CN113997799A

CN113997799A - 轮毂电机车辆驱动方法、***、装置及存储介质

Info

Publication number: CN113997799A
Application number: CN202111245219.4A
Authority: CN
Inventors: 付翔; 赵寨伟; 赵木寒
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2022-02-01

Abstract

本发明公开一种轮毂电机车辆驱动方法、***、装置及存储介质，涉及车辆控制技术领域。其中，轮毂电机车辆驱动方法包括以下步骤：建立轮毂电机车辆的动力学模型；根据所述动力学模型，基于滑模变结构确定纵向车速跟随控制器和附加横摆力矩控制器；根据车辆的车轮转速确定车轮滑转率，结合所述车轮滑转率确定路面状态；根据所述路面状态，结合期望滑转率确定车轮滑移率控制器；根据所述纵向车速跟随控制器、所述附加横摆力矩控制器和所述车轮滑移率控制器，基于各车轮利用率的优化问题确定车轮转矩优化分配控制器。本发明能够使轮毂电机车辆在直行状态下稳定行驶。

Description

轮毂电机车辆驱动方法、***、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及车辆控制技术领域，尤其涉及一种轮毂电机车辆驱动方法、***、装置及存储介质。

背景技术

近些年来，随着全世界范围内的汽车数量的爆发性增长，空气质量也因为汽车尾气的大量排放遭到巨大挑战，人们对环境问题的认识日益加深和对能源危机的担忧日益加剧。为了减少环境污染，实现汽车工业的可持续发展，各个国家和汽车产业正在积极寻找新的解决方案，从而新能源汽车应运而生，电动汽车产业迎来了前所未有的发展机遇，其中轮毂电机驱动电动汽车是其中一个研究热点。轮毂电机就是将驱动电机布置在各个车轮中，它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，轮毂电机驱动车辆具有传动链短，空间利用率高、各个驱动轮可独立控制且响应迅速动力、能量传递效率高等优点。

当方向盘处于中位时，车辆在平直路面上保持直线行驶以及直线行驶的稳定性是评价车辆操控性能的重要指标之一。对于无转向无悬架机构的四轮毂电机驱动车辆，由于缺少传统车辆的底盘悬架和转向机构，从而缺少底盘调教以及四轮定位，在复杂的路面工况下，车辆极易受到外界因素的影响而导致车辆跑偏。此外，从实践经验上看，车辆车轮在制造装配时的误差使得两侧车轮并未完全在同一平面上、车辆车轮磨损和胎压的不同造成各个轮毂电机实际执行力矩和车轮滑移率也不尽相同，也会影响到车辆直行时的一致性和稳定性。因此，此类分布式驱动差动转向电动汽车的直线行驶稳定性的控制方法有着重要的工程使用价值。而对于此类车辆的直线行驶稳定性的控制，多数选取横摆角速度和质心侧偏角为控制变量，或者选取车轮滑转率对车辆直线稳定性进行控制，然后对车轮转矩进行平均分配，在遇到两侧车轮垂直载荷转移和不同路面状态时，这些转矩分配方法的约束条件考虑都不够全面，控制效果自然不是很理想。在不同路况下如何协同四个轮毂电机转矩工作，在实现车辆的直线行驶稳定性的同时如何使得各车轮附着能力得到均匀利用也是一个难点。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种轮毂电机车辆驱动方法、***、装置及存储介质，能够使轮毂电机车辆在直行状态下稳定行驶。

一方面，本发明实施例提供了一种轮毂电机车辆驱动方法，包括以下步骤：

建立轮毂电机车辆的动力学模型；

根据所述动力学模型，基于滑模变结构确定纵向车速跟随控制器和附加横摆力矩控制器；

根据车辆的车轮转速确定车轮滑转率，结合所述车轮滑转率确定路面状态；

根据所述路面状态，结合期望滑转率确定车轮滑移率控制器；

根据所述纵向车速跟随控制器、所述附加横摆力矩控制器和所述车轮滑移率控制器，基于各车轮利用率的优化问题确定车轮转矩优化分配控制器。

根据本发明一些实施例，所述轮毂电机车辆的动力学模型，具体如下：

车辆沿X轴的纵向运动方程：

车辆沿Y轴的侧向运动方程：

车辆沿Z轴的横摆运动方程：

其中，M为整车质量，V_x为纵向车速，V_y为侧向车速，ω_r为质心处的横摆角速度，F_xi(i＝1,2,3,4)表示第i个车轮的纵向驱动力，F_yi(i＝1,2,3,4)表示第i个车轮的侧向驱动力，I_z为车辆的横摆转动惯量，l_f为车辆前轴到整车质心的距离，l_r为车辆后轴到整车质心的距离，B为车辆前后轴车轮的轮距。

根据本发明一些实施例，所述根据所述动力学模型，基于滑模变结构确定纵向车速跟随控制器包括以下步骤：

获取车辆的实际车速和期望车速；

根据所述实际车速、所述期望车速和所述纵向运动方程构造滑模变结构的第一切换面函数；

通过饱和函数代替符号函数的指数趋近律方式更新所述第一切换面函数；

根据更新后的所述第一切换面函数确定纵向总驱动力；

根据所述纵向总驱动力，结合起步控制策略确定所述纵向车速跟随控制器。

根据本发明一些实施例，所述根据所述动力学模型，基于滑模变结构确定附加横摆力矩控制器包括以下步骤：

根据所述横摆运动方程确定附加横摆力矩；

获取横摆角、横摆角速度和横摆角加速度；

根据所述横摆角、所述横摆角速度和所述横摆角加速度构造滑模变结构的第二切换面函数；

通过饱和函数代替符号函数的指数趋近律方式更新所述第二切换面函数；

根据更新后的所述第二切换面函数修正所述附加横摆力矩得到所述附加横摆力矩控制器。

据本发明一些实施例，所述根据车辆的车轮转速确定车轮滑转率，结合所述车轮滑转率确定路面状态包括以下步骤：

根据车轮滑转率计算公式计算各车轮滑转率，其中，所述车轮滑转率计算公式为：

其中，S_i表示第i个车轮的车轮滑转率；ω_i表示第i个车轮的转速；R_i表示第i个车轮的有效半径，v表示车辆的车速；

根据不同的路面峰值附着系数，确定期望滑转率；

根据左侧各车轮的所述车轮滑转率确定左侧平均滑转率，根据右侧各车轮的所述车轮滑转率确定右侧平均滑转率，根据各车轮的所述车轮滑转率确定总平均滑转率；

根据所述总平均滑转率确定车轮的附着差异化值；

当各个车轮的所述车轮滑转率均小于所述期望滑转率，且所述附着差异化值小于预设的附着差异化极值，则路面状态为高附着系数路面；

当各个车轮的所述车轮滑转率均大于所述期望滑转率，且所述附着差异化值小于预设的附着差异化极值，则路面状态为低附着系数路面；

当所述左侧平均滑转率或者所述右侧平均滑转率大于所述期望滑转率，且左侧平均滑转率与所述右侧平均滑转率之间的差值大于预设的附着差异化差值，且所述附着差异化值大于预设的附着差异化极值，则路面状态为对开路面。

根据本发明一些实施例，所述根据所述路面状态，结合期望滑转率确定车轮滑移率控制器包括以下步骤：

当所述路面状态为低附着系数路面或者对开路面，则采用PID控制方法设计所述车轮滑移率控制器，所述车轮滑移率控制器具体如下：

其中，S_i表示第i个车轮的滑移率，S_opt表示期望滑移率，e_i表示第i个车轮的滑移率偏差，k_p表示PID控制器比例参数，k_i表示PID控制器积分参数，k_r表示PID控制器微分参数。

根据本发明一些实施例，根据所述纵向车速跟随控制器、所述附加横摆力矩控制器和所述车轮滑移率控制器，基于各车轮利用率的优化问题确定车轮转矩优化分配控制器包括以下步骤：

将每一个车轮的轮毂电机分别与所述纵向车速跟随控制器、所述附加横摆力矩控制器和所述车轮滑移率控制器作为一个整体确定车轮驱动转矩；

以车辆的车轮利用率方差和车轮利用率之和最小化作为优化目标，对各个车轮的车轮驱动转矩进行求解分配，得到所述车轮转矩优化分配控制器。

另一方面，本发明实施例还提供一种轮毂电机车辆驱动***，包括：

第一模块，用于建立轮毂电机车辆的动力学模型；

第二模块，用于根据所述动力学模型，基于滑模变结构确定纵向车速跟随控制器和附加横摆力矩控制器；

第三模块，用于根据车辆的车轮转速确定车轮滑转率，结合所述车轮滑转率确定路面状态；

第四模块，用于根据所述路面状态，结合期望滑转率确定车轮滑移率控制器；

第五模块，用于根据所述纵向车速跟随控制器、所述附加横摆力矩控制器和所述车轮滑移率控制器，基于各车轮利用率的优化问题确定车轮转矩优化分配控制器。

另一方面，本发明实施例还提供一种轮毂电机车辆驱动装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得至少一个所述处理器实现如前面所述的轮毂电机车辆驱动方法。

另一方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如前面所述的轮毂电机车辆驱动方法。

本发明上述的技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：本申请基于滑模变结构确定纵向车速跟随控制器和附加横摆力矩控制器，根据车辆的车轮转速确定车轮滑转率进而确定路面状态，根据不同的路面状态确定使用车轮滑移率控制器，然后根据纵向车速跟随控制器、附加横摆力矩控制器和车轮滑移率控制器，基于各车轮利用率的优化问题确定车轮转矩优化分配控制器来相应控制各个车轮。在不同附着系数的路面上，车辆跑偏时，滑移率控制器能够快速的将车轮滑转率限制在优化滑转率范围内，附加横摆力矩控制器能够快速修正车辆跑偏，车轮转矩优化分配控制器实时调节车辆两侧车轮驱动转矩，进而纠正车身姿态，从而保证车辆的直行一致性和直行稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的轮毂电机车辆驱动方法流程图；

图2是本发明实施例提供的四轮毂电机车辆驱动策略示意图；

图3是本发明实施例提供的车辆动力学模型示意图；

图4是本发明实施例提供的轮毂电机车辆驱动装置示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或者类似的标号表示相同或者类似的原件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、左、右等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，如果有描述到第一、第二等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明实施例提供了一种轮毂电机车辆驱动方法，本发明实施例的轮毂电机车辆驱动方法可应用于轮毂电机车辆，本发明实施例结合四轮毂电机车辆进行描述，本发明实施例的轮毂电机车辆驱动方法可得到如图2所示的四轮毂电机车辆驱动策略，具体见以下实施例描述。

在进行本发明实施例的轮毂电机车辆驱动方法描述之前，先通过整车纵侧向受力情况分析车辆直线行驶跑偏的原因，具体地，参照图3，车辆以纵向车速V_x行驶，前轮转角为0，当车辆两侧车轮驱动力不平衡时，假设F_x2+F_x4>F_x1+F_x3，两侧车轮将产生绕垂直于地面的质心轴逆时针方向的横摆力矩。为达到运动平衡状态，车轮将发生侧偏，车轮前后轴侧向驱动力F_yi将绕质心轴形成反向横摆力矩，来抵制横摆角速度ω_r的增大。随着车轮侧向驱动力不断增加，最终车轮纵向驱动力F_xi和侧向驱动力F_yi绕质心轴的横摆力矩为0。在此过程会产生一个非0的横摆角速度ω_r，导致车辆直线行驶方向持续跑偏。

综上，车辆直线行驶跑偏的原因是车辆两侧车轮驱动力不平衡，使车辆产生横摆角速度，导致车辆发生横摆运动，偏离预期行驶轨迹。尤其当车轮发生过度滑转时，车辆发生侧滑，失去稳定性，使得偏移量进一步增大。因此本发明选取纵向车速、车辆质心处横摆角速度和车轮滑转率作为控制***的变量，实时监测车辆直线行驶状态，协调控制四轮驱动转矩，同时避免车轮发生过度滑转，提高车辆直行稳定性和安全性。

参照图1，本发明实施例的轮毂电机车辆驱动方法包括但不限于步骤S110、步骤S120、步骤S130、步骤S140和步骤S150。

步骤S110，建立轮毂电机车辆的动力学模型。

在一些实施例中，轮毂电机车辆的动力学模型，具体如下：

车辆沿X轴的纵向运动方程：

车辆沿Y轴的侧向运动方程：

车辆沿Z轴的横摆运动方程：

步骤S120，根据动力学模型，基于滑模变结构确定纵向车速跟随控制器和附加横摆力矩控制器。

在一些实施例中，根据所述动力学模型，基于滑模变结构确定纵向车速跟随控制器包括以下步骤：

获取车辆的实际车速和期望车速；

根据实际车速、期望车速和纵向运动方程构造滑模变结构的第一切换面函数；

根据更新后的第一切换面函数确定纵向总驱动力；

根据纵向总驱动力，结合起步控制策略确定纵向车速跟随控制器。

具体地，四轮毂独立驱动电机车辆在复杂工况下行驶时，车辆的直行稳定性易受到外界非线性因素的影响，使得车辆产生横摆运动。由于滑模变结构控制可以在动态过程中根据***的控制偏差进行合理地变化，并且具有响应速度快、易于实现、鲁棒性高、控制参数不受外界干扰影响等优点。因此，本发明实施例采用滑模变结构控制算法设计纵向车速跟随控制器，通过对驾驶员期望车速的跟随，获得车辆期望转矩，调节四个车轮驱动力，使得车辆按照预期的直线轨迹行驶。

本发明实施例设计的纵向速度控制器通过车辆纵向总驱动力F_xc对车辆纵向的实际车速V_x进行控制，根据滑模变控制方法在车辆动力学上应用，因此获取车辆的实际纵向车速和期望车速，根据实际车速与期望车速的误差、车辆的纵向运动方程(1)构造滑模变结构的第一切换面函数

进一步计算得：

其中，V_x表示车辆的实际车速，V_xd表示驾驶员的期望车速，F_xc表示纵向总驱动力，即F_xc＝F_x1+F_x2+F_x3+F_x4。

当***状态点在滑模区快速运动并穿过滑模面时，滑模变结构控制的状态不断切换而产生惯会引起***的抖振。为了减小***的抖振以及保证***的鲁棒性，本发明实施例采用饱和函数sat(S/Φ)代替符号函数sgn(s)的指数趋近律方式更新第一切换面函数，具体如下：

其中，Φ表示边界层厚度，为大于0的常数；ε表示趋近滑模面s＝0的速度常数，

为滑模面的系数。

当sat(S)＝S/Φ时，

当sat(S)＝sgn(S)时，

由公式(9)和公式(10)得，

恒成立，故***的趋近过程具有渐进稳定性，可以有效削弱抖振。

进一步计算得：

在车辆起步时，由于车辆实际车速与驾驶员期望车速的差值达到最大，并且经滑模变结构控制器计算的纵向总驱动力F_xc也处于最大值，轮毂电机会瞬间输出最大驱动转矩，此时可能会导致车轮发生过度滑转，造成动力损失和了轮胎磨损。为了避免车轮在起步时出现过度滑转，为此设计起步控制策略。控制策略使纵向驱动转矩在一定时间内例如0.5秒，从0增大至滑模变结构控制器计算得到的期望转矩T_e，即纵向车速跟随控制器，具体方式如下：

其中，T_e为滑模变结构控制器计算得到的期望转矩；R_i为车轮的有效半径。

在一些实施例中，根据所述动力学模型，基于滑模变结构确定附加横摆力矩控制器包括以下步骤：

根据横摆运动方程确定附加横摆力矩；

获取横摆角、横摆角速度和横摆角加速度；

根据横摆角、横摆角速度和横摆角加速度构造滑模变结构的第二切换面函数；

通过饱和函数代替符号函数的指数趋近律方式更新第二切换面函数；

根据更新后的第二切换面函数修正附加横摆力矩得到附加横摆力矩控制器。

具体地，在横摆运动平衡状态下，车辆前后轴车轮侧向驱动力与车辆左右两侧车轮驱动力绕车辆质心轴产生大小相等、方向相反的力矩，为限制或消除车辆直线行驶时发生横摆和侧向运动，需要调节两侧轮毂电机驱动转矩以产生附加横摆力矩。由车辆的横摆运动方程(3)得：

其中，F_yf＝F_y1+F_y2F_yr＝F_y3+F_y4，I_z表示车辆的横摆转动惯量，ΔM_z表示附加横摆力矩；ω_r表示横摆角速度。

由于车辆质心处横摆角表征车辆直线行驶跑偏的方向，横摆角速度可以表征车辆直线行驶中跑偏方向的速度大小，横摆角加速度可以表征车辆直线行驶的趋势。通过跟踪车辆实际横摆角速度值，获得附加横摆力矩期望值，迅速调节四轮驱动力，以此来调整车身姿态，使得车辆按照预期的直线轨迹行驶。因此为了保证较好的控制效果，本发明实施例根据横摆角、横摆角速度和横摆角加速度构造滑模变结构的第二切换面函数S(x)，具体如下：

其中，k₁为横摆角加速度的比重系数；k₂横摆角的比重系数。

为了减小附加横摆力矩控制器控制***的抖振以及保证***的鲁棒性，同样通过采用饱和函数sat(S/Φ)代替符号函数sgn(s)的指数趋近律方式更新第二切换面函数，具体如下：

其中，Φ表示边界层厚度，为大于0的常数，ε表示趋近滑模面s＝0的速度常数，k₃为滑模面的系数。

进一步计算得：

将公式(17)代入车辆横摆运动方程(3)，由此计算得到修正车辆直行跑偏所需的附加横摆力矩ΔM_z，即附加横摆力矩控制器：

步骤S130，根据车辆的车轮转速确定车轮滑转率，结合车轮滑转率确定路面状态。

在一些实施例中，步骤S130包括以下步骤：

根据车轮滑转率计算公式计算各车轮滑转率；

根据不同的路面峰值附着系数，确定期望滑转率；

根据左侧各车轮的车轮滑转率确定左侧平均滑转率，根据右侧各车轮的车轮滑转率确定右侧平均滑转率，根据各车轮的车轮滑转率确定总平均滑转率；

根据平均滑转率确定车轮的附着差异化值；

当各个车轮的车轮滑转率均小于期望滑转率，且附着差异化值小于预设的附着差异化极值，则路面状态为高附着系数路面；

当各个车轮的车轮滑转率均大于期望滑转率，且附着差异化值小于预设的附着差异化极值，则路面状态为低附着系数路面；

当左侧平均滑转率或者右侧平均滑转率大于期望滑转率，且左侧平均滑转率与右侧平均滑转率之间的差值大于预设的附着差异化差值，且附着差异化值大于预设的附着差异化极值，则路面状态为对开路面。

具体地，在实际的车辆运行时，会遇到不同的路面状态，因此将路面分为高附着系数路面、低附着系数路面和对开路面三种状态。在不同的路面状态下，虽然各个车轮输出相同的驱动转矩，但是每个车轮的滑转率不尽相同，所以要先识别不同的路面状态，针对不同的路面设置相应的最优车轮滑转率以及控制方法，使得车轮运行在平稳区间内。通过四个车轮的实时车轮滑转率(S₁,S₂,S₃,S₄)来判断此时的路面状态，进而对每个车轮的驱动转矩进行调节。

车轮滑移率计算公式为：

其中，S_i表示第i个车轮的车轮滑转率，ω_i表示第i个车轮的转速，R_i表示第i个车轮的有效半径，v表示车辆的车速。

分别计算左侧平均滑转率、右侧平均滑转率和总平均滑转率，如下：

其中，S_l表示左侧平均滑转率，S_r表示右侧平均滑转率，S_ave表示总平均滑转率。

预设S_opt为期望滑转率，期望滑转率可表示最佳滑转率，根据不同的路面峰值附着系数，S_opt的范围可以在10％-20％之间，本发明实施例取S_opt＝15％。ε_ave为预设的路面附着差异化极值，根据附着差异化极值可判断车辆各个车轮的车轮滑转率是否相近，当车轮滑转率相近表示车辆行驶的路面附着系数与道路位置无关，无需对车轮的驱动转矩进行调节，反之与道路位置有关，从而进一步对四个车轮进行驱动转矩调节。

①高附着系数路面的确定方式为：

S_i≤S_opt(i＝1,2,3,4)且

当车辆各个车轮滑转率都小于期望滑转率，并且车轮的附着差异化值在ε_ave以内，说明此时各个车轮的车轮滑转率都相近，且处于稳定的滑转率区间，说明此时车辆行驶的路面附着系数与道路位置无关，可判断为车辆在高附着系数路面上行驶。

②低附着系数路面的确定方式为：

S_i>S_opt(i＝1,2,3,4)且

当车辆各个车轮滑转率都大于期望滑转率，并且车轮的附着差异化值在ε_ave以内，说明此时各个车轮的滑转率都相近，但处于不稳定的滑转率区间，并且此时车辆行驶的路面附着系数与道路位置无关，可判断为车辆在低附着系数路面上行驶。

③对开路面的确定方式为：

S_l≥S_opt||S_r≥S_opt且|S_l-S_r|≥ε_lr且

当车辆左侧平均滑转率或右侧平均滑转率大于期望滑转率，并且左侧平均滑转率和右侧平均滑转率之间的差值大于左右路面的附着差异化差值ε_lr，且车轮的附着差异化值大于ε_ave。说明此时车辆各个车轮滑转率差异性较大，且处于不稳定的滑转率区域，并且此时车辆行驶的路面附着系数与道路位置有关，可判断为车辆在对开路面上行驶。

步骤S140，根据路面状态，结合期望滑转率确定车轮滑移率控制器。

在一些实施例中，步骤S140还包括以下步骤：

当所述路面状态为低附着系数路面或者对开路面，则采用PID控制方法设计所述车轮滑移率控制器。

具体地，当车轮处于过度滑转状态时，即使受到很小的侧向驱动力作用，车辆也会发生侧滑甚至侧翻，使车辆发生危险。因此车轮滑移率控制器主要保证在车辆在直线行驶中，使得各个车轮滑转率处于稳定范围内，从而保证车辆的直行一致性和稳定性。

当车辆在高附着路面上行驶时，此时的车轮滑转率S_i小于最佳滑转率S_opt，即期望滑转率，表明车轮未发生过度滑转，此时车轮滑移率控制器无需介入工作。当车辆在低附着路面上行驶时，此时的车轮滑转率S_i大于最佳滑转率S_opt，表明此时车轮发生过度滑转，车轮滑移率控制器使能进行工作。当车辆在对开路面上行驶时，此时车辆某一侧车轮实际滑转率S_i大于最佳滑转率S_opt，表明某一侧车轮发生过度滑转，此时低附着路面一侧车轮滑移率控制器介入工作。为此车轮滑移率控制器采用PID控制方法，输入量为实际的车轮滑转率S_i与最佳滑转率S_opt的差值，输出量为车轮驱动防滑调节力矩ΔT_s，即车轮滑移率控制器，如下：

步骤S150，根据纵向车速跟随控制器、附加横摆力矩控制器和车轮滑移率控制器，基于各车轮利用率的优化问题确定车轮转矩优化分配控制器。

在一些实施例中，步骤S150包括以下步骤：

将每一个车轮的轮毂电机分别与纵向车速跟随控制器、附加横摆力矩控制器和车轮滑移率控制器作为一个整体确定车轮驱动转矩；

以车辆的车轮利用率方差和车轮利用率之和最小化作为优化目标，对各个车轮的车轮驱动转矩进行求解分配，得到车轮转矩优化分配控制器。

具体地，考虑到在多约束条件下求解最优轮胎分配力矩以满足附加横摆力矩ΔM_z和驱动转矩T_i的要求，车辆的直行稳定性协调控制***要求能够快速精准调节车辆左右侧驱动转矩。相对于线性规划，二次规划能够很好地对跟踪误差最小化以及控制输入最小化问题进行优化求解，实现车辆各个车轮力矩的实时分配，为此设计基于二次规划的车轮转矩优化分配控制器。

车辆车轮利用率η_i是指车轮实际所受附着力与此时路面提供的最大附着力的比值，其大小表示车辆的稳定性裕度，车轮利用率越高表示车辆的稳定性裕度越低。所以要控制该指数尽可能小，从而保证轮胎处于稳定范围且不超过路面附着极限。

其中，μ_i为各个车轮所处路面的附着系数(i＝1,2,3,4)，F_zi为各个车轮的垂直载荷。

为了提高车辆在低附着路面上的直行稳定性和安全性，通过综合降低各个车轮利用率方差与车轮利用率之和，保证各车轮附着能力得到均匀利用的同时降低整车的利用率，使各车轮的附着性能得到充分的利用。因此选取车辆四个车轮利用率方差与四个车轮利用率之和最小化作为优化目标，对车轮驱动转矩进行求解，具体如下：

其中，η_ave为车轮平均利用率，λ为四个车轮利用率之和的权重系数。

由于车轮驱动转矩与车轮纵向驱动力存在以下关系：

T_i＝F_xiR_i； (29)

其中，T_i为各个车轮驱动转矩(i＝1,2,3,4)，R_i为各个车轮有效半径。

将各个车轮的轮毂电机分别与纵向车速跟随控制器、附加横摆力矩控制器和车轮滑移率控制器作为一个整体，并定义k_i为各整体执行器增益，各执行器特征如下：

T_i＝u_ik_i； (30)

并根据车辆的动力学模型可得：

v＝Su；(31)

其中，

u＝[F_x1 F_x2 F_x3 F_x4]^T，

由于对车辆四个车轮利用率方差与四个车轮利用率之和取最小值为优化目标计算量过于庞大，难以求解，为此将优化各轮胎利用率之和最小化作为目标，由计算得结果进一步求解得各车轮利用率方差，进而完成对车轮驱动转矩进行求解。首先建立以下优化问题：

其中，W为加权矩阵，

在优化分配算法求解过程中，得到的有效解既要满足各车轮转矩需求，又要受到轮毂电机最大输出转矩和路面附着条件的限制，为此目标函数的约束条件为：

其中，T_max为轮毂电机所能输出的最大驱动转矩。

为使纵向驱动转矩分配误差最小，将等式约束v＝Su转化为min||Su-v||作为优化目标的一部分，可得到以下序列最小二乘法问题：

其中，W_u为控制向量u的权重矩阵，决定u中各元素之间权重关系；W_v为转矩分配需求权重矩阵，决定v中各元素之间权重关系。

进一步地，引入权重系数γ将公式(34)转换为加权最小二乘法问题：

当权重系数γ很大时，在约束条件中要优先满足min||Su-v||，将公式(35)变形得：

其中，定义

和

为加权矩阵。

并由根据轮毂电机输出最大驱动力可得各车轮最大纵向驱动转矩：

F_xi,max＝min|μ_iF_zi,T_max/R_i|； (37)

因此知各车轮纵向驱动转矩控制变量的边界条件为：

进一步利用有效集法对u进行求解，求得各车轮利用率之和在约束条件下的最优解，进而求解得各车轮利用率方差的最优解，进一步对各车轮驱动转矩进行求解分配，在保证车轮不发生过度滑转的前提下，实时调节车辆两侧车轮驱动转矩，进而纠正车辆姿态，从而保证车辆直线行驶以及行驶过程中的稳定性。

其中，T_i为经优化分配后各轮毂电机的车轮驱动转矩，T_max为轮毂电机的最大驱动转矩。

本发明的上述实施例具有以下有益效果：

结合车辆自身行驶状态信息和行驶环境，跟随驾驶员期望车速和期望路径，保持车身姿态及计算车辆附加横摆力矩、各车轮分配驱动转矩，根据不同的车辆行驶工况，输出车辆预期驱动转矩。本发明实施例通过设计纵向车速跟随控制器、附加横摆力矩控制器、路面状态识别模块、车轮滑移率控制器和车轮转矩分配控制器。纵向车速跟随控制器计算得车辆达到期望车速需要的期望转矩Te，附加横摆力矩控制器计算得纠正车辆跑偏的附加横摆力矩ΔM_z，路面状态识别模块针对不同的路面状态识别的不同车轮滑转率S_opt，车轮滑移率控制器来控制各个车轮滑转率处于稳定范围内，车轮转矩分配控制器实时调节车辆两侧车轮驱动转矩，纠正车身姿态，从而保证车辆的直行一致性和直行稳定性。

第一模块，用于建立轮毂电机车辆的动力学模型；

第二模块，用于根据动力学模型，基于滑模变结构确定纵向车速跟随控制器和附加横摆力矩控制器；

第三模块，用于根据车辆的车轮转速确定车轮滑转率，结合车轮滑转率确定路面状态；

第四模块，用于根据路面状态，结合期望滑转率确定车轮滑移率控制器；

第五模块，用于根据纵向车速跟随控制器、附加横摆力矩控制器和车轮滑移率控制器，基于各车轮利用率的优化问题确定车轮转矩优化分配控制器。

参照图4，图4是本发明一个实施例提供的轮毂电机车辆驱动装置的示意图。本发明实施例的轮毂电机车辆驱动装置包括一个或多个控制处理器和存储器，图4中以一个控制处理器及一个存储器为例。

控制处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。

存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于控制处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该轮毂电机车辆驱动装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

本领域技术人员可以理解，图4中示出的装置结构并不构成对轮毂电机车辆驱动装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

实现上述实施例中应用于轮毂电机车辆驱动装置的轮毂电机车辆驱动方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器中，当被控制处理器执行时，执行上述实施例中应用于轮毂电机车辆驱动装置的轮毂电机车辆驱动方法。

此外，本发明的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，可使得上述一个或多个控制处理器执行上述方法实施例中的轮毂电机车辆驱动方法。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、***可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。