CN103600744A - 四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法 - Google Patents

四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103600744A
CN103600744A CN201310510013.9A CN201310510013A CN103600744A CN 103600744 A CN103600744 A CN 103600744A CN 201310510013 A CN201310510013 A CN 201310510013A CN 103600744 A CN103600744 A CN 103600744A
Authority
CN
China
Prior art keywords
wheel
vehicle
equation
moment
rate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201310510013.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103600744B (zh
Inventor
陈长芳
舒明雷
魏诺
杨明
孔祥龙
刘瑞霞
许继勇
杨媛媛
周书旺
马继鹏
唐梅玉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong Computer Science Center
Original Assignee
Shandong Computer Science Center
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong Computer Science Center filed Critical Shandong Computer Science Center
Priority to CN201310510013.9A priority Critical patent/CN103600744B/zh
Publication of CN103600744A publication Critical patent/CN103600744A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103600744B publication Critical patent/CN103600744B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W30/00—Purposes of road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub-unit, e.g. of systems using conjoint control of vehicle sub-units
    • B60W30/10—Path keeping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W40/00—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models
    • B60W40/10—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models related to vehicle motion
    • B60W40/101—Side slip angle of tyre
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2710/00—Output or target parameters relating to a particular sub-units
    • B60W2710/20—Steering systems
    • B60W2710/207—Steering angle of wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2720/00—Output or target parameters relating to overall vehicle dynamics
    • B60W2720/20—Sideslip angle

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Steering Control In Accordance With Driving Conditions (AREA)

Abstract

本发明的四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法，包括：a).建立车体动态方程；b).建立车轮动态方程；c).建立摩擦力和力矩的关系式；d).建立纵向滑移率
Figure 2013105100139100004DEST_PATH_IMAGE002
和侧向滑移率
Figure 2013105100139100004DEST_PATH_IMAGE004
计算公式：e).建立路径保持方程；f).通过控制车轮滑移率，建立控制模型；g).设计状态反馈控制器：g-1).选取性能指标；g-2).求取矩阵和常数；g-3).设计控制器；h).获取车辆控制的车轮力矩
Figure 2013105100139100004DEST_PATH_IMAGE006
和转向角
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。本发明的控制方法，通过控制车轮的纵向和侧向滑移率建立控制模型，可获取控制车辆的合适的车轮力矩
Figure 856661DEST_PATH_IMAGE006
和转向角
Figure 958609DEST_PATH_IMAGE008
，将车辆滑移率限制在一定范围内的同时，抑制了车辆扰动，保持了车辆按设定路径行驶，保证侧向偏离不超标。

Description

四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法
技术领域
本发明涉及一种车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法，更具体的说，尤其涉及一种通过控制纵向和侧向滑移率来实现四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法。 
背景技术
车辆的路径保持控制是先进的车辆控制系统（AVCS）的研究方向之一，除此之外还有纵向控制以及纵向、侧向的联合控制。其中，纵向控制的主要目标是保持前后车辆之间有适当的时间间隔（headway），而侧向控制的主要任务是路径保持。车辆在加速/制动、转向联合工况下，由于大的加速/制动力或者低摩擦路面等影响，导致轮胎力达到饱和，从而导致路径偏离和车轮侧滑现象。为了避免车辆的路径偏离，就要控制车辆的最大侧向偏离在容许的安全范围内。 
车轮侧滑从理论上讲与其滑移率的幅值相关，而车轮滑移率由纵向滑移率和侧向滑移率两个元素组成，且它们是相互耦合的，共同刻画轮胎/路面间的相互作用。然而，关于车轮的滑移率控制，大多数工作基于车辆的纵向运动，比如，应用在ABS系统中，控制车辆的纵向滑移率达到其理想值，从而防止车轮抱死。事实上，车轮的纵向和侧向力是相互耦合的，特别是涉及到大的加速度以及低附着路面时，根据摩擦环理论，当施加纵向加速/制动力时，轮胎的侧向力是逐渐减小的，从而导致转向不足或者转向过度，而发生路径侧偏或车轮侧滑现象。目前还没有一种控制模型和方法，是同时考虑纵向力和侧向力以及其它因数，来实现对四驱车辆的行车路径进行控制。 
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种通过控制纵向和侧向滑移率来实现四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法。 
本发明的四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法，其特别之处在于，包括以下步骤： 
a).建立车体动态方程，建立如公式（1）所示的包括车体的纵向、侧向和横摆的车体动态方程：   
Figure 2013105100139100002RE-DEST_PATH_IMAGE002
=
Figure 2013105100139100002RE-DEST_PATH_IMAGE008
+     （1）
其中，
Figure 2013105100139100002RE-DEST_PATH_IMAGE012
和分别为车体的质量和转动惯量，
Figure 2013105100139100002RE-DEST_PATH_IMAGE016
为质心处的速度，
Figure 2013105100139100002RE-DEST_PATH_IMAGE018
为质心侧偏角，
Figure 2013105100139100002RE-DEST_PATH_IMAGE020
为横摆角速度，
Figure 2013105100139100002RE-DEST_PATH_IMAGE022
为空气动力学系数；，
Figure 2013105100139100002RE-DEST_PATH_IMAGE026
、和
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE030
定义在车体坐标系中，分别表示车轮与路面之间的摩擦力和力矩；
 b).建立车轮动态方程，建立如公式（2）所示的车轮动态方程：
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE032
       （2）
其中，
Figure 275997DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE034
为车轮角速度，
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE038
分别表示车轮的转动惯量和有效半径，和
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE042
为车轮力矩和转向角输入；
c).建立摩擦力和力矩的关系式，建立如公式（3）所示的摩擦力
Figure 6187DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 723607DEST_PATH_IMAGE028
和力矩
Figure 810162DEST_PATH_IMAGE030
的求取公式：    
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE044
 (3)
其中，
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE046
为四个车轮的垂向负载，摩擦参数
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE048
是依赖
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE050
和路面条件
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE052
的饱和函数，
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE054
、分别为纵向滑移率和侧向滑移率；
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE058
为车轮距离车辆质心的横向距离，、
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE062
分别为前车轮、后车轮距离车辆质心的纵向距离；
d).建立滑移率计算公式，当车辆制动时，
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE064
，通过公式（4）来求取车轮的纵向滑移率
Figure 642112DEST_PATH_IMAGE054
和侧向滑移率
Figure 402258DEST_PATH_IMAGE056
：
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE066
   （4）
当车辆处于驱动状态时，
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE068
，通过公式（5）来求取车轮的纵向滑移率
Figure 420024DEST_PATH_IMAGE054
和侧向滑移率
Figure 618924DEST_PATH_IMAGE056
：
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE070
   （5）
其中，
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE072
为车轮的转速，
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE074
为车轮接触地面的速度；
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE076
为车轮侧偏角，定义如下：
Figure 2013105100139100002DEST_PATH_IMAGE078
，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
    (6)
公式（6）中，
Figure DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure DEST_PATH_IMAGE084
为车轮速度
Figure 403647DEST_PATH_IMAGE074
沿
Figure DEST_PATH_IMAGE086
、
Figure DEST_PATH_IMAGE088
轴的分量；
e).建立路径保持方程，建立如公式（7）所示的路径保持动态方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE090
    （7）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE092
为路径中心线与车辆纵向轴之间的夹角，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
是距离车辆质心为
Figure DEST_PATH_IMAGE096
处的侧向偏离；
Figure DEST_PATH_IMAGE098
为当前路径的曲率，其通过联合的GPS/GIS系统得到；
f).建立控制模型，将车辆模型在操作点
Figure DEST_PATH_IMAGE100
，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
处线性化；设车辆在一致路面上行驶，通过控制车轮滑移率来控制车轮的纵向、侧向运动，得到如公式（8）所示的控制模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE104
    （8）
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE108
Figure DEST_PATH_IMAGE110
Figure DEST_PATH_IMAGE112
Figure DEST_PATH_IMAGE116
Figure DEST_PATH_IMAGE118
Figure DEST_PATH_IMAGE120
Figure DEST_PATH_IMAGE122
其中， 
Figure DEST_PATH_IMAGE124
，为相对速度；为车辆状态，
Figure 474644DEST_PATH_IMAGE088
为测量输出，其包括横摆角速度和侧向偏离；
Figure DEST_PATH_IMAGE126
、
Figure DEST_PATH_IMAGE128
为被控输出，
Figure DEST_PATH_IMAGE130
表示
Figure DEST_PATH_IMAGE132
阶单位矩阵；
g).设计状态反馈控制器，如果车辆状态
Figure 526170DEST_PATH_IMAGE086
完全可测，则通过以下步骤建立车辆的状态反馈控制器：
g-1).选取性能指标，选取合适的性能指标
Figure DEST_PATH_IMAGE134
、
Figure DEST_PATH_IMAGE136
和
Figure DEST_PATH_IMAGE138
；其中，
Figure 815851DEST_PATH_IMAGE134
、
Figure 245695DEST_PATH_IMAGE136
均大于0，
Figure DEST_PATH_IMAGE140
，
Figure DEST_PATH_IMAGE142
为扰动
Figure DEST_PATH_IMAGE144
的最大值；
g-2).求取矩阵和常数，选取大于0的常数
Figure DEST_PATH_IMAGE146
，求解满足线性矩阵不等式（9）的正定矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE148
和大于0的常数
Figure 175736DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure DEST_PATH_IMAGE150
    （9）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE152
，，
Figure DEST_PATH_IMAGE156
；
g-3).设计控制器，建立如公式（10）所示的状态反馈控制器：
Figure DEST_PATH_IMAGE158
    （10）
h).获取车辆控制输入，基于奇异扰动理论，通过公式（11）获取控制车辆运行的车轮力矩
Figure 884149DEST_PATH_IMAGE040
和转向角
Figure DEST_PATH_IMAGE160
：
Figure DEST_PATH_IMAGE162
    （11）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE164
，
Figure DEST_PATH_IMAGE166
，
Figure 216035DEST_PATH_IMAGE024
；通过对车轮的力矩和转向角的控制，可将车辆的纵向滑移率和侧向滑移率控制在一定范围之内，保证车辆按照既定的路径行驶。
本发明的四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法，步骤g)中，如果车辆状态 
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001
不完全可测，则通过以下步骤建立车辆的状态反馈控制器： 
1).选取性能指标，选取合适的性能指标
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE004
；其中，
Figure DEST_PATH_223446DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_601600DEST_PATH_IMAGE003
均大于0，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE006
为扰动
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE007
的最大值；
2).求取矩阵和常数，选取大于0的常数
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE008
，求解满足线性矩阵不等式（9）的正定矩阵
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE009
和大于0的常数
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE010
；并令
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE011
；
3).建立线性矩阵不等式，建立如公式（12）所示的线性矩阵不等式：
     （12）
其中：
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE013
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE014
，，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE021
；
求解满足线性矩阵不等式（12）的矩阵
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE023
,
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE024
；
4).设计控制器，建立如公式（13）所示的基于观测器的输出反馈控制器：
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE025
    （13）
以利用观测器状态
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE026
代替不可测的车辆状态
Figure DEST_PATH_126577DEST_PATH_IMAGE001
。
本发明的有益效果是：本发明的四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法，首先建立车体和车轮的动态方程，以及滑移率计算公式和路径保持方程，通过控制车轮的纵向和侧向滑移率建立车辆的控制模型，可获取控制车辆行驶的合适的车轮力矩
Figure 464491DEST_PATH_IMAGE040
和转向角
Figure 688799DEST_PATH_IMAGE160
，实现对车辆行驶路径的控制，将车辆滑移率限制在一定范围内的同时，还抑制了外界扰动。使得车辆在大的曲线路径和空气阻力同时存在的情况下，仍然保持原始路径行驶，保证最大侧向偏离不超过0.3米。 
本发明的路径保持和车轮侧滑的控制方法，具有如下优点： 
（1）采用视觉预瞄的控制策略，避免了直接采用质心处的侧向偏离反馈带来的乘坐不适。
（2）由于车轮动态远快于车体动态，基于奇异扰动理论，将车轮动态由其类稳定状态代替。 
（3）突破了原来的单纯地控制车轮纵向滑移率方法，选取车轮滑移率作为间接的控制输入，将对于车轮侧滑控制转化为对控制输入的限制。 
（4）采用二次型稳定的技巧，同时优化闭环系统的多个性能指标，包括：路径保持，车轮侧滑和扰动抑制。 
（5）控制器增益矩阵可以通过求解线性矩阵不等式得到，计算方便。 
（6）当车辆参数（如负载，车轮侧偏刚度、路面摩擦参数等）发生变化时，该方法仍然适用。 
附图说明
图1为车辆的动力学模型示意图； 
图2为车轮滑移率模型示意图；
图3为路径跟踪模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 
本发明采用纵向和侧向联合的控制策略，设计了四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑控制器，该方法基于奇异扰动理论和鲁棒
Figure DEST_PATH_IMAGE200
控制思想，综合优化闭环系统的多个性能指标，包括：路径保持，车轮侧滑和扰动抑制。 
如图1所示的车辆模型，它包括车体的纵向、侧向和横摆动态，以及四个车轮的旋转动态。其中车体动态方程为： 
                           (1)
其中，
Figure 999563DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 283914DEST_PATH_IMAGE014
是车体的质量和转动惯量，
Figure 634124DEST_PATH_IMAGE016
为质心处的速度，
Figure 662123DEST_PATH_IMAGE018
为质心侧偏角，
Figure 781389DEST_PATH_IMAGE020
为横摆角速度，为空气动力学系数。车轮动态为：
                                          
Figure DEST_PATH_IMAGE204
                                 (2)
其中，
Figure 624547DEST_PATH_IMAGE034
为车轮角速度，
Figure 190657DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 430009DEST_PATH_IMAGE038
表示车轮的转动惯量和有效半径，
Figure 665949DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 53068DEST_PATH_IMAGE042
为车轮力矩和转向角输入。
Figure 232989DEST_PATH_IMAGE026
，和
Figure 858323DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure DEST_PATH_IMAGE206
定义在车体坐标系中，表示车轮和路面间的摩擦力和力矩；
  
Figure DEST_PATH_IMAGE208
   (3)
其中，
Figure 342525DEST_PATH_IMAGE046
为四个车轮的垂向负载，摩擦参数
Figure DEST_PATH_IMAGE210
是依赖
Figure DEST_PATH_IMAGE212
和路面条件
Figure 453700DEST_PATH_IMAGE052
的饱和函数；车轮滑移率定义如图2所示，其中，纵向滑移率
Figure 402065DEST_PATH_IMAGE054
和车轮接触地面的速度
Figure 307704DEST_PATH_IMAGE074
的方向相同，而侧向滑移率
Figure 332730DEST_PATH_IMAGE056
和纵向滑移率垂直。当制动时（
Figure DEST_PATH_IMAGE214
），车轮滑移率可表示为：
                                                                            (4)
当驱动（）时，车轮滑移率为：
                                                                         (5)
其中，为车轮侧偏角，定义如下：
                                          
Figure DEST_PATH_IMAGE220
，
Figure DEST_PATH_IMAGE222
                                 (6)
这里，
Figure 612161DEST_PATH_IMAGE082
，
Figure 195589DEST_PATH_IMAGE084
为车轮速度
Figure 380058DEST_PATH_IMAGE074
沿
Figure 365331DEST_PATH_IMAGE086
，
Figure 612773DEST_PATH_IMAGE088
轴的分量。
路径保持动态：采用视觉预瞄的控制策略，如图3所示，定义
Figure DEST_PATH_IMAGE224
为路径中心线和车辆纵向轴之间的夹角，是距离车辆质心为
Figure 674587DEST_PATH_IMAGE096
处的侧向偏离。当车辆以速度跟踪曲率为的路径时，理想的横摆角速度为
Figure DEST_PATH_IMAGE226
，其中，路面曲率
Figure 100517DEST_PATH_IMAGE098
可以通过联合的GPS/GIS系统得到，路径保持动态方程为： 
                                           (7)
由于车轮动态的特征值
Figure DEST_PATH_IMAGE230
远大于车体动态的特征值，因而车轮动态远快于车体动态。应用奇异扰动理论，用类稳态的车轮动态来代替车轮子动态，将车辆模型在操作点
Figure DEST_PATH_IMAGE232
，
Figure DEST_PATH_IMAGE234
处线性化。假定车辆在一致路面行驶，通过控制车轮滑移率来控制车轮的纵向、侧向运动，得到控制模型如下：
                           
Figure DEST_PATH_IMAGE236
                      (8)
其中，
Figure 711277DEST_PATH_IMAGE122
其中，为相对速度，
Figure 57125DEST_PATH_IMAGE088
为测量输出，它包括横摆角速度和侧向偏离，
Figure 40124DEST_PATH_IMAGE126
，为被控输出。
Figure DEST_PATH_IMAGE240
的大小主要依赖于路面条件，好的路面条件得到的值较大，从而提供大的摩擦力。另外，
Figure 822901DEST_PATH_IMAGE130
表示
Figure 27617DEST_PATH_IMAGE132
阶单位矩阵。
设计路径保持和车轮侧滑控制器，满足如下控制目标： 
从外部扰动
Figure 226517DEST_PATH_IMAGE144
到的传递函数的
Figure DEST_PATH_IMAGE242
范数小于给定的性能指标
Figure 761196DEST_PATH_IMAGE134
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE244
，从而抑制外部扰动；
控制车轮滑移率的幅值不超过预先设置值
Figure DEST_PATH_IMAGE246
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE248
，避免车轮侧滑；
3) 保持被控输出
Figure 203941DEST_PATH_IMAGE128
有界，抑制车辆的路径偏离。
控制器设计：
（1）状态反馈控制器设计
首先，如果不考虑测量成本，可以认为模型（8）中的车辆状态
Figure 830968DEST_PATH_IMAGE086
完全可测，那么可以设计如下的全状态反馈控制器。该方法的设计步骤如下：
Step1：选取合适的性能指标
Figure DEST_PATH_IMAGE250
，
Figure DEST_PATH_IMAGE252
和
Figure DEST_PATH_IMAGE254
，其中
Figure 603620DEST_PATH_IMAGE142
为扰动
Figure 33465DEST_PATH_IMAGE144
的最大值。
Step2：选取常数
Figure DEST_PATH_IMAGE256
，求解满足线性矩阵不等式（9）的正定矩阵
Figure 947194DEST_PATH_IMAGE148
和常数
Figure DEST_PATH_IMAGE258
， 
Step3：设计状态反馈控制器如下公式（10）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE260
      （10）
则该控制器可以使得闭环系统满足性能指标：
Figure 303876DEST_PATH_IMAGE244
，，
Figure 760396DEST_PATH_IMAGE248
，
Figure DEST_PATH_IMAGE264
。其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE266
，
Figure DEST_PATH_IMAGE268
。
                                             （9） 
（2）基于观测器的输出反馈控制器设计
由于一些车辆状态（如质心侧偏角
Figure 908612DEST_PATH_IMAGE018
）较难测量，或者测量成本较高，那么可以设计观测器来估计车辆状态，即用观测器状态
Figure 637533DEST_PATH_IMAGE198
代替模型（8）中的状态
Figure 716348DEST_PATH_IMAGE086
来设计路径跟踪控制器。该方法的设计步骤如下：
Step1：选取合适的性能指标
Figure 86762DEST_PATH_IMAGE250
，
Figure 530513DEST_PATH_IMAGE252
和
Figure 746730DEST_PATH_IMAGE254
，其中
Figure 566919DEST_PATH_IMAGE142
为扰动
Figure 857086DEST_PATH_IMAGE144
的最大值。
Step2：选取常数，求解满足线性矩阵不等式（9）的正定矩阵和常数
Figure 533552DEST_PATH_IMAGE258
，令。 
                                        
Figure 943805DEST_PATH_IMAGE170
                              (12) 
其中：
Figure 791675DEST_PATH_IMAGE172
，
Figure 878897DEST_PATH_IMAGE176
，
Figure 205973DEST_PATH_IMAGE178
，
Figure 419218DEST_PATH_IMAGE180
，
Figure 831744DEST_PATH_IMAGE182
，
Figure 968066DEST_PATH_IMAGE184
，
Figure 149648DEST_PATH_IMAGE186
，
Figure 542583DEST_PATH_IMAGE188
；
Step3：求解满足线性矩阵不等式（12）的矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE274
,
Figure 317772DEST_PATH_IMAGE192
；
Step4：设计基于观测器的输出反馈控制器如下：
                                                 
Figure DEST_PATH_IMAGE276
                                 （13）
则该控制器可以使得闭环系统满足性能指标：
Figure 883883DEST_PATH_IMAGE244
，
Figure 857655DEST_PATH_IMAGE262
，
Figure 483809DEST_PATH_IMAGE248
，
Figure 808611DEST_PATH_IMAGE264
。
最后，基于奇异扰动理论，可以得到车轮力矩
Figure 912833DEST_PATH_IMAGE040
和转向角
Figure 9621DEST_PATH_IMAGE160
为： 
                                       
Figure 744358DEST_PATH_IMAGE162
                      （11）
这里，
Figure DEST_PATH_IMAGE278
，
Figure DEST_PATH_IMAGE280
，
Figure DEST_PATH_IMAGE282
。通过对车轮的力矩和转向角的控制，可将车辆的纵向滑移率和侧向滑移率控制在一定范围之内，保证车辆按照既定的路径行驶。

Claims (2)

1.一种四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a).建立车体动态方程，建立如公式（1）所示的包括车体的纵向、侧向和横摆的车体动态方程：   
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE001
Figure 122399DEST_PATH_IMAGE002
=
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE003
Figure 912370DEST_PATH_IMAGE004
+     （1）
其中，和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE007
分别为车体的质量和转动惯量，
Figure 454789DEST_PATH_IMAGE008
为质心处的速度，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE009
为质心侧偏角，
Figure 96293DEST_PATH_IMAGE010
为横摆角速度，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE011
为空气动力学系数；
Figure 689954DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 440129DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE015
定义在车体坐标系中，分别表示车轮与路面之间的摩擦力和力矩；
 b).建立车轮动态方程，建立如公式（2）所示的车轮动态方程：
Figure 320098DEST_PATH_IMAGE016
       （2）
其中，
Figure 598632DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE017
为车轮角速度，
Figure 546384DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE019
分别表示车轮的转动惯量和有效半径，
Figure 961185DEST_PATH_IMAGE020
和为车轮力矩和转向角输入；
c).建立摩擦力和力矩的关系式，建立如公式（3）所示的摩擦力
Figure 700471DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 263039DEST_PATH_IMAGE014
和力矩
Figure 949236DEST_PATH_IMAGE015
的求取公式：    
 (3)
其中，为四个车轮的垂向负载，摩擦参数
Figure 521873DEST_PATH_IMAGE024
是依赖
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE025
和路面条件的饱和函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 858362DEST_PATH_IMAGE028
分别为纵向滑移率和侧向滑移率；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为车轮距离车辆质心的横向距离，
Figure 247755DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure DEST_PATH_IMAGE031
分别为前车轮、后车轮距离车辆质心的纵向距离；
d).建立滑移率计算公式，当车辆制动时，
Figure 719057DEST_PATH_IMAGE032
，通过公式（4）来求取车轮的纵向滑移率
Figure 866004DEST_PATH_IMAGE027
和侧向滑移率
Figure 970968DEST_PATH_IMAGE028
：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
   （4）
当车辆处于驱动状态时，
Figure 214868DEST_PATH_IMAGE034
，通过公式（5）来求取车轮的纵向滑移率
Figure 732437DEST_PATH_IMAGE027
和侧向滑移率
Figure 632260DEST_PATH_IMAGE028
：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
   （5）
其中，
Figure 260687DEST_PATH_IMAGE036
为车轮的转速，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为车轮接触地面的速度；
Figure 421410DEST_PATH_IMAGE038
为车轮侧偏角，定义如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，    (6)
公式（6）中，、为车轮速度
Figure 853419DEST_PATH_IMAGE037
沿
Figure DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 502270DEST_PATH_IMAGE044
轴的分量；
e).建立路径保持方程，建立如公式（7）所示的路径保持动态方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
    （7）
其中，
Figure 299324DEST_PATH_IMAGE046
为路径中心线与车辆纵向轴之间的夹角，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
是距离车辆质心为处的侧向偏离；
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为当前路径的曲率，其通过联合的GPS/GIS系统得到；
f).建立控制模型，将车辆模型在操作点
Figure 940707DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
处线性化；设车辆在一致路面上行驶，通过控制车轮滑移率来控制车轮的纵向、侧向运动，得到如公式（8）所示的控制模型：
    （8）
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
Figure 43978DEST_PATH_IMAGE054
Figure DEST_PATH_IMAGE055
Figure 329991DEST_PATH_IMAGE056
Figure DEST_PATH_IMAGE057
Figure 103912DEST_PATH_IMAGE058
Figure DEST_PATH_IMAGE059
Figure 359312DEST_PATH_IMAGE060
Figure DEST_PATH_IMAGE061
其中， 
Figure 560487DEST_PATH_IMAGE062
，为相对速度；
Figure 878336DEST_PATH_IMAGE043
为车辆状态，
Figure 455947DEST_PATH_IMAGE044
为测量输出，其包括横摆角速度和侧向偏离；
Figure DEST_PATH_IMAGE063
、为被控输出，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
表示
Figure DEST_PATH_IMAGE067
阶单位矩阵；
g).设计状态反馈控制器，如果车辆状态
Figure 878543DEST_PATH_IMAGE043
完全可测，则通过以下步骤建立车辆的状态反馈控制器：
g-1).选取性能指标，选取合适的性能指标
Figure 683688DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure DEST_PATH_IMAGE069
和
Figure 861728DEST_PATH_IMAGE070
；其中，
Figure 701508DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 244485DEST_PATH_IMAGE069
均大于0，
Figure DEST_PATH_IMAGE071
，
Figure 802506DEST_PATH_IMAGE072
为扰动
Figure DEST_PATH_IMAGE073
的最大值；
g-2).求取矩阵和常数，选取大于0的常数
Figure 456341DEST_PATH_IMAGE074
，求解满足线性矩阵不等式（9）的正定矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE075
和大于0的常数
Figure 478523DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 192402DEST_PATH_IMAGE076
    （9）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE077
，
Figure 34456DEST_PATH_IMAGE078
，
Figure DEST_PATH_IMAGE079
；
g-3).设计控制器，建立如公式（10）所示的状态反馈控制器：
Figure 494911DEST_PATH_IMAGE080
    （10）
h).获取车辆控制输入，基于奇异扰动理论，通过公式（11）获取控制车辆运行的车轮力矩
Figure 371601DEST_PATH_IMAGE020
和转向角：
Figure 381014DEST_PATH_IMAGE082
    （11）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE083
，，
Figure 909264DEST_PATH_IMAGE012
；通过对车轮的力矩和转向角的控制，可将车辆的纵向滑移率和侧向滑移率控制在一定范围之内，保证车辆按照既定的路径行驶。
2.根据权利要求1所述的四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法，其特征在于，步骤g)中，如果车辆状态 
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE001
不完全可测，则通过以下步骤建立车辆的状态反馈控制器：
1).选取性能指标，选取合适的性能指标
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE004
；其中，
Figure RE-259106DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure RE-176246DEST_PATH_IMAGE003
均大于0，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE006
为扰动
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE007
的最大值；
2).求取矩阵和常数，选取大于0的常数
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE008
，求解满足线性矩阵不等式（9）的正定矩阵
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE009
和大于0的常数；并令；
3).建立线性矩阵不等式，建立如公式（12）所示的线性矩阵不等式：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE012
     （12）
其中：  
，，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE016
，，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE021
；
求解满足线性矩阵不等式（12）的矩阵和
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE023
,
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE024
；
4).设计控制器，建立如公式（13）所示的基于观测器的输出反馈控制器：
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE025
    （13）
以利用观测器状态
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE026
代替不可测的车辆状态
Figure RE-706716DEST_PATH_IMAGE001
。
CN201310510013.9A 2013-10-25 2013-10-25 四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法 Active CN103600744B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310510013.9A CN103600744B (zh) 2013-10-25 2013-10-25 四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310510013.9A CN103600744B (zh) 2013-10-25 2013-10-25 四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103600744A true CN103600744A (zh) 2014-02-26
CN103600744B CN103600744B (zh) 2016-03-30

Family

ID=50119037

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310510013.9A Active CN103600744B (zh) 2013-10-25 2013-10-25 四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103600744B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106681154A (zh) * 2017-03-01 2017-05-17 重庆大学 针对不确定质心和未知输入饱和的电动车自适应控制方法
CN107490968A (zh) * 2017-09-29 2017-12-19 山东省计算中心（国家超级计算济南中心） 自动驾驶汽车的自适应分层递阶路径跟踪控制方法
CN109291932A (zh) * 2018-10-16 2019-02-01 袁小芳 基于反馈的电动汽车横摆稳定性实时控制装置及方法
CN109606352A (zh) * 2018-11-22 2019-04-12 江苏大学 一种车辆路径跟踪与稳定性协调控制方法
CN109941283A (zh) * 2017-12-20 2019-06-28 宝沃汽车（中国）有限公司 四驱车辆及其扭矩分配方法、装置、存储介质
CN110789530A (zh) * 2019-11-19 2020-02-14 中国科学院深圳先进技术研究院 一种四轮独立转向-独立驱动车辆轨迹跟踪方法和系统
CN112193243A (zh) * 2020-10-20 2021-01-08 河北工业大学 一种基于避障系统的多转向模式控制方法
CN115195758A (zh) * 2022-05-20 2022-10-18 厦门大学 一种针对铰接车辆的纵向滑移率估计方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11147481A (ja) * 1997-11-18 1999-06-02 Mitsubishi Motors Corp 車線逸脱防止装置
CN1636789A (zh) * 2003-12-25 2005-07-13 株式会社日立制作所 四轮驱动装置
CN1907775A (zh) * 2005-08-04 2007-02-07 株式会社日立制作所 车辆的驱动控制装置和方法
GB2425189B (en) * 2005-04-14 2010-04-07 Ford Global Tech Llc Method and system of controlling a vehicle system
CN102267459A (zh) * 2011-05-17 2011-12-07 清华大学 一种电机驱动车辆的驱动防滑调节控制方法
CN202448976U (zh) * 2011-12-31 2012-09-26 浙江吉利汽车研究院有限公司 汽车电子稳定控制系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11147481A (ja) * 1997-11-18 1999-06-02 Mitsubishi Motors Corp 車線逸脱防止装置
CN1636789A (zh) * 2003-12-25 2005-07-13 株式会社日立制作所 四轮驱动装置
GB2425189B (en) * 2005-04-14 2010-04-07 Ford Global Tech Llc Method and system of controlling a vehicle system
CN1907775A (zh) * 2005-08-04 2007-02-07 株式会社日立制作所 车辆的驱动控制装置和方法
CN102267459A (zh) * 2011-05-17 2011-12-07 清华大学 一种电机驱动车辆的驱动防滑调节控制方法
CN202448976U (zh) * 2011-12-31 2012-09-26 浙江吉利汽车研究院有限公司 汽车电子稳定控制系统

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106681154A (zh) * 2017-03-01 2017-05-17 重庆大学 针对不确定质心和未知输入饱和的电动车自适应控制方法
CN107490968A (zh) * 2017-09-29 2017-12-19 山东省计算中心（国家超级计算济南中心） 自动驾驶汽车的自适应分层递阶路径跟踪控制方法
CN109941283A (zh) * 2017-12-20 2019-06-28 宝沃汽车（中国）有限公司 四驱车辆及其扭矩分配方法、装置、存储介质
CN109291932A (zh) * 2018-10-16 2019-02-01 袁小芳 基于反馈的电动汽车横摆稳定性实时控制装置及方法
CN109606352A (zh) * 2018-11-22 2019-04-12 江苏大学 一种车辆路径跟踪与稳定性协调控制方法
CN109606352B (zh) * 2018-11-22 2020-06-26 江苏大学 一种车辆路径跟踪与稳定性协调控制方法
CN110789530A (zh) * 2019-11-19 2020-02-14 中国科学院深圳先进技术研究院 一种四轮独立转向-独立驱动车辆轨迹跟踪方法和系统
CN112193243A (zh) * 2020-10-20 2021-01-08 河北工业大学 一种基于避障系统的多转向模式控制方法
CN115195758A (zh) * 2022-05-20 2022-10-18 厦门大学 一种针对铰接车辆的纵向滑移率估计方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103600744B (zh) 2016-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103600744A (zh) 四轮转向/驱动车辆的路径保持和车轮侧滑的控制方法
Ni et al. Dynamics control of autonomous vehicle at driving limits and experiment on an autonomous formula racing car
US10967870B2 (en) Hill descent system for vehicle and control method thereof
CN104443022B (zh) 一种四轮独立驱动电动汽车稳定性控制方法及系统
CN103935265B (zh) 一种电动汽车的车身稳定控制系统
CN103303367B (zh) 一种四轮驱动电动车车身稳定控制方法
US9950703B2 (en) Vehicle with independently driven multiple axes, and controller which independently drives multiple axles
CN105936273B (zh) 车用主动转矩轮间、轴间分配方法
CN102402644B (zh) 山区道路行驶车辆动力学模型建模方法
Wu et al. Differential speed steering control for four-wheel independent driving electric vehicle
CN105691403B (zh) 四轮全驱电动汽车路面附着系数估计方法
US20130211678A1 (en) Vehicle with independently driven multiple axes, and controller which independently drives multiple axles
CN105253141A (zh) 一种基于车轮纵向力调节的车辆操纵稳定性控制方法
CN104477237A (zh) 一种四轮独立转向电动车转向控制方法及系统
CN105270397B (zh) 车辆电子稳定性控制系统稳定性控制判据的制定方法
CN104925054A (zh) 一种基于微分平坦的车辆稳定转向集成控制方法
Sabbioni et al. Comparison of torque vectoring control strategies for a IWM vehicle
Velenis FWD vehicle drifting control: The handbrake-cornering technique
CN113050651A (zh) 智能车自主行驶路径跟踪的时滞控制方法及系统
Cheli et al. Torque vectoring control of a four independent wheel drive electric vehicle
Dai et al. Longitudinal and lateral coordinated motion control of four-wheel-independent drive electric vehicles
CN114148318B (zh) 冰雪环境下基于反馈线性化与lqr的车辆路径跟踪方法
CN113044047B (zh) 一种基于类pid-stsm的afs/dyc集成控制方法
Gao et al. Turning characteristic study of multi-axle compound steering vehicle
Sun et al. Design of Four Wheel Steering and Direct Yaw Moment Control for Unmanned Vehicle with Path Tracking Controller in Extreme Maneuvers

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant