CN110126816A - 一种汽车主动前轮转向系统的容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车主动前轮转向系统的容错控制方法，包括下述步骤：步骤一，基于理想的车辆前轮转向系统动力学模型，以其作为汽车运行过程中的参考模型，用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车横向速度、横摆角速度、质心侧偏角和横向轮胎力；步骤二，由于车辆的质量随着乘客数量变化而改变，其值在一定范围内波动，因此对存在于车辆模型中的不确定参数，采用Takagi‑Sugeno，即T‑S模糊的方法进行处理；本发明的控制方法具有结构简单，运算量小，便于实现等优点；并且，前轮转向角控制和横摆力矩控制的结合使得本发明方案在控制效果上优于单一方式的控制方法，复合控制一方面能保证较好的转角精度，另一方面能获得较好的控制效果。

Description

一种汽车主动前轮转向系统的容错控制方法

技术领域

本发明涉及汽车主动前轮转向控制技术领域，具体涉及一种汽车主动前轮转向系统的容错控制方法。

背景技术

汽车转向系统是汽车整体结构组成的一个重要子系统，其操纵性能的好坏直接影响着汽车的安全性、稳定性、灵敏性以及驾乘的舒适性。随着现代科技水平和车辆控制理论技术的不断发展，人们对车辆整体性能的要求也越来越高。在汽车的主动安全性、操纵稳定性等方面，汽车主动转向系统对汽车整体性能的提高起着关键作用。

在传统汽车转向系统中，汽车转向时的传动比是固定的，汽车的安全性和稳定性较差。当汽车在低速转向时，驾驶者不仅操纵方向盘的转向幅度很大，而且很费力，驾驶者的操纵稳定性就会降低；而当汽车在高速转向时，转向的灵敏性变大，驾驶者操纵方向盘的很小转动角度就会产生很大的侧向加速度，从而严重降低了汽车的安全性和稳定性。鉴于传统汽车转向系统不能满足现代汽车转向系统的要求，当今社会对研究出新一代的汽车主动转向系统的要求也越加紧迫，并将主要研究焦点集中在提高汽车转向的安全性和灵敏性。因此，当今世界上最前沿的研究热点集中在转向性能更加优异的新一代转向技术上——汽车主动前轮转向系统。

汽车主动前轮转向系统是汽车主动安全技术的重要内容，其关键技术是通过对转向轮作用一个独立于驾驶员输入的附加转角，进而根据车辆行驶状态实现前轮转向角的主动改变，自动调整汽车的转向传动比，以完成独立于驾驶者的主动转向。当汽车在低速转向行驶时，主动转向电机作用方向与驾驶者转动方向盘的方向一致，转向传动比变小，提高了转向系统的灵敏性；当汽车在高速转向行驶时，主动转向电机的转动方向与驾驶员操纵方向盘的方向相反，转向传动比增大，汽车的灵敏性降低，但稳定性提高。

此外，由于实际动态车辆模型存在不确定性参数，为了进一步提高车辆的控制性能，采用Takagi-Sugeno(T-S)模糊方法构建一个T-S模糊车辆模型，这个车辆模型可以被看作若干个线性子系统的集合，它可以更好地描述这个复杂的不确定系统。

在实际的工程系统中，执行器故障是不可避免的，在车辆建模的过程中，需要构建一个故障车辆模型。在网络化汽车转向系统中，会发生时延和数据丢包的问题，需要设计一个有效的前轮转向角和横摆力矩控制器来保证系统的稳定。因此，对汽车主动转向系统的应用研究具有重要的理论价值与工程实践意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种汽车主动前轮转向系统的容错控制方法，该方法能够进一步提高汽车主动前轮转向的精度，显著提高车辆的控制效果。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种汽车主动前轮转向系统的容错控制方法，包括下述步骤：

步骤一，基于理想的车辆前轮转向系统动力学模型，以其作为汽车运行过程中的参考模型，用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车横向速度、横摆角速度、质心侧偏角和横向轮胎力；

步骤二，由于车辆的质量随着乘客数量变化而改变，其值在一定范围内波动，因此对存在于车辆模型中的不确定参数，采用Takagi-Sugeno，即T-S模糊的方法进行处理；

步骤三，在一定范围的扰动情况下，车辆运行中会发生执行器故障，则需要构建一个执行器故障模型；

步骤四，将驾驶员提供的方向盘转角和由CAN总线收发器通过CAN总线采集的实际车速作为车辆模型的输入，在信号传输过程中，考虑到时延的影响，则需要构建一个时延模型；同时通过设计有效的前轮转向角控制器和横摆力矩控制器来保证车辆行驶的稳定性，提高车辆的控制性能。

优选地，所述步骤一中理想的车辆前轮转向系统动力学模型具体构造过程如下：

构建车辆转向系统的动力学模型：

其中v_x和v_y分别表示车辆的纵向速度和横向速度，m表示车辆的质量，l_z表示车辆的转动惯量，Γ_z表示车辆的横摆角速度，ω₁(t)和ω₂(t)表示车辆的外界干扰，F_yf和F_yr分别表示车辆的前后轮横向轮胎力，Δ表示车辆的横摆力矩；

车辆的前后轮横向轮胎力可以表示为：

F_yi＝ζ_iα_i,(i＝f,r)， (2)

上式中，ζ_i表示轮胎侧偏刚度，α_i表示轮胎的偏离角，并且可以得到：

上式中，表示前轮转向角；

定义系统的状态变量控制输入外部干扰根据公式(1)至(3)，则车辆模型的状态方程可以整理为：

系统矩阵为：

系统的测量输出y(t)可以表示为：

y(t)＝ζ₁χ(t)， (5)

上式中，ζ₁＝[0 1]；

系统的控制输出z(t)可以表示为：

z(t)＝ζ₂χ(t)， (6)

上式中，ζ₂＝diag{1,1}；

有效的状态反馈控制器设计可以保证系统稳定，并且满足H_∞的性能：

上式中，λ表示一个正常量。

优选地，所述步骤二中T-S模糊模型的具体构造过程如下：

由于车辆的质量是伴随负载和乘客数量变化而发生改变的，车辆的质量m和转动惯量l_z将成为一个变化的参数；基于公式(4)至(7)，通过采用T-S模糊模型的方法，假设m(t)∈[m_minm_max]和l_z(t)∈[l_zminl_zmax],可以得到含有执行器故障的模糊车辆模型：

其中，ξ_i(θ(t))表示隶属度函数。

优选地，所述步骤三中执行器故障模型的具体构造过程如下：

在实际的系统中，执行器故障是不可避免的，它会降低转向系统的性能；执行器故障模型可以表示为：

μ_f(t)＝δ_aμ(t)， (9)

其中，矩阵变量δ_a＝diag{δ_a1,δ_a2,...,δ_as}，并且变量δ_ai(i＝1,2,...,s)满足不等式则未知的参数δ_a可以表示为：

δ_a＝δ_a0(I+ρ_a),|ρ_a|≤J_a≤I。 (10)

优选地，所述步骤四中时延模型的具体构造过程如下：

在信息传输的过程中，考虑时延和数据丢包的影响，则可得到：

上式中，σ(k)表示在采样时刻的数据丢包的数量t_k，h表示采样周期，τ_k表示时延。

优选地，所述步骤四中前轮转向角控制器和横摆力矩控制器的具体构造过程如下：

设计的前轮转向角控制器和横摆力矩控制器可以表示为：

其中，K表示期望的控制器增益；

因此，采用前轮转向角控制器和横摆力矩控制器对车辆转向系统进行实时控制，保证系统稳定，并且满足H_∞性能。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明有效解决汽车主动前轮转向系统可靠性较差的问题，当某个转向电机发生卡死，中断等故障而不能准确执行转向命令时，汽车仍然可以准确地按照驾驶员发出的指令转向，提高汽车主动前轮转向系统的容错性，保证汽车行驶的安全性，提高汽车转向操纵稳定性的控制鲁棒性；对侧向风干扰、车速、路面附着系数及前后轮转弯刚度等参数变化具有极强的鲁棒性，从而最终改善车辆操纵稳定性能；同时，所述控制方法具有结构简单，运算量小，便于实现等优点；并且，前轮转向角控制和横摆力矩控制的结合使得本发明方案在控制效果上优于单一方式的控制方法，复合控制一方面能保证较好的转角精度，另一方面能获得较好的控制效果。

附图说明

图1为本发明车辆方向盘的转角输入曲线图；

图2为本发明车辆横摆角速度的仿真图；

图3为本发明车辆横向速度的仿真图；

图4为本发明车辆前轮转向角的仿真图；

图5为本发明车辆外部横摆力矩的仿真图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1～5所示，一种汽车主动前轮转向系统的容错控制方法，包括下述步骤：

步骤一，基于理想的车辆前轮转向系统动力学模型，以其作为汽车运行过程中的参考模型，用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车横向速度、横摆角速度、质心侧偏角和横向轮胎力；

所述理想的车辆前轮转向系统动力学模型具体构造过程如下：

构建车辆转向系统的动力学模型：

其中v_x和v_y分别表示车辆的纵向速度和横向速度，m表示车辆的质量，l_z表示车辆的转动惯量，Γ_z表示车辆的横摆角速度，ω₁(t)和ω₂(t)表示车辆的外界干扰，F_yf和F_yr分别表示车辆的前后轮横向轮胎力，Δ表示车辆的横摆力矩；

车辆的前后轮横向轮胎力可以表示为：

F_yi＝ζ_iα_i,(i＝f,r)， (2)

上式中，ζ_i表示轮胎侧偏刚度，α_i表示轮胎的偏离角，并且可以得到：

上式中，表示前轮转向角；

定义系统的状态变量控制输入外部干扰根据公式(1)至(3)，则车辆模型的状态方程可以整理为：

系统矩阵为：

系统的测量输出y(t)可以表示为：

y(t)＝ζ₁χ(t)， (5)

上式中，ζ₁＝[0 1]；

系统的控制输出z(t)可以表示为：

z(t)＝ζ₂χ(t)， (6)

上式中，ζ₂＝diag{1,1}；

有效的状态反馈控制器设计可以保证系统稳定，并且满足H_∞的性能：

上式中，λ表示一个正常量。

步骤二，由于车辆的质量随着乘客数量变化而改变，其值在一定范围内波动，因此对存在于车辆模型中的不确定参数，采用Takagi-Sugeno，即T-S模糊的方法进行处理；

所述T-S模糊模型的具体构造过程如下：

由于车辆的质量是伴随负载和乘客数量变化而发生改变的，车辆的质量m和转动惯量l_z将成为一个变化的参数；基于公式(4)至(7)，通过采用T-S模糊模型的方法，假设m(t)∈[m_min m_max]和l_z(t)∈[l_zmin l_zmax],可以得到含有执行器故障的模糊车辆模型：

其中，ξ_i(θ(t))表示隶属度函数。

步骤三，在一定范围的扰动情况下，车辆运行中会发生执行器故障，则需要构建一个执行器故障模型；

所述执行器故障模型的具体构造过程如下：

在实际的系统中，执行器故障是不可避免的，它会降低转向系统的性能；执行器故障模型可以表示为：

μ_f(t)＝δ_aμ(t)， (9)

其中，矩阵变量δ_a＝diag{δ_a1,δ_a2,...,δ_as}，并且变量δ_ai(i＝1,2,...,s)满足不等式则未知的参数δ_a可以表示为：

δ_a＝δ_a0(I+ρ_a),|ρ_a|≤J_a≤I。 (10)

步骤四，将驾驶员提供的方向盘转角和由CAN总线收发器通过CAN总线采集的实际车速作为车辆模型的输入，在信号传输过程中，考虑到时延的影响，则需要构建一个时延模型；同时通过设计有效的前轮转向角控制器和横摆力矩控制器来保证车辆行驶的稳定性，提高车辆的控制性能。

所述时延模型的具体构造过程如下：

在信息传输的过程中，考虑时延和数据丢包的影响，则可得到：

上式中，σ(k)表示在采样时刻的数据丢包的数量t_k，h表示采样周期，τ_k表示时延。

所述前轮转向角控制器和横摆力矩控制器的具体构造过程如下：

设计的前轮转向角控制器和横摆力矩控制器可以表示为：

其中，K表示期望的控制器增益；

因此，采用前轮转向角控制器和横摆力矩控制器对车辆转向系统进行实时控制，保证系统稳定，并且满足H_∞性能。

其中，所述H_∞性能具体为：

如果对某一类外部扰动信号w(t)，系统的被调输出z(t)总能保持是“小”的，此时系数λ的值越小，系统的H_∞性能也就越好，这说明外部扰动对系统的影响很小，事实上，H_∞性能的好坏反映了系统抑制外部扰动的能力。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，本实施例采用下表1“车辆及控制参数”中的参数进进行Matlab仿真。

假设车辆的质量m在范围[1485kg,1515kg]内变化，转动惯量l_z(t)在范围[1965kg.m²,2035kg.m²]内变化。

表1车辆及控制参数

物理量	名称	数值
			l<sub>f</sub>	前轮到质心的距离	1.4m
l<sub>r</sub>	后轮到质心的距离	1.7m
			ζ<sub>f</sub>	前轮侧偏刚度	45000N/rad
ζ<sub>r</sub>	后轮侧偏刚度	42000N/rad
			v<sub>x</sub>	纵向速度最小值	30m/s

在仿真实验中，如图1所示，为仿真实验中方向盘转角输入的曲线图。

图2和图3分别示出了有无控制器条件下，车辆横摆角速度和车辆横向速度的时域响应曲线。对图2进行分析可见，当系统存在执行器故障和时延的问题时，与未受控车辆相比，受控车辆的横摆角速度超调量较小，幅度小，更加趋于稳定，避免或降低了车辆行驶状态下驾驶员猛打方向盘造成的危险；对图3进行分析可见，当系统存在执行器故障和时延的问题时，受控车辆的横向速度稳定响应速度比较快，并且超调量小一些，能够保证车辆的横向稳定性。

当车辆在道路上行驶的过程中，会受到路面上侧风，路面摩擦力等外界干扰因素的影响，从而使得车辆的稳定性弱，通过加入前轮转向角和横摆力矩控制，图4和图5分别表示车辆前轮转向角和横摆力矩的时域响应曲线图，即前轮转向角控制器和横摆力矩控制器，对车辆进行实时控制，极大地提高了车辆的操纵稳定性。

本发明有效解决汽车主动前轮转向系统可靠性较差的问题，当某个转向电机发生卡死，中断等故障而不能准确执行转向命令时，汽车仍然可以准确地按照驾驶员发出的指令转向，提高汽车主动前轮转向系统的容错性，保证汽车行驶的安全性，提高汽车转向操纵稳定性的控制鲁棒性；对侧向风干扰、车速、路面附着系数及前后轮转弯刚度等参数变化具有极强的鲁棒性，从而最终改善车辆操纵稳定性能；同时，所述控制方法具有结构简单，运算量小，便于实现等优点；并且，前轮转向角控制和横摆力矩控制的结合使得本发明方案在控制效果上优于单一方式的控制方法，复合控制一方面能保证较好的转角精度，另一方面能获得较好的控制效果。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种汽车主动前轮转向系统的容错控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一，基于理想的车辆前轮转向系统动力学模型，以其作为汽车运行过程中的参考模型，用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车横向速度、横摆角速度、质心侧偏角和横向轮胎力；

步骤二，由于车辆的质量随着乘客数量变化而改变，其值在一定范围内波动，因此对存在于车辆模型中的不确定参数，采用Takagi-Sugeno，即T-S模糊的方法进行处理；

步骤三，在一定范围的扰动情况下，车辆运行中会发生执行器故障，则需要构建一个执行器故障模型；

步骤四，将驾驶员提供的方向盘转角和由CAN总线收发器通过CAN总线采集的实际车速作为车辆模型的输入，在信号传输过程中，考虑到时延的影响，则需要构建一个时延模型；同时通过设计有效的前轮转向角控制器和横摆力矩控制器来保证车辆行驶的稳定性，提高车辆的控制性能。

2.根据权利要求1所述的汽车主动前轮转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤一中理想的车辆前轮转向系统动力学模型具体构造过程如下：

构建车辆转向系统的动力学模型：

其中v_x和v_y分别表示车辆的纵向速度和横向速度，m表示车辆的质量，l_z表示车辆的转动惯量，Γ_z表示车辆的横摆角速度，ω₁(t)和ω₂(t)表示车辆的外界干扰，F_yf和F_yr分别表示车辆的前后轮横向轮胎力，Δ表示车辆的横摆力矩；

车辆的前后轮横向轮胎力可以表示为：

F_yi＝ζ_iα_i,(i＝f,r)， (2)

上式中，ζ_i表示轮胎侧偏刚度，α_i表示轮胎的偏离角，并且可以得到：

上式中，表示前轮转向角；

定义系统的状态变量控制输入外部干扰根据公式(1)至(3)，则车辆模型的状态方程可以整理为：

系统矩阵为：

系统的测量输出y(t)可以表示为：

y(t)＝ζ₁χ(t)， (5)

上式中，ζ₁＝[01]；

系统的控制输出z(t)可以表示为：

z(t)＝ζ₂χ(t)， (6)

上式中，ζ₂＝diag{1,1}；

有效的状态反馈控制器设计可以保证系统稳定，并且满足H_∞的性能：

上式中，λ表示一个正常量。

3.根据权利要求1所述的汽车主动前轮转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤二中T-S模糊模型的具体构造过程如下：

由于车辆的质量是伴随负载和乘客数量变化而发生改变的，车辆的质量m和转动惯量l_z将成为一个变化的参数；基于公式(4)至(7)，通过采用T-S模糊模型的方法，假设m(t)∈[m_min m_max]和l_z(t)∈[l_zmin l_zmax],可以得到含有执行器故障的模糊车辆模型：

其中，ξ_i(θ(t))表示隶属度函数。

4.根据权利要求1所述的汽车主动前轮转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤三中执行器故障模型的具体构造过程如下：

在实际的系统中，执行器故障是不可避免的，它会降低转向系统的性能；执行器故障模型可以表示为：

μ_f(t)＝δ_aμ(t)， (9)

其中，矩阵变量δ_a＝diag{δ_a1,δ_a2,...,δ_as}，并且变量δ_ai(i＝1,2,...,s)满足不等式则未知的参数δ_a可以表示为：

δ_a＝δ_a0(I+ρ_a),|ρ_a|≤J_a≤I。 (10)

5.根据权利要求1所述的汽车主动前轮转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤四中时延模型的具体构造过程如下：

在信息传输的过程中，考虑时延和数据丢包的影响，则可得到：

上式中，σ(k)表示在采样时刻的数据丢包的数量t_k，h表示采样周期，τ_k表示时延。

6.根据权利要求1所述的汽车主动前轮转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤四中前轮转向角控制器和横摆力矩控制器的具体构造过程如下：

设计的前轮转向角控制器和横摆力矩控制器可以表示为：

其中，K表示期望的控制器增益；

因此，采用前轮转向角控制器和横摆力矩控制器对车辆转向系统进行实时控制，保证系统稳定，并且满足H_∞性能。