CN111267856B - 一种基于纵向力预分配的车辆自动漂移控制方法和系统 - Google Patents

一种基于纵向力预分配的车辆自动漂移控制方法和系统 Download PDF

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CN111267856B CN202010025301.5A CN202010025301A CN111267856B CN 111267856 B CN111267856 B CN 111267856B CN 202010025301 A CN202010025301 A CN 202010025301A CN 111267856 B CN111267856 B CN 111267856B
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Abstract

本发明提供了一种基于纵向力预分配的车辆自动漂移控制方法和系统，本发明根据车辆的速度、质心侧偏角和横摆角速度，计算出纵向加速度以及横向加速度；计算出车辆在漂移过程中后驱动轮上由纵向运动与横向运动产生的载荷转移；考虑车辆后轴静载荷，计算出实际的轮胎垂向载荷；根据左右轮胎垂向载荷比值将后轴纵向力按比例预分配到左右两个车轮上；下层控制模块根据两个车轮的纵向力指令值获得控制驱动车轮的输出扭矩，同时下层控制模块协调转向角与扭矩命令，能够独立驱动车辆的自动漂移运动。

Description

一种基于纵向力预分配的车辆自动漂移控制方法和系统
技术领域
本发明属于驱动与转向协同控制技术领域，特别是一种基于纵向力预分配的自动漂移控制方法。
背景技术
漂移是一种由专业赛车手掌握的极限驾驶方式，经常出现在越野拉力赛中。利用这种技巧，车手可以实现以更快速度过弯。车手通过控制油门与方向盘使车轮达到附着极限，使车辆侧滑行驶。漂移具有三个特点：大质心侧偏角、反向转向、后轮饱和。
现有关于车辆漂移的研究大都集中在集中式驱动车辆，施加的驱动力矩为整个后轴的驱动力矩，没有考虑独立驱动。其使用线性二次型(LQR)方法设计控制模块，控制输入为转向角与后轴驱动扭矩，以完成集中式驱动车辆的控制。许多学者对独立驱动电动车辆控制技术进行了研究。例如横摆力矩控制(Direct Yaw Moment Control,DYC)以及主动转向等，但都是为了维持车辆行驶稳定，没有考虑将独立驱动车辆用于漂移运动。并且将车辆行驶空间定义在较小范围内，避免轮胎达到附着极限。控制算法将质心侧偏角限制较小范围内(例如6°)，没有拓展到极限运动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于纵向力预分配的自动漂移控制方法和系统，以实现独立驱动车辆的自动漂移运动，让普通人也可以使用专业车手掌握的漂移操作。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于纵向力预分配的自动漂移控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、获取车辆的速度、横摆角速度、质心侧偏角；
步骤S2、计算出车辆纵向加速度和横向加速度
步骤S3、计算出车辆在漂移过程中后轴上由纵向运动产生的转移载荷
Figure BDA0002362227700000012
与横向运动产生的转移载荷
Figure BDA0002362227700000011
步骤S4、计算实际后轴上的左轮垂向载荷、右轮垂向载荷：
考虑车辆后轴两个车轮的静载荷，分别减去/加上转移载荷，计算出实际后轴上的左轮垂向载荷和右轮垂向载荷；
步骤S5、通过求解三自由度车辆平衡等式，计算出预先设定的转向角δ下的参考后轴纵向力Frx；
步骤S6、根据左右轮胎垂向载荷比值K，将后轴纵向力Frx预分配到后轴左右两个车轮上：
后轴左轮分配到的纵向力Frlx、后轴右轮配到的纵向力Frrx为：
Figure BDA0002362227700000021
Figure BDA0002362227700000022
步骤S7、计算后轴左右车轮的输出扭矩：
后轴左轮的输出扭矩Tl：
Figure BDA0002362227700000023
后轴右轮的输出扭矩Tr：
Figure BDA0002362227700000024
进而调整施加在两个车轮上的扭矩。
一种基于纵向力预分配的车辆自动漂移控制系统，包括集成于汽车内部电子控制单元的横摆角速度传感器、质心侧偏角观测器，安装在车轮的速度传感器；所述速度传感器、横摆角速度传感器、质心侧偏角观测器均与处理器相连；处理器输出控制命令给车辆执行器；
所述横摆角速度传感器用于获取车辆的横摆角速度γ；所述速度传感器用于获取车辆的速度vx；所述质心侧偏角观测器用于计算车辆的质心侧偏角β；
所述处理器包括加速度计算模块、转移载荷计算模块、实际载荷计算模块、上层指令请求模块、纵向力预分配模块、下层控制模块；
所述加速度计算模块用于计算出车辆纵向加速度和横向加速度；
所述转移载荷计算模块用于计算出车辆在漂移过程中后轴上由纵向运动产生的转移载荷
Figure BDA0002362227700000025
与横向运动产生的转移载荷
Figure BDA0002362227700000026
所述实际载荷计算模块用于考虑车辆后轴两个车轮的静载荷，分别减去/加上转移载荷，计算实际后轴上的左轮垂向载荷、右轮垂向载荷；
所述上层指令请求模块用于计算出预先设定的转向角指令δ下的参考后轴纵向力指令Frx；
所述纵向力预分配模块用于根据左右轮胎垂向载荷比值K，将后轴纵向力Frx预分配到后轴左右两个车轮上；
所述下层控制模块用于计算后轴左右车轮需要的输出扭矩，同时将扭矩命令与转向角命令传递给车辆执行器。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)高拓展性：通过将后轴纵向力预分配到其左右两个车轮上，能够实现独立控制后轴上两个车轮的独立扭矩，将漂移运动应用到后轮独立驱动车辆。
(2)高可靠性：控制方法依靠车辆垂向载荷的变化，按比例分配后轴两个轮胎纵向力，作为下层控制模块的输入，算法简单。
(3)高适应性：直接根据车辆垂向载荷变化状态调节电机扭矩输出，没有对路面条件或其他外界条件的要求，在各种常规路面上均可完成漂移，具有适应性高的特点。
附图说明
图1为根据本发明某些实施例的自动漂移控制方法的流程示意图。
图2为漂移过程中后轮载荷转移示意图。
图3为根据本发明某些实施例的自动漂移控制系统的示意图。
图4为利用本发明某些实施例的车辆状态图-质心侧偏角。
图5为利用本发明某些实施例的车辆状态图-横摆角速度。
图6为利用本发明某些实施例的车辆状态图-速度控。
图7为利用本发明某些实施例的控制指令输入图-转向角。
图8为利用本发明某些实施例的控制指令输入图-扭矩。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种基于纵向力预分配的自动漂移控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、获取车辆的速度vx、横摆角速度γ、质心侧偏角β；
步骤S2、计算出车辆纵向加速度和横向加速度：
根据车辆的速度vx、质心侧偏角β和横摆角速度γ，计算出车辆纵向加速度ax以及横向加速度ay：
Figure BDA0002362227700000031
Figure BDA0002362227700000032
步骤S3、计算出车辆在漂移过程中后轴上由纵向运动产生的转移载荷
Figure BDA0002362227700000033
与横向运动产生的转移载荷
Figure BDA0002362227700000034
Figure BDA0002362227700000041
Figure BDA0002362227700000042
其中m为车辆质量，h为质心到地面高度，lf为质心到前轴距离，lr为质心到后轴距离，d为车辆轴距。纵向运动产生的转移载荷
Figure BDA0002362227700000043
与横向运动产生的转移载荷
Figure BDA0002362227700000044
是由纵向与横向加速度引起的转移载荷，正是这引起左右轮载荷分布的不平衡。
步骤S4、计算实际后轴上的左轮垂向载荷、右轮垂向载荷：
考虑车辆后轴两个车轮的静载荷，分别减去/加上转移载荷，计算出实际后轴上的左轮垂向载荷Frlz和右轮垂向载荷Frrz：
Figure BDA0002362227700000045
Figure BDA0002362227700000046
其中
Figure BDA0002362227700000047
g为重力加速度，
Figure BDA0002362227700000048
为车辆后轴上的左轮静载荷，
Figure BDA0002362227700000049
为车辆后轴上的右轮静载荷。
步骤S5、通过求解三自由度车辆平衡等式，计算出预先设定的转向角δ下的参考后轴纵向力Frx：
Figure BDA00023622277000000410
Figure BDA00023622277000000411
Figure BDA00023622277000000412
其中转向角δ大小可以预先设定，可以在-20°～20°之间任意选取，比如可以取δ＝-9°；Iz为车辆的转动惯量；Ffy为车辆前轴侧向力，Fry为车辆后轴侧向力，两者都是利用魔术轮胎模型获得。
步骤S6、将后轴纵向力Frx预分配到后轴左右两个车轮上：
根据轮胎的垂向载荷越大，可利用的轮胎力越大的原则，根据左右轮胎垂向载荷比值，按比例将后轴纵向力预分配到左右两个车轮：
根据左右轮胎垂向载荷比值K，将后轴纵向力Frx预分配到后轴左右两个车轮上；
后轴左轮分配到的纵向力Frlx、后轴右轮分配到的纵向力Frrx满足：
Frx＝Frlx+Frrx
Figure BDA0002362227700000051
可得到后轴左轮分配到的纵向力Frlx、后轴右轮配到的纵向力Frrx为：
Figure BDA0002362227700000052
Figure BDA0002362227700000053
步骤S7、计算后轴左右车轮的输出扭矩：
后轴左轮的输出扭矩Tl：
Figure BDA0002362227700000054
后轴右轮的输出扭矩Tr：
Figure BDA0002362227700000055
其中R为车轮半径，Iw为车轮的转动惯量，
Figure BDA0002362227700000056
为轮速的微分。
获得车辆漂移过程中的速度、质心侧偏角和横摆角速度，计算由此带来的转移载荷，得到实际的轮胎垂向载荷，轮胎的垂向载荷越大，可利用的轮胎力就越大。计算出左右车轮垂向载荷的比值，按比例将后轴纵向力预分配到左右两个车轮上，将两个车轮的纵向力指令输入下层控制模块，进而调整施加在两个车轮上的扭矩。
基于上述方法，本发明还提出了一种基于纵向力预分配的车辆自动漂移控制系统，包括集成于汽车内部电子控制单元的横摆角速度传感器、质心侧偏角观测器，安装在车轮的速度传感器；所述速度传感器、横摆角速度传感器、质心侧偏角观测器均与处理器相连；处理器输出控制命令给车辆执行器，执行器包括驱动电机与转向电机。
所述横摆角速度传感器用于获取车辆的横摆角速度γ；
所述速度传感器用于获取车辆的速度vx；
所述质心侧偏角观测器用于计算车辆的质心侧偏角β；
所述处理器包括加速度计算模块、转移载荷计算模块、实际载荷计算模块、上层指令请求模块、纵向力预分配模块、下层控制模块；
所述加速度计算模块用于计算出车辆纵向加速度和横向加速度；具体过程如下：
根据车辆的速度vx、质心侧偏角β和横摆角速度γ，计算出车辆纵向加速度ax以及横向加速度ay：
Figure BDA0002362227700000057
Figure BDA0002362227700000058
所述转移载荷计算模块用于计算出车辆在漂移过程中后轴上由纵向运动产生的转移载荷
Figure BDA0002362227700000059
与横向运动产生的转移载荷
Figure BDA00023622277000000510
Figure BDA0002362227700000061
Figure BDA0002362227700000062
其中m为车辆质量，h为质心到地面高度，lf为质心到前轴距离，lr为质心到后轴距离，d为车辆轴距。纵向运动产生的转移载荷
Figure BDA0002362227700000063
与横向运动产生的转移载荷
Figure BDA0002362227700000064
是由纵向与横向加速度引起的转移载荷。
所述实际载荷计算模块用于计算实际后轴上的左轮垂向载荷、右轮垂向载荷；具体过程如下：
在车辆后轴两个车轮的静载荷的基础上，分别减去/加上转移载荷，计算出实际后轴上的左轮垂向载荷Frlz和右轮垂向载荷Frrz：
Figure BDA0002362227700000065
Figure BDA0002362227700000066
其中
Figure BDA0002362227700000067
g为重力加速度，
Figure BDA0002362227700000068
为车辆后轴上的左轮静载荷，
Figure BDA0002362227700000069
为车辆后轴上的右轮静载荷。
所述上层指令请求模块用于计算出预先设定的转向角指令δ下的参考后轴纵向力指令Frx；具体过程如下：
求解三自由度车辆平衡等式
Figure BDA00023622277000000610
Figure BDA00023622277000000611
Figure BDA00023622277000000612
其中转向角δ大小可以预先设定，可以在-20°～20°之间任意选取，比如可以取δ＝-9°；Iz为车辆的转动惯量；Ffy为车辆前轴侧向力，Fry为车辆后轴侧向力，两者都是利用魔术轮胎模型获得。
所述纵向力预分配模块用于将后轴纵向力Frx预分配到后轴左右两个车轮上；具体过程如下：
后轴左轮分配到的纵向力Frlx、后轴右轮分配到的纵向力Frrx满足：
Frx＝Frlx+Frrx
Figure BDA0002362227700000071
可得到后轴左轮分配到的纵向力Frlx、后轴右轮配到的纵向力Frrx为：
Figure BDA0002362227700000072
Figure BDA0002362227700000073
所述下层控制模块用于计算后轴左右车轮需要的输出扭矩，同时将扭矩命令与转向角命令传递给驱动电机与转向电机，并协调转向角与扭矩；具体过程如下：
根据车轮纵向力信息，计算后轴左右车轮需要的输出扭矩，进而调整电机输出扭矩，
后轴左轮的输出扭矩Tl：
Figure BDA0002362227700000074
后轴右轮的输出扭矩Tr：
Figure BDA0002362227700000075
其中R为车轮半径，Iw为车轮的转动惯量，
Figure BDA0002362227700000076
为轮速的微分。
下层控制模块可以基于线性二次型(LQR)方法，利用LQR可以同时有多个输出项的特点，设置输出项为转向角、左后轮扭矩与右后轮扭矩，协调转向角与扭矩。
下面为利用本发明方法的自动漂移控制仿真过程：
仿真参数设置：m＝1970kg、Iz＝3287kg/M2、h＝0.57M、lf＝1.4M、lr＝1.65M；g＝9.81；
结合图4显示了仿真过程中车辆的质心侧偏角，图5显示了车辆的横摆角速度、图6显示了车辆的速度。实线代表仿真实验结果，虚线代表参考状态。5秒后车辆达到参考状态附近并能够维持稳定。
结合图7，实线代表仿真实验结果，虚线代表参考状态。显示的是转向角，起初转向角是正方向(+)，然后快速转向相反的方向(-)，达到目标稳定值。在激活闭环控制模块后的瞬间，转向角出现一个峰值，大概-35°左右，很快恢复稳定。载荷越大的那边施加更大的驱动力矩，图8显示的是控制模块输出的两个独立车轮的驱动扭矩，右轮的稳定驱动扭矩约为930N.m，左轮的稳定驱动扭矩约为480N.m。

Claims (10)

1.一种基于纵向力预分配的自动漂移控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、获取车辆的速度、横摆角速度、质心侧偏角；
步骤S2、计算出车辆纵向加速度和横向加速度；
步骤S3、计算出车辆在漂移过程中后轴上由纵向运动产生的转移载荷
Figure FDA0003006999070000011
与横向运动产生的转移载荷
Figure FDA0003006999070000012
步骤S4、计算实际后轴上的左轮垂向载荷、右轮垂向载荷：
考虑车辆后轴两个车轮的静载荷，分别减去/加上转移载荷，计算出实际后轴上的左轮垂向载荷和右轮垂向载荷；
步骤S5、通过求解三自由度车辆平衡等式，计算出预先设定的转向角δ下的参考后轴纵向力Frx；
步骤S6、根据左右轮胎垂向载荷比值K，将后轴纵向力Frx预分配到后轴左右两个车轮上：
后轴左轮分配到的纵向力Frlx、后轴右轮分配到的纵向力Frrx为：
Figure FDA0003006999070000013
Figure FDA0003006999070000014
步骤S7、计算后轴左右车轮的输出扭矩：
后轴左轮的输出扭矩Tl：
Figure FDA0003006999070000015
后轴右轮的输出扭矩Tr：
Figure FDA0003006999070000016
进而调整施加在两个车轮上的扭矩，其中R为车轮半径，Iw为车轮的转动惯量，
Figure FDA0003006999070000017
为左轮轮速的微分，
Figure FDA0003006999070000018
为右轮轮速的微分。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤1车辆纵向加速度ax以及横向加速度ay为：
Figure FDA0003006999070000019
Figure FDA00030069990700000110
其中vx为车辆的速度，γ为车辆横摆角速度；β为车辆质心侧偏角。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤2纵向运动产生的转移载荷
Figure FDA00030069990700000111
与横向运动产生的转移载荷
Figure FDA00030069990700000112
为：
Figure FDA0003006999070000021
Figure FDA0003006999070000022
其中m为车辆质量，h为质心到地面高度，lf为质心到前轴距离，lr为质心到后轴距离，d为车辆轴距，ax为纵向加速度，ay为横向加速度。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤4实际后轴上的左轮垂向载荷Frlz和右轮垂向载荷Frrz为：
Figure FDA0003006999070000023
Figure FDA0003006999070000024
其中
Figure FDA0003006999070000025
g为重力加速度，
Figure FDA0003006999070000026
为车辆后轴上的左轮静载荷，
Figure FDA0003006999070000027
为车辆后轴上的右轮静载荷，m为车辆质量，lf为质心到前轴距离，lr为质心到后轴距离。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤6左右轮胎垂向载荷比值K为：
Figure FDA0003006999070000028
其中Frlz为左轮垂向载荷，Frrz为右轮垂向载荷；
后轴左轮分配到的纵向力Frlx、后轴右轮分配到的纵向力Frrx满足：
Frx＝Frlx+Frrx。
6.一种基于纵向力预分配的车辆自动漂移控制系统，其特征在于，包括集成于汽车内部电子控制单元的横摆角速度传感器、质心侧偏角观测器，安装在车轮的速度传感器；所述速度传感器、横摆角速度传感器、质心侧偏角观测器均与处理器相连；处理器输出控制命令给车辆执行器；
所述横摆角速度传感器用于获取车辆的横摆角速度γ；所述速度传感器用于获取车辆的速度vx；所述质心侧偏角观测器用于计算车辆的质心侧偏角β；
所述处理器包括加速度计算模块、转移载荷计算模块、实际载荷计算模块、上层指令请求模块、纵向力预分配模块、下层控制模块；
所述加速度计算模块用于计算出车辆纵向加速度和横向加速度；
所述转移载荷计算模块用于计算出车辆在漂移过程中后轴上由纵向运动产生的转移载荷
Figure FDA0003006999070000031
与横向运动产生的转移载荷
Figure FDA0003006999070000032
所述实际载荷计算模块用于考虑车辆后轴两个车轮的静载荷，分别减去/加上转移载荷，计算实际后轴上的左轮垂向载荷、右轮垂向载荷；
所述上层指令请求模块用于计算出预先设定的转向角指令δ下的参考后轴纵向力指令Frx；
所述纵向力预分配模块用于根据左右轮胎垂向载荷比值K，将后轴纵向力Frx预分配到后轴左右两个车轮上；
所述下层控制模块用于计算后轴左右车轮需要的输出扭矩，同时将扭矩命令与转向角命令传递给车辆执行器。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述加速度计算模块计算过程如下：根据车辆的速度vx、质心侧偏角β和横摆角速度γ，计算出车辆纵向加速度ax以及横向加速度ay：
Figure FDA0003006999070000033
Figure FDA0003006999070000034
8.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述转移载荷计算模块计算过程如下：
Figure FDA0003006999070000035
Figure FDA0003006999070000036
其中m为车辆质量，h为质心到地面高度，lf为质心到前轴距离，lr为质心到后轴距离，d为车辆轴距，ax为纵向加速度，ay为横向加速度。
9.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述实际载荷计算模块计算过程如下：
Figure FDA0003006999070000037
Figure FDA0003006999070000038
其中Frlz为左轮垂向载荷，Frrz为右轮垂向载荷；
Figure FDA0003006999070000039
g为重力加速度，
Figure FDA00030069990700000310
为车辆后轴上的左轮静载荷，
Figure FDA00030069990700000311
为车辆后轴上的右轮静载荷，m为车辆质量，lf为质心到前轴距离，lr为质心到后轴距离。
10.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述纵向力预分配模块工作过程如下：
根据后轴左轮分配到的纵向力Frlx、后轴右轮分配到的纵向力Frrx满足：
Frx＝Frlx+Frrx
Figure FDA0003006999070000041
其中Frlz为左轮垂向载荷，Frrz为右轮垂向载荷；
得到后轴左轮分配到的纵向力Frlx、后轴右轮分配到的纵向力Frrx为：
Figure FDA0003006999070000042
Figure FDA0003006999070000043
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