CN118082543B - 一种基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法，包括：获取车辆参数信息；基于车辆参数信息及稳态横摆角速度增益公式得出理想变转向传动比，并基于设定的车速阈值设计可变转向传动比策略；通过三次准均匀B样条对可变转向传动比策略中的可变转向传动比曲线进行平滑拟合和数据插值，得到优化后的可变转向传动比策略；基于车辆参数信息，推导快速自适应超螺旋控制算法，基于实际横摆角速度与理想横摆角速度误差建立滑模面，设计得到等效滑模控制律；基于优化后的可变转向传动比策略以及等效滑模控制律，建立四轮转向控制器，通过四轮转向控制器对汽车四轮转向转角进行控制。本发明能够提高车辆转向的灵敏性和稳定性。

Description

一种基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法

技术领域

本发明涉及智能汽车技术领域，特别是涉及一种基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法。

背景技术

随着新能源汽车的迅猛发展，为提高车辆的操纵稳定性，四轮转向技术逐步成为汽车控制领域的研究焦点。四轮转向***是一种汽车前后轮均可以主动转向的***，一定程度上提高了汽车的转向稳定性，与主动前轮转向相比，四轮转向***灵敏度高、响应快，同时对操纵稳定性和转向灵活性都有较高的要求。

目前乘用车一般采用固定的传统转向传动比，低速时偏大，转向不灵敏，不利于驾驶员的操作；高速时偏小，灵敏性过高，稳定性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法，以提高车辆转向的灵敏性和稳定性。

一种基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法，包括以下步骤：

步骤1，获取车辆参数信息，所述车辆参数信息包括车辆的横摆角速度、前轮转角、后轮转角、纵向车速、方向盘转角；

步骤2，基于步骤1得到的车辆参数信息及稳态横摆角速度增益公式得出理想变转向传动比，并基于设定的车速阈值设计可变转向传动比策略；

步骤3，通过三次准均匀B样条对步骤2得到的可变转向传动比策略中的可变转向传动比曲线进行平滑拟合和数据插值，得到优化后的可变转向传动比策略；

步骤4，基于步骤1得到的车辆参数信息，推导快速自适应超螺旋控制算法，基于实际横摆角速度与理想横摆角速度误差建立滑模面，设计得到等效滑模控制律；

步骤5，基于步骤3得到的优化后的可变转向传动比策略以及步骤4得到的等效滑模控制律，建立四轮转向控制器，通过四轮转向控制器对汽车四轮转向转角进行控制。

根据本发明提供的基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法，具有以下有益效果：

（1）本发明基于稳态横摆角速度增益设计可变转向传动比（Variable steeringratio，简称VSR）策略，提高了车辆转向时的灵敏性和稳定性，使车辆获得较为理想的转向特性；

（2）本发明采用三次准均匀B样条优化变传动比曲线，改善了因临界车速处传动比曲线不连续对转向性能造成的影响，减小了转向波动；

（3）基于快速自适应超螺旋（Fast Adaptive Super-Twisting，简称FAST）算法及VSR策略设计四轮转向控制器，使四轮转向电动汽车能较好地完成转向变道工作，起到了跟踪期望质心侧偏角和期望横摆角速度的作用，能够显著提高车辆的路径跟踪能力，进一步提高四轮转向的稳定性。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法的流程图；

图2为理想变转向传动比曲线示意图；

图3为设计后的可变转向传动比曲线示意图；

图4为拟合前后可变转向传动比曲线示意图；

图5为质心侧偏角响应对比图；

图6为横摆角速度响应对比图；

图7为四轮转向控制器轨迹跟踪效果对比图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

请参阅图1，本发明的实施例提供一种基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法，包括步骤1~步骤5：

步骤1，获取车辆参数信息，所述车辆参数信息包括车辆的横摆角速度、前轮转角、后轮转角、纵向车速、方向盘转角。

在控制过程中，可使用摄像头、毫米波雷达等感知传感器对横摆角速度、四轮转角、纵向车速、方向盘转角值进行获取。

步骤2，基于步骤1得到的车辆参数信息及稳态横摆角速度增益公式得出理想变转向传动比，并基于设定的车速阈值设计可变转向传动比策略。

乘用车的转向传动比一般视为固定值，为15：1到20：1之间，这将会造成车辆低速时，传动比偏大，转向操作过于迟钝，不利于驾驶员的操作；高速时，传动比偏小，灵敏性过高，稳定性和安全性降低。可变转向传动比（Variable steering ratio，简称VSR）可解决这一问题，提高四轮转向的稳定性和平衡性，使车辆不会失稳的同时，在不同工况下具有相同的转向灵敏度。

理想变转向传动比曲线如图2所示，本发明对可变转向传动比策略进行设计，设计后的可变转向传动比曲线如图3所示。

具体的，步骤2中，基于步骤1得到的车辆参数信息及稳态横摆角速度增益公式得出理想变转向传动比，具体包括：

步骤201，基于步骤1得到的车辆参数信息，建立线性二自由度前轮转向车辆模型的运动微分方程；

步骤202：基于步骤201中建立的线性二自由度前轮转向车辆模型的运动微分方程，推导得到稳态横摆角速度增益公式；

步骤203：基于步骤202得到的稳态横摆角速度增益公式，计算得到理想变转向传动比；

步骤204：基于步骤203中的理想变转向传动比，设定上下车速阈值，设计得到可变转向传动比策略。

其中，步骤201中，建立的线性二自由度前轮转向车辆模型的运动微分方程如下式：

其中，为整车质量，/>为纵向车速，/>为质心侧偏角，/>为/>的导数，/>为横摆角速度，/>、/>分别为前、后轴侧偏刚度，/>、/>分别为车辆质心到前、后轴的距离，/>为前轮转角，/>为车辆绕z轴的转动惯量，/>为/>的导数。

其中，步骤202中，稳态横摆角速度增益公式的表达式为：

其中，为稳态横摆角速度增益，/>为轴距，/>为车辆稳定性系数。

进一步，转向灵敏度的表达式为：

其中，为理想变转向传动比；

则得到理想变转向传动比的计算公式为：

本实施例中，可以设定转向灵敏度为0.25s^-1。

本实施例中，设定上下车速阈值，在低速（≤30km/h）时，设置可变转向传动比/>=11；在高速（/>≥80km/h）时，给定可变转向传动比/>=23，具体的，可变转向传动比策略满足以下条件式：

其中，表示可变转向传动比。

步骤3，通过三次准均匀B样条对步骤2得到的可变转向传动比策略中的可变转向传动比曲线进行平滑拟合和数据插值，得到优化后的可变转向传动比策略。

如图4所示，图4为拟合前后可变转向传动比曲线，对曲线进行拟合以改善临界车速处突变带来的影响，步骤3具体包括：

步骤301，定义三次准均匀B样条，得到基函数；

步骤302，基于步骤301得到的基函数，选取节点分布参数，对可变转向传动比曲线进行平滑拟合和数据插值，得到优化后的可变转向传动比策略。

步骤4，基于步骤1得到的车辆参数信息，推导快速自适应超螺旋控制算法，基于实际横摆角速度与理想横摆角速度误差建立滑模面，设计得到等效滑模控制律。

快速自适应超螺旋算法是一种自适应超螺旋算法，在超螺旋算法上引入线性项，不需要已知***不确定性边界，提高收敛速度。其中，步骤4具体包括：

步骤401，基于步骤1得到的车辆参数信息，建立二自由度四轮转向车辆模型运动方程；

步骤402，基于步骤201建立的线性二自由度前轮转向车辆模型的运动微分方程，确定理想横摆角速度；

步骤403，基于步骤1得到的车辆参数信息及步骤402确定的理想横摆角速度，选取横摆角速度误差作为***的跟踪误差，定义滑模面。

步骤401中，建立的二自由度四轮转向车辆模型运动方程的表达式为：

其中，为后轮转角。

为了保证车辆在高速状态下行驶的稳定性，考虑路面附着系数对汽车横摆角速度的限制，确定理想横摆角速度如下式所示：

其中，路面附着系数，/>为重力加速度，/>为阶跃函数。

本实施例中，以实际横摆角速度与理想横摆角速度/>的偏差/>作为跟踪误差，如下式所示：

定义的滑模面的表达式为：

。

步骤404，基于步骤401建立的二自由度四轮转向车辆模型运动方程及步骤403定义的滑模面，推导快速自适应超螺旋控制算法，设计得到等效滑模控制律。

步骤404中，推导快速自适应超螺旋控制算法的过程中，满足以下条件式：

其中，为控制输入，/>为滑模控制项，/>为滑模切换项，/>为调节变量，/>为/>的导数，/>、/>为待设计参数，/>为滑模变量，/>、/>为与滑模变量/>相关的滑模变量函数，/>为/>的导数，/>为可调参数；

步骤404中，等效滑模控制律满足以下条件式：

其中，为参考前轮转角，/>为/>的导数，/>为方向盘转角。

步骤5，基于步骤3得到的优化后的可变转向传动比策略以及步骤4得到的等效滑模控制律，建立四轮转向控制器，通过四轮转向控制器对汽车四轮转向转角进行控制。

其中，步骤5具体包括：

步骤501，基于步骤3得到的优化后的可变转向传动比策略，计算得到参考前轮转角；

步骤502，基于步骤4中的等效滑模控制律得到后轮转角控制律，建立四轮转向控制器，计算附加后轮转角，并基于附加后轮转角得到修正后的后轮转角；

步骤503，基于步骤501得到参考前轮转角，以及步骤502得到修正后的后轮转角，对车辆进行四轮转向控制。

其中，步骤502中，附加后轮转角的计算公式如下：

其中，表示附加后轮转角，/>、/>表示与滑模面/>相关的滑模变量函数。

下面对本实施例提供的方法进行仿真测试，仿真实验使用的是MatlabR2021b及Carsim2019.0版本，在车速60km/h下，以双移线工况作为参考道路输入，选取路面附着系数为0.85，分别对本发明（VSR-FAST）、传统滑模控制方法（VSR-SMC）、传统转向传动比控制方法（CSR-FAST）的四轮转向控制效果进行了仿真对比，得到质心侧偏角和横摆角速度响应对比图，分别如图5、图6所示。

在图5的质心侧偏角响应中，VSR-FAST的最大质心侧偏角为0.025rad，VSR-SMC的质心侧偏角最大值为0.031rad，CSR-FAST的最大质心侧偏角为0.027rad，与VSR-SMC和CSR-FAST相比，VSR-FAST对质心侧偏角分别优化了7.3%、7.4%。

在图6的横摆角速度响应中，VSR-FAST与期望横摆角速度曲线最大偏差为0.0091rad/s，VSR-SMC与期望的最大偏差为0.0344rad/s, CSR-FAST与期望曲线的最大偏差为0.0474rad/s，VSR-FAST下的实际横摆角速度与期望横摆角速度曲线吻合度最高。

进一步的，如图7所示，通过仿真验证，本发明能够很好地完成双移线工况变道工作，跟踪误差小，与参考轨迹基本吻合。

综上，根据上述的基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法，具有以下有益效果：

（1）本发明基于稳态横摆角速度增益设计可变转向传动比（Variable steeringratio，简称VSR）策略，提高了车辆转向时的灵敏性和稳定性，使车辆获得较为理想的转向特性；

（2）本发明采用三次准均匀B样条优化变传动比曲线，改善了因临界车速处传动比曲线不连续对转向性能造成的影响，减小了转向波动；

（3）基于快速自适应超螺旋（Fast Adaptive Super-Twisting，简称FAST）算法及VSR策略设计四轮转向控制器，使四轮转向电动汽车能较好地完成转向变道工作，起到了跟踪期望质心侧偏角和期望横摆角速度的作用，能够显著提高车辆的路径跟踪能力，进一步提高四轮转向的稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取车辆参数信息，所述车辆参数信息包括车辆的横摆角速度、前轮转角、后轮转角、纵向车速、方向盘转角；

步骤2，基于步骤1得到的车辆参数信息及稳态横摆角速度增益公式得出理想变转向传动比，并基于设定的车速阈值设计可变转向传动比策略；

步骤3，通过三次准均匀B样条对步骤2得到的可变转向传动比策略中的可变转向传动比曲线进行平滑拟合和数据插值，得到优化后的可变转向传动比策略；

步骤4，基于步骤1得到的车辆参数信息，推导快速自适应超螺旋控制算法，基于实际横摆角速度与理想横摆角速度误差建立滑模面，设计得到等效滑模控制律；

步骤5，基于步骤3得到的优化后的可变转向传动比策略以及步骤4得到的等效滑模控制律，建立四轮转向控制器，通过四轮转向控制器对汽车四轮转向转角进行控制；

步骤2中，基于步骤1得到的车辆参数信息及稳态横摆角速度增益公式得出理想变转向传动比，具体包括：

步骤201，基于步骤1得到的车辆参数信息，建立线性二自由度前轮转向车辆模型的运动微分方程；

步骤202：基于步骤201中建立的线性二自由度前轮转向车辆模型的运动微分方程，推导得到稳态横摆角速度增益公式；

步骤203：基于步骤202得到的稳态横摆角速度增益公式，计算得到理想变转向传动比；

步骤204：基于步骤203中的理想变转向传动比，设定上下车速阈值，设计得到可变转向传动比策略；

步骤202中，稳态横摆角速度增益公式的表达式为：

其中，为稳态横摆角速度增益，/>为纵向车速，/>为轴距，/>为车辆稳定性系数；

步骤203中，理想变转向传动比的计算公式为：

其中，为理想变转向传动比，/>为转向灵敏度；

步骤204中，可变转向传动比策略满足以下条件式：

其中，表示可变转向传动比，/>为整车质量，/>、/>分别为车辆质心到前、后轴的距离，/>、/>分别为前、后轴侧偏刚度；

步骤4具体包括：

步骤401，基于步骤1得到的车辆参数信息，建立二自由度四轮转向车辆模型运动方程；

步骤402，基于步骤201建立的线性二自由度前轮转向车辆模型的运动微分方程，确定理想横摆角速度；

步骤403，基于步骤1得到的车辆参数信息及步骤402确定的理想横摆角速度，选取横摆角速度误差作为***的跟踪误差，定义滑模面；

步骤404，基于步骤401建立的二自由度四轮转向车辆模型运动方程及步骤403定义的滑模面，推导快速自适应超螺旋控制算法，设计得到等效滑模控制律；

步骤403中，定义的滑模面的表达式为：

其中，为横摆角速度，/>为理想横摆角速度；

步骤404中，推导快速自适应超螺旋控制算法的过程中，满足以下条件式：

其中，为控制输入，/>为滑模控制项，/>为滑模切换项，/>为调节变量，/>为的导数，/>、/>为待设计参数，/>为滑模变量，/>、/>为与滑模变量/>相关的滑模变量函数，/>为阶跃函数，/>为/>的导数，/>为可调参数；

步骤404中，等效滑模控制律满足以下条件式：

其中，为车辆绕z轴的转动惯量，/>为质心侧偏角，/>为参考前轮转角，/>为/>的导数，/>为方向盘转角。

2.根据权利要求1所述的基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于，步骤3具体包括：

步骤301，定义三次准均匀B样条，得到基函数；

步骤302，基于步骤301得到的基函数，选取节点分布参数，对可变转向传动比曲线进行平滑拟合和数据插值，得到优化后的可变转向传动比策略。

3.根据权利要求1所述的基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于，步骤5具体包括：

步骤501，基于步骤3得到的优化后的可变转向传动比策略，计算得到参考前轮转角；

步骤502，基于步骤4中的等效滑模控制律得到后轮转角控制律，建立四轮转向控制器，计算附加后轮转角，并基于附加后轮转角得到修正后的后轮转角；

步骤503，基于步骤501得到参考前轮转角，以及步骤502得到修正后的后轮转角，对车辆进行四轮转向控制。

4.根据权利要求3所述的基于变转向传动比的电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于，步骤502中，附加后轮转角的计算公式如下：

其中，表示附加后轮转角，/>、/>表示与滑模面/>相关的滑模变量函数。