CN114194178B - 四轮转向四轮驱动智能底盘稳定性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轮转向四轮驱动智能底盘稳定性控制方法，通过自适应终端滑模控制、速度跟随控制、驱动力分配控制等步骤流程，能够结合四轮转向与四轮驱动的优势，降低对***建模精度的要求，解决因轮胎侧偏刚度、底盘横摆转动惯量等测量不准确导致的建模误差，同时，在自适应终端滑模控制中建立的滑模面引入了一项非线性项，该滑模面相较于普通线性滑模面的突出优点是可以使***状态在有限时间内收敛至平衡原点，从而提高***响应，较好地维持四轮转向四轮驱动智能底盘的稳定性。

Description

四轮转向四轮驱动智能底盘稳定性控制方法

技术领域

本发明涉及汽车控制领域，具体是一种四轮转向四轮驱动智能底盘稳定性控制方法。

背景技术

目前国内外研究学者对四轮转向四轮驱动的集成控制进行了诸多研究，但仍有许多不足。专利CN 107215329 B通过对螺旋滑模控制器的控制增益进行自适应设计，弥补建模带来的影响，提高了汽车横向稳定性的控制精度，但该方法未能将四轮转向与四轮驱动进行结合，不能充分发挥四轮转向四轮驱动智能底盘的优势。专利CN 111497826 B采用了一种分层控制思想，上层采用模型预测控制器，下层为转矩优化分配控制器，较好地保证了车辆的运动稳定性，但该方法对***建模精度要求较高，***响应慢，不能根据车辆实际使用情况自适应调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种四轮转向四轮驱动智能底盘稳定性控制方法，该控制方法能够结合四轮转向与四轮驱动的优势，降低对***建模精度的要求，解决因轮胎侧偏刚度、底盘横摆转动惯量等测量不准确导致的建模误差，同时，在自适应终端滑模控制中建立的滑模面引入了一项非线性项，可以使***状态在有限时间内收敛至平衡原点，从而提高***响应，较好地维持四轮转向四轮驱动智能底盘的稳定性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：四轮转向四轮驱动智能底盘稳定性控制方法，包括以下步骤：

S1：整车控制器获取驾驶员输入的前轮转角及请求的车速的信息，并控制底盘反馈实时的质心侧偏角、横摆角速度、纵向加速度、横向加速度和纵向车速的信息；

S2：整车控制器根据驾驶员输入的前轮转角及底盘反馈的纵向车速，通过前轮转向理想二自由度模型求得理想值X_d，其中前轮转向理想二自由度模型为：

其中，m为底盘质量；a为底盘的前轴距质心距离，b为底盘的后轴距质心距离；u为底盘反馈的纵向车速；k₁为底盘的前轴等效侧偏刚度，k₂为底盘的后轴等效侧偏刚度；I_z为底盘的横摆转动惯量；β_d为底盘的理想质心侧偏角，γ_d为底盘的理想横摆角速度；为底盘的理想质心侧偏角的导数，/>为底盘的理想横摆角速度的导数；δ_f为前轮转角；

底盘在稳态情况下，和/>分别等于零，代入上述公式，求取底盘在稳态情况下的横摆角速度值，并以此值作为底盘的理想横摆角速度γ_d；由于底盘的质心侧偏角越小越好，因此将底盘的理想质心侧偏角β_d设为零，取：

求得理想值X_d；

S3：通过自适应终端滑模控制，求得后轮转角δ_r及底盘的附加横摆力矩ΔM，具体流程为：

S31：建立四轮转向四轮驱动智能底盘动力学模型如下：

令：

则：

其中，β为底盘反馈的质心侧偏角，为β的导数；γ为底盘反馈的横摆角速度，/>为γ的导数；

为了后续便于描述，令：

则A、E、B分别表示为：

S32：取跟踪误差e为：

为了描述方便，令：

取滑模面s为：

其中，c₁,c₂,d₁,d₂,p,q均为常数，c₁,c₂,d₁,d₂＞0，p,q为正奇数，且p＞q；

对滑模面进行求导：

其中，为s的导数，/>为e的导数，/>为X_d的导数，/>

该滑模面引入了一项非线性项，当跟踪误差e远离平衡原点时，ce起主要作用，保证e具有较快的收敛速度；当e接***衡原点时，de^8/p起主要作用，保证***状态的有限时间收敛特性；

取指数趋近控制律为：

其中，k_a,k_b为正数；

因此，控制律为：

S33：取Lyapunov函数为：

其中，s^N为矩阵s的转置矩阵； 为r_k的估计值，k取值为111,112,121,122,21,22，τ_k为常数；

S34：A、E、B矩阵的自适应律的求解

对Lyapunov函数求导：

其中，为/>的导数；

取自适应率为：

因此，当且仅当s＝0时，/>根据Lasalle不变性原理，闭环***为渐进稳定，即当t→∞时，s→0；

为了防止因过大而导致控制律U不准确，需要通过自适应率的设计使/>的变化在/>范围内，采用一种映射自适应算法，对自适应率进行修正：

其中：

取分别为A、E、B的估计值，则：

S35：控制律U可表示为：

求得δ_r和ΔM，其中δ_r由整车控制器直接施加给底盘执行；

S4：进行速度跟随控制，即根据驾驶员请求的车速u_d与底盘反馈的纵向车速u的差值e_u做PI控制，求得维持驾驶员请求的车速所需的纵向力矩请求T：

T＝K_pe_u+K_i∫₀ ^te_udt

其中，K_p为比例项系数，K_i为积分项系数；

S5：进行驱动力分配控制，即根据自适应终端滑模控制求得的ΔM与速度跟随控制求得的T，通过序列二次规划算法SQP求取底盘的车轮转矩：

为了便于表述，引入轮胎负荷率ρ_j：

其中，fl,fr,rl,rr分别代表底盘的前左轮、前右轮、后左轮、后右轮，F_xj为车轮纵向力，F_zj为车轮垂向载荷，y为路面附着系数，T_j为底盘的车轮转矩，r为轮胎滚动半径；

F_zj通过以下公式求得：

其中，g为重力加速度，a_x为底盘反馈的纵向加速度，a_y为底盘反馈的横向加速度，h为质心高度，W为轮距；

底盘的车轮转矩T_j通过求解如下优化目标函数获得：

minJ＝Σdρ_j-E(ρ_j)]²+εE(ρ_j)

T_fl+T_fr+T_rl+T_rr＝T

0≤T_j≤min(T_max,yF_zir)

其中，E(ρ_j)为轮胎负荷率的平均值，ε为权重系数，T_max为轮毂电机所能提供的最大力矩；

整车控制器将所求得的底盘的车轮转矩T_j发送给底盘各轮毂电机控制执行。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明四轮转向四轮驱动智能底盘稳定性控制方法通过自适应终端滑模控制、速度跟随控制、驱动力分配控制等步骤流程，能够结合四轮转向与四轮驱动的优势，降低对***建模精度的要求，解决因轮胎侧偏刚度、底盘横摆转动惯量等测量不准确导致的建模误差，同时，在自适应终端滑模控制中建立的滑模面引入了一项非线性项，该滑模面相较于普通线性滑模面的突出优点是可以使***状态在有限时间内收敛至平衡原点，从而提高***响应，较好地维持四轮转向四轮驱动智能底盘的稳定性。

附图说明

图1为本发明控制方法的架构图；

图2为本发明控制方法的流程图；

图3为本发明控制方法中自适应终端滑模控制的流程图；

图4为实施例的工况一中质心侧偏角响应曲线；

图5为实施例的工况一中横摆角速度响应曲线；

图6为实施例的工况二中质心侧偏角响应曲线；

图7为实施例的工况二中横摆角速度响应曲线；

图8为实施例的工况三中质心侧偏角响应曲线；

图9为实施例的工况三中横摆角速度响应曲线。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明四轮转向四轮驱动智能底盘稳定性控制方法的架构图和流程图分别见图1和图2，本发明控制方法中自适应终端滑模控制的流程图见图3。

为了验证本发明方法的有效性，选取了如下工况的实施例进行分析：

(1)工况一：纵向车速90km/h前轮阶跃转向工况

纵向车速90km/h，前轮转角在2-2.5秒时，由0°转为2°。工况一中，质心侧偏角与横摆角速度响应曲线如图4和图5所示。图4和图5中，ATSMC曲线表示采用本发明控制方法中的自适应终端滑模控制，NO_Control代表无控制，即后轮转角为0，四轮转矩相同。

(2)工况二：纵向车速90km/h前轮正弦转向工况

纵向车速90km/h，前轮转角采用幅值为2°、周期为4s正弦转向。工况二中，质心侧偏角与横摆角速度响应曲线如图6和图7所示。图6和图7中，ATSMC曲线表示采用本发明控制方法中的自适应终端滑模控制；NO_Control代表无控制，即后轮转角为0，四轮转矩相同。

(3)工况三：考虑参数摄动情况下，纵向车速90km/h前轮正弦转向工况

纵向车速90km/h，前轮转角采用幅值为2°、周期为4s正弦转向。工况三中，质心侧偏角与横摆角速度响应曲线如图8和图9所示。图8和图9中，ATSMC曲线表示采用本发明控制方法中的自适应终端滑模控制；NO_Control代表无控制，即后轮转角为0，四轮转矩相同；-20％Izk表示横摆角速度、轮胎侧偏刚度相较于真实值均减小20％，0％Izk表示横摆角速度、轮胎侧偏刚度相较于真实值不变，+20％Izk表示横摆角速度、轮胎侧偏刚度相较于真实值均增加20％。

以上三种工况下车辆稳定性控制效果见表1。

表1三种工况下车辆稳定性控制效果

由工况一、工况二仿真结果可以看出，在本发明的控制方法作用下，底盘的质心侧偏角误差、横摆角速度误差的绝对值最大值、均方根值均减小了70％以上，表明底盘在行驶过程中瞬间及全程稳定性均得到了较大改善。

由工况三仿真结果可以看出，在轮胎侧偏刚度、横摆角速度与真实值有较大偏差时，本发明提供的方法仍具有较好地控制效果，底盘质心侧偏角误差、横摆角速度误差的绝对值最大值、均方根值均减小了70％以上。

Claims (1)

1.四轮转向四轮驱动智能底盘稳定性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：整车控制器获取驾驶员输入的前轮转角及请求的车速的信息，并控制底盘反馈实时的质心侧偏角、横摆角速度、纵向加速度、横向加速度和纵向车速的信息；

S2：整车控制器根据驾驶员输入的前轮转角及底盘反馈的纵向车速，通过前轮转向理想二自由度模型求得理想值X_d，其中前轮转向理想二自由度模型为：

其中，m为底盘质量；a为底盘的前轴距质心距离，b为底盘的后轴距质心距离；u为底盘反馈的纵向车速；k₁为底盘的前轴等效侧偏刚度，k₂为底盘的后轴等效侧偏刚度；I_z为底盘的横摆转动惯量；β_d为底盘的理想质心侧偏角，γ_d为底盘的理想横摆角速度；为底盘的理想质心侧偏角的导数，/>为底盘的理想横摆角速度的导数；δ_f为前轮转角；

底盘在稳态情况下，和/>分别等于零，代入上述公式，求取底盘在稳态情况下的横摆角速度值，并以此值作为底盘的理想横摆角速度γ_d；由于底盘的质心侧偏角越小越好，因此将底盘的理想质心侧偏角β_d设为零，取：

求得理想值X_d；

S3：通过自适应终端滑模控制，求得后轮转角δ_r及底盘的附加横摆力矩ΔM，具体流程为：

S31：建立四轮转向四轮驱动智能底盘动力学模型如下：

令：

则：

其中，β为底盘反馈的质心侧偏角，为β的导数；γ为底盘反馈的横摆角速度，/>为γ的导数；

为了后续便于描述，令：

则A、E、B分别表示为：

S32：取跟踪误差e为：

为了描述方便，令：

取滑模面s为：

其中，c₁，c₂，d₁，d₂，p，q均为常数，c₁，c₂，d₁，d₂＞0，p，q为正奇数，且p＞q；

对滑模面进行求导：

其中，为s的导数，/>为e的导数，/>为X_d的导数，/>

该滑模面引入了一项非线性项，当跟踪误差e远离平衡原点时，ce起主要作用，保证e具有较快的收敛速度；当e接***衡原点时，de^q/p起主要作用，保证***状态的有限时间收敛特性；

取指数趋近控制律为：

其中，k_a，k_b为正数；

因此，控制律为：

S33：取Lyapunov函数为：

其中，s^T为矩阵s的转置矩阵； 为r_k的估计值，k取值为111，112，121，122，21，22，τ_k为常数；

S34：A、E、B矩阵的自适应律的求解

对Lyapunov函数求导：

其中，为/>的导数；

取自适应率为：

因此，当且仅当s＝0时，/>根据Lasalle不变性原理，闭环***为渐进稳定，即当t→∞时，s→0；

为了防止因过大而导致控制律U不准确，需要通过自适应率的设计使/>的变化在范围内，采用一种映射自适应算法，对自适应率进行修正：

其中：

取分别为A、E、B的估计值，则：

S35：控制律U可表示为：

求得δ_r和ΔM，其中δ_r由整车控制器直接施加给底盘执行；

S4：进行速度跟随控制，即根据驾驶员请求的车速ud与底盘反馈的纵向车速u的差值eu做PI控制，求得维持驾驶员请求的车速所需的纵向力矩请求T：

其中，K_p为比例项系数，K_i为积分项系数；

S5：进行驱动力分配控制，即根据自适应终端滑模控制求得的ΔM与速度跟随控制求得的T，通过序列二次规划算法SQP求取底盘的车轮转矩：

为了便于表述，引入轮胎负荷率ρ_j：

其中，fl，fr，rl，rr分别代表底盘的前左轮、前右轮、后左轮、后右轮，F_xj为车轮纵向力，F_zj为车轮垂向载荷，μ为路面附着系数，T_j为底盘的车轮转矩，r为轮胎滚动半径；

F_zj通过以下公式求得：

其中，g为重力加速度，a_x为底盘反馈的纵向加速度，a_y为底盘反馈的横向加速度，h为质心高度，W为轮距；

底盘的车轮转矩T_j通过求解如下优化目标函数获得：

min J＝∑[ρ_j-E(ρ_j)]²+εE(ρ_j)

s.t.

T_fl+T_fr+T_rl+T_rr＝T

0≤T_j≤min(T_max，μF_zir)

其中，E(ρ_j)为轮胎负荷率的平均值，ε为权重系数，T_max为轮毂电机所能提供的最大力矩；

整车控制器将所求得的底盘的车轮转矩T_j发送给底盘各轮毂电机控制执行。