CN111731267B - 一种装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制系统及方法，所述分布式电动汽车装备有含有轮毂电机驱动的非充气弹性车轮，所述稳定性控制系统包括上层控制器和下层控制器；其中：所述上层控制器包括滑模控制器和PID速度跟踪控制器，滑模控制器用于获得期望的横摆力矩，PID速度跟踪控制器用于跟踪汽车的车速，并且估计出期望的纵向力；所述下层控制器为HCC底盘控制器，结合滑移能量计算公式，通过上层控制器获得的纵向力和横摆力矩，进行力矩分配。本发明能够提升车辆在紧急工况下的稳定性，并减少车辆的滑移能量，即减小车轮的磨损。本发明可以有效地防止车轮高速行驶时爆胎所带来的危险。

Description

一种装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制系统 及方法

技术领域

本发明涉及汽车轮胎安全性以及智能控制领域技术，具体涉及分布式电动汽车稳定性控制方法。

背景技术

轮胎的安全性是车辆安全研究的重要课题，当车辆在高速行驶发生爆胎时，乘员的死亡率相当高。因此，一种新型安全轮胎的提出即为迫切。非充气弹性车轮(NPEW)由于采用非充气式结构，不会发生爆胎的危险。然而，解决爆胎的危险并不能完全解决车辆行驶的安全性问题，NPEW的磨损难以避免，如何降低其磨损程度也是一个极为重要的研究方向。

分布式驱动电动汽车作为电动化方向发展的一个重要分支，其各驱动轮转矩独立可控，这为车辆底盘动力学控制带来了巨大优势。分布式驱动电动汽车驱动控制技术的研究，有助于充分发挥分布式驱动电动汽车转矩独立控制的优势，提高整车的稳定性、安全性和平顺性。因此，在该背景下，把NPEW装配在分布式驱动电动车上，研究其在极端工况下磨损程度最小化，则更加提高车辆的安全性，是该领域的一个重要尝试。

直接横摆力矩控制(DYC)系统是目前主要的汽车稳定性控制系统，分布式驱动电动汽车DYC可以通过各轮驱动力/制动力独立控制来实现。当前DYC控制多采用分层控制结构，上层控制器产生总的需求横摆力矩，下层控制器实现各车轮力矩分配。

发明内容

针对现有分布式电动汽车的轮胎安全性以及极端工况下行驶稳定性问题，本发明的目的是提供一种装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制系统及方法，以改善汽车在高速行驶以及极端工况下的安全问题，提高车辆的稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制系统，所述分布式电动汽车装备有含有轮毂电机驱动的非充气弹性车轮，所述稳定性控制系统包括上层控制器和下层控制器；其中：

所述上层控制器包括滑模控制器和PID速度跟踪控制器，滑模控制器用于获得期望的横摆力矩，PID速度跟踪控制器用于跟踪汽车的车速，并且估计出期望的纵向力；

所述下层控制器为HCC底盘控制器，结合滑移能量计算公式，通过上层控制器获得的纵向力和横摆力矩，进行力矩分配。

所述滑模控制器采用积分项联合终端项的滑模面设计方法获得期望的横摆力矩；滑模趋近律采用指数趋近律，采用边界层发削弱抖振影响，在零值附近设置一个边界层，在边界层内以连续的饱和函数sat(s)来替代符号函数sgn(s)。

所述滑模控制器通过以下步骤得到横摆力矩：

(1)首先通过二自由度车辆模型，根据方向盘转角传感器检测出转角信号δ_f，车速传感器检测出车速u，使用下式计算出期望的横摆角速度ω_rd1，

式中，l为车辆的轴距即a+b，a和b分别代表车辆质心到车辆前轴和后轴的距离， K为稳定性系数；

由于车辆在行驶时受到路面附着条件的限制，其侧向加速度a_y应受到如下约束：

|a_y|≤μg

式中，μ为附着系数，根据路面情况进行设置，晴天的干燥路面一般设置为0.8，雨天设置为0.4，g为重力加速度；

当车辆的质心侧偏角约等于0时，有：

a_y≈uω_r

式中，ω_r为横摆角速度；

结合上面两式，得到期望的横摆角速度的另一表达式：

最终，期望的横摆角速度为：

式中，sgn()表示符号函数，δ_f为前轮转角

期望的质心侧偏角设置为0；

(2)惯性测量单元检测到质心侧偏角β和横摆角速度ω_r得到它们的误差值：

e(β)＝β-β_d，e(ω)＝ω_r-ω_rd来获得横摆力矩M_z：

式中，β_d表示期望的质心侧偏角，C₁和C₂分别表示前后轮的侧偏刚度，I_z表示转动惯量；m表示汽车的质量；u_d为期望的车速；

表示期望质心侧偏角的微分；

表示期望的横摆角速度的微分；k₁至k₆为控制参数，本发明中分别设置为25、0.66、0.6、 0.1、25和2^-0.5；sat(s)为饱和函数；e＝ω_r-ω_rd+k₄(β-β_d)。

所述PID速度跟踪控制器估计出期望的纵向力的计算式为：

式中，k_p是比例系数，k_i＝k_p/T_in是积分系数；k_d＝k_pT_d是微分系数；T_in和T_d是积分时间和微分时间；∑F(t)为期望的纵向力。

所述HCC底盘控制器通过最小化实际和目标重心力和力矩之间的误差，使车辆保持在目标路径上。

所述HCC底盘控制器通过力矩分配算法得到纵向力的增量：

式中，权重矩阵W_Δf设置为与滑移能量相关的对角矩阵，滑移能量是滑移功率的积分，滑移功率由公式P_sx＝F_sxv_sx表示，由非充气弹性车轮刷子模型得到

其中，F_sx是滑移力，μ是附着系数，

其中Fz是垂直载荷，lp是轮胎接地印迹的长度，d为接地印记附着区域的长度；滑移速度v_sx＝ωr_w-u，其中，v_sx是滑移速度；ω是车轮的滚动速度；r_w是滚动半径；u为车速；则

其中，W_Δf是权重矩阵；p_si＝F_sxiV_sxi，p_si为第i个车轮的滑移功率，F_sxi为第i个车轮的滑移力，V_sxi为第i个车轮的滑移速度；f_xi,k为k时刻的纵向力；f_xi,k-1为k-1时刻的纵向力；W_E为正定或半正定的权重矩阵；A_f为雅克比矩阵，

E为纵向力和横摆力矩的误差向量，E＝[E_x,E_z]^T＝[F_xd,cg-F_x,cg,M_zd,cg-M_z,cg]^T，E为误差向量；E_x＝F_xd,cg-F_x,cg，F_xd,cg为质心处的期望纵向力，F_x,cg为质心处实际的纵向力； E_z＝M_zd,cg-M_z,cg，M_zd,cg为质心处期望的横摆力矩，M_z,cg为质心处实际的横摆力矩。

一种装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制方法，包括以下步骤：

(1)分别获取车辆的前轮转角、路面附着系数、车速；

(2)根据二自由度车辆模型获取车辆的期望横摆角速度和期望质心侧偏角；

(3)建立含有积分项和终端项的滑模面方程和趋近律；

(4)计算期望附加横摆力矩；

(5)通过HCC底盘控制器，结合滑移能量计算公式，通过上层控制器获得的纵向力和横摆力矩，进行力矩分配。

有益效果：本发明提供的直接横摆力矩分层控制结构，能够提升车辆在紧急工况下，例如紧急变道时的稳定性，并减少车辆的滑移能量，即减小车轮的磨损。本发明可以有效地防止车轮高速行驶时爆胎所带来的危险。

附图说明

图1为本发明的整体控制框架示意图；

图2为本发明的二自由度车辆模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案表述更加清楚，下面用实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

如图1所示，本发明的一种装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制系统，分布式电动汽车装备有含有轮毂电机驱动的非充气弹性车轮，稳定性控制系统包括上层控制器和下层控制器；其中：

上层控制器包括滑模控制器和PID速度跟踪控制器，滑模控制器用于获得期望的横摆力矩，PID速度跟踪控制器用于跟踪汽车的车速，并且估计出期望的纵向力；

下层控制器为HCC底盘控制器，结合滑移能量计算公式，通过上层控制器获得的纵向力和横摆力矩，进行力矩分配。

非充气弹性车轮具备区别于普通充气轮胎的防爆胎性能，有助于提高车辆高速行驶以及紧急避障时的安全性。

滑模控制器采用积分项联合终端项的滑模面设计方法获得期望的横摆力矩；滑模趋近律采用指数趋近律，在传统的等速趋近律的基础上加上一项，这样就有效的解决了收敛速度不变的问题，并且也缓解了系统的抖振；采用边界层发削弱抖振影响，在零值附近设置一个较薄的边界层，在边界层内以连续的饱和函数sat(s)来替代传统的符号函数 sgn(s)。

滑模控制器滑模控制器通过以下步骤得到横摆力矩：

1)建立二自由度车辆模型：

式中m是车辆的质量；u是车辆的纵向速度；β是质心侧偏角；ω_r是横摆角速度；F_yi,i＝(1,2,3,4)分别代表左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的侧向力；F_xi,i＝(1,2,3,4)分别代表左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的纵向力；I_z为车辆绕z轴的转动惯量；M_z为期望的横摆力矩；a和b分别代表车辆质心到车辆前轴和后轴的距离。

2)根据方向盘转角传感器检测出转角信号δ_f，车速传感器检测出车速u，使用下式计算出期望的横摆角速度ω_rd1：

式中，l为车辆的轴距即a+b，

K为稳定性系数。

由于车辆在行驶时受到路面附着条件的限制，其侧向加速度应受到如下约束： |a_y|≤μg，当车辆的质心侧偏角很小(即其约等于0)的时，有：a_y≈uω_r，其中ω_r表示横摆角速度。结合上面两式有，得到横摆角速度另一表达式：

其中，μ为附着系数，根据路面情况进行设置，本发明中，晴天的干燥路面一般设置为0.8，雨天设置为0.4；g为重力加速度；

最终，期望的横摆角速度为：

其中sgn()表示符号函数，δ_f为前轮转角；

期望的质心侧偏角设置为0。

3)惯性测量单元检测到质心侧偏角β和横摆角速度ω_r得到它们的误差值：

e(β)＝β-β_d，e(ω)＝ω_r-ω_rd。

滑模面方程设计为

其中e为横摆角速度和质心侧偏角的误差 e＝ω_r-ω_rd+k₄(β-β_d)。式中k₁，k₂，k₃，k₄可以根据经验获得。

对滑模面方程求导得到：

其中，

为实际横摆角速度的导数，

为期望横摆角速度的导数，

为实际质心侧偏角的导数，

为期望质心侧偏角的导数。

将二自由度车辆运动微分方程代入上式可得：

采用指数趋近律，在传统的等速趋近律的基础上加上一项，这样就有效的解决了收敛速度不变的问题，并且也缓解了系统的抖振，趋近律方程为：

采用边界层发削弱抖振影响，在零值附近设置一个较薄的边界层，在边界层内以连续的饱和函数sat(s)来替代传统的符号函数sgn(s)。其中

最后根据所述的状态数据，计算出横摆力矩如下：

4)控制器稳定性分析使用李雅普诺夫函数

从上式可以发现V≥0恒成立。对其求导可得V的变化率

由于k₅和k₆皆大于0，所以当S≠0 时，

因此函数V(t)是减函数，当t→∞时，S→0，切换函数S＝0是渐进可达到的，所以该控制系统是稳定的。

PID速度跟踪控制器来跟踪汽车的车速，并且估计出期望的纵向力。计算式为：

下层控制器为HCC底盘控制器，HCC控制器目标是通过最小化实际和目标重心(CG)力和力矩之间的误差，使车辆保持在目标路径上。该优化方法计算出每一个时间步必要的增量轮胎力，给司机一个稳定驾驶的感觉。

作用在车辆质心处期望的纵向力、侧向力和横摆力矩可以表示为 F_d,cg＝[F_xd,cg,F_yd,cg,M_zd,cg]。

作用在车辆质心处实际的纵向力、侧向力和横摆力矩可以表示为 F_cg＝[F_x,cg,F_y,cg,M_z,cg]。

轮胎力可以定义为如下向量f＝[F_x1,...,F_x4,F_y1,...F_y4]^T。

对车辆质心处的轮胎力的增量进行线性化处理

其中F(f)为轮胎的纵向力和侧向力；A_f为雅克比矩阵，对于一个二轴车辆而言，该雅克比矩阵A_f可以表示为

B_f和B_r分别表示前后轴的轮距。

减小车辆运动误差所需的增量力向量可以定义为Δf＝[Δf_x1,...,Δf_x4,Δf_y1,...,Δf_y4]。

假设控制矢量仅由纵向力提供，即Δf_yi＝0。其中i＝1,2,3,4。

由此，误差向量可以定义为E＝[E_x,E_z]^T＝[F_xd,cg-F_x,cg,M_zd,cg-M_z,cg]^T跟踪误差可以定义为E_p＝E-A_fΔf。

HCC底盘控制器的力矩分配算法中，引入了滑移能量的因素。该分配算法在保证车辆稳定性的同时，减小了滑移能量，即减少了轮胎的磨损。该分配算法的目标是得到最优的Δf，使E_p趋于0，为此建立一个二次型代价函数

其中，W_E和W_Δf为两个正定或者半正定的权重矩阵，滑移功率可由公式P_sx＝F_sxv_sx表示，由非充气弹性车轮刷子模型可得

滑移速度v_sx＝ωr_w-u，则

可以通过

求解，推导过程在此忽略，最终结果为

其中，

纵向力的前馈控制可以通过车辆的动力学获得，F_x＝F_x1+F_x2+F_x3+F_x，

假设左前轮和右前轮的纵向力相等，左后轮和右后轮的纵向力也相等，有

因此，总的驱动力矩为T_i＝(F_xi+Δf_xi)r_w。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制系统，其特征在于：所述分布式电动汽车装备有含有轮毂电机驱动的非充气弹性车轮，所述稳定性控制系统包括上层控制器和下层控制器；其中：

所述上层控制器包括滑模控制器和PID速度跟踪控制器，滑模控制器用于获得期望的横摆力矩，PID速度跟踪控制器用于跟踪汽车的车速，并且估计出期望的纵向力；

所述下层控制器为HCC底盘控制器，结合滑移能量计算公式，通过上层控制器获得的纵向力和横摆力矩，进行力矩分配；

所述滑模控制器采用积分项联合终端项的滑模面设计方法获得期望的横摆力矩；滑模趋近律采用指数趋近律，采用边界层发削弱抖振影响，在零值附近设置一个边界层，在边界层内以连续的饱和函数sat(s)来替代符号函数sgn(s)；所述滑模控制器通过以下步骤得到横摆力矩：

(1)首先通过二自由度车辆模型，根据方向盘转角传感器检测出转角信号δ_f，车速传感器检测出车速u，使用下式计算出期望的横摆角速度ω_rd1，

式中，l为车辆的轴距即a+b，a和b分别代表车辆质心到车辆前轴和后轴的距离，K为稳定性系数；

由于车辆在行驶时受到路面附着条件的限制，其侧向加速度a_y应受到如下约束：

|a_y|≤μg

式中，μ为附着系数，g为重力加速度；

当车辆的质心侧偏角约等于0时，有：

a_y≈uω_r

式中，ω_r为横摆角速度；

结合上面两式，得到期望的横摆角速度的另一表达式：

最终，期望的横摆角速度为：

式中，sgn()表示符号函数，δ_f为前轮转角

期望的质心侧偏角设置为0；

(2)惯性测量单元检测到质心侧偏角β和横摆角速度ω_r得到它们的误差值：

e(β)＝β-β_d，e(ω)＝ω_r-ω_rd来获得横摆力矩M_z：

式中，β_d表示期望的质心侧偏角，C₁和C₂分别表示前后轮的侧偏刚度，I_z表示转动惯量；m表示汽车的质量；u_d为期望的车速；

表示期望质心侧偏角的微分；

表示期望的横摆角速度的微分；k₁至k₆为控制参数；sat(s)为饱和函数；e＝ω_r-ω_rd+k₄(β-β_d)。

2.根据权利要求1所述的装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制系统，其特征在于：所述PID速度跟踪控制器估计出期望的纵向力的计算式为：

式中，k_p是比例系数，k_i＝k_p/T_in是积分系数；k_d＝k_pT_d是微分系数；T_in和T_d是积分时间和微分时间；∑F(t)为期望的纵向力。

3.根据权利要求1所述的装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制系统，其特征在于：所述HCC底盘控制器通过最小化实际和目标重心力和力矩之间的误差，使车辆保持在目标路径上。

4.根据权利要求1所述的装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制系统，其特征在于：所述HCC底盘控制器通过力矩分配算法得到纵向力的增量：

式中，权重矩阵W_Δf设置为与滑移能量相关的对角矩阵，滑移能量是滑移功率的积分，滑移功率由公式P_sx＝F_sxv_sx表示，由非充气弹性车轮刷子模型得到

其中，F_sx是滑移力，μ是附着系数，

其中Fz是垂直载荷，lp是轮胎接地印迹的长度，d为接地印记附着区域的长度；滑移速度v_sx＝ωr_w-u，其中，v_sx是滑移速度；ω是车轮的滚动速度；r_w是滚动半径；u为车速；则

其中，W_Δf是权重矩阵；p_si＝F_sxiV_sxi，p_si为第i个车轮的滑移功率，F_sxi为第i个车轮的滑移力，V_sxi为第i个车轮的滑移速度；f_xi,k为k时刻的纵向力；f_xi,k-1为k-1时刻的纵向力；W_E为正定或半正定的权重矩阵；A_f为雅克比矩阵，

B_f和B_r分别表示前后轴的轮距；E为纵向力和横摆力矩的误差向量，E＝[E_x,E_z]^Τ＝[F_xd,cg-F_x,cg,M_zd,cg-M_z,cg]^Τ，E为误差向量；E_x＝F_xd,cg-F_x,cg，F_xd,cg为质心处的期望纵向力，F_x,cg为质心处实际的纵向力；E_z＝M_zd,cg-M_z,cg，M_zd,cg为质心处期望的横摆力矩，M_z,cg为质心处实际的横摆力矩。

5.一种基于权利要求1-4任一所述系统的装备非充气弹性车轮的分布式电动汽车稳定性控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)分别获取车辆的前轮转角、路面附着系数、车速；

(2)根据二自由度车辆模型获取车辆的期望横摆角速度和期望质心侧偏角；

(3)建立含有积分项和终端项的滑模面方程和趋近律；

(4)计算期望附加横摆力矩；

(5)通过HCC底盘控制器，结合滑移能量计算公式，通过上层控制器获得的纵向力和横摆力矩，进行力矩分配。

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