CN110605973B - 一种基于分层结构的多轴分布式电驱动车辆操纵稳定性控制方法 - Google Patents

一种基于分层结构的多轴分布式电驱动车辆操纵稳定性控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分层结构的多轴分布式电驱动车辆操纵稳定性控制方法，上层运动控制器基于驾驶员输入和线性二自由度模型确定目标状态，并基于侧翻和侧滑等约束对目标状态加以限制，应用滑模控制理论，将参考运动状态计算得出目标控制力(矩)；下层控制器基于最优控制分配理论，在电机和轮胎力的多约束下，以轮胎负荷率最低为性能目标，实现转矩的合理分配。本发明方法能有效提升车辆在高低附着路面下的路径跟随能力和操稳性，增强驱动系统的容错能力，降低驾驶员的操作难度。

Description

一种基于分层结构的多轴分布式电驱动车辆操纵稳定性控制 方法
技术领域
本发明涉及一种基于分层结构的多轴分布式电驱动车辆操纵稳定性控制方法，属于汽车控制技术领域。
技术背景
特种车辆的混合电传动技术是未来的一种重要驱动形式和技术路线。车辆底盘的电动化对驱动型式带来了巨大变革：相较于集中式动力源的传统驱动型式，电动化底盘则采取发动机—发电机组和电池提供能源，并通过分布式布置的电机驱动车轮。构型的变革既带来了新的控制自由度，也提高了控制难度。
对于重型车辆，其一般设计用于运输超长、超重货物，既要求具有良好的动力性，又要求车辆能适应非道路条件上行驶。多轴分布式驱动车辆载质量大、驱动单元多且车辆行驶工况复杂，对多轴分布式驱动车辆的动力学和操稳特性的控制是亟待解决的技术难题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于分层结构的多轴分布式电驱动车辆操纵稳定性控制方法，具体包括以下步骤：
包括上层运动控制器和下层转矩分配控制器；
所述上层运动控制器计算广义纵向合力Fxc、广义侧向合力Fyc以及广义横摆力矩Mzc；
以车速偏差Δvx为输入变量，设定广义纵向合力Fxc的滑模控制方程，以跟踪控制实际纵向车速vx；所述的车速偏差Δvx为目标车速vxd与实际纵向速度vx；所述目标车速vxd利用防侧滑与防侧翻条件进行约束；
以横摆角速度偏差Δω为输入变量，设定广义横摆力矩Mzc的滑模控制方程，以跟踪控制实际横摆角速度；所述横摆角速度偏差Δω为理想横摆角速度ωzd与实际横摆角速度ωz的差值；所述理想横摆角速度ωzd利用路面附着条件进行约束；
以质心侧偏角偏差Δβ为输入变量，设定广义侧向力Fyc的滑模控制方程，以跟踪控制实际质心侧偏角；所述质心侧偏角偏差Δβ为理想质心侧偏角βd与实际质心侧偏角β的差值；根据驾驶员输入转角和目标车速vxd，计算车辆稳定运行时的理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度ωzd。
所述下层转矩分配控制器，以所述上层运动控制器计算出的所述广义纵向合力Fxc、广义侧向合力Fyc以及广义横摆力矩Mzc作为输入变量，以轮胎负荷率最低为最优控制目标，分配计算各个驱动电机的转矩值。
优选地，还包括底层控制器，所述底层控制器基于抗积分饱和PI控制器对车辆进行滑转率控制。
优选地，以当前车轮滑移率、当前电机转矩值和当前电机外特性力矩为输入，根据滑移率大小进行滞环切换，当控制器饱和时停止对应方向的积分累计；输出的控制力矩一方面作为电机的力矩命令，也同时作为下一周期的下层控制分配的上限。
优选地，广义纵向合力Fxc的滑模控制方程为：
Figure BDA0002206149790000021
其中，vy为实际侧向速度，
Figure BDA0002206149790000022
Figure BDA0002206149790000023
为vx切换系数，
Figure BDA0002206149790000024
为vx滑模切换增益，FR为车辆的行驶阻力；第i轴左轮或右轮的驱动横向力Fywij由该轮的驱动电机产生，δij为第i轴第j个车轮的转角值，其中j＝1代表第i轴左轮，j＝2代表第 i轴右轮；m为整车质量；
优选地，广义横摆力矩Mzc的滑模控制方程为：
Figure BDA0002206149790000025
其中，
Figure BDA0002206149790000026
Figure BDA0002206149790000027
为ωz切换系数，
Figure BDA0002206149790000028
为ωz滑模切换增益；
优选地，广义侧向力Fyc的滑模控制方程为：
Figure BDA0002206149790000029
其中，
Figure BDA00022061497900000210
εβ为β切换系数，kβ为β滑模切换增益。
优选地，将修改后的步骤6移至此处
优选地，目标车速vxd还满足防侧滑与防侧翻的约束条件：
Figure BDA00022061497900000211
其中，μ为路面附着系数，L1为第1轴车轮轮心到车辆质心的长度，H为质心高度，B为轮距，Sslip为人为选取的侧滑安全系数；Sover为人为选取的侧翻安全系数,δ1为第1轴的车轮转角。
优选地，根据驾驶员踏板开度αxd解析目标车速vxd；
优选地，根据传感器和/或状态观测器得到车辆实际横摆角速度wz、实际质心侧偏角β和实际纵向车速vx。
优选地，根据驾驶员输入转角δd和目标车速vxd，通过二自由度车辆模型计算车辆稳定运行时的理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度ωzd。
本发明上层控制器基于驾驶员输入和线性二自由度模型确定目标状态，并基于侧翻和侧滑等约束对目标状态加以限制，应用滑模控制理论，将参考运动状态计算得出目标控制力(矩)；下层控制器基于最优控制分配理论，在电机和轮胎力的多约束下，以轮胎负荷率最低为性能目标，实现转矩的合理分配；底层控制器通过引入抗积分饱和PI方法对车辆进行滑移率控制。
至少包括以下有益效果：
1.基于分层的直接横摆力矩控制可以简化控制器结构；
2.本发明的上层控制器基于滑模控制法能够解决车辆的非线性特点，提高控制器抗干扰性能；
3.本发明下层控制器基于最优控制分配方法设定了考虑路面驱动力裕度的性能函数、考虑轮胎滑转能量损失的性能函数，能在跟踪驾驶员意图的基础上提高轮胎力储备并减小轮胎磨损；
4.本发明方法能有效提升车辆在高低附着路面下的路径跟随能力和操稳性，增强驱动系统的容错能力，降低驾驶员的操作难度。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明基于分层结构的操纵稳定性控制策略架构图；
图2为本发明多轴分布式驱动车辆受力分析图；
具体实施方式
为了避免下文多个符号下角标中同时出现的ij漏定义，特在此说明，其中i表示车轮所在的第i轴，j＝1代表第i轴左轮，j＝2代表第i轴右轮。
为了更了解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示为本发明基于分层结构的操纵稳定性控制策略，以五轴分布式驱动车辆为例，具体步骤如下：
步骤1)，传感器采集驾驶员输入转角δd和驾驶员踏板开度αxd；
步骤2)，根据驾驶员踏板开度αxd解析目标车速vxd；
目标车速vxd的计算过程如下：
vxd＝kαxd
其中，k为比例系数，表示目标车速与开度成正比；
同时目标车速vxd还满足防侧滑与防侧翻的约束条件：
Figure BDA0002206149790000031
其中，μ为路面附着系数，L1为第1轴车轮轮心到车辆质心的长度，H为质心高度，B为轮距，Sslip为人为选取的侧滑安全系数；Sover为人为选取的侧翻安全系数，δ1为第1轴的车轮转角。
步骤3)，根据传感器或状态观测器得到车辆实际横摆角速度wz、实际质心侧偏角β和实际纵向车速vx；
步骤4)，根据驾驶员输入转角δd和目标车速vxd，通过二自由度车辆模型计算车辆稳定运行时的理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度ωzd；
建立n轴分布式驱动车辆线性二自由度车辆模型如下：
Figure BDA0002206149790000041
其中，m为整车质量，Li为第i轴车轮轮心到车辆质心的长度，共n轴，Ci为第i轴的侧偏刚度，vx为实际纵向速度、vy为实际侧向速度，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，δi为第i轴的车轮转角。
同时理想横摆角速度ωzd还应满足路面附着约束条件，最终的理想横摆角速度ωzd为：
Figure BDA0002206149790000042
其中，
Figure BDA0002206149790000043
为稳态响应，其表达式如下：
Figure BDA0002206149790000044
其中，Le和K分别为等效轴距和稳定性因数；
sgn为符号函数，其表达式如下：
Figure BDA0002206149790000045
步骤5)，以质心侧偏角偏差Δβ、横摆角速度偏差Δωz、车速偏差Δvx作为输入变量，分别基于滑模控制，计算广义纵向合力Fxc、广义侧向合力Fyc以及广义横摆力矩Mzc，构成上层运动控制器；从而实现纵向车速跟踪控制和车辆的稳定性控制；
质心侧偏角偏差Δβ、横摆角速度偏差Δω和车速偏差Δvx，计算过程如下：
Δβ＝βd-β
Δωz＝ωzd-ωz
Δvx＝vxd-vx
基于车身的三自由度运动微分方程，建立上层运动控制器的控制系统：
Figure BDA0002206149790000046
Figure BDA0002206149790000047
Figure BDA0002206149790000051
其中，δij为第i轴第j个车轮的转角值，其中j＝1代表第i轴左轮，j＝2代表第 i轴右轮；Eywij是各车轮的驱动电机产生的驱动横向力；其中i表示车轮所在的第 i轴，j＝1代表第i轴左轮，j＝2代表第i轴右轮；ξx、ξy和ξz为外界干扰、模型误差和测量精度引起的误差项；FR为车辆的行驶阻力。
取广义纵向合力Fxc以实现实际纵向车速的跟踪控制，因此以车速偏差Δvx为输入变量，设定带有饱和函数的指数趋近律，设计切换函数如下：
Figure BDA0002206149790000052
Figure BDA0002206149790000053
其中，
Figure BDA0002206149790000054
为vx切换系数，
Figure BDA0002206149790000055
为vx滑模切换增益。
广义纵向合力的滑模控制方程为：
Figure BDA0002206149790000056
取广义横摆力矩Mzc以控制实际横摆角速度。以横摆角速度偏差Δω为输入变量，设定带有饱和函数的指数趋近律，设计切换函数如下：
Figure BDA0002206149790000057
Figure BDA0002206149790000058
其中，
Figure BDA0002206149790000059
为ωz切换系数，
Figure BDA00022061497900000510
为ωz滑模切换增益。
广义横摆力矩的滑模控制方程为：
Figure BDA00022061497900000511
取广义侧向力Fyc以控制实际质心侧偏角。以质心侧偏角偏差Δβ为输入变量，设定带有饱和函数的指数趋近律，设计切换函数如下：
Figure BDA00022061497900000512
Figure BDA00022061497900000513
其中，εβ为β切换系数，kβ为β滑模切换增益。
广义侧向力的滑模控制方程为：
Figure BDA00022061497900000514
广义横摆力矩和广义侧向力对实际横摆角速度和实际质心侧偏角分别进行的跟踪控制，最终实现了车辆的稳定性控制。
步骤6)，以上层运动控制器计算出的广义纵向合力、广义侧向合力以及广义横摆力矩作为输入变量，以轮胎负荷率最低为最优控制目标，分配计算各个驱动电机的转矩值，构成下层转矩分配控制器；
如图2所示可知，广义纵向合力Fxc、广义侧向合力Fyc以及广义横摆力矩Mzc，由各个车轮的驱动电机产生的驱动纵向力Fxwij组成，它们之间的关系如下：
第i轴左轮或右轮的驱动纵向力Fxwij由该轮的驱动电机产生，其中j＝1代表第 i轴左轮，j＝2代表第i轴右轮。
Figure BDA0002206149790000061
Figure BDA0002206149790000062
Figure BDA0002206149790000063
本发明基于最优控制分配理论将上述广义力和力矩分配到各个电动轮。
下层转矩分配控制器的控制问题表述为：
B·u＝v
umin≤u≤umax
其中，B为系统系数矩阵：
以5轴车轮，第1、2、4、5轴为转向轴为例：
Figure BDA0002206149790000064
Li为第i轴车轮轮心到车辆质心的长度；Db为轮距。
u为轮胎纵向力：
u＝[Fxw11 Fxw12 Fxw21 Fxw22 Fxw31 Fxw32 Fxw41 Fxw42 Fxw51 Fxw52]T
v为控制目标：
v＝[Fxc Fyc Mzc]T
其中，u受到电动轮输出转矩及变化率和路面条件的限制。对于电机输出转矩 Twij(限制，Twij(中i表示车轮所在的第i轴，j＝1代表第i轴左轮，j＝2代表第i轴右轮，在任意时刻tk，应满足：
Twijmin(tk)≤Twij(tk)≤Twijmax(tk)
特别的，对于发生故障已经失效的电机，假设其故障状态可知，则不应再向该电机分配力矩，此时，取Twijmin＝Twijmax＝0。
对实际的电机和控制器，为了避免转矩变化过快引发冲击不稳定，还应对电机转矩的变化速率有所限制，对ΔT时间后的电机，应满足：
Figure BDA0002206149790000071
其中，
Figure BDA0002206149790000072
和
Figure BDA0002206149790000073
为本领域技术人员根据电机特性和实际需求设定的电机转矩变化的下限和上限。
以轮胎负荷率最低设计性能函数并将其与逼近误差函数整合得到如下的目标函数：
Figure BDA0002206149790000074
其中，γ为协调因子，通过改变该因子的值可以调节逼近误差函数和性能函数的权重，当γ很大时，上式就等效于优先求解逼近误差函数，再求解性能函数；
Wu为性能函数的对角加权矩阵，表达式如下：
Figure BDA0002206149790000075
式中，cij为各电动轮纵向力权重，μij为路面附着系数,其中i表示车轮所在的第i轴，j＝1代表第i轴左轮，j＝2代表第i轴右轮，优选地，为方便车辆维护各电动轮纵向力相同，取cij＝1；
Wv为逼近误差函数的对角加权矩阵，表达式如下：
Wv＝diag[WvFxc WvFyc WvMzc]
式中，WvFxc WvFyc WvMzc分别为广义纵向合力Fxc的权重系数、广义侧向合力
Fyc的权重系数以及广义横摆力矩Mzc的权重系数。
下层转矩分配控制器的控制问题为凸二次规划问题，可以采用有效集法得到各驱动电机的转矩值最优解。
步骤7)，底层控制器基于抗积分饱和PI控制器对车辆进行滑转率控制；
选取“遇限削弱法”进行滑转率控制，以当前车轮滑移率、当前电机转矩值和当前电机外特性力矩为输入，根据滑移率大小进行滞环切换，当控制器饱和时停止对应方向的积分累计；输出的控制力矩一方面作为电机的力矩命令，也同时作为下一周期的下层控制分配的上限。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于分层结构的多轴分布式电驱动车辆操纵稳定性控制方法，其特征在于：
包括上层运动控制器和下层转矩分配控制器；
所述上层运动控制器计算广义纵向合力Fxc、广义侧向合力Fyc以及广义横摆力矩Mzc；
以车速偏差Δvx为输入变量，设定广义纵向合力Fxc的滑模控制方程，以跟踪控制实际纵向车速vx；所述的车速偏差Δvx为目标车速vxd与实际纵向速度vx的差值；所述目标车速vxd利用防侧滑与防侧翻条件进行约束；广义纵向合力Fxc的滑模控制方程为：
Figure FDA0002917514610000011
其中，vy为实际侧向速度，
Figure FDA0002917514610000012
Figure FDA0002917514610000013
为vx切换系数，
Figure FDA0002917514610000014
为vx滑模切换增益，FR为车辆的行驶阻力；第i轴左轮或右轮的驱动横向力Fywij由该轮的驱动电机产生，δij为第i轴第j个车轮的转角值，其中j＝1代表第i轴左轮，j＝2代表第i轴右轮；m为整车质量；
以横摆角速度偏差Δω为输入变量，设定广义横摆力矩Mzc的滑模控制方程，以跟踪控制实际横摆角速度；所述横摆角速度偏差Δω为理想横摆角速度ωzd与实际横摆角速度ωz的差值；所述理想横摆角速度ωzd利用路面附着条件进行约束；广义横摆力矩Mzc的滑模控制方程为：
Figure FDA0002917514610000015
其中，
Figure FDA0002917514610000016
Figure FDA0002917514610000017
为ωz切换系数，
Figure FDA0002917514610000018
为ωz滑模切换增益；
以质心侧偏角偏差Δβ为输入变量，设定广义侧向合力Fyc的滑模控制方程，以跟踪控制实际质心侧偏角；所述质心侧偏角偏差Δβ为理想质心侧偏角βd与实际质心侧偏角β的差值；根据驾驶员输入转角和目标车速vxd，计算车辆稳定运行时的理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度ωzd；广义侧向合力Fyc的滑模控制方程为：
Figure FDA0002917514610000019
其中，
Figure FDA00029175146100000110
εβ为β切换系数，kβ为β滑模切换增益；
所述下层转矩分配控制器，以所述上层运动控制器计算出的所述广义纵向合力Fxc、广义侧向合力Fyc以及广义横摆力矩Mzc作为输入变量，以轮胎负荷率最低为最优控制目标，分配计算各个驱动电机的转矩值。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还包括底层控制器，所述底层控制器基于抗积分饱和PI控制器结合当前各驱动电机的转矩值对车辆进行滑转率控制。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于：以当前车轮滑移率、当前驱动电机转矩值和当前驱动电机外特性力矩为输入，根据滑移率大小进行滞环切换，当控制器饱和时停止对应方向的积分累计；输出的控制力矩一方面作为驱动电机的力矩命令，也同时作为下一周期的下层控制分配的上限。
4.如权利要求1至3任一项所述的控制方法，其特征在于：
所述目标车速vxd利用防侧滑与防侧翻条件进行约束的条件：
Figure FDA0002917514610000021
其中，μ为路面附着系数，L1为第1轴车轮轮心到车辆质心的长度，H为质心高度，B为轮距，Sslip为人为选取的侧滑安全系数；Sover为人为选取的侧翻安全系数,δ1为第1轴的车轮转角。
5.如权利要求1至3任一项所述的控制方法，其特征在于：
根据驾驶员踏板开度αxd解析目标车速vxd。
6.如权利要求1至3任一项所述的控制方法，其特征在于：
根据传感器和/或状态观测器得到车辆实际横摆角速度ωz、实际质心侧偏角β和实际纵向车速vx。
7.如权利要求1至3任一项所述的控制方法，其特征在于：
根据驾驶员输入转角δd和目标车速vxd，通过二自由度车辆模型计算车辆稳定运行时的理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度ωzd。
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