CN108859862B - 一种分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制系统，包括整车动力学观测系统、整车运动学量测系统和驱动模式控制模块；整车运动学量测系统用于实时输出以下车辆状态参数；整车动力学观测系统用于运用整车运动学量测系统提供的车辆状态参数、非线性轮胎模型以及非线性系统状态估计算法，实时估算各个车轮垂直载荷、车辆质心侧偏角、轮胎侧向力；驱动模式控制模块用于根据驾驶员驱动意图，对驱动模式进行分类，并制定不同的驱动策略。本发明充分发挥轮毂电机驱动系统控制灵活、迟滞效应小的特点，在满足强通过性的前提下有效提高了整车的能量效率。

Description

一种分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制系统

技术领域

本发明属于轮毂电机分布式驱动汽车控制技术领域，具体涉及一种分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制系统。

背景技术

采用轮毂电机的分布式驱动车辆与传统集中式驱动车辆相比，可以对输出至轮端的驱动功率进行精确的监控，并对分布式驱动系统进行精细化的冗余控制。因此，轮毂电机分布式驱动系统显著提高了整车经济性、动力性、操纵稳定性控制、主动安全控制等方面的优化潜力。

为了充分发挥轮毂电机分布式驱动系统在控制优化方面的巨大潜力，以整车控制器为核心的上层控制系统需要对车辆行驶时的重要状态参数进行有效的实时观测或精确估计，由此制定合理的驱动命令，充分发挥分布式轮毂电机驱动汽车可以单独控制每个车轮驱动转矩/转速的优势。比如各个车轮垂向载荷的有效估计能够提高驱动防滑控制效果、抑制轮胎偏磨；质心侧偏角、横摆角速度的实时观测估计是车辆稳定性控制中必不可少的基础参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制系统，改善驱动防滑控制效果。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制系统，用于控制自动挡四驱越野车，其特征在于：设置在整车控制器中，包括整车动力学观测系统、整车运动学量测系统和驱动模式控制模块；

整车运动学量测系统，用于实时输出以下车辆状态参数：方向盘转角传感器信号δ_s，惯性传感器测得的车辆质心位置纵向加速度a_x，惯性传感器测得的车辆质心位置侧向加速度a_y，惯性传感器输出的车身侧倾角φ，惯性传感器输出的车身俯仰角θ_pitch，惯性传感器输出的横摆角速度

左后、右后、左前、右前轮毂电机控制器反馈给整车控制器的轮毂电机实际转速w_RL、w_RR、w_FL、w_FR；

整车动力学观测系统，用于运用整车运动学量测系统提供的车辆状态参数、非线性轮胎模型以及非线性系统状态估计算法，实时估算各个车轮垂直载荷、车辆质心侧偏角、轮胎侧向力；

驱动模式控制模块用于根据驾驶员驱动意图，对驱动模式进行分类，并制定不同的驱动策略，具体为：

S1、实时接收驾驶员通过越野模式选择模块发出的行车模式的挡位指令；挡位指令由驾驶员根据路况判断车辆是否进入越野模式而发出，包括D挡和C挡；

S2、根据驾驶员选择的行车模式的挡位指令、以及整车运动学量测系统和整车动力学观测系统反馈的车辆行驶状态，按照对应的驱动策略，实时调整发送至各个轮毂电机控制器的转矩/转速命令；

D挡对应的驱动策略为：向四个轮毂电机控制器发送转矩模式控制指令；同时根据整车运动学量测系统和整车动力学观测系统反馈的车辆行驶状态计算整车实时驱动功率，根据整车实时驱动功率的大小切换两驱/四驱行驶模式；

C挡且加速电子踏板开度为0、电子制动踏板开度为0、四个轮毂电机转速为0，对应的驱动策略为：向四个轮毂电机控制器发送转速模式控制指令；同时计时器开始计时，若无法同时满足以上条件，计时器归零；转速按以下公式计算：

w_vcuj为发送给各个轮毂电机控制器的转速命令；i为轮毂电机与车轮之间减速器装置的减速比；t为转速控制模式计时器输出时间；R_j为各个车轮的滚动半径；

C挡且加速电子踏板开度大于0，按以下公式向四个轮毂电机控制器发送转矩模式控制指令：

P_R为整车控制器发送至后轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；P_F为整车控制器发送至前轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；α_acc为加速电子踏板开度；P_Mmax为单个轮毂电机的峰值功率；

分别表示整车动力学观测系统估算的左后、右后、左前、右前车轮的垂直载荷；m为整车质量；g为重力加速度；T_RL、T_RR、T_FL、T_FR为整车控制器发送至左前、右前、左后以及右后轮毂电机控制器的驱动转矩指令；

S3、各个轮毂电机控制器使对应的轮毂电机执行接收到的转矩/转速命令；

S4、各个轮毂电机控制器在控制对应的轮毂电机执行转矩/转速命令的同时，根据转速传感器信号、轮毂电机相电流和轮毂电机相电压，计算得到轮毂电机的工作状态信号并同步发送至整车行驶状态监测系统。

按上述方案，所述的整车动力学观测系统具体采用以下公式计算各车轮的垂直载荷：

分别表示整车动力学观测系统估算的左后、右后、左前、右前车轮的垂直载荷；θ为根据惯性传感器输出的车身俯仰角θ_pitch计算得到的道路坡度；h_g为整车质心高度；h_r为车身侧倾中心高度；C_r为悬架系统侧倾阻尼；K_r为悬架系统侧倾角刚度；m为整车质量；g为重力加速度；L为轴距；b为轮距；

为车厢侧倾角速度；l_r为后轴中心位置至车辆质心的纵向距离，l_f为前轴中心位置至车辆质心的纵向距离。

按上述方案，所述的整车动力学观测系统具体采用以下公式计算车辆质心侧偏角β、横摆角速度

状态变量

输入变量u＝[δ,F_xFL,F_xFR,F_xRL,F_xRR,M_z,F_yFL、F_yFR、F_yRL、F_yRR]^T；

量测变量

A、B、C、D为空间方程系数矩阵；Q为过程噪声；R为量测噪声；ΔM_z为整车控制器输出的附加横摆力矩；δ根据方向盘转角传感器信号δ_s计算得到的前轮转角；F_xFL,F_xFR,F_xRL,F_xRR为根据各个轮毂电机的实时驱动力矩计算得到的各个车轮的纵向驱动力；F_yFL、F_yFR、F_yRL、F_yRR为非线性轮胎模型输出的各个车轮的侧向力；

所述的非线性轮胎模型为：

w_y＝MAXsin{Farctan[K_wμ-E(K_wμ-arctan(K_wμ))]}

其中，w_y为车轮的侧向力；μ为各个轮胎的纵向滑移率k_i和侧偏角α_i；MAX为最大值点；F为形状系数；K_w为刚度系数；E为曲率系数；

所述的整车控制器输出的附加横摆力矩ΔM_z是操纵稳定性控制中根据控制目标进行实时调整的控制量，具体的控制目标如下：

为期望横摆角速度；β_perfect为期望质心侧偏角；f(v,δ,k)为与车速、前轮转角、车轮滑移率相关的权重函数；

操纵稳定性控制中控制量的计算公式以及具体的调整方法如下：

J表示单个电动轮系统的等效转动惯量；下标j表示FL、FR、RL以及RR，即左前、右前、左后以及右后车轮；T_j表示整车控制器发送至各个轮毂电机控制器的驱动转矩指令；

表示根据各个轮毂电机控制器反馈的实时电机转速经微分计算得到的车轮旋转的角加速度；R_j为表示各个车轮的滚动半径；

运用前馈-反馈控制方法对ΔM_z进行实时调整以保证s始终在一定的范围内波动。

按上述方案，所述的D挡对应的驱动策略中，根据整车实时驱动功率的大小，通过以下公式切换两驱/四驱行驶模式：

P_R＝2α_acc*P_Mmax

P_R为整车控制器发送至后轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；P_F为整车控制器发送至前轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；P_MCU为四个轮毂电机控制器反馈至整车控制器的整车驱动功率；P_Mmax为单个轮毂电机的峰值功率；P_Mr为单个轮毂电机的额定功率；α_acc为加速电子踏板开度。

本发明的有益效果为：通过整车运动学量测系统与整车动力学观测系统协同工作、相互校正精度，得到车辆行驶时的重要状态参数，并作为驱动力自适应分配的重要基础参数；然后再根据驾驶员的驱动意图，对驱动模式进行分类，并制定不同的驱动策略，充分发挥轮毂电机驱动系统控制灵活、迟滞效应小的特点，在满足强通过性的前提下有效提高了整车的能量效率。

附图说明

图1为驱动力自适应分配系统硬件架构图。

图2为驱动力自适应分配系统软件模块图。

图中：1-整车控制器；2-轮毂电机控制器；3-惯性传感器；4-方向盘角传感器；5-加速电子踏板；6-制动电子踏板；7-换挡控制面板；8-轮毂电机。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制系统，用于控制自动挡四驱越野车，设置在整车控制器1中，如图1和图2所示，包括整车动力学观测系统、整车运动学量测系统和驱动模式控制模块。

整车运动学量测系统，主要包括惯性传感器3、方向盘转角传感器4、轮毂电机转速传感器、加速电子踏板5、制动电子踏板6、换挡控制面板7等量测工具，用于实时输出以下车辆状态参数：方向盘转角传感器信号δ_s，惯性传感器测得的车辆质心位置纵向加速度a_x，惯性传感器3测得的车辆质心位置侧向加速度a_y，惯性传感器3输出的车身侧倾角φ，惯性传感器3输出的车身俯仰角θ_pitch，惯性传感器3输出的横摆角速度

左后、右后、左前、右前轮毂电机控制器2反馈给整车控制器1的轮毂电机8的实际转速w_RL、w_RR、w_FL、w_FR。惯性传感器3采用动态倾角传感器。进一步的，所述的动态倾角传感器型号为SST810。所述的方向盘转角传感器4采用霍尔传感器进行测量。所述的轮毂电机转速信息采用霍尔传感器进行测量。所述的整车控制器采用32位单片机。

整车动力学观测系统，用于运用整车运动学量测系统提供的车辆状态参数、非线性轮胎模型以及非线性系统状态估计算法，实时估算各个车轮垂直载荷、车辆质心侧偏角、轮胎侧向力。轮胎侧向/纵向力是指轮胎与路面之间的力。整车动力学观测系统具体采用以下公式计算各车轮的垂直载荷：

分别表示整车动力学观测系统估算的左后、右后、左前、右前车轮的垂直载荷；θ为根据惯性传感器输出的车身俯仰角θ_pitch计算得到的道路坡度；h_g为整车质心高度；h_r为车身侧倾中心高度；C_r为悬架系统侧倾阻尼；K_r为悬架系统侧倾角刚度；m为整车质量；g为重力加速度；L为轴距；b为轮距；

为车厢侧倾角速度；l_r为后轴中心位置至车辆质心的纵向距离，l_f为前轴中心位置至车辆质心的纵向距离。

整车动力学观测系统具体采用以下公式计算车辆质心侧偏角β、横摆角速度

状态变量

输入变量u＝[δ,F_xFL,F_xFR,F_xRL,F_xRR,ΔM_z,F_yFL、F_yFR、F_yRL、F_yRR]^T；

量测变量

A、B、C、D为空间方程系数矩阵；Q为过程噪声；R为量测噪声；ΔM_z为整车控制器输出的附加横摆力矩；δ根据方向盘转角传感器信号δ_s计算得到的前轮转角；F_xFL,F_xFR,F_xRL,F_xRR为根据各个轮毂电机的实时驱动力矩计算得到的各个车轮的纵向驱动力；F_yFL、F_yFR、F_yRL、F_yRR为非线性轮胎模型输出的各个车轮的侧向力；

上述非线性轮胎模型采用的是“魔术公式”半经验公式非线性轮胎模型，其基础公式为：

w_y＝MAXsin{Farctan[K_wμ-E(K_wμ-arctan(K_wμ))]}

其中，w_y为车轮的侧向力；μ为各个轮胎的纵向滑移率k_i和侧偏角α_i；MAX为最大值点；F为形状系数；K_w为刚度系数；E为曲率系数；

所述的整车控制器输出的附加横摆力矩ΔM_z是操纵稳定性控制中根据控制目标进行实时调整的控制量，具体的控制目标如下：

为期望横摆角速度；β_perfect为期望质心侧偏角(一般取为0)；f(v,δ,k)为与车速、前轮转角、车轮滑移率相关的权重函数；

操纵稳定性控制中控制量的计算公式以及具体的调整方法如下：

J表示单个电动轮系统的等效转动惯量；下标j表示FL、FR、RL以及RR，即左前、右前、左后以及右后车轮；T_j表示整车控制器发送至各个轮毂电机控制器的驱动转矩指令；

表示根据各个轮毂电机控制器反馈的实时电机转速经微分计算得到的车轮旋转的角加速度；R_j为表示各个车轮的滚动半径。电动轮系统是由轮毂电机、减速器、制动装置旋转件、轮胎组成的一个驱动轮分总成；即整车有四个电动轮系统。

运用前馈-反馈控制方法对ΔM_z进行实时调整以保证s始终在一定的范围内波动。

驱动模式控制模块用于根据驾驶员驱动意图，对驱动模式进行分类，并制定不同的驱动策略，具体为：

S1、实时接收驾驶员通过越野模式选择模块发出的行车模式的挡位指令；挡位指令由驾驶员根据路况判断车辆是否进入越野模式而发出，包括D挡(正常行驶挡位)和C挡(越野路况专用挡位)。

S2、根据驾驶员选择的行车模式的挡位指令、以及整车运动学量测系统和整车动力学观测系统反馈的车辆行驶状态，按照对应的驱动策略，实时调整发送至各个轮毂电机控制器的转矩/转速命令。

D挡对应的驱动策略为：此时以提高轮毂电机效率、优化续航里程为控制目标，向四个轮毂电机控制器发送转矩模式控制指令；同时根据整车运动学量测系统和整车动力学观测系统反馈的车辆行驶状态计算整车实时驱动功率，根据整车实时驱动功率的大小切换两驱/四驱行驶模式实现行驶模式的平滑过渡，具体通过以下公式切换两驱/四驱行驶模式：

P_R＝2α_acc*P_Mmax

P_R为整车控制器发送至后轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；P_F为整车控制器发送至前轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；P_MCU为四个轮毂电机控制器反馈至整车控制器的整车驱动功率；P_Mmax为单个轮毂电机的峰值功率；P_Mr为单个轮毂电机的额定功率；α_acc为加速电子踏板开度。

C挡且加速电子踏板开度为0、电子制动踏板开度为0、四个轮毂电机转速为0，对应的驱动策略为：向四个轮毂电机控制器发送转速模式控制指令；同时计时器开始计时，若无法同时满足以上条件，计时器归零；转速按以下公式计算：

α_brake为电子制动踏板开度(％)；w_vcuj为发送给各个轮毂电机控制器的转速命令；i为轮毂电机与车轮之间减速器装置的减速比(为了保证越野车辆的通过性，一般会采用内转子轮毂电机与减速器集成安装于轮毂内的安装方法)；t为转速控制模式计时器输出时间(单位：秒)；R_j为各个车轮的滚动半径。

一般等效车速为3km/h。

C挡且加速电子踏板开度大于0，按以下公式向四个轮毂电机控制器发送转矩模式控制指令：

P_R为整车控制器发送至后轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；P_F为整车控制器发送至前轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；α_acc为加速电子踏板开度；P_Mmax为单个轮毂电机的峰值功率；

分别表示整车动力学观测系统估算的左后、右后、左前、右前车轮的垂直载荷；m为整车质量；g为重力加速度；T_RL、T_RR、T_FL、T_FR为整车控制器发送至左前、右前、左后以及右后轮毂电机控制器的驱动转矩指令。

S3、各个轮毂电机控制器使对应的轮毂电机执行接收到的转矩/转速命令。

S4、各个轮毂电机控制器在控制对应的轮毂电机执行转矩/转速命令的同时，根据转速传感器信号、轮毂电机相电流和轮毂电机相电压，计算得到轮毂电机的工作状态信号并同步发送至整车行驶状态监测系统。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制系统，用于控制自动挡四驱越野车，其特征在于：设置在整车控制器中，包括整车动力学观测系统、整车运动学量测系统和驱动模式控制模块；

整车运动学量测系统，用于实时输出以下车辆状态参数：方向盘转角传感器信号δ_s，惯性传感器测得的车辆质心位置纵向加速度a_x，惯性传感器测得的车辆质心位置侧向加速度a_y，惯性传感器输出的车身侧倾角φ，惯性传感器输出的车身俯仰角θ_pitch，惯性传感器输出的横摆角速度

左后、右后、左前、右前轮毂电机控制器反馈给整车控制器的轮毂电机实际转速w_RL、w_RR、w_FL、w_FR；

整车动力学观测系统，用于运用整车运动学量测系统提供的车辆状态参数、非线性轮胎模型以及非线性系统状态估计算法，实时估算各个车轮垂直载荷、车辆质心侧偏角、轮胎侧向力；

驱动模式控制模块用于根据驾驶员驱动意图，对驱动模式进行分类，并制定不同的驱动策略，具体为：

S1、实时接收驾驶员通过越野模式选择模块发出的行车模式的挡位指令；挡位指令由驾驶员根据路况判断车辆是否进入越野模式而发出，包括D挡和C挡；

S2、根据驾驶员选择的行车模式的挡位指令、以及整车运动学量测系统和整车动力学观测系统反馈的车辆行驶状态，按照对应的驱动策略，实时调整发送至各个轮毂电机控制器的转矩/转速命令；

D挡对应的驱动策略为：向四个轮毂电机控制器发送转矩模式控制指令；同时根据整车运动学量测系统和整车动力学观测系统反馈的车辆行驶状态计算整车实时驱动功率，根据整车实时驱动功率的大小切换两驱/四驱行驶模式；

C挡且加速电子踏板开度为0、电子制动踏板开度为0、四个轮毂电机转速为0，对应的驱动策略为：向四个轮毂电机控制器发送转速模式控制指令；同时计时器开始计时，若无法同时满足以上条件，计时器归零；转速按以下公式计算：

w_vcuj为发送给各个轮毂电机控制器的转速命令；i为轮毂电机与车轮之间减速器装置的减速比；t为转速控制模式计时器输出时间；R_j为各个车轮的滚动半径；

C挡且加速电子踏板开度大于0，按以下公式向四个轮毂电机控制器发送转矩模式控制指令：

P_R为整车控制器发送至后轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；P_F为整车控制器发送至前轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；α_acc为加速电子踏板开度；P_Mmax为单个轮毂电机的峰值功率；

分别表示整车动力学观测系统估算的左后、右后、左前、右前车轮的垂直载荷；m为整车质量；g为重力加速度；T_RL、T_RR、T_FL、T_FR为整车控制器发送至左前、右前、左后以及右后轮毂电机控制器的驱动转矩指令；

S3、各个轮毂电机控制器使对应的轮毂电机执行接收到的转矩/转速命令；

S4、各个轮毂电机控制器在控制对应的轮毂电机执行转矩/转速命令的同时，根据转速传感器信号、轮毂电机相电流和轮毂电机相电压，计算得到轮毂电机的工作状态信号并同步发送至整车行驶状态监测系统。

2.根据权利要求1所述的分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制系统，其特征在于：所述的整车动力学观测系统具体采用以下公式计算各车轮的垂直载荷：

分别表示整车动力学观测系统估算的左后、右后、左前、右前车轮的垂直载荷；θ为根据惯性传感器输出的车身俯仰角θ_pitch计算得到的道路坡度；h_g为整车质心高度；h_r为车身侧倾中心高度；C_r为悬架系统侧倾阻尼；K_r为悬架系统侧倾角刚度；m为整车质量；g为重力加速度；L为轴距；b为轮距；

为车厢侧倾角速度；l_r为后轴中心位置至车辆质心的纵向距离，l_f为前轴中心位置至车辆质心的纵向距离。

3.根据权利要求1所述的分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制系统，其特征在于：所述的整车动力学观测系统具体采用以下公式计算车辆质心侧偏角β、横摆角速度

状态变量

输入变量u＝[δ，F_xFL，F_xFR，F_xRL，F_xRR，ΔM_z，F_yFL、F_yFR、F_yRL、F_yRR]^T；

量测变量

A、B、C、D为空间方程系数矩阵；Q为过程噪声；R为量测噪声；ΔM_z为整车控制器输出的附加横摆力矩；δ根据方向盘转角传感器信号δ_s计算得到的前轮转角；F_xFL，F_xFR，F_xRL，F_xRR为根据各个轮毂电机的实时驱动力矩计算得到的各个车轮的纵向驱动力；F_yFL、F_yFR、F_yRL、F_yRR为非线性轮胎模型输出的各个车轮的侧向力；

所述的非线性轮胎模型为：

w_y＝MAXsin{Farctan[K_wμ-E(K_wμ-arctan(K_wμ))]}

其中，w_y为车轮的侧向力；μ为各个轮胎的侧偏角α_i；MAX为最大值点；F为形状系数；K_w为刚度系数；E为曲率系数；

所述的整车控制器输出的附加横摆力矩ΔM_z是操纵稳定性控制中根据控制目标进行实时调整的控制量，具体的控制目标如下：

为期望横摆角速度；β_perfect为期望质心侧偏角；f(v，δ，k)为与车速、前轮转角、车轮滑移率相关的权重函数；

操纵稳定性控制中控制量的计算公式以及具体的调整方法如下：

J表示单个电动轮系统的等效转动惯量；下标j表示FL、FR、RL以及RR，即左前、右前、左后以及右后车轮；T_j表示整车控制器发送至各个轮毂电机控制器的驱动转矩指令；

表示根据各个轮毂电机控制器反馈的实时电机转速经微分计算得到的车轮旋转的角加速度；R_j为表示各个车轮的滚动半径；

运用前馈-反馈控制方法对ΔM_z进行实时调整以保证s始终在一定的范围内波动。

4.根据权利要求1所述的分布式驱动越野车辆的自适应驱动控制系统，其特征在于：所述的D挡对应的驱动策略中，根据整车实时驱动功率的大小，通过以下公式切换两驱和四驱行驶模式：

P_R＝2α_acc*P_Mmax

P_R为整车控制器发送至后轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；P_F为整车控制器发送至前轴两个轮毂电机控制器的驱动功率指令之和；P_MCU为四个轮毂电机控制器反馈至整车控制器的整车驱动功率；P_Mmax为单个轮毂电机的峰值功率；P_Mr为单个轮毂电机的额定功率；α_acc为加速电子踏板开度。

Images