CN116552485A - 面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法和***，方法包括：获取汽车线控制动***的状态信号，得到分别表示故障类型和故障程度的故障因子，从而获得对应的故障码；根据故障码，采取对应故障控制策略，基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构；根据车速和转向角，载入线性二自由度汽车模型中，获取理想横摆角速度，然后通过滑膜控制器进行横摆力矩控制，得到附加横摆力矩，实现差动制动控制；若车轮的目标制动力大于最大制动力，则进行主动转向控制，并设置协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子，对附加横摆力矩进行调整，实现引入辅助转向的整体控制。与现有技术相比，本发明具有***安全性、容错能力和稳定性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及汽车制动控制技术领域，尤其是涉及一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法和***。
背景技术
随着汽车行业电动化与智能化发展趋势，线控技术成为实现车辆智能化的关键技术，将线控技术应用于车辆控制成为新的趋势。线控技术起初用于航空航天领域，随着线控技术的发展，几乎所有传统汽车的机械机构均可被电执行元件代替，实现对汽车的电子控制，目前线控底盘集成控制和线控汽车是未来车辆研究的主要趋势。
在线控技术中，线控制动***(Brake-by-Wire)利用电子控制技术取代了原有复杂沉重的液压管路及相关机械结构，同时具有响应快、精度高的特点，是目前智能车辆领域研究的热点之一。线控制动将制动意图转化为电信号传递给制动控制器，再利用制动电机实现车辆制动，较传统制动***，大幅提升了制动响应速度与准确性。但是，线控制动***在发生故障时可能造成极为严重的后果，***中部分电控单元发生故障会直接导致制动***失效或异常，当发生单轮或不平衡制动力失效时，不仅会导致车辆总制动力下降，更为严重的是会导致车辆的失稳与侧翻。因此，为保证制动安全，故障诊断措施以及制动失效时保证车辆安全性的容错控制成为未来发展的关键技术。
申请号为CN201910930418.5的发明公开了一种针对汽车线控制动失效故障的容错控制***及控制方法，可应用于线控液压制动***。当线控制动***出现故障时，控制单元控制线控制动***停止工作，并控制二位三通电磁阀使液压制动***的主缸与轮缸相通，利用液压制动***实现车辆制动。
申请号为CN202110346836.7的发明公开了一种基于数字孪生的线控制动***及其动态优化控制方法，提出了一种结合物理线控制动***、整车控制***和数字孪生制动***的控制方法，物理线控制动***和整车控制***通过车载CAN总线连接，整车控制***与数字孪生制动***通过高速通讯链路连接，通过高速通讯链路与整车控制***相连,实现与物理线控制动***的间接通讯与数据交互。
申请号为CN202121121661.1的发明公开了一种基于六相容错电机的汽车线控制动***，提出了包含制动检测装置、制动执行装置和电子控制装置及警示装置的车辆线控制动***，采用六相容错制动执行电机并可作为两组三相电机进行控制，六相容错制动执行电机为两端贯通式的输出轴，电机两端输出轴分别连接到两边的凸轮和活塞组成两套ABS泵，两组三相电机输出互为冗余；在线控制动***正常工作情况下，两组三相电机共同工作，若其一电机故障，给予警示并实现基本ABS功能。
申请号为CN202211157787.3的发明公开了一种基于线控制动的冗余安全控制***，提出通过至少两路CAN总线连接的电动助力制动机构和电子车身稳定***，两路CAN总线传输的信息互为备份；电动助力制动机构和电子车身稳定***还通过其中一路CAN总线连接整车控制器、电机控制器和电子驻车***。实现线控制动***的故障风险辨识及相应的冗余安全控制。
申请号为CN202211231810.9的发明公开了一种双冗余电子制动助力***及控制方法，由踏板模块U1、助力模块U2组成，前者包含联动踏板、一号模拟主缸及二号模拟主缸。当驾驶员对联动踏板施加踏板力时，联动踏板推动两个模拟主缸同时建立液压，一号及二号踏板感传感器将踏板行程信号发到ECU控制器，助力模块U2通过管路与U1连接，助力模块U2在外部与ESC连接，ESC连通制动器，可实现相互冗余，具备多级备份能力。
上述现有技术存在以下缺陷：
1、目前存在车辆线控制动***多为EHB***，未完全取消液压结构，因此多采用液压进行冗余备份，并非完全的线控制动***。
2、目前大多数提升线控制动安全性的方案为添加冗余装置，该方案可以提高***的可靠性，却大幅提升了***制造成本。
3、目前对于线控制动***故障的处理方案一般采用直接关断或切换冗余备份装置，对不同类型故障均采用相同控制方案。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在并非完全的线控制动***、对不同类型故障均采用相同控制方案的缺陷而提供一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法和***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法，包括以下步骤：
获取汽车线控制动***的状态信号；根据所述状态信号中的车轮实际制动力和车轮期望制动力，得到分别表示故障类型和故障程度的故障因子，从而获得对应的故障码；
根据所述故障码，采取对应故障控制策略，基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构，进行汽车单轮失效初步制动控制；
根据所述状态信号中的车速和转向角，载入基于侧向力和横摆力矩的线性二自由度汽车模型中，获取理想横摆角速度；根据该理想横摆角速度与实际横摆角速度，通过滑膜控制器进行横摆力矩控制，得到附加横摆力矩；根据发生故障的车轮以及对应的故障因子，将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上，进行差动制动控制；
根据各车轮的制动力和附加横摆力矩，判断各车轮的目标制动力是否大于最大制动力，若是，则进行主动转向控制，根据车辆几何结构和轮胎侧偏特性，基于附加横摆力矩计算出附加转角，并设置协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子，对附加横摆力矩和附加转角进行调整，实现引入辅助转向的整体控制。
进一步地，所述故障因子包括故障因子λ1_i和故障因子λ2_i，所述故障因子λ1_i用于代表车轮i的故障类型，所述故障因子λ1_i的赋值表达式为：
所述故障因子λ2_i用于代表车轮i的故障程度，所述故障因子λ2_i的赋值表达式为：
式中，i＝FL/FR/RL/RR分别表示前轴左轮、前轴右轮、后轴左轮和后轴右轮，Fxb_i为车轮i的实际制动力，Fexb_i为车轮i的期望制动力。
进一步地，若前轴左轮为故障车轮，则基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构的分配表达式包括：
式中，Fdxb_FL为前轴左轮分配后的制动力，Fexb_f为前轴的期望制动力，λ1_FL为前轴左轮的故障类型，λ2_FL为前轴左轮的故障程度，Fdxb_FR为前轴右轮分配后的制动力，Fexb_r为后轴的期望制动力，Fdxb_RL为后轴左轮分配后的制动力，Fdxb_RR为后轴右轮分配后的制动力。
进一步地，所述基于侧向力和横摆力矩的线性二自由度汽车模型的运动微分方程的表达式为：
式中，为质心侧偏角增益，/>为横摆角速度增益，Cf为前轴侧偏刚度，Cr为后轴侧偏刚度，M为整车质量，Vx为纵向车速，β为质心侧偏角，La为前轴到质心距离，Lb为后轴到质心距离，ω为横摆角速度，δ为前轮转角，Iz为绕z轴转动惯量，ΔMb为附加横摆力矩；
将质心侧偏角和横摆角速度增益均为0代入所述运动微分方程中，得到理想横摆角速度的计算表达式为：
式中，ωexp为理想横摆角速度，K为稳定性因数，L为前轴到后轴距离。
进一步地，通过滑膜控制器进行横摆力矩控制的过程具体包括：
将理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值设置为滑膜控制器的滑膜面，通过滑膜控制器计算得到附加横摆力矩的计算表达式为：
式中，为微分处理后的理想横摆角速度，ωexp为理想横摆角速度，ξ为滑膜控制参数；
所述滑膜控制器进行控制过程中，存在理想横摆角速度和理想质心侧偏角的约束包括：
式中，ωmax为理想横摆角速度的最大值，βmax为理想质心侧偏角的最大值。
进一步地，将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上的具体过程包括：
若前轴左轮为故障车轮，且λ1_FL·λ2_FL＜0时，将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上的计算表达式为：
式中，ΔFx_FR′为分配后的前轴右轮纵向力，ΔFx_FR为实现横摆力矩附加横摆力矩的前轴右轮纵向力，ΔMb为附加横摆力矩，Lb为后轴到质心距离，B为左右车轮的轮距，La为前轴到质心距离，δ为前轮转角，ΔFx_RL′为分配后的后轴左轮纵向力，ΔFx_RL为实现横摆力矩附加横摆力矩的后轴左轮纵向力，ΔFx_FL为实现横摆力矩附加横摆力矩的前轴左轮纵向力，ΔFx_RR′为分配后的后轴右轮纵向力，ΔFx_RR为实现横摆力矩附加横摆力矩的后轴右轮纵向力；
若前轴左轮为故障车轮，且2＞λ1_FL·λ2_FL＞0时，将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上的计算表达式为：
进一步地，若前轴左轮为故障车轮，所述协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子的计算表达式为：
式中，σ为权重因子，Fxb_obj_i为车轮i的目标制动力，Fxb_max_i为车轮i的最大制动力，Fxb_i为车轮i的实际制动力，FR/RL/RR分别为前轴右轮、后轴左轮和后轴右轮；
所述附加横摆力矩ΔMb的控制方式调整为：
式中，ΔMb_b为由差动制动产生的横摆力矩，ΔMb_s为是通过调节前轮转角产生的横摆力矩，所述附加转角的计算表达式为：
式中，La为后轴到质心距离，Cf为前轴侧偏刚度。
进一步地，当车轮的目标制动力是否大于最大制动力时，所述附加横摆力矩的计算分配表达式为：
式中，ΔFxc_FR为辅助转向后的前轴右轮纵向力，ΔFxc_RL为辅助转向后的后轴左轮纵向力，ΔFxc_RR为辅助转向后的后轴右轮纵向力，Lb为后轴到质心距离，B为左右车轮的轮距，δ为前轮转角，ks为方向盘转角与前轮转角间的转向比；δs为方向盘转角。
本发明还提供一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制***，包括以下步骤：
***失效辨识模块，用于获取汽车线控制动***的状态信号；根据所述状态信号中的车轮实际制动力和车轮期望制动力，得到分别表示故障类型和故障程度的故障因子，从而获得对应的故障码；
基础失效控制模块，用于根据所述故障码，采取对应故障控制策略，基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构，进行汽车单轮失效初步制动控制；
滑膜差动控制模块，用于根据所述状态信号中的车速和转向角，载入基于侧向力和横摆力矩的线性二自由度汽车模型中，获取理想横摆角速度；根据该理想横摆角速度与实际横摆角速度，通过滑膜控制器进行横摆力矩控制，得到附加横摆力矩；根据发生故障的车轮以及对应的故障因子，将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上，进行差动制动控制；
辅助转向控制模块，用于根据各车轮的制动力和附加横摆力矩，判断各车轮的目标制动力是否大于最大制动力，若是，则进行主动转向控制，根据车辆几何结构和轮胎侧偏特性，基于附加横摆力矩计算出附加转角，并设置协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子，对附加横摆力矩和附加转角进行调整，实现引入辅助转向的整体控制。
进一步地，所述基础失效控制模块为基础失效控制器，该基础失效控制器，用于根据所述故障码，采取对应故障控制策略，基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构，进行汽车单轮失效初步制动控制；
所述滑膜差动控制模块包括滑膜控制器和差动制动控制器，
所述滑膜控制器，用于根据由线性二自由度汽车模型计算出的理想横摆角速度，与实际横摆角速度对比，进行横摆力矩控制，得到附加横摆力矩；
所述差动制动控制器，用于根据基础失效控制模块重构后的制动力进行制动力控制，并进一步将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上，并基于辅助转向控制模块反馈的权重因子进行差动制动控制；
所述辅助转向控制模块包括附着极限判断模块和辅助转向控制器，
所述附着极限判断模块，用于根据各车轮的制动力和附加横摆力矩，判断各车轮的目标制动力是否大于最大制动力；
所述辅助转向控制器，用于在判断出目标制动力大于最大制动力时，进行主动转向控制，根据车辆几何结构和轮胎侧偏特性，基于附加横摆力矩计算出附加转角，并设置协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子，对附加转角进行调整，输出转向角控制量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明所提出的失效控制方案可覆盖绝大部分EMB***故障类型，通过设置故障因子和故障码进行判别，后续可实现针对不同故障采用不同控制策略；
利用可正常制动的车轮进行制动力重构，在不需要冗余机构的条件下实现车辆稳定性及制动控制；通过滑膜控制器以车辆横摆力矩为控制目标进行后续容错控制器设计，进一步提高了车辆稳定性；
在制动力不足时引入辅助转向控制，在大部分情况通过直接横摆控制实现车辆稳定性控制，在制动力不足时加入转向，保障了车辆稳定性。
(2)目前存在车辆线控制动***多为EHB***，未完全取消液压结构，因此多采用液压进行冗余备份，并非完全的线控制动***。本发明是基于四轮独立式的EMB线控制动***进行容错控制设计，取消了所有液压管路，用电机作为动力源，用电信号代替机械传动机构，传递制动信息。可以有效减小制动***的体积和安装灵活性，同时大幅提升制动***控制灵敏度和精确性。
(3)目前大多数提升线控制动安全性的方案为添加冗余装置，该方案可以提高***的可靠性，却大幅提升了***制造成本。本发明则是在原有的四轮制动模块工作能力基础上进行四轮制动力的协调控制，最大程度利用原***的制动能力。
(4)目前对于线控制动***故障的处理方案一般采用直接关断或切换冗余备份装置，对不同类型故障均采用相同控制方案。而本发明针对不同类型的故障采用不同的控制方案，通过失效判断模块进行故障类型的确认，继而选择对应容错控制方案。该策略可有效解决不同故障对车辆制动***的影响，从而达到更优控制效果。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种EMB***整车架构示意图；
图3为本发明实施例中提供的一种***失效控制流程示意图；
图4为本发明实施例中提供的一种线性二自由度模型示意图；
图5为本发明实施例中提供的一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法的原理框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，相关术语解释如下：
EMB：Electronic Mechanical Brake，电子机械制动***；
EHB：Electronic Hydraulic Brake，电子液压制动***；
HARA：Hazard Analysis and Risk Assessment，危险分析和风险评估；
ASIL：Automotive Safety Integrity Level，混合动力汽车；
PID：Proportional–Integral–Derivative，比例积分控制。
实施例1
本发明面向智能驾驶环境下提出的新需求，基于四轮独立的电子机械制动***EMB，建立分布式线控制动***主动容错控制方法。该控制策略主要包括***失效辨识以及失效控制两部分，通过对故障进行辨识和***重构，进一步提高***安全性和容错能力。将车辆制动期望制动强度和期望横摆角速度作为***控制目标，进行车辆制动力重构，在制动力不足时，加入辅助转向控制，保障车辆故障时的制动性和稳定性。
具体，如图1所示，包括以下步骤：
***失效辨识步骤S1：获取汽车线控制动***的状态信号；根据状态信号中的车轮实际制动力和车轮期望制动力，得到分别表示故障类型和故障程度的故障因子，从而获得对应的故障码；
基础失效控制步骤S2：根据故障码，采取对应故障控制策略，基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构，进行汽车单轮失效初步制动控制；
滑膜差动控制步骤S3：根据状态信号中的车速和转向角，载入基于侧向力和横摆力矩的线性二自由度汽车模型中，获取理想横摆角速度；根据该理想横摆角速度与实际横摆角速度，通过滑膜控制器进行横摆力矩控制，得到附加横摆力矩；根据发生故障的车轮以及对应的故障因子，将附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上，进行差动制动控制；
辅助转向控制步骤S4：根据各车轮的制动力和附加横摆力矩，判断各车轮的目标制动力是否大于最大制动力，若是，则进行主动转向控制，根据车辆几何结构和轮胎侧偏特性，基于附加横摆力矩计算出附加转角，并设置协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子，对附加横摆力矩进行调整，实现引入辅助转向的整体控制。
上述各步骤中，通过基础失效控制步骤步骤可满足车辆的基本制动强度需求以及制动平衡需求；通过滑膜差动控制步骤以车辆横摆力矩为控制目标进行后续容错控制器设计，能进一步提高车辆稳定性；通过引入辅助转向控制步骤，能针对所需制动力超出附着极限的情况，利用差动制动和转向协同控制实现车辆制动和稳定性控制。
下面进行具体描述。
一、控制对象
本发明控制对象为搭载于智能车辆的EMB电子机械制动***，较传统制动***，该EMB***可实现与驾驶辅助功能的交互以及四轮独立制动，可提升***在智能汽车上应用的适用性以及车辆制动性能，提高车辆稳定性与可控性，具体由电子踏板模拟器、传感器组、***控制模块、执行器模块、通讯网络以及供电***6大部分组成，其基本架构如图2所示。
二、整体概述
本发明重点为通过失效辨识识别故障类型，得出***故障因子及故障码，并根据该结果进行对应故障的失效控制，主要包括车辆制动力重构和制动力不足时的辅助转向控制。本发明将线控制动***状态信号作为***输入，经失效辨识模块处理后得出***故障因子和故障码，以此反映***故障类型和程度并确定采取对应的失效控制策略。失效控制模块由制动力对称控制器、滑膜控制器、差动制动控制器以及辅助转向控制器4部分组成，根据发生故障的不同采用不同的控制策略，具体控制流程图如图3所示。
三、各步骤具体描述
3.1、***失效辨识步骤
3.1.1、失效辨识模块
由于该***是四轮独立制动，需要分析每个车轮实际的制动状态，本发明以实际检测到的车轮制动力与目标制动力的关系，引入故障因子λ1_i和λ2_i以及故障码表征车轮制动状态，进行***失效判断。2个故障因子的设计规则如下：
λ1_i代表故障类型，将之分为3类故障以及1种正常模式：
λ2_i代表故障程度，计算公式为：
式中i＝FL/FR/RL/RR表示不同车轮；Fxb_i表示车轮实际制动力；Fexb_i表示车轮期望制动力。
综上，根据两个故障因子的乘积，可基本确定发生的故障模式以及实际制动力矩，对于不同故障分别制定故障码Ei，以方便采取对应故障控制策略。
(1)λ1_i·λ2_i＝0时，故障码Ei＝0，表示无故障；
(2)λ1_i·λ2_i＜0时，故障码Ei＝1，表示发生了制动力丢失，包括制动失效和制动力部分丢失，即有-1≤λ1_i·λ2_i＜0；
(3)0＜λ1_i·λ2_i＜2时，故障码Ei＝2，代表实际制动力大于预期制动力，且即Fxb_i＜3Fexb_i，当实际制动力矩超过预期制动力矩3倍及以上时，由于其与期望制动力相差过大，可能导致剧烈制动力矩不平衡，所以按照突发制动进行故障处理；
(4)2≤λ1_i·λ2_i时，故障码Ei＝3，则表示发生了非预期的制动或实际制动力不小于预期制动力的三倍。
故障因子则是对检测结果的量化处理，通过判断两个故障因子的乘积的值，就可以得出对应故障码的值，进而分析出***具体故障类型和故障程度。对***进行失效判断，确定其具体故障才可选择对应失效控制策略，是后续容错机制设计的基础。
3.1.2、失效控制模块
由于本发明基于四轮独立制动架构，本发明以左前轮制动发生故障为例，利用其余三轮进行整车制动力重构算法设计，以满足车辆制动需求和稳定性需求。针对不同类型故障故障，即故障码EFL＝{1,2,3}时，制定对应***控制策略：
(1)EFL＝1时，说明发生了左前轮制动力降低，此时会发生制动力降低和不平衡，根据实际工况，会进行其他三轮的制动力重构；
(2)EFL＝2时，会重构其他三轮制动力，以保证车辆稳定性需求；
(3)EFL＝3时，表示发生了非预期的制动或者大幅的制动力非预期增大，此时采取的策略为断开故障轮(左前轮)的制动执行器的动力，使之转化为制动力丢失状态，转而执行故障码EFL＝1时的三轮重构操作。
3.2、基础失效控制步骤
3.2.1、基础制动力失效控制策略
当左前轮发生制动力丢失或一定范围的制动力非预期增大时，期望总制动力与实际总制动力的差值为：
为了满足制动强度需求同时满足车辆稳定性，基于制动力平衡对其余三轮进行初步制动力重构，具体分配规则为：
根据上式分配规则，可实现实际总制动力与期望制动力相同，即满足车辆期望制动需求。此外，该策略可同时实现车辆前后轴车轮、左右侧车轮的制动力均相等，满足制动力平衡要求，即：
式中Fxb_ls和Fxb_rs分别代表左侧和右侧车轮实际制动力。
当|λ1_FL·λ2_FL|较小时，表示实际制动力与期望制动力较接近，通过上述基础制动力失效控制策略即可满足车辆的基本制动强度需求以及制动平衡需求，但是当丢失或增加的制动力过大时以及四轮垂向载荷的转移，车辆会在故障发生的瞬间产生由于制动力不平衡导致的剧烈横摆力矩，此时车辆容易发生失稳和跑偏现象。因此在进行对称制动力基础调控后，为提高车辆稳定性，降低车辆横摆力矩，以车辆横摆力矩为控制目标进行后续容错控制器设计。
3.3、滑膜差动控制步骤
3.3.1、附加横摆力矩计算
车辆的横摆角速度的相关参数包括纵向车速、方向盘输入转角及其变化率、车辆横摆角速度偏差、车辆质心侧偏角偏差等，由于本发明主要目的为调节车辆横摆力矩进行稳定性控制，为方便研究，在线性二自由度模型中进行附加横摆力矩的研究，如图4所示。
引入附加横摆力矩后，二自由度侧向力和横摆力矩计算公式为：
模型中侧偏角为：
侧偏力为侧偏角与轮胎侧偏刚度的乘积，即：
式中侧偏刚度Cf和Cr由魔术轮胎公式得出，该值是通过拟合不同垂向载荷下计算得出的侧偏刚度曲线得出，垂向载荷不同时，侧偏刚度也不同。
联立可得：
处理上式，可得线性二自由度汽车的运动微分方程：
当车辆处于稳态时，质心侧偏角和横摆角速度增益均为0，即代入上式可得理想横摆角速度和质心侧偏角：/>
上式中，K为稳定性因数，可表征车辆稳态响应情况，计算如下：
以上公式中参数对应表1所示。
表1车辆动力学模型参数表
| 参数名称 | 符号 | 单位 |
| 前轴侧偏力 | Ff | N |
| 后轴侧偏力 | Fr | N |
| 前轴侧偏角 | αf | rad |
| 后轴侧偏角 | αr | rad |
| 车速 | V | m/s |
| 纵向车速 | Vx | m/s |
| 横向车速 | Vy | m/s |
| 横摆角速度 | ω | rad/s |
| 前轴到质心距离 | La | m |
| 后轴到质心距离 | Lb | m |
| 前轴到后轴距离 | L | m |
| 前轴侧偏刚度 | Cf | N/rad |
| 后轴侧偏刚度 | Cr | N/rad |
| 绕z轴转动惯量 | Iz | kg*m2 |
| 前轮转角 | δ | rad |
| 质心侧偏角 | β | rad |
| 整车质量 | M | kg |
目前，滑膜变结构控制算法由于其较好的鲁棒性和精确度，广泛应用于横摆力矩控制，本文采用该控制算法进行理想横摆力矩的跟踪。
滑膜控制器需要设置滑膜面，因为要跟踪理想横摆角速度，本发明中滑膜面设置为理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值：
s＝ω-ωexp
将上式进行微分处理，得：
整理有：
令代入上式，可计算出附加横摆：
式中，ξ为滑膜控制参数。
由于轮胎所受侧向力受到路面附着系数限制，因此车辆的理想横摆角速度和质心侧偏角会有如下约束：
即有：
3.3.2、差动制动控制策略
利用三轮制动力重构实现差动制动可有效控制车辆横摆力矩，轮胎纵向力可产生车辆绕z轴的横摆力矩，来实现附加横摆。
根据运动学关系，可得：
上式中，B为左右车轮的轮距，ΔFx_total为实现横摆力矩附加横摆力矩的总纵向力，将附加横摆力矩分配到四个车轮时，有：
发生左前轮故障时，无法对左前轮制动力进行精确的制动控制，需进行三轮差动制动，即：
为提高制动效率，根据不同的故障情况将左前轮附加纵向力值分配给其余三轮：
(1)当λ1_FL·λ2_FL＜0，即左前轮发生制动力丢失时：
出现左前轮制动力丢失后，经过前文所述的制动力对称规则分配调控，右前轮和左后轮制动力上升，右后轮制动力下降。为提高地面附着的利用率，同时保证操纵性良好，将左前轮补偿制动力分配给后轮：
(2)当2＞λ1_FL·λ2_FL＞0，即左前轮制动力过大时：
经对称制动力控制后，右后轮制动力提高，右前轮及左后轮制动力降低，此时，调整右前轮和左后轮补偿制动力，将三轮制动力设置为：
在进行三轮差动制动时，计算所得的目标制动力可以实现期望的车辆附加横摆力矩，但是再某些极端场景，如冰雪路面或紧急制动时，可能会出现目标制动力超出路面附着极限的情况。在此类场景下，实际制动力与目标制动力有偏差，不能实现理想的横摆力矩控制，因此，还需对该类场景进行判断并提出解决方案。
3.4、辅助转向控制步骤
3.4.1、车轮附着极限约束
三轮差动制动控制需要依靠轮胎与地面摩擦产生的纵向力来实现，由于摩擦力有极限值，差动制动可提供的附加横摆收到摩擦力的极限约束。
路面附着系数μ限制了车辆与路面间的最大摩擦力，因此车轮受力需满足约束条件：
Fxb_i 2+Fy_i 2≤(μ·Fz_i)2
在制动场景中，轮胎侧向力远小于纵向力，可忽略上式中的侧向力，得到简化后的车轮纵向力约束方程：
|Fxb_i|≤μ·Fz_i＝|Fxb_max_i|
上式中Fxb_i为车轮制动力极限值，μ为地面附着系数，Fz_i为车轮垂向载荷，已在第三章进行了详细说明。
当差动制动所求出的目标制动力不大于最大制动力时，目标制动力为：
Fxb_obj_i＝Fxb_i+ΔFx_i′,|Fxb_obj_i|≤|Fxb_max_i|
当|Fxb_obj_i|＞|Fxb_max_i|时，仅凭借差动制动已无法满足稳定性控制要求，需引入转向***保证车辆稳定性。
3.4.2、辅助转向控制器设计
当判断出车轮制动力趋近于地面附着极限时，***会进行主动转向控制，计算出，避免车辆横摆力矩发生剧烈振荡。
根据前文的控制器设计，已通过差动制动实现了部分附加横力矩，若加入转向控制，则需要在差动制动与主动转向之间进行协调控制。引入权重因子σ来表征两类控制方式的控制权重，其值与实际制动力和目标制动力有关，计算式为：
结合上式，整体横摆角速度控制方式为：
式中Mb_b代表由差动制动产生的横摆力矩；ΔMb_s则是通过调节前轮转角产生的横摆力矩，该横摆力矩与附加转角间的关系式可根据车辆几何结构和轮胎侧偏特性得出，附加转角为：
式中Cf为前轴侧偏刚度，已在前文轮胎模型中得出。
综上，可得当目标制动力大于可提供的最大制动力时，附加横摆力矩的实现方式为：
式中，δ为实际前轮转向角；ks为方向盘转角与前轮转角间的转向比；δs为方向盘转角。
四、整体原理
本发明方案的整体原理框图如图5所示，在接收到制动发生信号后，***首先按照四轮分布策略进行四轮制动力矩分配，若***发生故障，则失效控制被激活，根据失效判断结果，进行基础制动力重构控制。在此期间，若所需制动力超出附着极限，则引入辅助转向控制，利用差动制动和转向协同控制实现车辆制动和稳定性控制。
以上是关于方法实施例的介绍，以下通过***实施例，对本发明所述方案进行进一步说明。
本实施例还提供一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制***，包括以下步骤：
***失效辨识模块，用于获取汽车线控制动***的状态信号；根据状态信号中的车轮实际制动力和车轮期望制动力，得到分别表示故障类型和故障程度的故障因子，从而获得对应的故障码；
基础失效控制模块，用于根据故障码，采取对应故障控制策略，基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构，进行汽车单轮失效初步制动控制；
滑膜差动控制模块，用于根据状态信号中的车速和转向角，载入基于侧向力和横摆力矩的线性二自由度汽车模型中，获取理想横摆角速度；根据该理想横摆角速度与实际横摆角速度，通过滑膜控制器进行横摆力矩控制，得到附加横摆力矩；根据发生故障的车轮以及对应的故障因子，将附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上，进行差动制动控制；
辅助转向控制模块，用于根据各车轮的制动力和附加横摆力矩，判断各车轮的目标制动力是否大于最大制动力，若是，则进行主动转向控制，根据车辆几何结构和轮胎侧偏特性，基于附加横摆力矩计算出附加转角，并设置协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子，对附加横摆力矩和附加转角进行调整，实现引入辅助转向的整体控制。
可选的，基础失效控制模块为基础失效控制器，该基础失效控制器，用于根据故障码，采取对应故障控制策略，基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构，进行汽车单轮失效初步制动控制；
滑膜差动控制模块包括滑膜控制器和差动制动控制器，
滑膜控制器，用于根据由线性二自由度汽车模型计算出的理想横摆角速度，与实际横摆角速度对比，进行横摆力矩控制，得到附加横摆力矩；
差动制动控制器，用于根据基础失效控制模块重构后的制动力进行制动力控制，并进一步将附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上，并基于辅助转向控制模块反馈的权重因子进行差动制动控制；
辅助转向控制模块包括附着极限判断模块和辅助转向控制器，
附着极限判断模块，用于根据各车轮的制动力和附加横摆力矩，判断各车轮的目标制动力是否大于最大制动力；
辅助转向控制器，用于在判断出目标制动力大于最大制动力时，进行主动转向控制，根据车辆几何结构和轮胎侧偏特性，基于附加横摆力矩计算出附加转角，并设置协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子，对附加转角进行调整，输出转向角控制量。
需要说明的是，本申请的***具体内容和有益效果可参见上述方法实施例，在此不再赘述。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取汽车线控制动***的状态信号；根据所述状态信号中的车轮实际制动力和车轮期望制动力，得到分别表示故障类型和故障程度的故障因子，从而获得对应的故障码；
根据所述故障码，采取对应故障控制策略，基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构，进行汽车单轮失效初步制动控制；
根据所述状态信号中的车速和转向角，载入基于侧向力和横摆力矩的线性二自由度汽车模型中，获取理想横摆角速度；根据该理想横摆角速度与实际横摆角速度，通过滑膜控制器进行横摆力矩控制，得到附加横摆力矩；根据发生故障的车轮以及对应的故障因子，将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上，进行差动制动控制；
根据各车轮的制动力和附加横摆力矩，判断各车轮的目标制动力是否大于最大制动力，若是，则进行主动转向控制，根据车辆几何结构和轮胎侧偏特性，基于附加横摆力矩计算出附加转角，并设置协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子，对附加横摆力矩和附加转角进行调整，实现引入辅助转向的整体控制。
2.根据权利要求1所述的一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法，其特征在于，所述故障因子包括故障因子λ1_i和故障因子λ2_i，所述故障因子λ1_i用于代表车轮i的故障类型，所述故障因子λ1_i的赋值表达式为：
所述故障因子λ2_i用于代表车轮i的故障程度，所述故障因子λ2_i的赋值表达式为：
式中，i＝FL/FR/RL/RR分别表示前轴左轮、前轴右轮、后轴左轮和后轴右轮，Fxb_i为车轮i的实际制动力，Fexb_i为车轮i的期望制动力。
3.根据权利要求2所述的一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法，其特征在于，若前轴左轮为故障车轮，则基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构的分配表达式包括：
式中，Fdxb_FL为前轴左轮分配后的制动力，Fexb_f为前轴的期望制动力，λ1_FL为前轴左轮的故障类型，λ2_FL为前轴左轮的故障程度，Fdxb_FR为前轴右轮分配后的制动力，Fexb_r为后轴的期望制动力，Fdxb_RL为后轴左轮分配后的制动力，Fdxb_RR为后轴右轮分配后的制动力。
4.根据权利要求1所述的一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法，其特征在于，所述基于侧向力和横摆力矩的线性二自由度汽车模型的运动微分方程的表达式为：
式中，为质心侧偏角增益，/>为横摆角速度增益，Cf为前轴侧偏刚度，Cr为后轴侧偏刚度，M为整车质量，Vx为纵向车速，β为质心侧偏角，La为前轴到质心距离，Lb为后轴到质心距离，ω为横摆角速度，δ为前轮转角，Iz为绕z轴转动惯量，ΔMb为附加横摆力矩；
将质心侧偏角和横摆角速度增益均为0代入所述运动微分方程中，得到理想横摆角速度的计算表达式为：
式中，ωexp为理想横摆角速度，K为稳定性因数，L为前轴到后轴距离。
5.根据权利要求4所述的一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法，其特征在于，通过滑膜控制器进行横摆力矩控制的过程具体包括：
将理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值设置为滑膜控制器的滑膜面，通过滑膜控制器计算得到附加横摆力矩的计算表达式为：
式中，为微分处理后的理想横摆角速度，ωexp为理想横摆角速度，ξ为滑膜控制参数；
所述滑膜控制器进行控制过程中，存在理想横摆角速度和理想质心侧偏角的约束包括：
式中，ωmax为理想横摆角速度的最大值，βmax为理想质心侧偏角的最大值。
6.根据权利要求2所述的一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法，其特征在于，将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上的具体过程包括：
若前轴左轮为故障车轮，且λ1_FL·λ2_FL＜0时，将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上的计算表达式为：
式中，ΔFx_FR′为分配后的前轴右轮纵向力，ΔFx_FR为实现横摆力矩附加横摆力矩的前轴右轮纵向力，ΔMb为附加横摆力矩，Lb为后轴到质心距离，B为左右车轮的轮距，La为前轴到质心距离，δ为前轮转角，ΔFx_RL′为分配后的后轴左轮纵向力，ΔFx_RL为实现横摆力矩附加横摆力矩的后轴左轮纵向力，ΔFx_FL为实现横摆力矩附加横摆力矩的前轴左轮纵向力，ΔFx_RR′为分配后的后轴右轮纵向力，ΔFx_RR为实现横摆力矩附加横摆力矩的后轴右轮纵向力；
若前轴左轮为故障车轮，且2＞λ1_FL·λ2_FL＞0时，将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上的计算表达式为：
7.根据权利要求1所述的一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法，其特征在于，若前轴左轮为故障车轮，所述协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子的计算表达式为：
式中，σ为权重因子，Fxb_obj_i为车轮i的目标制动力，Fxb_max_i为车轮i的最大制动力，Fxb_i为车轮i的实际制动力，FR/RL/RR分别为前轴右轮、后轴左轮和后轴右轮；
所述附加横摆力矩ΔMb的控制方式调整为：
式中，ΔMb_b为由差动制动产生的横摆力矩，ΔMb_s为是通过调节前轮转角产生的横摆力矩，所述附加转角的计算表达式为：
式中，La为后轴到质心距离，Cf为前轴侧偏刚度。
8.根据权利要求7所述的一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制方法，其特征在于，当车轮的目标制动力是否大于最大制动力时，所述附加横摆力矩的计算分配表达式为：
式中，ΔFxc_FR为辅助转向后的前轴右轮纵向力，ΔFxc_RL为辅助转向后的后轴左轮纵向力，ΔFxc_RR为辅助转向后的后轴右轮纵向力，Lb为后轴到质心距离，B为左右车轮的轮距，δ为前轮转角，ks为方向盘转角与前轮转角间的转向比；δs为方向盘转角。
9.一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制***，其特征在于，包括以下步骤：
***失效辨识模块，用于获取汽车线控制动***的状态信号；根据所述状态信号中的车轮实际制动力和车轮期望制动力，得到分别表示故障类型和故障程度的故障因子，从而获得对应的故障码；
基础失效控制模块，用于根据所述故障码，采取对应故障控制策略，基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构，进行汽车单轮失效初步制动控制；
滑膜差动控制模块，用于根据所述状态信号中的车速和转向角，载入基于侧向力和横摆力矩的线性二自由度汽车模型中，获取理想横摆角速度；根据该理想横摆角速度与实际横摆角速度，通过滑膜控制器进行横摆力矩控制，得到附加横摆力矩；根据发生故障的车轮以及对应的故障因子，将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上，进行差动制动控制；
辅助转向控制模块，用于根据各车轮的制动力和附加横摆力矩，判断各车轮的目标制动力是否大于最大制动力，若是，则进行主动转向控制，根据车辆几何结构和轮胎侧偏特性，基于附加横摆力矩计算出附加转角，并设置协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子，对附加横摆力矩和附加转角进行调整，实现引入辅助转向的整体控制。
10.根据权利要求9所述的一种面向分布式线控制动的汽车单轮失效容错控制***，其特征在于，所述基础失效控制模块为基础失效控制器，该基础失效控制器，用于根据所述故障码，采取对应故障控制策略，基于制动力平衡对车辆各车轮进行制动力重构，进行汽车单轮失效初步制动控制；
所述滑膜差动控制模块包括滑膜控制器和差动制动控制器，
所述滑膜控制器，用于根据由线性二自由度汽车模型计算出的理想横摆角速度，与实际横摆角速度对比，进行横摆力矩控制，得到附加横摆力矩；
所述差动制动控制器，用于根据基础失效控制模块重构后的制动力进行制动力控制，并进一步将所述附加横摆力矩分配到车辆的其余车轮上，并基于辅助转向控制模块反馈的权重因子进行差动制动控制；
所述辅助转向控制模块包括附着极限判断模块和辅助转向控制器，
所述附着极限判断模块，用于根据各车轮的制动力和附加横摆力矩，判断各车轮的目标制动力是否大于最大制动力；
所述辅助转向控制器，用于在判断出目标制动力大于最大制动力时，进行主动转向控制，根据车辆几何结构和轮胎侧偏特性，基于附加横摆力矩计算出附加转角，并设置协调差动制动控制和主动转向控制的权重因子，对附加转角进行调整，输出转向角控制量。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117162995A (zh) * | 2023-10-24 | 2023-12-05 | 苏州坐标系智能科技有限公司 | 一种线控底盘***及其动态控制方法 |
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2023
- 2023-04-28 CN CN202310478609.9A patent/CN116552485A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117162995A (zh) * | 2023-10-24 | 2023-12-05 | 苏州坐标系智能科技有限公司 | 一种线控底盘***及其动态控制方法 |
| CN117162995B (zh) * | 2023-10-24 | 2024-06-07 | 苏州坐标系智能科技有限公司 | 一种线控底盘***及其动态控制方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wu Xiaodong Inventor after: Qin Jia Inventor after: Cheng Jie Inventor before: Wu Xiaodong Inventor before: Cheng Jie |