CN109795551B - 一种基于线性二次型微分博弈的四轮独立驱动电动汽车四轮主动转向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线性二次型微分博弈的四轮独立驱动电动汽车四轮主动转向控制方法，通过前馈控制器输出前轮前馈补偿控制转向角和后轮前馈控制转向角，基于线性二次型微分博弈算法，将前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角作为博弈的两个“局中人”，通过求解耦合代数黎卡提方程组获得微分博弈的反馈纳什均衡解，从而求得前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角；通过前馈与反馈控制相结合的四轮主动转向提高电动汽车高速转向时的操纵稳定性和低速转向时的操纵灵活性，在基本不改变驾驶员传统前轮转向驾驶感觉的前提下，有效地降低了汽车质心侧偏角，能够较好地跟踪车辆理想横摆角速度，改善了车辆的主动安全性能。

Description

一种基于线性二次型微分博弈的四轮独立驱动电动汽车四轮 主动转向控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于线性二次型微分博弈的四轮独立驱动电动汽车四轮主动转向控制方法，属于电动汽车主动转向领域。

背景技术

四轮独立驱动电动汽车通过轮毂电机直接驱动车轮，可以通过对各个电机的单独控制更容易地实现各种主动控制策略，提高了汽车适应更加复杂工况的能力。操纵稳定性作为汽车主动安全性能中极其重要的性能指标，也是数年来国内外汽车安全技术研究的热点之一。四轮转向控制技术能够在高速转向时提高车辆的操纵稳定性，在低速转向时提高车辆的操纵灵活性，受到了越来越多的关注。

根据线性二自由度汽车模型，车辆的质心侧偏角和横摆角速度是两个重要的控制指标。现有的后轮转角比例于前轮转角的四轮转向技术虽然能够以质心侧偏角为零作为控制目标，但比例控制的四轮转向汽车低速转向时横摆角速度稳态值大于传统前轮转向汽车，高速转向时横摆角速度稳态值小于传统前轮转向汽车。转向灵敏度的增大或减小都会导致驾驶员的驾驶感觉发生较大变化，这会使驾驶员不适应四轮转向系统。如何在基本不改变驾驶员传统前轮转向驾驶感觉的前提下，使前、后轮根据各自的最优目标进行转向，有效地降低汽车质心侧偏角且较好地跟踪车辆理想横摆角速度，提高控制精度并改善车辆的主动安全性能成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种基于线性二次型微分博弈的四轮独立驱动电动汽车四轮主动转向控制方法，通过线性二次型微分博弈方法控制车辆进行四轮主动转向，提高车辆高速转向时的操控稳定性和低速转向时的操纵灵活性，最大限度地改善车辆转向时的主动安全性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于线性二次型微分博弈的四轮独立驱动电动汽车四轮主动转向控制方法，包括以下步骤：

第一步：通过方向盘转角传感器获取驾驶员方向盘转角，经过给定的转向传动比i换算得出参考前轮转向角，将参考前轮转向角输入车辆前轮转向控制器，并体现驾驶员的转向意图；

第二步：通过安装在电动汽车内的车速检测装置获取车辆实时的纵向行驶速度；同时获取车辆转向时的质心侧偏角、横摆角速度作为电动汽车的实际转向状态量；

第三步：根据车辆实时的纵向行驶速度和参考前轮转向角，并结合车辆其他参数，计算出电动汽车的理想转向状态量；

第四步：前馈控制器根据电动汽车的理想转向状态量和参考前轮转向角计算得出电动汽车前轮前馈补偿控制转向角和后轮前馈控制转向角；

第五步：由状态偏差计算装置对电动汽车的实际转向状态量和理想转向状态量进行比较并进行偏差运算，从而计算出实际转向状态量和理想转向状态量的偏差；

第六步：采用线性二次型微分博弈理论，利用状态偏差计算装置计算得到的实际转向状态量和理想转向状态量之间的偏差，求出前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角；

第七步：通过前轮前馈补偿控制转向角和后轮前馈控制转向角、前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角实现对电动汽车的主动转向控制；

作为本发明的进一步优选，前轮转向角总量为参考前轮转向角、前轮前馈补偿控制转向角与前轮反馈补偿控制转向角之和；后轮转向角总量为后轮前馈控制转向角与后轮反馈控制转向角之和；

作为本发明的进一步优选，理想转向状态量包括由理想转向状态计算装置计算出的理想的车辆质心侧偏角和横摆角速度；假设车辆纵向速度恒定且车辆行驶在侧向加速度较小、轮胎处于线性工作区域即不会超出路面最大横向附着力的限制的范围内；

作为本发明的进一步优选，前轮前馈补偿控制转向角、后轮前馈控制转向角均由前馈控制器通过参考前轮转向角、汽车的理想转向状态量进行矩阵运算直接得出；

作为本发明的进一步优选，采用线性二次型微分博弈理论，即LQDG算法，通过求解耦合代数黎卡提方程组获得反馈纳什均衡解，通过前述的状态偏差计算装置输出的状态偏差量最终求得前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过前馈控制器输出前轮前馈补偿控制转向角和后轮前馈控制转向角，基于线性二次型微分博弈算法，将前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角作为博弈的两个“局中人”，通过求解耦合代数黎卡提方程组获得微分博弈的反馈纳什均衡解，从而求得前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角；通过前馈与反馈控制相结合的四轮主动转向提高电动汽车高速转向时的操纵稳定性和低速转向时的操纵灵活性，在基本不改变驾驶员传统前轮转向驾驶感觉的前提下，有效地降低了汽车质心侧偏角，能够较好地跟踪车辆理想横摆角速度，改善了车辆的主动安全性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的总框图；

图2是本发明的优选实施例的控制原理图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图2所示，本发明的一种基于线性二次型微分博弈的四轮独立驱动电动汽车四轮主动转向控制方法，包括以下步骤：

第一步：通过方向盘转角传感器获取驾驶员方向盘转角，经过给定的转向传动比i换算得出参考前轮转向角，将参考前轮转向角输入车辆前轮转向控制器，并体现驾驶员的转向意图；

第二步：通过安装在电动汽车内的车速检测装置获取车辆实时的纵向行驶速度；同时获取车辆转向时的质心侧偏角、横摆角速度作为电动汽车的实际转向状态量；

第三步：根据车辆实时的纵向行驶速度和参考前轮转向角，并结合车辆其他参数，计算出电动汽车的理想转向状态量；

第四步：前馈控制器根据电动汽车的理想转向状态量和参考前轮转向角计算得出电动汽车前轮前馈补偿控制转向角和后轮前馈控制转向角；

第五步：由状态偏差计算装置对电动汽车的实际转向状态量和理想转向状态量进行比较并进行偏差运算，从而计算出实际转向状态量和理想转向状态量的偏差；

第六步：采用线性二次型微分博弈理论，利用状态偏差计算装置计算得到的实际转向状态量和理想转向状态量之间的偏差，求出前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角；

第七步：通过前轮前馈补偿控制转向角和后轮前馈控制转向角、前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角实现对电动汽车的主动转向控制；

作为本发明的进一步优选，前轮转向角总量为参考前轮转向角、前轮前馈补偿控制转向角与前轮反馈补偿控制转向角之和；后轮转向角总量为后轮前馈控制转向角与后轮反馈控制转向角之和；

作为本发明的进一步优选，理想转向状态量包括由理想转向状态计算装置计算出的理想的车辆质心侧偏角和横摆角速度；假设车辆纵向速度恒定且车辆行驶在侧向加速度较小、轮胎处于线性工作区域即不会超出路面最大横向附着力的限制的范围内；

作为本发明的进一步优选，前轮前馈补偿控制转向角、后轮前馈控制转向角均由前馈控制器通过参考前轮转向角、汽车的理想转向状态量进行矩阵运算直接得出；

作为本发明的进一步优选，采用线性二次型微分博弈理论，即LQDG算法，通过求解耦合代数黎卡提方程组获得反馈纳什均衡解，通过前述的状态偏差计算装置输出的状态偏差量最终求得前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角。

本发明将前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角作为博弈的两个“局中人”，通过求解耦合代数黎卡提方程组获得微分博弈的反馈纳什均衡解，求得前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角。通过前馈控制器计算输出前轮前馈补偿控制转向角、后轮前馈控制转向角，通过前馈和反馈控制相结合的方式，实现电动汽车四轮主动转向。

图1所示，具体步骤如下：

步骤一：利用安装在电动汽车内的方向盘转角传感器获取驾驶员方向盘转角δ_sw，经过给定的转向传动比i换算得出参考前轮转向角δ_fd输入给车辆前轮转向控制器，并体现驾驶员的转向意图；

步骤二：安装在电动汽车内的车速检测装置获取车辆的纵向行驶速度V_x，本发明假设车辆纵向速度恒定且车辆行驶在侧向加速度较小、轮胎处于线性工作区域(不会超出路面最大横向附着力的限制)的范围内；获取车辆转向时的质心侧偏角β与横摆角速度r作为电动汽车的实际转向状态量x＝[βr]^T，状态方程形式可以表达为

式中，

C_f和C_r分别代表前轴和后轴的轮胎等效侧偏刚度，a、b分别为车辆质心到前、后轴的距离，m为整车质量，I_z为车辆质心绕z轴的转动惯量；

步骤三：理想转向状态计算装置根据车辆实时的纵向行驶速度V_x和参考前轮转向角δ_fd，并结合车辆其他参数，计算出电动汽车的理想转向状态量x_d＝[β_d r_d]^T；状态方程形式可以表达为

式中，

τ_βd和τ_rd分别为质心侧偏角和横摆角速度的一阶惯性环节时间常数，k_βd和k_rd分别为质心侧偏角和横摆角速度的稳态增益，在此取k_βd＝0；

步骤四：前馈控制器根据电动汽车理想转向状态量x_d和参考前轮转向角δ_fd进行矩阵运算得出电动汽车前轮前馈补偿控制转向角δ_fcff和后轮前馈控制转向角δ_rff，即

步骤五：由状态偏差计算装置对电动汽车的实际转向状态量和理想转向状态量进行比较并进行偏差运算，e＝x-x_d＝[β-β_d r-r_d]^T；

步骤六：采用线性二次型微分博弈理论，前轮反馈补偿控制转向角δ_fcfb和后轮反馈控制转向角δ_rfb被当做博弈中的两个“局中人”，通过求解耦合代数黎卡提方程组获得反馈纳什均衡解，利用状态偏差计算装置得到的实际转向状态量和理想转向状态量之间的偏差e，求出前轮反馈补偿控制转向角δ_fcfb和后轮反馈控制转向角δ_rfb；

其中，耦合代数黎卡提方程组为：

0＝-(A-S₂K₂)^TK₁-K₁(A-S₂K₂)+K₁S₁K₁-Q₁-K₂S₁₂K₂

0＝-(A-S₁K₁)^TK₂-K₂(A-S₁K₁)+K₂S₂K₂-Q₂-K₁S₂₁K₁，

式中，

Q_i、R_ij为半正定矩阵，R_ii为正定矩阵；其中i,j＝1,2且i≠j；

最终满足纳什均衡的前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角为：

前馈和反馈控制相结合，实现电动汽车四轮主动转向：

图2所示，本发明前轮转向角总量为参考前轮转向角δ_fd、前轮前馈补偿控制转向角δ_fcff与前轮反馈补偿控制转向角δ_fcfb之和；后轮转向角总量为后轮前馈控制转向角δ_rff与后轮反馈控制转向角δ_rfb之和。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种基于线性二次型微分博弈的四轮独立驱动电动汽车四轮主动转向控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：通过方向盘转角传感器获取驾驶员方向盘转角，经过给定的转向传动比i换算得出参考前轮转向角，将参考前轮转向角输入车辆前轮转向控制器，并体现驾驶员的转向意图；

第二步：通过安装在电动汽车内的车速检测装置获取车辆实时的纵向行驶速度；同时获取车辆转向时的质心侧偏角、横摆角速度作为电动汽车的实际转向状态量；

第三步：根据车辆实时的纵向行驶速度和参考前轮转向角，并结合车辆其他参数，计算出电动汽车的理想转向状态量；

第四步：前馈控制器根据电动汽车的理想转向状态量和参考前轮转向角计算得出电动汽车前轮前馈补偿控制转向角和后轮前馈控制转向角；

第五步：由状态偏差计算装置对电动汽车的实际转向状态量和理想转向状态量进行比较并进行偏差运算，从而计算出实际转向状态量和理想转向状态量的偏差；

第六步：采用线性二次型微分博弈理论，利用状态偏差计算装置计算得到的实际转向状态量和理想转向状态量之间的偏差，求出前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角，即将前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角作为博弈的而两个局中人，通过求解耦合代数黎卡提方程组获得微分博弈的反馈纳什均衡解，通过状态偏差计算装置输出的状态偏差量最终求得前轮反馈补偿转向角和后轮反馈控制转向角；

第七步：通过前轮前馈补偿控制转向角和后轮前馈控制转向角、前轮反馈补偿控制转向角和后轮反馈控制转向角实现对电动汽车的主动转向控制。

2.根据权利要求1所述的基于线性二次型微分博弈的四轮独立驱动电动汽车四轮主动转向控制方法，其特征在于：前轮转向角总量为参考前轮转向角、前轮前馈补偿控制转向角与前轮反馈补偿控制转向角之和；后轮转向角总量为后轮前馈控制转向角与后轮反馈控制转向角之和。

3.根据权利要求1所述的基于线性二次型微分博弈的四轮独立驱动电动汽车四轮主动转向控制方法，其特征在于：理想转向状态量包括由理想转向状态计算装置计算出的理想的车辆质心侧偏角和横摆角速度；假设车辆纵向速度恒定且车辆行驶在侧向加速度较小、轮胎处于线性工作区域即不会超出路面最大横向附着力的限制的范围内。

4.根据权利要求1所述的基于线性二次型微分博弈的四轮独立驱动电动汽车四轮主动转向控制方法，其特征在于：前轮前馈补偿控制转向角、后轮前馈控制转向角均由前馈控制器通过参考前轮转向角、汽车的理想转向状态量进行矩阵运算直接得出。

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