CN109017805A - 一种针对存在不确定性的行驶系统车辆稳定性控制方法 - Google Patents

Abstract

一种针对存在不确定性的行驶系统车辆稳定性控制方法，包含以下步骤：采集车辆行驶状态信息，根据二自由度模型计算出状态量的期望值，建立整车模型解析系统的不确定性将系统表达为线性不确定系统，以状态量的实际值与期望值的偏差作为鲁棒优化车辆稳定控制器的输入，利用次优控制的方法，获得为实现车辆稳定所需的控制量的期望值，通过伪逆分配的方法对轮胎力进行分配，最后通过执行器去执行轮胎力的分配结果。

Description

一种针对存在不确定性的行驶系统车辆稳定性控制方法

技术领域

本发明属于车辆主动安全控制的技术领域，提供了一种车辆稳定性系统的控制方法，尤其涉及一种由于行驶系统存在整车质量以及转动惯量的不确定性的车辆稳定性控制方法。

背景技术

近年来车辆的主动安全控制备受关注，尤其是在车辆智能驾驶和自动驾驶的背景下，车辆稳定控制系统经过不断发展极大地提升了车辆行驶的安全性能。车辆稳定控制系统主要包括横摆稳定系统、主动侧倾稳定性控制以及集成稳定性控制系统。横摆稳定系统主要是控制车辆横摆行为、防止行车侧滑的稳定性控制系统。主动侧倾稳定性控制系统是防止车辆侧倾的稳定性控制系统。横摆稳定控制系统和主动侧倾稳定性控制系统集成为集成稳定性控制系统。

在车辆行驶过程中，由于不能精确知晓整车的实际承载重量以及相应的转动惯量，导致车辆行驶系统存在不确定性，这种不确定性对车辆的运行具有很大的影响。

在现有的车辆稳定性控制研究中，大都采用自适应控制的方法对包含不确定性的系统进行控制，并未具体分析系统不确定性的来源与影响，因此解析系统的不确定性并设计车辆的鲁棒控制器具有重要的意义。

发明内容

本发明的技术解决问题：提供一种针对存在不确定性的行驶系统车辆稳定性控制方法，考虑载重不同导致的整车质量以及相应转动惯量的不确定性的影响，解析系统的不确定性，设计鲁棒控制器保证车辆的稳定运行，进而对制动力与驱动力进行分配。

一种针对存在不确定性的行驶系统车辆稳定性控制方法，包含以下步骤：

步骤一

实时地由车载传感器采集车辆行驶过程中的状态量，得到车辆的方向盘转角、横摆角速度、侧向加速度以及车辆的速度、车轮速度等车辆行驶过程中的状态量；

步骤二

根据步骤一中得到的车辆的纵向/侧向行驶速度和前轮转角δ作为输入量，利用二自由度单轨模型确定被控量的参考值，即车辆的纵向速度V_x、侧向速度V_y和横摆角速度ω_r的期望值；

步骤三

建立整车模型，应用直接反馈线性化的方法去除整车模型的非线性因素，将整车质量及转动惯量的不确定性考虑到模型当中，解析系统的不确定性，将系统表达为线性不确定系统；

步骤四

取车辆纵向速度、侧向速度和横摆角速度的期望值与实际值的偏差作为鲁棒优化车辆稳定控制器的输入，利用次优控制的方法，通过控制器求得完成当前控制任务所需的作用在车身坐标系上的合成纵向合力、合成侧向合力及横摆力矩的期望值∑F_xd、∑F_yd、∑M_zd；

步骤五

根据步骤四中得到的作用在车身坐标系上的合成纵向合力、合成侧向合力及横摆力矩的期望值分配到每个车轮的执行器上。

所述步骤二中二自由度单轨模型以侧向速度和横摆角速度为状态量，满足如下微分方程：

步骤三中线性不确定系统以纵向速度与期望值的偏差、侧向速度与期望值的偏差和横摆角速度与期望值的偏差为状态量满足如下方程：

步骤四中鲁棒次优控制器如下式所示：

有益效果：本发明解析了车辆行驶系统的不确定性，并针对存在不确定性的系统设计鲁棒控制器。在车辆行驶过程中，行驶系统所存在的不确定性对车辆的运行具有很大的影响，该问题的研究对车辆辅助驾驶和自动驾驶具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所提出的车辆稳定性控制系统的原理图

图2不同质量及相应转动惯量下的纵向速度

图3不同质量及相应转动惯量下的侧向速度

图4不同质量及相应转动惯量下的横摆角速度

图5车辆前轮转角

图6纵向速度对比图

图7侧向速度对比图

图8横摆角速度对比图

具体实施方案

下面结合附图，对提出的技术方案作进一步地阐述和说明。

车辆稳定性控制系统原理如图1所示，本发明提出一种针对存在不确定性的行驶系统车辆稳定性控制方法，按下述步骤实施：

1.实时采集车辆行驶状态的有效信息和辨识路面的摩擦系数。

采集车载传感器反馈回来的车辆行驶状态信息,其中包括转向盘角度传感器采集的方向盘转角信号偏转率传感器采集的车辆质心处的横摆角速度信号加速度传感器采集的车辆质心处的加速度磁电式传感器或者霍尔式传感器检测车辆的轮速信息电磁感应式转速传感器用于检测变速器输出轴的转速,再由车速传感器的信号计算车速。经过特定的滤波处理获得车辆的方向盘转角、横摆角速度和加速度等状态信息。并根据车辆的速度和车轮的运动速度,计算轮胎的纵向滑移率和质心侧偏角,用已有的估计算法辨识路面的摩擦系数。

2.根据步骤一中实时得到的状态量,利用车辆的二自由度单轨模型,确定车辆平面运动的控制状态量的参考值,包括期望的纵向速度、侧向速度和横摆角速度。

车辆控制状态量的参考值由下列状态空间模型的输出决定。

3.建立整车模型，应用直接反馈线性化的方法去除整车模型的非线性因素，将整车质量及转动惯量的不确定性考虑到模型当中，解析系统的不确定性，将系统表达为线性不确定系统。

建立涉及车体纵向运动、侧向运动和横摆运动的三自由度模型，模型的建立基于以下假设：

I.忽略转向系统的影响，以前轮转角作为系统的输入。

II.忽略悬架的作用，车身只做平行于地面的平面运动。

III.汽车沿X轴方向的行驶速度不变。

模型的表达式如方程(3)-(5)所示：

在上述方程中，其中m为汽车总质量，V_x、V_y和ω_r分别为纵向速度、侧向速度、横摆角速度，I_z为整车绕车辆坐标系Z轴的转动惯量，∑F_x为车辆所受纵向合力,∑F_y为侧向合力,∑M_z为总横摆力矩。

采用直接反馈线性化的方法将模型进行线性化，线性化后的模型如式(6)所示：

将如式(9)-(10)所示的一般情况下质量的不确定性和转动惯量的不确定性带入到整车模型中，进行系统不确定性的解析，结果如下式(11)所示。

m＝m_min+Δm (9)

I_z＝I_zmin+ΔI_z (10)

其中

满载时系统不确定性解析式如下：

其中

4.以状态量的期望值和实际值的误差和对误差为控制器的输入,设计鲁棒优化车辆稳定控制器,得到车辆稳定时的虚拟控制量,即纵向合力、侧向合力和横摆力矩的期望值∑F_xd、∑F_yd、∑M_zd。

当给定三自由度模型相同的输入时，分析不同的整车质量以及相应的转动惯量下模型的响应。由图2-4可知不同质量及相应的转动惯量下车辆的纵向速度、侧向速度以及横摆角速度响应均介于整车质量及相应的转动惯量最小与最大的响应之间。这就说明参数不确定性已经包含在了汽车满载情况下的不确定性中。控制器的设计基于假设Δm、ΔI_z已知的情况下进行设计的，然而实际Δm、ΔI_z是不能精确得到的，Δm_max、ΔI_zmax确是能够得到的。因此，可以用满载情况下的控制器作为最终的控制器。

当汽车满载时，控制器为：

5.根据步骤四中得到的车辆纵向合力、侧向合力和横摆力矩的期望值∑F_xd、∑F_yd、∑M_zd采用伪逆分配的方法进行轮胎力的分配，并通过执行器的作用执行轮胎力的分配效果。

伪逆分配的方法具体形式如下：

由公式确定执行机构输出力矩:

下面给出本发明所提供的技术方案的仿真实验数据。

给定车辆纵向速度20m/s，前轮转角如图5所示。图6-8为仿真结果。由仿真结果可知在考虑系统不确定性的情况下车辆的纵向速度侧向速度横摆角速度均能很好地跟踪上期望值。

本发明解析了车辆行驶系统的不确定性，并针对存在不确定性的系统设计鲁棒控制器。在车辆行驶过程中，行驶系统所存在的不确定性对车辆的运行具有很大的影响，该问题的研究对车辆辅助驾驶和自动驾驶具有重要意义。

Claims (4)

1.一种针对存在不确定性的行驶系统车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

步骤一:

实时地由车载传感器采集车辆行驶过程中的状态量，得到车辆的方向盘转角、横摆角速度、侧向加速度以及车辆的速度、车轮速度等车辆行驶过程中的状态量；

步骤二:

根据步骤一中得到的车辆的纵向/侧向行驶速度和前轮转角δ作为输入量，利用二自由度单轨模型确定被控量的参考值，即车辆的纵向速度V_x、侧向速度V_y和横摆角速度ω_r的期望值；

步骤三

建立整车模型，应用直接反馈线性化的方法去除整车模型的非线性因素，将整车质量及转动惯量的不确定性考虑到模型当中，解析系统的不确定性，将系统表达为线性不确定系统；

步骤四

取车辆纵向速度、侧向速度和横摆角速度的期望值与实际值的偏差作为鲁棒优化车辆稳定控制器的输入，利用次优控制的方法，通过控制器求得完成当前控制任务所需的作用在车身坐标系上的合成纵向合力、合成侧向合力及横摆力矩的期望值∑F_xd、∑F_yd、∑M_zd；

步骤五

根据步骤四中得到的作用在车身坐标系上的合成纵向合力、合成侧向合力及横摆力矩的期望值分配到每个车轮的执行器上。

2.根据权利要求1所述的一种针对存在不确定性的行驶系统车辆稳定性控制方法，其特征在于：所述步骤二中二自由度单轨模型以侧向速度和横摆角速度为状态量，确定车辆控制状态量的参考值；

其中，l_f和l_r为汽车质心到前轴和后轴的距离，m为汽车总质量，K_fΨ、K_rΨ为前轮和后轮的侧偏刚度，I_z为整车绕车辆坐标系Z轴的转动惯量。

3.根据权利要求1所述的一种针对存在不确定性的行驶系统车辆稳定性控制方法，其特征在于：步骤三中所述线性不确定系统以纵向速度与期望值的偏差、侧向速度与期望值的偏差和横摆角速度与期望值的偏差为状态量，满足如下方程：

其中，m_min、I_zmin为空载时整车质量及转动惯量，Δm、ΔI_z描述整车质量的不确定性和转动惯量的不确定性，ΔV_x为车辆纵向速度与其期望值的偏差，ΔV_y为侧向速度与其期望值的偏差，Δω_r为横摆角速度与其期望值的偏差，u_12b、u_22b、u_32b为抵消掉非线性部分后的剩余控制量。

4.根据权利要求1所述的一种针对存在不确定性的行驶系统车辆稳定性控制方法，其特征在于：步骤四中鲁棒优化车辆稳定控制器如下式所示：

其中，K_ij(i＝1,2,3j＝1,2,3)为通过优化方法求取的控制器增益。