CN104477237A - 一种四轮独立转向电动车转向控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轮独立转向电动车转向控制方法及系统，解决了现有技术中四轮独立驱动四轮独立转向的电动车缺乏稳定且经济适用的转向策略的技术问题，所述方法包括：当电动车需要转向时，获取电动车的方向盘转角和车速；基于车速和车速传动比数学模型，获取在不同车速下电动车的方向盘与后轮转角之间的变传动比；基于方向盘转角获取电动车的前轮转角；基于变传动比车辆理想模型、车速和前轮转角，获取电动车的车辆理想状态；同时，基于四轮转向电动车线性二自由度模型、车速和前轮转角，获取电动车的车辆实际状态；基于车辆理想状态和实际状态，获取电动车的后轮转角，并基于前、后轮转角控制电动车转向。

Description

一种四轮独立转向电动车转向控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电动车转向控制技术领域，尤其涉及一种四轮独立转向电动车转向控制方法及系统。

背景技术

汽车转向系统用来改变或保持汽车行驶方向，其功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向，汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要。四轮转向(4WS，4Wheel Steering)系统由于其能够有效地改善汽车的操纵稳定性，得到广泛的应用和发展。

早期，4WS汽车采用固定传动比的前轮转向(FWS，Front Wheel Steering)方式进行转向，即驾驶员通过方向盘控制汽车前轮转向、后轮跟随前轮转向的方式，其中，汽车方向盘到前轮的传动比为固定传动比；但是，由于后轮在汽车转向过程中缺乏主动性，汽车存在转向灵敏度不高的缺陷。进一步，为了在此基础上提高汽车的转向灵敏度和稳定性，近年来，学者和研究人员对早期的前轮转向方式进行研究改进，尤其对后轮主动控制策略进行了大量的研究，如零质心侧偏角控制策略、横摆角度跟踪控制策略等，得到改进后的汽车转向方式，即前轮转向机构不变、后轮主动转向的方式，并且这一转向方式目前已被大多4WS汽车(如四轮转向电动车)采用，并在一定程度上实现了汽车的经济型和可靠性。

但是，汽车转向的设计要求为尽量使汽车的转向特性接近于理想转向特性，即汽车在低速下具有高的转向灵敏度和在高速下具有好的转向稳定性；这一点同样适用于四轮转向电动车。随着汽车技术的不断发展，为了满足人们的使用需求，扩大四轮转向电动车转向的角度范围、增加电动车的转向方式(如在传统的转向方式的基础上增加横向平移、原地掉头等转向方式)，四轮独立驱动且四轮独立转向的电动汽车已问世；然而，以往采用零质心侧偏角的控制策略，所获得的横摆角速度增益很小，高速下导致过多的转向不足，即四轮独立驱动四轮独立转向的电动车转向方式的多样化使得车辆整车转向稳定性下降。对于现有的采用定传动比的前轮转向方式，很难满足上述汽车转向理想化的设计要求。另外，针对此缺陷，可采用变传动比转向系统，但是变传动比转向系统的机械结构复杂且成本高，不利于广泛推广。

可见，在现有技术中存在，四轮独立驱动四轮独立转向的电动车缺乏稳定且经济适用的转向策略的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中存在的四轮独立驱动四轮独立转向的电动车缺乏稳定且经济适用的转向策略的问题，提供一种四轮独立转向电动车转向控制方法及系统，使得车辆在低速下具有高的转向灵敏度和在高速下具有好的转向稳定性。

解决了现有技术中存在的四轮独立驱动四轮独立转向的电动车缺乏稳定且经济适用的转向策略的技术问题，一方面，实现了四轮独立转向电动车的车辆转向的实际特性与理想特性趋于一致，使得车辆在低速下具有高的转向灵敏度和在高速下具有好的转向稳定性的技术效果，另一方面，该电动车能够在不改变前轮转向结构的情况下，通过调整后轮，获得变传动比的理想转向特性，大大降低了设计成本，且控制策略可以自由设计，避免了机械结构的限制。

一方面，本发明实施例提供了一种四轮独立转向电动车转向控制方法，所述方法包括步骤：

S1、当四轮独立转向电动车处于工作状态且需要转向时，获取所述电动车的方向盘转角和车速；其中，所述车速为可变速度；

S2、基于所述车速和车速传动比数学模型，获取在不同车速下所述电动车的方向盘与后轮转角之间的变传动比；

S3、基于所述方向盘转角，获取所述电动车的前轮转角；

S4、基于变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆理想状态；同时，基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆实际状态；

S5、基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车的后轮转角，并基于所述前轮转角和所述后轮转角控制所述电动车转向。

可选的，所述电动车设置有线性二次型最优控制器，所述步骤S5，包括步骤：

S511、基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车在理想情况和实际情况下的车辆状态误差；

S512、根据所述车辆状态误差，通过所述线性二次型最优控制器控制所述电动车的后轮转动，获取所述后轮转角；

S513、基于所述前轮转角和所述后轮转角控制所述电动车转向。

可选的，所述步骤S4，包括步骤：

S41、基于所述变传动比、所述变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获得所述所述电动车的期望横摆角速度；

S42、基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的实际横摆角速度。

可选的，所述步骤S5，包括步骤：

S521、基于所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，获取所述电动车的实际横摆角速度相对于期望横摆角速度的横摆角速度误差；

S522、基于所述横摆角速度误差，控制调整所述电动车的后轮转动，获取所述电动车的后轮转角；

S523、基于所述前轮转角、所述后轮转角以及所述四轮转向电动车线性二自由度模型，控制所述电动车转向。

可选的，所述后轮转角为所述前轮转角的N倍，N为关于所述电动车的期望横摆角速度增益和车辆状态变量反馈增益的多项式，N为实数。

另一方面，本发明实施例还提供了一种四轮独立转向电动车转向控制系统，包括：

方向盘转角及车速获取单元，用于当四轮独立转向电动车处于工作状态且需要转向时，获取所述电动车的方向盘转角和车速；其中，所述车速为可变速度；

传动比获取单元，用于基于所述车速和车速传动比数学模型，获取在不同车速下所述电动车的方向盘与后轮转角之间的变传动比；

前轮转角获取单元，用于基于所述方向盘转角，获取所述电动车的前轮转角；

车辆状态获取单元，用于基于变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆理想状态；同时，基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆实际状态；

转向控制单元，用于基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车的后轮转角，并基于所述前轮转角和所述后轮转角控制所述电动车转向。

可选的，所述电动车设置有线性二次型最优控制器，所述转向控制单元，包括：

车辆状态误差获取模块，用于基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车在理想情况和实际情况下的车辆状态误差；

第一后轮转角获取模块，用于根据所述车辆状态误差，通过所述线性二次型最优控制器控制所述电动车的后轮转动，获取所述后轮转角；

第一转向控制模块，用于基于所述前轮转角、所述后轮转角以及所述四轮转向电动车线性二自由度模型，控制所述电动车转向。

可选的，所述车辆状态获取单元，具体包括：

期望横摆角速度获取模块，用于基于所述变传动比、所述变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获得所述所述电动车的期望横摆角速度；

实际横摆角速度获取模块，用于基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的实际横摆角速度。

可选的，所述转向控制单元，包括：

横摆角速度误差获取模块，用于基于所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，获取所述电动车的实际横摆角速度相对于期望横摆角速度的横摆角速度误差；

第二后轮转角获取模块，用于基于所述横摆角速度误差，控制调整所述电动车的后轮转动，获取所述电动车的后轮转角；

第二转向控制模块，用于基于所述前轮转角、所述后轮转角以及所述四轮转向电动车线性二自由度模型，控制所述电动车转向。

可选的，所述后轮转角为所述前轮转角的N倍，N为关于所述电动车的期望横摆角速度增益和车辆状态变量反馈增益的多项式，N为实数。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于在本发明实施例中，当四轮独立转向电动车处于工作状态且需要转向时，通过获取所述电动车的方向盘转角和车速；基于所述车速和车速传动比数学模型，获取在不同车速下所述电动车的方向盘与后轮转角之间的变传动比；再基于所述方向盘转角，获取所述电动车的前轮转角；进一步，结合变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆理想状态；同时，基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆实际状态；最终基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车的后轮转角，及基于所述前轮转角和所述后轮转角控制所述电动车转向，解决了现有技术中四轮独立驱动四轮独立转向的电动车缺乏稳定且经济适用的转向策略的技术问题，一方面，实现了四轮独立转向电动车的车辆转向的实际特性与理想特性趋于一致，使得车辆在低速下具有高的转向灵敏度和在高速下具有好的转向稳定性的技术效果，另一方面，该电动车能够在不改变前轮转向结构的情况下，通过调整后轮，获得变传动比的理想转向特性，大大降低了设计成本，且控制策略可以自由设计，避免了机械结构的限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1A-图1D为本发明实施例提供的四轮独立转向电动车转向示意图；

图2为本发明实施例提供的第一种四轮独立转向电动车转向控制方法流程图；

图3为本发明实施例提供的第二种四轮独立转向电动车转向控制方法流程图；

图4为本发明实施例提供的第三种四轮独立转向电动车转向控制方法流程图；

图5为本发明实施例提供的不同车速下的横摆角速度增益曲线图；

图6为本发明实施例提供的与车速相关的电动车转向变传动比曲线图；

图7为本发明实施例提供的四轮转向电动车的线性二自由度模型结构图；

图8为本发明实施例提供的四轮电动车后轮转角变化特性曲面图；

图9为本发明实施例提供的四轮电动车横摆角速度阶跃曲面图；

图10为本发明实施例提供的四轮电动车质心侧偏角阶跃曲面图；

图11A-图11B为本发明实施例提供的四轮电动车低速情况下FWS和4WS的阶跃响应图；

图12A-图12B为本发明实施例提供的四轮电动车高速情况下FWS和4WS的阶跃响应图；

图13为本发明实施例提供的第一种四轮独立转向电动车转向控制系统结构框图；

图14为本发明实施例提供的第二种四轮独立转向电动车转向控制系统结构框图；

图15为本发明实施例提供的第三种四轮独立转向电动车转向控制系统结构框图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种四轮独立转向电动车转向控制方法，解决了现有技术中存在的四轮独立驱动四轮独立转向的电动车缺乏稳定且经济适用的转向策略的技术问题，一方面，实现了四轮独立转向电动车的车辆转向的实际特性与理想特性趋于一致，使得车辆在低速下具有高的转向灵敏度和在高速下具有好的转向稳定性的技术效果，另一方面，该电动车能够在不改变前轮转向结构的情况下，通过调整后轮，获得变传动比的理想转向特性，大大降低了设计成本，且控制策略可以自由设计，避免了机械结构的限制。

本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明实施例提供了一种四轮独立转向电动车转向控制方法，所述方法包括步骤：当四轮独立转向电动车处于工作状态且需要转向时，获取所述电动车的方向盘转角和车速；其中，所述车速为可变速度；基于所述车速和车速传动比数学模型，获取在不同车速下所述电动车的方向盘与后轮转角之间的变传动比；基于所述方向盘转角，获取所述电动车的前轮转角；基于变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆理想状态；同时，基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆实际状态；基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车的后轮转角，并基于所述前轮转角和所述后轮转角控制所述电动车转向。

可见，在本发明实施例中，首先，获取四轮独立转向电动车的方向盘转角和车速；并通过所述车速和车速传动比数学模型，获取在不同车速下所述电动车的方向盘与后轮转角之间的变传动比；由于车辆方向盘和前轮之间为线连接关系，当方向盘转角确定时，即可确定前轮转角；进一步，在已知车速、前轮转角的基础上，分别结合变传动比车辆理想模型和四轮转向电动车线性二自由度模型，获得车辆理想状态和车辆实际状态；最后，通过车辆理想状态和实际状态，获得电动车的后轮转角，并基于所述前轮转角和所述后轮转角控制所述电动车转向。解决了现有技术中四轮独立驱动四轮独立转向的电动车缺乏稳定且经济适用的转向策略的技术问题，一方面，实现了四轮独立转向电动车的车辆转向的实际特性与理想特性趋于一致，使得车辆在低速下具有高的转向灵敏度和在高速下具有好的转向稳定性的技术效果，另一方面，该电动车能够在不改变前轮转向结构的情况下，通过调整后轮，获得变传动比的理想转向特性，大大降低了设计成本，且控制策略可以自由设计，避免了机械结构的限制。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

本发明实施例提供了一种四轮独立转向电动车转向控制方法；其中，四轮独立转向电动车设置有四个独立的动力驱动电机和四个独立的转向驱动电机，即每个轮子分别设置有两个驱动电机，一个用来作为动力驱动，另一个用来作为转向驱动，这样的轮子驱动设计，使得车子转动的角度变大，每个车轮都能进行180度转向(包括正向及反向各90度)，甚至可以横向移动，如图1所示；具体的，图1A表示车原地转向，图1B表示车横向行驶，图1C表示车同向偏转(如原行驶方向为向右，转向方向仍为右)，图1D表示车异向偏转(如原行驶方向为向右，转向方向仍为左)。接着，请参考图2，所述转向控制方法包括步骤：

S1、当四轮独立转向电动车处于工作状态且需要转向时，获取所述电动车的方向盘转角和车速；其中，所述车速为可变速度；

S2、基于所述车速和车速传动比数学模型，获取在不同车速下所述电动车的方向盘与后轮转角之间的变传动比；

S3、基于所述方向盘转角，获取所述电动车的前轮转角；

S4、基于变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆理想状态；同时，基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆实际状态；

S5、基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车的后轮转角，并基于所述前轮转角和所述后轮转角控制所述电动车转向。

进一步，所述电动车设置有线性二次型最优控制器(LQR，linear quadraticregulator)，请参考图3，所述步骤S5，包括步骤：

S511、基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车在理想情况和实际情况下的车辆状态误差；

S512、根据所述车辆状态误差，通过所述线性二次型最优控制器控制所述电动车的后轮转动，获取所述后轮转角；

S513、基于所述前轮转角、所述后轮转角以及所述四轮转向电动车线性二自由度模型，控制所述电动车转向。

其中，LQR最优设计是指设计出的状态反馈控制器K要使二次型目标函数J取最小值，而K由权矩阵Q与R唯一决定，故此Q、R的选择尤为重要。LQR理论是现代控制理论中发展最早也最为成熟的一种状态空间设计法。特别可贵的是，LQR可得到状态线性反馈的最优控制规律，易于构成闭环最优控制。

在具体实施过程中，首先，通过车辆的方向盘转角检测装置和车速检测装置分别检测获取车辆的方向盘转角和车速；然后，根据宝马车速度和传动比的数学关系，得出本实施例中车辆在不同车速下的方向盘与前轮转角之间的传动比(即所述变传动比)，在确定所述变传动比后，当输入方向盘转角就可以得到前轮转角。由于汽车稳定性控制的目的在于改善汽车的稳态和瞬态响应，提高汽车的机动性和安全性以及抗外部干扰的能力，而汽车的横摆角速度(即汽车绕垂直轴的偏转角速度)和质心侧偏角是衡量汽车稳定程度的重要参数，当质心侧偏角一定时，如果偏转角速度达到一个阈值，说明汽车发生测滑或者甩尾等危险工况。以下将以车辆的横摆角速度作为衡量车辆状态的主要参数，对本方案进行具体说明：

请参考图4，为了通过控制车辆的横摆角速度，从而来控制车辆稳定转向，所述步骤S4，包括步骤：

S41、基于所述变传动比、所述变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获得所述所述电动车的期望横摆角速度；

具体的，车辆质心处的横摆角速度和质心侧偏角即反映整个车辆的车辆状态，假设车身和悬架作为刚体，则根据参考文献(Rajamani R.Vehicle dynamicsand control[M].Springer,New York,2005.)可知，质心处的横向加速度a_y可以表示为：

$a_y=v(\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}+r)---\left(1\right)$

其中，β为滑移角，表示滑移角β为状态变量，v为车速，r为横摆角速度。

在汽车稳定状态下，质心侧偏角为定值，则其横向加速度与横摆角速度成正比。也就是说，在本发明实施例中，主要考虑车辆输出稳定状态的情况，在此情况下，主要通过车辆的横摆角速度来衡量车辆状态；在方向盘转角较小的情况下，轮胎处于线性工作区间，其横摆角速度和横向加速度与方向盘转向角近似成线性关系，线性特征由车速和整车参数确定。车辆质心处的横向加速度a_y和横向角速度r的线性关系由式(2)表示，横向角速度r由式(3)表示：

$a_y=r\×v=\frac{v^2}{L+K_v{v}^2}\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sw}}}{i}---\left(2\right)$

$r=\frac{v}{L+K_v{v}^2}\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sw}}}{i}---\left(3\right)$

式(2)和式(3)中，i为汽车方向盘到前轮的固定传动比，θ_sw为方向盘转向角。根据参考文献(Rajamani R.Vehicle dynamics and control[M].Springer,New York,2005.)可知，K_v为汽车不足转向梯度，由式(4)确定：

$K_v=\frac{m}{L}(\frac{l_r}{c_f}-\frac{l_f}{c_r})---\left(4\right)$

如图5所示，为不同车速下的横摆角速度增益曲线图，其中，“实线”线条表示车辆的理想横摆角速度增益，“虚线”线条表示现有技术中未对车辆横摆角速度进行控制时的横摆角速度增益。由“实线”变化趋势可知，对于具有理想转向特性的汽车来说，其期望横摆角速度应随车速的增加而降低，在低速下具有大的转向增益，高速下具有小的转向增益；由“虚线”变化趋势可知，车辆低速时转向增益小，高速时转向增益大，明显不符合车辆理想转向特性的要求，车辆转向稳定性差。车辆的实际横摆角速度增益之所以与理想情况偏差较大，是由于在现有的传统技术中，采用定转向传动比机构无法满足车辆转向稳定性要求；为此，在本实施例中，为了获得理想的转向特性，采用变传动比求取期望的横摆角速度，将变传动比i_v替代定传动比i。由此，可以得到期望横摆角速度：

$r_d=\frac{v}{L+K_v{v}^2}\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sw}}}{i_v}=\frac{v}{L+K_v{v}^2}\frac{{\mathrm{i\δ}}_f}{i_v}=K_d{\mathrm{\δ}}_f---\left(5\right)$

式中， $K_d=\frac{v}{L+K_v{v}^2}\frac{i}{i_v}.$

当前，变传动比能够给驾驶车辆转向提供显著的效果，显著提高驾驶员的操纵稳定性。在本实施例中，采取的变传动比i_v运动学函数与车速v有关(如图6所示，为与车速相关的电动车转向变传动比曲线图)。在中低速时，i_v较小，转向更加直接、轻便，显著减小驾驶员的转向任务；在高速时，i_v较大，转向变的较为沉重，增加驾驶员的转向任务，提高方向稳定性。

仍请参考图4，在执行步骤S41后，执行步骤S42：基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的实际横摆角速度；以及执行步骤S5，包括步骤：

S521、基于所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，获取所述电动车的实际横摆角速度相对于期望横摆角速度的横摆角速度误差；

S522、基于所述横摆角速度误差，控制调整所述电动车的后轮转动，获取所述电动车的后轮转角；

S523、基于所述前轮转角、所述后轮转角以及所述四轮转向电动车线性二自由度模型，控制所述电动车转向。

具体的，如图7所示，为四轮转向电动车的线性二自由度模型结构图，忽略车辆侧倾的影响，假设车速恒定，此模型用于描述车辆动力学。图7中，车辆前、后轮重心的确定的直线为X轴，前、后轮重心连接线的中心点为车辆质心，在质心处垂直与X轴确定Y轴，其中，m为整车质量，I_z为整车绕铅垂轴转动惯量，r为横摆角速度，β为滑移角，δ_f和δ_r为前后轮转角，α_f和α_r为前后轮侧偏角，l_f和l_r为重心到前后轴距离，L为轴距，v为车速，v_f和v_r为前后轮速，F_yf和F_yr为前后轮侧向力。

根据该模型可知，四轮转向车辆模型的运动方程为：

$\mathrm{mv}(\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}+r)=c_f({\mathrm{\δ}}_f-\mathrm{\β}-\frac{l_f}{v}r)+c_r({\mathrm{\δ}}_r-\mathrm{\β}-\frac{l_r}{v}r)---\left(6\right)$

$I_z\stackrel{\·}{r}=l_f{c}_f({\mathrm{\δ}}_f-\mathrm{\β}-\frac{l_f}{v}r)-l_r{c}_r({\mathrm{\δ}}_r-\mathrm{\β}-\frac{l_r}{v}r)---\left(7\right)$

式中：c_f和c_r分别为前、后轴侧偏刚度。

取状态量x＝[β r]^Τ，输出量y＝[β r]^Τ，则由式(6)可得车辆状态方程为

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+B{\mathrm{\δ}}_r+E{\mathrm{\δ}}_f\\ y=\mathrm{Cx}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，

$A=\left[\begin{array}{cc}-\frac{c_f+c_r}{\mathrm{mv}}& -\frac{l_f{c}_f-l_r{c}_r}{{\mathrm{mv}}^2}-1\\ -\frac{l_f{c}_f-l_r{c}_r}{I_z}& -\frac{l_f^2{c}_f+l_r^2{c}_r}{I_{z}v}\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}\frac{c_r}{\mathrm{mv}}\\ -\frac{l_r{c}_r}{I_z}\end{array}\right],E=\left[\begin{array}{c}\frac{c_f}{\mathrm{mv}}\\ \frac{l_f{c}_f}{I_z}\end{array}\right],C=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$

如果理想的转向特性已知，可以采用全速度跟踪的方法，实现理想的转向特性。在本发明实施例中，为了提高汽车低速下的机动性和高速下的操纵稳定性，采用最优控制设计4WS控制器，用于跟踪期望横摆角速度r_d(如式(5)所示)。方向盘转角与前轮转角之间存在固定传动比，当方向盘转动时，前轮跟随其发生转动，当方向盘转角确定时，便可确定前轮转角，将前轮转角和车速代入式(5)中，并可确定车辆的期望横摆角速度，LQR控制器通过调整后轮转角使实际的横摆角速度跟踪上期望的横摆角速度。

根据本发明实施例的控制目标，后轮转角作为如式(8)所示状态方程的控制输入，前轮转角被视为干扰输入，则式(8)调整后如式(9)所示：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=\mathrm{Ax}\left(t\right)+\mathrm{Bu}\left(t\right)+E{\mathrm{\δ}}_f\\ y\left(t\right)=\mathrm{Cx}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中u(t)＝δ_r，y(t)＝r(t)。

定义输出误差量e(t)＝y_d(t)-y(t)，其中y_d(t)＝r_d(t)；e(t)即为所述横摆角速度误差。根据LQR最优控制，上述跟踪问题则变为求取控制输入u(t)，使性能指标J极小。性能指标为：

$J=\frac{1}{2}{\∫}_0^{\∞}[e^T\left(t\right)\mathrm{Qe}\left(t\right)+u^T\left(t\right)\mathrm{Ru}\left(t\right)]\mathrm{dt}---\left(10\right)$

其中，Q和R为正定常数矩阵。采用最小值原理列写哈密顿函数：

$H=\frac{1}{2}[e^T\mathrm{Qe}+u^T\mathrm{Ru}]+\mathrm{\λ}[\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}+E{\mathrm{\δ}}_f]---\left(11\right)$

列写协状态方程：

$\frac{\∂H}{\∂u}=\mathrm{Ru}+B^T\mathrm{\λ}=0---\left(12\right)$

$\frac{\∂H}{\∂u}=\stackrel{\·}{x}---\left(13\right)$

$\frac{\∂H}{\∂u}=\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}---\left(14\right)$

令λ＝Px-g，其中，P为对称正定常数矩阵，g为常值伴随向量，则使性能指标式(10)极小的最优控制输入解为：

u(t)＝-R^-1B^TPx+R^-1B^Tg  (15)

式中，P为对称正定常数矩阵，满足下列黎卡提矩阵代数方程：

PA+A^ΤP-PBR^-1B^ΤP+C^ΤQC＝0  (16)

g为常值伴随向量，为使系统尽快跟踪目标值，则其值为：

g＝[PBR^-1B^Τ-A^Τ]^-1C^ΤQ y_d  (17)

将式(16)和(17)中的P和g代入式(15)，可以求出后轮转角：

δ_r＝k₁r_d+Kx  (18)

k₁＝R^-1B^T[PBR^-1B^Τ-A^Τ]^-1C^ΤQ,K＝-R^-1B^TP  (19)

其中，k₁为期望横摆角速度增益，K为汽车(即四轮电动车)状态变量的反馈增益。

在车辆运行的过程中，车辆的车速、方向盘转角等都是随时间变化而变化的，为了能够在车辆运行过程中，对车辆的转向稳定性进行持续控制，在通过LQR控制器确定后轮转角δ_r后，需要再将前轮转角δ_f和后轮转角δ_r输入到如图7所示的四轮转向电动车的线性二自由度模型中，从而获取实际车辆状态(即实际横摆角速度)，并将所述实际车辆状态返回到LQR控制器中，以使LQR控制器再次根据当前的实际车辆状态、前轮转角以及车速调整后轮转角，…，依此循环操作，以达到持续控制车辆稳定转向的目的。

进一步，所述后轮转角为所述前轮转角的N倍，N为关于所述电动车的期望横摆角速度增益和车辆状态变量反馈增益的多项式，且N为实数。

具体的，由式(4)、(5)、(8)、(18)和(19)可以得到后轮转角与前轮转角的关系式：

δ_r＝[K((Ι-(Α+ΒK))^-1(Ε+Βk₁K_d))+k₁K_d]δ_f  (20)

其中，N＝K((Ι-(Α+ΒK))^-1(Ε+Βk₁K_d))+k₁K_d，式中各参数的含义在本实施例的上述内容中已提及。

下面通过Matlab仿真对本申请方案进行仿真验证：

运用Matlab软件对本申请四轮独立转向电动车转向控制方法进行仿真，其仿真结果(4WS2)与采用前轮转向控制方法(FWS)和采用零滑移率的四轮转向控制方法(4WS1)进行比较分析；其中，采用零滑移率控制的四轮转向汽车的后轮控制率为前馈加反馈控制，如下式所示；

δ_r＝K₁δ_f+K₂r  (21)

其中，K₁和K₂分别为前轮转角和车辆实际横摆角速度的增益。

仿真采用的整车和轮胎的关键参数如表1所示：

表1 车辆和轮胎参数

另外，固定传动比i取15，方向盘转角输入信号取45°的阶跃。通过这些参数进行仿真可得到仿真结果图，如图8～图12所示：

1)图8表示四轮电动车在不同方向盘转角和不同车速下，为了达到所期望的横摆角速度，后轮需要转动的稳态角度(可以由式(15)求得)。其方向盘转角的变化范围为0～180°，车速v的变化范围为0～150km/h。当车速v<60km/h时，后轮转角为负值；当车速v>60km/h时，后轮转角为正值；当车速v＝60km/h，后轮转角为0。

2)图9、10表示FWS和4WS2在不同车速下，横摆角速度和质心侧偏角的阶跃响应，其中，横摆角速度、质心侧偏角和车速均是关于时间的变量：

由图9可以看出，当车速v<60km/h时，4WS2的横摆角速度大于FWS，随着车速的变大，横摆角速度上升较快；当车速v>60km/h时，4WS2的横摆角速度小于FWS，但4WS2的横摆角速度随着车速变化不明显，且其高速下的横摆角速度响应更好，无超调产生，说明汽车的转向平顺性较好；当车速v＝60km/h，两者相等。

由图10可以看出，4WS2的质心侧偏角随着车速的变化范围较小，稳定性好。在0～150km/h的车速范围内，FWS的质心侧偏角变化较大，高速下的质心侧偏角峰值达到-2.5°，表明FWS的高速操纵稳定性较差，高速下容易出现失稳现象；而4WS2的质心侧偏角峰值为-1.5°，表明4WS2的高速操纵稳定性比FWS好。

3)图11A和图11B分别表示FWS、4WS1和4WS2在低速(v＝30Km/h)下的横摆角速度和质心侧偏角的阶跃响应；图12A和图12B分别表示FWS、4WS1和4WS2在高速(v＝120Km/h下，横摆角速度和质心侧偏角的阶跃响应：

由图11和图12可以看出，尽管4WS1的稳态质心侧偏角为零，但其高速下的稳态横摆角速度太小，增加驾驶员的转向任务，容易出现转向不及时的现象。与FWS相比，4WS2在低速下的稳态横摆角速度提高了50％，同时质心侧偏角很小，说明4WS2在低速下具有很好的操纵性和稳定性；在高速下，尽管稳态横摆角速度减小了30％，但其质心侧偏角减小了110％，且质心侧偏角在1°左右，这大大提高了汽车在高速下的操纵稳定性。

综合上述仿真分析，可知本发明方案建立了基于后轮主动转向的变传动比控制模型，通过变传动比设计期望横摆角速度，采用LQR最优控制设计后轮控制器，实现对期望横摆角速度的跟踪。该控制策略具有很好的转向特性，不仅保证了汽车在低速下具有高的系统增益，使转向变得更为轻便、及时，提高了汽车的操纵性；而且还主动减小高速下的系统增益，使汽车的质心侧偏角较小，保证了汽车高速行驶的稳定性。同时减小了汽车在高速下的超调现象，改善了汽车的瞬态响应和操作平顺性。另外，该方法能够在不改变前轮转向结构的情况下，通过调整后轮，获得变传动比的理想转向特性，大大降低了设计成本，且控制策略可以自由设计，避免了机械结构的限制。

实施例二

基于同一发明构思，请参考图13，本发明实施例还提供了一种四轮独立转向电动车转向控制系统，包括：

方向盘转角及车速获取单元1301，用于当四轮独立转向电动车处于工作状态且需要转向时，获取所述电动车的方向盘转角和车速；其中，所述车速为可变速度；

传动比获取单元1302，用于基于所述车速和车速传动比数学模型，获取在不同车速下所述电动车的方向盘与后轮转角之间的变传动比；

前轮转角获取单元1303，用于基于所述方向盘转角，获取所述电动车的前轮转角；

车辆状态获取单元1304，用于基于变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆理想状态；同时，基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆实际状态；

转向控制单元1305，用于基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车的后轮转角，并基于所述前轮转角和所述后轮转角控制所述电动车转向。

在具体实施过程中，所述电动车设置有线性二次型最优控制器，请参考图14，转向控制单元1305，包括：

车辆状态误差获取模块1305-11，用于基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车在理想情况和实际情况下的车辆状态误差；

第一后轮转角获取模块1305-12，用于根据所述车辆状态误差，通过所述线性二次型最优控制器控制所述电动车的后轮转动，获取所述后轮转角；

第一转向控制模块1305-13，用于基于所述前轮转角、所述后轮转角以及所述四轮转向电动车线性二自由度模型，控制所述电动车转向。

在具体实施过程中，请参考图15，所述车辆状态获取单元1304，具体包括：

期望横摆角速度获取模块1304-1，用于基于所述变传动比、所述变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获得所述所述电动车的期望横摆角速度；

实际横摆角速度获取模块1304-2，用于基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的实际横摆角速度。

进一步，所述转向控制单元1305，包括：

横摆角速度误差获取模块1305-21，用于基于所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，获取所述电动车的实际横摆角速度相对于期望横摆角速度的横摆角速度误差；

第二后轮转角获取模块1305-22，用于基于所述横摆角速度误差，控制调整所述电动车的后轮转动，获取所述电动车的后轮转角；

第二转向控制模块1305-23，用于基于所述前轮转角、所述后轮转角以及所述四轮转向电动车线性二自由度模型，控制所述电动车转向。

在具体实施过程中，所述后轮转角为所述前轮转角的N倍，N为关于所述电动车的期望横摆角速度增益和车辆状态变量反馈增益的多项式，N为实数。

根据上面的描述，上述电动车转向控制系统用于实现上述电动车转向控制方法，所以，该系统的工作过程与上述方法的一个或多个实施例一致，在此就不再一一赘述了。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种四轮独立转向电动车转向控制方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1、当四轮独立转向电动车处于工作状态且需要转向时，获取所述电动车的方向盘转角和车速；其中，所述车速为可变速度；

S2、基于所述车速和车速传动比数学模型，获取在不同车速下所述电动车的方向盘与后轮转角之间的变传动比；

S3、基于所述方向盘转角，获取所述电动车的前轮转角；

S4、基于变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆理想状态；同时，基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆实际状态；

S5、基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车的后轮转角，并基于所述前轮转角和所述后轮转角控制所述电动车转向。

2.如权利要求1所述的电动车转向控制方法，其特征在于，所述电动车设置有线性二次型最优控制器，所述步骤S5，包括步骤：

S511、基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车在理想情况和实际情况下的车辆状态误差；

S512、根据所述车辆状态误差，通过所述线性二次型最优控制器控制所述电动车的后轮转动，获取所述后轮转角；

S513、基于所述前轮转角、所述后轮转角以及所述四轮转向电动车线性二自由度模型，控制所述电动车转向。

3.如权利要求1所述的电动车转向控制方法，其特征在于，所述步骤S4，包括步骤：

S41、基于所述变传动比、所述变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获得所述所述电动车的期望横摆角速度；

S42、基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的实际横摆角速度。

4.如权利要求3所述的电动车转向控制方法，其特征在于，所述步骤S5，包括步骤：

S521、基于所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，获取所述电动车的实际横摆角速度相对于期望横摆角速度的横摆角速度误差；

S522、基于所述横摆角速度误差，控制调整所述电动车的后轮转动，获取所述电动车的后轮转角；

S523、基于所述前轮转角、所述后轮转角以及所述四轮转向电动车线性二自由度模型，控制所述电动车转向。

5.如权利要求1～4任一权项所述的电动车转向控制方法，其特征在于，所述后轮转角为所述前轮转角的N倍，N为关于所述电动车的期望横摆角速度增益和车辆状态变量反馈增益的多项式，N为实数。

6.一种四轮独立转向电动车转向控制系统，其特征在于，所述系统包括：

方向盘转角及车速获取单元，用于当四轮独立转向电动车处于工作状态且需要转向时，获取所述电动车的方向盘转角和车速；其中，所述车速为可变速度；

传动比获取单元，用于基于所述车速和车速传动比数学模型，获取在不同车速下所述电动车的方向盘与后轮转角之间的变传动比；

前轮转角获取单元，用于基于所述方向盘转角，获取所述电动车的前轮转角；

车辆状态获取单元，用于基于变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆理想状态；同时，基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的车辆实际状态；

转向控制单元，用于基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车的后轮转角，并基于所述前轮转角和所述后轮转角控制所述电动车转向。

7.如权利要求6所述的电动车转向控制系统，其特征在于，所述电动车设置有线性二次型最优控制器，所述转向控制单元，包括：

车辆状态误差获取模块，用于基于所述车辆理想状态和所述车辆实际状态，获取所述电动车在理想情况和实际情况下的车辆状态误差；

第一后轮转角获取模块，用于根据所述车辆状态误差，通过所述线性二次型最优控制器控制所述电动车的后轮转动，获取所述后轮转角；

第一转向控制模块，用于基于所述前轮转角、所述后轮转角以及所述四轮转向电动车线性二自由度模型，控制所述电动车转向。

8.如权利要求6所述的电动车转向控制系统，其特征在于，所述车辆状态获取单元，具体包括：

期望横摆角速度获取模块，用于基于所述变传动比、所述变传动比车辆理想模型、所述车速和所述前轮转角，获得所述所述电动车的期望横摆角速度；

实际横摆角速度获取模块，用于基于四轮转向电动车线性二自由度模型、所述车速和所述前轮转角，获取所述电动车的实际横摆角速度。

9.如权利要求8所述的电动车转向控制系统，其特征在于，所述转向控制单元，包括：

横摆角速度误差获取模块，用于基于所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，获取所述电动车的实际横摆角速度相对于期望横摆角速度的横摆角速度误差；

第二后轮转角获取模块，用于基于所述横摆角速度误差，控制调整所述电动车的后轮转动，获取所述电动车的后轮转角；

第二转向控制模块，用于基于所述前轮转角、所述后轮转角以及所述四轮转向电动车线性二自由度模型，控制所述电动车转向。

10.如权利要求7～9任一权项所述的电动车转向控制系统，其特征在于，所述后轮转角为所述前轮转角的N倍，N为关于所述电动车的期望横摆角速度增益和车辆状态变量反馈增益的多项式，且N为实数。