CN109177746A - 一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统及方法，该系统包括：驾驶员意图识别模块(1)：用于识别驾驶员意图，获取驾驶员当前的期望纵向力和期望横摆角速度；侧向运动跟踪模块(2)：用于根据期望横摆角速度以及当前车辆运动状态参数获取实现差动转向所需的横摆力矩；转矩分配模块(3)：用于根据期望纵向力以及实现差动转向所需的横摆力矩对内侧电机和外侧电机进行转矩分配，同时向内侧电机和外侧电机发出电机控制信号。与现有技术相比，本发明所需传感器少、控制鲁棒性高、应用范围广。

Description

一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车控制领域，尤其是涉及一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统及方法。

背景技术

差动转向，又称为差速转向，不同于传统汽车转向遵循阿克曼转向定律，差动转向是依靠车辆两侧不同的驱/制动转矩形成两侧车轮的轮速差，从而实现转向的。相比于传统车辆，其具有结构简单紧凑、可靠性高、可实现小半径或原地转向等优点。

差动转向车辆无机械转向机构，因此如何确定驾驶员的方向盘转角输入与车辆转向半径的关系，以及如何设计控制器使得差动车辆能稳定地跟踪驾驶员意图成为近年来研究重点。目前大多数针对差动转向车辆的研究都采用了直接横摆力矩控制，其对建模精度、传感器精度以及执行器精度要求较高，鲁棒性较差，不易于广泛应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统，该系统包括：

驾驶员意图识别模块：用于识别驾驶员意图，获取驾驶员当前的期望纵向力和期望横摆角速度；

侧向运动跟踪模块：用于根据期望横摆角速度以及当前车辆运动状态参数获取实现差动转向所需的横摆力矩；

转矩分配模块：用于根据期望纵向力以及实现差动转向所需的横摆力矩对内侧电机和外侧电机进行转矩分配，同时向内侧电机和外侧电机发出电机控制信号。

所述的驾驶员意图识别模块包括：

期望纵向力解析单元：该单元解析驾驶员意图并获取期望纵向力；

期望横摆角速度解析单元：该单元解析驾驶员意图并获取期望横摆角速度。

所述的期望纵向力解析单元通过下式获取期望纵向力：

其中，T_D为期望纵向力，α为加速踏板开度，T_max为电机最大驱动转矩，n为电机转速，n_b为电机基速。

所述的期望横摆角速度解析单元通过下式获取期望横摆角速度：

其中，γ_des为期望横摆角速度，γ为稳态横摆角速度，v_x为车辆纵向车速，Δv_x为车辆两侧车轮轮速差，k_s为常数，δ_dr为方向盘转角，μ为路面峰值附着系数，g为标准重力加速度。

所述的侧向运动跟踪模块包括：

参考横摆角速度修正单元：该单元对期望横摆角速度进行修正并获取参考横摆角速度；

参考轮速差跟踪单元：该单元根据参考横摆角速度进行参考轮速差跟踪，获取实现差动转向所需的横摆力矩。

所述的参考横摆角速度修正单元通过下式获取参考横摆角速度：

其中，γ_ref为参考横摆角速度，γ_des为期望横摆角速度，γ为稳态横摆角速度，K_γ为允许最大的期望横摆角速度，k_γ、θ_γ为大于零的常参数，sat(x)表示饱和运算，当x大于1时sat(x)取值为1，当x小于-1时sat(x)取值为-1，ε_γ为中间变量。

所述的参考轮速差跟踪单元通过下式获取实现差动转向所需的横摆力矩：

其中，M_z为实现差动转向所需的横摆力矩，K为车辆在当前状态下两侧电机所能产生的最大横摆力矩，k、θ为大于零的常参数，ω_i为转向时内侧车轮轮速，ω_o为转向时外侧车轮轮速，B为轮距，R为车轮半径，γ_ref为参考横摆角速度，s、ε为中间变量，sat(x)表示饱和运算，当x大于1时sat(x)取值为1，当x小于-1时sat(x)取值为-1。

所述的转矩分配模块具体为：

其中，T_i为转向时内侧电机转矩，T_o为转向时外侧电机转矩，R为车轮半径，B为轮距，i_tran为轮边电机至车轮的传动比，M_z为实现差动转向所需的横摆力矩，T_D为期望纵向力。

一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制方法，该方法基于上述的控制系统，所述的控制方法包括如下步骤：

(1)识别驾驶员意图，获取驾驶员当前的期望纵向力和期望横摆角速度；

(2)对期望横摆角速度进行修正获取参考横摆角速度，基于参考参考横摆角速度获取实现差动转向所需的横摆力矩；

(3)根据期望纵向力以及实现差动转向所需的横摆力矩对内侧电机和外侧电机进行转矩分配，同时向内侧电机和外侧电机发出电机控制信号并控制电机运动实现差动转向。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明所需目标车辆系统参数较少，且对其精度要求不高，具有较好的鲁棒性；

(2)本发明系统及方法具有较好的环境适应能力，在各种路面上均具有较好的鲁棒性；

(3)本发明所需的传感器只有横摆角速度传感器，需要的轮速信号可以由轮边电机给出，降低了生产成本；

(4)本发明可适用于四轮、六轮、八轮等多轮差动转向车辆，只需根据车辆参数调整驾驶员意图识别模块所计算出的期望横摆角速度信号即可，应用范围广；

(5)本发明既可以应用于有人驾驶差动转向车辆，也可以除去驾驶员意图识别模块，直接将期望横摆角速度信号输入给侧向运动跟踪模块，从而实现对无人驾驶差动转向车辆的侧向运动跟踪控制，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统的结构框图；

图2为本发明用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制方法的流程框图；

图中，1为驾驶员意图识别模块，2为侧向运动跟踪模块，3为转矩分配模块，11为期望纵向力解析单元，12为期望横摆角速度解析单元，21为参考横摆角速度修正单元，22为参考轮速差跟踪单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统，该系统包括：

驾驶员意图识别模块1：用于识别驾驶员意图，获取驾驶员当前的期望纵向力和期望横摆角速度；

侧向运动跟踪模块2：用于根据期望横摆角速度以及当前车辆运动状态参数获取实现差动转向所需的横摆力矩；

转矩分配模块3：用于根据期望纵向力以及实现差动转向所需的横摆力矩对内侧电机和外侧电机进行转矩分配，同时向内侧电机和外侧电机发出电机控制信号。

驾驶员意图识别模块1包括：

期望纵向力解析单元11：该单元解析驾驶员意图并获取期望纵向力；

期望横摆角速度解析单元12：该单元解析驾驶员意图并获取期望横摆角速度。

期望纵向力解析单元11通过下式获取期望纵向力：

其中，T_D为期望纵向力，α为加速踏板开度，T_max为电机最大驱动转矩，n为电机转速，n_b为电机基速。

期望横摆角速度解析单元12通过下式获取期望横摆角速度：

其中，γ_des为期望横摆角速度，γ为稳态横摆角速度，v_x为车辆纵向车速，Δv_x为车辆两侧车轮轮速差，k_s为常数，δ_dr为方向盘转角，μ为路面峰值附着系数，g为标准重力加速度。

以六轮车辆为例，车辆的稳态横摆角速度γ具体为：

式中：Δv_x为车辆内外侧车轮接地点速度差，k_xi、k_yi分别为第i轴轮胎的纵滑刚度和侧偏刚度，B为轮距，a、b、c分别为前、中、后轴距质心的距离，正表示当前轴在质心位置之前，负表示在质心位置之后，m为整车质量，v_x为车辆纵向车速。

侧向运动跟踪模块2包括：

参考横摆角速度修正单元21：该单元对期望横摆角速度进行修正并获取参考横摆角速度；

参考轮速差跟踪单元22：该单元根据参考横摆角速度进行参考轮速差跟踪，获取实现差动转向所需的横摆力矩。

参考横摆角速度修正单元21通过下式获取参考横摆角速度：

其中，γ_ref为参考横摆角速度，γ_des为期望横摆角速度，γ为稳态横摆角速度，K_γ为允许最大的期望横摆角速度，k_γ、θ_γ为大于零的常参数，sat(x)表示饱和运算，当x大于1时sat(x)取值为1，当x小于-1时sat(x)取值为-1，ε_γ为中间变量。

参考轮速差跟踪单元22通过下式获取实现差动转向所需的横摆力矩：

其中，M_z为实现差动转向所需的横摆力矩，K为车辆在当前状态下两侧电机所能产生的最大横摆力矩，k、θ为大于零的常参数，ω_i为转向时内侧车轮轮速，ω_o为转向时外侧车轮轮速，B为轮距，R为车轮半径，γ_ref为参考横摆角速度，s、ε为中间变量，sat(x)表示饱和运算，当x大于1时sat(x)取值为1，当x小于-1时sat(x)取值为-1。

转矩分配模块3具体为：

其中，T_i为转向时内侧电机转矩，T_o为转向时外侧电机转矩，R为车轮半径，B为轮距，i_tran为轮边电机至车轮的传动比，M_z为实现差动转向所需的横摆力矩，T_D为期望纵向力。

如图2所示，一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制方法，该方法基于上述的控制系统，控制方法包括如下步骤：

(1)识别驾驶员意图，获取驾驶员当前的期望纵向力和期望横摆角速度；

(2)对期望横摆角速度进行修正获取参考横摆角速度，基于参考参考横摆角速度获取实现差动转向所需的横摆力矩；

(3)根据期望纵向力以及实现差动转向所需的横摆力矩对内侧电机和外侧电机进行转矩分配，同时向内侧电机和外侧电机发出电机控制信号并控制电机运动实现差动转向。

本发明的原理：

对于如下非线性标称系统

其中，x为系统的状态量，f(x)为满足局部Lipschitz条件的连续函数，其Lipschitz常数为L_f，u为控制输入量，y为系统的输出量。

设计控制律使系统的输出量y跟踪参考值y_r＝x_r，首先定义控制跟踪误差为则将原来的跟踪系统转变为如下所示的镇定系统:

其中，

在平衡点x_r处，p(x_r)为常值，即设计如下所示的镇定控制律：

其中，参数k₀、θ、K均大于零，K代表执行器的饱和值。对于θ的取值，应满足如下条件：

式中，L_f为系统函数f(x)的Lipschitz常数。同时，本控制律能够较好的消除由于系统所受的外部干扰、建模不精确等因素引起的不稳定误差。

控制律稳定性分析：

系统的外部干扰、建模的不精确以及执行器限制等因素均会对控制律产生影响，如果系统长时间处于非镇定状态，积分运算会持续增大，影响系统的稳定性。因此需要分析控系统的稳定性，本文针对积分运算未饱和和饱和两种情况对其进行分析。

1、积分运算未饱和

在积分运算未饱和时，|s|＜θ，此时控制律即为比例积分控制，将控制律代入系统方程，得到

令

则：

建立如下所示的李雅普诺夫函数：

并上式的两边同时求导可得：

由于f(x)为一连续函数，并且满足局部Lipschitz条件，因此只要下式成立，则系统一定是全局渐近稳定的。

2、积分运算饱和时

积分运算饱和时，|s|≥θ。此时要保证系统的稳定性，则需同时满足以下两个要求：

a)积分运算不发散

对于积分运算不发散的证明，分为s≥θ和s≤-θ两种情况讨论。

s≥θ时：

可以看出，此时控制输入量u达到执行器的饱和值-K，并且此时ε会逐渐趋向θ/k₀，故积分值稳定。

同理，在s≤-θ时，ε的值会逐渐趋向于-θ/k₀，积分值同样稳定。

b)有界收敛

即要在一定条件下，|s|会在有限的时间收敛到(-θ,θ)，并且之后保持在此区间内，恢复到非饱和的状态，以保证系统的渐进稳定。

此时，同样分为s≥θ和s≤-θ两种情况来讨论。

当s≥θ时，需保证从而保证s在有限的时间收敛到(0,θ)。

对s求导，可得：

当积分值趋向θ/k₀时，若要使则需满足：

当s≤-θ时，可以相对的得到收敛条件：

横摆角速度跟踪控制律设计：

对于车辆绕z轴的横摆运动有如下方程：

其中，M_zy(γ)＝a[F_y1(γ)+F_y4(γ)]+b[F_y2(γ)+F_y5(γ)]+c[F_y3(γ)+F_y6(γ)]，是由侧向力引起的横摆力矩；J_z为车辆绕z轴的转动惯量；a、b、c分别为前、中、后轴到质心处的距离，在质心前为正，在质心后则为负；F_y1-F_y6为六个车轮收到地面的侧向力，均与当前横摆角速度相关；M_z则为由车轮纵向力矩产生的附加横摆力矩。

由驾驶员需求横摆角速度γ_des，作为控制器的参考横摆角速度γ_ref＝γ_des。定义横摆角速度误差则可得到车辆横摆角速度控制的标称系统方程：

其中：

因此以上系统基于标称系统控制律可以得到关于M_z的控制律：

其中K_b，k_b，θ均大于零，K_b表示电机最大输出横摆力矩。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (9)

1.一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统，其特征在于，该系统包括：

驾驶员意图识别模块(1)：用于识别驾驶员意图，获取驾驶员当前的期望纵向力和期望横摆角速度；

侧向运动跟踪模块(2)：用于根据期望横摆角速度以及当前车辆运动状态参数获取实现差动转向所需的横摆力矩；

转矩分配模块(3)：用于根据期望纵向力以及实现差动转向所需的横摆力矩对内侧电机和外侧电机进行转矩分配，同时向内侧电机和外侧电机发出电机控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统，其特征在于，所述的驾驶员意图识别模块(1)包括：

期望纵向力解析单元(11)：该单元解析驾驶员意图并获取期望纵向力；

期望横摆角速度解析单元(12)：该单元解析驾驶员意图并获取期望横摆角速度。

3.根据权利要求2所述的一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统，其特征在于，所述的期望纵向力解析单元(11)通过下式获取期望纵向力：

其中，T_D为期望纵向力，α为加速踏板开度，T_max为电机最大驱动转矩，n为电机转速，n_b为电机基速。

4.根据权利要求2所述的一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统，其特征在于，所述的期望横摆角速度解析单元(12)通过下式获取期望横摆角速度：

其中，γ_des为期望横摆角速度，γ为稳态横摆角速度，v_x为车辆纵向车速，Δv_x为车辆两侧车轮轮速差，k_s为常数，δ_dr为方向盘转角，μ为路面峰值附着系数，g为标准重力加速度。

5.根据权利要求1所述的一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统，其特征在于，所述的侧向运动跟踪模块(2)包括：

参考横摆角速度修正单元(21)：该单元对期望横摆角速度进行修正并获取参考横摆角速度；

参考轮速差跟踪单元(22)：该单元根据参考横摆角速度进行参考轮速差跟踪，获取实现差动转向所需的横摆力矩。

6.根据权利要求5所述的一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统，其特征在于，所述的参考横摆角速度修正单元(21)通过下式获取参考横摆角速度：

其中，γ_ref为参考横摆角速度，γ_des为期望横摆角速度，γ为稳态横摆角速度，K_γ为允许最大的期望横摆角速度，k_γ、θ_γ为大于零的常参数，sat(x)表示饱和运算，当x大于1时sat(x)取值为1，当x小于-1时sat(x)取值为-1，ε_γ为中间变量。

7.根据权利要求5所述的一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统，其特征在于，所述的参考轮速差跟踪单元(22)通过下式获取实现差动转向所需的横摆力矩：

其中，M_z为实现差动转向所需的横摆力矩，K为车辆在当前状态下两侧电机所能产生的最大横摆力矩，k、θ为大于零的常参数，ω_i为转向时内侧车轮轮速，ω_o为转向时外侧车轮轮速，B为轮距，R为车轮半径，γ_ref为参考横摆角速度，s、ε为中间变量，sat(x)表示饱和运算，当x大于1时sat(x)取值为1，当x小于-1时sat(x)取值为-1。

8.根据权利要求1所述的一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制系统，其特征在于，所述的转矩分配模块(3)具体为：

其中，T_i为转向时内侧电机转矩，T_o为转向时外侧电机转矩，R为车轮半径，B为轮距，i_tran为轮边电机至车轮的传动比，M_z为实现差动转向所需的横摆力矩，T_D为期望纵向力。

9.一种用于轮边电机驱动车辆差动转向的控制方法，其特征在于，该方法基于权利要求1～8任意一项所述的控制系统，所述的控制方法包括如下步骤：

(1)识别驾驶员意图，获取驾驶员当前的期望纵向力和期望横摆角速度；

(2)对期望横摆角速度进行修正获取参考横摆角速度，基于参考参考横摆角速度获取实现差动转向所需的横摆力矩；

(3)根据期望纵向力以及实现差动转向所需的横摆力矩对内侧电机和外侧电机进行转矩分配，同时向内侧电机和外侧电机发出电机控制信号并控制电机运动实现差动转向。