CN111055837B - 一种基于启发式算法的车辆横向稳定性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于启发式算法的车辆横向稳定性控制方法，包括下述步骤：采集汽车的参数；需要采集的参数包括固有参数和实时参数，其中：固有参数：包括汽车总质量m，转动惯量I_z，前、后轴到汽车重心的距离l_f、l_r，以及前、后轮的侧偏刚度C_f、C_r；这些参数是汽车固有的，可提前采集并存储；本发明采用启发式算法来求解输出反馈控制器，避免了传统求解方法中的复杂迭代；考虑汽车纵向速度和轮胎侧偏刚度为不确定参数，本发明所设计的控制器鲁棒性更好，能够计算出合适的横摆力矩，控制质心侧偏角和横摆角速度在一个合适的范围内，提高汽车的操纵性能，改善汽车的横向稳定性能，降低汽车运行过程中发生危险情况的可能。

Description

一种基于启发式算法的车辆横向稳定性控制方法

技术领域

本发明涉及车辆稳定性控制技术领域，具体涉及一种基于启发式算法的车辆横向稳定性控制方法。

背景技术

随着人民生活水平的不断提高，中国的汽车保有量迅速上升，而随着汽车数量的増多，交通安全问题己经成为了一个社会性问题。中国是世界上交通事故率最高的国家之一，这引起了人们对汽车行驶安全性能的高度重视。汽车安全性防护可根据其作用时间的差异分为被动安全和主动安全两方面：被动安全防护设有安全气囊、高强度车身等防护措施，通过减少事故发生时对乘客的冲击伤害来达到防护效果；主动安全技术包括以提高车辆的稳定性为主的底盘动力学控制，最为典型的是车身电子稳定性控制系统和四轮转向系统，其主要根据汽车的动力学原理，对汽车的内部构造和控制方案进行设计，实现对汽车运行姿态进行检测、修正、报警等方式来主动预防事故的产生，其中ABS、ASR等技术是主动安全技术典型的代表。早期，在汽车安全方面的研究主要集中在被动安全性方面，但随着社会发展，汽车越来越多，交通压力也日益变大，被动安全性方面的技术已不能很好的满足汽车安全性的要求，而以预防为核心的主动安全性己经成为如今交通的迫切要求，且已经成为了本世纪研究汽车安全性能的重点。汽车直接横摆力矩控制(简称DYC，Direct Yaw-momentControl)的研究就是旨在淡化驾驶人员的操作技能对车辆运动安全性的影响，在车辆的各种行驶状态下通过对每个车轮的受力进行调节，产生横摆力矩，克服过多转向或不足转向，从而主动地对车辆进行动力学控制，提高汽车在高速和恶劣道路等极限条件下行驶时的操纵稳定性。

现有技术中，中国专利CN107215329A公开了一种基于ATSM的分布式驱动电动汽车横向稳定性控制方法，该方法也是针对汽车横向动力学稳定性的控制方法，所用方法为二阶滑模变结构算法中的螺旋滑模控制算法，但是，没有考虑汽车参数不确定性因素，因此所设计的控制器在汽车速度发生较大变化时并不能保证稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于启发式算法的车辆横向稳定性控制方法，该方法能够提高汽车的操纵性能，改善汽车的横向稳定性能，降低汽车运行过程中发生危险情况的可能。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于启发式算法的车辆横向稳定性控制方法，包括下述步骤：

步骤一，采集汽车的参数；

需要采集的参数包括固有参数和实时参数，其中：

固有参数：包括汽车总质量m，转动惯量I_z，前、后轴到汽车重心的距离l_f、l_r，以及前、后轮的侧偏刚度C_f、C_r；这些参数是汽车固有的，可提前采集并存储；

实时参数：包括前轮转向角δ，汽车纵向速度v_x，横摆角速度r，质心侧偏角β；这些参数中，前轮转向角可通过传感器采集方向盘转角，然后通过转向传动机构的参数来计算获得；横摆角速度可通过陀螺仪测算获得；车身纵向速度和质心侧偏角可通过状态参数估计器结合方向盘转角、横摆角速度、车身各方向加速度计算得到，车身各方向加速度可由陀螺仪得到；

步骤二，利用汽车的参数，建立包含参数不确定性的汽车状态反馈控制模型；

在该步骤中，首先建立汽车二自由度模型，根据牛顿力学定律，可得到以下方程：

在上述方程中：

F_yf＝C_fα_f,F_yr＝C_rα_r

其中，C_f、C_r分别为前后轮胎的侧偏刚度，α_f,α_r分别为前、后轮侧偏角；

选取质心侧偏角β和横摆角速度r作为控制模型的状态变量，可得到如下汽车横向运动模型：

其中：

x＝[β r]^T,u(t)＝ΔM_z,w(t)＝δ,

考虑上述模型中的车辆纵向速度v_x为不确定参数，令q₁＝1/v_x,q₂＝1/v_x ²，则系统可以描述为：

其中：

假设汽车纵向速度在一定在范围内变化，则q_i在范围

内变化，i＝1,2；则变量q的值就会在一个多胞体范围内变化，可以记为：

其中：

上式中，参数上部的横线表示可取的最大值，下部的横线表示可取的最小值；因为考虑纵向速度为不确定因素，因此假设纵向速度在一定范围内取值，如q ₁表示q₁可取的最小值即纵向速度最大时，

表示q₁可取的最大值即纵向速度最小时；

然后，考虑上述模型中的轮胎侧偏刚度为不确定参数，即有：

C_f＝C_f0+ΔC_f,C_r＝C_r0+ΔC_r，

其中C_f0，C_r0为基础值，ΔC_f,ΔC_r为不确定部分，且有

ρ_f,ρ_r为时变的系数，且取值有|ρ_f|≤1,|ρ_r|≤1，

为不确定量的最大值；

基于以上分析，可得系统方程为：

其中：

ΔA,ΔB₁可以表示为以下形式：

ΔA＝HΓE_a(q),ΔB₁＝HΓE_b(q),H＝[I I],Γ＝diag{ρ_f,ρ_r}.

E_a(q)＝[E_af(q) E_ar(q)]^T,E_b(q)＝[E_bf(q) 0_1×2]^T，

也可写为如下形式：

为了获得更好的操纵性和稳定性，质心侧偏角应趋近于0，横摆角速度应趋近于以下参考值：

其中K_u为车身相关的一个固有参数；

选取系统输出变量为

其中c_β,c_r分别为两个被控变量的权重系数；C₁＝diag{c_β,c_r},D₁(q)＝[0,-c_rq₁/(l_f+l_r)K_u]^T；

设系统的状态反馈控制器为u_sf＝K_sf·x，则闭环系统可表示为：

其中A_sf＝A+B₂K_sf；

步骤三，求解状态反馈控制器增益矩阵K_sf；

所述步骤二中建立了汽车控制系统模型，针对该系统模型，需要确定状态反馈增益矩阵K_sf的取值；选取H_∞参数来表征输出z(t)，设

||T₁||_∞表示系统的H_∞增益，||z||₂,||δ||₂分别表示z和δ的二范数，由于实际情况中前轮转向角δ是有一定限度的，因此δ∈L₂，L₂表示前轮转向角的取值范围；此外，考虑控制力执行机构的饱和，控制力应满足条件||u||²≤u_max；

基于以上分析，通过求解以下两个线性矩阵不等式，即可解出K_sf：

其中，u_max和γ_∞为给定的正标量，ε,η为需要求解的正标量，W和X为需要求解的矩阵变量，且X为正定对称矩阵，i＝1,2,3,4.，通过求解出W和X，可得K_sf＝WX^-1；

步骤四，建立汽车输出反馈的控制模型，并求解输出反馈控制器；

类似步骤二，考虑静态输出反馈控制器u＝K_sof·y＝K_sofC_yx(t)，C_y＝diag{0,1}，则闭环系统可表达为：

其中A_sof＝A(q)+B₂K_sofC_y.，其余参数与步骤二中相同；

然后求解以下线性矩阵不等式：

其中：

ζ_i＝[K 0 -I]^T[L_iC_y 0 -F],

γ_∞为给定的正标量，K＝K_sf，K_sf为步骤三中求解出的状态反馈控制增益矩阵，λ为需求解的正标量，L_i,F,P为需求解的适当维度的矩阵变量，且P为正定对称矩阵，i＝1,2,3,4.最终可得输出反馈控制增益为：

然后通过下式计算汽车的横摆力矩ΔM_z：

u＝ΔM_z＝K_sofC_yx(t)；

通过力矩分配系统计算出需要分配到每个车轮的力矩，再通过动力系统动作来产生所需力矩，以实现汽车横向稳定性控制。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明采用启发式算法来求解输出反馈控制器，避免了传统求解方法中的复杂迭代；考虑汽车纵向速度和轮胎侧偏刚度为不确定参数，本发明所设计的控制器鲁棒性更好，能够计算出合适的横摆力矩，控制质心侧偏角和横摆角速度在一个合适的范围内，提高汽车的操纵性能，改善汽车的横向稳定性能，降低汽车运行过程中发生危险情况的可能；考虑存在难以在线测量的状态变量，本发明采用静态输出反馈的方法来设计控制器。

附图说明

图1为本发明线性二自由度汽车模型示意图；

图2为本发明控制系统示意图。

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。

汽车行驶过程中，为了保证安全性和舒适性，需要控制汽车的质心侧偏角和横摆角速度在一定的范围内。当汽车高速运行的时候，要求汽车的响应速度要快、稳定性要好、安全性要高，当汽车低速运行的时候，要求汽车在保持横向稳定性的同时还能提高电动汽车的机动性能，因此要求汽车质心侧偏角的响应值应该尽量趋近于零。而横摆角速度是指汽车绕垂直轴的偏转，该偏转的大小代表汽车的稳定程度。如果偏转角速度达到一个阈值，说明汽车发生测滑或甩尾等危险工况的可能性较大。因此汽车质心侧偏角和横摆角速度这两个参数在汽车运行过程中是需要加以关注的。考虑到车辆运行中一些参数难以实时测量，本发明提出了一种基于输出反馈的横摆力矩控制方法，并利用一种新型的启发式算法来求解输出反馈控制器。考虑汽车速度和轮胎侧偏刚度为不确定变量，通过设计的控制器计算出需要提供的合适的横摆力矩，控制上述两个参数(质心侧偏角和横摆角速度)在一个合适的范围内，提高汽车的操纵性能，改善汽车的横向稳定性能，降低汽车运行过程中发生危险情况的可能。在本发明中，需要先求解系统的状态反馈控制增益，然后用状态反馈控制增益来求解输出反馈控制增益。

具体来说，如图1～2所示，一种基于启发式算法的车辆横向稳定性控制方法，包括下述步骤：

步骤一，采集汽车的参数；

需要采集的参数包括固有参数和实时参数，其中：

固有参数：包括汽车总质量m，转动惯量I_z，前、后轴到汽车重心的距离l_f、l_r，以及前、后轮的侧偏刚度C_f、C_r；这些参数是汽车固有的，可提前采集并存储；

实时参数：包括前轮转向角δ，汽车纵向速度v_x，横摆角速度r，质心侧偏角β；这些参数中，前轮转向角可通过传感器采集方向盘转角，然后通过转向传动机构的参数来计算获得；横摆角速度可通过陀螺仪测算获得；车身纵向速度和质心侧偏角可通过状态参数估计器结合方向盘转角、横摆角速度、车身各方向加速度计算得到，车身各方向加速度可由陀螺仪得到；

步骤二，利用汽车的参数，建立包含参数不确定性的汽车状态反馈控制模型；

在该步骤中，首先建立汽车二自由度模型，该模型的示意图如图1所示，CG表示汽车的重心，m为汽车总质量，β为汽车质心侧偏角，r为横摆角速度，

为横摆角加速度(横摆角速度的一阶导数)，F_yf和F_yr分别为前、后轮的侧向力，v_y和v_x分别是汽车横向和纵向速度，

为汽车横向加速度，I_z为车身转动惯量，ΔM_z是外部提供的横摆力矩，可以通过转向系统和制动系统提供，l_f、l_r分别是前后轴到汽车重心的距离。根据牛顿力学定律，可得到以下方程：

在上述方程中：

F_yf＝C_fα_f,F_yr＝C_rα_r

其中，C_f、C_r分别为前后轮胎的侧偏刚度，α_f,α_r分别为前、后轮侧偏角；

选取质心侧偏角β和横摆角速度r作为控制模型的状态变量，可得到如下汽车横向运动模型：

其中：

x＝[βr]^T,u(t)＝ΔM_z,w(t)＝δ,

考虑上述模型中的车辆纵向速度v_x为不确定参数，令q₁＝1/v_x,q₂＝1/v_x ²，则系统可以描述为：

其中：

假设汽车纵向速度在一定在范围内变化，则q_i在范围

内变化，i＝1,2；则变量q的值就会在一个多胞体范围内变化，可以记为：

其中：

上式中，参数上部的横线表示可取的最大值，下部的横线表示可取的最小值；因为考虑纵向速度为不确定因素，因此假设纵向速度在一定范围内取值，如q ₁表示q₁可取的最小值即纵向速度最大时，

表示q₁可取的最大值即纵向速度最小时；

然后，考虑上述模型中的轮胎侧偏刚度为不确定参数，即有：

C_f＝C_f0+ΔC_f,C_r＝C_r0+ΔC_r，

其中C_f0，C_r0为基础值，ΔC_f,ΔC_r为不确定部分，且有

ρ_f,ρ_r为时变的系数，且取值有|ρ_f|≤1,|ρ_r|≤1，

为不确定量的最大值；

基于以上分析，可得系统方程为：

其中：

ΔA,ΔB₁可以表示为以下形式：

ΔA＝HΓE_a(q),ΔB₁＝HΓE_b(q),H＝[I I],Γ＝diag{ρ_f,ρ_r}.

E_a(q)＝[E_af(q) E_ar(q)]^T,E_b(q)＝[E_bf(q) 0_1×2]^T，

也可写为如下形式：

为了获得更好的操纵性和稳定性，质心侧偏角应趋近于0，横摆角速度应趋近于以下参考值：

其中K_u为车身相关的一个固有参数；

选取系统输出变量为

其中c_β,c_r分别为两个被控变量的权重系数；C₁＝diag{c_β,c_r},D₁(q)＝[0,-c_rq₁/(l_f+l_r)K_u]^T；

设系统的状态反馈控制器为u_sf＝K_sf·x，则闭环系统可表示为：

其中A_sf＝A+B₂K_sf；

步骤三，求解状态反馈控制器增益矩阵K_sf；

所述步骤二中建立了汽车控制系统模型，针对该系统模型，需要确定状态反馈增益矩阵K_sf的取值；选取H_∞参数来表征输出z(t)，设

||T₁||_∞表示系统的H_∞增益，||z||₂,||δ||₂分别表示z和δ的二范数，由于实际情况中前轮转向角δ是有一定限度的，因此δ∈L₂，L₂表示前轮转向角的取值范围；此外，考虑控制力执行机构的饱和，控制力应满足条件||u||²≤u_max；

基于以上分析，通过求解以下两个线性矩阵不等式，即可解出K_sf：

其中，u_max和γ_∞为给定的正标量，ε,η为需要求解的正标量，W和X为需要求解的矩阵变量，且X为正定对称矩阵，i＝1,2,3,4.，通过求解出W和X，可得K_sf＝WX^-1；

步骤四，建立汽车输出反馈的控制模型，并求解输出反馈控制器；

类似步骤二，考虑静态输出反馈控制器u＝K_sof·y＝K_sofC_yx(t)，C_y＝diag{0,1}，则闭环系统可表达为：

其中A_sof＝A(q)+B₂K_sofC_y.，其余参数与步骤二中相同；

然后求解以下线性矩阵不等式：

其中：

ζ_i＝[K 0 -I]^T[L_iC_y 0 -F],

γ_∞为给定的正标量，K＝K_sf，K_sf为步骤三中求解出的状态反馈控制增益矩阵，λ为需求解的正标量，L_i,F,P为需求解的适当维度的矩阵变量，且P为正定对称矩阵，i＝1,2,3,4.最终可得输出反馈控制增益为：

然后通过下式计算汽车的横摆力矩ΔM_z：

u＝ΔM_z＝K_sofC_yx(t)；

通过力矩分配系统计算出需要分配到每个车轮的力矩，再通过动力系统动作来产生所需力矩，以实现汽车横向稳定性控制，如图2所示。

需要注意的是，在实际应用中，控制器增益K_sof需要离线计算完成，而需要实时计算的参数有前轮转向角δ，纵向速度v_x和横摆角速度r。

本发明采用启发式算法来求解输出反馈控制器，避免了传统求解方法中的复杂迭代；考虑汽车纵向速度和轮胎侧偏刚度为不确定参数，本发明所设计的控制器鲁棒性更好，能够计算出合适的横摆力矩，控制质心侧偏角和横摆角速度在一个合适的范围内，提高汽车的操纵性能，改善汽车的横向稳定性能，降低汽车运行过程中发生危险情况的可能；考虑存在难以在线测量的状态变量，本发明采用静态输出反馈的方法来设计控制器。

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 (1)

1.一种基于启发式算法的车辆横向稳定性控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一，采集汽车的参数；

需要采集的参数包括固有参数和实时参数，其中：

固有参数：包括汽车总质量m，转动惯量I_z，前、后轴到汽车重心的距离l_f、l_r，以及前、后轮的侧偏刚度C_f、C_r；这些参数是汽车固有的，可提前采集并存储；

实时参数：包括前轮转向角δ，汽车纵向速度v_x，横摆角速度r，质心侧偏角β；这些参数中，前轮转向角可通过传感器采集方向盘转角，然后通过转向传动机构的参数来计算获得；横摆角速度可通过陀螺仪测算获得；车身纵向速度和质心侧偏角可通过状态参数估计器结合方向盘转角、横摆角速度、车身各方向加速度计算得到，车身各方向加速度可由陀螺仪得到；

步骤二，利用汽车的参数，建立包含参数不确定性的汽车状态反馈控制模型；

在该步骤中，首先建立汽车二自由度模型，根据牛顿力学定律，可得到以下方程：

在上述方程中：

F_yf＝C_fα_f,F_yr＝C_rα_r

其中，C_f、C_r分别为前后轮胎的侧偏刚度，α_f,α_r分别为前、后轮侧偏角；

选取质心侧偏角β和横摆角速度r作为控制模型的状态变量，可得到如下汽车横向运动模型：

其中：

x(t)＝[βr]^T，u(t)＝ΔM_z，w(t)＝δ，

考虑上述模型中的车辆纵向速度v_x为不确定参数，令q₁＝1/v_x,q₂＝1/v_x ²，则系统可以描述为：

其中：

假设汽车纵向速度在一定在范围内变化，则q_i在范围

内变化，i＝1,2；则变量q的值就会在一个多胞体范围内变化，可以记为：

其中：

上式中，参数上部的横线表示可取的最大值，下部的横线表示可取的最小值；因为考虑纵向速度为不确定因素，因此假设纵向速度在一定范围内取值，如q ₁表示q₁可取的最小值即纵向速度最大时，

表示q₁可取的最大值即纵向速度最小时；

然后，考虑上述模型中的轮胎侧偏刚度为不确定参数，即有：

C_f＝C_f0+ΔC_f,C_r＝C_r0+ΔC_r，

其中C_f0，C_r0为基础值，ΔC_f,ΔC_r为不确定部分，且有

ρ_f,ρ_r为时变的系数，且取值有|ρ_f|≤1,|ρ_r|≤1，

为不确定量的最大值；

基于以上分析，可得系统方程为：

其中：

ΔA,ΔB₁可以表示为以下形式：

ΔA＝HΓE_a(q),ΔB₁＝HΓE_b(q),H＝[I I],Γ＝diag{ρ_f,ρ_r}.

E_a(q)＝[E_af(q) E_ar(q)]^T,E_b(q)＝[E_bf(q) 0_1×2]^T，

也可写为如下形式：

为了获得更好的操纵性和稳定性，质心侧偏角应趋近于0，横摆角速度应趋近于以下参考值：

其中K_u为车身相关的一个固有参数；

选取系统输出变量为

其中c_β,c_r分别为两个被控变量的权重系数；

C₁＝diag{c_β,c_r},D₁(q)＝[0,-c_rq₁/(l_f+l_r)K_u]^T；

设系统的状态反馈控制器为u_sf＝K_sf·x，则闭环系统可表示为：

其中A_sf＝A+B₂K_sf；

步骤三，求解状态反馈控制器增益矩阵K_sf；

所述步骤二中建立了汽车控制系统模型，针对该系统模型，需要确定状态反馈增益矩阵K_sf的取值；选取H_∞参数来表征输出z(t)，设

||T₁||_∞表示系统的H_∞增益，||z||₂,||δ||₂分别表示z和δ的二范数，由于实际情况中前轮转向角δ是有一定限度的，因此δ∈L₂，L₂表示前轮转向角的取值范围；此外，考虑控制力执行机构的饱和，控制力应满足条件||u||²≤u_max；

基于以上分析，通过求解以下两个线性矩阵不等式，即可解出K_sf：

其中，u_max和γ_∞为给定的正标量，ε,η为需要求解的正标量，W和X为需要求解的矩阵变量，且X为正定对称矩阵，i＝1,2,3,4.，通过求解出W和X，可得K_sf＝WX^-1；

步骤四，建立汽车输出反馈的控制模型，并求解输出反馈控制器；

类似步骤二，考虑静态输出反馈控制器u＝K_sof·y＝K_sofC_yx(t)，C_y＝diag{0,1}，则闭环系统可表达为：

其中A_sof＝A(q)+B₂K_sofC_y.，其余参数与步骤二中相同；

然后求解以下线性矩阵不等式：

其中：

ζ_i＝[K 0 -I]^T[L_iC_y 0 -F],

γ_∞为给定的正标量，K＝K_sf，K_sf为步骤三中求解出的状态反馈控制增益矩阵，λ为需求解的正标量，L_i,F,P为需求解的适当维度的矩阵变量，且P为正定对称矩阵，i＝1,2,3,4.最终可得输出反馈控制增益为：

然后通过下式计算汽车的横摆力矩ΔM_z：

u＝ΔM_z＝K_sofC_yx(t)；

通过力矩分配系统计算出需要分配到每个车轮的力矩，再通过动力系统动作来产生所需力矩，以实现汽车横向稳定性控制。

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