CN104085394A - 四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆分层协调控制方法 - Google Patents

Abstract

一种四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆分层协调控制方法，采用“控制器+分配器”结构，控制器输入信号为车辆实际横摆角速度与理想横摆角速度偏差，输出信号为维持车身横摆稳定的需求力矩M_des，分配器依据车辆状态和M_des分层次的形成车轮的制动、驱动和主动转向指令，该方法在保证车辆横摆稳定的前提下，充分优先利用车轮制动力矩进行能量回馈，达到提高能量回馈效率的目的。

Description

四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆分层协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆，考虑能量回馈效率时的横摆稳定性控制方法，属于电动车辆控制技术领域。 

背景技术

四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆与内燃机车辆、单电机中央驱动型电动车辆、两轮独立驱动电动车辆等相比，在底盘结构、模块化设计、整车动力学控制等方面有其独特优势。能量回馈制动技术是电动车辆增加续航里程、提高能量利用效率的关键手段之一。 

现有的四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆的横摆稳定性控制系统由直接横摆力矩控制子系统与主动转向控制子系统组成，两个子系统采用“平行”协调方式，普遍使用独立的控制器，分别根据车辆实际横摆角速度与理想横摆角速度的偏差独自形成控制量。其中直接横摆力矩控制子系统采用驱动与制动相结合的方式，具体有两种方法：(1)采用驱(制)动外前轮、制(驱)动内后轮的方法；(2)驱动左(右)侧车轮、制动右(左)侧车轮。上述协调方法中没有考虑能量回馈效率问题，能量回馈效率低。 

发明内容

本发明针对现有四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆横摆稳定性控制系统中直接横摆力矩控制子系统、主动转向控制子系统协调控制方法存在的不足，提出一种四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆分层协调控制方法，该方法采用“控制器+分配器”的分层协调控制方法，依据车辆横摆控制器需求，分层次的形成车轮的制动、主动转向和驱动指令，达到提高能量回馈效率的目的，在维持车辆横摆稳定性的同时能够取得更高能量回馈效率。 

本发明的四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆分层协调控制方法，具体包含以下步骤： 

(1)根据车辆的实际横摆角速度与理想横摆角速度的偏差形成需求力矩M_des，规定逆时针方向为正； 

(2)计算当前四个车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩M时的对应力臂L_i，i为车轮编号，i＝1,2,3,4，分别代表车辆的左前轮，右前论，左后轮，右后轮； 

(3)根据需求力矩M_des方向，确定使用驱动力矩形成需求力矩M_des所使用的车轮编号n，确定使用制动力矩形成需求力矩M_des的车轮编号m；如果M_des>0则n＝2，4；m＝1，3；如果M_des<0则n＝1，3；m＝2，4； 

(4)计算当前使用制动力矩的车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向允许的制动力的下界F_{b_min_m}，F_{b_min_m}<0；计算当前使用驱动力矩的车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向允许的驱动力的上界F_{d_max_n}，F_{d_max_n}>0； 

(5)根据车轮形成需求力矩M_des时的对应力臂L_i，确定当前状态下使用制动力矩的车轮 m能够形成的横摆力矩范围[M_{b_min},M_{b_max}]以及使用驱动力矩的车轮n能够形成的横摆力矩范围[M_{d_min},M_{d_max}]； 

(6)如果需求力矩M_des∈[M_{b_min},M_{b_max}]，则仅形成使用制动力矩的车轮m的力矩指令，按照“最大限度使用制动力矩”原则，在满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提下，考虑回馈制动效率，将M_des在车轮m上进行分配，得到期望作用于车轮m的制动力矩指令，使用驱动力矩的车轮n，其驱动力矩指令都是0，另车轮的主动转向指令都是0； 

步骤(6)依据M_des的不同，具体实现过程分三种情况： 

情况1，如果M_des>0： 

①将“最大限度使用制动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₁+T₃   (a-1)； 

②将“满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提”分别描述为式(b-1)和式(c-1)： 

M_des＝-(T₁L₁+T₃L₃)/R   (b-1)， 

$F_{b\_\min \_m}\&le;\frac{T_m}{R},m=\mathrm{1,3}---(c-1),$

式中，T_m是作用于车轮m的制动力矩指令，制动时T_m<0；L_m是车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径；F_{b_min_m}为车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的允许制动力下界，F_{b_min_m}<0；m＝1，3； 

③将式(a-1)、(b-1)、(c-1)认为是线性规划问题，写为(d-1)式： 

$\left\{\begin{array}{c}\min J=T_1+T_3\\ s.t.M_{\mathrm{des}}=-(T_1{L}_1+T_3{L}_3)/R\\ F_{b\_\min \_m}\&le;\frac{T_m}{R}<0,m=\mathrm{1,3}\end{array}\right.---(d-1),$

④采用单纯形法对式(d-1)进行求解计算，得到车轮m的制动力矩指令T_m，m＝1，3；对使用驱动力矩的车轮n，其力矩指令T_n＝0，n＝2，4；车轮的主动转向指令都是0； 

情况2，如果M_des<0： 

①将“最大限度使用制动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₂+T₄   (a-2)； 

②将“满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提”分别描述为式(b-2)和式(c-2)： 

M_des＝(T₂L₂+T₄L₄)/R(b-2)， 

$F_{b\_\min \_m}\&le;\frac{T_m}{R},m=\mathrm{2,4}---(c-2),$

式中：T_m是作用于车轮m的制动力矩指令，制动时T_m<0；L_m是使用制动力矩的车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径；F_{b_min_m}为车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的允许制动力下界，F_{b_min_m}<0；m＝2，4； 

③将式(a-2)、(b-2)、(c-2)认为是线性规划问题，写为(d-2)式： 

$\left\{\begin{array}{c}\min J=T_2+T_4\\ s.t.M_{\mathrm{des}}=(T_2{L}_2+T_4{L}_4)/R\\ F_{b\_\min \_m}\&le;\frac{T_m}{R}<0,m=\mathrm{2,4}\end{array}\right.---(d-2),$

④采用单纯形法对式(d-2)进行求解计算，得到使用制动力矩的车轮m的指令T_m，m＝2，4；对使用驱动力矩的车轮n，力矩指令T_n＝0，n＝1，3；车轮的主动转向指令都是0； 

情况3，如果M_des＝0,则T_i＝0,i＝1,2,3,4，即各个车轮的力矩指令均为0，车轮的主动转向指令都是0； 

(7)如果需求力矩且车轮合成附着系数s^*不大于期望的合成附着系数s_d ^*，则形成使用制动力矩的车轮m的力矩指令和车轮的主动转向指令，车轮的主动转向指令的大小与(M_des-M_{b_max})有关，使用驱动力矩的车轮n的力矩指令为0； 

步骤(7)依据M_des的不同，其具体实现过程分两种情况： 

情况1，如果M_des>0： 

①T_m＝F_{b_min_m},m＝1,3；T_n＝0,n＝2,4； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

情况2，如果M_des<0： 

①T_m＝F_{b_min_m},m＝2,4；T_n＝0,n＝1,3； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

(8)如果需求力矩且s^*>s_d ^*，则同时形成使用制动力矩的车轮m和使用驱动力矩的车轮n的力矩指令，并形成车轮的主动转向指令，车轮的主动转向指令的大 小与(M_des-M_{b_max})有关；使用驱动力矩的车轮n的驱动力矩指令的大小与(M_des-M_{b_max})有关，如果(M_des-M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，在满足(M_des-M_{b_max})需求与轮胎附着力限制的前提下，按照最小限度使用驱动力矩原则,将(M_des-M_{b_max})在使用驱动力矩的车轮n上进行分配，得到期望作用于车轮n的驱动力矩指令，否则按照车轮垂向载荷比例将(M_des-M_{b_max})在车轮n上进行分配； 

步骤(8)中，依据M_des的大小，其具体实现过程分为两种情况： 

情况1，M_des>0： 

①T_m＝F_{b_min_m},m＝1,3； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

③如果(M_des-M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，将“最小限度使用驱动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₂+T₄    (e-1)； 

④将“满足(M_des-M_{b_max})需求与轮胎间附着力限制的前提”分别描述为式(f-1)和(g-1)： 

M_des-M_{b_max}＝(T₂L₂+T₄L₄)/R  (f-1)， 

$\frac{T_n}{R}\&le;F_{d\_\max \_n},n=\mathrm{2,4}---(g-1),$

式中：n是使用驱动力矩车轮的编号，n＝2，4；T_n是车轮n的驱动力矩指令，驱动时T_n>0；L_n是车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径，F_{d_max_n}为使用驱动力矩的车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的驱动力上界； 

⑤将式(e-1)、(f-1)、(g-1)认为是线性规划问题，写为下式： 

$\left\{\begin{array}{c}\min J=T_2+T_4\\ s.t.M_{\mathrm{des}}-M_{b\_\max }=(T_2{L}_2+T_4{L}_4)/R\\ 0<\frac{T_n}{R}{\&le;F}_{d\_\max \_n},n=\mathrm{2,4}\end{array}\right.---(h-1),$

⑥采用单纯形法对式(h-1)进行求解计算，得到车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝2，4； 

⑦如果则按照车轮垂向载荷比例将(M_des-M_{b_max})在车轮n上进行分配,得到车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝2，4； 

情况2，M_des<0： 

①T_m＝F_{b_min_m},m＝2,4； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

③如果(M_des-M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，将“最小限度使用驱动力矩”原则描述为下式： 

minJ＝T₁+T₃    (e-2)； 

④将“满足(M_des-M_{b_max})需求与轮胎间附着力限制的前提”分别描述为式(f-2)和(g-2)： 

M_des-M_{b_max}＝-(T₁L₁+T₃L₃)/R   (f-2)， 

$\frac{T_n}{R}\&le;F_{d\_\max \_n},n=\mathrm{1,3}---(g-2),$

式中：n是使用驱动力矩车轮的编号,n＝1,3；T_n是车轮n的驱动力矩指令，驱动时T_n>0；L_n是各个车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径，F_{d_max_n}为使用驱动力矩的车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的驱动力上界； 

⑤将式(e-2)、(f-2)、(g-2)认为是线性规划问题，写为下式： 

$\left\{\begin{array}{c}\min J=T_1+T_3\\ s.t.M_{\mathrm{des}}-M_{b\_\max }=-(T_1{L}_1+T_3{L}_3)/R\\ 0<\frac{T_n}{R}{\&le;F}_{d\_\max \_n},n=\mathrm{1,3}\end{array}\right.---(h-2),$

⑥采用单纯形法对式(h-2)进行求解计算，得到使用驱动力矩的车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝1，3； 

⑦如果则按照车轮垂向载荷比例将(M_des-M_{b_max})在车轮n进行分配,得到使用驱动力矩的车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝1,3。 

本发明在保证车辆横摆稳定的前提下，充分优先利用车轮制动力矩进行能量回馈，达到提高能量回馈效率的目的，在维持车辆横摆稳定性的同时能够取得更高能量回馈效率。 

具体实施方式

本发明四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆分层协调控制方法的总体思想是：在保证车辆横摆稳定的前提下，充分优先利用车轮制动力矩进行能量回馈。本发明的特点在于，采用“控制器+分配器”结构，控制器输入信号为车辆实际横摆角速度与理想横摆角速度偏差，输出信号为维持车身横摆稳定的需求力矩M_des，分配器依据车辆状态和M_des分层次的形成 车轮的制动、驱动和主动转向指令。该方法在保证车辆横摆稳定的前提下，充分优先利用车轮制动力矩进行能量回馈，达到提高能量回馈效率的目的。 

本发明具体包括以下步骤： 

(1)车辆横摆稳定性控制器根据车辆的实际横摆角速度与理想横摆角速度的偏差形成需求力矩M_des，规定逆时针方向为正。 

车辆的实际横摆角速度可以使用陀螺仪传感器测量，车辆期望横摆角速度可以通过公知方法获得(参见文献：①质心侧偏角相图在车辆ESC系统稳定性控制的应用[J]，北京理工大学学报，2013,33(1):42-46；②基于滑模控制理论的车辆横向稳定性控制[J],重庆大学学报(自然科学版),2007,30(8):1-5)，需求力矩M_des根据车辆的实际横摆角速度与理想角速度的偏差可以使用PID控制器或模糊控制器等多种公知方法获得。 

(2)计算当前四个车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂L_i，i为车轮编号，i＝1,2,3,4，分别代表车辆的左前轮，右前论，左后轮，右后轮。 

车辆底盘结构尺寸(轮距、轴距、几何中心)已知，车轮转向角度可以通过编码器等角度传感器测量，则车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力F_{x_i}形成横摆力矩时的对应力臂L_i可通过公知的几何方法计算。 

(3)根据需求力矩M_des方向，确定使用驱动力矩形成需求力矩M_des所使用的车轮编号n，确定使用制动力矩形成需求力矩M_des的车轮编号m；如果M_des>0则n＝2，4；m＝1，3；如果M_des<0则n＝1，3；m＝2，4。 

如步骤(2)所述，车辆底盘结构尺寸(轮距、轴距、几何中心)已知，车轮转向角度可以通过编码器等角度传感器测量，在车轮上施加制动力矩时，可判定该车轮形成的横摆力矩方向。如M_des>0，则制动1号和3号车轮可形成与M_des方向一致的横摆力矩，驱动2号和4号车轮可形成与M_des方向一致的横摆力矩，所以M_des>0时n＝2，4；m＝1，3；同理，如果M_des<0则n＝1，3；m＝2，4。 

(4)计算当前使用制动力矩的车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向允许的制动力的下界F_{b_min_m}，F_{b_min_m}<0；计算当前使用驱动力矩的车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向允许的驱动力的上界F_{d_max_n}，F_{d_max_n}>0。 

F_{b_min_m}和F_{d_max_n}分别为第m个和第n个车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力的下界与上界，可使用公知方法获得(参见文献：①Estimation of tire grip margin using electric power steering system[J].Vehicle System Dynamics,2004,vol.41,sup:421-430；②《使用电子助力转向系统估计轮胎附着力极限》[J],《车辆系统动力学》杂志,2004,vol.41, sup:421-430；③Estimation of lateral grip margin based on self-aligning torque for vehicle dynamics enhancement[J].SAE Paper,No.2004-01-1070；④《车辆动力学控制中基于自回正力矩的轮胎侧向附着力极限估计》[J]，SAE论文,No.2004-01-1070)。 

(5)根据车轮形成需求力矩M_des时的对应力臂L_i，确定当前状态下使用制动力矩的车轮m能够形成的横摆力矩范围[M_{b_min},M_{b_max}]以及使用驱动力矩的车轮n能够形成的横摆力矩范围[M_{d_min},M_{d_max}]。 

在步骤(3)和步骤(4)的基础上，可以根据几何方法得到控制子系统能够形成的横摆力矩范围[M_{b_min},M_{b_max}]以及驱动直接横摆力矩控制子系统能够形成的横摆力矩范围[M_{d_min},M_{d_max}]。 

(6)如果需求力矩M_des∈[M_{b_min},M_{b_max}]，则仅形成使用制动力矩的车轮m的力矩指令，按照“最大限度使用制动力矩”原则，在满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提下，考虑回馈制动效率，将M_des在车轮m上进行分配，得到期望作用于车轮m的制动力矩指令，使用驱动力矩的车轮n，其驱动力矩指令都是0，另车轮的主动转向指令都是0； 

步骤(6)依据M_des的不同，其具体过程实现过程分三种情况： 

情况1，如果M_des>0： 

①将“最大限度使用制动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₁+T₃   (a-1)； 

②将“满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提”分别描述为式(b-1)和式(c-1)： 

M_des＝-(T₁L₁+T₃L₃)/R   (b-1)， 

$F_{b\_\min \_m}\&le;\frac{T_m}{R},(m=\mathrm{1,3})---(c-1),$

式中，T_m是作用于车轮m，m＝1,3的制动力矩指令，制动时T_m<0；L_m是车轮m(m＝1,3)与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径；F_{b_min_m}为车轮m(m＝1,3)与地面间沿着轮胎滚动方向的允许制动力下界，F_{b_min_m}<0； 

③将式(a-1)、(b-1)、(c-1)认为是线性规划问题，写为(d-1)式： 

$\left\{\begin{array}{c}\min J=T_1+T_3\\ s.t.M_{\mathrm{des}}=-(T_1{L}_1+T_3{L}_3)/R\\ F_{b\_\min \_m}\&le;\frac{T_m}{R}<0,(m=\mathrm{1,3})\end{array}\right.---(d-1),$

④采用单纯形法对式(d-1)进行求解计算，得到车轮m(m＝1，3)的制动力矩指令T_m，对使用驱动力矩的车轮n(n＝2，4)其力矩指令T_n＝0，另车轮的主动转向指令都是0； 

情况2，如果M_des<0： 

①将“最大限度使用制动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₂+T₄   (a-2)； 

②将“满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提”分别描述为式(b-2)和式(c-2)： 

M_des＝(T₂L₂+T₄L₄)/R   (b-2)， 

$F_{b\_\min \_m}\&le;\frac{T_m}{R},(m=\mathrm{2,4})---(c-2),$

式中：T_m是作用于车轮m(m＝2，4)的制动力矩指令，制动时T_m<0；L_m是使用制动力矩的车轮m(m＝2，4)，与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径；F_{b_min_m}为车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的允许制动力下界，F_{b_min_m}<0； 

③将式(a-2)、(b-2)、(c-2)认为是线性规划问题，写为(d-2)式： 

$\left\{\begin{array}{c}\min J=T_2+T_4\\ s.t.M_{\mathrm{des}}=(T_2{L}_2+T_4{L}_4)/R\\ F_{b\_\min \_m}\&le;\frac{T_m}{R}<0,(m=\mathrm{2,4})\end{array}\right.---(d-2),$

④采用单纯形法对式(d-2)进行求解计算，得到使用制动力矩的车轮m，m＝2，4的指令T_m，对使用驱动力矩的车轮n(n＝1，3)其力矩指令T_n＝0，另车轮的主动转向指令都是0； 

情况3，如果M_des＝0，则T_i＝0,i＝1,2,3,4，即各个车轮的力矩指令均为0，另车轮的主动转向指令都是0； 

(7)如果需求力矩且车轮合成附着系数s^*不大于期望的合成附着系数s_d ^*，则形成使用制动力矩的车轮m的力矩指令和车轮的主动转向指令，车轮的主动转向指令的大小与(M_des-M_{b_max})有关，使用驱动力矩的车轮n的力矩指令为0； 

合成附着系数s^*可通过公知方法获得(参见文献：李道飞,喻凡.基于最优轮胎力分配的车辆动力学集成控制[J],上海交通大学学报，2008，42(6):887-891)。 

步骤(7)依据M_des的不同，其具体过程实现过程分两种情况： 

情况1，如果M_des>0： 

①T_m＝F_{b_min_m}(m＝1,3)；T_n＝0(n＝2,4)； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

情况2，如果M_des<0： 

①T_m＝F_{b_min_m}(m＝2,4)；T_n＝0(n＝1,3)； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

(8)如果需求力矩且s^*>s_d ^*，则同时形成使用制动力矩的车轮m和使用驱动力矩的车轮n的力矩指令，并形成车轮的主动转向指令，车轮的主动转向指令的大小与(M_des-M_{b_max})有关；使用驱动力矩的车轮n的驱动力矩指令的大小与(M_des-M_{b_max})有关，如果(M_des-M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，在满足(M_des-M_{b_max})需求与轮胎附着力限制的前提下，按照最小限度使用驱动力矩原则,将(M_des-M_{b_max})在使用驱动力矩的车轮n上进行分配，得到期望作用于车轮n的驱动力矩指令，否则按照车轮垂向载荷比例将(M_des-M_{b_max})在车轮n上进行分配； 

步骤8中，依据M_des的符号，其具体实现过程分为两种情况： 

情况1，M_des>0： 

①T_m＝F_{b_min_m}(m＝1,3)； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

③如果(M_des-M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，将“最小限度使用驱动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₂+T₄   (e-1)； 

④将“满足(M_des-M_{b_max})需求与轮胎间附着力限制的前提”分别描述为式(f-1)和(g-1)： 

M_des-M_{b_max}＝(T₂L₂+T₄L₄)/R   (f-1)， 

$\frac{T_n}{R}\&le;F_{d\_\max \_n},(n=\mathrm{2,4})---(g-1),$

式中：n是使用驱动力矩车轮的编号，n＝2，4；T_n是车轮n的驱动力矩指令，驱动时T_n>0；L_n(n＝2,4)是车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径，F_{d_max_n}为使用驱动力矩的车轮n(n＝2,4)与地面间沿着轮胎滚动方向的驱动力上界； 

⑤将式(e-1)、(f-1)、(g-1)认为是线性规划问题，写为下式： 

$\left\{\begin{array}{c}\min J=T_2+T_4\\ s.t.M_{\mathrm{des}}-M_{b\_\max }=(T_2{L}_2+T_4{L}_4)/R\\ 0<\frac{T_n}{R}{\&le;F}_{d\_\max \_n},n=\mathrm{2,4}\end{array}\right.---(h-1),$

⑥采用单纯形法对式(h-1)进行求解计算，得到车轮n(n＝2，4)的驱动力矩指令T_n； 

⑦如果则按照车轮垂向载荷比例将(M_des-M_{b_max})在车轮n(n＝2,4)上进行分配,得到车轮n(n＝2，4)的驱动力矩指令T_n； 

情况2，M_des<0： 

①T_m＝F_{b_min_m}(m＝2,4)； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

③如果(M_des-M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，将“最小限度使用驱动力矩”原则描述为下式： 

minJ＝T₁+T₃      (e-2)； 

④将“满足(M_des-M_{b_max})需求与轮胎间附着力限制的前提”分别描述为式(f-2)和(g-2)： 

M_des-M_{b_max}＝-(T₁L₁+T₃L₃)/R    (f-2)， 

$\frac{T_n}{R}\&le;F_{d\_\max \_n},(n=\mathrm{1,3})---(g-2),$

式中：n是使用驱动力矩车轮的编号,n＝1,3；T_n是车轮n的驱动力矩指令，驱动时T_n>0；L_n是各个车轮n(n＝1，3)与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径，F_{d_max_n}为使用驱动力矩的车轮n(n＝1，3)与地面间沿着轮胎滚动方向的驱动力上界； 

⑤将式(e-2)、(f-2)、(g-2)认为是线性规划问题，写为下式： 

$\left\{\begin{array}{c}\min J=T_1+T_3\\ s.t.M_{\mathrm{des}}-M_{b\_\max }=-(T_1{L}_1+T_3{L}_3)/R\\ 0<\frac{T_n}{R}{\&le;F}_{d\_\max \_n},n=\mathrm{1,3}\end{array}\right.---(h-2),$

⑥采用单纯形法对式(h-2)进行求解计算，得到使用驱动力矩的车轮n(n＝1，3)的驱动力矩指令T_n。 

⑦如果则按照车轮垂向载荷比例将(M_des-M_{b_max})在车轮n(n＝1,3)进行分配,得到使用驱动力矩的车轮n(n＝1，3)的驱动力矩指令T_n，车轮垂向载荷可以采用传感器测量悬架变形方式获得。 

本发明的方法可以在ECU中通过软件编程实现。 

Claims (1)

1.一种四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆分层协调控制方法，其特征是，包括以下步骤： 

(1)根据车辆的实际横摆角速度与理想横摆角速度的偏差形成需求力矩M_des，规定逆时针方向为正； 

(2)计算当前四个车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩M时的对应力臂L_i，i为车轮编号，i＝1,2,3,4，分别代表车辆的左前轮，右前论，左后轮，右后轮； 

(3)根据需求力矩M_des方向，确定使用驱动力矩形成需求力矩M_des所使用的车轮编号n，确定使用制动力矩形成需求力矩M_des的车轮编号m；如果M_des>0则n＝2，4；m＝1，3；如果M_des<0则n＝1，3；m＝2，4； 

(4)计算当前使用制动力矩的车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向允许的制动力的下界F_{b_min_m}，F_{b_min_m}<0；计算当前使用驱动力矩的车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向允许的驱动力的上界F_{d_max_n}，F_{d_max_n}>0； 

(5)根据车轮形成需求力矩M_des时的对应力臂L_i，确定当前状态下使用制动力矩的车轮m能够形成的横摆力矩范围[M_{b_min},M_{b_max}]以及使用驱动力矩的车轮n能够形成的横摆力矩范围[M_{d_min},M_{d_max}]； 

(6)如果需求力矩M_des∈[M_{b_min},M_{b_max}]，则仅形成使用制动力矩的车轮m的力矩指令，按照“最大限度使用制动力矩”原则，在满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提下，考虑回馈制动效率，将M_des在车轮m上进行分配，得到期望作用于车轮m的制动力矩指令，使用驱动力矩的车轮n，其驱动力矩指令都是0，另车轮的主动转向指令都是0； 

步骤(6)依据M_des的不同，具体实现过程分三种情况： 

情况1，如果M_des>0： 

①将“最大限度使用制动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₁+T₃    (a-1)； 

②将“满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提”分别描述为式(b-1)和式(c-1)： 

M_des＝-(T₁L₁+T₃L₃)/R   (b-1)， 

式中，T_m是作用于车轮m的制动力矩指令，制动时T_m<0；L_m是车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径；F_{b_min_m}为车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的允许制动力下界，F_{b_min_m}<0；m＝1，3； 

③将式(a-1)、(b-1)、(c-1)认为是线性规划问题，写为(d-1)式： 

④采用单纯形法对式(d-1)进行求解计算，得到车轮m的制动力矩指令T_m，m＝1，3；对使用驱动力矩的车轮n，其力矩指令T_n＝0，n＝2，4；车轮的主动转向指令都是0； 

情况2，如果M_des<0： 

①将“最大限度使用制动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₂+T₄    (a-2)； 

②将“满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提”分别描述为式(b-2)和式(c-2)： 

M_des＝(T₂L₂+T₄L₄)/R  (b-2)， 

式中：T_m是作用于车轮m的制动力矩指令，制动时T_m<0；L_m是使用制动力矩的车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径；F_{b_min_m}为车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的允许制动力下界，F_{b_min_m}<0；m＝2，4； 

③将式(a-2)、(b-2)、(c-2)认为是线性规划问题，写为(d-2)式： 

④采用单纯形法对式(d-2)进行求解计算，得到使用制动力矩的车轮m的指令T_m，m＝2，4；对使用驱动力矩的车轮n，力矩指令T_n＝0，n＝1，3；车轮的主动转向指令都是0； 

情况3，如果M_des＝0,则T_i＝0,i＝1,2,3,4，即各个车轮的力矩指令均为0，车轮的主动转向指令都是0； 

(7)如果需求力矩且车轮合成附着系数s^*不大于期望的合成附着系数s_d ^*，则形成使用制动力矩的车轮m的力矩指令和车轮的主动转向指令，车轮的主动转向指令的大小与(M_des-M_{b_max})有关，使用驱动力矩的车轮n的力矩指令为0； 

步骤(7)依据M_des的不同，其具体实现过程分两种情况： 

情况1，如果M_des>0： 

①T_m＝F_{b_min_m},m＝1,3；T_n＝0,n＝2,4； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

情况2，如果M_des<0： 

①T_m＝F_{b_min_m},m＝2,4；T_n＝0,n＝1,3； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

(8)如果需求力矩且s^*>s_d ^*，则同时形成使用制动力矩的车轮m和使用驱动力矩的车轮n的力矩指令，并形成车轮的主动转向指令，车轮的主动转向指令的大小与(M_des-M_{b_max})有关；使用驱动力矩的车轮n的驱动力矩指令的大小与(M_des-M_{b_max})有关，如果(M_des-M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，在满足(M_des-M_{b_max})需求与轮胎附着力限制的前提下，按照最小限度使用驱动力矩原则,将(M_des-M_{b_max})在使用驱动力矩的车轮n上进行分配，得到期望作用于车轮n的驱动力矩指令，否则按照车轮垂向载荷比例将(M_des-M_{b_max})在车轮n上进行分配； 

步骤(8)中，依据M_des的大小，其具体实现过程分为两种情况： 

情况1，M_des>0： 

①T_m＝F_{b_min_m},m＝1,3； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

③如果(M_des-M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，将“最小限度使用驱动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₂+T₄     (e-1)； 

④将“满足(M_des-M_{b_max})需求与轮胎间附着力限制的前提”分别描述为式(f-1)和(g-1)： 

M_des-M_{b_max}＝(T₂L₂+T₄L₄)/R   (f-1)， 

式中：n是使用驱动力矩车轮的编号，n＝2，4；T_n是车轮n的驱动力矩指令，驱动时T_n>0；L_n是车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径，F_{d_max_n}为使用驱动力矩的车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的驱动力上界； 

⑤将式(e-1)、(f-1)、(g-1)认为是线性规划问题，写为下式： 

⑥采用单纯形法对式(h-1)进行求解计算，得到车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝2，4； 

⑦如果则按照车轮垂向载荷比例将(M_des-M_{b_max})在车轮n上进行分配,得到车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝2，4； 

情况2，M_des<0： 

①T_m＝F_{b_min_m},m＝2,4； 

②车轮的主动转向指令根据(M_des-M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 

③如果(M_des-M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，将“最小限度使用驱动力矩”原则描述为下式： 

minJ＝T₁+T₃   (e-2)； 

④将“满足(M_des-M_{b_max})需求与轮胎间附着力限制的前提”分别描述为式(f-2)和(g-2)： 

M_des-M_{b_max}＝-(T₁L₁+T₃L₃)/R     (f-2)， 

式中：n是使用驱动力矩车轮的编号,n＝1,3；T_n是车轮n的驱动力矩指令，驱动时T_n>0；L_n是各个车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径，F_{d_max_n}为使用驱动力矩的车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的驱动力上界； 

⑤将式(e-2)、(f-2)、(g-2)认为是线性规划问题，写为下式： 

⑥采用单纯形法对式(h-2)进行求解计算，得到使用驱动力矩的车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝1，3； 

⑦如果则按照车轮垂向载荷比例将(M_des-M_{b_max})在车轮n进行分配,得到使用驱动力矩的车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝1,3。