CN115923773A - 一种线控四轮转向车辆稳定性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线控四轮转向车辆稳定性控制方法，属于车辆转向控制领域。将采集到的车辆横摆角速度信号和理想横摆角速度作为自抗扰控制器的输入信号，以跟踪理想横摆角速度为目标，经计算得出要保障横摆角速度跟踪所需的附加前轮转角，用以对前轮转角进行补偿；将采集到的质心侧偏角偏差量作为后轮转角控制器的输入信号，以零化质心侧偏角为目标，经计算输出后轮转角。本发明能够同时保障横摆角速度的跟踪和质心侧偏角的零化，提升车辆在转向过程中的稳定性，可应用于控制四轮转向车辆的稳定性。

Description

一种线控四轮转向车辆稳定性控制方法

技术领域

本发明属于车辆转向控制技术领域，具体涉及一种基于自抗扰控制和PID控制的线控转向车辆稳定性控制器。

背景技术

线控转向***(Steer-by-Wire,SBW)取消了转向盘与转向轮之间的部分机械连接，摆脱了传统转向***的各种限制，有利于进一步提高汽车的操纵性、舒适性以及安全性。四轮转向(Four Wheels Steering,4WS)作为一种新型的独立转向技术，能够独立控制车辆各个车轮转角，提高车辆的操纵稳定性。

目前主要基于PID控制、模糊控制、滑模控制、神经网络控制、鲁棒H∞控制等方法改善车辆的操纵稳定性。由于汽车线控转向设计的自由度较大，对汽车主动转向的控制策略也提出了更严格的要求，传统的PID控制以及滑模控制难以满足主动转向稳定性控制的要求，不足以处理模型不确定性和***扰动。

自抗扰控制技术(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)是一种从“基于误差消除误差”的控制论思想中延伸出的一种控制策略。不同于基于模型论，它完全独立于被控对象的数学模型，其最突出的特点就是把作用于被控对象的所有不确定因素的作用都归结为“未知扰动”，不需要知道扰动的作用规律，而利用被控对象的输入输出数据对其进行实时估计并给予补偿。自抗扰控制具有响应速度快、稳定时间短、抗干扰能力强以及算法简单便于工程实现的特点，因此在工程控制领域得到了广泛的应用。

目前解决四轮转向车辆在转向过程中的稳定性的方法有很多，通常考虑横摆角速度的反馈，也有考虑质心侧偏角反馈的，主要目标是通过一些控制算法的运用结合反馈量来控制车辆的横摆角速度达到预期标准，至于最终被控车辆输出的质心侧偏角则不做太多保证，车辆在转向过程中的稳定性有待提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种线控四轮转向车辆稳定性控制方法，以提升四轮转向车辆在转向过程中的稳定性。

为了解决以上技术问题，本发明将车辆的横摆角速度与质心侧偏角分别进行控制，既能保证被控车辆横摆角速度的跟踪，又能同时保证被控车辆的质心侧偏角更加趋近于零，能更好的提升车辆在转向过程中的稳定性，给予驾驶者更好的驾驶体验。本发明采用的具体技术方案如下。

一种线控四轮转向车辆稳定性控制方法，其特征在于基于自抗扰控制和PID控制，具体包括如下步骤：

步骤1，以传感器采集被控车辆的车速V及方向盘转角信息δ_sw作为前馈控制器输入信号，计算出四轮线控转向车辆的前轮转角δ_f；

其中，

L_f为汽车质心至前轴距离，L_r为汽车质心至后轴距离，m为为汽车质量，C_f为前轮的轮胎侧偏刚度，C_r为后轮的轮胎侧偏刚度，i为方向盘转角δ_sw与汽车前轮转角δ_f间的理想角传动比，

为汽车稳态横摆角速度增益，汽车稳态横摆角速度增益大约为0.16～0.33s^-1；

步骤2，采集车辆横摆角速度γ，将采集到的车辆横摆角速度信号γ和理想横摆角速度γ_d作为自抗扰控制器的输入信号，以跟踪理想横摆角速度γ_d为控制目标，经过计算得到自抗扰控制器的输出量u作为附加前轮转角Δδ_f，将附加前轮转角Δδ_f与初始的前轮转角δ_f之和作为新的车辆前轮转角δ_fz输出给被控车辆，从而使得车辆的横摆角速度γ更好的跟踪车辆的理想横摆角速度γ_d；

步骤3，采集质心侧偏角β与理想质心侧偏角β_d的偏差量作为后轮转角控制器的输入量，以零化质心侧偏角为目标，经计算得到后轮转角控制器的输出量c(t)作为后轮转角δ_r，后轮转角控制器采用PID控制器；

步骤4，将自抗扰控制器输出的附加前轮转角Δδ_f与前馈控制器输出的前轮转角δ_f之和δ_fz作为新的前轮转角输出给被控车辆，同时将PID控制器输出的后轮转角δ_r输出给被控车辆。

所述自抗扰控制器构建方法包括最速跟踪微分器TD的设计、扩张状态观测器ESO的设计和反馈控制律的设计；微分器TD的作用是为给定信号设置过渡过程并提取信号的微分值；ESO是自抗扰技术中的关键，它不仅可以观测出状态变量及其各阶导数估计值，还能对***扰动进行估计并加以补偿；NLSEF将TD和ESO的输出进行非线性组合，结合扰动补偿一起构成***的控制量。

所述最速跟踪微分器TD的设计如下：

最速跟踪微分器TD模块的输入是v，输出是v₁和v₂；v为期望信号值，v₁表示期望信号v的跟踪值，v₂表示对期望信号v微分的估计值；

以横摆角速度为反馈信号的闭环控制***；

若使用自抗扰控制策略，则上述期望信号值v表示理想横摆角速度γ_d；

其中，最速控制综合函数fhan函数是自抗扰控制器ADRC中跟踪微分器TD的核心函数，使得状态变量可以快速跟踪上***输入，fhan函数定义如下：

记fsg(x,d)＝(sign(x+d)-sign(x-d))/2

那么函数fhan(x₁,x₂,r,d)可表示成

r₀表示速度因子，决定跟踪速度；h₀为跟踪微分器的滤波因子，积分步长h确定时，扩大滤波因子是增强滤波效果的有效手段。

所述扩张状态观测器ESO的设计如下：

扩张状态观测器ESO模块的输入是y以及***控制量u与***比例参数b₀的乘积，输出是z₁、z₂和z₃；y为被控对象的输出值即控制***的反馈值，z₁为y的估计值，z₂为y微分的估计值，z₃为被控车辆受到内外因素导致的总体扰动的估计值；

以横摆角速度为反馈信号的闭环控制***，若使用自抗扰控制策略，则上述被控对象的输出值y表示实际横摆角度γ；

式中，e为观测误差，β₁，β₂，β₃为扩张状态观测器的可调参数，h为***的步长，b₀为***的比例参数，u为***的控制量，fe，fe₁为***中间变量；

fal函数定义如下：

式中，sign(x)为符号函数：

fal函数是一种特殊的非线性结构，是自抗扰控制器中扩张状态观测器ESO的核心部分；ESO利用非线性结构fal函数，然后选择观测器参数，即可以得到***所有状态的估计值。

所述反馈控制律的设计如下：

反馈控制律模块将TD模块和ESO模块的输出进行非线性组合，得到非线性状态误差反馈输出量u₀；

v₁，v₂为一阶跟踪微分器输出的过渡过程；z₁，z₂为扩张状态观测器的输出；c，r₁，h₁为非线性误差反馈律的可调参数。

所述扰动补偿过程的设计如下：扰动补偿过程将非线性状态误差反馈输出量u₀，结合扰动补偿一起构成***的控制量；

u＝u₀-z₃/b₀

u为经过扰动补偿后输入给控制对象的控制量，u对应附加前轮转角Δδ_f。

本发明具有有益效果。本发明通过将采集到的车辆横摆角速度信号和理想横摆角速度作为自抗扰控制器的输入信号，以跟踪理想横摆角速度为目标，经计算得出要保障横摆角速度跟踪所需的附加前轮转角，将附加前轮转角与初始的前轮转角之和作为新的车辆前轮转角输出给被控车辆；将采集到的质心侧偏角偏差量作为后轮转角控制器的输入信号，以零化质心侧偏角为目标，经计算输出后轮转角。本发明能够同时保障横摆角速度的跟踪和质心侧偏角趋近于零，提升了车辆在转向过程中的稳定性。

附图说明

图1为本发明四轮线控转向控制***的逻辑框图；

图2为自抗扰控制器的结构框图；

图3为PID控制器的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细说明。

四轮线控转向***的总体控制逻辑如图1所示，具体包括如下步骤：

首先，以传感器采集车速及方向盘转角信息作为前馈控制器输入信号，计算出四轮线控转向车辆的前轮转角δ_f。

然后，采集车辆横摆角速度信号γ，将其输出给ADRC控制模块，以跟踪理想横摆角速度γ_d为控制目标，经过计算得到附加前轮转角Δδ_f，用来修正车辆的横摆角速度γ。

同时采集质心侧偏角β与理想质心侧偏角β_d的偏差量作为后轮转角控制器的输入量，以零化质心侧偏角为目标，经计算输出后轮转角δ_r。后轮转角控制器采用PID控制器，其控制框图如图3所示，控制器输入r(t)表示被控车辆输出的实际质心侧偏角β与理想质心侧偏角β_d的差值，输出c(t)表示后轮转角δ_r。PID控制器的运算公式为

在仿真过程中控制器的参数为k_p＝10，k_i＝80，k_d＝0.1。

最后，将自抗扰控制器输出的附加前轮转角Δδ_f与前馈控制器输出的前轮转角δ_f之和δ_fz作为新的前轮转角输出给被控车辆，同时将PID控制器输出的后轮转角δ_r输出给被控车辆。

前轮转角控制器采用ADRC控制器进行控制，ADRC由3个部分组成：跟踪微分器(Tracking Differentiator，TD)、扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)、非线性状态误差反馈控制律(Nonlinear State Error Feedback Control Low，NLSEF)。ADRC的控制框图如图2所示，其中TD的作用是为给定信号设置过渡过程并提取信号的微分值；ESO是自抗扰技术中的关键，它不仅可以观测出状态变量及其各阶导数估计值，还能对***扰动进行估计并加以补偿；NLSEF将TD和ESO的输出进行非线性组合，结合扰动补偿一起构成***的控制量。自抗扰控制器的设计步骤如下：

最速跟踪微分器TD的设计：

最速跟踪微分器模块的输入是v，输出是v₁和v₂。v为期望信号值，v₁表示期望信号v的跟踪值，v₂表示对期望信号v微分的估计值。

本发明的研究内容是以横摆角速度为反馈信号的闭环控制***，若使用自抗扰控制策略，则上述期望信号值v表示理想横摆角速度γ_d。

式中，r₀表示速度因子，决定跟踪速度；参数h₀为跟踪微分器的滤波因子，积分步长h确定时，扩大滤波因子是增强滤波效果的有效手段。

记fsg(x,d)＝(sign(x+d)-sign(x-d))/2

那么u＝fhan(x₁,x₂,r,d)表示成

扩张状态观测器ESO的设计：

扩张状态观测器模块的输入是y以及***控制量u与***比例参数b0的乘积，输出是z₁、z₂和z₃。y为被控对象的输出值即控制***的反馈值，z₁为y的估计值，z₂为y微分的估计值，z₃为被控对象受到内外因素导致的总体扰动的估计值。

本发明的研究内容是以横摆角速度为反馈信号的闭环控制***，若使用自抗扰控制策略，则上述被控对象的输出值y表示实际横摆角度γ。

式中，e为观测误差，β₁，β₂，β₃为扩张状态观测器的可调参数，h为***的步长，b₀为***的比例参数，u为***的控制量，fe，fe₁为***中间变量。

其中，

式中，sign(x)为符号函数：

反馈控制律的设计：

反馈控制律模块将TD模块和ESO模块的输出进行非线性组合，得到非线性状态误差反馈输出量u_0。

式中，v₁，v₂为一阶跟踪微分器输出的过渡过程，z₁，z₂为扩张状态观测器的输出，c，r₁，h₁为非线性误差反馈律的可调参数。

扰动补偿过程：

该过程将非线性状态误差反馈输出量u₀，结合扰动补偿一起构成***的控制量。

u＝u₀-z₃/b₀

式中，u为经过扰动补偿后输入给控制对象的控制量，u对应附加前轮转角Δδ_f。

为了验证本发明的基于自抗扰控制和PID控制的线控四轮转向车辆稳定性控制方法，在MATLAB/Simulink平台上进行了线控四轮转向车辆稳定性控制仿真实验。控制器参数见表1。

表1.自抗扰控制器参数

以上实施例可用于说明本发明的设计思想及特点，本领域的普通技术人员可以理解。

Claims (6)

1.一种线控四轮转向车辆稳定性控制方法，其特征在于基于自抗扰控制和PID控制，具体包括如下步骤：

步骤1，以传感器采集被控车辆的车速V及方向盘转角信息δ_sw作为前馈控制器输入信号，计算出四轮线控转向车辆的前轮转角δ_f；

其中，

L_f为汽车质心至前轴距离，L_r为汽车质心至后轴距离，m为为汽车质量，C_f为前轮的轮胎侧偏刚度，C_r为后轮的轮胎侧偏刚度，i为方向盘转角δ_sw与汽车前轮转角δ_f间的理想角传动比，

为汽车稳态横摆角速度增益，汽车稳态横摆角速度增益大约为0.16～0.33s^-1；

步骤2，采集车辆横摆角速度γ，将采集到的车辆横摆角速度信号γ和理想横摆角速度γ_d作为自抗扰控制器的输入信号，以跟踪理想横摆角速度γ_d为控制目标，经过计算得到自抗扰控制器的输出量u作为附加前轮转角Δδ_f，将附加前轮转角Δδ_f与初始的前轮转角δ_f之和作为新的车辆前轮转角δ_fz输出给被控车辆，从而使得车辆的横摆角速度γ更好的跟踪车辆的理想横摆角速度γ_d；

步骤3，采集质心侧偏角β与理想质心侧偏角β_d的偏差量作为后轮转角控制器的输入量，以零化质心侧偏角为目标，经计算得到后轮转角控制器的输出量c(t)作为后轮转角δ_r，后轮转角控制器采用PID控制器；

步骤4，将自抗扰控制器输出的附加前轮转角Δδ_f与前馈控制器输出的前轮转角δ_f之和δ_fz作为新的前轮转角输出给被控车辆，同时将PID控制器输出的后轮转角δ_r输出给被控车辆。

2.根据权利要求1所述的一种线控四轮转向车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述自抗扰控制器构建方法包括最速跟踪微分器TD的设计、扩张状态观测器ESO的设计和反馈控制律的设计；微分器TD的作用是为给定信号设置过渡过程并提取信号的微分值；ESO是自抗扰技术中的关键，它不仅可以观测出状态变量及其各阶导数估计值，还能对***扰动进行估计并加以补偿；NLSEF将TD和ESO的输出进行非线性组合，结合扰动补偿一起构成***的控制量。

3.根据权利要求2所述的一种线控四轮转向车辆稳定性控制方法，其特征在于所述最速跟踪微分器TD的设计如下：

最速跟踪微分器TD模块的输入是v，输出是v₁和v₂；v为期望信号值，v₁表示期望信号v的跟踪值，v₂表示对期望信号v微分的估计值；

以横摆角速度为反馈信号的闭环控制***；

若使用自抗扰控制策略，则上述期望信号值v表示理想横摆角速度γ_d；

其中，最速控制综合函数fhan函数是自抗扰控制器ADRC中跟踪微分器TD的核心函数，使得状态变量可以快速跟踪上***输入，fhan函数定义如下：

记fsg(x,d)＝(sign(x+d)-sign(x-d))/2

那么函数fhan(x₁,x₂,r,d)可表示成

r₀表示速度因子，决定跟踪速度；h₀为跟踪微分器的滤波因子，积分步长h确定时，扩大滤波因子是增强滤波效果的有效手段。

4.根据权利要求2所述的一种线控四轮转向车辆稳定性控制方法，其特征在于所述扩张状态观测器ESO的设计如下：

扩张状态观测器ESO模块的输入是y以及***控制量u与***比例参数b₀的乘积，输出是z₁、z₂和z₃；y为被控对象的输出值即控制***的反馈值，z₁为y的估计值，z₂为y微分的估计值，z₃为被控车辆受到内外因素导致的总体扰动的估计值；

以横摆角速度为反馈信号的闭环控制***，若使用自抗扰控制策略，则上述被控对象的输出值y表示实际横摆角度γ；

式中，e为观测误差，β₁，β₂，β₃为扩张状态观测器的可调参数，h为***的步长，b₀为***的比例参数，u为***的控制量，fe，fe₁为***中间变量；

fal函数定义如下：

式中，sign(x)为符号函数：

fal函数是一种特殊的非线性结构，是自抗扰控制器中扩张状态观测器ESO的核心部分；ESO利用非线性结构fal函数，然后选择观测器参数，即可以得到***所有状态的估计值。

5.根据权利要求2所述的一种线控四轮转向车辆稳定性控制方法，其特征在于所述反馈控制律的设计如下：

反馈控制律模块将TD模块和ESO模块的输出进行非线性组合，得到非线性状态误差反馈输出量u₀；

v₁，v₂为一阶跟踪微分器输出的过渡过程；z₁，z₂为扩张状态观测器的输出；c，r₁，h₁为非线性误差反馈律的可调参数。

6.根据权利要求2所述的一种线控四轮转向车辆稳定性控制方法，其特征在于所述扰动补偿过程的设计如下：扰动补偿过程将非线性状态误差反馈输出量u₀，结合扰动补偿一起构成***的控制量；

u＝u₀-z₃b₀

u为经过扰动补偿后输入给控制对象的控制量，u对应附加前轮转角Δδ_f。

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