CN111546907B - 一种四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮速分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮速分配方法，属于轮式车辆的牵引控制技术领域。建立车辆侧向动力学连续模型和四轮转向轮毂电机驱动车辆的离散侧向动力学模型；通过计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的最优转角控制量；计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的侧向运动状态预测值：计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的纵向速度预测值：计算车辆坐标系中的轮心速度：计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的车轮速度偏角：计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮胎侧偏角：计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的车轮参考转速；计算车轮作纯滚动时的转速预测值等步骤，即可获得四轮转向轮毂电机驱动车辆的每个车轮的转速的预测值，最终实现对车辆的轨迹控制。

Description

一种四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮速分配方法

技术领域

本发明车辆的牵引控制技术领域。

技术背景

四轮转向轮毂电机驱动车辆具有冗余驱动及转向的技术特征，其拥有优异的机动性能、主动安全性能、轻量化设计性能以及节能环保等技术优势，是未来汽车工业最具发展前景的道路车辆形式之一。轮速分配是四轮转向轮毂电机驱动车辆的关键技术环节。当车辆进行曲线行驶时，轮速分配结果将直接影响车辆行驶状态、轮胎磨耗量以及车辆行驶安全性。现有的轮速分配方法普遍采用刚性轮胎假设以及车辆阿克曼转向几何计算每个轮毂电机车轮的目标转速，该方法具有简单可靠、成本低廉以及实时性能好等优点。但是，车辆实际运行过程是一个强非线性的三维空间运动，车辆在通过曲线路段时，轮胎的侧偏特性与车辆动力学特性往往不可忽略。转速分配技术将为轮毂电机驱动控制提供参考转速，电机驱动器通过双闭环控制来调节轮毂电机输出的动态电磁转矩，可见轮毂电机的参考转速是车辆牵引控制的关键参量。因此，传统方法的轮速分配精度较低，需要进一步地考虑轮胎侧偏特性以及车辆的动力学特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮速分配方法，它能有效地解决具有独立运动的四轮转速分配的技术问题。

本发明的目的由以下技术方案来实现：一种四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮速分配方法，包括以下步骤：

步骤一、建立车辆侧向动力学连续模型：

将四轮转向轮毂电机驱动车辆简化为二自由度模型2DOF，同一轴上的左、右轮胎用一个位于轴中心点的虚拟轮胎替代，2DOF车辆侧向动力学连续模型的状态空间方程表示为：

其中，

为x的一阶导数；x为2DOF车辆动力学模型的状态变量列阵，表示为：

x＝[y_f,ψ_z,v_y,ω_z]^T (20)

y_f表示车辆前轴中心在车辆坐标系中的侧向位移；ψ_z表示车辆坐标系中车辆的航向角；v_y、ω_z表示车辆坐标系中车辆质心o处的侧向速度与横摆角速度；T表示对矩阵转置；Φ为状态转移矩阵，表示为：

l_f,l_r分别表示车辆质心到前轴中心与后轴中心的距离；C_αf、C_αr分别表示2DOF车辆模型前、后轮胎的等效侧偏刚度，其中下标αf表示前轮侧偏角，αr表示后轮侧偏角；m表示车辆总质量；I_z表示车辆的横摆转动惯量；v_x表示车辆质心o处的纵向速度，在预测时域中假设为常量通过传感器感知；Γ为控制增益矩阵，表示为：

u为2DOF车辆动力学模型的控制输入矩阵，表示为：

u＝[δ_f,δ_r]^T (23)

其中，δ_f、δ_r分别表示2DOF车辆模型中前、后等效车轮的偏转角；

步骤二、建立四轮转向轮毂电机驱动车辆的离散侧向动力学模型：

根据式(1)，采用欧拉离散法获得离散车辆侧向动力学模型，表示为：

x(k+1)＝A(k)x(k)+B(k)u(k) (k＝0,1,2N-1) (24)

其中，定义预测时域为：以当前时间t为起始点规划出的未来一段时间，k表示预测时域中的第k时刻，N表示预测时域中离散时刻的数量；

定义离散侧向动力学模型的状态转移矩阵为A(k)，表示为：

A(k)＝I+T_sΦ(k) (25)

定义I为4×4维的单位矩阵；控制参数T_s为预测时域的长度，单位为秒；

定义离散侧向动力学模型的控制增益矩阵为B(k)，表示为：

B(k)＝T_sΓ(k) (26)

定义2DOF车辆控制系统的输出变量的预测值为y(k+1)，表示为：

y(k+1)＝Cx(k+1) (27)

其中，C表示系统输出增益矩阵，该矩阵与车辆控制系统的具体输出变量有关；

步骤三、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的最优转角控制量：

为了不失一般性，定义车辆检测系统跟踪目标轨迹，建立含有约束条件的最优二次型目标函数，使得跟踪误差值最小，表示为：

s.t.x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k),x(0)＝x₀,k＝0,1,2,...,N-1

由式(10)求解约束二次规划问题，计算出最优控制输入量u(k)，x₀为预测时域中初始时刻的状态变量值；

步骤四、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的侧向运动状态预测值：

根据式(9)、状态变量x(k)、最优控制输入量u(k)，预测，可表示为：

其中，v_y,pre和ω_z,pre表示预测时域中第k+1时刻车辆质心的侧向速度与横摆角速度，下标中的pre表示预测的含义；D为车辆动力学模型状态预测输出的增益矩阵，表示为：

步骤五、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的纵向速度预测值：

其中，a_x,max为车辆最大纵向加速度；v_t为车辆当前需要跟踪的目标纵向速度；

步骤六、计算车辆坐标系中的轮心速度：

假设车体为刚体，由刚体作平面运动的基本理论，根据车辆质心的纵向速度、侧向速度及横摆角速度在第k+1的预测值，计算车辆坐标系下车轮中心处的速度分量，表示为：

其中，

分别为轮心在车辆坐标系中的沿x轴的坐标分量和沿y轴的坐标分量，fl、fr、rl及rr分别表示实际车辆的左前、右前、左后和右后车轮；

步骤七、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的车轮速度偏角：

其中，u_x,min表示车辆纵向速度小量，远远小于

步骤八、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮胎侧偏角：

其中，

为车轮偏转角，通过u(k)与左、右轮转向几何关系计算；

步骤九、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的车轮参考转速：

根据轮胎侧偏角及轮心在车辆坐标系中的速度分量，计算轮心在轮胎对称平面中的速度分量，表示为：

由式(17)，计算车轮作纯滚动时的转速预测值，表示为：

其中，r_s表示轮胎滚动半径，单位米；

综上，由式(1)-(18)即可获得四轮转向轮毂电机驱动车辆的每个车轮的转速的预测值，将其发送给对应轮毂电机的驱动控制器，最终实现对车辆的轨迹控制。

与现有技术相比的优点和效果在于它能有效地提高车辆轮速的分配精度，提高四轮转向轮毂电机驱动车辆的综合性能。

附图说明

图1是本发明2DOF车辆模型示意图

图2是本发明轮毂电机驱动车辆的转速分配示意图

图3是本发明轮毂电机车轮作纯滚动示意图

图4是本发明车辆循迹工况下的轮速分配和行驶轨迹曲线图

图5是本发明车辆的转速分配算法流程图

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，一种四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮速分配方法，包括：

将同一轴上的左、右轮胎均为轮毂电机驱动轮1用一个位于轴中心点的虚拟轮胎替代，虚拟轮胎分为前等效车轮2后等效车轮3，车轮中心o4，轮毂电机5、轮胎6、路面7，根据方法所述的步骤分别建立：车辆侧向动力学连续模型和四轮转向轮毂电机驱动车辆的离散侧向动力学模型；通过计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的最优转角控制量；计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的侧向运动状态预测值：计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的纵向速度预测值：计算车辆坐标系中的轮心速度：计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的车轮速度偏角：计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮胎侧偏角：计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的车轮参考转速；计算车轮作纯滚动时的转速预测值等步骤，即可获得四轮转向轮毂电机驱动车辆的每个车轮的转速的预测值，将其发送给对应轮毂电机的驱动控制器，最终实现对车辆的轨迹控制。本发明所有参数可通过Matlab软件计算。

Claims (1)

1.一种四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮速分配方法，包括以下步骤：

步骤一、建立车辆侧向动力学连续模型：

将四轮转向轮毂电机驱动车辆简化为二自由度模型2DOF，同一轴上的左、右轮胎用一个位于轴中心点的虚拟轮胎替代，2DOF车辆侧向动力学连续模型的状态空间方程表示为：

其中，

为x的一阶导数；x为2DOF车辆动力学模型的状态变量列阵，表示为：

x＝[y_f,ψ_z,v_y,ω_z]^T (2)

y_f表示车辆前轴中心在车辆坐标系中的侧向位移；ψ_z表示车辆坐标系中车辆的航向角；v_y、ω_z表示车辆坐标系中车辆质心o处的侧向速度与横摆角速度；T表示对矩阵转置；Φ为状态转移矩阵，表示为：

l_f,l_r分别表示车辆质心到前轴中心与后轴中心的距离；C_αf、C_αr分别表示2DOF车辆模型前、后轮胎的等效侧偏刚度，其中下标αf表示前轮侧偏角，αr表示后轮侧偏角；m表示车辆总质量；I_z表示车辆的横摆转动惯量；v_x表示车辆质心o处的纵向速度，在预测时域中假设为常量通过传感器感知；Γ为控制增益矩阵，表示为：

u为2DOF车辆动力学模型的控制输入矩阵，表示为：

u＝[δ_f,δ_r]^T (5)

其中，δ_f、δ_r分别表示2DOF车辆模型中前、后等效车轮的偏转角；

步骤二、建立四轮转向轮毂电机驱动车辆的离散侧向动力学模型：

根据式(1)，采用欧拉离散法获得离散车辆侧向动力学模型，表示为：

x(k+1)＝A(k)x(k)+B(k)u(k) (k＝0,1,2…N-1) (6)

其中，定义预测时域为：以当前时间t为起始点规划出的未来一段时间，k表示预测时域中的第k时刻，N表示预测时域中离散时刻的数量；

定义离散侧向动力学模型的状态转移矩阵为A(k)，表示为：

A(k)＝I+T_sΦ(k) (7)

定义I为4×4维的单位矩阵；控制参数T_s为预测时域的长度，单位为秒；

定义离散侧向动力学模型的控制增益矩阵为B(k)，表示为：

B(k)＝T_sΓ(k) (8)

定义2DOF车辆控制系统的输出变量的预测值为y(k+1)，表示为：

y(k+1)＝Cx(k+1) (9)

其中，C表示系统输出增益矩阵，该矩阵与车辆控制系统的具体输出变量有关；

步骤三、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的最优转角控制量：

为了不失一般性，定义车辆检测系统跟踪目标轨迹，建立含有约束条件的最优二次型目标函数，使得跟踪误差值最小，表示为：

由式(10)求解约束二次规划问题，计算出最优控制输入量u(k)，x₀为预测时域中初始时刻的状态变量值；

步骤四、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的侧向运动状态预测值：

根据式(9)、状态变量x(k)、最优控制输入量u(k)，预测车辆的侧向运动状态，表示为：

其中，v_y,pre和ω_z,pre表示预测时域中第k+1时刻车辆质心的侧向速度与横摆角速度，下标中的pre表示预测的含义；D为车辆动力学模型状态预测输出的增益矩阵，表示为：

步骤五、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的纵向速度预测值：

其中，a_x,max为车辆最大纵向加速度；v_t为车辆当前需要跟踪的目标纵向速度；

步骤六、计算车辆坐标系中的轮心速度：

假设车体为刚体，由刚体作平面运动的基本理论，根据车辆质心的纵向速度、侧向速度及横摆角速度在第k+1的预测值，计算车辆坐标系下车轮中心处的速度分量，表示为：

其中，

分别为轮心在车辆坐标系中的沿x轴的坐标分量和沿y轴的坐标分量，fl、fr、rl及rr分别表示实际车辆的左前、右前、左后和右后车轮；

步骤七、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的车轮速度偏角：

其中，u_x,min表示车辆纵向速度小量，远远小于

步骤八、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮胎侧偏角：

其中，

为车轮偏转角，通过u(k)与左、右轮转向几何关系计算；

步骤九、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的车轮参考转速

根据轮胎侧偏角及轮心在车辆坐标系中的速度分量，计算轮心在轮胎对称平面中的速度分量，表示为：

由式(17)，计算车轮作纯滚动时的转速预测值，表示为：

其中，r_s表示轮胎滚动半径；

综上，由式(1)-(18)即可获得四轮转向轮毂电机驱动车辆的每个车轮的转速的预测值，将其发送给对应轮毂电机的驱动控制器，最终实现对车辆的轨迹控制。

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