CN111832160A - 一种基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法和系统，方法基于魔术轮胎模型建立前轮模型、饱和轮胎模型建立后轮模型，将两个前轮合并为一个车轮，再与两个后轮构成三轮模型，利用线性二次型方法设计控制算法，将获得的控制算法中的控制量转换为执行器控制指令；稳定漂移控制系统包含传感器、控制器、执行器；控制器用于接收各传感器及观测器检测到的速度、横摆角速度、质心侧偏角，计算控制输入量，并使用三轮模型，将前轮侧向力转换为前轮转向角指令，输出转向指令以及驱动扭矩指令；本发明可实现后轮独立驱动车辆的稳定漂移运动。

Description

一种基于三轮模型的车辆稳定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，特别是一种基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法和系统。

背景技术

漂移是一种让汽车以大角度侧滑行驶的极限运动，驾驶员在持续侧滑的情况下驾驶特定路线。其中稳定漂移是我们经常在表演赛中看到的一种漂移技术，汽车方向盘向右(左)然后车身向相反的方向旋转，完成圆周运动。稳定漂移具有三个特点：大质心侧偏角、反向转向、后轮饱和。

现有关于车辆漂移控制方法的研究都是基于常规的单轨模型或者4轮模型。单轨模型即自行车模型，将前轮与后轮都分别集中视为一个车轮，忽略了车辆的横向载荷转移，模型简单，没有充分考虑汽车的动力学特点。4轮模型则考虑了汽车的全部4个车轮，相比于单轨模型能够更全面的体现汽车的动力学特性，但用于汽车控制算法设计时便显得复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法和系统，以实现后轮独立驱动车辆的稳定漂移运动。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、基于魔术轮胎模型建立前轮模型；

步骤S2、基于饱和轮胎模型建立后轮模型；

步骤S3、建立基于三轮模型的非线性车辆动力学方程：以前轮转向，后轮驱动，将两个前轮合并视为一个车轮，即与两个后轮构成三轮模型；

步骤S4、利用Jacobian方法将步骤S3得到的非线性方程线性化，建立线性状态空间；

步骤S5、利用线性二次型(LQR)方法设计控制算法；

步骤S6、将步骤S5获得的控制算法中的控制量转换为执行器控制指令：利用步骤S3建立的车辆模型反演，将前轮侧向力转换为前轮转向角指令；将左后轮纵向力与右后轮纵向力分别转换为两个车轮需要的输出扭矩。

一种基于三轮模型的车辆稳定漂移控制系统，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控制器相连；所述控制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v_x；

所述质心侧偏角观测器用于计算车辆的质心侧偏角β；

所述控制器用于接收各传感器及观测器检测到的速度、横摆角速度、质心侧偏角，计算控制输入量，并使用三轮模型，将前轮侧向力转换为前轮转向角指令，输出转向指令以及驱动扭矩指令。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)计算量小：对于前轮转向，后轮独立驱动的车辆的漂移控制，使用了三轮模型，相比于常规的四轮模型，简化了计算量。

(2)稳定性高：三轮模型在简化计算的同时保留了后轮独立驱动的特点，能够可靠的应用在前轮转向，后轮独立驱动的车辆上。

附图说明

图1为稳定漂移控制方法流程图。

图2为根据本发明某些实施例的车辆三轮模型示意图。

图3为根据本发明某些实施例的稳定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质心侧偏角状态图。

图5为利用本发明某些实施例的车辆横摆角速度状态图。

图6为利用本发明某些实施例的车辆速度状态图。

图7为利用本发明某些实施例的转向角控制指令输入图。

图8为利用本发明某些实施例的扭矩控制指令输入图。

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2，本发明的一种基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、基于魔术轮胎模型建立前轮模型：

魔术轮胎模型是一种可靠的经验轮胎模型，为了简化计算过程，此处将使用简化的魔术模型，建立前轮模型为：

F_y(α)＝Dsin(Ctan^-1(Bα))

其中F_y(α)为前轮胎侧向力，α为侧偏角，D是峰值因子，B是刚度系数，C是形状系数。

步骤S2、基于饱和轮胎模型建立后轮模型：

当车辆处于漂移状态，后轮轮胎力达到附着极限，后轮胎侧向力可以被表示为：

其中μ为摩擦系数，F_rjy为后轮侧向力，F_rjz为后轮垂向力，F_rjx为后轮纵向力，l，r分别代表左后轮和右后轮。

步骤S3、建立基于三轮模型的车辆动力学方程：

本方法适用的对象为前轮转向，后轮驱动的车辆，没有在前轮施加驱动扭矩，故可以在动力学建模中将两个前轮合并视为一个车轮，即与两个后轮构成三轮模型。

其中

为质心侧偏角的微分，m为汽车的质量，v_x为车速，Ff_y为前轮侧向力，δ为前轮转向角，F_rly为左后轮的侧向力，F_rry为右后轮的侧向力，γ为横摆角速度，I_z为汽车的转动惯量，F_rrx为右后轮的纵向力，F_rlx为左后轮的纵向力，f为轴距，l_f为汽车质心到前轴的距离，l_r为汽车质心到后轴的距离。

步骤S4、利用Jacobian方法将步骤S3得到的非线性方程线性化，建立线性状态空间：

Jacobian矩阵A与Jacobian矩阵B按如下方法获得：

得到状态空间

其中Δz＝z-z^eq,Δu＝u-u^eq，z＝[β，r，v_x]^T是状态量,u＝[F_fx，F_rlx，F_rrx]^T是控制输入量，z^eq＝[β^eq，r^eq，v_x ^eq]^T是参考状态量,u^eq＝[F_fy ^eq，F_rlx ^eq，F_rrx ^eq]^T是参考控制输入量。将步骤S3得到的动力学方程的左边设为0，求解获得z^eq、u^eq，^T为矩阵转置符号。

步骤S5、利用线性二次型(LQR)方法设计控制算法：

利用LQR最小成本函数J：

其中Q和R均为正定矩阵。

LQR的控制律为：

u＝u^eq+Δu

Δu＝-R^-1B^-1PΔu＝-kΔz

通过求解如下的等式获得矩阵P。

A^TP+PA-PBR^-1B^TP+Q＝0

步骤S6、将步骤S5获得的控制量转换为执行器控制指令；

从LQR直接获得的控制量u＝(F_fy，F_rlx，F_rrx)并不能直接作为执行器的控制指令。我们利用步骤S3建立的车辆模型反演，将前轮侧向力F_fy转换为前轮转向角指令δ。将左后轮纵向力F_rlx与右后轮纵向力F_rrx分别转换为两个车轮需要的输出扭矩：

前轮转向角δ＝sin^-1((F_rlx+F_rrx+V_x*γ*β*M)/F_fy)；

左后轮的输出扭矩T_l：

右后轮的输出扭矩T_r：

其中R为车轮半径，I_w为车轮的转动惯量，

为左后轮轮速的微分，

为右后轮轮速的微分。

基于上述方法，本发明还提出了一种基于三轮模型的车辆稳定漂移控制系统，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控制器相连；所述控制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v_x；

所述质心侧偏角观测器用于计算车辆的质心侧偏角β；

所述控制器包括基于LQR计算模块或控制指令转换模块；

所述LQR计算模块用于计算输入量u＝(F_fy，F_rlx，F_rrx)，具体计算过程如下：

u＝u^eq+Δu

Δu＝-R^-1B^-1PΔu＝-kΔz

通过求解如下的等式获得矩阵P：

A^TP+PA-PBR^-1B^TP+Q＝0

其中Δz＝z-z^eq,Δu＝u-u^eq，z＝[β，r，v_x]^T是状态量,u＝[F_fy，F_rlx，F_rrx]^T是控制输入量，z^eq、u^eq为其平衡值Δz＝z-z^eq,Δu＝u-u^eq，z^eq＝[β^eq，r^eq，v_x ^eq]^T是参考状态量,u^eq＝[F_fy ^eq，F_rlx ^eq，F_rrx ^eq]^T是参考控制输入量。

其中Q和R为均正定矩阵，^T为矩阵转置符号。

所述控制指令转换模块用于将LQR计算模块算出的控制输入量u＝[F_fy，F_rlx，F_rrx]^T转换为δ，T_l，T_r，具体过程如下：

利用三轮车辆模型反演，将前轮侧向力F_fy转换为前轮转向角指令δ。

前轮转向角δ＝sin^-1(F_rlx+F_rrx+v_x*γ*β*mF_fy)；

左后轮的输出扭矩T_l：

右后轮的输出扭矩T_r：

其中R为车轮半径，I_w为车轮的转动惯量，

为左后轮轮速的微分，

为右后轮轮速的微分。

下面为利用本发明方法的稳定漂移控制仿真过程：

在Carsim中设置的仿真参数为：m＝1970kg、I_z＝3287kg/M²、h＝0.57M、l_f＝1.4M、l_r＝1.65M、g＝9.81；

图4，图5图6分别显示了仿真过程中车辆的质心侧偏角、横摆角速度、速度。实线代表仿真实验显示的结果，虚线代表参考状态量，可以看到5秒后车辆达到稳定状态。图7显示的是转向角，实线代表仿真实验显示的转向角变化，虚线代表参考输入量。图8显示的是两个独立车轮的驱动扭矩，实线代表仿真实验显示的驱动扭矩变化，虚线代表参考输入量。

从图5和图7可以看到车辆稳定后横摆角速度与转向角方向相反，这是漂移独特的“反向转向”的体现。质心侧偏角稳定在-0.23rad，证明了本控制方法能够实现车辆的稳定漂移。

Claims (9)

1.一种基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、基于魔术轮胎模型建立前轮模型；

步骤S2、基于饱和轮胎模型建立后轮模型；

步骤S3、建立基于三轮模型的非线性车辆动力学方程：以前轮转向，后轮驱动，将两个前轮合并视为一个车轮，即与两个后轮构成三轮模型；

步骤S4、利用Jacobian方法将步骤S3得到的非线性方程线性化，建立线性状态空间；

步骤S5、利用线性二次型(LQR)方法设计控制算法；

步骤S6、将步骤S5获得的控制算法中的控制量转换为执行器控制指令：利用步骤S3建立的车辆模型反演，将前轮侧向力转换为前轮转向角指令；将左后轮纵向力与右后轮纵向力分别转换为两个车轮需要的输出扭矩。

2.根据权利要求1所述的基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法，其特征在于，步骤S1建立前轮模型为：

F_y(α)＝D sin(C tan^-1(Bα))

其中F_y(α)为前轮胎侧向力，α为侧偏角，D是峰值因子，B是刚度系数，C是形状系数。

3.根据权利要求1所述的基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法，其特征在于，步骤S2建立后轮模型为：

其中μ为摩擦系数，F_rjy为后轮侧向力，F_rjz为后轮垂向力，F_rjx为后轮纵向力，l，r分别代表左后轮和右后轮。

4.根据权利要求1所述的基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法，其特征在于，步骤S3建立基于三轮的非线性车辆动力学方程为：

其中

为质心侧偏角的微分，m为汽车的质量，v_x为车速，F_fy为前轮侧向力，δ为前轮转向角，F_rly为左后轮的侧向力，F_rry为右后轮的侧向力，γ为横摆角速度，I_z为汽车的转动惯量，F_rrx为右后轮的纵向力，F_rlx为左后轮的纵向力，d为轴距，l_f为汽车质心到前轴的距离，l_r为汽车质心到后轴的距离。

5.根据权利要求1所述的基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法，其特征在于，步骤S4建立线性状态空间：

其中Δz＝z-z^eq，Δu＝u-u^eq，z＝[β，r，v_x]^T是状态量，u＝[F_fy，F_rlx，F_rrx]^T是控制输入量，z^eq＝[β^eq，r^eq，v_x ^eq]^T是参考状态量，u^eq＝[F_fy ^eq，F_rlx ^eq，F_rrx ^eq]^T是参考控制输入量，^T为矩阵转置符号。

6.根据权利要求1所述的基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法，其特征在于，步骤S5设计控制算法为：

u＝u^eq+Δu

Δu＝-R^-1B^-1PΔu＝-kΔz

矩阵P求解：A^TP+PA-PBR^-1B^TP+Q＝0

其中Δz＝z-z^eq，Δu＝u-u^eq，z＝[β，r，v_x]^T是状态量，u＝[F_fy，F_rlx，F_rrx]^T是控制输入量，z^eq、u^eq为其平衡值Δz＝z-z^eq，Δu＝u-u^eq，z^eq＝[β^eq，r^eq，v_x ^eq]^T是参考状态量，u^eq＝[F_fy ^eq，F_rlx ^eq，F_rrx ^eq]^T是参考控制输入量。

7.根据权利要求1所述的基于三轮模型的车辆稳定漂移控制方法，其特征在于，步骤S6执行器控制指令为：

前轮转向角δ：δ＝sin^-1((F_rlx+F_rrx+v_x*γ*β*m)/F_fy)；

左后轮的输出扭矩T_l：

右后轮的输出扭矩T_r：

其中v_x为车速，F_rrx为右后轮的纵向力，γ为横摆角速度，F_rlx为左后轮的纵向力，β为车辆的质心侧偏角，F_fy为前轮侧向力，R为车轮半径，I_w为车轮的转动惯量，

为左后轮轮速的微分，

为右后轮轮速的微分。

8.一种基于三轮模型的车辆稳定漂移控制系统，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控制器相连；所述控制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v_x；

所述质心侧偏角观测器用于计算车辆的质心侧偏角β；

所述控制器用于接收各传感器及观测器检测到的速度、横摆角速度、质心侧偏角，计算控制输入量，并使用三轮模型，将前轮侧向力转换为前轮转向角指令，输出转向指令以及驱动扭矩指令。

9.根据权利要求8所述的基于三轮模型的车辆稳定漂移控制系统，其特征在于，所述控制器包括、所述控制器包括基于LQR计算模块，控制指令转换模块；

所述LQR计算模块用于计算输入量u＝(F_fy，F_rlx，F_rrx)

其中F_rrx为右后轮的纵向力，F_rlx为左后轮的纵向力，F_fy为前轮侧向力；

所述控制指令转换模块用于将LQR计算模块算出的控制输入量u＝[F_fy，F_rlx，F_rrx]^T转换为δ，T_l，T_r；具体过程如下：

利用三轮车辆模型反演，将前轮侧向力F_fy转换为前轮转向角指令δ；

前轮转向角δ＝sin^-1((F_rlx+F_rrx+v_x*γ*β*m)/F_fy)；

左后轮的输出扭矩T_l：

右后轮的输出扭矩T_r：

其中v_x为车速，R为车轮半径，β为车辆的质心侧偏角，I_w为车轮的转动惯量，

为左后轮轮速的微分，

为右后轮轮速的微分，γ为横摆角速度。

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