CN112572605A

CN112572605A - 一种分布式驱动车辆及其转向控制方法与装置

Info

Publication number: CN112572605A
Application number: CN201910936712.7A
Authority: CN
Inventors: 陈军明; 王长新; 杨杰
Original assignee: Zhengzhou Yutong Bus Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Yutong Bus Co Ltd
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2039-09-29
Also published as: CN112572605B

Abstract

本发明涉及一种分布式驱动车辆及其转向控制方法与装置。其中控制方法包括以下步骤：车辆转向时，实时获取前轮侧偏力、后轮侧偏力、侧向加速度以及转向方向；根据当前的前轮侧偏力、后轮侧偏力得到当前的前轮侧偏角、后轮侧偏角，进而得到当前前后轮侧偏角差；根据当前的侧向加速度以及标定好的侧向加速度与理想前后轮侧偏角差的对应关系，得到当前的侧向加速度对应的理想前后轮侧偏角差；根据转向方向，对后驱轴两侧车轮施加相反方向的额外纵向力，通过PID调节，使当前的前后轮侧偏角差与对应的理想前后轮侧偏角差相同。车辆在理想前后轮侧偏角差的情况下行驶，可以大大降低车辆的行驶风险，而且该方法适用各种工况，适用范围广。

Description

一种分布式驱动车辆及其转向控制方法与装置

技术领域

本发明涉及一种分布式驱动车辆及其转向控制方法与装置，属于分布式驱动车辆稳定性控制技术领域。

背景技术

近年来，分布式驱动技术发展非常迅速，在营运客车中的应用越来越多。分布式驱动系统与传统直驱系统相比，可以单独控制左右车轮扭矩，增加了整车的一个纵向自由度，使得客车可根据使用需要调整左、右驱动轮扭矩，提升驾驶灵活性和行驶安全性。

现有技术中，分布式驱动系统是以线性二自由度理论模型为计算基础，例如申请公布号为CN103786602A的中国发明专利申请文件，该申请文件公开了一种基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法，通过控制驱动轴两侧驱动电机产生的横摆力矩来改变车辆转向特性，使得车辆总是趋向于中性转向，提升车辆过弯能力，然而该方法在计算“理想横摆摆角速度(即理想前后轮侧偏角差)”时，使用的是线性二自由度单轨模型，该模型的基本假设包括：1、忽略悬架作用，忽略转向系统影响；2、轮胎侧偏特性处于线性范围，如此假定导致中性横摆角速度与实际差异较大，车辆在高速时有过度转向的风险，对车辆以及人员的安全隐患较大，而且中性转向为前车轮的侧偏角等于后车轮的侧偏角，在高速情况下，车辆进行中性转向会导致车辆车尾向弯道外侧甩出，在低速情况下车辆灵活性差，使用工况受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式驱动车辆的转向控制方法，用以解决现有控制方法安全隐患大，使用工况受限的问题；同时还提供一种分布式驱动车辆的转向控制装置，用以解决现有控制装置安全隐患大，使用工况受限的问题；同时还提供一种分布式驱动车辆，用以解决目前车辆中的控制装置安全隐患大，使用工况受限的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种分布式驱动车辆的转向控制方法，包括以下步骤：

车辆转向时，实时获取前轮侧偏力、后轮侧偏力、侧向加速度以及转向方向；

根据当前的前轮侧偏力、后轮侧偏力得到当前的前轮侧偏角、后轮侧偏角，根据当前的前轮侧偏角、后轮侧偏角得到当前前后轮侧偏角差；

根据当前的侧向加速度以及标定好的侧向加速度与理想前后轮侧偏角差的对应关系，得到当前的侧向加速度对应的理想前后轮侧偏角差；

根据转向方向，对后驱轴两侧车轮施加相反方向的额外纵向力，通过PID调节，使当前的前后轮侧偏角差与对应的理想前后轮侧偏角差相同。

另外，本发明还提出一种分布式驱动车辆的转向控制装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述的分布式驱动车辆的转向控制方法。

另外，本发明还提出一种分布式驱动车辆，包括车辆本体、设置在车辆本体内的车辆信息采集模块以及分布式驱动车辆的转向控制装置，所述车辆信息采集模块与分布式驱动车辆的转向控制装置连接，所述车辆信息采集模块用于采集前轮侧偏力、后轮侧偏力和侧向加速度，所述分布式驱动车辆的转向控制装置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，根据车辆信息采集模块所采集的信息实现上述的分布式驱动车辆的转向控制方法。

有益效果是：本发明通过标定好的侧向加速度与理想前后轮侧偏角差的对应关系，在侧向加速度一定的情况下，得出理想前后轮侧偏角差，然后根据力学平衡原理、稳态回转原理以及前、后侧向力与前、后侧偏角的关系，通过PID调节，使得当前的前后轮侧偏角差等于理想的前后轮侧偏角差，保证车辆在理想前后轮侧偏角差的情况下行驶，可以大大降低车辆的行驶风险，而且该方法适用各种工况，适用范围广。

进一步的，上述分布式驱动车辆及其转向控制方法与装置中，为了更加准确控制转向，所述侧向加速度与理想前后轮侧偏角差的对应关系包括高速模式的对应关系、低速模式的对应关系，车辆转向时，根据当前的车速选择相应的对应关系，当车速大于车速设定高值时，选择高速模式的对应关系，当车速小于车速设定低值，选择低速模式的对应关系。

进一步的，上述分布式驱动车辆及其转向控制方法与装置中，为了确保高速模式下车辆的安全，增加车辆的不足转向，当车速大于车速设定高值时，对与转向方向相反的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相反的第一额外纵向力，对与转向方向相同的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相同的第二额外纵向力；所述第一额外纵向力的大小等于第二额外纵向力大小。

进一步的，上述分布式驱动车辆及其转向控制方法与装置中，为了确保低速模式下车辆转弯的便捷性和从容性，减少车辆的不足转向，当车速小于车速设定低值时，对与转向方向相反的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相同的第三额外纵向力，对与转向方向相同的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相反的第四额外纵向力；所述第三额外纵向力的大小等于第四额外纵向力大小。

进一步的，上述分布式驱动车辆及其转向控制方法与装置中，为了使得应用更加广泛，所述侧向加速度与理想前后轮侧偏角差的对应关系还包括泊车模式的理想对应关系，当车速小于车速设定低值、方向盘转角大于等于第一转角设定值时，选择泊车模式的对应关系。

进一步的，上述分布式驱动车辆及其转向控制方法与装置中，为了确保泊车模式下车辆的灵活性，当车速小于车速设定低值、方向盘转角大于等于第一转角设定值时，对与转向方向相反的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相同的第五额外纵向力，对与转向方向相同的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相反的第六额外纵向力；所述第五额外纵向力的大小等于第六额外纵向力大小。

进一步的，上述分布式驱动车辆及其转向控制方法与装置中，在非特殊情况下，也就是当车速设定低值≤车速≤车速设定高值时，控制车辆为中性转向。

进一步的，上述分布式驱动车辆及其转向控制方法与装置中，为了提高车辆行驶的安全性，根据侧向加速度的大小判断车辆是否处于危险工况，当侧向加速度大于侧向加速度设定值时，车辆为危险工况，激活车身稳定控制系统。

附图说明

图1为本发明侧向加速度与前后轮侧偏角差的理想对应关系曲线图；

图2为本发明分布式驱动车辆的转向控制方法原理图；

图3为本发明分布式驱动车辆的转向控制方法流程图；

图4为本发明高速模式、车辆右转情况下，转向控制示意图；

图5为本发明低速模式、车辆右转情况下，转向控制示意图；

图6-1为本发明泊车模式、车辆右转、前进情况下，转向控制示意图；

图6-2为本发明泊车模式、车辆右转、倒车情况下，转向控制示意图；

图中：1为高速模式的对应关系、2为低速模式的对应关系、3为泊车模式的对应关系。

具体实施方式

分布式驱动车辆实施例：

本实施例提出的分布式驱动车辆，包括车辆本体，车辆信息采集模块以及分布式驱动车辆的转向控制装置，车辆信息采集模块以及分布式驱动车辆的转向控制装置设置在车辆本体内，并且车辆信息采集模块与分布式驱动车辆的转向控制装置连接。分布式驱动车辆的转向控制装置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器在执行计算机程序时，根据车辆信息采集模块所采集的信息实现分布式驱动车辆的转向控制方法。

车辆信息采集模块包括车轮侧向力采集模块，侧向加速度采集模块，车速采集模块，方向盘转角采集模块。车轮侧向力采集模块用于采集前轮侧偏力和后轮侧偏力，侧向加速度采集模块用于采集车辆当前的侧向加速度，车速采集模块用于采集车辆当前的车速，方向盘转角采集模块用于采集当前方向盘转角。

在实现分布式驱动车辆的转向控制方法之前，根据车辆的性能和经验标定出不同模式下侧向加速度与理想前后轮侧偏角差的对应关系，具体标定过程为：按照QC/T480-1990《车辆操纵稳定性指标限值与评价方法》所规定的方法进行稳态回转试验，通过调节扭矩改变车辆转向特性。标定时驾驶员通过控制车速，调整车辆侧向加速度大小，确定不同模式下不同加速度对应的车辆转向特性，得到侧向加速度与前后轮侧偏角差的理想对应关系曲线，如图1所示，对应关系包括高速模式的对应关系1、低速模式的对应关系2、泊车模式的对应关系3，在车辆为普通模式时，直接控制车辆中性转向即可。

本发明的主要构思在于，车辆转向时，通过车轮侧向力采集模块实时获取前轮侧偏力F_Y1、后轮侧偏力F_Y2，通过侧向加速度采集模块获取侧向加速度a_y，获取转向方向，转向方向通过方向盘转角采集模块采集方向盘转角D得出；根据当前的前轮侧偏力F_Y1、后轮侧偏力F_Y2得到当前的前轮侧偏角α₁、后轮侧偏角α₂，根据当前的前轮侧偏角α₁、后轮侧偏角α₂得到当前前后轮侧偏角差α₀＝α₁-α₂；根据当前的侧向加速度a_y以及标定好的侧向加速度与理想前后轮侧偏角差的对应关系，得到当前的侧向加速度a_y对应的理想前后轮侧偏角差α；根据转向方向，对后驱轴两侧车轮施加相反方向的额外纵向力，通过如图2所示的PID调节，使当前的前后轮侧偏角差α₀与对应的理想前后轮侧偏角差α相同。

PID调节中，每次调整额外纵向力周期为1毫秒，每次调节幅度计算如下：

其中ΔF_x每次调节纵向力(也即施加的额外纵向力)；k₁、k₂为前、后车轮侧偏刚度；a、b为前、后轮心距车辆质心纵向距离；Δα理想前后轮侧偏角差α与当前前后轮侧偏角差α₀的差值；B驱动轮轮距。

上述前轮侧偏力F_Y1、后轮侧偏力F_Y2与前轮侧偏角α₁、后轮侧偏角α₂的关系为：

其中，k₁为前轮侧偏刚度，k₂后轮侧偏刚度(侧偏刚度属于轮胎本身特性，不同侧向加速度下，取值不一样，工程应用是可以看做定值；该数值由轮胎厂家提供)。

图2中PID调节为，将α₀与α进行比较，得出α₀与α之比作为期望值，通过调整后驱轴两侧车轮的额外纵向力，使得α₀＝α。

通过额外纵向力调整前后轮侧偏角差α₀的原理在于：

将车辆看成一个整体，根据力学平衡方程，可得：F_Y1+F_Y2＝ma_y；

当车辆做稳态回转运动时，F_Y1a-F_Y2b+ΔF_xB＝0；

其中，m为车辆质量，a、b为前、后轮心距车辆质心纵向距离，B为驱动轮轮距；在加上前面所说的前、后侧偏力与前、后侧偏角的关系，可以看出前后轮侧偏角差α₀可以通过额外纵向力进行调节。

分布式驱动车辆的转向控制方法的具体实施过程如图3所示，车辆转向时，通过各采集模块获取相应的信息，具体获取过程已经介绍，这里不做过多赘述。

根据当前的车速选择对应的对应关系，当前车速v大于车速设定高值v_max(即v＞v_max,v_max一般取值80km/h)时，选择高速模式的对应关系1，在高速模式下，为了避免出现危险工况，还需判断侧向加速度a_y的大小，若侧向加速度a_y大于侧向加速度设定值a_ymax(a_ymax一般取值0.4g m*s^-2)时，车辆处于危险工况，此时要激活车身稳定控制系统ESC/ESP，保证车辆的安全，若侧向加速度a_y小于侧向加速度设定值a_ymax时，根据当前的侧向加速度a_y以及高速模式的对应关系1，得到当前的侧向加速度a_y对应的理想前后轮侧偏角差α，根据转向方向，对与转向方向相反的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相反的第一额外纵向力，对与转向方向相同的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相同的第二额外纵向力；第一额外纵向力的大小等于第二额外纵向力大小，通过PID调节，使α₀＝α。

具体如图4所示，当车辆向右转向时，对左后驱动轮施加与行驶方向相反的额外纵向力ΔF_x，对右后驱动轮施加与行驶方向相同的额外纵向力ΔF_x，反之，当车辆向左转向时，对左后驱动轮施加与行驶方向相同的额外纵向力ΔF_x，对右后驱动轮施加与行驶方向相反的额外纵向力ΔF_x，进行PID调节，最终调整至α₀＝α。

高速模式下，增加车辆不足转向特性，起到保护作用，当然，作为其他实施方式，在保证车辆安全的情况下，也可以不对危险工况进行判别。

若当前车速v小于车速设定低值v_min(即v＜v_min，v_min一般取值40km/h)时，选择低速模式的对应关系2(一般情况下，车速有最低车速0Km/h，因此还需判断当前车速v是否大于v_c，以保证车辆低速行驶，也即v_c＜v＜v_min，选择低速模式的对应关系2)，在低速模式下，为了避免出现危险工况，还需判断当前侧向加速度a_y的大小，若侧向加速度a_y大于侧向加速度设定值a_ymax时，车辆处于危险工况，此时要激活车身稳定控制系统ESC/ESP，保证车辆的安全，若侧向加速度a_y小于侧向加速度设定值a_ymax时，根据当前的侧向加速度a_y以及低速模式的对应关系2，得到当前的侧向加速度a_y对应的理想前后轮侧偏角差α，根据转向方向，对与转向方向相反的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相同的第三额外纵向力，对与转向方向相同的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相反的第四额外纵向力；第三额外纵向力的大小等于第四额外纵向力大小，通过PID调节，使α₀＝α。

具体如图5所示，当车辆向右转向时，对左后驱动轮施加与行驶方向相同的额外纵向力ΔF_x，对右后驱动轮施加与行驶方向相反的额外纵向力ΔF_x，反之，当车辆向左转向时，对左后驱动轮施加与行驶方向相反的额外纵向力ΔF_x，对右后驱动轮施加与行驶方向相同的额外纵向力ΔF_x，进行PID调节，最终调整至α₀＝α。

若当前车速v为低速，即v_c＜v＜v_min且方向盘转角D大于第一转角设定值D_max时，选择泊车模式的对应关系3(泊车模型下第一转角设定值定为200°)，根据当前的侧向加速度a_y以及泊车模式的对应关系3，得到当前的侧向加速度a_y对应的理想前后轮侧偏角差α，根据转向方向，对与转向方向相反的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相同的第五额外纵向力，对与转向方向相同的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相反的第六额外纵向力；第五额外纵向力的大小等于第六额外纵向力大小，通过PID调节，使α₀＝α。

具体如图6-1、6-2所示，泊车模式下，由于车辆会前进或者倒车，因此当车辆前进，向右转向时，对左后驱动轮施加向前的额外纵向力ΔF_x，对右后驱动轮施加向后的额外纵向力ΔF_x，反之，向左转向时，对左后驱动轮施加向后的额外纵向力ΔF_x，对右后驱动轮施加向前的额外纵向力ΔF_x，进行PID调节，最终调整至α₀＝α；当车辆倒车，向右转向时，对左后驱动轮施加向后的额外纵向力ΔF_x，对右后驱动轮施加向前的额外纵向力ΔF_x，反之，向左转向时，对左后驱动轮施加向前的额外纵向力ΔF_x，对右后驱动轮施加向后的额外纵向力ΔF_x，进行PID调节，最终调整至α₀＝α。

若车速设定低值≤当前车速v≤车速设定高值(即v_min≤v≤v_max)时，控制车辆为中性转向，此时车辆中性转向特性合适，驱动轴左、右车轮扭矩相同，不再产生附加横摆力矩。为了避免出现危险工况，还需判断侧向加速度a_y的大小，若侧向加速度a_y大于侧向加速度设定值a_ymax时(也即侧向加速度较大时)，车辆处于危险工况，此时要激活车身稳定控制系统ESC/ESP，防止车辆失控和侧翻，保证车辆的安全。

分布式驱动车辆的转向控制装置实施例：

本实施例提出的分布式驱动车辆的转向控制装置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器在执行计算机程序时实现分布式驱动车辆的转向控制方法。

具体分布式驱动车辆的转向控制方法的实施过程在上述分布式驱动车辆实施例中已经介绍，这里不做赘述。

分布式驱动车辆的转向控制方法实施例：

本实施例提出的分布式驱动车辆的转向控制方法，包括以下步骤：

根据转向方向，对后驱轴两侧车轮施加相反方向的额外纵向力，通过PID调节，使当前的前后轮侧偏角差与理想前后轮侧偏角差相同。

Claims

1.一种分布式驱动车辆的转向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的分布式驱动车辆的转向控制方法，其特征在于，所述侧向加速度与理想前后轮侧偏角差的对应关系包括高速模式的对应关系、低速模式的对应关系，车辆转向时，根据当前的车速选择相应的对应关系，当车速大于车速设定高值时，选择高速模式的对应关系，当车速小于车速设定低值，选择低速模式的对应关系。

3.根据权利要求2所述的分布式驱动车辆的转向控制方法，其特征在于，当车速大于车速设定高值时，对与转向方向相反的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相反的第一额外纵向力，对与转向方向相同的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相同的第二额外纵向力；所述第一额外纵向力的大小等于第二额外纵向力大小。

4.根据权利要求2所述的分布式驱动车辆的转向控制方法，其特征在于，当车速小于车速设定低值时，对与转向方向相反的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相同的第三额外纵向力，对与转向方向相同的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相反的第四额外纵向力；所述第三额外纵向力的大小等于第四额外纵向力大小。

5.根据权利要求1所述的分布式驱动车辆的转向控制方法，其特征在于，所述侧向加速度与理想前后轮侧偏角差的对应关系还包括泊车模式的理想对应关系，当车速小于车速设定低值、方向盘转角大于等于第一转角设定值时，选择泊车模式的对应关系。

6.根据权利要求5所述的分布式驱动车辆的转向控制方法，其特征在于，当车速小于车速设定低值、方向盘转角大于等于第一转角设定值时，对与转向方向相反的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相同的第五额外纵向力，对与转向方向相同的后驱动轴一侧的车轮施加与行驶方向相反的第六额外纵向力；所述第五额外纵向力的大小等于第六额外纵向力大小。

7.根据权利要求2所述的分布式驱动车辆的转向控制方法，其特征在于，当车速设定低值≤车速≤车速设定高值时，控制车辆为中性转向。

8.根据权利要求3或7所述的分布式驱动车辆的转向控制方法，其特征在于，根据侧向加速度的大小判断车辆是否处于危险工况，当侧向加速度大于侧向加速度设定值时，车辆为危险工况，激活车身稳定控制系统。

9.一种分布式驱动车辆的转向控制装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8中任一项所述的分布式驱动车辆的转向控制方法。

10.一种分布式驱动车辆，包括车辆本体、设置在车辆本体内的车辆信息采集模块以及分布式驱动车辆的转向控制装置，所述车辆信息采集模块与分布式驱动车辆的转向控制装置连接，所述车辆信息采集模块用于采集前轮侧偏力、后轮侧偏力和侧向加速度，其特征在于，所述分布式驱动车辆的转向控制装置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，根据车辆信息采集模块所采集的信息实现如权利要求1-8中任一项所述的分布式驱动车辆的转向控制方法。