CN111267949A - 一种用于车辆的滑移转向控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于车辆的滑移转向控制系统，包括相连的信号采集单元和控制器，所述控制器包括分别与所述信号采集单元相连的直线纠偏控制层、原地转向控制层和转向控制层；所述控制器基于所述信号采集单元中的相关数据，判断出车辆所处的工况，然后基于车辆所处的工况，调用与该工况对应的直线纠偏控制层、原地转向控制层或转向控制层，实时调节车辆中与各车轮相连的电机的力矩值，完成车辆的滑移转向控制。本发明实现了原地转向、直线和转向行驶工况的判断，并基于不同的工况采用不同的控制策略，保持车辆转向的稳定性。

Description

一种用于车辆的滑移转向控制系统
技术领域
本发明属于车辆的驱动控制技术领域，具体涉及一种用于车辆的滑移转向控制系统。
背景技术
针对沙滩、越野路面、狭小地域等场合，电动汽车电动全地形车辆可以很好的适应场地，动力性强，更易于实现转向半径小而增加车辆的机动性，在狭小空间内实现转向。电动汽车的转向机构由于在车辆轮边一侧占有很大的空间，极大影响了车辆的越野性能，为保证车辆的整车越障性能，势必需要减小底盘部件，增大越障所需空间。而省去转向机构，不仅减轻了车辆重量，更增强了越野越障性能，对于提升整车性能有极大的帮助。然而现阶段分布式驱动电动车辆驱动力分配控制，尤其是滑移转向控制系统，主要依靠数据导入到车辆动力学模型中计算得到目标转矩。动力学模型中参数输入基本都是估算，不十分准确，而且驱动过程中由于路面、轮胎、车辆结构等的复杂性，不能实时监测和调节车辆的状态，力矩驱动的效果不十分理想。车辆在转向过程中没有状态监控系统，操纵性能不佳。而且，无转向机构电动汽车，完全依靠车轮力矩分配驱动车辆行驶，车辆状态存在不稳定性和不安全性，极限工况下可能会引起车辆的侧滑、翻车等后果，从而严重影响了车辆操纵稳定性。
另外，现有专利中转矩分配是通过对应工况运用模糊控制器查表得到目标力矩，存在一定的主观性，没有在车辆动力学模型的基础上得到，准确度不高。另外，直线工况下没有纠偏策略，会引起直线跑偏，转向工况下对车辆速度没有一定的限制，会引起车速的不稳定。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种用于车辆的滑移转向控制系统，能够提高控制系统的驱动力分配精度，保证车辆转向过程中的稳定性和安全性。
为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种用于车辆的滑移转向控制系统，包括信号采集单元和控制器，所述控制器包括分别与所述信号采集单元相连的直线纠偏控制层、原地转向控制层和转向控制层；
所述控制器基于所述信号采集单元中的相关数据，判断出车辆所处的工况，并基于车辆所处的工况，调用与该工况对应的直线纠偏控制层、原地转向控制层或转向控制层，实时调节车辆中驱动各车轮的电机的力矩值，完成车辆的滑移转向控制。
可选地，所述信号采集单元中的相关数据包括转向手柄信号和原地转向开关信号；
当所述转向手柄信号η＝0，原地转向开关信号ρ＝0，则判断车辆处于直线行驶工况；
当所述转向手柄信号η＝0，原地转向开关信号ρ≠0，则判断车辆处于原地转向行驶工况；
当所述转向手柄信号η≠0，原地转向开关信号ρ＝0，则判断车辆处于转向行驶工况。
可选地，当车辆处于直线行驶工况时，则控制器控制所述直线纠偏控制层处于工作状态，所述直线纠偏控制层从信号采集单元中获取车辆的实时横摆角速度，并将获取到的实时横摆角速度与理想的横摆角速度作闭环控制，利用PID控制器实时调节驱动各车轮的电机的转矩值。
可选地，所述用于车辆的滑移转向控制系统还包括与所述直线纠偏控制层和转向控制层相连的第一驱动防滑控制层；
所述第一驱动防滑控制层基于从信号采集单元中获取到的各车轮的转速信号，计算出车轮边缘的线速度；然后基于公式
Figure BDA0002409997740000021
计算出各车轮滑转率，其中，vi是第i个车轮的纵向线速度，si'是第i个车轮的滑转率，v是车辆的纵向线速度；最后将各车轮滑转率与参考滑转率作闭环控制，利用PID控制器实时调节驱动各车轮的电机的转矩值。
可选地，当车辆处于原地转向行驶工况时，则控制器控制所述原地转向控制层处于工作状态，所述原地转向控制层按照左右侧电机力矩分配大小相等且方向相反的原则，调节驱动各车轮的电机的转矩值。
可选地，所述用于车辆的滑移转向控制系统还包括与所述原地转向控制层相连的第二驱动防滑控制层；
所述第二驱动防滑控制层首先从信号采集单元中获取到的各车轮的转速信号，并将所述转速信号的绝对值后取平均作为参考轮速nj；然后基于公式
Figure BDA0002409997740000022
计算各车轮的滑转率，其中，ni是第i个车轮的转速，nj是所有车轮的平均转速，si是第i个车轮的滑转率；最后将各车轮滑转率与参考滑转率作闭环控制，利用PID控制器实时调节驱动各车轮的电机的转矩值。
可选地，所述转向控制层包括顺次相连的初始力矩分配层和横摆角速度控制层；
当车辆处于转向行驶工况时，则控制器控制所述转向控制层处于工作状态；
所述初始力矩分配层基于从信号采集单元中获取到的相关数据，计算出左右侧车轮的初始力矩分配值，并基于所述左右侧车轮的初始力矩分配值调节各电机的初始转矩值；
所述横摆角速度控制层基于从信号采集单元中获取到的相关数据，计算出参考的横摆角速度值，并将所述参考的横摆角速度值与从信号采集单元中获取到的横摆角速度信号作闭环，使用PID控制器实时调节驱动各车轮的电机的转矩值。
可选地，所述转向控制层还包括与横摆角速度控制层相连的转向速度控制层，所述转向速度控制层将从信号采集单元中获得的车速信号作为车辆处于转向形式工况下的恒定车速，限制转向过程中车速的增大或减小，保证转向的稳定性。
可选地，所述左右侧车轮的初始力矩分配值的计算公式为：
Figure BDA0002409997740000031
Figure BDA0002409997740000032
其中，TL表示左侧电机力矩，左侧三个电机力矩相等，TR表示右侧电机力矩，右侧三个电机力矩相等，TZ表示电机外特性力矩，α表示油门信号大小，B表示轮距，MZ为期望的横摆转矩。
可选地，所述横摆角速度控制层首先计算出参考的横摆角速度ωz_r，与滑移转向系数K乘积得到期望的横摆角速度ωz_d，将期望的横摆角速度ωz_d与实际的横摆角速度ωz_fb作差设计PID控制器，利用PID控制器调节与驱动各车轮的电机的转矩值，所述滑移转向系数K是基于模糊控制器得到，所述模糊控制器的输入变量为车辆的车速v和各车轮的滑转率信号si'，输出变量为滑移转向系数K。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供了一种用于车辆的滑移转向控制系统，实现了原地转向、直线和转向行驶工况的判断，并基于不同的工况采用不同的控制策略，保持车辆转向的稳定性。在实际应用中，可以带来如下效果：
(1)本发明通过试验获取的车辆转动惯量和轮胎侧偏刚度，输入到车辆动力学模型中可以得到相对准确的初始力矩，车辆可以快速准确地执行驾驶员的意图。
(2)直线纠偏控制层可以解决直线跑偏问题，保证直线行驶工况下不打滑不跑偏。
(3)本发明的横摆角速度控制层，引入滑移转向系数，可以判断车辆的基本状态，从而调整力矩分配的比例。保证车辆再低速工况下的机动性和灵活性，同时考虑车辆高速转向容易失稳，增加车辆行驶的安全性和稳定性。
(4)本发明的转向过程中，加入转速控制系统，使得车辆转向车速保持恒定，保证车辆转向的平稳性和安全性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明一种实施例的滑移转向控制系统的结构示意图；
图2为本发明一种实施例的车辆工况判断流程示意图；
图3为本发明一种实施例的横摆角速度控制层的工作流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
本发明实施例中提供了一种用于车辆的滑移转向控制系统，特别适用于无转向机构的车辆，具体地，所述滑移转向控制系统包括：信号采集单元和控制器，所述控制器包括分别与所述信号采集单元相连的直线纠偏控制层、原地转向控制层和转向控制层；
所述控制器基于所述信号采集单元中的相关数据，判断出车辆所处的工况，并基于车辆所处的工况，调用与该工况对应的直线纠偏控制层、原地转向控制层或转向控制层，实时调节车辆各电机的力矩值，完成车辆的滑移转向控制。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述信号采集单元中的相关数据包括转向手柄信号η和原地转向开关信号ρ；所述转角手柄信号η对应的阈值为[-1,1]；所述原地转向开关信号ρ，1表示原地转向开关打开，0表示关闭；
当所述转向手柄信号η＝0，原地转向开关信号ρ＝0，则判断车辆处于直线行驶工况，即进入直线模式；
当所述转向手柄信号η＝0，原地转向开关信号ρ≠0，则判断车辆处于原地转向行驶工况，即进入原地转向模式；
当所述转向手柄信号η≠0，原地转向开关信号ρ＝0，则判断车辆处于转向行驶工况，即进入转向模式。
当车辆处于直线行驶工况时，则控制器控制所述直线纠偏控制层处于工作状态，从信号采集单元中获取车辆的实时横摆角速度，并将获取到的实时横摆角速度与理想的横摆角速度作闭环控制，利用PID控制器实时调节与驱动各车轮的电机的转矩值。在实际应用过程中，所述实时横摆角速度通过横摆角速度传感器采集得到。在实际应用过程中，所述信号采集单元可以是遥控器；所述控制器收到信号采集单元传来的油门信号α，油门信号α阈值为[0,1]，表示油门开度从最小0到最大1，初始力矩为T0＝α×Tz，Tz为电机外特性力矩。通过油门信号给定的力矩分配到每个车轮初始都是相等的，当检测到直行模式下横摆角速度不为零，则从信号采集单元中获取车辆的实时横摆角速度，并将获取到的实时横摆角速度与理想的横摆角速度作闭环控制，利用PID控制器实时调节与驱动各车轮的电机的转矩值，调整每个车轮的力矩分配，保持车辆的直线行驶。
当车辆处于原地转向行驶工况时，则控制器控制所述原地转向控制层处于工作状态，按照左右侧电机力矩分配大小相等且方向相反的原则，调节与驱动各车轮的电机的转矩值。在具体实施过程中，原地转向模式下，驱动力分配按照转向手柄开度信号，结合电机外特性得到，左侧和右侧驱动力大小相等、方向相反。
所述转向控制层包括顺次相连的初始力矩分配层和横摆角速度控制层，当车辆处于转向行驶工况时，则控制器控制所述转向控制层处于工作状态；所述初始力矩分配层基于从信号采集单元中获取到的相关数据，计算出左右侧车轮的初始力矩分配值，并基于所述左右侧车轮的初始力矩分配值调节各电机的初始力矩值；
所述横摆角速度控制层基于从信号采集单元中获取到的相关数据，计算出参考的横摆角速度值，并将所述参考的横摆角速度值与从信号采集单元中获取到的横摆角速度信号作闭环，使用PID控制器实时调节各电机的力矩值。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述初始力矩分配层的工作过程包括：
建立车辆的二自由度动力学模型，采用滑膜变结构控制算法，选取滑膜面S＝Δωz＝ωz-ωβ_li，采用指数趋近率
Figure BDA0002409997740000051
输入试验获取到的车辆转动惯量Iz和前桥轮胎侧偏刚度Cf、中桥轮胎侧偏刚度Cm以及后桥轮胎侧偏刚度Cr，联合方程得到期望的横摆转矩Mz；
利用左右侧车轮的初始力矩分配值的计算公式，计算出左右侧车轮的初始力矩分配值，所述左右侧车轮的初始力矩分配值的计算公式为：
Figure BDA0002409997740000052
Figure BDA0002409997740000061
其中，TL表示左侧电机力矩，左侧三个电机力矩相等，TR表示右侧电机力矩，右侧三个电机力矩相等，TZ表示电机外特性力矩，α表示油门信号大小，B表示轮距，MZ为期望的横摆转矩。
初始分配后的力矩基本可以匹配车辆按照驾驶员指令行走转向的力矩要求，但由于路面等外部条件的干扰，会引起车辆模型和状态的变化，偏离驾驶员意图。此时，需要介入横摆角速度控制层和转向速度控制层。调节力矩分配，以达到期望的横摆角速度和稳定性
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述横摆角速度控制层首先计算出参考的横摆角速度ωz_r(所述参考的横摆角速度可以根据行业内普遍认知的理论(汽车理论书中有介绍)计算出来，具体计算过程为现有技术，因此不做具体说明)，与滑移转向系数K乘积得到期望的横摆角速度ωz_d，将期望的横摆角速度ωz_d与实际的横摆角速度ωz_fb作差设计PID控制器，调节与驱动各车轮的电机的转矩值，所述滑移转向系数K是模糊控制器得到。模糊控制器的输入变量为车辆的车速v和滑转率信号Si'，输出变量为滑移转向系数K。车速v的模糊子集为[VS、S、M、B、VB]，论域定位[0,70]，滑转率信号Sii的模糊子集为[VS、S、M、B、VB]，论域定位[0,1]；滑移转向系数的模糊子集为[VS、S、M、B、VB],论域定位[0.5,1.5]，建立模糊规则表如表一所示：
表一
Figure BDA0002409997740000062
所述的滑移转向系数表示横摆角速度的调整系数。在不同车速不同滑转率下，横摆角速度调节量是有差别的。如果车速较低和滑转率较低时，增加过多转向趋势，可以增强车辆的机动性和灵活性；车速较高时，增加不足转向趋势，防止车辆侧滑和翻车。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述转向控制层还包括与横摆角速度控制层相连的转向速度控制层，所述转向速度控制层将从信号采集单元中获得的车速信号作为车辆处于转向形式工况下的恒定车速，限制转向过程中车速的增大或减小，保证转向的稳定性。由于转向过程中，力矩分配会产生车速的变化，对于狭小区域，转向车速的变化可能会带来一定的风险，因此，需要增加转向速度控制层，所述转向速度控制层将车速传感器采集到的车速信号作为车辆这次转向工况的恒定车速，限制转向过程中车速的增大或减小，保证转向的稳定性。当转向完成，所述转向速度控制层停止工作，车辆恢复直线行驶工况。
实施例2
基于实施例1，本发明实施例与实施例1的区别在于：所述用于车辆的滑移转向控制系统还包括与所述直线纠偏控制层和转向控制层相连的第一驱动防滑控制层(即驱动防滑控制层1)，用于增强车辆的附着特性，保证行驶过程中，车辆不打滑且不会跑偏；
所述第一驱动防滑控制层基于从信号采集单元中获取到的各车轮的转速信号，计算出车轮边缘的线速度；然后基于公式
Figure BDA0002409997740000071
计算出各车轮滑转率，其中，vi是第i个车轮的纵向线速度，si'是第i个车轮的滑转率，v是车辆的纵向线速度；最后将各车轮滑转率与参考滑转率作闭环控制，利用PID控制器实时调节驱动各车轮的电机的转矩值，使每个车轮滑转率保持在参考滑移率附近。
在具体实施过程中，所述参考滑转率可以设置为0.2。
实施例3
所述用于车辆的滑移转向控制系统还包括与所述原地转向控制层相连的第二驱动防滑控制层(即驱动防滑控制层2)；
所述第二驱动防滑控制层首先从信号采集单元中获取到的各车轮的转速信号，并将所述转速信号的绝对值后取平均作为参考轮速nj；然后基于公式
Figure BDA0002409997740000072
计算各车轮的滑转率，其中，ni是第i个车轮的转速，nj是所有车轮的平均转速，si是第i个车轮的滑转率；最后将各车轮滑转率与参考滑转率作闭环控制，利用PID控制器实时调节与驱动各车轮的电机的转矩值。
在具体实施过程中，所述滑转率可以设置为0.2。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于车辆的滑移转向控制系统，其特征在于：包括信号采集单元和控制器，所述控制器包括分别与所述信号采集单元相连的直线纠偏控制层、原地转向控制层和转向控制层；
所述控制器基于所述信号采集单元中的相关数据，判断出车辆所处的工况，并基于车辆所处的工况，调用与该工况对应的直线纠偏控制层、原地转向控制层或转向控制层，实时调节车辆中驱动各车轮的电机的力矩值，完成车辆的滑移转向控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于车辆的滑移转向控制系统，其特征在于：所述信号采集单元中的相关数据包括转向手柄信号和原地转向开关信号；
当所述转向手柄信号η＝0，原地转向开关信号ρ＝0，则判断车辆处于直线行驶工况；
当所述转向手柄信号η＝0，原地转向开关信号ρ≠0，则判断车辆处于原地转向行驶工况；
当所述转向手柄信号η≠0，原地转向开关信号ρ＝0，则判断车辆处于转向行驶工况。
3.根据权利要求2所述的一种用于车辆的滑移转向控制系统，其特征在于：当车辆处于直线行驶工况时，则控制器控制所述直线纠偏控制层处于工作状态，所述直线纠偏控制层从信号采集单元中获取车辆的实时横摆角速度，并将获取到的实时横摆角速度与理想的横摆角速度作闭环控制，利用PID控制器实时调节驱动各车轮的电机的转矩值。
4.根据权利要求1或3所述的一种用于车辆的滑移转向控制系统，其特征在于：所述用于车辆的滑移转向控制系统还包括与所述直线纠偏控制层和转向控制层相连的第一驱动防滑控制层；
所述第一驱动防滑控制层基于从信号采集单元中获取到的各车轮的转速信号，计算出车轮边缘的线速度；然后基于公式
Figure FDA0002409997730000011
计算出各车轮滑转率，其中，vi是第i个车轮的纵向线速度，s′i是第i个车轮的滑转率，v是车辆的纵向线速度；最后将各车轮滑转率与参考滑转率作闭环控制，利用PID控制器实时调节驱动各车轮的电机的转矩值。
5.根据权利要求1所述的一种用于车辆的滑移转向控制系统，其特征在于：当车辆处于原地转向行驶工况时，则控制器控制所述原地转向控制层处于工作状态，所述原地转向控制层按照左右侧电机力矩分配大小相等且方向相反的原则，调节驱动各车轮的电机的转矩值。
6.根据权利要求5所述的一种用于车辆的滑移转向控制系统，其特征在于：所述用于车辆的滑移转向控制系统还包括与所述原地转向控制层相连的第二驱动防滑控制层；
所述第二驱动防滑控制层首先从信号采集单元中获取到的各车轮的转速信号，并将所述转速信号的绝对值后取平均作为参考轮速nj；然后基于公式
Figure FDA0002409997730000021
计算各车轮的滑转率，其中，ni是第i个车轮的转速，nj是所有车轮的平均转速，si是第i个车轮的滑转率；最后将各车轮滑转率与参考滑转率作闭环控制，利用PID控制器实时调节驱动各车轮的电机的转矩值。
7.根据权利要求1所述的一种用于车辆的滑移转向控制系统，其特征在于：所述转向控制层包括顺次相连的初始力矩分配层和横摆角速度控制层；
当车辆处于转向行驶工况时，则控制器控制所述转向控制层处于工作状态；
所述初始力矩分配层基于从信号采集单元中获取到的相关数据，计算出左右侧车轮的初始力矩分配值，并基于所述左右侧车轮的初始力矩分配值调节各电机的初始转矩值；
所述横摆角速度控制层基于从信号采集单元中获取到的相关数据，计算出参考的横摆角速度值，并将所述参考的横摆角速度值与从信号采集单元中获取到的横摆角速度信号作闭环，使用PID控制器实时调节驱动各车轮的电机的转矩值。
8.根据权利要求7所述的一种用于车辆的滑移转向控制系统，其特征在于：所述转向控制层还包括与横摆角速度控制层相连的转向速度控制层，所述转向速度控制层将从信号采集单元中获得的车速信号作为车辆处于转向形式工况下的恒定车速，限制转向过程中车速的增大或减小，保证转向的稳定性。
9.根据权利要求7所述的一种用于车辆的滑移转向控制系统，其特征在于：所述左右侧车轮的初始力矩分配值的计算公式为：
Figure FDA0002409997730000022
Figure FDA0002409997730000023
其中，TL表示左侧电机力矩，左侧三个电机力矩相等，TR表示右侧电机力矩，右侧三个电机力矩相等，TZ表示电机外特性力矩，α表示油门信号大小，B表示轮距，MZ为期望的横摆转矩。
10.根据权利要求7所述的一种用于车辆的滑移转向控制系统，其特征在于：所述横摆角速度控制层首先计算出参考的横摆角速度ωz_r，与滑移转向系数K乘积得到期望的横摆角速度ωz_d，将期望的横摆角速度ωz_d与实际的横摆角速度ωz_fb作差设计PID控制器，利用PID控制器调节与驱动各车轮的电机的转矩值，所述滑移转向系数K是基于模糊控制器得到，所述模糊控制器的输入变量为车辆的车速v和各车轮的滑转率信号s′i，输出变量为滑移转向系数K。
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