CN110395120A

CN110395120A - 一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法

Info

Publication number: CN110395120A
Application number: CN201910750704.3A
Authority: CN
Inventors: 苏亮; 熊璐; 刘志伟; 冷搏; 龚刚; 宋光吉; 黄玲; 陈超; 朱武喜
Original assignee: Xiamen King Long United Automotive Industry Co Ltd
Current assignee: Xiamen King Long United Automotive Industry Co Ltd
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2019-11-01
Also published as: US20210046922A1; US11364895B2

Abstract

本发明公开了一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，涉及车辆控制技术领域。其采用分层控制的方法，上层为运动跟踪层，采用非线性车辆模型和参考不足转向度计算车辆稳态的转向响应，同时由路面附着条件限值进行约束，根据稳态下的侧偏角响应以及垂直载荷变化，利用魔术轮胎公式计算稳态侧向力响应和轮胎自回正力矩响应；然后利用横摆运动平衡方程计算出需求的附加横摆力矩；下层为执行器控制层，结合当前行驶工况，通过优化算法将广义控制力合理分配到四个驱动电机上；最后通过离线将不同车辆参数在不同上层需求的离线分配计算结果进行存储和查表，实现根据路面附着条件对四个驱动轮进行转矩分配，控制车辆的横摆运动，保证行驶稳定性。

Description

一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法

技术领域

本发明涉及车辆控制技术领域，具体地说是指一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法。

背景技术

传统中央驱动式纯电动车辆在正常行驶过程中，其左右驱动轮之间通过差速器时刻保持着差速等矩的状态。该工作状态随路面状况进行随动控制，整车VCU无法强制改变，所以，对车辆的运动状态会出现控制不足的情形。分布式驱动车辆，尤其是四驱系统，由于每个驱动轮均可以独立控制，这大大增强了驾驶员对整车的掌控力度，也增加了整车操稳性的可控性。如何根据行驶工况协调四个驱动电机来保持整车的横摆稳定性，尤其在转向过程中，就显得尤为重要。

发明内容

本发明提供一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，其主要目的在于解决现有技术中存在的上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，采用分层控制的方法，分层控制的上层为运动跟踪层；具体包括以下步骤：（1）整车VCU对传感器采集到的原始数据进行白噪声滤波处理；（2）基于魔术轮胎模型，构建广义龙贝格观测器，融合积分算法对质心侧偏角β进行估算；（3）依据质心侧偏角β的估算结果，利用魔术公式计算车辆稳态下的侧向力F_y和自回正力矩M_z；（4）基于横向加速度a_y和纵向加速度a_x计算四个驱动轮的垂向载荷F_z；（5）采用双轨二自由度非线性车辆模型并参考理想不足转向度US，在稳态条件下计算不同方向盘转角δ_f、车速V_x和路面附着系数μ下的前馈横摆力矩M_FF；（6）根据当前行驶路面的附着系数限值，得到当前路面条件下的理想横摆角速度；采用抗积分饱和的滑膜控制来实现车辆横摆角速度对参考横摆角速度的跟踪，计算得到反馈横摆力矩M_FB；则总期望横摆力矩∆M_Z=M_FF+M_FB。

上述控制方法还包括以下步骤：（7）通过离线计算得到车辆在不同油门和车速下的输出转矩MAP图；根据驾驶员的操作意图，通过对油门开度和车速插值得到整车的期望纵向驱动力矩T_req；（8）分层控制的下层为执行器控制层；对期望横摆力矩ΔM_Z和期望纵向驱动扭矩T_req进行分配，根据不同的行驶工况，采用相应的优化算法把广义驱动力分配到四个驱动电机上；（9）通过离线将不同车辆参数在不同上层需求的离线分配计算结果进行存储和查表，实现车辆的横摆运动控制。

具体地，所述步骤（2）中的质心侧偏角β的估算公式为：

式中，β_model为用观测器得到的质心侧偏角估计值，β_kin为积分法得到的质心侧偏角估计值，τ为时间常数。

具体地，所述步骤（5）中，车辆模型的动力学方程为：

。

具体地，增加抗积分饱和后的运动跟踪反馈横摆力矩为：

。

具体地，所述步骤（8）中，当车辆处于直驶工况，以四个驱动电机的总效率最优为目标进行驱动力分配，而当车辆处于转向工况，总轮胎路面附着利用率最小为目标进行驱动力分配。

具体地，优化目标四个驱动电机的总效率最高时，确定前后电机输出转矩之比K_eco，使四个电机的输出力矩在满足加速需求的前提下总效率最高：

。

具体地，优化目标为四个车轮的路面附着利用率最小时，采用最小二乘规划序列，将优化目标和约束表示成二范数的形式：

。

由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明采用双轨二自由度非线性车辆模型和参考不足转向度计算车辆稳态的转向响应，同时由路面附着条件限值进行约束，根据稳态下的侧偏角响应以及垂直载荷变化，利用魔术轮胎公式计算稳态侧向力响应和轮胎自回正力矩响应；然后利用横摆运动平衡方程计算出需求的附加横摆力矩；下层为执行器控制层，结合当前行驶工况，通过优化算法将广义控制力合理分配到四个驱动电机上；最后通过离线将不同车辆参数在不同上层需求的离线分配计算结果进行存储和查表，实现根据路面附着条件对四个驱动轮进行转矩分配，控制车辆的横摆运动，保证行驶稳定性。

附图说明

图1为本发明的控制系统原理图。

图2为本发明的分层控制逻辑图。

图3为车辆动力学模型图。

图4为车辆油门转矩解析MAP图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本发明采用分层控制的思想，设计分布式驱动电动汽车的转矩矢量控制算法。使用分层控制可以有效地解决车辆操纵稳定性控制问题中车辆动力学与轮胎动力学的关系。具体地，控制系统由两个控制层构成，控制系统的上层为运动跟踪层，采用基于前轮转角的前馈控制与基于运动模型的跟踪控制算法。根据驾驶员的输入信号（加速踏板行程、转向盘转角等）、车辆当前状态反馈、参考车辆模型的理想状态等信息，计算所需要的广义控制力（一般为直接横摆力矩以及纵向加速度需求）；控制系统的下层为执行器控制层，以将广义控制力输入分配到各个车轮上，通过控制轮边电机转矩，从而得到不同的轮胎纵向力，实现车辆横摆转矩控制。

一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，包括以下步骤：

（1）整车VCU对传感器采集到的原始数据进行白噪声滤波处理。上述原始数据包括方向盘转角传感器的方向盘转角信号、车身姿态传感器的加速度，横摆角速度信号以及轮速传感器的转速信号。

（2）基于魔术轮胎模型，构建广义龙贝格观测器，融合积分算法对质心侧偏角β进行估算。

具体地，魔术公式描述如下：

式中，Y(x)可以为轮胎所受地面的纵向力F_x、侧向力F_y或者回正力矩M_z等轮胎力，只是在表示不同的轮胎作用力时，其相应的模型参数不同，需要进行相应调整；自变量X表示轮胎的侧偏角或纵向滑移率；系数B为刚度因子，C为曲线形状因子，D为峰值因子，E为曲线曲率因子；分别代表轮胎作用力拟合曲线原点的水平偏移量和垂直偏移量；y（x）表示轮胎作用力拟合曲线。

龙贝格观测器描述如下：

其中，

式中，为状态函数，为观测函数，为观测器增益函数，A为状态矩阵，B为输入矩阵，u为输入变量，这里为前轮转角。

积分法估算质心侧偏角为：

其中，α_y为车身侧向加速度，γ为车身横摆角速度。

将其两边进行积分，可得到

为了解决积分法误差积累的问题，设置积分重置机制，当车辆保持较长时间直线行驶时，对积分法进行重置，以减小误差积累。以方向盘转角信号为依据，当方向盘转角在±10°以内保持5s以上，重置积分。

利用以下公式将模型法与积分法融合，在低频范围内，基于动力学方法的估计结果对最终估计结果起主要作用，此时，估计结果对传感器偏置误差和路面横向坡度具有较强的鲁棒性。在高频响应阶段，运动学方法的估计结果起主要作用，此时，估计结果对模型误差具有较强的鲁棒性，并且对质心侧偏角的动态变化估计得更准确。因此，融合估计方法对传感器偏差和模型误差的鲁棒性都有所加强，同时，由于该融合估计方法使用到了信号所有的频率，因此，其估计结果的相位滞后也相对更小。

（3）依据质心侧偏角估算结果利用魔术公式计算车辆稳态下的侧向力F_y和自回正力矩M_z。

上述魔术公式根据轮胎规格的不同，里面的系数值不同，可以得到以下轮胎侧向力计算公式和自回正力矩计算公式。

轮胎侧向力计算公式为：

式中，γ为车轮外倾角，a₀、a₁、……、a₁₂为拟合系数。车轮外倾角是车轮平面与车辆坐标轴的垂直轴的夹角，在理想情况下，不考虑车轮外倾角和漂移的影响，即轮胎侧倾角γ为0，S_h，S_v分别为0。

自回正力矩计算公式为：

式中，γ为车轮外倾角，c₀、c₁、……、c₁₇为拟合系数。

（4）基于横向加速度a_y和纵向加速度a_x计算四个驱动轮的垂向载荷F_z。

具体地，垂向载荷计算公式为：

式中，m为整车质量，l，lr，lf分别为轴距，后轴到质心的距离，前轴到质心的距离，前轴到质心的距离；hg为质心高度，ax，ay分别为车辆的纵向加速度和侧向加速度。

（5）采用双轨二自由度非线性车辆模型并参考理想不足转向度US，在稳态条件下计算不同方向盘转角δf、车速Vx和路面附着系数μ下的前馈横摆力矩M_FF。

参照图3，为了研究车辆的操纵稳定性，在二自由度车辆模型中认为车辆只作平行于地面的平面运动，同时车辆的前进速度为恒量，此时车辆共有横摆角速度和质心侧偏角两个自由度。通过设计控制策略使实际车辆尽可能的跟踪参考模型行驶。

为了设计控制律，对上述模型作如下进一步简化，认为内侧外车轮具有相同的轮胎侧偏特性，于是得到车辆模型的动力学方程：

其中，

上述式子中，F_xf为前轴等效纵向力，M_zf(α_f)为前轴的等效自回正力矩，M_zr(α_r)为后轴的等效自回正力矩，M_z(F_d)为左右侧车轮滚阻因载荷转移引起的横摆力矩，M_z(F_yfδ_f)为前轴侧向力由于前轮转角而引起的轮间横摆力矩，ΔM_z0为总的附加横摆力矩。

车辆理想不足转向度为：

式中，α_f为前轴等效侧偏角，α_r为后轴等效侧偏角，a_y为车辆侧向加速度。

前、后轴侧偏角为：

则得到不足转向度表达式：

由式1.6可以计算得到在不同的前轮转角和车速的输入下的参考侧向加速度：

故，车辆的前后轴侧偏角之差为：

联立上述式（1.1）、(1.7)和(1.8)，得到车辆的前轴参考侧偏角α_fref和后轴参考侧偏角α_rref；再将前轴参考侧偏角α_fref和后轴参考侧偏角α_rref代入上述式（1.2），在稳态条件下，得到不同方向盘转角、车速和路面附着系数下的前馈横摆力矩M_FF=ΔM_Z0。

（6）根据当前行驶路面的附着系数限值，得到当前路面条件下的理想横摆角速度；采用抗积分饱和的滑膜控制来实现车辆横摆角速度对参考横摆角速度的跟踪，计算得到反馈横摆力矩M_FB；则总期望横摆力矩∆M_z=M_FF+M_FB。

具体地，考虑到路面条件的限制（a_y<μg），忽略常规工况下较小的质心侧偏角,根据车辆二自由度模型可以得到由路面条件限制的理想横摆角速度：

为提高横摆角速度误差反馈控制对建模误差和外界扰动的鲁棒性，本发明选用滑模控制来实现车辆横摆角速度对参考横摆角速度的跟踪。

运动跟踪误差为：

为了能够快速到达参考状态，本发明选择等速趋近律：

其中，k>0且为常数，表示趋近滑模面的速率；k越大，趋近速度越快。

因此，施加的附加横摆力矩为：

k _p,M表示收敛速率，一般在允许的控制能力范围内设计的足够大，以使误差快速收敛。

滑模控制的缺点是其在滑模面附近的非连续特性造成控制信号抖动，影响控制效果。为消除滑模控制器的抖动问题，一般采用饱和函数代替符号函数设计控制律，得到连续滑模控制律。因此，本发明将附加横摆力矩改为：

式中，θ>0为饱和函数边界层厚度。θ过大会导致不稳定，过小会出现抖动。

采用饱和函数，能够改善抖振，但同时会产生跟踪误差。滑模积分控制可以改善边界层内响应、减小误差。此外，考虑到积分饱和，设计抗积分饱和滑模控制器。

重新选取误差变量：

式中，k_i，M为误差积分的控制系数，为正常数；σ为控制器设计的中间变量，定义如下：

因此，增加抗积分饱和后的运动跟踪反馈横摆力矩为

（7）离线计算得到车辆在不同油门和车速下的输出转矩MAP图；根据驾驶员的操作意图，通过对油门开度和车速插值得到整车的期望纵向驱动力矩T_req。

参照图4，具体地，通过离线计算完成车辆油门的转矩解析MAP图，通过驾驶员的油门开度输入和当前车辆纵向车速进行查表，输出是整车的期望纵向驱动转矩T_req 。

（8）对上层得到的总期望横摆力矩ΔM_Z和期望纵向驱动扭矩T_req进行分配，根据不同的行驶工况，采用相应的优化算法把广义驱动力分配到四个驱动电机上。

具体地，当车辆处于直驶工况，以四个驱动电机的总效率最优为目标进行驱动力分配，而当车辆处于转向工况，总轮胎路面附着利用率最小为目标进行驱动力分配。

更具体地，（a）经济模式下的转矩优化分配

经济模式转矩优化分配即根据车辆当前状态，确定前后电机输出转矩之比K _eco，使四个电机的输出力矩在满足加速需求的前提下总效率最高：

在经济模式转矩优化分配的控制模式下，车辆往往作直线运动或者方向盘转角输入较小的转向运动，此时车辆需求的附加横摆力矩较小。因此，在优先满足车辆的加速需求后，车辆的横摆力矩需求直接通过后轴的左右车轮差动转矩实现，降低前轴差动横摆力矩带来的方向盘助力特性变化。

（b）考虑轮胎利用率最小的转矩优化分配

车辆操纵稳定性控制所需的广义控制力：

控制变量为作用到各个车轮的纵向力：

根据车辆模型，有

各车轮纵向力受电机外特性、响应速率以及路面的约束，如下式所示:

其中k=fl，fr，rl，rr分别代表左前轮、右前轮、左后轮和右后轮。T _max为电机在当前转速下可提供的最大转矩，dT为一个控制周期内电机转矩可以改变的最大值。路面附着约束中，各个车轮的路面附着系数通过参数在线辨识获得，而垂向载荷可以通过纵、侧向加速度估算得到。

优化目标为四个车轮的路面附着利用率最小：

采用最小二乘规划序列，将优化目标和约束表示成二范数的形式：

（9）通过离线将不同车辆参数在不同上层需求的离线分配计算结果进行存储和查表，实现车辆的横摆运动控制。其中，车辆参数包括质量、质心位置和路面附着系数。

综上，本发明采用双轨二自由度非线性车辆模型和参考不足转向度计算车辆稳态的转向响应，同时由路面附着条件限值进行约束，根据稳态下的侧偏角响应以及垂直载荷变化，利用魔术轮胎公式计算稳态侧向力响应和轮胎自回正力矩响应；然后利用横摆运动平衡方程计算出需求的附加横摆力矩；下层为执行器控制层，结合当前行驶工况，通过优化算法将广义控制力合理分配到四个驱动电机上；最后通过离线将不同车辆参数在不同上层需求的离线分配计算结果进行存储和查表，实现根据路面附着条件对四个驱动轮进行转矩分配，控制车辆的横摆运动，保证行驶稳定性。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims

1.一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，采用分层控制的方法，分层控制的上层为运动跟踪层；具体包括以下步骤：（1）整车VCU对传感器采集到的原始数据进行白噪声滤波处理；其特征在于，还包括以下步骤：（2）基于魔术轮胎模型，构建广义龙贝格观测器，融合积分算法对质心侧偏角β进行估算；（3）依据质心侧偏角β的估算结果，利用魔术公式计算车辆稳态下的侧向力F_y和自回正力矩M_z；（4）基于横向加速度a_y和纵向加速度a_x计算四个驱动轮的垂向载荷F_z；（5）采用双轨二自由度非线性车辆模型并参考理想不足转向度US，在稳态条件下计算不同方向盘转角δ_f、车速V_x和路面附着系数μ下的前馈横摆力矩M_FF；（6）根据当前行驶路面的附着系数限值，得到当前路面条件下的理想横摆角速度；采用抗积分饱和的滑膜控制来实现车辆横摆角速度对参考横摆角速度的跟踪，计算得到反馈横摆力矩M_FB；则总期望横摆力矩∆M_Z=M_FF+M_FB。

2.根据权利要求1所述的一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：（7）通过离线计算得到车辆在不同油门和车速下的输出转矩MAP图；根据驾驶员的操作意图，通过对油门开度和车速插值得到整车的期望纵向驱动力矩T_req；（8）分层控制的下层为执行器控制层；对期望横摆力矩ΔM_Z和期望纵向驱动扭矩T_req进行分配，根据不同的行驶工况，采用相应的优化算法把广义驱动力分配到四个驱动电机上；（9）通过离线将不同车辆参数在不同上层需求的离线分配计算结果进行存储和查表，实现车辆的横摆运动控制。

3.根据权利要求1所述的一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，其特征在于：所述步骤（2）中的质心侧偏角β的估算公式为：

4.根据权利要求1所述的一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，其特征在于：所述步骤（5）中，车辆模型的动力学方程为：

。

5.根据权利要求1所述的一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，其特征在于：增加抗积分饱和后的运动跟踪反馈横摆力矩为：

。

6.根据权利要求2所述的一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，其特征在于：所述步骤（8）中，当车辆处于直驶工况，以四个驱动电机的总效率最优为目标进行驱动力分配，而当车辆处于转向工况，总轮胎路面附着利用率最小为目标进行驱动力分配。

7.根据权利要求5所述的一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，其特征在于：优化目标四个驱动电机的总效率最高时，确定前后电机输出转矩之比K_eco，使四个电机的输出力矩在满足加速需求的前提下总效率最高：

。

8.根据权利要求5所述的一种四轮分布式驱动客车的横摆运动控制方法，其特征在于：优化目标为四个车轮的路面附着利用率最小时，采用最小二乘规划序列，将优化目标和约束表示成二范数的形式：

。