CN111959486A - 电机驱动车辆纵横向耦合控制方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明的提供了电机驱动车辆纵横向耦合控制方法、系统和存储介质，方法包括以下步骤：获取路面附着系数和侧向车速参数；根据侧向车速参数生成驱动防滑控制策略，并进行车辆纵向驱动力矩初步分配；根据路面附着系数以及侧向车速参数得到目标横摆力矩；根据纵向驱动力矩初步分配的结果、驱动防滑控制策略以及目标横摆力矩进行纵横向耦合控制；方法针对车辆的纵横向耦合特性，通过纵向驱动力矩，以及目标横摆力矩形成的集中式协调控制，纵横向协调控制律，可有效克服车辆纵横向非线性、发挥其强耦合特性；实现方式简单，计算量少，计算速度快，适合实车使用，能够达到多目标协调最优的效果，可广泛应用于轮毂电机驱动车辆控制技术领域技术领域。

Description

电机驱动车辆纵横向耦合控制方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及轮毂电机驱动车辆控制技术领域技术领域，尤其是一种电机驱动车辆纵横向耦合控制方法、系统及存储介质。

背景技术

车辆交通安全关乎人类的生命财产安全，因此汽车安全技术是汽车行业的研究重点和热点。近年来随着电子控制技术的发展而有了更大的进步，汽车安全技术发展取得了不少研究成果。相比于集中式驱动的新能源汽车，四轮毂电机驱动车辆可以实现四轮的独立控制，这种冗余可使车辆的稳定性大幅提升，对于驾驶员操纵与行车安全有重要的意义。基于车辆的四轮转速与转矩可获得的特点，车辆的状态参数估计也更容易实现。考虑到车辆在运动平面受路面条件、驾驶员意图和车辆机械特性本身的综合影响，在路面条件恶劣和驾驶员意图激进的条件下，车辆的响应随之恶化，容易造成车辆失稳。在一般铺装道路上，车辆的纵横向运行平面受到较大干扰时，车辆的失稳倾向更加明显，因此对于四轮轮毂电机驱动车辆的纵横向平面稳定性问题的研究具有十分重要的意义。目前，针对四轮轮毂电机驱动车辆的纵横向平面稳定性控制主要有以下问题：

1.直线行驶时，有的轮毂电机驱动车辆采用低选原则，同轴异侧的驱动力矩有差异时，选择两轮中驱动力较小值作为两轮的驱动力。此方法可有效保证车辆的横向稳定性，然而因此也降低了车辆的动力性。转向行驶时，不少轮毂电机驱动车辆由制动力来产生车辆运动所需的横摆力矩，但是这种控制方法削弱了车辆纵向控制效果，且仅在质心侧偏角不大的情况下有效。

2.轮胎是一个复杂的非线性系统，轮胎力综合作用直接决定车辆的运动状态。现有的控制算法通常忽略了极限工况下的轮胎侧向力饱和，没有对轮胎侧向力进行约束，导致汽车跟踪能力下降，在进行驱动防滑控制时，没有将车辆的侧向滑转率都考虑在内，使得算法的实用性不高。

3.常用的轮毂电机驱动车辆控制方法在进行转矩分配时没有考虑到轮毂电机外特性、地面附着条件以及垂直载荷转移等约束条件，常常忽视了极限工况下转矩分配无结果的问题以及低速良好附着路面下的性能目标优化。本控制领域缺乏非线性的控制方法来实现纵向驱动力控制与横向稳定性控制进行耦合控制。

发明内容

有鉴于此，为至少部分解决上述技术问题之一，本发明实施例目的在于提供一种有效克服车辆纵横向非线性、发挥其强耦合特性的电机驱动车辆纵横向耦合控制方法，以及可以对应实现电机驱动车辆纵横向耦合控制系统、装置以及存储介质。

第一方面，本发明的提供了电机驱动车辆纵横向耦合控制方法，包括以下步骤：

获取路面附着系数和侧向车速参数；

根据侧向车速参数生成驱动防滑控制策略，并进行车辆纵向驱动力矩初步分配；

根据路面附着系数以及侧向车速参数得到目标横摆力矩；

根据纵向驱动力矩初步分配的结果、驱动防滑控制策略以及目标横摆力矩进行纵横向耦合控制；其中，纵横向耦合控制包括限制轮毂电机最大驱动力矩以及提高横向稳定性。

此外，在本发明的一些实施例中，获取路面附着系数和侧向车速参数这一步骤，其包括以下步骤至少其一：

通过非降阶观测器获取路面附着系数，非降阶观测器的模型参数包括：车轮转速的导数、预测车轮转速的导数以及非线性增益；

通过侧向车速观测器获取侧向车速参数，侧向车速观测器的模型参数包括：侧向合力、纵向驱动力、侧向力以及前轮转角。

在本发明的一些实施例中，根据侧向车速参数生成驱动防滑控制策略，根并进行车辆纵向驱动力矩初步分配这一步骤，其具体包括：

获取轮胎的总滑移率，计算得到轮胎的总驱动力；

根据总驱动力以及路面附着系数生成确定驱动防滑控制策略。

在本发明的一些实施例中，根据总驱动力以及路面附着系数生成确定驱动防滑控制策略这一步骤，其具体包括以下步骤至少其一：

车辆输出的驱动力不超过地面可提供的附着力，将转矩极限值设置为第一驱动力矩；第一驱动力矩为根据轮毂电机外特性所得的在当前转速下允许的最大输出转矩；

车辆输出的驱动力超过地面可提供的附着力，将轮毂电机驱动力矩极限值设置为第二驱动力矩；第二驱动力矩为轮毂电机驱动力矩极限值，通过保持轮胎合力在稳定域内的最大值以及轮毂电机与车轮间的减速比所得到的驱动力矩。

在本发明的一些实施例中，根据侧向车速参数生成驱动防滑控制策略，并进行车辆纵向驱动力矩初步分配这一步骤，其还包括：

通过有限状态机模型消除驱动防滑控制策略执行中的输出转矩抖振；

其中，若轮毂电输出转矩大于轮毂电机的驱动力矩极限值，有限状态机模型进入稳定调节状态；

若轮毂电输出转矩不大于轮毂电机的驱动力矩极限值，有限状态机模型退出稳定调节状态；

在稳定调节状态中，驱动防滑控制策略将输出转矩调整至保持滑转率的稳定状态。

在本发明的一些实施例中，根据路面附着系数以及侧向车速参数得到目标横摆力矩这一步骤，其具体包括：

通过滑模函数以及车辆线性二自由度模型得到理想横摆角速度增益，并得到理想横摆角速度；

根据理想横摆角速度生成目标横摆力矩。

在本发明的一些实施例中，据纵向驱动力矩初步分配的结果、驱动防滑控制策略以及目标横摆力矩进行纵横向耦合控制这一步骤，其具体包括：

构建目标函数，对所目标函数进行优化，得到目标函数的约束条件；

根据约束条件以及目标函数，对线性约束二次规划的有效集进行求解，得到四轮驱动力指令以及各轮驱动力矩。

第二方面，本发明的技术方案还提供电机驱动车辆纵横向耦合控制的软件系统，包括：

路面附着系数观测器，用于获取路面附着系数；

侧向车速观测器，用于获取侧向车速参数；

前后轴力矩分配控制器，用于根据侧向车速参数生成驱动防滑控制策略，并进行车辆纵向驱动力矩初步分配；

车辆横摆角速度滑模控制器，用于根据路面附着系数以及侧向车速参数得到目标横摆力矩；

输出驱动力矩分配控制器，用于根据纵向驱动力矩初步分配的结果、驱动防滑控制策略以及目标横摆力矩进行纵横向耦合控制。

第三方面，本发明的技术方案还提供另一种电机驱动车辆纵横向耦合控制的硬件系统，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当至少一个程序被至少一个处理器执行，使得至少一个处理器实现电机驱动车辆纵横向耦合控制方法。

第四方面，本发明的技术方案还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现电机驱动车辆纵横向耦合控制方法。

本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，其他部分可以通过本发明的具体实施方式了解得到：

本发明技术方案针对车辆的纵横向耦合特性，通过纵向驱动力矩，以及目标横摆力矩形成的集中式协调控制，纵横向协调控制律，可有效克服车辆纵横向非线性、发挥其强耦合特性；并且本方案结合了路面附着系数和侧向车速参数，实现方式更为简单，计算量少，计算速度快，适合实车使用；通过横摆力矩形成的集中式协调控制以及驱动防滑控制策略最终进行纵横向耦合控制，能够达到多目标协调最优的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例电机驱动车辆纵横向耦合控制方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例电机驱动车辆纵横向耦合控制方法的详细的控制流程框图；

图3为本发明实施例电机驱动车辆纵横向耦合控制方法的非线性降阶观测器结构；

图4为本发明实施例电机驱动车辆纵横向耦合控制方法中，处理驱动防滑控制输出转矩高频抖振简单逻辑图；

图5为本发明实施例电机驱动车辆纵横向耦合控制方法中，基于stateflow的输出转矩调节状态机模型。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

第一方面，参照图1，实施例提供的电机驱动车辆纵横向耦合控制方法，其包括，步骤S01-S04：

S01、获取路面附着系数和侧向车速参数；具体的，参照图2，实施例基于纵滑侧偏结合的刷子轮胎模型，采用车辆当前行驶路面附着系数、车辆侧向车速的非线性降阶观测器，从车辆实际运行时获取参数并构建的动力学模型中，得到路面附着系数以及侧向车速参数。更为详细的，实施例中步骤S01可进一步细分为步骤S011-S012：

S011、通过非降阶观测器获取路面附着系数，非降阶观测器的模型参数包括：车轮转速的导数、预测车轮转速的导数以及非线性增益；不同于现有技术采用最小二乘法进行路面附着估算，在本实施例采用非降阶观测器来计算路面附着系数，不需要如无迹卡尔曼滤波等算法中的矩阵或逆矩阵之间的运算，计算量少，计算速度快，适合实车使用。参照图3，将原始的状态空间中路面附着系数观测器转变为非线性降阶高增益观测器：

表达式(1)中

为车轮转速的导数，

为估计车轮转速的导数，μ_i为各轮路面附着系数，

是待定义的基于状态的非线性增益，本实施例中，

是基于状态的非线性增益，其中

r为轮胎半径，ε是一个足够小的数，使得此观测器的运动快于侧向速度观测器；并且，由于直接计算该导数会产生噪声估计，所以提出变量

的变化如下：

在替代变量中实现观测器，得到：

表达式(3)中，I_ω车轮绕轮心的转动惯量，T_di为轮毂电机实际输出转矩，

为估计纵向力，

是估计滚动阻力。通过路面附着系数观测器可以计算得出：

至此可得到四轮对应路面的附着系数。

S012、通过侧向车速观测器获取侧向车速参数，侧向车速观测器的模型参数包括：侧向合力、纵向驱动力、侧向力以及前轮转角；纵横向耦合控制策略需考虑各轮侧向力，因此需要获取各轮轮胎侧偏角以估计侧向力，建立了侧向车速估计模型以估计轮胎侧偏角。不同于现有技术直接通过设计滑模控制器来估计质心侧偏角，本实施例中，采用非线性降阶侧向车速观测器进行侧向车速的生成，进一步来确定质心侧偏角。实施例中提供一种非线性降阶侧向车速观测器，并基于横向动力学，进行变形得到：

表达式(4)中v_y为侧向车速，μ_i为各轮路面附着系数，a_y为侧向加速度，f_y为侧向合力，F_xi为各轮纵向驱动力，F_yi为各轮侧向力，δ为前轮转角，m为质量；进一步，观测器在新的状态空间ξ中可以表示为：

在方程组(5)中，A为与状态空间相关系数矩阵，ρ表示关于自变量

的函数，A、ρ所在的两分式即为用状态方程标准形式表示的部分

C_g是用来获得理想收敛时间的常数增益，y_v＝；则原始状态空间中的侧向车速观测器转变为：

表达式(6)中，

通过侧向车速的估计值便可得到实时估计各个轮胎的侧偏角，并进而获得对应的轮胎侧向力。

S02、根据侧向车速参数生成驱动防滑控制策略，并进行车辆纵向驱动力矩初步分配；具体的，基于步骤S01中生成的侧向车速参数，生成驱动防滑控制策略；实施例中，采用有限状态机模型解决策略执行时易出现的输出转矩抖振问题，基于驾驶员意图识别和前后轴力矩分配控制器完成车辆纵向驱动力矩初步分配，其中，对于驾驶员的意图识别，可生成驾驶员需求力矩。

首先，获取轮胎的总滑移率，计算得到轮胎的总驱动力；再根据总驱动力以及路面附着系数生成确定驱动防滑控制策略。本实施例基于刷子轮胎模型，采用非线性降阶观测器的参数结果生成侧向力的驱动防滑控制策略，将车辆的纵侧向滑转率都考虑在内，提升了算法的实用性。纵横向结合的刷子轮胎模型将驱动时的纵向滑转率表示为：

侧向滑转率表示为：

表达式(7)和(8)中，v_wx是轮胎坐标系下车轮质心的纵向速度，α为轮胎侧偏角。根据纵向滑转率以及侧向滑转率得到总驱动力：

表达式(9)中，

为轮胎的总滑移率，胎路协同系数

C是基于轮胎特性的固有参数，F_z为路面对轮胎的垂向力。

当s≥s_m且

车辆输出的驱动力超过地面可提供的附着力，车轮发生滑转。为了确保轮胎合力在稳定域内运行，驱动控制策略必须防止车轮过度滑转。轮胎可以传递到路面的最大合力F_imax为：

F_imax＝μ_iF_zi (10)

在行车中轮胎实际合力为：

由表达式(10)和表达式(11)可得：

式中μ_i、F_zi和F_yi是基于车辆和路面状态而定的条件，由步骤S01中参数估计的方法结合刷子轮胎模型得出。

那么，稳态下最大的轮毂电机驱动力矩T_mimax：

表达式(13)中i_m为轮毂电机至车轮间的减速器减速比。对

求

偏导，并将表达式

定义为μ的估计准确度系数κ，则κ的表达式为：

表达式(14)中，由于(9μ_iF_zi-2Cs)始终为正，当s≤s_m且

车辆驱动时纵向滑转率始终非负，故κ_i为零或为正。在表达式(14)中用

对s进行替换，其中s为总滑移率，并将侧向滑转率表示为纵向滑转率的函数，即s_y＝s_x，其中D为纵向滑转率向侧向滑转率转换的转换系数，则可得到一个仅依赖于s_x的标量函数κ(s_x)并取偏导得到：

在表达式(15)中，C为基于轮胎特性的固有参数，D为纵向滑转率向侧向滑转率转换的转换系数，s_x为轮胎纵向滑移率，μ为路面附着系数，F_z为垂直载荷。表达式(15)中偏导函数的图像为一个开口向下的抛物线，可确定该函数在0≤s_x≤s_m范围内具有唯一极大值为：

由于函数κ(s_x)始终为正，因此该点对应于该函数的绝对最大值，即该点为纵向力更依赖于μ的点，并可以证明得出在此点力已饱和。将s_xmax代入到κ表达式中，可以获得此时的κ：

并在此处将各车轮的阈值t_i定义为κ_imax的一半：

而根据表达式(18)即各车轮的阈值t_i，实施例方法中确定驱动防滑控制策略这一步骤，可细分为S021-S022：

S021、车辆输出的驱动力不超过地面可提供的附着力，将转矩极限值设置为第一驱动力矩；第一驱动力矩为根据轮毂电机外特性所得的在当前转速下允许的最大输出转矩；

S022、车辆输出的驱动力超过地面可提供的附着力，将轮毂电机驱动力矩极限值设置为第二驱动力矩；第二驱动力矩为轮毂电机驱动力矩极限值，通过保持轮胎合力在稳定域内的最大值以及轮毂电机与车轮间的减速比所得到的驱动力矩。

具体的，参照图4，根据该阈值t_i确定纵向力何时充分依赖于μ_i，仅在|κ_i|>|t_i|时才认为可使用路面附着系数相关表达式限制输出转矩。驱动防滑控制策略的控制逻辑如下：由前面已知κ_i为零或为正，当|κ_i|<|t_i|时，驱动力不完全依赖于μ_i，不启用驱动防滑控制策略，将转矩极限值T_sati设置为根据轮毂电机外特性所得的在当前转速下允许的最大输出转矩T_ni；当κ_i>t_i时，车轮驱动力饱和，轮毂电机驱动力矩极限值设置为T_mimax，它是由估算的

和

计算得到保持轮胎合力在稳定域内的最大值F_ximax并结合轮毂电机与车轮间的减速比得到的。

其次，在本实施例中，驱动防滑策略执行时易出现的输出转矩抖振问题，针对该问题，实施例方案通过采用有限状态机来消除抖振；其步骤为S023：

S023、通过有限状态机模型消除驱动防滑控制策略执行中的输出转矩抖振；其中，若轮毂电输出转矩大于轮毂电机的驱动力矩极限值，有限状态机模型进入稳定调节状态；

其中，若轮毂电输出转矩大于轮毂电机的驱动力矩极限值，有限状态机模型进入稳定调节状态；若轮毂电输出转矩不大于轮毂电机的驱动力矩极限值，有限状态机模型退出稳定调节状态；在稳定调节状态中，驱动防滑控制策略将输出转矩调整至保持滑转率的稳定状态。

具体的，参照图5，实施例方法的思路是针对输出转矩抖振问题，建立有限状态机模型，让|κ|的变化不再使输出转矩高频抖动。具体的，将将车轮的运转分为三种状态：未滑转、滑转及滑转后的稳定调节。初始时只要|κ_i|<|t_i|即认定车轮未滑转，T_sati＝_ni；若|κ_i|>|t_i|，则判定车轮滑转，T_sati＝T_mimax；接下来若有|κ_i|<|t_li|，则状态转移分两种情况：若T_di>T_mimax，则进入稳定调节状态，否则判定为未滑转；在稳定调节状态，控制策略会使输出转矩缓慢调整至保持滑转率相对稳定的状态；若|κ_i|>|t_i|则仍回到滑转状态，当|κ_i|<|t_li|时退出稳定调节状态，判定车轮未滑转。如此便消除了输出转矩的高频抖振问题。

需注意的是，在图5中，T_sati为不启动驱动防滑策略时的转矩极限值；T_ni为根据轮毂电机外特性所得的在当前转速下允许的最大输出转矩；T_mimax稳态下最大的轮毂电机驱动力矩；T_di轮毂电机实际输出转矩；t_i为各车轮的阈值，此阈值用于确定纵向力何时充分依赖于μ_i，仅在|κ_i|>|t_i|时才认为可使用路面附着系数相关表达式限制输出转矩，且t_i定义为κ_imax的一半。

S03、根据路面附着系数以及侧向车速参数得到目标横摆力矩；具体的，基于步骤S01中生成的侧向车速参数以及路面附着系数，构建车辆横摆角速度滑模控制器，并得到目标直接横摆力矩，使横摆角速度跟踪理想值；在实施例中，可以包括步骤S031-S032：:

S031、通过滑模函数以及车辆线性二自由度模型得到理想横摆角速度增益，并得到理想横摆角速度；具体的，根据车辆横摆角速度滑模控制器得到滑模函数：

S_γ＝γ-γ_d (19)

在表达式(19)中，γ_d为期望横摆角速度，γ为质心处横摆角速度，同时根据车辆线性二自由度模型：

方程组(20)中，k_f、k_r分别为前、后轴侧偏刚度；β为质心侧偏角；m为整车质量；V_x为纵向车速；V_y为侧向车速；γ为质心处横摆角速度；F_xi为各车轮纵向驱动力；δ为前轮转角；F_yi为各车轮侧向力；l_z为车辆横摆转动惯量；l_f、l_r分别为车辆前轴、后轴到整车质心的距离。由方程组(20)可进一步得到理想横摆角速度增益为：

则理想横摆角速度为：

表达式(21)和(22)中，

为汽车稳定性系数。

S032、根据理想横摆角速度生成目标横摆力矩；具体的，生成理想横摆角速度后，对滑模函数求导得：

表达式(23)中，B_l为质心到左侧车轮连线的距离，B_r为质心到左侧车轮连线的距离。然后，取带饱和函数的指数趋近律为：

表达式(24)中ε_γ>0,k_γ>0，饱和函数为

其中

为滑模面两侧的边界层厚度，由表达式(23)和(24)可得到车辆需求的直接横摆力矩为：

表达式(25)中l_f和l_r分别为车辆前轴、后轴到整车质心的距离，F_y1为各车轮侧向力，δ为前轮转角，B_l、B_r为质心到左侧、右侧车轮连线的距离，I_z为车辆横摆转动惯量，γ_d为理想横摆角速度，ε_y是等速趋近的系数，k_γ是指数趋近项的系数，S_γ为滑模函数。

S04、根据纵向驱动力矩初步分配的结果、驱动防滑控制策略以及目标横摆力矩进行纵横向耦合控制；具体的，根据步骤S02生成的驱动防滑控制策略与车辆纵向驱动力矩初步分配，并结合步骤S03中构建的车辆横摆角速度滑模控制器，通过各轮转矩优化分配策略，设计实现限制车辆各轮毂电机最大驱动力矩以及横向稳定性主动优化的纵横向耦合控制策略；在实施例中，步骤S03还可以包括步骤S031-S032：

S031、构建目标函数，对所目标函数进行优化，得到目标函数的约束条件；具体的，首先求得纵向力的合力：

F_x＝F_x1+F_x2+F_x3+F_x4 (26)

纵向力产生的直接横摆力矩为：

M_z＝B_r(F_x2+F_x4)-B_l(F_x1+F_x3) (27)

将表达式(26)和表达式(27)写成矩阵形式：

y＝Bx (28)

在表达式(28)中，y＝[F_x,M_z]^T，为被控变量，x＝[F_x1,F_x2,F_x3,F_x4]^T，为控制输入,

是控制矩阵。据此，构建优化目标函数：

表达式(29)中，y_d＝[F_xd,M_zd]^T为控制目标，H_y＝diag{H_F,H_M}为权重系数矩阵，H_F是纵向驱动力的权重，H_M是直接横摆力矩的权重，其值越大，则控制策略越能满足相应需求。

进一步进行二次优化，并构建目标函数为：

u＝argmin‖x-x_d‖₂ (30)

表达式(30)中，x_d＝[F_xd1,F_xd2,F_xd3,F_xd4]^T，对表达式(28)和表达式(29)同时进行优化，得到如下的目标函数：

表达式(31)中λ为罚因子，决定两个目标函数的比重。

S032、根据约束条件以及目标函数，对线性约束二次规划的有效集进行求解，得到四轮驱动力指令以及各轮驱动力矩。具体的，由驱动防滑的约束及电机特性决定的饱和力矩约束可得到目标函数表达式(31)的约束条件为：

根据表达式(32)的约束条件，步骤S031中构建的优化目标函数(29)和(30)改写为

以此，将所要解决的控制分配问题转化为一个标准的线性约束二次规划问题：

在表达式(34)中，D＝[BI -I]^T，

该线性约束二次规划问题可利用有效集法进行求解，求解得到的值为实际四轮驱动力指令，由下式可以得到各轮驱动力矩：

在表达式(35)中，i_m为轮毂电机至车轮间的减速器减速比，F_xi为各轮纵向驱动力，r为轮胎半径，F_fi为各轮滚动阻力，I_wi为各轮绕轮心的转动惯量，w_i为各轮角速度。

最后，根据最终得到的各轮驱动力矩，通过输出驱动力矩分配控制器，完成对轮毂电机的驱动，并进而实现电机驱动车辆的纵横向耦合控制。

第二方面，本发明实施例还提供了电机驱动车辆纵横向耦合控制系统，其系统包括：

路面附着系数观测器，用于获取路面附着系数；

侧向车速观测器，用于获取侧向车速参数；

前后轴力矩分配控制器，用于根据侧向车速参数生成驱动防滑控制策略，并进行车辆纵向驱动力矩初步分配；

车辆横摆角速度滑模控制器，用于根据路面附着系数以及侧向车速参数得到目标横摆力矩；

输出驱动力矩分配控制器，用于根据纵向驱动力矩初步分配的结果、驱动防滑控制策略以及目标横摆力矩进行纵横向耦合控制。

本实施例系统属于软件系统，上述控制均属于运行在软件环境中的功能单元或模块。本系统实施例可对应实现在第一方面中提供的任一方法的实施例，即通过纵横向动力学控制系统实现纵向驱动防滑控制和横向横摆稳定性控制，系统的主要目标是使轮毂电机驱动车辆具有更好的动力性与稳定性。系统结合刷子轮胎模型分析轮胎力的纵横向耦合机理，包括了路面附着系数、侧向车速的降阶观测器，引入驱动控制介入条件和基于有限状态机的转矩抖振消除算法，生成基于纵、横向滑转率联合控制的驱动防滑策略，并结合附着系数、垂直载荷的明显差异，应用滑模控制算法设计了横向稳定性控制器，最终利用多约束的二次规划优化求解算法，实现了纵横向耦合控制。

第三方面，本发明实施例还提供了一种硬件系统，包括处理器以及存储器；

存储器用于存储程序；

处理器用于根据程序执行如图1所示的电机驱动车辆纵横向耦合控制方法；

上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

此外，本发明实施例还提供了一种存储介质，存储介质存储有程序，程序被处理器执行如图1所示的方法。

从上述具体的实施过程，可以总结出，本发明所提供的技术方案相较于现有技术存在以下优点或优势：

1.多数分解式协调控制通过对纵横向动力学进行解耦，多为针对直行采取驱动防滑控制，对转向工况采取横摆稳定性控制，没有考虑轮胎纵横向力间的力学耦合特性。本方案采用集中式协调控制针对车辆的纵横向耦合特性，生成纵横向协调控制规律，可有效克服车辆纵横向非线性、发挥其强耦合特性。

2.多数耦合协调控制以横摆力矩、动力性需求和路面附着极限作为约束条件，通过灰色粒子群优化算法等智能控制算法完成转矩分配。但智能控制算法计算量大，实时性较差。本方法采用纵横向结合的半经验刷子轮胎模型，计算成本低，适合于估计轮胎路面相互作用的相关参数，有利于提升算法实用性；本方案提出一种使用非线性降阶观测器的各轮路面附着系数及轮胎侧偏角的估计方法，与传统的观测器不同，实现更加简单，它不需要如无迹卡尔曼滤波等算法中的矩阵或逆矩阵之间的运算；计算量少，计算速度快，适合实车使用。

3.多数基于规则的转矩分配方法简单易行，鲁棒性强，但往往根据某些特定的目标设计规则，难以实现全局或局部最优控制，无法兼顾车辆各方面性能的优化。而本方案采用基于目标函数求解的转矩优化分配方法可充分考虑车辆运行的约束条件，达到多目标协调最优的效果。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

其中，功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.电机驱动车辆纵横向耦合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取路面附着系数和侧向车速参数；

根据所述侧向车速参数生成驱动防滑控制策略，并进行车辆纵向驱动力矩初步分配；

根据所述路面附着系数以及所述侧向车速参数得到目标横摆力矩；

根据纵向驱动力矩初步分配的结果、所述驱动防滑控制策略以及所述目标横摆力矩进行纵横向耦合控制；其中，所述纵横向耦合控制包括限制轮毂电机最大驱动力矩以及提高横向稳定性。

2.根据权利要求1所述的电机驱动车辆纵横向耦合控制方法，其特征在于，所述获取路面附着系数和侧向车速参数这一步骤，其包括以下步骤至少其一：

通过非降阶观测器获取所述路面附着系数，所述非降阶观测器的模型参数包括：车轮转速的导数、预测车轮转速的导数以及非线性增益；

通过侧向车速观测器获取所述侧向车速参数，所述侧向车速观测器的模型参数包括：侧向合力、纵向驱动力、侧向力以及前轮转角。

3.根据权利要求1所述的电机驱动车辆纵横向耦合控制方法，其特征在于，所述根据所述侧向车速参数生成驱动防滑控制策略，并进行车辆纵向驱动力矩初步分配这一步骤，其具体包括：

获取轮胎的总滑移率，得到轮胎的总驱动力；

根据所述总驱动力以及所述路面附着系数生成确定所述驱动防滑控制策略。

4.根据权利要求3所述的电机驱动车辆纵横向耦合控制方法，其特征在于，所述根据所述总驱动力以及所述路面附着系数生成确定所述驱动防滑控制策略这一步骤，其具体包括以下步骤至少其一：

车辆输出的驱动力不超过地面可提供的附着力，将转矩极限值设置为第一驱动力矩；所述第一驱动力矩为根据轮毂电机外特性所得的在当前转速下允许的最大输出转矩；

车辆输出的驱动力超过地面可提供的附着力，将轮毂电机驱动力矩极限值设置为第二驱动力矩；所述第二驱动力矩为轮毂电机驱动力矩极限值，通过保持轮胎合力在稳定域内的最大值以及轮毂电机与车轮间的减速比所得到的驱动力矩。

5.根据权利要求3所述的电机驱动车辆纵横向耦合控制方法，其特征在于，所述根据所述侧向车速参数生成驱动防滑控制策略，并进行车辆纵向驱动力矩初步分配这一步骤，其还包括：

通过有限状态机模型消除所述驱动防滑控制策略执行中的输出转矩抖振；

其中，若轮毂电输出转矩大于所述轮毂电机的驱动力矩极限值，所述有限状态机模型进入稳定调节状态；

若轮毂电输出转矩不大于所述轮毂电机的驱动力矩极限值，所述有限状态机模型退出稳定调节状态；

在所述稳定调节状态中，所述驱动防滑控制策略将输出转矩调整至保持滑转率的稳定状态。

6.根据权利要求1所述的电机驱动车辆纵横向耦合控制方法，其特征在于，所述根据所述路面附着系数以及所述侧向车速参数得到目标横摆力矩这一步骤，其具体包括：

通过滑模函数以及车辆线性二自由度模型得到理想横摆角速度增益，并得到理想横摆角速度；

根据所述理想横摆角速度生成所述目标横摆力矩。

7.根据权利要求1-6任一项所述的电机驱动车辆纵横向耦合控制方法，其特征在于，所述根据纵向驱动力矩初步分配的结果、所述驱动防滑控制策略以及所述目标横摆力矩进行纵横向耦合控制这一步骤，其具体包括：

构建目标函数，对所目标函数进行优化，得到目标函数的约束条件；

根据所述约束条件以及所述目标函数，对线性约束二次规划的有效集进行求解，得到四轮驱动力指令以及各轮驱动力矩。

8.电机驱动车辆纵横向耦合控制系统，其特征在于，包括：

路面附着系数观测器，用于获取路面附着系数；

侧向车速观测器，用于获取侧向车速参数；

前后轴力矩分配控制器，用于根据所述侧向车速参数生成驱动防滑控制策略，并进行车辆纵向驱动力矩初步分配；

车辆横摆角速度滑模控制器，用于根据所述路面附着系数以及所述侧向车速参数得到目标横摆力矩；

输出驱动力矩分配控制器，用于根据纵向驱动力矩初步分配的结果、所述驱动防滑控制策略以及所述目标横摆力矩进行纵横向耦合控制。

9.电机驱动车辆纵横向耦合控制系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-7中任一项所述的电机驱动车辆纵横向耦合控制方法。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行完成如权利要求1-7中任一项所述的电机驱动车辆纵横向耦合控制方法。

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