CN106347361B - 一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法。目的在于解决有约束冗余驱动车辆动力学的控制分配问题。该控制方法基于滑模变结构控制确定车辆期望广义力/力矩，基于改进定点二乘控制分配方法建立上层控制器决策的期望广义力/力矩与车轮滑移率和侧偏角的优化分配关系，基于汽车行驶工况设计控制任务的优先级，并基于积分滑模控制设计轮胎滑移率及侧偏角联合跟踪控制器，协调控制汽车的转向/驱动/制动系统，保证每个车轮均按预期的滑移率和侧偏角运动。本发明主要是将控制分配方法与冗余驱动车辆动力学系统相结合，考虑轮胎侧纵向力的非线性耦合约束，拓展车辆系统的稳定域，提高系统安全性和可靠性。

Description

一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法

技术领域

本发明涉及汽车主动安全领域，特别涉及一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法。

背景技术

近年来随着汽车技术和汽车制造业的快速发展，汽车拥有量快速增加，交通状况变得更加错综复杂，交通事故频发。据报道，我国2014年交通事故万车死亡率在2.0左右，远高于美国、德国、日本等发达国家，交通事故死亡人数占全国各类安全生产事故死亡总数的八成以上，交通安全形势严峻。车辆动力学协调控制能够预测和解决车辆可能存在的危险，提高车辆在危险工况下的稳定性和可控性，增加汽车的安全性。

随着汽车执行器和传感器技术的不断发展，线控系统将取代以液压、气压和机械为主的传统控制系统。车辆动力学研究可控制的执行器则包含转向电机、制动系统的四个车轮制动器等，而被控制物理量一般为横摆角速度和质心侧偏角，执行器数量明显多于被控物理量，属于冗余驱动系统，必然涉及如何将车辆期望广义力/力矩在执行器物理约束条件下（位置约束和速率约束）分配给各执行器的问题。控制分配是连接车辆期望广义力/力矩和冗余执行器的桥梁与纽带，它能够协调优化有效的执行器资源，改善系统响应，拓展系统在恶劣工况下或某些执行器失效时的稳定域，提高系统的稳定性和可靠性。目前，在车辆动力学控制方面，已经形成包含各执行器约束，并考虑轮胎侧纵向力耦合的控制分配技术。但由于需要考虑轮胎侧纵向力的非线性耦合约束，控制系统计算负担重、实时性较差，且在实际系统中轮胎力很难直接测量获得。此外，在车辆动力学控制任务的完成过程中，可能会存在多个任务目标，且多个任务目标有时不能同时满足。本发明拟针对冗余驱动车辆动力学系统，基于控制分配理论建立车辆期望广义力/力矩与车轮滑移率和侧偏角的优化分配关系，解决轮胎侧纵向力的非线性耦合约束，同时基于汽车行驶工况设计控制任务的优先级，协调各执行机构以最佳方式实现车辆动力学控制目标。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法，通过改进定点二乘算法建立车辆期望广义力/力矩与车轮滑移率和侧偏角的优化分配关系，充分考虑轮胎侧纵向力的非线性耦合约束，并基于汽车行驶工况设计控制任务的优先级，保证冗余执行器按照一定的顺序完成控制任务，降低控制系统的复杂程度及运算量，提高控制系统的实时性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法，包括如下步骤：

i、车辆动力学控制分配上层控制模块设计：

基于三自由度车辆模型，确定理想的汽车质心纵向速度、侧向速度和横摆角速度；针对系统存在的未建模动态、外界干扰，以及系统参数（如汽车质量、转动惯量等）的不确定性，采用滑模变结构控制方法决策出车辆的期望广义力/力矩；

ii、冗余驱动车辆动力学控制分配模块设计：

针对冗余驱动车辆动力学系统，基于改进定点二乘算法将车辆动力学控制分配上层控制模块决策的期望广义力/力矩优化分配给车轮滑移率和侧偏角，以产生期望的轮胎纵向力和侧向力；基于汽车纵向安全指标和侧向稳定性指标识别汽车行驶工况，根据汽车行驶工况设计控制任务的优先级，保证各执行系统按照一定的顺序完成执行任务；

iii、车轮滑移率及侧偏角联合跟踪控制模块设计：

建立线控转向系统和车轮纵向滑移率动力学模型，基于积分滑模控制方法设计车轮滑移率及侧偏角联合跟踪控制模块，协调汽车转向/驱动/制动系统，使各车轮均按照预期的滑移率和侧偏角运动，保证汽车的实际运动状态能够跟随期望的运动状态。

本发明基于汽车行驶工况调节控制任务权重矩阵，确定控制任务的优先级；当汽车处于正常行驶工况时，根据驾驶员操作控制汽车转向/驱动/制动系统，不涉及控制任务的优先级问题，控制任务权重矩阵Wv为diag(1,1,1)；当汽车处于纵向安全行驶工况时，控制任务权重矩阵Wv为diag(1,0,0)；当汽车处于侧向稳定性行驶工况时，控制任务权重矩阵Wv为diag(0,1,1)；当汽车处于集成安全行驶工况时，需要兼顾车辆的纵向、侧向及横摆运动，控制任务权重矩阵Wv为diag(1,1,1)。

本发明的有益效果是：

本发明基于改进定点二乘算法建立车辆期望广义力/力矩与车轮滑移率和侧偏角的优化分配关系，充分考虑轮胎侧纵向力的非线性耦合约束，并基于汽车行驶工况设计控制任务的优先级，保证冗余执行器按照一定的顺序完成控制任务，降低控制系统的复杂程度及运算量，提高控制系统的实时性。

附图说明

图1为本发明一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法的总体设计方案框图。

图2为本发明一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法的线控转向执行模块示意图。

图3为本发明一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法的车轮制动模型示意图。

图4为本发明一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法识别的汽车行驶工况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

参阅图1所示，一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法，具体实现时包括如下步骤：

i、车辆动力学控制分配上层控制模块设计：

驾驶员的控制输入通过转向盘、加速/制动踏板来实现，输入给三自由度车辆模型确定车辆运动状态参数理想值，包括确定理想的汽车质心纵向速度、侧向速度和横摆角速度；车辆动力学控制分配上层控制模块根据车辆运动状态参数理想值和实际值的偏差，采用常值滑模控制方法决策出车辆的期望广义力/力矩，即驾驶员需求的总纵向力、侧向力，以及保持车辆稳定行驶所需要的横摆力矩；其中，切换项系数采用常值切换控制方法实时调整，确定控制增益的取值范围；

ii、冗余驱动车辆动力学控制分配模块设计：

车辆期望广义力/力矩的控制分配问题描述为：对期望广义力/力矩，在冗余执行器约束条件下，寻找一个最优的控制分配向量，使车辆在此控制分配向量作用下所受的合力/力矩逼近期望值；车辆动力学控制分配时，期望广义力车辆质心处总的纵向力、侧向力，期望广义力矩为保持车辆稳定行驶所需要的横摆力矩，执行器的输出为四个车轮的滑移率和前轮侧偏角；对于给定的伪控制指令,寻找对各执行机构的实际控制输出，即

（1）

式中，，分别为车辆质心处总的纵向力、侧向力以及保持车辆稳定行驶所需要的横摆力矩；，其中，分别为左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的滑移率，α为前轮侧偏角；B代表效率矩阵，。

车辆动力学控制分配时，期望广义力/力矩表现为车辆滑移率、侧偏角和路面附着系数等参数的非线性函数；以汽车理论中的轮胎纵向力与滑移率关系曲线为例，小滑移率区轮胎纵向力与滑移率呈线性变化，滑移率较大时两者呈现出高度的非线性特性；因此，在车辆动力学控制分配时，应采用非线性控制配方法；非线性控制分配方法一方面引入优化目标，另一方面考虑各种不等式约束，有效提高控制分配精度，但其算法一般较为复杂，当执行器维数增加时，运算量会显著增加，难以应用到实时系统中；鉴于此，本项目将非线性函数在处进行一阶泰勒展开，通过每次采样间隔的线性化处理，将非线性函数进行局部近似，以获得控制效率矩阵。

在控制分配过程中，车轮滑移率约束处理时，基于轮胎魔术公式获得不同路面附着系数条件下的轮胎纵向力与滑移率变化关系曲线，标定出不同路面附着条件下车轮滑移率的门限值，将车轮滑移率的门限值近似为关于路面附着系数的一维数表；与车轮滑移率门限值的确定方法类似，在轮胎侧向力与侧偏角变化关系曲线中，标定出不同路面附着条件下车轮侧偏角的门限值，将车轮侧偏角的门限值也近似为关于路面附着系数的一维数表；车轮滑移率和侧偏角的门限值均设计为关于路面附着系数的一维数表，能够解决车轮侧纵向力的非线性耦合约束，提高控制系统的实时性。

引入控制分配误差最小的分配准则，期望广义力/力矩的控制分配可以转化为二次规划问题；同时，为了进一步提高运算效率，采用改进定点二乘算法进行优化，优化目标为

（2）

式中，为控制任务权重矩阵；为控制输出权重矩阵；ε∈(0,1)为权重系数。

iii、车轮滑移率及侧偏角联合跟踪控制模块设计：

车轮滑移率及侧偏角联合跟踪控制模块结合车轮滑移率、侧偏角的理想值和实际值，协调汽车转向/驱动/制动系统，输出车轮转角、各车轮制动压力、车轮驱动力矩给CarSim车辆模型，使各车轮均按照预期的滑移率和侧偏角运动，CarSim车辆模型将车轮运动状态参数的实际值反馈给车辆动力学控制分配上层控制模块，保证汽车的实际运动状态能够跟随期望的运动状态。

其中，汽车线控转向执行模块如图2所示，令，线控转向执行模块的动力学方程如下：

（3）

式中，θ _p 为小齿轮转角；J _p 为转向执行模块等效到小齿轮轴上的转动惯量；C _p 为转向执行模块等效到小齿轮轴上的阻尼系数；τ _p 为等效到小齿轮轴上的车轮与地面间转向阻力矩；g _p 为蜗轮蜗杆减速器速比；k _p ，i _p 分别为转角电机的反电动势系数（转矩系数）和电枢电流。

汽车加速或减速时，车轮的旋转运动由地面纵向力和作用在车轮上的驱动/制动力矩决定。以某一车轮制动为例，如图3所示，令，则

（4）

式中，为魔术公式表达的轮胎纵向力；为车轮转动惯量；为作用在车轮上的制动力矩；为车轮中心纵向速度。

针对系统存在的未建模动态及系统参数的不确定性，采用积分滑模控制方法设计底层控制器，协调控制汽车的转向/驱动/制动系统，保证各车轮跟踪其期望的滑移率及侧偏角。

汽车行驶工况识别时，引入汽车纵向安全指标和侧向稳定性指标，确定四种行驶工况，如图4所示，即正常行驶工况、侧向稳定性行驶工况、纵向安全行驶工况和集成安全行驶工况。

在不同的行驶工况下，汽车的纵向安全控制和侧向稳定性控制有着不同的优先级。例如，当目标车与前车即将追尾相撞时，汽车纵向安全控制应具有较高的优先级。车辆动力学控制分配时，根据识别的汽车行驶工况设计控制任务的优先级，保证各执行系统按照一定的顺序完成控制任务。

汽车纵向安全性能评估时，引入预警指标和碰撞时间倒数，用于表征当前行驶工况下目标车存在的纵向危险程度。预警指标和碰撞时间倒数分别定义如下：

（5）

（6）

式中，代表目标车沿其行驶方向与前车的距离；d _br 和d _w 分别代表目标车的制动距离和预警距离；TTC代表目标车与前车发生追尾相撞的时间；v _long 代表目标车与前车的相对速度。当目标车与前车的距离小于目标车的制动距离d _br 时，预警指标x为负值，表征当前行驶工况下目标车存在追尾相撞危险。

横摆角速度是表征车辆侧向稳定性的重要参数，通过横摆角速度控制可以实现汽车的侧向稳定性控制。然而，当汽车质心侧偏角较大时，横摆力矩对前轮转角的增益几乎为零。反映到实际情况中表现为：驾驶员通过对转向盘的操作几乎不能产生横摆力矩，此时汽车难以操控。因此，车辆侧向稳定性控制时，需要综合考虑横摆角速度和质心侧偏角两个参数。侧向稳定性指标定义如下：

(7)

(8)

式中，分别为期望的横摆角速度和质心侧偏角，分别为横摆角速度和质心侧偏角的权重系数。

基于汽车行驶工况，调节公式（2）中的控制任务权重矩阵W_v，确定控制任务的优先级。当汽车处于正常行驶工况时，根据驾驶员操作控制汽车转向/驱动/制动系统，不涉及控制任务的优先级问题，控制任务权重矩阵W _v 为定为diag(1,1,1); 当汽车处于纵向安全行驶工况时，控制任务权重矩阵W _v 定为diag(1,0,0); 当汽车处于集成安全行驶工况时，需要兼顾车辆的纵向、侧向及横摆运动，控制任务权重矩阵W _v 定为diag(0,1,1); 当汽车处于集成安全行驶工况时，需要兼顾车辆的纵向、侧向及横摆运动，控制任务权重矩阵W _v 定为diag(1,1,1)。需要说明的是，当车辆处于侧向稳定性行驶工况和集成安全行驶工况时，如果

|α _y |>0，γ _yaw >γ _{ref_yaw} 且β _sideslip >β _{ref_sideslip} 即汽车在转弯时已处于失稳状态且丧失转向能力，控制车轮转角很难使汽车的偏航得以纠正，此时可通过调整下文中的驱动状态对角矩阵以差动制动方式纠正汽车的姿态，保证汽车的安全行驶。

Claims (2)

1.一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法，其特征在于：包括如下步骤：

i、车辆动力学控制分配上层控制模块设计：

基于三自由度车辆模型，确定理想的汽车质心纵向速度、侧向速度和横摆角速度；针对系统存在的未建模动态、外界干扰，以及汽车质量和转动惯量的不确定性，采用滑模变结构控制方法决策出车辆的期望广义力/力矩；

ii、冗余驱动车辆动力学控制分配模块设计：

针对冗余驱动车辆动力学系统，基于改进定点二乘算法将车辆动力学控制分配上层控制模块决策的期望广义力/力矩优化分配给车轮滑移率和侧偏角，以产生期望的轮胎纵向力和侧向力；基于汽车纵向安全指标和侧向稳定性指标识别汽车行驶工况，根据汽车行驶工况设计控制任务的优先级，保证各执行系统按照一定的顺序完成执行任务；

iii、车轮滑移率及侧偏角联合跟踪控制模块设计：

建立线控转向系统和车轮纵向滑移率动力学模型，基于积分滑模控制方法设计车轮滑移率及侧偏角联合跟踪控制模块，协调汽车转向/驱动/制动系统，使各车轮均按照预期的滑移率和侧偏角运动，保证汽车的实际运动状态能够跟随期望的运动状态。

2.根据权利要求1所述的一种冗余驱动车辆动力学控制分配方法，其特征在于：基于汽车行驶工况调节控制任务权重矩阵，确定控制任务的优先级；当汽车处于正常行驶工况时，根据驾驶员操作控制汽车转向/驱动/制动系统，不涉及控制任务的优先级问题，控制任务权重矩阵Wv为diag(1,1,1)；当汽车处于纵向安全行驶工况时，控制任务权重矩阵Wv为diag(1,0,0)；当汽车处于侧向稳定性行驶工况时，控制任务权重矩阵Wv为diag(0,1,1)；当汽车处于集成安全行驶工况时，需要兼顾车辆的纵向、侧向及横摆运动，控制任务权重矩阵Wv为diag(1,1,1)。