CN113147736A - 基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法，包括以下步骤：构建二自由度前后轮同时转向的动力学模型；针对车辆的耦合关系，对二自由度前后轮同时转向的动力学模型进行耦合分析，结合车辆的力学特性，获取解耦的数学模型；构建汽车的车轮模型和轮胎模型，并结合解耦的数学模型求得前后车轮预计所需驱动力矩，建立独立轮系的驱动控制，实现车轮的独立控制；基于二自由度前后轮同时转向的动力学模型获取汽车系统模型的状态空间方程，并基于状态空间方程建立控制器实现电动车辆稳定性控制。本发明建立的控制架构中，车辆转向控制不同与传统的前后轮整体转向控制，是相对独立且相互联动的控制结构，实现车辆的转向稳定性控制。

Description

基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法

技术领域

本发明涉及车辆控制领域，具体涉及一种基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法。

背景技术

传统的车辆控制采用的控制结构和控制方法都提高了汽车行驶的稳定性，但在车辆模型控制上是以整车控制模型进行稳定性研究，缺乏对车辆尤其是电动轮汽车的独立控制模型的研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法，建立的控制架构中，车辆转向控制不同与传统的前后轮整体转向控制，是相对独立且相互联动的控制结构，实现车辆的转向稳定性控制。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法，包括以下步骤：

构建二自由度前后轮同时转向的动力学模型；

针对车辆的耦合关系，对二自由度前后轮同时转向的动力学模型进行耦合分析，结合车辆的力学特性，获取解耦的数学模型；

构建汽车的车轮模型和轮胎模型，并结合解耦的数学模型求得前后车轮预计所需驱动力矩，建立独立轮系的驱动控制，实现车轮的独立控制；

基于二自由度前后轮同时转向的动力学模型获取汽车系统模型的状态空间方程，并基于状态空间方程建立控制器实现电动车辆稳定性控制。

进一步的，所述构建二自由度前后轮同时转向的动力学模型，具体为：通过对车辆进行模型推导，构建二自由度汽车动力学模型，并在二自由度汽车动力学模型基础上加上后轮转向，建立二自由度前后轮同时转向的动力学模型。

进一步的，所述车辆线性二自由度的运动微分方程如下：

线性二自由度两轮转向车辆微分方程如下：

式中：m为整车质量；I_z为横摆转动惯量；a为质心到前轴的距离；b为质心到后轴的距离；u为车速；β为质心侧偏角；v为侧向速度；ω_r为横摆角速度；δ_f为前轮转角；δ_r为后轮转角；k_f为前轮的侧偏刚度，k_r为后轮的侧偏刚度。

进一步的，所述建立独立轮系的驱动控制，具体如下：

根据轮胎模型特点和车辆运动特性，选择使用魔术公式轮胎模型:

F_x＝Dsin(Carctan(BS-E(BS-arctan(BS))))

式中，此时的B为纵向力刚度因子；C为纵向力曲线形状因子；D为纵向力峰值因子；E为纵向力曲线的曲率因子；s为车轮的滑移率。此时，B、C、D、E的具体计算和取值如下式：

BCD＝(A₃F_z ²+A₄F_z)e^(-A5Fz)

C＝1.65

D＝(A₁F_z ²+A₂F_z ²)

E＝(A₆F_z ²+A₇F_z ²+A₈)

表轮胎模型纵向力拟合系数

	A<sub>1</sub>	A<sub>2</sub>	A<sub>3</sub>	A<sub>4</sub>	A<sub>5</sub>	A<sub>6</sub>	A<sub>7</sub>	A<sub>8</sub>
									F<sub>x</sub>	-21.3	1144	49.6	226	0.069	-0.006	0.056	0.048

将车辆模型分解为独立的轮系，针对车轮进行受力分析，并建立轮胎模型

由车轮的受力情况，可以得出以下关系式：

式中：I_w为车轮绕车轴的转动惯量；ω_i为车轮转速；T_di为车轮驱动转矩；F_xi为轮胎纵向力；R为轮胎半径；T_f为轮胎受到的滚动阻力矩；

将解耦数学模型、轮胎模型和车轮模型分析整理后，得到前后轮预计所需驱动力矩:

式中：T₁，T₂为前后轮驱动力矩。

进一步的，所述基于状态空间方程建立控制器实现电动车辆稳定性控制，具体为：以后轮转角与前轮转角成比例形成前轮转角前馈控制；基于横摆角速度反馈控制，以理想横摆角速度和实际横摆角速度的误差与误差率为控制变量，建立模糊PID控制器对后轮转角进行反馈控制，建立前轮前馈及后轮反馈综合控制模型作为分步并行控制系统的输入变量。

进一步的，所述基于状态空间方程建立控制器实现电动车辆稳定性控制，在一定的行驶工况下，汽车转向不能保证车辆的稳定性，则基于滑模控制策略建立滑膜控制器作为控制系统的补偿控制器，得到附加横摆力矩，并将补偿控制量分配给车轮，结合驱动控制系统和解耦的数学模型，建立基于独立轮系的分步并行控制结构对电动车操纵稳定性进行控制，具体如下：

(1)滑模面设计

滑模面方程为：

θ＝ζ(ω_rd-ω_r)+τ(β_d-β)

式中：ω_rd为理想横摆角速度；ω_r为实际横摆角速度；β_d为理想质心侧偏角；β为实际质心侧偏角；ζ、τ为调节参数；

(2)滑膜规律建立

采用等效控制联合监督控制的控制方法，等效控制采用等效控制函数U_rd，监督控制采用等速趋近律控制U_r

U＝U_rd+U_r

令

且U_rd＝ΔM，则

根据二自由度汽车动力模型，

v≈Vβ；u≈V；

得：

为了抑制滑模控制的抖振现象，监督控制U_r为：

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明整车视为各个轮系与车身的组合体，并建立了基于独立轮系的分步并行控制架构，根据参考模型推导建立解耦的动力学方程，并基于方程的质量的分配系数实现了力矩分配。所建立的控制架构中，车辆转向控制不同与传统的前后轮整体转向控制，是相对独立且相互联动的控制结构，实现车辆的转向稳定性控制。

附图说明

图1是本发明一实施例中线性二自由度模型；

图2是本发明一实施例中二自由度两轮转向车辆动力学模型；

图3是本发明一实施例中汽车模型的角度关系；

图4是本发明一实施例中车轮受力分析；

图5是本发明一实施例中模糊PID控制器结构；

图6是本发明一实施例中Mamdam型模糊推理；

图7是本发明一实施例中输入变量E、EC的隶属度函数；

图8是本发明一实施例中输入变量kp、ki、kd的隶属度函数；

图9是本发明一实施例中kp的输出曲面；

图10是本发明一实施例中ki的输出曲面；

图11是本发明一实施例中ki的输出曲面；

图12是本发明一实施例中质心侧偏角；

图13是本发明一实施例中横摆角速度；

图14是本发明一实施例中研究技术路线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法，包括以下步骤：

通过对车辆进行模型推导，建立二自由度汽车动力学模型作为基础模型。在此基础上加上后轮转向，建立二自由度前后轮同时转向的动力学模型；

参考图1和2，在本实施例中，线性二自由度的运动微分方程如下：

线性二自由度两轮转向车辆微分方程如下：

上述式中：m为整车质量；I_z为横摆转动惯量；a为质心到前轴的距离；b为质心到后轴的距离；u为车速；β为质心侧偏角；v为侧向速度；ω_r为横摆角速度；δ_f为前轮转角；δ_r为后轮转角；k_f为前轮的侧偏刚度，k_r为后轮的侧偏刚度，其值为负值。

针对车辆的耦合关系，对二自由度前后轮同时转向的动力学模型进行耦合分析，结合车辆的力学特性，获取解耦的数学模型；

参考图3汽车模型的角度关系，在本实施例中

纵向：

式中：F_x1，F_x2为汽车前后轮纵向力；a_x1，a_x2为整车坐标系下前后轮纵向加速度。

构建汽车的车轮模型和轮胎模型，并结合解耦的数学模型求得前后车轮预计所需驱动力矩，建立独立轮系的驱动控制，实现车轮的独立控制；

在本实施例中，根据轮胎模型特点和车辆运动特性，选择使用魔术公式轮胎模型。

F_x＝Dsin(Carctan(BS-E(BS-arctan(BS))))

将车辆模型分解为独立的轮系，针对车轮进行受力分析，并建立轮胎模型。

参考图4，

由车轮的受力情况，可以得出以下关系式：

式中：I_w为车轮绕车轴的转动惯量；ω_i为车轮转速；T_di为车轮驱动转矩；F_xi为轮胎纵向力；R为轮胎半径；T_f为轮胎受到的滚动阻力矩。

将解耦数学模型、轮胎模型和车轮模型分析整理后，得到前后轮预计所需驱动力矩。

基于二自由度前后轮同时转向的动力学模型获取汽车系统模型的状态空间方程，，以后轮转角与前轮转角成比例形成前轮转角前馈控制；基于横摆角速度反馈控制，以理想横摆角速度和实际横摆角速度的误差与误差率为控制变量，建立模糊PID控制器对后轮转角进行反馈控制，建立前轮前馈+后轮反馈综合控制模型作为分步并行控制系统的输入变量。

在转向过程中，汽车方向盘转动角度作为汽车转向的输入，转化成前轮转角，后轮与前轮同时转动，且后轮转角是以前轮转角的倍数进行转向控制，则以前轮转角的前馈控制作为后轮转向控制，δr＝kδf推导得到k：

设系统的状态变量X＝[βω]T，系统的输出变量为U＝[δfδr]T,状态方程表示如下：

其中：

建立如图5所示的模糊PID控制器对后轮转角进行反馈控制

选择实验法对系统参数Kp、Ki、Kd进行整定，以获取最佳的控制参数，通过比例、积分、微分后，多次进行试验确定最佳参数。此次选择Kp＝0.6，Ki＝0.1，Kd＝0.04。模糊PID控制器以理想和实际横摆角速度的误差E与误差率EC作为输入变量，以ΔKp、ΔKi、ΔKd作为输出变量。令输入输出参数的模糊量化集为{NL、NM、NS、ZE、PS、PM、PL}，对应{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。设置输入参数E、EC的模糊论域为[-6，6]。

选择三角函数作为输入隶属函数，选择三角函数作为输出的隶属函数。可得图7和图8

表1-3，为本实施例中的模糊规则

表1参数Kp模糊规则

表2参数Ki模糊规则

表3参数Kd模糊规则

优选的，在本实施例中，考虑到在某些行驶工况下，汽车转向不能保证车辆的稳定性，基于滑模控制策略建立滑膜控制器作为控制系统的补偿控制器，得到附加横摆力矩，并将补偿控制量分配给车轮。结合驱动控制系统和解耦的数学模型，建立基于独立轮系的分步并行控制结构对电动车操纵稳定性进行控制研究。

(1)滑模面设计

滑模面方程为：

θ＝ζ(ω_rd-ω_r)+τ(β_d-β)

式中：ω_rd为理想横摆角速度；ω_r为实际横摆角速度；β_d为理想质心侧偏角；β为实际质心侧偏角；ζ、τ为调节参数。

(2)滑膜规律建立

采用等效控制联合监督控制的控制方法，等效控制采用等效控制函数U_rd，监督控制采用等速趋近律控制U_r。

U＝U_rd+U_r

令

且U_rd＝ΔM，则

根据二自由度汽车动力模型，

v≈Vβ；u≈V；

得：

为了抑制滑模控制的抖振现象，监督控制U_r为：

实施例1：

在本实施例中，选取不同的运行工况，利用Carsim与Simulink联合仿真对所建立的控制系统进行仿真验证。通过与传统二自由度整车控制进行比较分析，验证了控制方法的有效性。

Carsim整车结构参数如表4所示，设置前轮转角阶跃信号为输入，仿真车速为25km/h和85km/h，仿真附着系数μ＝0.85的水平路面，验证独立轮系的控制系统的有效性。

表4整车参数

由图12所示，经过分步并行控制的整车质心侧偏角在短时间内的波动后就进入到稳定状态，随着车速的提高，质心侧偏角波动的幅值有一定的变化。当车速为25km/h时，质心侧偏角在前3s经过较大的波动后迅速恢复到稳定状态；当车速为85km/h时，质心侧偏角在前2s有剧烈的波动，并随后趋于平缓，并且当车速在25km/h时稳定状态下质心侧偏角相比于85km/h时的值更趋于稳定。相比于前轮转向汽车，整车质心侧偏角的偏转幅度有一定的降低，车辆的稳定性得到提高。由图13所示，整车横摆角速度在分步并行控制下1s后开始迅速升高，然后很快趋于稳定值，随着速度的升高，横摆角速度的幅值增长速度略慢一些。当车速为25km/h时，整车横摆角速度逐渐趋于稳定状态并接近理想横摆角速度，其稳定值略小于理想横摆角速度的值；当车速为85km/h时，整车横摆角速度经过2s的剧烈波动后逐渐开始上升，然后趋于稳定状态并接近理想横摆角速度，其稳定值小于理想横摆角速度的值，且幅值相比于25km/h时的值略小一些。相比于前轮转向汽车，分步并行控制结构的横摆角速度更加平稳，汽车稳态值接近理想状态。随着速度提高，汽车易处于失稳状态，控制系统在短时间内波动变大，但是迅速趋于稳定状态，所建立的分步并行控制结构能维持汽车转向过程的稳定性，并相比于前轮转向控制提高了车辆的稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建二自由度前后轮同时转向的动力学模型；

针对车辆的耦合关系，对二自由度前后轮同时转向的动力学模型进行耦合分析，结合车辆的力学特性，获取解耦的数学模型；

构建汽车的车轮模型和轮胎模型，并结合解耦的数学模型求得前后车轮预计所需驱动力矩，建立独立轮系的驱动控制，实现车轮的独立控制；

基于二自由度前后轮同时转向的动力学模型获取汽车系统模型的状态空间方程，并基于状态空间方程建立控制器实现电动车辆稳定性控制。

2.根据权利要求1所述的基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述构建二自由度前后轮同时转向的动力学模型，具体为：通过对车辆进行模型推导，构建二自由度汽车动力学模型，并在二自由度汽车动力学模型基础上加上后轮转向，建立二自由度前后轮同时转向的动力学模型。

3.根据权利要求2所述的基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述车辆线性二自由度的运动微分方程如下：

线性二自由度两轮转向车辆微分方程如下：

式中：m为整车质量；I_z为横摆转动惯量；a为质心到前轴的距离；b为质心到后轴的距离；u为车速；β为质心侧偏角；v为侧向速度；ω_r为横摆角速度；δ_f为前轮转角；δ_r为后轮转角；k_f为前轮的侧偏刚度，k_r为后轮的侧偏刚度。

4.根据权利要求1所述的基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述建立独立轮系的驱动控制，具体如下：

根据轮胎模型特点和车辆运动特性，选择使用魔术公式轮胎模型:

F_x＝Dsin(Carctan(BS-E(BS-arctan(BS))))

式中，此时的B为纵向力刚度因子；C为纵向力曲线形状因子；D为纵向力峰值因子；E为纵向力曲线的曲率因子；s为车轮的滑移率；此时，B、C、D、E的具体计算和取值如下式：

C＝1.65

D＝(A₁F_z ²+A₂F_z ²)

E＝(A₆F_z ²+A₇F_z ²+A₈)

将车辆模型分解为独立的轮系，针对车轮进行受力分析，并建立轮胎模型

由车轮的受力情况，可以得出以下关系式：

式中：I_w为车轮绕车轴的转动惯量；ω_i为车轮转速；T_di为车轮驱动转矩；F_xi为轮胎纵向力；R为轮胎半径；T_f为轮胎受到的滚动阻力矩；

将解耦数学模型、轮胎模型和车轮模型分析整理后，得到前后轮预计所需驱动力矩:

式中：T₁，T₂为前后轮驱动力矩。

5.根据权利要求1所述的基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述基于状态空间方程建立控制器实现电动车辆稳定性控制，具体为：以后轮转角与前轮转角成比例形成前轮转角前馈控制；基于横摆角速度反馈控制，以理想横摆角速度和实际横摆角速度的误差与误差率为控制变量，建立模糊PID控制器对后轮转角进行反馈控制，建立前轮前馈及后轮反馈综合控制模型作为分步并行控制系统的输入变量。

6.根据权利要求1所述的基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述基于状态空间方程建立控制器实现电动车辆稳定性控制，在一定的行驶工况下，汽车转向不能保证车辆的稳定性，则基于滑模控制策略建立滑膜控制器作为控制系统的补偿控制器，得到附加横摆力矩，并将补偿控制量分配给车轮，结合驱动控制系统和解耦的数学模型，建立基于独立轮系的分步并行控制结构对电动车操纵稳定性进行控制。

7.根据权利要求6所述的基于独立轮系的电动车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述基于独立轮系的分步并行控制结构对电动车操纵稳定性进行控制，具体如下：

(1)滑模面设计

滑模面方程为：

θ＝ζ(ω_rd-ω_r)+τ(β_d-β)

式中：ω_rd为理想横摆角速度；ω_r为实际横摆角速度；β_d为理想质心侧偏角；β为实际质心侧偏角；ζ、τ为调节参数；

(2)滑膜规律建立

采用等效控制联合监督控制的控制方法，等效控制采用等效控制函数U_rd，监督控制采用等速趋近律控制U_r

U＝U_rd+U_r

令

且U_rd＝ΔM，则

根据二自由度汽车动力模型，

v≈Vβ；u≈V；

得：

为了抑制滑模控制的抖振现象，监督控制U_r为：

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