CN112572411A - 一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法及系统，涉及车辆底盘协调控制技术领域，包括根据获取的前轮转角和实际纵向车速以及二自由度参考模型，计算期望横摆角速度；根据期望横摆角速度和实际横摆角速度，基于滑模算法，计算附加横摆力矩；根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，将附加横摆力矩分配给DYC子系统和AFS子系统，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩；根据各子系统对应的附加横摆力矩，采用优化算法，计算四轮驱动转矩和附加前轮转角。本发明量化分析轮胎的侧偏特性，提高车辆的侧向稳定性。

Description

一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法及系统
技术领域
本发明涉及车辆底盘协调控制技术领域，特别是涉及一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法及系统。
背景技术
随着对车辆主动安全需求的增加，多种先进的底盘控制系统已被开发出来，例如主动前轮转向(AFS)子系统、直接横摆力矩控制(DYC)子系统等，但是车辆底盘并不是简单地将这些子系统组装，不同子系统之间会有不同程度的耦合甚至冲突。例如，DYC子系统会对轮胎的纵向力产生影响，但由于轮胎是一个复杂的非线性系统，当纵向力增大时，轮胎侧向力更容易到达极限，从而减弱了AFS子系统的控制性能。底盘的协调控制可以更好地发挥底盘控制系统的性能。
当今的AFS和DYC协调控制系统研究中，大多以车身的运动状态作为稳定性判断依据进行协调，如质心侧偏角及其变化率的相图、特征车速等，而较少考虑到对AFS和DYC工作性能影响较大的轮胎非线性侧偏特性，不能从子系统根本的工作特性进行协调。现有的考虑轮胎非线性侧偏特性的协调控制方法中，只单独考虑了路面附着系数或轮胎垂向载荷等单一的影响因素，不符合车辆实际运行时不断变化的路面附着及载荷转移情况，车辆转向时容易发生失稳的情况。目前，急需一种可以综合考虑路面附着和轮胎垂向载荷变化的底盘协调控制系统，来解决AFS和DYC的耦合问题，提高车辆的侧向稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法及系统，量化分析轮胎的侧偏特性，提高车辆的侧向稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法，包括：
获取驾驶员模型输出的前轮转角，获取车辆的实际纵向车速和实际横摆角速度；
根据所述前轮转角、所述实际纵向车速以及二自由度参考模型，计算期望横摆角速度；
根据所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，基于滑模算法，计算附加横摆力矩；
根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，将所述附加横摆力矩分配给DYC子系统和AFS子系统，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩；
根据所述DYC子系统对应的附加横摆力矩和所述AFS子系统对应的附加横摆力矩，采用优化算法，计算四轮驱动转矩和附加前轮转角。
可选的，所述根据所述前轮转角、所述实际纵向车速以及二自由度参考模型，计算期望横摆角速度，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002851153710000021
计算期望横摆角速度；
其中，ωd为期望横摆角速度，L为前后轴距，K为稳定性系数，vx为纵向车速，δ为前轮转角。
可选的，所述根据所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，基于滑模算法，计算附加横摆力矩，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002851153710000022
计算附加横摆力矩；
其中，ΔM为附加横摆力矩，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，
Figure BDA0002851153710000023
为质心侧偏角速度，
Figure BDA0002851153710000024
为前轮转角变化率，
Figure BDA0002851153710000025
为期望横摆角速度的二阶导数，
Figure BDA0002851153710000026
为跟踪误差变化率，
Figure BDA0002851153710000031
为横摆角加速度，c为跟踪误差与误差变化率的权重系数，a、b分别为前轴距离质心的长度、后轴距离质心的长度，kf、kr分别为前轮胎的侧偏刚度、后轮胎的侧偏刚度，vx为纵向车速，δ为前轮转角，Kω为控制到滑模面的趋近速率，sat(s)为饱和函数。
可选的，所述根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，将所述附加横摆力矩分配给DYC子系统和AFS子系统，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩，具体包括：
根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数；
根据所述DYC子系统权重系数和所述AFS子系统权重系数，将所述附加横摆力矩进行分配，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩。
可选的，所述根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数，具体包括：
根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，采用魔术公式轮胎模型，确定不同轮胎负载下和不同路面附着条件下的轮胎侧偏特性曲线；
根据所述轮胎侧偏特性曲线将轮胎特性划分为线性区、过渡区和饱和区；
根据所述线性区、所述过渡区和所述饱和区，按照预设规则，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数；所述预设规则如下：
a)当车辆处于非稳定区域时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1；
b)当车辆处于稳定区域时且两个前轮轮胎都处于线性区时，仅启用AFS子系统，AFS子系统权重系数为1；
c)当任意前轮轮胎处于饱和区时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1；
d)在a)、b)和c)的情况之外，且当前轮轮胎处于过渡区时，AFS子系统权重系数由轮胎侧偏角确定，DYC子系统权重系数为1-AFS子系统权重系数。
可选的，所述根据所述DYC子系统对应的附加横摆力矩和所述AFS子系统对应的附加横摆力矩，采用优化算法，计算四轮驱动转矩和附加前轮转角，具体包括：
基于路面附着利用率和所述DYC子系统对应的附加横摆力矩，确定优化目标函数；
根据所述优化目标函数，采用二次规划算法，计算四轮驱动转矩；
根据公式
Figure BDA0002851153710000041
计算附加前轮转角；其中，Δδf为附加前轮转角，a为前轴距，kf是前轴胎侧偏刚度，ΔMAFS为AFS子系统对应的附加横摆力矩。
一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制系统，包括：
数据获取模块，用于获取驾驶员模型输出的前轮转角，获取车辆的实际纵向车速和实际横摆角速度；
期望横摆角速度计算模块，用于根据所述前轮转角、所述实际纵向车速以及二自由度参考模型，计算期望横摆角速度；
附加横摆力矩计算模块，用于根据所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，基于滑模算法，计算附加横摆力矩；
子系统附加横摆力矩确定模块，用于根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，将所述附加横摆力矩分配给DYC子系统和AFS子系统，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩；
四轮驱动转矩和附加前轮转角确定模块，用于根据所述DYC子系统对应的附加横摆力矩和所述AFS子系统对应的附加横摆力矩，采用优化算法，计算四轮驱动转矩和附加前轮转角。
可选的，所述子系统附加横摆力矩确定模块，具体包括：
权重系数计算单元，用于根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数；
子系统附加横摆力矩确定单元，用于根据所述DYC子系统权重系数和所述AFS子系统权重系数，将所述附加横摆力矩进行分配，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩。
可选的，所述权重系数计算单元，具体包括：
轮胎侧偏特性曲线确定子单元，用于根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，采用魔术公式轮胎模型，确定不同轮胎负载下和不同路面附着条件下的轮胎侧偏特性曲线；
划分子单元，用于根据所述轮胎侧偏特性曲线将轮胎特性划分为线性区、过渡区和饱和区；
权重系数计算子单元，用于根据所述线性区、所述过渡区和所述饱和区，按照预设规则，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数；所述预设规则如下：
a)当车辆处于非稳定区域时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1；
b)当车辆处于稳定区域时且两个前轮轮胎都处于线性区时，仅启用AFS子系统，AFS子系统权重系数为1；
c)当任意前轮轮胎处于饱和区时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1；
d)在a)、b)和c)的情况之外，且当前轮轮胎处于过渡区时，AFS子系统权重系数由轮胎侧偏角确定，DYC子系统权重系数为1-AFS子系统权重系数。
可选的，所述四轮驱动转矩和附加前轮转角计算模块，具体包括：
优化目标函数确定单元，用于基于路面附着利用率和所述DYC子系统对应的附加横摆力矩，确定优化目标函数；
四轮驱动转矩计算单元，用于根据所述优化目标函数，采用二次规划算法，计算四轮驱动转矩；
附加前轮转角计算单元，用于根据公式
Figure BDA0002851153710000051
计算附加前轮转角；其中，Δδf为附加前轮转角，a为前轴距，kf是前轴胎侧偏刚度，ΔMAFS为AFS子系统对应的附加横摆力矩。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明结合实际的路面附着情况和车辆载荷转移情况，量化分析轮胎的侧偏特性，有效协调AFS子系统和DYC子系统，提高车辆的侧向稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法的流程图；
图2为本发明考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制系统的结构图；
图3为本发明底盘协调控制方法总体架构图；
图4为本发明二自由度车辆动力学模型示意图；
图5为本发明不同轮胎负载下的轮胎侧偏特性曲线图；
图6为本发明不同路面附着条件下的轮胎侧偏特性曲线图；
图7为本发明轮胎工作区域划分示意图；
图8为本发明权重系数计算规则示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有的AFS和DYC协调控制系统所存在的问题，本发明提供了一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法及系统。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
轮胎侧偏角α：在侧向力作用下，轮胎的中心线与车轮平面错开一定距离，形成的夹角为轮胎侧偏角。轮胎侧偏特性即轮胎侧向力、回正力矩与轮胎侧偏角的关系。
DirectYaw Moment Control(DYC):直接横摆力矩控制。
Active Front Steering(AFS):主动前轮转向。
实施例一
图1为本发明考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法的流程图，如图1所示，本实施例提供的考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法，包括以下步骤。
步骤101：获取驾驶员模型输出的前轮转角，获取车辆的实际纵向车速和实际横摆角速度。
步骤102：根据所述前轮转角、所述实际纵向车速以及二自由度参考模型，计算期望横摆角速度；具体包括：
根据公式
Figure BDA0002851153710000071
计算期望横摆角速度。
其中，ωd为期望横摆角速度，L为前后轴距，K为稳定性系数，vx为纵向车速，δ为前轮转角。
步骤103：根据所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，基于滑模算法，计算附加横摆力矩；具体包括：
根据公式
Figure BDA0002851153710000072
计算附加横摆力矩。
其中，ΔM为附加横摆力矩，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，
Figure BDA0002851153710000073
为质心侧偏角速度，
Figure BDA0002851153710000074
为前轮转角变化率，
Figure BDA0002851153710000075
为期望横摆角速度的二阶导数，
Figure BDA0002851153710000076
为跟踪误差变化率，
Figure BDA0002851153710000081
为横摆角加速度，c为跟踪误差与误差变化率的权重系数，a、b分别为前轴距离质心的长度、后轴距离质心的长度，kf、kr分别为前轮胎的侧偏刚度、后轮胎的侧偏刚度，vx为纵向车速，δ为前轮转角，Kω为控制到滑模面的趋近速率，sat(s)为饱和函数。
步骤104：根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，将所述附加横摆力矩分配给DYC子系统和AFS子系统，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩。
具体包括：根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数；根据所述DYC子系统权重系数和所述AFS子系统权重系数，将所述附加横摆力矩进行分配，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩。
其中，所述根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数，具体包括：
根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，采用魔术公式轮胎模型，确定不同轮胎负载下和不同路面附着条件下的轮胎侧偏特性曲线。
根据所述轮胎侧偏特性曲线将轮胎特性划分为线性区、过渡区和饱和区。
根据所述线性区、所述过渡区和所述饱和区，按照预设规则，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数；所述预设规则如下：
a)当车辆处于非稳定区域时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1。
b)当车辆处于稳定区域时且两个前轮轮胎都处于线性区时，仅启用AFS子系统，AFS子系统权重系数为1。
c)当任意前轮轮胎处于饱和区时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1。
d)在a)、b)和c)的情况之外，且当前轮轮胎处于过渡区时，AFS子系统权重系数由轮胎侧偏角确定，DYC子系统权重系数为1-AFS子系统权重系数。
其中，本实施例采用
Figure BDA0002851153710000082
相平面法来确定车辆处于稳定区域还是非稳定区域。
步骤105：根据所述DYC子系统对应的附加横摆力矩和所述AFS子系统对应的附加横摆力矩，采用优化算法，计算四轮驱动转矩和附加前轮转角。
具体包括：
基于路面附着利用率和所述DYC子系统对应的附加横摆力矩，确定优化目标函数；根据所述优化目标函数，采用二次规划算法，计算四轮驱动转矩。根据公式
Figure BDA0002851153710000091
计算附加前轮转角；其中，Δδf为附加前轮转角，a为前轴距，kf是前轴胎侧偏刚度，ΔMAFS为AFS子系统对应的附加横摆力矩。
从不同情况下轮胎的侧偏特性出发，在工作特性上协调了AFS和DYC两个子系统的耦合情况。结合
Figure BDA0002851153710000092
相平面法对车身运动姿态进行判定，保证车辆的侧向稳定性。且以最小路面附着利用率为目标进行二次规划，充分利用轮胎性能。
实施例二
图2为本发明考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制系统的结构图，如图2所示，本实施例提供的一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制系统，包括：
数据获取模块201，用于获取驾驶员模型输出的前轮转角，获取车辆的实际纵向车速和实际横摆角速度。
期望横摆角速度计算模块202，用于根据所述前轮转角、所述实际纵向车速以及二自由度参考模型，计算期望横摆角速度。
附加横摆力矩计算模块203，用于根据所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，基于滑模算法，计算附加横摆力矩。
子系统附加横摆力矩确定模块204，用于根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，将所述附加横摆力矩分配给DYC子系统和AFS子系统，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩。
四轮驱动转矩和附加前轮转角确定模块205，用于根据所述DYC子系统对应的附加横摆力矩和所述AFS子系统对应的附加横摆力矩，采用优化算法，计算四轮驱动转矩和附加前轮转角。
所述子系统附加横摆力矩确定模块204，具体包括：
权重系数计算单元，用于根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数。
子系统附加横摆力矩确定单元，用于根据所述DYC子系统权重系数和所述AFS子系统权重系数，将所述附加横摆力矩进行分配，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩。
所述权重系数计算单元，具体包括：
轮胎侧偏特性曲线确定子单元，用于根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，采用魔术公式轮胎模型，确定不同轮胎负载下和不同路面附着条件下的轮胎侧偏特性曲线。
划分子单元，用于根据所述轮胎侧偏特性曲线将轮胎特性划分为线性区、过渡区和饱和区。
权重系数计算子单元，用于根据所述线性区、所述过渡区和所述饱和区，按照预设规则，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数；所述预设规则如下：
a)当车辆处于非稳定区域时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1。
b)当车辆处于稳定区域时且两个前轮轮胎都处于线性区时，仅启用AFS子系统，AFS子系统权重系数为1。
c)当任意前轮轮胎处于饱和区时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1。
d)在a)、b)和c)的情况之外，且当前轮轮胎处于过渡区时，AFS子系统权重系数由轮胎侧偏角确定，DYC子系统权重系数为1-AFS子系统权重系数。
其中，本实施例采用
Figure BDA0002851153710000101
相平面法来确定车辆处于稳定区域还是非稳定区域。
所述四轮驱动转矩和附加前轮转角计算模块205，具体包括：
优化目标函数确定单元，用于基于路面附着利用率和所述DYC子系统对应的附加横摆力矩，确定优化目标函数。
四轮驱动转矩计算单元，用于根据所述优化目标函数，采用二次规划算法，计算四轮驱动转矩。
附加前轮转角计算单元，用于根据公式
Figure BDA0002851153710000111
计算附加前轮转角；其中，Δδf为附加前轮转角，a为前轴距，kf是前轴胎侧偏刚度，ΔMAFS为AFS子系统对应的附加横摆力矩。
实施例三
本实施例提供了一种考虑轮胎侧偏特性的分布式驱动车辆底盘协调控制方法，该方法采用分层结构，其主要步骤为：上层根据车辆传感器信息以及二自由度参考模型，得出提升车辆稳定性的附加横摆力矩，根据轮胎的侧偏特性划分主动前轮转向(AFS)子系统和直接横摆力矩控制(DYC)子系统的工作区域，并得出各个子系统的权重系数；下层将得出的附加横摆力矩分配到前轮转角及四轮轮毂电机中，采用二次规划算法，减少轮胎的路面附着利用率，避免轮胎力饱和；前轮转角与四轮驱动力矩输出到车辆模型中，实现协调控制。
本实施例提出的底盘协调控制方法总体架构如图3所示，该方法包括二自由度参考模型、协调控制层、执行器控制层和车辆模型。二自由度参考模型根据驾驶员模型输出的前轮转角、纵向车速得到期望横摆角速度；协调控制层根据二自由度参考模型输出的期望横摆角速度以及车辆实际横摆角速度，计算出可以维持车辆稳定性的附加横摆力矩，并根据车辆模型和估计算法得到的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，分配DYC子系统和AFS子系统的权重系数，输出相应的附加横摆力矩；执行器控制层根据上层输出的附加横摆力矩，通过优化算法，得出四轮驱动转矩和附加前轮转角，输出给车辆模型，实现底盘协调控制。
具体步骤如下：
步骤1、建立二自由度参考模型
二自由度参考模型根据驾驶员输出的前轮转角和车辆的纵向车速，得出期望横摆角速度。
如图4所示，二自由度车辆动力学模型可以表示为：
Figure BDA0002851153710000121
其中，ω表示车辆的实际横摆角速度，β为车辆的实际质心侧偏角，
Figure BDA0002851153710000122
分别为实际横摆角加速度和实际质心侧偏角速度，vx表示车辆的纵向车速，m为车身质量，a,b分别为前轴距离质心的长度、后轴距离质心的长度，δ为前轮转角，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，kf、kr分别为前轮胎的侧偏刚度、后轮胎的侧偏刚度。
当车辆转向处于稳态时，横摆角速度和质心侧偏角均是定值，即两者变化速率都为零，则计算出的期望横摆角速度为：
Figure BDA0002851153710000123
其中，ωd为期望横摆角速度，L为前后轴距，K为稳定性系数，表达为：
Figure BDA0002851153710000124
当车辆在转向时，同时还受到路面附着的限制，所以最终计算出来的期望横摆角速度为：
Figure BDA0002851153710000125
其中，二自由度参考模型的表达式如公式(4)所述，sgn()为符号函数，μ为路面附着系数，g为重力加速度。
步骤2、附加横摆力矩计算模块的设计
根据步骤1得到的期望横摆角速度和实际横摆角速度，基于滑模算法计算出附加横摆力矩。
首先，加入附加横摆力矩后的二自由度车辆动力学模型为：
Figure BDA0002851153710000131
其中，ΔM为附加横摆力矩。
构建滑模面s：
Figure BDA0002851153710000132
其中，ω为实际横摆角速度，ωd为期望横摆角速度，
Figure BDA0002851153710000133
为期望横摆角速度的导数，e为跟踪误差，
Figure BDA0002851153710000134
为跟踪误差的变化率，c为跟踪误差与误差变化率的权重系数，为正值。对滑模面求导，可得：
Figure BDA0002851153710000135
其中，
Figure BDA0002851153710000136
为前轮转角的变化率，
Figure BDA0002851153710000137
为期望横摆角速度的二阶导数。
由公式(7)可得，附加横摆力矩的计算公式为：
Figure BDA0002851153710000138
其中，为了减少滑模控制的抖振现象，采用了饱和函数sat(s)，Kω为控制到滑模面的趋近速率，为正值。饱和函数定义如下：
Figure BDA0002851153710000141
其中，H为边界层厚度，kω为边界层厚度的倒数。
稳定性证明：
首先，定义李雅普诺夫函数：
Figure BDA0002851153710000142
对其求一阶导数，可得：
Figure BDA0002851153710000143
将公式(8)带入公式(11)，可以计算得到：
Figure BDA0002851153710000144
由于Kω>0，kω>0，可得
Figure BDA0002851153710000145
系统稳定。
步骤3、附加横摆力矩分配模块的设计
附加横摆力矩计算模块根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着情况，给DYC子系统和AFS子系统分配相应的权重系数，根据权重系数将步骤2得到的附加横摆力矩分配，并输出给执行器控制层。具体子步骤如下：
步骤3.1、划分轮胎工作区域
在轮胎非线性区时，为了维持车辆的稳定性，轮胎难以提供足够的侧向力，AFS子系统的工作性能下降；DYC子系统依靠两侧车轮的纵向力差提供附加横摆力矩，在轮胎侧向非线性区也适用。协调控制层根据轮胎侧偏特性划分AFS工作区域和DYC工作区域。
首先采用魔术公式轮胎模型，获得不同路面附着系数和垂向载荷下的轮胎侧向力和侧偏角的关系曲线，如图5和6所示。魔术公式轮胎模型如下：
y(x)＝D sin{C arctan[Bx-E(Bx-arctan(Bx))]} (13)；
纯侧偏工况下的轮胎公式为：
Figure BDA0002851153710000151
其中，下标y表示其为轮胎的侧向力参数，Fy0是轮胎侧向力，αy是轮胎侧偏角，B是刚度因子，C是形状因子，D峰值因子，E是曲率因子，SV是曲线相对于原点的垂向漂移，SH是曲线相对于原点的水平漂移。
根据关系曲线斜率将轮胎特性划分为线性区、过渡区和饱和区，根据轮胎侧向特性确定工作的子系统。由于轮胎侧向力在轮胎线性区也不是严格与轮胎侧偏角呈线性关系，本实施例定义当曲线斜率下降30％后，轮胎进入过渡区，分界点为αtra；当斜率下降到40N/deg时，轮胎进入饱和区，分界点为αsat。
得到不同条件下的分界点αtra和αsat，之后通过插值法制作出不同条件下线性区、过渡区和饱和区的分隔曲面，如图7所示。
步骤3.2、设计权重系数分配规则
在划分了轮胎工作区域后，协调控制层根据一定的规则确定AFS子系统和DYC子系统的权重系数，将上层得到的附加横摆力矩分配给两个子系统。协调规则如下：
a)两个前轮轮胎都处于线性区时，仅启用AFS子系统，权重系数q＝1；
b)任意前轮轮胎处于饱和区时，仅启用DYC子系统，权重系数q＝0；
c)在a)和b)的情况之外，当前轮轮胎处于过渡区时，权重系数q的取值决定于轮胎侧偏角的大小，如图8所示。
则权重系数取值为：
q＝|αsat-α|/|αsat-αtra| (15)。
在车辆处于激烈的连续转向工况时，轮胎必定会通过线性区，而轮胎线性区提供的侧向力可能不能满足车辆稳定所需的附加横摆力矩。因此，在上述规则中，轮胎线性区只使用AFS子系统具有一定的局限性，可以使用
Figure BDA0002851153710000161
相平面法来解决这一问题，即采用
Figure BDA0002851153710000162
相平面法来确定车辆处于稳定区域还是非稳定区域。
定义非稳定区域：
Figure BDA0002851153710000163
当车辆处于非稳定区域时，相平面权重系数qβ＝0；车辆处于稳定区域时，相平面权重系数qβ＝1。
综上所述，协调控制层得到的权重系数为：
Q＝min(q,qβ) (17)。
输出给DYC子系统和AFS子系统的附加横摆力矩分别为：
Figure BDA0002851153710000164
步骤4、设计执行器控制层
步骤4.1、DYC控制器设计
DYC控制器的目标是将步骤3得到的附加横摆力矩依照合理的算法分配到四个轮毂电机上，来保证车辆的稳定行驶。具体包括以下步骤：
确定优化目标函数。提出路面附着利用率η，计算公式为：
Figure BDA0002851153710000165
其中，i＝1,2,3,4分别表示左前轮、右前轮、左后轮和右后轮，Fx是轮胎纵向力，Fy是轮胎侧向力，Fz是轮胎垂向载荷。路面附着利用率越高，轮胎越接近附着极限，车辆越接近失稳，定义轮胎稳定裕度为：
Figure BDA0002851153710000171
考虑到环境干扰及测量误差等情况，实际控制的稳定裕度ψc＜ψi，目标优化函数为：
Figure BDA0002851153710000172
ψc与实际轮胎力无关，且轮胎侧向力可向轮胎纵向力转化，目标优化函数可化为：
Figure BDA0002851153710000173
转矩优化分配要考虑上层力矩需求及限制条件，加入约束条件后，优化问题如下：
Figure BDA0002851153710000174
式中，Fx1_exp,Fx2_exp,Fx3_exp,Fx4_exp为期望纵向力，Bf为前轴轮距，Br为后轴轮距，Texp为期望电机总驱动力矩，Tmax是电机总最大转矩，r为车轮半径。
利用二次规划方法求得满足上述约束的最优转矩分配，将其输出到被控车辆中。
步骤4.2AFS控制器设计
AFS需满足步骤3的附加横摆力矩需求，附加前轮转角的计算公式如下：
Figure BDA0002851153710000181
其中，a为前轴距，kf是前轴胎侧偏刚度。将得到的附加前轮转角与驾驶员输入的转角进行叠加，直接输出到被控车辆中。
本发明相对于现有技术的优点在于：
1.设计了一种基于轮胎侧偏特性的底盘协调控制方法，解决了AFS系统和DYC子系统的耦合和冲突问题，提高了车辆转向时的稳定性。
2.本发明的控制方法为模块化的分层控制，上层基于滑模算法进行横摆角速度的跟踪，并根据设计的协调控制策略给子系统相应的工作权重，下层进行相应的执行器控制，得到理想的横摆力矩响应。
3.底层的转矩分配考虑到轮胎的附着利用率，进行四轮的单独控制，最大限度发挥轮胎的性能。
针对在不同附着情况路面上转向行驶的工况，本发明提供了一种考虑轮胎侧偏特性的分布式驱动车辆底盘协调控制方法及系统，解决AFS子系统和DYC子系统的耦合和冲突问题。常规的底盘协调控制策略是根据车身姿态、运动状态来进行稳定性判断，进而对子系统进行协调控制，并未考虑轮胎的非线性侧偏特性，未充分利用轮胎及子系统的性能。部分考虑轮胎侧偏刚度的发明，其轮胎侧偏特性计算模块考虑因素单一，不符合实际情况下轮胎的侧偏特性变化。本发明提出的底盘协调控制方法，从轮胎侧偏特性出发，充分发挥AFS子系统和DYC子系统在合适工况下的性能，解决子系统的耦合问题，提高了车辆在转向工况下的侧向稳定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法，其特征在于，包括：
获取驾驶员模型输出的前轮转角，获取车辆的实际纵向车速和实际横摆角速度；
根据所述前轮转角、所述实际纵向车速以及二自由度参考模型，计算期望横摆角速度；
根据所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，基于滑模算法，计算附加横摆力矩；
根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，将所述附加横摆力矩分配给DYC子系统和AFS子系统，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩；
根据所述DYC子系统对应的附加横摆力矩和所述AFS子系统对应的附加横摆力矩，采用优化算法，计算四轮驱动转矩和附加前轮转角。
2.根据权利要求1所述的一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法，其特征在于，所述根据所述前轮转角、所述实际纵向车速以及二自由度参考模型，计算期望横摆角速度，具体包括：
根据公式
Figure FDA0002851153700000011
计算期望横摆角速度；
其中，ωd为期望横摆角速度，L为前后轴距，K为稳定性系数，vx为纵向车速，δ为前轮转角。
3.根据权利要求1所述的一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法，其特征在于，所述根据所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，基于滑模算法，计算附加横摆力矩，具体包括：
根据公式
Figure FDA0002851153700000021
计算附加横摆力矩；
其中，ΔM为附加横摆力矩，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，
Figure FDA0002851153700000022
为质心侧偏角速度，
Figure FDA0002851153700000023
为前轮转角变化率，
Figure FDA0002851153700000024
为期望横摆角速度的二阶导数，
Figure FDA0002851153700000025
为跟踪误差变化率，
Figure FDA0002851153700000026
为横摆角加速度，c为跟踪误差与误差变化率的权重系数，a、b分别为前轴距离质心的长度、后轴距离质心的长度，kf、kr分别为前轮胎的侧偏刚度、后轮胎的侧偏刚度，vx为纵向车速，δ为前轮转角，Kω为控制到滑模面的趋近速率，sat(s)为饱和函数。
4.根据权利要求1所述的一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法，其特征在于，所述根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，将所述附加横摆力矩分配给DYC子系统和AFS子系统，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩，具体包括：
根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数；
根据所述DYC子系统权重系数和所述AFS子系统权重系数，将所述附加横摆力矩进行分配，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩。
5.根据权利要求4所述的一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法，其特征在于，所述根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数，具体包括：
根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，采用魔术公式轮胎模型，确定不同轮胎负载下和不同路面附着条件下的轮胎侧偏特性曲线；
根据所述轮胎侧偏特性曲线将轮胎特性划分为线性区、过渡区和饱和区；
根据所述线性区、所述过渡区和所述饱和区，按照预设规则，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数；所述预设规则如下：
a)当车辆处于非稳定区域时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1；
b)当车辆处于稳定区域时且两个前轮轮胎都处于线性区时，仅启用AFS子系统，AFS子系统权重系数为1；
c)当任意前轮轮胎处于饱和区时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1；
d)在a)、b)和c)的情况之外，且当前轮轮胎处于过渡区时，AFS子系统权重系数由轮胎侧偏角确定，DYC子系统权重系数为1-AFS子系统权重系数。
6.根据权利要求1所述的一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法，其特征在于，所述根据所述DYC子系统对应的附加横摆力矩和所述AFS子系统对应的附加横摆力矩，采用优化算法，计算四轮驱动转矩和附加前轮转角，具体包括：
基于路面附着利用率和所述DYC子系统对应的附加横摆力矩，确定优化目标函数；
根据所述优化目标函数，采用二次规划算法，计算四轮驱动转矩；
根据公式
Figure FDA0002851153700000031
计算附加前轮转角；其中，Δδf为附加前轮转角，a为前轴距，kf是前轴胎侧偏刚度，ΔMAFS为AFS子系统对应的附加横摆力矩。
7.一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取驾驶员模型输出的前轮转角，获取车辆的实际纵向车速和实际横摆角速度；
期望横摆角速度计算模块，用于根据所述前轮转角、所述实际纵向车速以及二自由度参考模型，计算期望横摆角速度；
附加横摆力矩计算模块，用于根据所述期望横摆角速度和所述实际横摆角速度，基于滑模算法，计算附加横摆力矩；
子系统附加横摆力矩确定模块，用于根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，将所述附加横摆力矩分配给DYC子系统和AFS子系统，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩；
四轮驱动转矩和附加前轮转角确定模块，用于根据所述DYC子系统对应的附加横摆力矩和所述AFS子系统对应的附加横摆力矩，采用优化算法，计算四轮驱动转矩和附加前轮转角。
8.根据权利要求7所述的一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制方法，其特征在于，所述子系统附加横摆力矩确定模块，具体包括：
权重系数计算单元，用于根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数；
子系统附加横摆力矩确定单元，用于根据所述DYC子系统权重系数和所述AFS子系统权重系数，将所述附加横摆力矩进行分配，得到DYC子系统对应的附加横摆力矩和AFS子系统对应的附加横摆力矩。
9.根据权利要求8所述的一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制系统，其特征在于，所述权重系数计算单元，具体包括：
轮胎侧偏特性曲线确定子单元，用于根据车辆的轮胎垂向载荷、轮胎侧偏角和路面附着系数，采用魔术公式轮胎模型，确定不同轮胎负载下和不同路面附着条件下的轮胎侧偏特性曲线；
划分子单元，用于根据所述轮胎侧偏特性曲线将轮胎特性划分为线性区、过渡区和饱和区；
权重系数计算子单元，用于根据所述线性区、所述过渡区和所述饱和区，按照预设规则，计算DYC子系统权重系数和AFS子系统权重系数；所述预设规则如下：
a)当车辆处于非稳定区域时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1；
b)当车辆处于稳定区域时且两个前轮轮胎都处于线性区时，仅启用AFS子系统，AFS子系统权重系数为1；
c)当任意前轮轮胎处于饱和区时，仅启用DYC子系统，DYC子系统权重系数为1；
d)在a)、b)和c)的情况之外，且当前轮轮胎处于过渡区时，AFS子系统权重系数由轮胎侧偏角确定，DYC子系统权重系数为1-AFS子系统权重系数。
10.根据权利要求7所述的一种考虑轮胎侧偏特性的车辆底盘协调控制系统，其特征在于，所述四轮驱动转矩和附加前轮转角计算模块，具体包括：
优化目标函数确定单元，用于基于路面附着利用率和所述DYC子系统对应的附加横摆力矩，确定优化目标函数；
四轮驱动转矩计算单元，用于根据所述优化目标函数，采用二次规划算法，计算四轮驱动转矩；
附加前轮转角计算单元，用于根据公式
Figure FDA0002851153700000051
计算附加前轮转角；其中，Δδf为附加前轮转角，a为前轴距，kf是前轴胎侧偏刚度，ΔMAFS为AFS子系统对应的附加横摆力矩。
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