CN109263716A - 一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，包括：获取驾驶员输入信号和车辆实际动力信息；计算期望车辆质心侧偏角、期望车辆横摆角速度和期望车速；计算质心侧偏角偏差、横摆角速度偏差和车速偏差；依据质心侧偏角偏差、横摆角速度偏差和车速偏差，采用PID控制算法和模糊PID控制算法，生成虚拟控制指令；建立车辆轮胎附着利用率目标函数和车辆能量消耗目标函数；依据虚拟控制指令和目标函数建立第一层转矩分配优化函数和第二层转矩分配优化函数；利用两层转矩分配优化函数为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制车辆转向。本发明能够在保证四轮毂电机驱动车辆稳定转向的同时，最大限度的减少转向过程中的能量消耗。

Description

一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，特别是涉及一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法。

背景技术

随着环境污染与能源短缺等问题的日益严峻，高效环保的电动车辆越来越受到重视。其中，四轮毂电机驱动电动汽车作为一种新型的电动汽车，由四个安装在车轮上的轮毂电机独立驱动，具有动力输出平稳、可控自由度多、能量利用效率高、动力传输链短、结构紧凑等优点，其分布式驱动形式为整车的安全和节能控制提供了更为广泛的可能性，可以实现传统车辆独立驱动形式下无法实现的车辆动力和操纵性能，被视为未来电动汽车主要的发展趋势之一。

随着目前汽车行驶速度不断提升，路况愈发复杂，电子稳定性控制成为保证汽车良好操纵稳定性和安全性的关键问题。由于四轮毂电机驱动车辆的动力学特点较传统汽车发生了较大改变，其不能直接采用传统的电子稳定控制器，针对四轮毂电机驱动车辆的稳定性控制策略的设计亟待解决。目前，关于四轮毂电机驱动车辆转向控制方法的研究，大多是对其稳定性控制方法的研究，例如，通过有效综合横摆力矩和转向助力控制，来提高装备差动转向助力系统车辆的转向稳定性；利用智能控制算法实现车对人的智能转向功能，来提高车辆的转向稳定性。然而在目前提出的控制方法中，通常不会考虑在控制车辆稳定转向过程中的能量消耗问题，而能量消耗问题是新能源汽车所必须考虑的重要问题之一。因此，如何在实现四轮毂电机驱动车辆稳定转向的同时减少转向过程中的能量消耗，是目前亟待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，以实现在四轮毂电机驱动车辆稳定转向的同时减少转向过程中的能量消耗。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，包括：

获取驾驶员输入信号和车辆实际动力信息；所述驾驶员输入信号包括加速度踏板信号、制动踏板信号和方向盘转角信号；所述车辆实际动力信息包括车辆实际质心侧偏角、车辆实际横摆角速度和实际车速；

依据所述驾驶员输入信号和所述车辆实际动力信息，得到期望车辆质心侧偏角、期望车辆横摆角速度和期望车速；

依据所述车辆实际质心侧偏角、所述车辆实际横摆角速度、所述实际车速、所述期望车辆质心侧偏角、所述期望车辆横摆角速度和所述期望车速，计算质心侧偏角偏差、横摆角速度偏差和车速偏差；

依据所述质心侧偏角偏差、所述横摆角速度偏差和所述车速偏差，采用PID控制算法和模糊PID控制算法，生成虚拟控制指令；所述虚拟控制指令包括基准横摆力矩和基准牵引力；

建立车辆轮胎附着利用率目标函数和车辆能量消耗目标函数；

依据所述虚拟控制指令、所述车辆轮胎附着利用率目标函数和所述车辆能量消耗目标函数建立第一层转矩分配优化函数和第二层转矩分配优化函数；所述第一层转矩分配优化函数用于反应车辆转向的稳定性和车辆转向的能量消耗；所述第二层转矩分配优化函数用于反应车辆转向的稳定性、车辆转向的能量消耗和满足所述虚拟控制指令的程度；

利用所述第一层转矩分配优化函数和所述第二层转矩分配优化函数为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制所述车辆转向。

可选的，所述依据所述驾驶员输入信号和所述车辆实际动力信息，得到期望车辆质心侧偏角、期望车辆横摆角速度和期望车速，具体包括：

建立二自由度车辆动力学参考模型和驾驶员模型；

将所述驾驶员输入信号、所述车辆实际质心侧偏角和所述车辆实际横摆角速度作为二自由度车辆动力学参考模型的输入，得到期望车辆质心侧偏角和期望车辆横摆角速度；

将所述实际车速作为所述驾驶员模型的输入，得到期望车速。

可选的，所述建立车辆轮胎附着利用率目标函数和车辆能量消耗目标函数，具体包括：

建立车辆轮胎附着利用率目标函数；所述车辆轮胎附着利用率目标函数为其中，F_xij表示各轮所受纵向载荷，F_zij表示各轮所受垂直载荷，μ_ij表示各轮所处路面的附着系数；i∈{f,m}，f表示前，m表示后，j∈{l,r}，l表示左，r表示右；

建立能量消耗目标函数；所述能量消耗目标函数为其中ω_ij表示车辆各轮角速度，R表示车轮滚动半径。

可选的，所述依据所述虚拟控制指令、所述车辆轮胎附着利用率目标函数和所述车辆能量消耗目标函数建立第一层转矩分配优化函数和第二层转矩分配优化函数，具体包括：

依据所述基准横摆力矩、所述基准牵引力、所述车辆轮胎附着利用率目标函数和所述车辆能量消耗目标函数建立第一层转矩分配优化函数；所述第一层转矩分配优化函数

min J₁＝||Γ₁u||₂+ξ₁||Γ₂u||₂

所述第一层转矩分配优化函数的约束条件为

Bu＝v

u_lim-＜u＜u_lim+

其中Γ₁表示轮胎附着利用率目标函数的系数矩阵，Γ₂表示能量消耗目标函数的系数矩阵，Γ₂＝diag(ω_ij)，ξ₁为能量消耗的权重系数，v为虚拟控制指令，v＝[F_x-des M_z-des]^T，F_x-des为基准牵引力，M_z-des为基准横摆力矩，u为实际控制指令矩阵，T_ij表示输出的四个轮毂电机的转矩，u＝[T_fl T_fr T_ml T_mr]^T，B为系数矩阵，δ_f表示车辆前轮转角，d为轮距一半，u_lim+和u_lim-分别代表u的上下极限值；

依据所述基准横摆力矩、所述基准牵引力、所述车辆轮胎附着利用率目标函数和所述车辆能量消耗目标函数建立第二层转矩分配优化函数；所述第二层转矩分配优化函数

min J₂＝||Γ₁u||₂+ξ₁||Γ₂u||₂+ξ₂||W_v(Bu-v)||₂

所述第二层转矩分配优化函数的约束条件为

u_lim-＜u＜u_lim+

其中，ξ₂为虚拟控制指令满足程度的权重系数，W_v为权重矩阵。

可选的，所述利用所述第一层转矩分配优化函数和所述第二层转矩分配优化函数为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制所述车辆转向，具体包括：

利用所述第一层转矩分配优化函数得到第一转矩分配结果；所述第一转矩分配结果表示所述第一层转矩分配优化函数输出的四个轮毂电机的转矩；

判断所述第一转矩分配结果是否满足摩擦圆约束；

若是，则按照所述第一转矩分配结果为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制所述车辆转向；

若否，则利用所述第二层转矩分配优化函数得到第二转矩分配结果，并按照所述第二转矩分配结果为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制所述车辆转向；所述第二转矩分配结果表示所述第二层转矩分配优化函数输出的四个轮毂电机的转矩。

可选的，所述二自由度车辆动力学参考模型具体为：

|γ_-des|＝min{|γ₁| |γ₂|}·sign(δ_f)

其中，γ₁表示车辆参考横摆角速度，β_-des表示期望车辆质心侧偏角，γ_-des为期望车辆横摆角速度，G_γ表示期望车辆横摆角速度的增益参数，G_β表示期望车辆质心侧偏角的增益系数，δ_f表示车辆前轮转角，

V_x表示车轮纵向速度，A为稳定性因数，l表示前桥到后桥之间的距离，m表示车辆质量，a表示车辆重心与前桥之间的距离，b表示车辆重心与后桥之间的距离，K_f表示前轮胎侧偏刚度，K_r表示后轮胎侧偏刚度，γ₂表示极限横摆角速度，μ表示路面附着系数，g表示重力加速度。

可选的，所述摩擦圆约束为

其中，F_yij表示各轮所受侧向载荷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，首先，通过建立车辆动力学参考模型，根据驾驶员输入信号和车辆实际动力信息得到期望车辆质心侧偏角、期望车辆横摆角速度和期望车速，并将它们与对应实际值分别做差值运算，得到相应偏差；然后根据得到的偏差，生成虚拟动力学指令，以实现连续的速度跟随和横摆力矩控制；再采用最优分配方法，以稳定性和节能为转矩优化分配的目标，将虚拟动力学指令以驱动/再生制动转矩指令的形式分配到各个轮毂电机的驱动控制单元。该方法最终实现了在保证四轮毂驱动车辆转向稳定性的同时最大限度减少行进过程的能量消耗，完成了车辆的节能稳定转向控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法的流程图；

图2为本发明多层级控制结构的示意图；

图3为本发明四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

图1为本发明四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法的流程图。

参见图1，本实施例的四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，包括：

步骤S1：获取驾驶员输入信号和车辆实际动力信息。

所述驾驶员输入信号包括加速度踏板信号、制动踏板信号和方向盘转角信号；所述车辆实际动力信息包括车辆实际质心侧偏角、车辆实际横摆角速度和实际车速。

步骤S2：依据所述驾驶员输入信号和所述车辆实际动力信息，得到期望车辆质心侧偏角、期望车辆横摆角速度和期望车速。

所述步骤S2具体包括：

建立二自由度车辆动力学参考模型和驾驶员模型；

将所述驾驶员输入信号、所述车辆实际质心侧偏角和所述车辆实际横摆角速度作为二自由度车辆动力学参考模型的输入，得到期望车辆质心侧偏角和期望车辆横摆角速度；

将所述实际车速作为所述驾驶员模型的输入，得到期望车速。

本实施例中，所述二自由度车辆动力学参考模型具体为：

|γ_-des|＝min{|γ₁| |γ₂|}·sign(δ_f)

其中，γ₁表示车辆参考横摆角速度，β_-des表示期望车辆质心侧偏角，γ_-des为期望车辆横摆角速度，G_γ表示期望车辆横摆角速度的增益参数，G_β表示期望车辆质心侧偏角的增益系数，δ_f表示车辆前轮转角，

V_x表示车轮纵向速度，A为稳定性因数，l表示前桥到后桥之间的距离，m表示车辆质量，a表示车辆重心与前桥之间的距离，b表示车辆重心与后桥之间的距离，K_f表示前轮胎侧偏刚度，K_r表示后轮胎侧偏刚度，γ₂表示极限横摆角速度，μ表示路面附着系数，g表示重力加速度。

本实施例中，所述驾驶员模型是采用基于预瞄-跟随的驾驶员模型，其在进行闭环控制设置时，只要设定理想的道路轨迹坐标即可。

步骤S3：依据所述车辆实际质心侧偏角、所述车辆实际横摆角速度、所述实际车速、所述期望车辆质心侧偏角、所述期望车辆横摆角速度和所述期望车速，计算质心侧偏角偏差、横摆角速度偏差和车速偏差。

步骤S4：依据所述质心侧偏角偏差、所述横摆角速度偏差和所述车速偏差，采用PID控制算法和模糊PID控制算法，生成虚拟控制指令。所述虚拟控制指令包括基准横摆力矩和基准牵引力。在车辆转向过程中，实时对车辆进行连续的横摆力矩控制和速度跟随控制。

速度跟随控制，运用PID控制算法实现：PID控制输入为车速偏差，输出为基准牵引力控制指令，以完成对目标车速的跟随控制。

横摆力矩控制，采用参数自整定模糊PID控制方法：在实时连续控制过程中，根据所述质心侧偏角偏差得到质心侧偏角偏差变化率，根据所述横摆角速度偏差得到横摆角速度偏差变化率，通过偏差及偏差变化率得到车辆的调整横摆力矩。模糊控制以偏差和偏差变化率作为输入量，以修正参数Δk_p、Δk_i、Δk_d作为输出，则PID控制的参数K_p、K_i、K_d为：

K_p＝k′_p+Δk_p

K_i＝k′_i+Δk_i

K_d＝k'_d+Δk_d

其中，k'_p、k_i'、k'_d为预定值。

本实施例中质心侧偏角模糊PID控制和横摆角速度模糊PID控制器设计方法类似，以横摆角速度模糊PID控制器为例进行设计：横摆角速度偏差和变化率在其模糊论域[-6，-4，-2，0，2，4，6]上定义了7个模糊子集[负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)]，隶属函数均选用三角性隶属函数，具体模糊规则如表1(a-c)所示。

表1横摆角速度模糊控制规则

表1(a)Δk_p模糊控制规则

表1(b)Δk_i模糊控制规则

表1(c)Δk_d模糊控制规则

步骤S5：建立车辆轮胎附着利用率目标函数和车辆能量消耗目标函数。

所述步骤S5具体包括：

建立车辆轮胎附着利用率目标函数；所述车辆轮胎附着利用率目标函数为其中，F_xij表示各轮所受纵向载荷，F_zij表示各轮所受垂直载荷，μ_ij表示各轮所处路面的附着系数；i∈{f,m}，f表示前，m表示后，j∈{l,r}，l表示左，r表示右；

建立能量消耗目标函数；所述能量消耗目标函数为其中ω_ij表示车辆各轮角速度，R表示车轮滚动半径。

步骤S6：依据所述虚拟控制指令、所述车辆轮胎附着利用率目标函数和所述车辆能量消耗目标函数建立第一层转矩分配优化函数和第二层转矩分配优化函数。

所述第一层转矩分配优化函数用于反应车辆转向的稳定性和车辆转向的能量消耗；所述第二层转矩分配优化函数用于反应车辆转向的稳定性、车辆转向的能量消耗和满足所述虚拟控制指令的程度。所述步骤S6，具体包括：

依据所述基准横摆力矩、所述基准牵引力、所述车辆轮胎附着利用率目标函数和所述车辆能量消耗目标函数建立第一层转矩分配优化函数；所述第一层转矩分配优化函数

minJ₁＝||Γ₁u||₂+ξ₁||Γ₂u||₂

所述第一层转矩分配优化函数的约束条件为

Bu＝v

u_lim-＜u＜u_lim+

其中Γ₁表示轮胎附着利用率目标函数的系数矩阵，Γ₂表示能量消耗目标函数的系数矩阵，Γ₂＝diag(ω_ij)，ξ₁为能量消耗的权重系数，v为虚拟控制指令，v＝[F_x-des M_z-des]^T，F_x-des为基准牵引力，M_z-des为基准横摆力矩，u为实际控制指令矩阵，T_ij表示输出的四个轮毂电机的转矩，u＝[T_fl T_fr T_ml T_mr]^T，B为系数矩阵，

d为轮距一半，u_lim+和u_lim-分别代表u的上下极限值；

依据所述基准横摆力矩、所述基准牵引力、所述车辆轮胎附着利用率目标函数和所述车辆能量消耗目标函数建立第二层转矩分配优化函数；所述第二层转矩分配优化函数

minJ₂＝||Γ₁u||₂+ξ₁||Γ₂u||₂+ξ₂||W_v(Bu-v)||₂

所述第二层转矩分配优化函数的约束条件为

u_lim-＜u＜u_lim+

其中，ξ₂为虚拟控制指令满足程度的权重系数，W_v为权重矩阵；

进一步的，将上述第二层转矩分配优化函数简化可得

其中A表示化简后的系统矩阵，C表示化简后的常量矩阵。

步骤S7：利用所述第一层转矩分配优化函数和所述第二层转矩分配优化函数为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制所述车辆转向。

所述步骤S7具体包括：

利用所述第一层转矩分配优化函数得到第一转矩分配结果；所述第一转矩分配结果表示所述第一层转矩分配优化函数输出的四个轮毂电机的转矩；

判断所述第一转矩分配结果是否满足摩擦圆约束；

若是，则按照所述第一转矩分配结果为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制所述车辆转向；

若否，则利用所述第二层转矩分配优化函数得到第二转矩分配结果，并按照所述第二转矩分配结果为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制所述车辆转向；所述第二转矩分配结果表示所述第二层转矩分配优化函数输出的四个轮毂电机的转矩。

在本实施例中，所述摩擦圆约束为

其中，F_yij表示各轮所受侧向载荷。

由于第一层转矩分配结构和第二层转矩分配结构得到的分配结果均是以转矩的形式表示，即得到的为u＝[T_fl T_fr T_ml T_mr]^T，在将其带入摩擦圆约束进行判断时，首先要进行转矩与所受纵向载荷的转换，依据转矩T_ij、车辆滚动半径R和各轮所受纵向载荷F_xij的之间的关系(FR＝T)，将T_fl、T_fr、T_ml、T_mr转换为对应轮所受纵向载荷，即可得到F_xij，然后再进行判断。

本实施例中的四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，最终实现了在保证四轮毂驱动车辆转向稳定性的同时最大限度减少行进过程的能量消耗，完成了车辆的节能稳定转向控制。

实施例2：

本实施例四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法是通过设计为多层级控制结构实现的，图2为本发明多层级控制结构的示意图，参见图2，该结构包括：参考输出层、指令生成层和转矩分配层。图3为本发明四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法的原理图。

参考输出层：

该层通过建立二自由度车辆动力学参考模型，根据驾驶员输入信号(加速度踏板信号、制动踏板信号和方向盘转角信号)、车辆实际质心侧偏角和车辆实际横摆角速度得到期望车辆质心侧偏角和期望车辆横摆角速度；依据所述车辆实际质心侧偏角、所述车辆实际横摆角速度、所述期望车辆质心侧偏角和所述期望车辆横摆角速度，计算质心侧偏角偏差和横摆角速度偏差。

所述二自由度车辆动力学参考模型具体为：

|γ_-des|＝min{|γ₁| |γ₂|}·sign(δ_f)

其中，γ₁表示车辆参考横摆角速度，β_-des表示期望车辆质心侧偏角，γ_-des为期望车辆横摆角速度，G_γ表示期望车辆横摆角速度的增益参数，G_β表示期望车辆质心侧偏角的增益系数，δ_f表示车辆前轮转角，

V_x表示车轮纵向速度，A为稳定性因数，l表示前桥到后桥之间的距离，m表示车辆质量，a表示车辆重心与前桥之间的距离，b表示车辆重心与后桥之间的距离，K_f表示前轮胎侧偏刚度，K_r表示后轮胎侧偏刚度，γ₂表示极限横摆角速度，μ表示路面附着系数，g表示重力加速度。

指令生成层：

该层包括速度跟随控制和横摆力矩控制。速度跟随控制采用PID控制算法，根据测量到的车辆实际车速与驾驶员期望车速之间偏差，生成虚拟的动力控制指令——基准牵引力，其中期望车速是利用现有的驾驶员模型得到的。横摆力矩控制采用模糊PID控制算法，将估计和测量得到的质心侧偏角、横摆角速度(实际)与参考输出层获得的期望质心侧偏角和期望横摆角速度进行差值运算，得到质心侧偏角偏差和横摆角速度偏差，并根据偏差得到相应的偏差变化率，再将它们的偏差和偏差变化率转换为模糊论域中的量化等级，模糊控制模型经过权重合成后输出为虚拟控制指令——基准横摆力矩。指令生成层在车辆转向过程中都处于工作状态，对车辆进行连续控制，而不是在判断车辆即将失稳后再工作。

转矩分配层：

该层采用最优分配方法，以轮胎附着利用率最小和能量消耗最小为优化分配的目标，负责将指令生成层生成的等效牵引力和附加横摆力指令，最优、高效地以驱动/再生制动转矩命令的形式分配到四个轮毂电机的驱动控制单元，以实现四轮毂电机驱动车辆的节能转向稳定性控制，关系如下:

v＝Bu

其中

u＝[T_fl T_fr T_ml T_mr]^T，

v为虚拟控制指令，v＝[F_x-des M_z-des]^T，F_x-des为基准牵引力，M_z-des为基准横摆力矩，u为实际控制指令矩阵，B为系数矩阵，T_ij表示输出的四个轮毂电机的转矩，i∈{f,m}，f表示前，m表示后，j∈{l,r}，l表示左，r表示右，T_fl表示左前方轮毂电机的转矩，δ_f表示车辆前轮转角，d为轮距一半，R为车辆滚动半径。

车辆轮胎附着利用率目标函数Ω₁和车辆能量消耗目标函数Ω₂可表述如下：

其中，F_xij表示各轮所受纵向载荷，F_zij表示各轮所受垂直载荷，μ_ij表示各轮所处路面的附着系数，ω_ij表示车辆各轮角速度。随着目标Ω₁和Ω₂的减小，车辆稳定性得以提升，能量消耗得以减少。

转矩分配层为设计为双层结构，并以是否满足摩擦圆约束作为两层切换的判断依据：若第一层转矩分配不满足摩擦圆约束，则切换为第二层控制，第二层相对第一层降低了转矩分配过程中对虚拟动力控制指令的满足程度，即降低了分配过程中指令的约束程度，从而更好适应更恶劣的路况，保证车辆的转向稳定性。

第一层转矩分配结构描述如下：

第一层转矩分配优化函数

minJ₁＝||Γ₁u||₂+ξ₁||Γ₂u||₂

其约束条件为

Bu＝v

u_lim-＜u＜u_lim+

其中Γ₁表示轮胎附着利用率目标函数的系数矩阵，Γ₂表示能量消耗目标函数的系数矩阵，Γ₂＝diag(ω_ij)，ξ1为能量消耗的权重系数，u_lim+和u_lim-分别代表u的上下极限值。

第二层转矩分配结构与上一层级转矩分配结构基本相同，仅对其中来自指令生成层的等式约束进行了弱化，将其中驱动力和横摆力矩部分从完全满足指令生成层的虚拟控制指令，降低为与虚拟控制指令之间偏差尽可能小，即将等式约束作为一个权重惩罚项引入控制目标，其可描述为：

第二层转矩分配优化函数

minJ₂＝||Γ₁u||₂+ξ₁||Γ₂u||₂+ξ₂||W_v(Bu-v)||₂

其约束条件为

u_lim-＜u＜u_lim+

其中，ξ₂为虚拟控制指令满足程度的权重系数，W_v为权重矩阵。

进一步的，将上述第二层转矩分配优化函数简化可得

其中A表示化简后的系统矩阵，C表示化简后的常量矩阵。

其中，考虑到摩擦圆约束的非线性特征，如果直接将其作为最优分配的不等式约束将使控制分配的求解难度和时间大幅度提升，于是将其设计成两层切换的判断依据：

其中，F_yij表示各轮所受侧向载荷。

本实施例中的四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，其所建立的控制系统设计为三层结构，各层结构职责分明，条理清晰，在实现车辆稳定转向的同时可以减少转向过程中的能量消耗，同时达到转向稳定和节能的目的。并且指令生成层的连续控制模式，与判断车辆即将失稳后再进行的控制(此处称为“伺服控制”)相比，可以有效提高车辆稳定性并减少能量消耗。此外，转矩分配层设计为双层结构，可以有效适应不同路面附着系数，以提升车辆应对复杂路况稳定行驶的能力。

本发明在角阶跃工况下和双移线工况下，验证了四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法的可行性和准确性。验证结果表明，车辆实际行驶路径与期望路径的横向、纵向误差均有较大改善，实际车速、实际质心侧偏角、实际横摆力矩与它们的期望值之间的偏差显著减小，转向过程中消耗能量也得以减少，车辆的稳定性和节能效果均得以提升。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，其特征在于，包括：

获取驾驶员输入信号和车辆实际动力信息；所述驾驶员输入信号包括加速度踏板信号、制动踏板信号和方向盘转角信号；所述车辆实际动力信息包括车辆实际质心侧偏角、车辆实际横摆角速度和实际车速；

依据所述驾驶员输入信号和所述车辆实际动力信息，得到期望车辆质心侧偏角、期望车辆横摆角速度和期望车速；

依据所述车辆实际质心侧偏角、所述车辆实际横摆角速度、所述实际车速、所述期望车辆质心侧偏角、所述期望车辆横摆角速度和所述期望车速，计算质心侧偏角偏差、横摆角速度偏差和车速偏差；

依据所述质心侧偏角偏差、所述横摆角速度偏差和所述车速偏差，采用PID控制算法和模糊PID控制算法，生成虚拟控制指令；所述虚拟控制指令包括基准横摆力矩和基准牵引力；

建立车辆轮胎附着利用率目标函数和车辆能量消耗目标函数；

依据所述虚拟控制指令、所述车辆轮胎附着利用率目标函数和所述车辆能量消耗目标函数建立第一层转矩分配优化函数和第二层转矩分配优化函数；所述第一层转矩分配优化函数用于反应车辆转向的稳定性和车辆转向的能量消耗；所述第二层转矩分配优化函数用于反应车辆转向的稳定性、车辆转向的能量消耗和满足所述虚拟控制指令的程度；

利用所述第一层转矩分配优化函数和所述第二层转矩分配优化函数为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制所述车辆转向。

2.根据权利要求1所述的一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，其特征在于，所述依据所述驾驶员输入信号和所述车辆实际动力信息，得到期望车辆质心侧偏角、期望车辆横摆角速度和期望车速，具体包括：

建立二自由度车辆动力学参考模型和驾驶员模型；

将所述驾驶员输入信号、所述车辆实际质心侧偏角和所述车辆实际横摆角速度作为二自由度车辆动力学参考模型的输入，得到期望车辆质心侧偏角和期望车辆横摆角速度；

将所述实际车速作为所述驾驶员模型的输入，得到期望车速。

3.根据权利要求1所述的一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，其特征在于，所述建立车辆轮胎附着利用率目标函数和车辆能量消耗目标函数，具体包括：

建立车辆轮胎附着利用率目标函数；所述车辆轮胎附着利用率目标函数为其中，F_xij表示各轮所受纵向载荷，F_zij表示各轮所受垂直载荷，μ_ij表示各轮所处路面的附着系数；i∈{f,m}，f表示前，m表示后，j∈{l,r}，l表示左，r表示右；

建立能量消耗目标函数；所述能量消耗目标函数为其中ω_ij表示车辆各轮角速度，R表示车轮滚动半径。

4.根据权利要求3所述的一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，其特征在于，所述依据所述虚拟控制指令、所述车辆轮胎附着利用率目标函数和所述车辆能量消耗目标函数建立第一层转矩分配优化函数和第二层转矩分配优化函数，具体包括：

依据所述基准横摆力矩、所述基准牵引力、所述车辆轮胎附着利用率目标函数和所述车辆能量消耗目标函数建立第一层转矩分配优化函数；所述第一层转矩分配优化函数

minJ₁＝||Γ₁u||₂+ξ₁||Γ₂u||₂

所述第一层转矩分配优化函数的约束条件为Bu＝v

u_lim-＜u＜u_lim+

其中Γ₁表示轮胎附着利用率目标函数的系数矩阵，Γ₂表示能量消耗目标函数的系数矩阵，Γ₂＝diag(ω_ij)，ξ1为能量消耗的权重系数，v为虚拟控制指令，v＝[F_x-des M_z-des]^T，F_x-des为基准牵引力，M_z-des为基准横摆力矩，u为实际控制指令矩阵，T_ij表示输出的四个轮毂电机的转矩，u＝[T_fl T_fr T_ml T_mr]^T，B为系数矩阵，δ_f表示车辆前轮转角，d为轮距一半，u_lim+和u_lim-分别代表u的上下极限值；

依据所述基准横摆力矩、所述基准牵引力、所述车辆轮胎附着利用率目标函数和所述车辆能量消耗目标函数建立第二层转矩分配优化函数；所述第二层转矩分配优化函数

minJ₂＝||Γ₁u||₂+ξ₁||Γ₂u||₂+ξ₂||W_v(Bu-v)||₂

所述第二层转矩分配优化函数的约束条件为

u_lim-＜u＜u_lim+

其中，ξ₂为虚拟控制指令满足程度的权重系数，W_v为权重矩阵。

5.根据权利要求4所述的一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，其特征在于，所述利用所述第一层转矩分配优化函数和所述第二层转矩分配优化函数为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制所述车辆转向，具体包括：

利用所述第一层转矩分配优化函数得到第一转矩分配结果；所述第一转矩分配结果表示所述第一层转矩分配优化函数输出的四个轮毂电机的转矩；

判断所述第一转矩分配结果是否满足摩擦圆约束；

若是，则按照所述第一转矩分配结果为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制所述车辆转向；

若否，则利用所述第二层转矩分配优化函数得到第二转矩分配结果，并按照所述第二转矩分配结果为四个轮毂电机进行转矩分配，以控制所述车辆转向；所述第二转矩分配结果表示所述第二层转矩分配优化函数输出的四个轮毂电机的转矩。

6.根据权利要求2所述的一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，其特征在于，所述二自由度车辆动力学参考模型具体为：

|γ_-des|＝min{|γ₁| |γ₂|}·sign(δ_f)

其中，γ₁表示车辆参考横摆角速度，β_-des表示期望车辆质心侧偏角，γ_-des为期望车辆横摆角速度，G_γ表示期望车辆横摆角速度的增益参数，G_β表示期望车辆质心侧偏角的增益系数，δ_f表示车辆前轮转角，

V_x表示车轮纵向速度，A为稳定性因数，l表示前桥到后桥之间的距离，m表示车辆质量，a表示车辆重心与前桥之间的距离，b表示车辆重心与后桥之间的距离，K_f表示前轮胎侧偏刚度，K_r表示后轮胎侧偏刚度，γ₂表示极限横摆角速度，μ表示路面附着系数，g表示重力加速度。

7.根据权利要求5所述的一种四轮毂电机驱动车辆转向的控制方法，其特征在于，所述摩擦圆约束为

其中，F_yij表示各轮所受侧向载荷。