CN106364367B - 一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法 - Google Patents

一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，包括步骤：一、驾驶员操作参数设置电路模块，输入电动汽车的期望纵向速度和期望横向速度，参数设置电路模块再输出给控制器；二、驾驶员操作方向盘，输入方向盘转角信号，方向盘转角传感器对驾驶员输入的方向盘转角信号进行实时检测，并将检测到的方向盘转角信号输出给控制器；三、控制器对电动汽车的期望纵向速度和期望横向速度，以及方向盘转角信号进行分析处理，得到电动汽车的四个轮胎的侧偏角和中心速度；四、控制器根据电动汽车的四个轮胎的侧偏角和中心速度，输出对电动汽车的控制信号，控制电动汽车行驶。本发明方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便，能够实现电动汽车的稳定行驶。

Description

一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车控制技术领域，具体涉及一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法。
背景技术
随着能源危机和环境污染的加重，传统的燃料汽车已经不再适应现在的市场，而电动汽车成为一个新的发展趋势。电动汽车采用四轮独立驱动的方式，不仅能够节能减排而且具有传递效率高、空间布置灵活、驱动电机响应快等特点。在车辆的转向过程中，传统的燃料汽车经过机械电子差速器实现内外轮的差速，而多轮独立驱动电动汽车则是经过各个轮毂电机驱动车辆,通过控制方法实现内外轮的差速，从而实现车辆的平稳转向。
目前国内对电动汽车的研究比较多，如：吴志红和高时芳等都对通过Ackermann转向差速模型计算各轮转速进行了一定的研究，但是此模型属于理想模型，并没有考虑汽车轮胎侧偏角和垂直载荷对电动汽车转矩控制的影响，不适合在实际中应用；上海同济大学的沈勇教授提出了基于Ackermann转向模型和神经网络算法的联合模型，这种算法可以控制各车轮转速，它结构简单易懂，在汽车低速运行下控制较为稳定，但是此类算法并没有考虑轮胎以及垂直载荷等对电动汽车的影响，若电动汽车处于较高速或者滑转状态，此类算法不能降低轮胎侧向力等对电动汽车平稳性的影响。现有技术中还缺乏设计新颖合理、实现方便、能够实现电动汽车的稳定行驶的电动汽车协调控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，其方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便，能够实现电动汽车的稳定行驶。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、驾驶员操作参数设置电路模块，输入电动汽车的期望纵向速度vxe和期望横向速度vye，参数设置电路模块将电动汽车的期望纵向速度vxe和期望横向速度vye输出给控制器；
步骤二、驾驶员操作方向盘，输入方向盘转角信号，方向盘转角传感器对驾驶员输入的方向盘转角信号进行实时检测，并将检测到的方向盘转角信号输出给控制器；
步骤三、控制器对电动汽车的期望纵向速度vxe和期望横向速度vye，以及方向盘转角信号进行分析处理，得到电动汽车的四个轮胎的侧偏角和中心速度；其具体过程为：
步骤301、控制器根据二自由度的电动汽车模型计算得到电动汽车的期望横摆角速度γe；
其中，二自由度的电动汽车模型为：
m为电动汽车的质量，a为电动汽车的质心到前轴的距离，b为电动汽车的质心到后轴的距离，Cf为电动汽车的前车轴侧偏刚度，Cr为电动汽车的后车轴侧偏刚度，β为电动汽车的侧偏角，σ为控制器接收到的方向盘转角信号，Iz为电动汽车绕Z轴的转动惯量；
步骤302、控制器根据电动汽车轮胎的垂直载荷模型计算得到第1个轮胎的垂直载荷Fz1、第2个轮胎的垂直载荷Fz2、第3个轮胎的垂直载荷Fz3和第4个轮胎的垂直载荷Fz4；
其中，第1个轮胎的垂直载荷Fz1的模型为：
第2个轮胎的垂直载荷Fz2的模型为：
第3个轮胎的垂直载荷Fz3的模型为：
第4个轮胎的垂直载荷Fz4的模型为：
g为重力加速度，hcg为电动汽车的质心高度，d为电动汽车的左右轮距；
步骤303、控制器根据电动汽车轮胎的期望侧偏角求解模型计算得到第1个轮胎的期望侧偏角α1e、第2个轮胎的期望侧偏角α2e、第3个轮胎的期望侧偏角α3e和第4个轮胎的期望侧偏角α4e；
其中，第1个轮胎的期望侧偏角α1e的求解模型为：
第2个轮胎的期望侧偏角α2e的求解模型为：
第3个轮胎的期望侧偏角α3e的求解模型为：
第4个轮胎的期望侧偏角α4e的求解模型为：
步骤304、控制器根据电动汽车的Dugoff轮胎模型计算得到第1个轮胎的轮胎纵向力Fx1、第2个轮胎的轮胎纵向力Fx2、第3个轮胎的轮胎纵向力Fx3和第4个轮胎的轮胎纵向力Fx4，以及第1个轮胎的轮胎横向力Fy1、第2个轮胎的轮胎横向力Fy2、第3个轮胎的轮胎横向力Fy3和第4个轮胎的轮胎横向力Fy4；
其中，第i个轮胎的轮胎纵向力Fxi的模型为：
第i个轮胎的轮胎横向力Fyi的模型为：
i的取值为1、2、3、4，s为滑移率，λi为中间变量且f(λi)为λi的函数且 为纵向附着系数，Cx为电动汽车的轮胎的纵向刚度，Cy为电动汽车的轮胎的横向刚度；
步骤305、控制器将步骤302和步骤304的计算结果，代入七自由度的电动汽车模型中，计算得到电动汽车的纵向速度vx、横向速度vy和横摆角速度γ；
其中，七自由度的电动汽车模型为：
步骤306、控制器根据电动汽车轮胎的侧偏角求解模型计算得到第1个轮胎的侧偏角α1、第2个轮胎的侧偏角α2、第3个轮胎的侧偏角α3和第4个轮胎的侧偏角α4；
其中，第1个轮胎的侧偏角α1的求解模型为：
第2个轮胎的侧偏角α2的求解模型为：
第3个轮胎的侧偏角α3的求解模型为：
第4个轮胎的侧偏角α4的求解模型为：
步骤307、控制器根据电动汽车轮胎的中心速度求解模型计算得到第1个轮胎的中心速度vx1、第2个轮胎的中心速度vx2、第3个轮胎的中心速度vx3和第4个轮胎的中心速度vx4；
其中，第1个轮胎的中心速度vx1的求解模型为：vx1＝(vx-0.5dγ)cosσ+(vy+α1γ)sinσ；
第2个轮胎的中心速度vx2的求解模型为：vx2＝(vx+0.5dγ)cosσ+(vy+α2γ)sinσ；
第3个轮胎的中心速度vx3的求解模型为：vx3＝vx-0.5dγ；
第4个轮胎的中心速度vx4的求解模型为：vx4＝vx+0.5dγ；
步骤四、控制器根据电动汽车的四个轮胎的侧偏角和中心速度，输出对用于带动电动汽车的四个轮胎转动的四个轮毂电机的控制信号，控制电动汽车行驶。
上述的一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，其特征在于：所述控制器为ARM微控制器。
上述的一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，其特征在于：所述参数设置电路模块为触摸式液晶显示屏。
上述的一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，其特征在于：步骤304中所述s的取值为0.15。
上述的一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，其特征在于：步骤304中所述的取值为0.85。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便。
2、采用本发明的控制方法，能够实现电动汽车的稳定行驶。
3、本发明考虑了轮胎对汽车垂直载荷的影响，提高了汽车的稳定性。
4、本发明采用二自由度车辆模型和七自由度车辆模型相结合的方法，综合考虑了实际中存在的影响因素，提高了该控制方法的实用性。
5、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明采用的控制系统的电路原理框图。
图2为本发明的方法流程框图。
附图标记说明:
1—控制器； 2—参数设置电路模块； 3—方向盘转角传感器；
4—电机。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，包括以下步骤：
步骤一、驾驶员操作参数设置电路模块2，输入电动汽车的期望纵向速度vxe和期望横向速度vye，参数设置电路模块2将电动汽车的期望纵向速度vxe和期望横向速度vye输出给控制器1；
步骤二、驾驶员操作方向盘，输入方向盘转角信号，方向盘转角传感器3对驾驶员输入的方向盘转角信号进行实时检测，并将检测到的方向盘转角信号输出给控制器1；
步骤三、控制器1对电动汽车的期望纵向速度vxe和期望横向速度vye，以及方向盘转角信号进行分析处理，得到电动汽车的四个轮胎的侧偏角和中心速度；其具体过程为：
步骤301、控制器1根据二自由度的电动汽车模型计算得到电动汽车的期望横摆角速度γe；
其中，二自由度的电动汽车模型为：
m为电动汽车的质量，单位为kg；a为电动汽车的质心到前轴的距离，单位为m；b为电动汽车的质心到后轴的距离，单位为m；Cf为电动汽车的前车轴侧偏刚度，单位为kN·m/rad；Cr为电动汽车的后车轴侧偏刚度，单位为kN·m/rad；β为电动汽车的侧偏角，单位为度；σ为控制器1接收到的方向盘转角信号，单位为度；Iz为电动汽车绕Z轴的转动惯量，单位为kg/m2；γe的单位为rad/s，vxe的单位为km/h，vye的单位为km/h；
步骤302、控制器1根据电动汽车轮胎的垂直载荷模型计算得到第1个轮胎的垂直载荷Fz1、第2个轮胎的垂直载荷Fz2、第3个轮胎的垂直载荷Fz3和第4个轮胎的垂直载荷Fz4；
其中，第1个轮胎的垂直载荷Fz1的模型为：
第2个轮胎的垂直载荷Fz2的模型为：
第3个轮胎的垂直载荷Fz3的模型为：
第4个轮胎的垂直载荷Fz4的模型为：
g为重力加速度，hcg为电动汽车的质心高度，单位为m；d为电动汽车的左右轮距，单位为m；
步骤303、控制器1根据电动汽车轮胎的期望侧偏角求解模型计算得到第1个轮胎的期望侧偏角α1e、第2个轮胎的期望侧偏角α2e、第3个轮胎的期望侧偏角α3e和第4个轮胎的期望侧偏角α4e；
其中，第1个轮胎的期望侧偏角α1e的求解模型为：
第2个轮胎的期望侧偏角α2e的求解模型为：
第3个轮胎的期望侧偏角α3e的求解模型为：
第4个轮胎的期望侧偏角α4e的求解模型为：
步骤304、控制器1根据电动汽车的Dugoff轮胎模型计算得到第1个轮胎的轮胎纵向力Fx1、第2个轮胎的轮胎纵向力Fx2、第3个轮胎的轮胎纵向力Fx3和第4个轮胎的轮胎纵向力Fx4，以及第1个轮胎的轮胎横向力Fy1、第2个轮胎的轮胎横向力Fy2、第3个轮胎的轮胎横向力Fy3和第4个轮胎的轮胎横向力Fy4；
其中，第i个轮胎的轮胎纵向力Fxi的模型为：
第i个轮胎的轮胎横向力Fyi的模型为：
i的取值为1、2、3、4，s为滑移率，λi为中间变量且f(λi)为λi的函数且 为纵向附着系数，Cx为电动汽车的轮胎的纵向刚度，单位为kN·m/rad；Cy为电动汽车的轮胎的横向刚度，单位为kN·m/rad；
步骤305、控制器1将步骤302和步骤304的计算结果，代入七自由度的电动汽车模型中，计算得到电动汽车的纵向速度vx、横向速度vy和横摆角速度γ；
其中，七自由度的电动汽车模型为：
γ的单位为rad/s，vx的单位为km/h，vy的单位为km/h；
步骤306、控制器1根据电动汽车轮胎的侧偏角求解模型计算得到第1个轮胎的侧偏角α1、第2个轮胎的侧偏角α2、第3个轮胎的侧偏角α3和第4个轮胎的侧偏角α4；
其中，第1个轮胎的侧偏角α1的求解模型为：
第2个轮胎的侧偏角α2的求解模型为：
第3个轮胎的侧偏角α3的求解模型为：
第4个轮胎的侧偏角α4的求解模型为：
步骤307、控制器1根据电动汽车轮胎的中心速度求解模型计算得到第1个轮胎的中心速度vx1、第2个轮胎的中心速度vx2、第3个轮胎的中心速度vx3和第4个轮胎的中心速度vx4；
其中，第1个轮胎的中心速度vx1的求解模型为：vx1＝(vx-0.5dγ)cosσ+(vy+α1γ)sinσ；
第2个轮胎的中心速度vx2的求解模型为：vx2＝(vx+0.5dγ)cosσ+(vy+α2γ)sinσ；
第3个轮胎的中心速度vx3的求解模型为：vx3＝vx-0.5dγ；
第4个轮胎的中心速度vx4的求解模型为：vx4＝vx+0.5dγ；
步骤四、控制器1根据电动汽车的四个轮胎的侧偏角和中心速度，输出对用于带动电动汽车的四个轮胎转动的四个轮毂电机4的控制信号，控制电动汽车行驶。
本实施例中，所述控制器1为ARM微控制器。
本实施例中，所述参数设置电路模块2为触摸式液晶显示屏。
本实施例中，步骤304中所述s的取值为0.15。
本实施例中，步骤304中所述的取值为0.85。
为了验证本发明的使用效果，采用Matlab对本发明的方法进行了仿真，仿真结果显示，采用本发明的控制方法，能够实现电动汽车的稳定行驶。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、驾驶员操作参数设置电路模块(2)，输入电动汽车的期望纵向速度vxe和期望横向速度vye，参数设置电路模块(2)将电动汽车的期望纵向速度vxe和期望横向速度vye输出给控制器(1)；
步骤二、驾驶员操作方向盘，输入方向盘转角信号，方向盘转角传感器(3)对驾驶员输入的方向盘转角信号进行实时检测，并将检测到的方向盘转角信号输出给控制器(1)；
其特征在于，还包括以下步骤：
步骤三、控制器(1)对电动汽车的期望纵向速度vxe和期望横向速度vye，以及方向盘转角信号进行分析处理，得到电动汽车的四个轮胎的侧偏角和中心速度；其具体过程为：
步骤301、控制器(1)根据二自由度的电动汽车模型计算得到电动汽车的期望横摆角速度γe；
其中，二自由度的电动汽车模型为：
m为电动汽车的质量，a为电动汽车的质心到前轴的距离，b为电动汽车的质心到后轴的距离，Cf为电动汽车的前车轴侧偏刚度，Cr为电动汽车的后车轴侧偏刚度，β为电动汽车的侧偏角，σ为控制器(1)接收到的方向盘转角信号，Iz为电动汽车绕Z轴的转动惯量；
步骤302、控制器(1)根据电动汽车轮胎的垂直载荷模型计算得到第1个轮胎的垂直载荷Fz1、第2个轮胎的垂直载荷Fz2、第3个轮胎的垂直载荷Fz3和第4个轮胎的垂直载荷Fz4；
其中，第1个轮胎的垂直载荷Fz1的模型为：
第2个轮胎的垂直载荷Fz2的模型为：
第3个轮胎的垂直载荷Fz3的模型为：
第4个轮胎的垂直载荷Fz4的模型为：
g为重力加速度，hcg为电动汽车的质心高度，d为电动汽车的左右轮距；
步骤303、控制器(1)根据电动汽车轮胎的期望侧偏角求解模型计算得到第1个轮胎的期望侧偏角α1e、第2个轮胎的期望侧偏角α2e、第3个轮胎的期望侧偏角α3e和第4个轮胎的期望侧偏角α4e；
其中，第1个轮胎的期望侧偏角α1e的求解模型为：
第2个轮胎的期望侧偏角α2e的求解模型为：
第3个轮胎的期望侧偏角α3e的求解模型为：
第4个轮胎的期望侧偏角α4e的求解模型为：
步骤304、控制器(1)根据电动汽车的Dugoff轮胎模型计算得到第1个轮胎的轮胎纵向力Fx1、第2个轮胎的轮胎纵向力Fx2、第3个轮胎的轮胎纵向力Fx3和第4个轮胎的轮胎纵向力Fx4，以及第1个轮胎的轮胎横向力Fy1、第2个轮胎的轮胎横向力Fy2、第3个轮胎的轮胎横向力Fy3和第4个轮胎的轮胎横向力Fy4；
其中，第i个轮胎的轮胎纵向力Fxi的模型为：
第i个轮胎的轮胎横向力Fyi的模型为：
i的取值为1、2、3、4，s为滑移率，λi为中间变量且f(λi)为λi的函数且 为纵向附着系数，Cx为电动汽车的轮胎的纵向刚度，Cy为电动汽车的轮胎的横向刚度；
步骤305、控制器(1)将步骤302和步骤304的计算结果，代入七自由度的电动汽车模型中，计算得到电动汽车的纵向速度vx、横向速度vy和横摆角速度γ；
其中，七自由度的电动汽车模型为：
步骤306、控制器(1)根据电动汽车轮胎的侧偏角求解模型计算得到第1个轮胎的侧偏角α1、第2个轮胎的侧偏角α2、第3个轮胎的侧偏角α3和第4个轮胎的侧偏角α4；
其中，第1个轮胎的侧偏角α1的求解模型为：
第2个轮胎的侧偏角α2的求解模型为：
第3个轮胎的侧偏角α3的求解模型为：
第4个轮胎的侧偏角α4的求解模型为：
步骤307、控制器(1)根据电动汽车轮胎的中心速度求解模型计算得到第1个轮胎的中心速度vx1、第2个轮胎的中心速度vx2、第3个轮胎的中心速度vx3和第4个轮胎的中心速度vx4；
其中，第1个轮胎的中心速度vx1的求解模型为：vx1＝(vx-0.5dγ)cosσ+(vy+α1γ)sinσ；
第2个轮胎的中心速度vx2的求解模型为：vx2＝(vx+0.5dγ)cosσ+(vy+α2γ)sinσ；
第3个轮胎的中心速度vx3的求解模型为：vx3＝vx-0.5dγ；
第4个轮胎的中心速度vx4的求解模型为：vx4＝vx+0.5dγ；
步骤四、控制器(1)根据电动汽车的四个轮胎的侧偏角和中心速度，输出对用于带动电动汽车的四个轮胎转动的四个轮毂电机(4)的控制信号，控制电动汽车行驶。
2.按照权利要求1所述的一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，其特征在于：所述控制器(1)为ARM微控制器。
3.按照权利要求2所述的一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，其特征在于：所述参数设置电路模块(2)为触摸式液晶显示屏。
4.按照权利要求1所述的一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，其特征在于：步骤304中所述s的取值为0.15。
5.按照权利要求1所述的一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，其特征在于：步骤304中所述的取值为0.85。
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