CN111824256A - 具有自适应容错控制功能的线控转向系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自适应容错控制功能的线控转向系统及其控制方法，方法包括：建立理想横摆角速度与方向盘转角关系；建立四轮差动助力转向系统模型；根据四轮差动助力转向模型建立具有自适应容错控制功能的四轮差动助力转向系统状态空间模型：根据步骤3）的状态空间模型及步骤1）的理想横摆角速度采用自适应容错控制算法实现对线控转向系统的容错控制。本发明能够有效的抑制轮毂电机故障引起的参数大范围变化的问题，使得处在故障下的转向系统能够快速改变控制策略，适应故障情况，达到良好的控制效果。

Description

具有自适应容错控制功能的线控转向系统及其控制方法

技术领域

本发明属于四轮线控转向技术领域，具体指一种具有自适应容错控制功能的线控转向系统及其控制方法。

背景技术

对于传统车辆来说，离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动器都是必不可少的，而这些部件不但重量重、结构复杂，同时也存在需要定期维护和故障率的问题。轮毂电机很好地解决了上述问题；除了结构更为简单之外，采用轮毂电机线控驱动的车辆可以获得更好的空间利用率，同时传动效率更高。

由于轮毂电机具备单个车轮独立线控驱动的特性，因此很容易实现前驱、后驱及四驱的驱动形式。同时轮毂电机可以调整左右车轮转矩或转速实现差动转向，大大减小了车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向。

但是轮毂电机可能存在失效情况，其可靠性存在问题；如何在轮毂电机失效情况下，保证车辆稳定性的问题急需解决。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有自适应容错控制功能的线控转向系统及其控制方法，以解决现有技术中轮毂电机存在电机失效情况，车辆稳定性、可靠性差的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种具有自适应容错控制功能的线控转向系统，包括：方向盘转角传感器、方向盘、转向管柱、左前轮及轮毂电机、齿轮齿条转向器、右前轮及轮毂电机、前轴、电子控制单元、蓄电池组、左后轮及轮毂电机、右后轮及轮毂电机、车速传感器、横摆角速度传感器、后轴；所述方向盘转角传感器安装在转向管柱内；方向盘安装在转向管柱上；所述左前轮及轮毂电机与右前轮及轮毂电机安装在前轴上；所述齿轮齿条转向器安装于前轴上；所述左后轮及轮毂电机与右后轮及轮毂电机安装在后轴上；所述方向盘转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器分别连接电子控制单元，并将采集到的信号输入到电子控制单元中；所述电子控制单元与蓄电池组相连并由其供电，电子控制单元还分别与左前轮及轮毂电机、右前轮及轮毂电机、左后轮及轮毂电机以及右后轮及轮毂电机相连并通过电流控制其运行。

进一步地，所述电子控制单元根据采集到的信号控制四个轮毂电机转矩，完成整个系统的容错控制。

本发明的一种具有自适应容错控制功能的线控转向系统的控制方法，步骤如下：

步骤1)：建立理想横摆角速度与方向盘转角关系；

步骤2)：建立四轮差动助力转向系统模型；

步骤3)：根据四轮差动助力转向模型建立具有自适应容错控制功能的四轮差动助力转向系统状态空间模型：

步骤4)：根据步骤3)的状态空间模型及步骤1)的理想横摆角速度采用自适应容错控制算法实现对线控转向系统的容错控制。

进一步地，所述步骤1)具体包括：车辆行驶时，当驾驶员转动方向盘，电子控制单元接收方向盘转角传感器、车速传感器采集到的方向盘转角θ_sw及车速信号u，得到此时车辆的理想横摆角速度γ^*与方向盘转角θ_sw关系如下式：

式中，

a₀＝k_fk_r(a+b)²+(k_rb-k_fa)mu²；b₀＝k_fk_r(a+b)u；L为前后轴轴距；K_s为转向增益常数，范围可根据驾驶员喜好选取，该范围为0.12-0.37 1/s；k_f、k_r分别为前、后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距。

进一步地，所述步骤2)中的四轮差动助力转向系统模型为：

式中，δ_f为前轮转角；β为质心侧偏角；γ为横摆角速度；m为整车质量；c为半轴距；I为整车绕z轴转动惯量；R为轮胎半径；J_s为方向盘等效转动惯量；d为轮距拖矩；d₁为主销横向偏移矩；G为齿轮齿条转向器传动比；T_sw为驾驶员作用方向盘转矩；T_fl,T_fr,T_rl,T_rr分别为左前、右前、左后、右后轮毂电机输出转矩。

进一步地，所述步骤3)中的四轮差动助力转向系统状态空间模型为：令系统状态变量x为：

控制输入u为：u＝[T_fl T_fr T_rl T_rr]^T，干扰输入w为：w＝[T_sw]^T；输出向量y为：y＝[γ]^T；

当轮毂电机发生故障时的故障情况概括为：

式中，σ＝diag{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄}，σ_k为第k个轮毂电机的失效率，k＝1,2,3,4；当σ_k＝1时，无故障发生；当0＜σ_k＜1，第k个轮毂电机部分失效；当σ_k＝0时，第k个电机完全失效；

对于转向系统而言，其状态空间描述为：

y(t)＝Cx(t)

式中，

B＝σB₁；

C＝[0 0 0 1]^T；

进一步地，所述步骤4)具体包括：

41)建立系统参考模型：

y_m(t)＝C_mx_m(t)

式中，x_m(t)为模型状态向量；u_m(t)为模型输入控制向量，y_m(t)为模型输出向量；A_m,B_m,C_m为常数矩阵；

定义理想控制输入u^*为：u^*＝k_e(y_m-y)+k_xx_m+k_uu_m

式中，k_e表示跟踪误差增益；k_x,k_u表示理想的前馈增益；

当使用理想控制输入使得系统输出跟踪参考模型时，有：e_y＝y_m-y＝0，e_v为跟踪误差；

42)理想系统模型描述为：

y^*(t)＝Cx^*(t)

此时，u^*＝k_xx_m+k_uu_m；

根据跟踪控制理论，推导出理想状态轨迹：x^*＝s₁₁x_m+s₁₂u_m；

即：

式中，s₁₁,s₁₂均为常数矩阵；

43)建立自适应容错控制基本结构：

u(t)＝K_e(t)(y_m-y)+K_x(t)x_m+K_u(t)u_m

定义自适应增益为：

K_r(t)＝[K_e(t)K_x(t)K_u(t)]＝K_p(t)+K_i(t)

式中，K_p(t)为比例增益；K_i(t)为积分增益；

自适应增益由下面比例-积分型控制律在线调整：

e_y＝y_m-y＝0

r^T(t)＝[e_y ^T(t)x_m ^T(t)u_m ^T(t)]

K_p(t)＝e_y(t)r^T(t)T_p

K_i(t)＝e_y(t)r^T(t)T_i

式中，T_p,T_i为常值权矩阵；

此时控制器简写成：u(t)＝K_r(t)r(t)。

本发明的有益效果：

本发明能够有效的抑制轮毂电机故障引起的参数大范围变化的问题，使得处在故障下的转向系统能够快速改变控制策略，适应故障情况，达到良好的控制效果。本发明的控制方法简单，为解决汽车四轮差动助力线控转向系统的容错控制拓宽了研究思路。

附图说明

图1为本发明四轮差动助力线控转向系统结构图。

图中；1为方向盘转角传感器，2为方向盘，3为转向管柱，4为左前轮及轮毂电机，5为齿轮齿条转向器，6为右前轮及轮毂电机，7为前轴，8为电子控制单元，9为蓄电池组，10为左后轮及轮毂电机，11为右后轮及轮毂电机，12为车速传感器，13为横摆角速度传感器，14为后轴。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种具有自适应容错控制功能的线控转向系统，包括：方向盘转角传感器1、方向盘2、转向管柱3、左前轮及轮毂电机4、齿轮齿条转向器5、右前轮及轮毂电机6、前轴7、电子控制单元8、蓄电池组9、左后轮及轮毂电机10、右后轮及轮毂电机11、车速传感器12、横摆角速度传感器13、后轴14；所述方向盘转角传感器1安装在转向管柱3内；方向盘2安装在转向管柱3上；所述左前轮及轮毂电机4与右前轮及轮毂电机6安装在前轴7上；所述齿轮齿条转向器5安装于前轴7上；所述左后轮及轮毂电机10与右后轮及轮毂电机11安装在后轴上；所述方向盘转角传感器1、车速传感器12、横摆角速度传感器13分别连接电子控制单元8，并将采集到的信号输入到电子控制单元8中；所述电子控制单元8与蓄电池组9相连并由其供电，电子控制单元8还分别与左前轮及轮毂电机4、右前轮及轮毂电机6左后轮及轮毂电机10以及右后轮及轮毂电机11相连并通过电流控制其运行。

所述电子控制单元根据采集到的信号控制四个轮毂电机转矩，完成整个系统的容错控制。

在行驶过程中，电子控制单元实时采集方向盘转角、横摆角速度以及车速信号，计算理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值，通过设计的自适应容错控制器重新计算轮毂电机输出转矩，并由电子控制单元向轮毂电机发送电流信号，完成轮毂电机正常与失效状况下的转向稳定性控制。

本发明的一种具有自适应容错控制功能的线控转向系统的控制方法，步骤如下：

步骤1)：建立理想横摆角速度与方向盘转角关系；

所述步骤1)具体包括：车辆行驶时，当驾驶员转动方向盘，电子控制单元接收方向盘转角传感器、车速传感器采集到的方向盘转角θ_sw及车速信号u，得到此时车辆的理想横摆角速度γ^*与方向盘转角θ_sw关系如下式：

式中，

a₀＝k_fk_r(a+b)²+(k_rb-k_fa)mu²；b₀＝k_fk_r(a+b)u；L为前后轴轴距；K_s为转向增益常数，范围可根据驾驶员喜好选取，该范围为0.12-0.37 1/s；k_f、k_r分别为前、后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距。

步骤2)：建立四轮差动助力转向系统模型；

四轮差动助力转向系统模型为：

式中，δ_f为前轮转角；β为质心侧偏角；γ为横摆角速度；m为整车质量；c为半轴距；I为整车绕z轴转动惯量；R为轮胎半径；J_s为方向盘等效转动惯量；d为轮距拖矩；d₁为主销横向偏移矩；G为齿轮齿条转向器传动比；T_sw为驾驶员作用方向盘转矩；T_fl,T_fr,T_rl,T_rr分别为左前、右前、左后、右后轮毂电机输出转矩。

步骤3)：根据四轮差动助力转向模型建立具有自适应容错控制功能的四轮差动助力转向系统状态空间模型：

所述步骤3)中的四轮差动助力转向系统状态空间模型为：令系统状态变量x为：

控制输入u为：u＝[T_fl T_fr T_rl T_rr]^T，干扰输入w为：w＝[T_sw]^T；输出向量y为：y＝[γ]^T；

当轮毂电机发生故障时的故障情况概括为：

式中，σ＝diag{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄}，σ_k为第k个轮毂电机的失效率，k＝1,2,3,4；当σ_k＝1时，无故障发生；当0＜σ_k＜1，第k个轮毂电机部分失效；当σ_k＝0时，第k个电机完全失效；

对于转向系统而言，其状态空间描述为：

y(t)＝Cx(t)

式中，

B＝σB₁；

C＝[0 0 0 1]^T；

步骤4)：根据步骤3)的状态空间模型及步骤1)的理想横摆角速度实现对线控转向系统的容错控制。

41)建立系统参考模型：

y_m(t)＝C_mx_m(t)

式中，x_m(t)为模型状态向量；u_m(t)为模型输入控制向量，y_m(t)为模型输出向量；A_m,B_m,C_m为常数矩阵；

定义理想控制输入u^*为：u^*＝k_e(y_m-y)+k_xx_m+k_uu_m

式中，k_e表示跟踪误差增益；k_x,k_u表示理想的前馈增益；

当使用理想控制输入使得系统输出跟踪参考模型时，有：e_y＝y_m-y＝0，e_v为跟踪误差；

42)理想系统模型描述为：

y^*(t)＝Cx^*(t)

此时，u^*＝k_xx_m+k_uu_m；

根据跟踪控制理论，推导出理想状态轨迹：x^*＝s₁₁x_m+s₁₂u_m；

即：

式中，s₁₁,s₁₂均为常数矩阵；

43)建立自适应容错控制基本结构：

u(t)＝K_e(t)(y_m-y)+K_x(t)x_m+K_u(t)u_m

定义自适应增益为：

K_r(t)＝[K_e(t) K_x(t) K_u(t)]＝K_p(t)+K_i(t)

式中，K_p(t)为比例增益；K_i(t)为积分增益；

自适应增益由下面比例-积分型控制律在线调整：

e_y＝y_m-y＝0

r^T(t)＝[e_y ^T(t) x_m ^T(t) u_m ^T(t)]

K_p(t)＝e_y(t)r^T(t)T_p

K_i(t)＝e_y(t)r^T(t)T_i

式中，T_p,T_i为常值权矩阵；

此时控制器简写成：u(t)＝K_r(t)r(t)。

本发明具体应用途径很多，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有自适应容错控制功能的线控转向系统，其特征在于，包括：方向盘转角传感器(1)、方向盘(2)、转向管柱(3)、左前轮及轮毂电机(4)、齿轮齿条转向器(5)、右前轮及轮毂电机(6)、前轴(7)、电子控制单元(8)、蓄电池组(9)、左后轮及轮毂电机(10)、右后轮及轮毂电机(11)、车速传感器(12)、横摆角速度传感器(13)及后轴(14)；所述方向盘转角传感器(1)安装在转向管柱(3)内；方向盘(2)安装在转向管柱(3)上；所述左前轮及轮毂电机(4)与右前轮及轮毂电机(6)安装在前轴(7)上；所述齿轮齿条转向器(5)安装于前轴(7)上；所述左后轮及轮毂电机(10)与右后轮及轮毂电机(11)安装在后轴上；所述方向盘转角传感器(1)、车速传感器(12)、横摆角速度传感器(13)分别连接电子控制单元(8)，并将采集到的信号输入到电子控制单元(8)中；所述电子控制单元(8)与蓄电池组(9)相连并由其供电，电子控制单元(8)还分别与左前轮及轮毂电机(4)、右前轮及轮毂电机(6)、左后轮及轮毂电机(10)以及右后轮及轮毂电机(11)相连并通过电流控制其运行。

2.根据权利要求1所述的具有自适应容错控制功能的线控转向系统，其特征在于，所述电子控制单元根据采集到的信号控制四个轮毂电机转矩，完成整个系统的容错控制。

3.一种具有自适应容错控制功能的线控转向系统的控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1)：建立理想横摆角速度与方向盘转角关系；

步骤2)：建立四轮差动助力转向系统模型；

步骤3)：根据四轮差动助力转向模型建立具有自适应容错控制功能的四轮差动助力转向系统状态空间模型：

步骤4)：根据步骤3)的状态空间模型及步骤1)的理想横摆角速度采用自适应容错控制算法实现对线控转向系统的容错控制。

4.根据权利要求3所述的具有自适应容错控制功能的线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：车辆行驶时，当驾驶员转动方向盘，电子控制单元接收方向盘转角传感器、车速传感器采集到的方向盘转角θ_sw及车速信号u，得到此时车辆的理想横摆角速度γ^*与方向盘转角θ_sw关系如下式：

式中，

a₀＝k_fk_r(a+b)²+(k_rb-k_fa)mu²；b₀＝k_fk_r(a+b)u；L为前后轴轴距；K_s为转向增益常数；k_f、k_r分别为前、后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距。

5.根据权利要求3所述的具有自适应容错控制功能的线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤2)中的四轮差动助力转向系统模型为：

式中，δ_f为前轮转角；β为质心侧偏角；γ为横摆角速度；m为整车质量；c为半轴距；I为整车绕z轴转动惯量；R为轮胎半径；J_s为方向盘等效转动惯量；d为轮距拖矩；d₁为主销横向偏移矩；G为齿轮齿条转向器传动比；T_sw为驾驶员作用方向盘转矩；T_fl,T_fr,T_rl,T_rr分别为左前、右前、左后、右后轮毂电机输出转矩。

6.根据权利要求3所述的具有自适应容错控制功能的线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中的四轮差动助力转向系统状态空间模型为：令系统状态变量x为：

控制输入u为：u＝[T_fl T_fr T_rl T_rr]^T，干扰输入w为：w＝[T_sw]^T；输出向量y为：y＝[γ]^T；

当轮毂电机发生故障时的故障情况概括为：

式中，σ＝diag{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄}，σ_k为第k个轮毂电机的失效率，k＝1,2,3,4；当σ_k＝1时，无故障发生；当0＜σ_k＜1，第k个轮毂电机部分失效；当σ_k＝0时，第k个电机完全失效；

对于转向系统而言，其状态空间描述为：

y(t)＝Cx(t)

式中，

B＝σB₁；

C＝[0 0 0 1]^T；

7.根据权利要求3所述的具有自适应容错控制功能的线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：

41)建立系统参考模型：

y_m(t)＝C_mx_m(t)

式中，x_m(t)为模型状态向量；u_m(t)为模型输入控制向量，y_m(t)为模型输出向量；A_m,B_m,C_m为常数矩阵；

定义理想控制输入u^*为：u^*＝k_e(y_m-y)+k_xx_m+k_uu_m

式中，k_e表示跟踪误差增益；k_x,k_u表示理想的前馈增益；

当使用理想控制输入使得系统输出跟踪参考模型时，有：e_y＝y_m-y＝0，e_v为跟踪误差；

42)理想系统模型描述为：

y^*(t)＝Cx^*(t)

此时，u^*＝k_xx_m+k_uu_m；

根据跟踪控制理论，推导出理想状态轨迹：x^*＝s₁₁x_m+s₁₂u_m；

即：

式中，s₁₁,s₁₂均为常数矩阵；

43)建立自适应容错控制基本结构：

u(t)＝K_e(t)(y_m-y)+K_x(t)x_m+K_u(t)u_m

定义自适应增益为：

K_r(t)＝[K_e(t) K_x(t) K_u(t)]＝K_p(t)+K_i(t)

式中，K_p(t)为比例增益；K_i(t)为积分增益；

自适应增益由下面比例-积分型控制律在线调整：

e_y＝y_m-y＝0

r^T(t)＝[e_y ^T(t) x_m ^T(t) u_m ^T(t)]

K_p(t)＝e_y(t)r^T(t)T_p

K_i(t)＝e_y(t)r^T(t)T_i

式中，T_p,T_i为常值权矩阵；

此时控制器简写成：u(t)＝K_r(t)r(t)。

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