CN108973986A - 一种基于汽车驾驶稳定区域的车辆操纵稳定性联合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于汽车驾驶稳定区域的车辆操纵稳定性联合控制方法，具体如下：当驾驶员进行驱动转向操作时，利用汽车驾驶稳定区域来判断是否需要稳定性控制器介入，利用驾驶员的转向要求计算期望横摆角速度，利用车辆状态信息和驾驶员输入的驱动力矩信息计算前馈控制器输出量，利用车辆状态信息和期望横摆角速度计算比例反馈控制器输出量，利用驾驶员期望横摆角速度与实际横摆角速度判断汽车的转向状态，采用差动制动方法对四个车轮实施制动。本发明能够稳定控制汽车高速转向行驶时的状态，保证汽车稳定行驶和方向性，有效减少汽车过度转向和不足转向，减轻驾驶员的紧张程度和操作负担。

Description

一种基于汽车驾驶稳定区域的车辆操纵稳定性联合控制方法

技术领域

本发明涉及汽车自动控制技术中的车辆稳定性控制方法，特别是一种基于汽车驾驶稳定区域的车辆操纵稳定性联合控制方法。

背景技术

随着技术的发展和生活水平的提高，汽车主动安全技术受到人们的重视，提高汽车的操纵稳定性是十分必要的。在汽车高速转向行驶工况中，轮胎强的非线性特性使其操纵稳定性变差，所以通过研究各种控制方法来改善或提高汽车操纵稳定性。

汽车驾驶稳定区域是指在极限工况下，使汽车动力学系统失稳时对应的驱动和转向二维分岔参数集，表达的是汽车稳定控制的边界。前轮转角作为分岔参数能够引起汽车失稳的结论已经基本得到确认，将前轮转角作为一种前馈信息，以横摆角速度、侧向速度或加速度作为反馈信息来改善或提高汽车的操纵稳定性，但是仅考虑转向操作对失稳的影响是不全面的。对于车辆非线性系统，驱动力矩也是驾驶员输入的重要控制参数之一。驱动力矩显著影响轮胎的侧偏特性，从而影响汽车的操纵稳定性和安全性。利用汽车稳定区域控制车轮转角及驱动力矩能有效提高极限工况的操纵稳定性。

现有的汽车稳定性控制产品(ESP、VSC)基本采用反馈控制方法，具有克服多种干扰和消除偏差的优点，但作用不及时，存在滞后性。由于前馈控制作用及时、快速而敏感，对于高速转向行驶的车辆来讲，将控制作用提前或及时作用是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于汽车驾驶稳定区域的车辆操纵稳定性联合控制方法，由于前馈加反馈控制结果能够充分利用各自的优势，实现了控制作用及时、克服各种干扰和消除偏差的技术效果，有效改善汽车操纵稳定性，提高行驶安全性，保证了汽车集成控制和安全辅助驾驶。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于汽车驾驶稳定区域的车辆操纵稳定性联合控制方法，步骤如下：

步骤S1：利用车载传感器实时采集汽车的运动状态，计算期望状态及车轮驱动力矩，运动状态包括纵向速度v_x、横摆角速度ω和转向盘转角δ_w，计算驾驶员期望状态变量，即期望横摆角速度ω_des，同时，从车载ECU获取发动机输出扭矩T_de，计算传递至前、后轴驱动车轮的扭矩，同轴上的左右车轮各分配一半的扭矩，T_dfl,T_dfr,T_drl,T_drr-分别表示左前、右前、左后和右后的车轮驱动力矩；

S1.1、利用车载传感器采集汽车运动状态信息；

S1.2、利用传感器实时采集的转向盘转角，计算车轮的转角：式中，i-转向盘至前轴转向车轮的传动比；

S1.3、利用采集的纵向速度v_x和计算得到的转向车轮转角δ_f，计算驾驶员期望的横摆角速度：

其中，L＝a+b

以上式中，T_e-时间常数；s-拉普拉斯算子；k₁₀,k₂₀-无驱动力矩时前、后轴的等效侧偏刚度；a,b-质心至前、后轴的距离；m-整车质量；ω_des(s),δ_f(s)-分别表示对ω_des,δ_f的拉普拉斯变换；

S1.4、利用ECU获取的发动机输出扭矩，计算前、后轴驱动车轮的驱动力矩。

式中，i_t-前后轴驱动力矩分配系数，i_gf,i_gr-发动机至前、后轴驱动车轮的总传动比；fl,fr,rl,rr-分别表示前左、前右，后左和后右；

步骤S2：从汽车ECU里加载由车轮驱动力矩T_d和前轮转角δ_f组成的分岔参数集，即驾驶稳定区域，见图3；

步骤S3：利用步骤S1计算得到的车轮驱动力矩和前轮转角与步骤S2加载分岔参数集来判断是否需要控制器介入；

S3.1、若超出驾驶稳定区域，则控制器介入；

S3.2、若未超出驾驶稳定区域，则不介入；

步骤S4：利用步骤S1中的期望横摆角速度，计算前馈控制器和反馈控制器输出的直接横摆力矩；

S4.1、利用期望横摆角速度ω_des和前轮转角δ_f计算前馈控制器输出的直接横摆力矩ΔM_zff：

式中，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃-待计算系数，在具体实施方式里面说明；

S4.2、利用采集的横摆角速度和期望横摆角速度，计算反馈控制器输出的反馈直接横摆力矩ΔM_zfb：

ΔM_zfb＝h_r(ω-ω_des) (2)

式中，h_r为负常数；

S4.3、利用上述前馈控制器和反馈控制器输出的直接横摆力矩，构成前馈加反馈联合控制器的控制率：ΔM_z＝ΔM_zff+ΔM_zfb；

步骤S5：利用期望横摆角速度ω_des和前轮转角δ_f和实时采集到的横摆角速度ω判断汽车转向状态；

步骤S6：利用步骤S5判断出的转向状态确定对哪一个车轮制动，最后利用车辆结构参数、前轮转角δ_f以及控制器输出的直接横摆力矩ΔM_z计算四个车轮的所需制动力矩的大小，即：T_bfl,T_bfr,T_brl,T_brr。

有益效果如下：

本发明提供的控制方法以汽车驾驶稳定区域为先验知识，建立了一种以直接横摆力矩控制为手段的前馈加反馈的汽车稳定性控制结构，并计算直接横摆力矩控制率，前馈控制器以驱动力矩与前轮转角为输入参数，输出前馈直接横摆力矩，反馈控制采用经典的线性比例控制率，前馈加反馈控制结果能够充分利用各自的优点，既能控制作用及时，又能克服各种干扰和消除偏差，为汽车集成控制和安全辅助驾驶提供了有效方法，同时也能够扩大汽车驾驶稳定区域，提高了汽车的操纵稳定性和行驶安全性。所以本发明提供的控制方法能够稳定控制汽车高速转向行驶时的状态，保证汽车稳定行驶和方向性，有效减少汽车过度转向和不足转向，减轻驾驶员的紧张程度和操作负担。

附图说明

图1为本发明控制方法流程示意图；

图2为本发明汽车稳定性前馈加反馈控制器结构框图；

图3为本发明实施例中汽车驾驶稳定区域；

图4为本发明实施例中汽车状态变化图；

图5为本发明实施例中汽车实际横摆角速度对期望横摆角速度跟随情况图；

图6为本发明实施例中联合控制器输出的直接横摆力矩；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

参考图2，本发明利用驾驶稳定区域的先验知识设计前馈控制器，再与状态反馈控制结合，构成前馈-反馈稳定性控制系统，旨在改善和提高汽车的操纵稳定性，特别是汽车高速转向行驶工况，有效抑制汽车的过度转向和不足转向，减轻驾驶员紧张程度和操作负担。

参考图1，本发明提供的基于汽车驾驶稳定区域的车辆操纵稳定性联合控制方法具体如下列步骤：

步骤S1：利用车载传感器实时采集汽车的运动状态，计算期望状态及车轮驱动力矩。运动状态包括纵向速度v_x、横摆角速度ω和转向盘转角δ_w，计算驾驶员期望状态变量，即期望横摆角速度ω_des。同时，从车载ECU获取发动机输出扭矩T_de，计算传递至前、后轴驱动车轮的扭矩，同轴上的左右车轮各分配一半的扭矩。T_dfl,T_dfr,T_drl,T_drr-分别表示左前、右前、左后和右后的车轮驱动力矩。

S1.1、利用传感器采集汽车状态信息。

S1.2、利用传感器实时采集的转向盘转角δ_w，计算车轮的转角：

式中，i-转向盘至前轴转向车轮的传动比。

S1.3、利用采集的纵向速度v_x和计算得到的转向车轮转角δ_f，计算驾驶员期望的横摆角速度：

其中，L＝a+b

上式中，T_e-时间常数；s-拉普拉斯算子；k₁₀,k₂₀-无驱动力矩时前、后轴的等效侧偏刚度；a,b-质心至前、后轴的距离；m-汽车整体质量；ω_des(s),δ_f(s)-分别表示对ω_des,δ_f的拉普拉斯变换。

S1.4、利用ECU获取的发动机输出扭矩T_de，计算前后轴驱动车轮的驱动力矩：

式中，i_t-前后轴驱动力矩分配系数，i_gf,i_gr-发动机至前、后轴驱动车轮的总传动比；fl,fr,rl,rr-分别表示前左、前右，后左和后右。

步骤S2：从汽车ECU里加载由车轮驱动力矩T_d和前轮转角δ_f组成的分岔参数集，即驾驶稳定区域，见图3。

步骤S3：利用步骤S1计算得到的车轮驱动力矩和前轮转角与步骤S2加载分岔参数集来判断是否需要控制器介入。

S3.1、若超出驾驶稳定区域，则控制器介入；

S3.2、若未超出驾驶稳定区域，则不介入。

步骤S4：利用步骤S1中计算得到的输出至车轮的驱动力矩T_dfl,T_dfr,T_drl,T_drr，计算前馈控制器输出直接横摆力矩所需的系数，然后计算出前馈直接横摆力矩ΔM_zff；利用采集得到的横摆角速度ω和期望横摆角速度ω_des，计算反馈直接横摆力矩ΔM_zfb。

S4.1、利用期望横摆角速度ω_des和前轮转角δ_f计算前馈控制器输出的直接横摆力矩ΔM_zff：

式中，

a₁＝mv_x(aT_ek₁+G_eI_z) b₁＝mv_xT_e

a₂＝k₁(amv_x-Lk₂T_e)+2G_emI_zv_xεω_n b₂＝-T_e(k₁+k₂)+mv_x

a₃＝-Lk₁k₂+G_emI_zv_xω_n ² b₃＝-k₁-k₂

其中，

上面式中，I_Z-绕Z轴的转动惯量；T_df＝T_dfl＝T_dfr,T_dr＝T_drl＝T_drr；μ-轮胎与地面的附着系数；R_e-车轮滚动半径；F_zf,F_zr-前、后轴单个轮胎的垂直载荷。

S4.2、利用采集的横摆角速度和期望横摆角速度，采用线性比例控制计算反馈控制器输出的反馈直接横摆力矩ΔM_zfb：

ΔM_zfb＝h_r(ω-ω_des)式中，h_r为负常数。

S4.3、利用上述步骤计算得到前馈控制器和反馈控制器输出的直接横摆力矩，构成前馈加反馈联合控制器的控制率：ΔM_z＝ΔM_zff+ΔM_zfb

步骤S5：利用期望横摆角速度ω_des和前轮转角δ_f和实时采集到的横摆角速度ω判断汽车转向状态。

S5.1、若满足|ω-ω_des|<K*|ω_des|(K为常数)，则认为车辆处于中性转向，否则按照下面的依据进行判断：

S5.2、若：ω_des≥0且ω-ω_des>0，汽车处于左转过多转向；

S5.3、若：ω_des≥0且ω-ω_des<0，汽车处于左转不足转向；

S5.4、若：ω_des<0且ω-ω_des>0，汽车处于右转不足转向；

S5.5、若：ω_des<0且ω-ω_des<0，汽车处于右转过多转向；

步骤S6：利用步骤S5判断出的汽车转向状态来确定对某一车轮制动，最后利用车辆结构参数、前轮转角δ_f以及控制器输出的直接横摆力矩ΔM_z计算制动车轮所需制动力矩的大小，即：T_bfl,T_bfr,T_brl,T_brr。

采用单侧单轮制动力矩分配策略，五种转向状态对应的车轮制动力矩计算如下：

S6.1、如汽车为中性转向，四个车轮的制动力矩为0，即：T_bfl＝T_brl＝T_brr＝T_bfr＝0。

S6.2、若汽车为左转过多转向，制动系统施加到四个车轮的制动力矩为：T_bfl＝T_brl＝T_brr＝0,

式中，

S6.3、若汽车为左转不足转向，制动系统施加到四个车轮的制动力矩为：T_bfl＝T_bfr＝T_brr＝0,

式中，

S6.4、若汽车为右转过多转向，制动系统施加到四个车轮的制动力矩为：T_bfr＝T_brl＝T_brr＝0,

式中，

S6.5、若汽车为右转不足转向，制动系统施加到四个车轮的制动力矩为：T_bfl＝T_bfr＝T_brl＝0,

图4-图6为后驱汽车在纵向初速度为20m/s下，进行驱动换道工况行驶时得到的控制效果图。由图4可知，由于差动制动的实施，在进行换道行驶时纵向速度保持在一定范围内，侧向速度和质心侧偏角较小，减轻了驾驶员的紧张程度。由图5可知，实际横摆角速度与期望横摆角速度的偏差很小，说明了提出的控制结构和方法能够有效稳定汽车，保持了驾驶员的驾驶意愿。由图6可知，联合控制器中前馈和反馈分别输出的直接横摆力矩大小，前馈控制发挥了巨大的作用，完成了稳定汽车的“大部分工作”，反馈控制任务量很小。综上所述，本发明为汽车集成控制和安全辅助驾驶提供有效方法。

Claims (1)

1.一种基于汽车驾驶稳定区域的车辆操纵稳定性联合控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤S1：利用车载传感器实时采集汽车的运动状态，计算期望状态及车轮驱动力矩，所述的运动状态包括纵向速度v_x、横摆角速度ω和转向盘转角δ_w，所述的计算驾驶员期望状态，即期望横摆角速度ω_des，同时从车载ECU获取发动机输出扭矩T_de，计算传递至前、后轴驱动车轮的扭矩，同轴上的左右车轮各分配一半的扭矩，T_dfl，T_dfr，T_drl，T_drr分别表示左前、右前、左后和右后的车轮驱动力矩；

S1.1、利用车载传感器采集汽车运动状态信息；

S1.2、利用传感器实时采集的转向盘转角，计算车轮的转角：式中，i为转向盘至前轴转向车轮的传动比；

S1.3、利用采集的纵向速度v_x和计算得到的转向车轮转角δ_f，计算驾驶员期望的横摆角速度：其中L＝a+b，式中，T_e为时间常数，s为拉普拉斯算子，k₁₀，k₂₀为无驱动力矩时前、后轴的等效侧偏刚度，a，b为质心至前、后轴的距离，m为整车质量，ω_des(s)，δ_f(s)为分别表示对ω_des，δ_f的拉普拉斯变换；

S1.4、利用ECU获取的发动机输出扭矩，计算前、后轴驱动车轮的驱动力矩，

式中，i_t为前后轴驱动力矩分配系数，i_gf，i_gr为发动机至前、后轴驱动车轮的总传动比，fl，fr，rl，rr分别表示前左、前右，后左和后右；

步骤S2：从汽车ECU里加载由车轮驱动力矩T_d和前轮转角δ_f组成的分岔参数集，即驾驶稳定区域；

步骤S3：利用步骤S1计算得到的车轮驱动力矩和前轮转角与步骤S2加载分岔参数集来判断是否需要控制器介入；

S3.1、若超出驾驶稳定区域，则控制器介入；

S3.2、若未超出驾驶稳定区域，则不介入；

步骤S4：利用步骤S1中的期望横摆角速度，计算前馈控制器和反馈控制器输出的直接横摆力矩；

S4.1、利用期望横摆角速度ω_des和前轮转角δ_f计算前馈控制器输出的直接横摆力矩ΔM_zff：

式中，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃为待计算系数；

S4.2、利用采集的横摆角速度和期望横摆角速度，计算反馈控制器输出的反馈直接横摆力矩ΔM_zfb：

ΔM_zfb＝h_r(ω-ω_des) (2)

式中，h_r为负常数；

S4.3、利用上述前馈控制器和反馈控制器输出的直接横摆力矩，构成前馈加反馈联合控制器的控制率：ΔM_z＝ΔM_zff+ΔM_zfb；

步骤S5：利用期望横摆角速度ω_des和前轮转角δ_f和实时采集到的横摆角速度ω判断汽车转向状态；

步骤S6：利用步骤S5判断出的转向状态确定对哪一个车轮制动，最后利用车辆结构参数、前轮转角δ_f以及控制器输出的直接横摆力矩ΔM_z计算四个车轮的所需制动力矩的大小，即：T_bfl，T_bfr，T_brl，T_brr。