CN111845708A - 一种越野车辆纵向驱动力协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种越野车辆纵向驱动力协调控制方法，包括：当发生车轮滑转失稳时，驱动防滑控制介入：针对单车轮滑转失稳：首先确定最优滑转率，然后基于滑模变结构控制算法原理，以最优滑转率为控制目标，以驱动电机转矩作为控制变量，采用预设计的全局滑模控制器进行纵向驱动力协调控制；针对整车车轮滑转失稳：首先选取车辆纵向车速和转向角作为安全性约束条件参数，确定协调优化原则，然后以车辆纵向车速和转向角作为输入变量、以动力性补偿系数作为输出，对滑转损失转矩补偿进行动态调节；最后根据转矩补偿期望，针对不同滑转工况基于协调优化原则进行转矩补偿分配。本发明能够提高车辆稳定性与动力性控制的工况适应性。

Description

一种越野车辆纵向驱动力协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种越野车辆纵向驱动力协调控制方法，属于车辆控制技术领域。

背景技术

由于越野工况具有路面起伏、附着条件多变、高噪声的特点，很容易造成车轮的滑转。引起车轮滑转的原因主要包括：驾驶员期望驱动力过大导致车轮的输出驱动力大于附着力，如起步急加速、爬陡坡等工况；车轮的输出驱动力一定，路面附着系数减小或车轮垂向力减小，如车轮从沙土路面驶入结冰路面或车轮由于越野路面起伏而垂向力减小甚至车轮悬空的工况，电动轮易发生过度滑转，并引起车辆动力性和横向稳定性恶化的问题。此时需对车辆进行驱动力协调优化分配，根据车轮滑转情况判断驱动防滑控制是否介入或退出，在单轮失稳层面，对失稳车轮进行驱动防滑控制，在整车控制层面，对整车纵向驱动力进行协调控制，以实现在满足整车安全性的前提下最大程度的发挥车辆动力性。

单轮失稳的驱动防滑控制方法多样，但以门限值方法及最优滑转率控制为主，多数针对平整路面，与越野工况存在较大差异，存在越野工况适应性差的问题，表现为鲁棒性、响应性较差。因此，有必要针对越野工况特征，采用适当的算法进行驱动防滑控制器设计，改善控制器对于复杂路面的适应性，提高越野工况下的驱动防滑控制效果。

对于整车驱动力协调控制方法主要分为：基于多约束条件的驱动力优化分配方法和基于规则的驱动力分配控制方法。基于多约束条件的驱动力优化分配方法优势在于充分考虑驱动力分配的约束条件，对于复杂情况具有适应性强的特点，劣势在于该分配方法分配即优化，部分最优求解算法计算量较大，难以保证对于驾驶员期望的实时响应；基于规则的驱动力分配方法，考虑的约束条件有限，保证主要性能需求，优势在于控制需求参数少且精度要求不高，控制鲁棒性优异、实时性强，实车应用效果可靠，劣势在于不具备最优驱动力分配能力，对于多控制目标的协调往往达不到最优。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种越野车辆纵向驱动力协调控制方法，能够提高车辆稳定性与动力性控制的工况适应性。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种越野车辆纵向驱动力协调控制方法，所述方法包括如下步骤：

对车轮滑转失稳进行判定，当发生车轮滑转失稳时，驱动防滑控制介入，以进行车辆纵向驱动力协调控制：

针对单车轮滑转失稳，根据下述步骤进行纵向驱动力协调控制：

确定最优滑转率；

基于滑模变结构控制算法原理，以最优滑转率为控制目标，以驱动电机转矩作为控制变量，采用预设计的全局滑模控制器进行纵向驱动力协调控制；

针对整车车轮滑转失稳，根据下述步骤进行纵向驱动力协调控制：

选取车辆纵向车速和转向角作为安全性约束条件参数，确定协调优化原则；

以车辆纵向车速和转向角作为输入变量、以动力性补偿系数作为输出，对滑转损失转矩补偿进行动态调节；

根据转矩补偿期望，针对不同滑转工况基于协调优化原则进行转矩补偿分配。

进一步地，对车轮滑转失稳进行判定的条件包括：

式中，

为车轮转动加速度偏差门限值，K_v为车速调节系数；

为实际车轮转动角加速度；

为等效车轮转动角加速度；

为车辆纵向车速；

为基于上一时刻纵向车速估计值的车辆滑转/滑移率估计值；s_x为车轮滑转率基本门限值；

满足上述两公式中的任一个即认为该时刻车轮滑转失稳，在确认计时长度内持续判断为车轮滑转失稳，则认为该车轮滑转失稳；否则未失稳；若驾驶员需求力矩为零，则认为车轮未失稳。

进一步地，对车轮滑转失稳进行判定的条件还包括：

根据驱动轮垂向力和附着情况将行驶工况分为普通越野工况和复杂越野工况；其中普通越野工况为路面具有均一的几何特征，路面高程变化率小，小范围内可近似为具有一定角度的平面，即纵坡、侧偏及其组合工况，越野车辆在该种工况行驶时四个车轮始终与路面接触，受到路面沙土、雨水和冰雪等因素的影响路面附着系数复杂多变。复杂越野工况则为路面具有扭曲几个特征，小范围内路面高程变化率大，越野车车轮易出现车轮垂向力为零，车轮悬空而完全失去附着的情况，如扭曲路、壕沟等。

根据行驶工况确认同轴及同侧车轮的滑转失稳确认计时长度：

当车辆行驶工况为复杂越野工况时，在该车轮滑转时域内减小其对角车轮滑转失稳确认计时长度，而对另一对对角车轮滑转失稳确认计时长度不变；

当车辆行驶工况为普通越野工况时，在该车轮滑转时域内减小其同轴及同侧车轮的失稳确认计时长度；

若在确认计时长度内车轮持续判断为失稳，则确认该车轮滑转失稳，否则认为该车轮稳定。

进一步地，所述方法还包括对驱动防滑控制退出条件进行判断，当满足滑转复稳判定条件则驱动防滑控制退出。

进一步地，驱动防滑控制退出的方法包括如下步骤：

若车轮转动加速度偏差

并且车轮估计滑转率

以及驾驶员当前驱动防滑控制器决策力矩T_{ASR_i}大于等于该车轮基于轴荷分配力矩值T_{pre_i}，则判定当前该车轮满足滑转复稳判定第一条件，开始对该滑转失稳车轮进行计时

判断滑转车轮复稳计时长度是否大于设置的固定计时长度，若N_i＞N_set，则判定当前滑转失稳车轮在驱动防滑控制作用下已复稳，驱动防滑控制退出；否则，不退出；

若车轮转动加速度偏差

或者车轮估计滑转率

或者驾驶员当前驱动防滑控制器决策力矩T_{ASR_i}小于该车轮基于轴荷分配力矩值T_{pre_i}，只要三个条件满足其一便判定当前车轮仍处于非滑转状态，将该车轮的滑转计时置零N_i＝0，则判定当前滑转失稳车轮在驱动防滑控制作用下已复稳，驱动防滑控制退出；

其中，

为车轮转动加速度偏差门限值，K_v为车速调节系数；

为实际车轮转动角加速度；

为等效车轮转动角加速度；

为车辆纵向车速；

为基于上一时刻纵向车速估计值的车辆滑转/滑移率估计值；s_x为车轮滑转率基本门限值。

进一步地，确定最优滑转率的方法包括如下步骤：

根据驱动轮垂向力和附着情况将行驶工况分为普通越野工况和复杂越野工况；

针对普通越野工况采用基于轮胎与标准路面的μ-s模型进行识别；

针对复杂越野工况，采用固定最优滑转率。

进一步地，所述全局滑模控制器的设计方法包括：系统模型建立；全局滑模面设计、全局控制律设计和稳定性验证；

其中，所述系统模型设计如下：

式中，x为状态变量，s为车轮滑转率，x＝s；ω为输出量，即车轮转动角速度；J为电动轮等效转动惯量，F_r为行驶阻力，包括空气阻力、滚动阻力、坡度阻力；F_x为路面作用于车轮的驱动力；r为车轮有效滚动半径；v为车辆纵向车速；

为车辆车速一阶导数，表示加速度；u为输入量，T为施加在车轮上的驱动转矩,u＝T；

所述全局滑模面S设计如下：

式中，k为正常数；e为滑转率控制误差；h(t)为随时间变化的动态函数项，该动态函数项满足一阶可导，且有界，且

且

所述全局控制律u(t)设计如下：

式中,

m为车辆质量；k_sw为切换增益；σ为正常数，用于误差调节。

进一步地，所述协调优化原则包括在滑转轮转矩为零时，不进行转矩协调补偿。

进一步地，所述转矩补偿期望的确定方法如下：

以动力性为目标的转矩补偿期望为车轮滑转前后整车输出总力矩不变，即：

式中，T_req为整车输出总力矩；i＝1,2,3,4,分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；T_i为各轮毂电机最终分配转矩，即最终输出转矩；车轮滑转损失总力矩ΔT，即需补偿总力矩计算如下：

式中，ΔT_j为发生滑转的车轮损失力矩；j_ASR为滑转车轮总数，j为滑转车轮序号；T_{pre_i}为车轮基于轴荷分配力矩值；T_{ASR_i}为驱动防滑控制器决策力矩；

以安全性为目标的转矩补偿期望为车轮滑转前后整车横摆力矩不变，即

式中，ΔM_z为车轮发生滑转产生的附加横摆力矩；T_{ASR_1}为左前轮驱动防滑控制器决策力矩；T_{ASR_2}为右前轮驱动防滑控制器决策力矩；T_{ASR_3}为左后轮驱动防滑控制器决策力矩；T_{ASR_4}为右后轮驱动防滑控制器决策力矩；r为车轮有效滚动半径；B为车辆轮距。

进一步地，所述滑转工况包括单轮滑转、同侧车轮滑转、异侧两车轮滑转与多轮滑转；

对于单轮滑转，优先提高其同侧车轮输出转矩来达到提高动力性而保证安全性的目的，利用同侧未滑转车轮进行进行滑转损失转矩补偿，若无法完成则基于协调优化原则进行转矩补偿分配；

对于同侧车轮滑转，通过提高异侧车轮转矩输出提升动力性；若滑转侧无补偿能力，直接基于协调优化原则进行转矩补偿分配；

对于异侧两车轮滑转，首先两侧各自利用同侧未滑转车轮进行滑转损失转矩补偿，若无法完成，则基于协调优化原则进行转矩补偿分配；

对于多轮滑转，三轮滑转不进行转矩协调优化分配；全轮滑转时，使同轴车轮转矩输出相等，且为同轴车轮驱动防滑控制器决策转矩较小值。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提供的越野车辆纵向驱动力协调控制方法分别在单轮层面和整车层面对纵向驱动力进行了优化分配，考虑了车辆动力性与安全性的耦合机理，能够有效的进行纵向驱动力协调优化分配，可以有效提高车辆在越野工况下安全性与动力性的控制效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种越野车辆纵向驱动力协调控制方法的流程图；

图2是本发明实施例中基于工况辨识的动态计时长度调整逻辑图；

图3是本发明实施例中驱动防滑介入与退出逻辑图；

图4是本发明实施例中单轮滑转驱动防滑控制流程图；

图5是本发明实施例中单轮滑转转矩协调优化流程图；

图6是本发明实施例中同侧车轮滑转转矩协调优化流程图；

图7是本发明实施例中异侧车轮滑转转矩协调优化流程图；

图8是本发明实施例中多轮滑转转矩协调优化流程图；

图9是对开路面加速横纵向协调策略仿真试验验证数据对比图，其中：

图(a)对应各轮转矩输出—ASR+直接补偿；图(b)对应各轮转矩输出—ASR+同轴控制；图(c)对应各轮转矩输出—ASR+协调补偿；图(d)对应各策略纵向车速对比；图(e)对应各策略横摆角速度对比；图(f)对应各策略方向盘转角需求对比；图(g)对应转矩补偿系数—ASR+协调补偿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至8所示，本发明实施例提供的越野车辆纵向驱动力协调控制方法，包括如下步骤：

步骤S1、驱动防滑控制介入与退出判断：

何时进行驱动防滑控制以及车轮复稳后驱动防滑控制系统的退出将直接影响车辆控制的有效性，是车辆进行驱动力协调优化分配的前提。在车轮滑转失稳时，驱动防滑控制准确快速地判定失稳并介入，在一定程度上解耦驾驶员操纵与滑转轮运动，达到保证动力性和稳定性的目的；当车轮恢复稳定状态时，驱动防滑控制准确快速地判定稳定并退出，使车辆及时响应驾驶员的操纵，保证驾驶性和动力性。

步骤1.1分布式驱动越野车辆驱动防滑控制介入条件判断:

1)、第一条件，通过基于动态门限的车轮滑转失稳判定出车轮失稳情况。越野车车轮滑转失稳多发于需求转矩大的起步加速工况、爬陡坡工况，以及路面附着条件较差的低附路面或扭曲路面行驶工况，而这些工况下车辆车速相对较低；中高速时，轮毂电机转速较高往往已进入恒功率区运行，根据电机恒功率特性可知，此时可输出转矩相对较小，车轮不易发生滑转，且中高速时对车轮滑转失稳误判容易引发车辆横向稳定性问题，因此，本发明采用低速工况下门限值小而高速时门限值大的原则，设计如下：

式中，

为实际车轮转动角加速度，可由轮毂电机旋变测得；

为等效车轮转动角加速度，通过陀螺仪测得的车辆加速度值换算为各车轮的转动角加速度得到；

为车轮转动加速度偏差门限值；K_v为车速调节系数，可通过仿真或实车试验标定；

为车辆纵向车速；

为基于上一时刻纵向车速估计值的车辆滑转/滑移率估计值；s_x为车轮滑转率基本门限值。

滑转失稳判定原则：满足上述两个条件任一即认为该时刻车轮失稳，否则未失稳；若驾驶员有制动或滑行意图(驾驶员需求力矩为零)，则认为车轮未失稳。

2)、第二条件，越野车行驶的不同工况动态调整相关车轮动态计时时间判断其稳定性。控制系统在首次判断失稳后开始计时，计时长度内持续判断为失稳，则确认该车轮失稳，否则认为该车轮稳定。根据车辆是否存在驱动轮垂向力极小或完全悬空无附着情况将越野工况分为普通越野工况和复杂越野工况判定，针对两种越野工况采用不同的驱动防滑控制介入条件：

①当车辆行驶工况为复杂越野工况时，基于复杂越野工况下车辆对角车轮稳定性原理，分布式驱动越野车在复杂越野工况下，车辆由于局部路面起伏而某一车轮悬空无附着时，其同轴及同侧车轮垂向力相对较大，附着状态良好不易失稳，此外，其对角车轮有两种状态：状态一，垂向力很小，附着条件差，驱动工况下易失稳；状态二，当前垂向力大于零且有附着，驱动工况下有一定稳定性，但其运动状态趋于垂向力减小，附着状态恶化，驱动过程中存在失稳可能性。即当某一车轮失稳时，其对角车轮失稳可能性较大，与之相反，另外一组对角轮稳定性良好。因此，在该车轮滑转时域内减小其对角车轮失稳确认计时长度，而另一对对角车轮失稳确认计时长度不变。控制系统在首次判断失稳后开始计时，计时长度内持续判断为失稳，则确认该车轮失稳，否则认为该车轮稳定。

②工况为普通越野工况时，主要考虑路面附着系数变化对车轮附着状态的影响，可能存在车辆驶入全低附路面或驶入类对开路面的情况，因此，当某一车轮失稳时，其同轴及同侧车轮失稳的可能性较大，因此，在该车轮滑转时域内减小其同轴及同侧车轮的失稳确认计时长度。

按上述方法，如图2所示，动态计时长度调节逻辑具体为：

首先令RoadID为车辆行驶工况判断，行驶工况为复杂越野工况时置1，普通越野工况时置0；SF_i为车轮失稳标识符(SlipFlag)，车轮失稳时标识符置1，否则置0；K_{R_i}为基于工况辨识的计时长度调节系数，K_s、K_s1分别为两级计时长度调节系数且有K_s＞K_s1。

控制系统首先判断当前行驶路面是否为复杂越野工况，若为复杂越野工况，则进一步判断左前轮是否失稳(SF_1＝1)，若SF_1不为1，则说明当前左前轮稳定，流程结束。若SF_1＝1，则复杂越野工况下车辆对角车轮稳定性假设，在该车轮滑转时域内减小其对角车轮失稳确认计时长度，将左后轮的计时长度设置为K_s1。当左前轮退出失稳时，将右后轮的动态计时长度复原为K_s。若当前车辆行驶工况为普通越野工况，则判断左前轮(SF_1)或者右后轮(SF_4)中的任何一个是否失稳，若两个车轮均稳定，则流程结束。若左前轮或右后轮任一车轮出现失稳，根据普通越野工况主要考虑路面附着系数变化对车轮附着状态的影响，可能存在车辆驶入全低附路面或驶入类对开路面的情况，因此，当某一车轮失稳时，其同轴及同侧车轮失稳的可能性较大，因此，在该车轮滑转时域内减小其同轴及同侧车轮的失稳确认计时长度。因此将右前轮和左后轮的滑转计时长度减小为K_s1，在驱动防滑控制退出之前保持右前轮和左后轮的滑转计时长度不变。当左前轮或右后轮在驱动防滑控制后恢复稳定后，系统将右前轮和左后轮的滑转计时长度恢复为K_s。

步骤1.2、分布式驱动越野车辆驱动防滑控制退出条件判断：

1)、第一条件：对于滑转复稳判定，为防止驱动防滑控制将车轮滑转限制在稳定性判定门限值内后，车轮附着力仍小于驾驶员期望驱动力引起再次滑转失稳，引入驾驶员意图判断条件，构成如下复稳判定条件：

式中，T_{ASR_i}为驾驶员当前驱动防滑控制器决策力矩；T_{pre_i}为车轮基于轴荷分配力矩值；

滑转复稳判定原则：前述两个失稳判定条件都不满足，且驾驶员当前驱动防滑控制器决策力矩T_{ASR_i}大于等于该轮基于轴荷分配力矩值T_{pre_i}，即认为该时刻车轮稳定。

2)、第二条件：驱动防滑退出计时长度大于预设值。对于恢复稳定的判断采用固定计时长度。

按上述方法，本发明所述的驱动防滑介入与退出逻辑过程具体为：

令Brake_on为制动标识符，制动踏板开度不为零时置1；N_i、

为用于计时的变量；

为计时中间变量；N_set为设置的固定计时长度，可基于轮速传感器、加速度计测量更新频率和车速估计计算频率及环境噪声水平设置：

若制动踏板开度Brake_on≠0，或者加速踏板开度小于空行程量P_acc≤ε₀，说明当前越野车正在制动行驶或者加速踏板开度太小，未达到有效行程，此时各驱动轮驱动力为零，车辆不存在滑转现象，流程结束。

当制动踏板开度Brake_on＝0，并且加速踏板开度大于空行程量P_acc＞ε₀时，若当前行驶工况SF_i＝0，则判断此时该车轮没有出现滑转失稳；

若车轮转动加速度偏差

或者车轮估计滑转率

则判定当前该车轮出现滑转失稳。启动滑转失稳计时模块开始对该车轮进行计时

若车轮转动加速度偏差

并且车轮估计滑转率

则判定当前该车轮出未现滑转失稳，车轮滑转计时变量置零N_i＝0；

若车轮滑转计时长度大于预设固定计时长度与基于工况辨识的计时长度调节系数之积N_i＞N_setK_{R_i}，则判定满足车轮失稳判断的第二条件，判定该车轮出现滑转失稳SF_i＝1，需要驱动防滑控制介入。

若车轮滑转计时长度小于预设固定计时长度与基于工况辨识的计时长度调节系数之积N_i≤N_setK_{R_i}，则此时车轮未达到失稳判断的第二条件，此时车轮滑转率只是短暂的超过最优滑转率，但是很快又恢复到了最优滑转率及以下，判定该车轮未出现滑转失稳SF_i＝0。

当制动踏板开度Brake_on＝0，并且加速踏板开度大于空行程量P_acc＞ε₀，若当前行驶工况SF_i＝1，则判断此时该车轮已为滑转失稳状态，车辆驱动防滑控制已介入，此时判断当前滑转失稳车轮已在驱动防滑控制下恢复正常运行。

若车轮转动加速度偏差

并且车轮估计滑转率

以及驾驶员当前驱动防滑控制器决策力矩T_{ASR_i}大于等于该轮基于轴荷分配力矩值T_{pre_i}，即T_{ASR_i}≥T_{pre_i}。则判定当前该车轮满足滑转复稳判定第一条件，启动滑转复稳计时模块开始对该滑转失稳车轮进行计时

然后判断滑转车轮复稳计时长度是否大于设置的固定计时长度，即若N_i＞N_set，则判定当前滑转失稳车轮在驱动防滑控制作用下已复稳，SF_i＝0，驱动防滑控制退出。

若滑转车轮复稳计时长度N_i≤N_set，说明在当前计时长度内车轮仍处于失稳状态，SF_i＝1，控制系统驱动防滑控制不退出。

若车轮转动加速度偏差

或者车轮估计滑转率

或者当前驱动防滑控制器决策力矩T_{ASR_i}小于等于该轮基于轴荷分配力矩值T_{pre_i}，即T_{ASR_i}＜T_{pre_i}，只要三个条件满足其一便可判定当前车轮仍处于非滑转状态。将该车轮的滑转计时置零N_i＝0，则判定当前滑转失稳车轮在驱动防滑控制作用下已复稳，SF_i＝0，驱动防滑控制退出。

步骤S2、基于单轮滑转的驱动防滑控制：以最优滑转率为控制目标，根据普通越野工况与复杂越野工况采取不同的最优滑转率确定原则，以驱动电机转矩为控制变量，设计了改进全局滑模控制器作为驱动防滑控制器；

步骤2.1、最优滑转率确定：准确识别最优滑转率并将车轮控制在最优滑转率范围内，则车轮纵向利用附着系数最大，横向利用附着系数较大，具有单轮层面的最优动力性和较好的稳定性。结合越野工况特征采用了分工况确定最优滑转率的方法：普通越野工况下，采用基于轮胎与标准路面的μ-s模型进行识别，充分发挥路面附着极限；复杂越野工况下，车轮垂向力难以准确估计，采用固定最优滑转率提升驱动防滑控制的鲁棒性。具体如下：

根据车辆是否存在驱动轮垂向力极小或完全悬空无附着情况将越野工况分为普通越野工况和复杂越野工况判定，对两种越野工况采取不同的最优滑转率识别方法。

1)普通越野工况最优滑转率识别：

最优滑转率识别需要各轮行驶路面的附着系数作为输入，基于效果(Effect-based)的路面附着识别方法实时性好、成本低，对各轮利用附着系数进行计算：

式中，μ_i为车轮的利用附着系数，F_xi为路面作用于车轮的驱动力，F_zi为车轮垂向力。

采用Burckhardt等人提出的轮胎与标准路面μ-λ模型，该模型准确地反映了各标准路面下的利用附着系数与滑转率的关系如下：

式中，μ(s)为利用附着系数函数；C₁、C₂、C₃为通过实验统计得到的不同标准路面的拟合参数，根据利用附着系数与滑转率的关系可知，dμ(s)/ds＝0时存在最优滑转率使附着系数最大，可得最优滑转率s_opt及路面峰值附着系数μ_p为：

根据试验获取的相关参数，可以获得各标准路面μ-s经验方程：

识别路面与路面相似度x_k计算如下：

当前各轮接触路面最优滑转率s_{opt_i}及峰值附着系数μ_{p_i}计算如下：

式中，s_{opt_k}分别表示各典型路面下的最优滑转率，μ_{p_k}表示各典型路面下的峰值附着系数。

2)复杂越野工况最优滑转率确定：

由于复杂越野工况下各轮接触路面的附着系数估计失真，前述方法估计的垂向力较大车轮的附着系数及最优滑转率均高于实际值，导致滑转控制过程中车轮过度滑转横纵向性能恶化。因此，选取固定滑转率作为复杂越野工况下车轮的最优滑转率。

通过μ-s模型，附着条件较好的路面，其最优滑转率相对较大；在滑转率超过最优滑转率之后，高附路面的附着系数变化率大于低附路面，其利用附着系数随滑转率增大而显著减小，而低附路面附着系数减小值几乎为零，因此，选取相对较大的滑转率0.15为复杂越野工况下的最优滑转率。

步骤2.2、驱动防滑控制器设计：车辆动力学系统具有非线性及参数不确定性，高噪声的越野工况带来了不可忽视的外界干扰，滑模变结构控制具有较强的抗干扰能力，对于被控对象参数变化及扰动敏感度度低，因此，本发明基于滑模变结构控制算法原理，以最优滑转率为控制目标，以驱动电机转矩作为控制变量，设计了改进全局滑模控制器作为驱动防滑控制器。具体如下：

改进全局滑模控制器设计：基于车辆动力学模型、最优滑转率及滑模变控制原理，设计驱动防滑控制器。全局滑模控制器设计分为四个部分：系统模型建立、全局滑模面设计、全局控制律设计、稳定性验证。

1)系统模型建立

根据轮毂电机驱动车辆动力学模型，建立四分之一驱动防滑控制系统模型，表示如下：

式中，J为电动轮等效转动惯量，T为施加在车轮上的驱动转矩，m′为整车质量的四分之一，F_x为路面作用于车轮的驱动力；F_r为行驶阻力，包括空气阻力、滚动阻力、坡度阻力，其余不再赘述。

选取状态变量为车轮滑转率：

x＝s；

输出量为车轮转动角速度：

y＝ω；

输入量为施加在车轮上的驱动转矩：

u＝T；

则有：

式中，x为状态变量，s为车轮滑转率；

为滑转率一阶导数；

为纵向车速的一阶导数，为车辆加速度；ω为输出量，即车轮转动角速度；J为电动轮等效转动惯量；r为车轮有效滚动半径；

为车辆纵向速度；u为输入量，T为施加在车轮上的驱动转矩。

2)多项衰减函数全局滑模面设计

定义驱动防滑控制器的状态变量为滑转率，控制器的输入为下式的滑转率控制误差e，控制器输出为轮毂电机的转矩。

e＝s-s_opt；

取全局滑模面如下式：

式中，s_opt为最佳滑转率；

为当前车轮滑转率与最佳滑转率误差的一阶导数；k为正常数；h(t)为动态函数项。全局滑模面引入了随时间变化的动态函数项h(t)，使滑模面为状态变量和时间变量的显函数，构成时变滑模面，使任何时间下的状态都处于滑模面上。

为达到全局滑模运动的要求，该动态函数项应满足如下三个条件：

①初值条件

全局滑模控制要求从初始状态开始，系统就处于滑动阶段，则有：

S[e(0),0]＝0

则有：

动态函数项初值与线性函数初值相等，上式为初值条件。

②终值条件

根据滑模变结构的收敛性条件，时间趋于无穷时，状态沿设计的滑模面趋近于原点，则有：

即

上式为动态函数项的终值条件。

③可导条件

全局滑模控制要求系统状态在整个运动过程中均处于设计的滑模面上，则有

即该动态函数项一阶可导且有界，上式为动态滑模项可导条件。

3)全局滑模控制律设计

全局滑模变控制系统状态从初始时刻就处于滑模面上，全局滑模变控制律目的是使系统状态全程保持滑模运动。

全局滑模控制律表示如下：

u(t)＝u_eq(t)+u_sw(t)

式中，u_eq(t)为滑模等效控制分量，是滑模变系统控制中确定的、连续的控制量，保持状态在滑模面上的运动；u_sw(t)为不连续的补偿控制量，用来补偿不确定和非线性因素造成的控制系统的扰动，保证系统状态不离开滑模面。

根据滑模等效控制条件，不考虑内部参数不确定性及外界干扰，系统状态进行滑模运动时，有S＝0，

可以求得u_eq(t)：

设

则有：

u_sw(t)设计为：

式中，sgn(.)为符号函数，k_sw为切换增益。在滑模控制中，k_sw的选择对确保算法稳定和减少震荡很重要，在滑模控制对参数具有鲁棒性的前提下，应将k_sw设置为相对较小的值。

此外，为了削减控制系统在滑模面附近的高频抖振，采用下式代替式中的符号函数sgn(S)：

式中，σ是一个较小的正常数，起到误差调节作用，使得整个控制系统在原点附近区域内获得连续控制量，有效调节控制幅度，减少执行器输出波动，提高控制品质和实用性。

综上，控制律可表示为：

4)：改进全局滑模控制器稳定性分析

选取Lyapunov函数

显然V恒大于等于0，根据稳定性判定准则，Lyapunov函数的导数小于等于0，保证了系统滑动模态的存在性及稳定性。即证下式小于等于0：

根据前述控制系统设计有：

根据上式可得：

上式中，已知k＞0，k_sw≥0，S²/(|S|+σ)≥0，显然有

综上，所设计的驱动防滑全局控制系统渐进稳定。

为方便表示，有车轮发生滑转时，各电机转矩分配值表示如下：

式中，T_{ASR_i}为当前驱动防滑控制器决策力矩，u_i(t)为驱动防滑控制律；T_{pre_i}为基于轴荷分配车轮转矩值。

步骤S3、基于整车车轮滑转失稳工况转矩协调优化分配：轮毂电机驱动车辆各轮转矩独立可控，车轮滑转后可以调节非滑转轮的转矩对车辆的动力性及安全性进行优化。采用动力性优化为主要目标，安全性为约束的驱动力协调优化控制方法，选取车辆纵向车速

转向角δ作为安全性约束参考参数进行协调优化原则设计，建立转矩优化模糊控制器，并设计不同滑转工况下转矩协调优化分配方法。

步骤3.1、协调优化原则确定：车辆纵向车速

表征车辆行驶状态，转向角δ表征驾驶员横向意图，将两参数作为安全性约束条件参数；具体为：

安全性优化需求与纵向车速及转向角均呈正相关关系，安全性约束应随车速及转向角的增大而逐渐增大，滑转损失转矩补偿程度随之降低。在动力性及安全性优化存在冲突的工况下，考虑到驱动防滑控制超调可能导致滑转轮转矩输出为零，进行转矩补偿会造成轮间转矩差过大，安全性极度恶化，因此，在滑转轮转矩为零时不进行转矩协调补偿。

步骤3.2、转矩协调优化模糊控制器设计：以纵向车速和转向角为输入变量，以动力性补偿系数ψ_x为输出，对滑转损失转矩补偿进行动态调节，达到优化动力性而保证一定安全性的目的。具体为：

输入、输出变量模糊化：

输入量：纵向车速论域设计为[0,100]，分为4个模糊子集{S，M，L，LL}，定义为低速、中低速、中高速、高速；前轮转角论域设计为[-45,45]，分为5个模糊子集{FL，FM，S，M，L}，定义为负大、负中、小、正中、正大五种转向角大小。

输出量：动力性补偿系数论域设计为[0,1]，分为5个模糊子集{SS，S，M，L，LL}，定义为极小、小、中、大、极大四个程度。

去模糊化：采用重心法作为模糊控制解模糊方法。

步骤3.3、不同滑转工况下的转矩协调优化分配方法：根据不同车轮滑转情况采取不同的驱动力协调控制方法，结合不同滑转工况实现安全性与动力性兼顾的控制效果。具体分为单轮滑转、同侧车轮滑转、异侧两车轮滑转与多轮滑转四种滑转工况。具体为：

以动力性为目标的转矩补偿期望为车轮滑转前后整车输出总力矩不变，即：

式中，T_req为整车输出总力矩；i＝1,2,3,4,分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；T_i为各轮毂电机最终分配转矩，即最终输出转矩；车轮滑转损失总力矩ΔT，即需补偿总力矩计算如下：

式中，ΔT_j为发生滑转的车轮损失力矩；j_ASR为滑转车轮总数，j为滑转车轮序号；T_{pre_i}为车轮基于轴荷分配力矩值；T_{ASR_i}为当前驱动防滑控制器决策力矩；

以安全性为目标的转矩补偿期望为车轮滑转前后整车横摆力矩不变，即

式中，ΔM_z为车轮发生滑转产生的附加横摆力矩；T_{ASR_1}为左前轮驱动防滑控制器决策力矩；T_{ASR_2}为右前轮驱动防滑控制器决策力矩；T_{ASR_3}为左后轮驱动防滑控制器决策力矩；T_{ASR_4}为右后轮驱动防滑控制器决策力矩；r为车轮有效滚动半径；B为车辆轮距。

1)单轮滑转：优先提高其同侧车轮输出转矩来达到提高动力性而保证安全性的目的，充分利用同侧未滑转车轮进行进行滑转损失转矩补偿，若无法完成则基于协调优化原则进行转矩补偿分配。

2)同侧车轮滑转：由于车辆一侧完全滑转，其滑转侧损失转矩自身无法补偿，必然形成非期望横摆力矩，提升动力性需要通过提高异侧车轮转矩输出，降低车辆安全性。滑转侧无补偿能力，直接基于协调优化原则进行转矩补偿分配。

3)异侧两车轮滑转：由于两滑转轮附着条件及期望输出转矩可能存在的差异，其转矩损失可能不同，若其各自对应的同侧车轮达到附着约束或执行器约束时仍无法补偿损失转矩，使动力性减弱，最终补偿结果可能仍不能消除非期望横摆力矩。因此，首先两侧各自充分利用同侧未滑转车轮进行滑转损失转矩补偿，若无法完成则基于协调优化原则进行转矩补偿分配。

4)多轮滑转：三轮滑转时，补偿转矩只能分配给单个未失稳车轮，可能导致未失稳车轮转矩过大而发生滑转，进而导致全部车轮滑转失稳，因此，三轮滑转不进行转矩协调优化分配。而全轮滑转时，各轮横向附着极限下降，可能产生两侧车轮转矩差，进而形成非期望横摆力矩，因此，全轮滑转时，应使同轴车轮转矩输出相等，且为同轴车轮驱动防滑控制器决策转矩较小值。

下面结合仿真试验验证本发明的有效性：

本发明需要涉及纵向车速计算，车身姿态信息测量装置采用动态倾角传感器(陀螺仪)，本实施例动态倾角传感器型号为SST810。本发明涉及轮毂电机转速的实时检测，检测方法是依据电机旋变信号对电机实时转速进行计算。本实施例中整车控制器采用32位单片机。

利用仿真试验平台验证了本发明的控制效果，选取对开路面加速工况模拟车辆在干燥路面与草地/冰面/积水路面等交界处加速行驶的越野工况，验证车辆驱动力协调优化存在矛盾工况下控制方法的有效性。

仿真试验设置为左侧路面附着系数0.8，右侧路面附着系数0.2，车辆于对开路面以50％加速踏板开度进行起步加速，全程通过预瞄驾驶员模型控制车辆的行驶方向，尽量保持直行。与本发明的协调优化控制策略(ASR+协调补偿)进行对照的策略选取如下：无控制、仅驱动防滑控制(ASR)、驱动防滑控制+纵向驱动力损失直接转矩补偿(ASR+直接转矩补偿)、驱动防滑控制+同轴两车轮转矩输一致控制(ASR+同轴控制)。

表1.1对开路面加速横纵向协调策略验证试验数据表

根据图9(a)(b)(c)各控制策略下的各轮转矩输出及数据表1.1，可知“ASR+直接补偿”控制方法将低附侧滑转车轮损失转矩通过高附侧未滑转车轮进行直接补偿，瞬时损失转矩补偿程度最大，但由于单轮输出转矩过大而发生滑转，此时两侧实际输出转矩差较大，图9(d)其方向盘转角需求最大，上层横摆控制主动降低了高附侧转矩分配值，整车有效转矩输出降低；“ASR+同轴控制”控制方法同轴两车轮转矩输出相同，单侧车轮滑转导致全部车轮转矩输出受限，实际输出转矩最小；“ASR+协调补偿”控制方法补偿转矩考虑低附侧车轮转矩输出状态，低附侧车轮严重滑转无转矩输出或转矩输出极小时不进行补偿，有效避免了两侧输出转矩差过大，后续转矩补偿考虑整车车速和方向盘转角进行横纵向协调，转矩补偿系数见图9(g)起步加速阶段，车速较小动力性补偿系数大，如图9(f)(g)方向盘转角增大修正行驶方向时，补偿转矩减小响应横向驾驶需求，同时随车速增加，为保证横向稳定性，转矩补偿系数减小，符合协调分配原则。

如图9(d)及数据表1.1至8秒时，采用“ASR+协调补偿”控制方法纵向车速仅次于“ASR+直接补偿”方法，较采用“ASR+直接补偿”策略纵向车速小约4％，动力性优化差距较小；此外，可以发现采用转矩补偿控制方法在同种工况下纵向车速高于无转矩补偿的控制方法，动力性优化明显。

如图9(e)(f)及数据表1.1，“ASR+直接补偿”控制方法转矩补偿程度大但未考虑横向优化需求，导致两侧车轮输出转矩差陡然增大，横向稳定性恶化且横向驾驶意图执行完成度低，此外，“ASR+协调补偿”控制方法考虑横向稳定性对转矩补偿做了一定限制，方向盘转角最大值虽仅次于“ASR+直接补偿”策略，但较后者减小69.6％，横摆角速度最大值则相应减小59.8％；“ASR+同轴控制”理论上两侧车轮无转矩差，直线行驶稳定性最好，但ASR响应过程中仍有转矩差且ASR控制过程中受控制转矩波动影响，两侧转矩差小幅波动导致车辆横向小幅震荡；仅ASR控制策略时，低附侧车轮滑转率降低保证了良好的车轮横向稳定性，尽管两侧转矩差存在，但仍有一定的横摆稳定性。

在横纵向优化存在矛盾的滑转工况下，“ASR+直接补偿”控制方法动力性优化最强，但未考虑横向性能，导致横摆稳定性陡然恶化和驾驶员横向意图完成度低，需要驾驶员大幅度修正行驶方向；“ASR+协调补偿”的控制方法在优化纵向动力性的同时考虑横向稳定性和驾驶员横向意图，动力性优化效果与“ASR+直接补偿”的控制方法接近，在保证横向稳定性及驾驶员横向意图完成度方面具有明显优势，在横纵向协调优化上有显著效果，适用于对动力性有较高要求的本方面研究对象；“ASR+同轴控制”控制方法，理论上横向稳定最优，但对车辆动力性限制过大，不适用于本发明研究对象。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种越野车辆纵向驱动力协调控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

对车轮滑转失稳进行判定，当发生车轮滑转失稳时，驱动防滑控制介入，以进行车辆纵向驱动力协调控制：

针对单车轮滑转失稳，根据下述步骤进行纵向驱动力协调控制：

确定最优滑转率；

基于滑模变结构控制算法原理，以最优滑转率为控制目标，以驱动电机转矩作为控制变量，采用预设计的全局滑模控制器进行纵向驱动力协调控制；

针对整车车轮滑转失稳，根据下述步骤进行纵向驱动力协调控制：

选取车辆纵向车速和转向角作为安全性约束条件参数，确定协调优化原则；

以车辆纵向车速和转向角作为输入变量、以动力性补偿系数作为输出，对滑转损失转矩补偿进行动态调节；

根据转矩补偿期望，针对不同滑转工况基于协调优化原则进行转矩补偿分配。

2.根据权利要求1所述的越野车辆纵向驱动力协调控制方法，其特征在于，对车轮滑转失稳进行判定的条件包括：

式中，

为车轮转动加速度偏差门限值，K_v为车速调节系数；

为实际车轮转动角加速度；

为等效车轮转动角加速度；

为车辆纵向车速；

为基于上一时刻纵向车速估计值的车辆滑转/滑移率估计值；s_x为车轮滑转率基本门限值；

满足上述两公式中的任一个即认为该时刻车轮滑转失稳，在确认计时长度内持续判断为车轮滑转失稳，则认为该车轮滑转失稳；否则未失稳；若驾驶员需求力矩为零，则认为车轮未失稳。

3.根据权利要求2所述的越野车辆纵向驱动力协调控制方法，其特征在于，对车轮滑转失稳进行判定的条件还包括：

根据驱动轮垂向力和附着情况将行驶工况分为普通越野工况和复杂越野工况；其中普通越野工况满足驱动轮垂向力不为零且行驶中四个车轮始终与地面有附着；复杂越野工况满足驱动轮垂向力为零且存在车轮完全失去附着的情况；

根据行驶工况确认同轴及同侧车轮的滑转失稳确认计时长度：

当车辆行驶工况为复杂越野工况时，在该车轮滑转时域内减小其对角车轮滑转失稳确认计时长度，而对另一对对角车轮滑转失稳确认计时长度不变；

当车辆行驶工况为普通越野工况时，在该车轮滑转时域内减小其同轴及同侧车轮的失稳确认计时长度；

若在确认计时长度内车轮持续判断为失稳，则确认该车轮滑转失稳，否则认为该车轮稳定。

4.根据权利要求1所述的越野车辆纵向驱动力协调控制方法，其特征在于，所述方法还包括对驱动防滑控制退出条件进行判断，当满足滑转复稳判定条件则驱动防滑控制退出。

5.根据权利要求4所述的越野车辆纵向驱动力协调控制方法，其特征在于，驱动防滑控制退出的方法包括如下步骤：

若车轮转动加速度偏差

并且车轮估计滑转率

以及驾驶员当前驱动防滑控制器决策力矩T_{ASR_i}大于等于该车轮基于轴荷分配力矩值T_{pre_i}，则判定当前该车轮满足滑转复稳判定第一条件，开始对该滑转失稳车轮进行计时

判断滑转车轮复稳计时长度是否大于设置的固定计时长度，若N_i＞N_set，则判定当前滑转失稳车轮在驱动防滑控制作用下已复稳，驱动防滑控制退出；否则，不退出；

若车轮转动加速度偏差

或者车轮估计滑转率

或者驾驶员当前驱动防滑控制器决策力矩T_{ASR_i}小于该车轮基于轴荷分配力矩值T_{pre_i}，只要三个条件满足其一便判定当前车轮仍处于非滑转状态，将该车轮的滑转计时置零N_i＝0，则判定当前滑转失稳车轮在驱动防滑控制作用下已复稳，驱动防滑控制退出；

其中，

为车轮转动加速度偏差门限值，K_v为车速调节系数；

为实际车轮转动角加速度；

为等效车轮转动角加速度；

为车辆纵向车速；

为基于上一时刻纵向车速估计值的车辆滑转/滑移率估计值；s_x为车轮滑转率基本门限值。

6.根据权利要求1所述的越野车辆纵向驱动力协调控制方法，其特征在于，确定最优滑转率的方法包括如下步骤：

根据驱动轮垂向力和附着情况将行驶工况分为普通越野工况和复杂越野工况；其中普通越野工况满足驱动轮垂向力不为零且行驶中四个车轮始终与地面有附着；复杂越野工况满足驱动轮垂向力为零且存在车轮完全失去附着的情况；

针对普通越野工况采用基于轮胎与标准路面的μ-s模型进行识别；

针对复杂越野工况，采用固定最优滑转率。

7.根据权利要求1所述的越野车辆纵向驱动力协调控制方法，其特征在于，所述全局滑模控制器的设计方法包括：系统模型建立；全局滑模面设计、全局控制律设计和稳定性验证；

其中，所述系统模型设计如下：

式中，x为状态变量，s为车轮滑转率，x＝s；ω为输出量，即车轮转动角速度；J为电动轮等效转动惯量，F_r为行驶阻力，包括空气阻力、滚动阻力、坡度阻力；F_x为路面作用于车轮的驱动力；r为车轮有效滚动半径；

为车辆纵向车速；u为输入量，T为施加在车轮上的驱动转矩,u＝T；

所述全局滑模面S设计如下：

式中，k为正常数；e为滑转率控制误差；

为滑转率控制误差一阶导数；h(t)为随时间变化的动态函数项，该动态函数项满足一阶可导，且有界，且

且

所述全局控制律u(t)设计如下：

式中,

m为车辆质量；k_sw为切换增益；σ为正常数，用于误差调节。

8.根据权利要求1所述的越野车辆纵向驱动力协调控制方法，其特征在于，所述协调优化原则包括在滑转轮转矩为零时，不进行转矩协调补偿。

9.根据权利要求1所述的越野车辆纵向驱动力协调控制方法，其特征在于，所述转矩补偿期望的确定方法如下：

以动力性为目标的转矩补偿期望为车轮滑转前后整车输出总力矩不变，即：

式中，T_req为整车输出总力矩；i＝1,2,3,4,分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；T_i为各轮毂电机最终分配转矩，即最终输出转矩；车轮滑转损失总力矩ΔT，即需补偿总力矩计算如下：

式中，ΔT_j为发生滑转的车轮损失力矩；j_ASR为滑转车轮总数，j为滑转车轮序号；T_{pre_i}为车轮基于轴荷分配力矩值；T_{ASR_i}为驱动防滑控制器决策力矩；

以安全性为目标的转矩补偿期望为车轮滑转前后整车横摆力矩不变，即

式中，ΔM_z为车轮发生滑转产生的附加横摆力矩；T_{ASR_1}为左前轮驱动防滑控制器决策力矩；T_{ASR_2}为右前轮驱动防滑控制器决策力矩；T_{ASR_3}为左后轮驱动防滑控制器决策力矩；T_{ASR_4}为右后轮驱动防滑控制器决策力矩；r为车轮有效滚动半径；B为车辆轮距。

10.根据权利要求1所述的越野车辆纵向驱动力协调控制方法，其特征在于，所述滑转工况包括单轮滑转、同侧车轮滑转、异侧两车轮滑转与多轮滑转；

对于单轮滑转，优先提高其同侧车轮输出转矩来达到提高动力性而保证安全性的目的，利用同侧未滑转车轮进行进行滑转损失转矩补偿，若无法完成则基于协调优化原则进行转矩补偿分配；

对于同侧车轮滑转，通过提高异侧车轮转矩输出提升动力性；若滑转侧无补偿能力，直接基于协调优化原则进行转矩补偿分配；

对于异侧两车轮滑转，首先两侧各自利用同侧未滑转车轮进行滑转损失转矩补偿，若无法完成，则基于协调优化原则进行转矩补偿分配；

对于多轮滑转，三轮滑转不进行转矩协调优化分配；全轮滑转时，使同轴车轮转矩输出相等，且为同轴车轮驱动防滑控制器决策转矩较小值。

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