ρ₃,ρ₄]∈{ρ¹,ρ²,ρ³,ρ⁴} (17)

本发明所述间接自适应主动容错控制器设计如下：

定义跟踪误差为

e＝x-x_d＝[β-β^* γ-γ^*] (18)

根据式(18)，有

令

B＝B₂则有：

考虑线性时不变容错控制***误差模型(20)和如下结构控制器：

式中

和

分别是ρ(t)和σ(t)的估计值，

和

分别代表u_s(t)的上界和下界的估计值，

和

分别代表ω(t)的上下界的估计值。参数τ_u有如下定义：

其中，b_2i，i＝1,2,3,4表示矩阵B₂的第i列。参数τ_ω定义如下：

式中f_k中，k＝1表示矩阵F的第k列

这里先介绍如下几个***矩阵的分解形式：

F＝[f₁]∈R^4×1，B₂＝[b₂₁,b₂₂,b₂₃,b₂₄]∈R^2×4

K₃＝[k₃₁,k₃₂,k₃₃,k₃₄]∈R^4×4，K₄＝[k₄₁]∈R^4×1

下面为后文要用到的一些矩阵作如下定义：

式中M，R和S为向量方程描述为M＝[M₁]∈R^1×4，R＝[R₁,R₂,R₃,R₄]^T∈R⁴， S＝[S₁,S₂,S₃,S₄]^T∈R⁴，P为正定对称矩阵。

设计如下自适应率：

是σ(t)的估计值，其自适应率可以设计为：

式(26)、(27)中i＝1,2,3,4

和

分别代表u_s(t)上界和下界的估计值，对其设计以下自适应率：

和

分别代表ω(t)的上下界的估计值，对其设计以下自适应率：

其中k＝1常数l_i＞0,s_1i＞0,s_2i＞0和r_k＞0是根据实际情况设计的自适应率增益。

令：

其中ρ＝diag_i[ρ_i]，σ＝diag_i[σ_i]，i＝1,2,3,4，

u _s＝[u _s1,u _s2,u _s3,u _s4]^T，

ω＝[ω ₁]^T。

因为ρ_i,σ_i,

u _si

ω _k均为未知常数，则误差***可以描述如下：

自适应鲁棒状态反馈控制器(21)中，控制增益方程K₂,K₃,K₄为：

K₁和P由以下引理设计：

引理1：假如存在正定矩阵X，J和有恰当维数矩阵L和V使得线性矩阵不等式(LMI)可行

其中

则对 K₁＝LV^-1和P＝X^-1，如下矩阵不等式：

成立。

由此可以得到如下定理保证闭环***(20)和误差***(31)一致有界。

选取Lyapunov函数：

对其求导得到：

其中，M,S,R定义在(24)。

选择自适应率(26)，可以将式(35)重新写为：

根据引理1，对任何ρ∈Δ_ρj,j＝1,2,3,4，得到K₁和P使得：

(A+B₂ρK₁)^TP+P(A+B₂ρK₁)＜0 (37)

可以得出：对任何e≠0,

因此，闭环容错控制***的解一致有界，且lim_t→∞e(t)＝0成立，满足收敛性要求。

本发明的有益效果：

本发明在算法层面基于间接自适应主动容错控制理论，设计主动容错控制器，使得 该***能够具备通过主动调节控制器的参数，在不增加硬件冗余的前提下，实现四轮独立线控转向电动汽车转向执行机构在部分失效、中断及卡死故障情况下的容错控制的能力。本发明能够有效避免在四轮独立线控转向电动汽车转向过程中由于执行机构故障导致的交通事故的发生，提高车辆对转向执行机构故障的容忍能力和驾驶的安全性。

附图说明

图1为***硬件结构图。

图2为车辆二自由度动力学模型图。

图3为控制算法流程图。

图中参数：F_Yf是前轮侧向力，F_Yr是后轮侧向力；β是车体质心处的侧偏角；γ是 车体质心处的横摆角速度；m是车辆质量；u_x是车辆的纵向速度；a是车辆质心到前轴 的距离，b是车辆质心到后轴的距离；δ_f是车辆前轮转角，δ_r是车辆后轮转角，I_z是 汽车绕z轴的转动惯量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

***硬件结构图如图1所示，四个车轮的目标转角由中央控制器ECU根据方向盘的转角、车速等信息由内置算法计算得到，然后将目标转角发送到各转向控制器，转向 控制器控制转向电机转到目标转角。中央控制器ECU选用BOSCH公司生产的型号为 EDC17CP14/5/P680的车用ECU，负责各个车轮独立转向的四个转向电机(1、2、3、4) 均为永磁无刷直流电机。如图2所示，建立四轮独立转向汽车二自由度动力学模型，然 后根据车辆参考模型和建立的执行机构故障模型，以车辆参考模型为目标进行容错控制 器的设计，控制算法流程图如图3所示，实现执行器故障模式下汽车对理想参考模型的 零质心侧偏角和修正横摆角速度的跟踪。

具体实施步骤为：

(1)建立汽车二自由度动力学模型。车辆二自由度动力学模型图如图2所示。

在线控四轮独立转向汽车中，以四个车轮转角作为控制器输入。其中， x(t)＝[βγ]^T是状态向量，u(t)＝[δ_fl δ_fr δ_rl δ_rr]^T是控制输入量，δ_fl,δ_fr,δ_rl,δ_rr分 别是左前轮、右前轮、左后轮、右后轮转角，A∈R^2×2是***矩阵，B∈R^2×4是输入矩阵。 将四轮转向模型转化为四轮独立转向模型，得到状态方程：

y(t)＝Cx(t)

其中：

(2)建立参考模型

式中x_d＝[β^* γ^*]^T,

B_d＝[0 G_w/τ_γ]^T。

式中τ_β、τ_γ分别表示质心侧偏角与横摆角速度的惯性环节时间常数均取值为0.1。γ^*同 时需要满足路面附着系数的限制。

(3)建立执行机构故障模型

u^F(t)＝ρu(t)+σu_s(t),ρ＝diag[ρ₁,ρ₂,ρ₃,ρ₄]∈{ρ¹,ρ²,ρ³,ρ⁴}

其中，i＝1，2，3，4，j＝1…4，ρ为失效因子。ρ为失效因子，u_s表示卡死故障。

(4)间接自适应主动容错控制器设计，控制算法流程图如图3所示。

控制增益方程K₂,K₃,K₄为：

K₁和P由引理1设计，自适应率为：

是σ(t)的估计值，其自适应率可以设计为：

和

分别代表u_s(t)上界和下界的估计值，对其设计以下自适应率：

和

分别代表ω(t)的上下界的估计值，对其设计以下自适应率：

其中k＝1常数l_i＞0,s_1i＞0,s_2i＞0和r_k＞0是根据实际情况设计的自适应率增益。以 上式中i＝1,2,3,4。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明， 它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应 包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，包括：建立四轮独立转向汽车的车辆二自由度动力学模型、车辆参考模型、执行机构故障模型和设计间接自适应主动容错控制器；以车辆参考模型为跟踪目标进行自适应主动容错控制器的设计，根据执行机构故障模型推导出带有故障形式的主动容错控制器表达式，再根据Lyapunov函数推导出最终的主动容错控制器，实现对车辆参考模型的零质心侧偏角和修正横摆角速度的跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，所述建立四轮独立转向汽车的车辆二自由度动力学模型具体包括：

首先建立车辆二自由度动力学模型：

其中：F_Yf是前轮侧向力，F_Yr是后轮侧向力；β是车体质心处的侧偏角；γ是车体质心处的横摆角速度；m是车辆质量；u_x是车辆的纵向速度；a是车辆质心到前轴的距离，b是车辆质心到后轴的距离；δ_f是车辆前轮转角，δ_r是车辆后轮转角，I_z是汽车绕z轴的转动惯量；

基于对轮胎侧偏特性的考虑，建立如下的近似线性模型：

F_Yf＝-C_fα_f，F_Yr＝-C_rα_r (3)

其中，C_f是前轮的侧偏刚度，C_r是后轮的侧偏刚度，α_f是前轮的侧偏角，α_r是后轮的侧偏角；车轮的侧偏角定义如下：

将式(3)和(4)带入***运动方程(1)和(2)中可得四轮独立转向汽车的车辆二自由度动力学模型为：

3.根据权利要求2所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，还包括建立模型对应的状态方程：

以四个车轮转角作为控制器输入；其中，x(t)＝[β γ]^T是状态向量，u(t)＝[δ_fl δ_fr δ_rlδ_rr]^T是控制输入量，δ_fl,δ_fr,δ_rl,δ_rr分别是左前轮、右前轮、左后轮、右后轮转角，A∈R^2×2是***矩阵，B∈R^2×4是输入矩阵，将四轮转向模型转化为四轮独立转向模型，可得到状态方程：

其中

4.根据权利要求1所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，所述建立车辆参考模型具体包括：

在质心侧偏角较小的情况下，将前轮转向(FWS)汽车线性二自由度模型的横摆角速度稳态值视为理想的横摆角速度；将横摆角速度与前轮转角的稳态增益G_w作为横摆角速度与前轮转角的理想比例关系，可得：

式中，γ^*表示理想的横摆角速度，

表示期望的前轮转角，K表示车辆的转向特性稳定性因数，表达式为：

考虑轮胎侧向力的极限值受路面附着系数的限制，汽车的侧向加速度a_y受到如下条件限制：

a_y≤|μg| (10)

式中，μ为路面附着系数，g为重力加速度。稳态条件下

由此可得：

则

因此，将理想横摆角速度修正为：

利用零质心侧偏角作为质心侧偏角的理想参考目标，式(12)描述的横摆角速度作为理想参考目标，将理想质心侧偏角和横摆角速度写成以下状态空间方程形式：

式中

式中τ_β、τ_γ分别表示质心侧偏角与横摆角速度的惯性环节时间常数均取值为0.1，γ^*同时需要满足路面附着系数的限制，即要满足式(11)。

5.根据权利要求1所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，所述建立执行机构故障模型具体包括：

设

表示线控转向执行机构中第i个执行器在第j个故障模式下的执行器故障信号，定义以下通用执行器故障模型：

其中，i＝1，2，3，4，j＝1…4，

为失效因子，j为第j个故障模式，一共有4种故障模式，各故障模式的具体定义如说明书表1所示；

和

分别为失效因子

的上界和下界，u_si(t)表示第i个执行器未知时变有界的卡死故障，

定义

为：

定义：

u_j ^F(t)＝[u_1j ^F(t)，，，u_4j ^F(t)]^T＝ρ^ju(t)+σ^ju_s(t) (16)

式中ρ^j＝diag[ρ^j ₁,ρ^j ₂,ρ^j ₃,ρ^j ₄]，

σ^j＝diag[σ^j ₁,σ^j ₂,σ^j ₃,σ^j ₄]，j＝1,2,3,4，对于所有可能的故障模式，采用以下执行器故障模型：

u^F(t)＝ρu(t)+σu_s(t),ρ＝diag[ρ₁,ρ₂,ρ₃,ρ₄]∈{ρ¹,ρ²,ρ³,ρ⁴} (17)。

6.根据权利要求1所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，所述设计间接自适应主动容错控制器具体包括：

定义跟踪误差为

e＝x-x_d＝[β-β^* γ-γ^*] (18)

根据式(18)，则有

令

B＝B₂则有：

考虑线性时不变容错控制***误差模型(20)和如下结构控制器：

式中

和

分别是ρ(t)和σ(t)的估计值，

和

分别代表u_s(t)的上界和下界的估计值，

和

分别代表ω(t)的上下界的估计值，参数τ_u有如下定义：

其中，b_2i，i＝1,2,3,4表示矩阵B₂的第i列，参数τ_ω定义如下：

式中f_k中，k＝1表示矩阵F的第k列

定义***矩阵的分解如下：

F＝[f₁]∈R^4×1，B₂＝[b₂₁,b₂₂,b₂₃,b₂₄]∈R^2×4

K₃＝[k₃₁,k₃₂,k₃₃,k₃₄]∈R^4×4，K₄＝[k₄₁]∈R^4×1

定义如下矩阵：

式中M，R和S为向量方程描述为M＝[M₁]∈R^1×4，R＝[R₁,R₂,R₃,R₄]^T∈R⁴，S＝[S₁,S₂,S₃,S₄]^T∈R⁴，P为正定对称矩阵。

7.根据权利要求6所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，还包括设计如下自适应率和控制器增益：

自适应率设计为

是σ(t)的估计值，其自适应率设计为：

式(26)、(27)中i＝1,2,3,4

和

分别代表u_s(t)上界和下界的估计值，对其设计以下自适应率：

和

分别代表ω(t)的上下界的估计值，对其设计以下自适应率：

其中k＝1常数l_i＞0,s_1i＞0,s_2i＞0和r_k＞0是根据实际情况设计的自适应率增益；

令：

其中ρ＝diag_i[ρ_i]，σ＝diag_i[σ_i]，i＝1,2,3,4，

u _s＝[u _s1,u _s2,u _s3,u _s4]^T，

因为

均为未知常数，则误差***描述如下：

自适应鲁棒状态反馈控制器(21)中，控制增益方程K₂,K₃,K₄为：

K₁和P由以下引理设计：

引理1：假如存在正定矩阵X，J和有恰当维数矩阵L和V使得线性矩阵不等式(LMI)可行

其中

j＝1,2,3,4，K₁＝LV^-1和P＝X^-1，如下矩阵不等式成立：

由此，得到如下定理保证闭环***(20)和误差***(31)一致有界。

8.根据权利要求7所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，还包括收敛验证方法：

选取Lyapunov函数：

对其求导得到：

其中，M,S,R定义在式子(24)；

选择式子(26)的自适应率，将式(35)重新写为：

根据引理1，对任何

得到K₁和P使得：

(A+B₂ρK₁)^TP+P(A+B₂ρK₁)＜0 (37)

得出：对任何

因此，闭环容错控制***的解一致有界，且lim_t→∞e(t)＝0成立，满足收敛性要求。

9.一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制***，其特征在于，包括转向盘总成、中央控制器ECU和转向执行总成；所述转向盘总成用于将转向盘的转角信号传递给中央控制器ECU；中央控制器ECU根据方向盘总成传递过来的转角、车速信息通过内置算法计算得到四个车轮的目标转角，然后将目标转角发送到转向执行总成；所述转向执行总成包括4个转向控制器和4个转向电机，其中，各个转向控制器分别控制转向电机转到由ECU计算出的目标转角。

10.根据权利要求9所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制***，其特征在于，所述内置算法为权利要求1-7任一项所述的控制算法。

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