CN113370798B - 一种轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法、设备及存储介质，方法包括：获取当前车辆的实时横向载荷转移率，根据若干个周期的实时横向载荷转移率及其变化率以及预设的横向载荷转移率阈值，判断当前车辆的侧翻状态；基于所述当前车辆的侧翻状态，采用变论域模糊自适应P I D控制器计算当前车辆所需的附加横摆力矩；根据所述附加横摆力矩，基于预设的最优车轮选取律，计算出车辆的四个车轮的目标差扭力矩；将四个车轮的目标差扭力矩转化为实际力矩，将实际力矩输入整车模型中，以使车辆根据各个车轮的实际力矩动作。本发明解决了现有技术中基于差扭控制的车辆防侧翻稳定性不高的技术问题。

Description

一种轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法及设备
技术领域
本发明涉及车辆安全技术领域，具体涉及一种轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法、设备及存储介质。
背景技术
随着新能源车辆技术不断深入，电驱动形式呈现多样化趋势，逐渐由单一动力源的集中式驱动系统向多动力源的分布式驱动系统发展。其中，轮毂电机驱动技术是分布式驱动架构的一条技术路线。在结构集成方面，轮毂电机车辆将动力源、减速装置、制动装置集成在轮毂内，形成集动力、传动、制动于一体的动力构型。其具有传动链短、结构紧凑等优点，在空间布置、响应速度等方面都有着不可比拟的优势。在动力学控制方面，集成化动力模式具有驱/制动模式切换自如、控制参数准确可调等优点。通过精确控制轮毂电机的转速/转矩，可以实现车辆驱动、制动、差速等功能。
当车辆处于中高附着路面进行快速转向操作时，车辆的侧倾程度加剧，导致四轮垂向载荷转移，四轮-地面附着力饱和约束不一，车辆发生侧倾、侧滑的风险进一步增加。当路面情况和驾驶员操作未能明显改善时，尤其是当路面附着系数不足以支撑车辆的极限操作，车辆的侧倾程度不断深入，直至诱发突然性、剧烈性的侧翻状况。车辆侧翻一旦发生，对生命财产安全的冲击难以估量。在此情况下，借助车辆自有的四轮动力系统主动介入到车辆的侧倾运动中，从而增强车辆的防侧翻稳定性，具有重要研究价值。
为充分发挥轮毂电机四轮独立可控的特点，可基于差扭控制对车辆进行防侧翻稳定性控制，差扭控制是通过四轮力矩分配产生附加横摆力矩，实现车辆转向运动控制的技术手段。差扭控制防侧翻是通过适当增加车辆不足转向特性，以此减少左右轮垂直载荷差异，防止车轮抬起、避免诱发车辆侧翻。目前基于差扭控制的车辆防侧翻稳定性研究主要有以下问题及难点：
1.对于侧翻评价指标LTR(横向载荷转移率)，现有的研究中，LTR一般采用固定阈值，即超过这个阈值则判定车辆侧翻，否则不侧翻。由于车辆作为强非线性系统，在不同工况下车辆特性出现差异，定阈值的LTR难以较为准确涵盖复杂工况。
2.差扭防侧翻控制器主要在危险侧倾工况下发挥作用，此时车辆强非线性特征明显、危险系数大，亟待通过主动控制快速介入。因此，从算法需求看，需要计算负担小、求解可靠，能够快速解算控制参数，充分结合轮毂电机车辆动力系统的优势，发挥最大的控制效能。
3.对于差扭控制来说，不同车轮的驱制动模式以及各车轮的转矩分配对整车的横摆运动有很大影响，因此，合理的驱制动车轮选取规则和四轮转矩分配是保证差扭控制防侧翻效果的关键环节。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法、设备及存储介质，解决现有技术中基于差扭控制的车辆防侧翻稳定性不高的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法，包括如下步骤：
获取当前车辆的实时横向载荷转移率，根据若干个周期的实时横向载荷转移率及其变化率以及预设的横向载荷转移率阈值，判断当前车辆的侧翻状态；
基于所述当前车辆的侧翻状态，采用变论域模糊自适应PID控制器计算当前车辆所需的附加横摆力矩；
根据所述附加横摆力矩，基于预设的最优车轮选取律，计算出车辆的四个车轮的目标力矩；
将四个车轮的目标力矩转化为实际力矩，将实际力矩输入整车模型中，以使车辆根据各个车轮的实际力矩动作。
优选的，所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中，所述获取当前车辆的实时横向载荷转移率，根据若干个周期的实时横向载荷转移率及其变化率以及预设的横向载荷转移率阈值，判断当前车辆的侧翻状态具体包括：
根据当前车辆的行驶参数，计算出当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率；
比较当前车辆的实时横向载荷转移率的绝对值以及预设的横向载荷转移率阈值；
在当前车辆的实时横向载荷转移率的绝对值超过所述预设的横向载荷转移率阈值时，确定Tpre个计算周期中，横向载荷转移率的变化率曲线为增长趋势的计算周期的数量；
当横向载荷转移率的变化率曲线为增长趋势的计算周期的数量达到预设数量时，判定当前车辆具有侧翻趋势，否则判定当前车辆不具有侧翻趋势。
优选的，所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中，所述当前车辆的实时横向载荷转移率的计算公式为：
Figure BDA0003087237890000041
其中，ms为车辆的质量，ay为侧向加速度；hg为质心高度；
Figure BDA0003087237890000042
为车身侧倾角；tw为轮距。
优选的，所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中，所述变论域模糊自适应PID控制器以当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率为输入，以附加横摆力矩为输出，所述变论域模糊自适应PID控制器包括伸缩因子决策器、模糊控制器以及PID控制器，所述基于所述当前车辆的侧翻状态，采用变论域模糊自适应PID控制器计算当前车辆所需的附加横摆力矩的步骤具体包括:
当所述当前车辆具有侧翻趋势时，将当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率输入至伸缩因子决策器中，计算出输入变量和输出变量的伸缩因子；
将当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率输入至模糊控制器中，并基于所述输入变量和输出变量的伸缩因子，计算出PID控制器的参数的实时调整量；
基于所述PID控制器的参数的实时调整量，计算出当前车辆所需的附加横摆力矩。
优选的，所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中，所述根据所述附加横摆力矩，基于预设的最优车轮选取律，计算出车辆的四个车轮的目标力矩具体包括：
基于预设的最优车轮选取律确定四轮的运行模式以及优先级，其中，所述运行模式包括驱动模式和制动模式；
基于确定的四轮的运行模式、优先级以及所述附加横摆力矩，计算出四轮的目标力矩。
优选的，所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中，四轮的目标力矩的约束公式为：
Figure BDA0003087237890000051
左前轮的垂向载荷为：
Figure BDA0003087237890000052
右前轮的垂向载荷为：
Figure BDA0003087237890000053
左后轮的垂向载荷为：
Figure BDA0003087237890000054
右后轮的垂向载荷为：
Figure BDA0003087237890000055
其中，εi为附着力安全系数；μ为地面附着系数；i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、右后车轮；Tmdi、Tmbi分别为实时转速下电机最大驱动、制动力矩；THyi为液压制动力矩；Fzi为各轮垂向载荷；ms为车辆的质量；h为质心高；lf、lr分别为质心到前、后轴中心线的距离；tw为轮距；ax，ay分别为纵向和横向的加速度。
优选的，所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中，附着力安全系数的计算公式为：
Figure BDA0003087237890000061
其中，ay,t为实时的横向加速度；ayth为横向加速度门限值；λ、b均为系数，由标定得到；k＝1,2,3,4分别代表外前轮、内前轮、外后轮、内后轮。
优选的，所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中，所述目标差扭力矩和实际力矩的转化关系为：
Figure BDA0003087237890000062
其中，T0表示实际力矩，T表示目标力矩，ξ为电机内部参数，s表示时间。
第二方面，本发明还提供一种轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制设备，包括：处理器和存储器；
所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中的步骤。
第三方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明提供的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法、设备及存储介质，通过检测若干周期的LTR及其变化率，设计了基于LTR速率预测的控制阈值优化方法，将常规的定阈值LTR改进为动态LTR。针对控制输入存在过大或过小导致模糊论域不能充分利用的问题，本发明通过变论域模糊PID决策广义附加横摆力矩。考虑四轮转矩对车辆横摆力矩的影响程度不同，本发明基于最优车轮选取律设计了四轮转矩链式分配算法。在控制执行层，考虑到机电响应不一致的问题，本发明设计了机电协调控制方法，将目标力矩转化为实际作动器力矩。最后通过仿真验证表明，该控制算法在侧倾稳定性、横摆稳定性、车身侧倾姿态控制等方面均明显改善，尤其提升了车辆抗侧翻能力。
附图说明
图1是本发明轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法的一较佳实施例的流程图；
图2是本发明轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法的架构图；
图3是本发明车辆侧倾运动模型示意图；
图4是本发明基于LTR速率预测的控制区间决策方法流程图；
图5是本发明为变论域模糊PID控制框图；
图6是论域伸缩示意图；
图7是驶入输出的隶属度示意图；
图8是PID控制闭环框图；
图9是四轮力矩链式分配流程图；
图10是执行层控制策略图；
图11是鱼钩工况仿真实验的方向盘转角及角速度；
图12a是鱼钩工况侧向加速度的仿真示意图；
图12b是鱼钩工况LTR的仿真示意图；
图12c是鱼钩工况行驶轨迹的仿真示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明实施例提供的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法，包括如下步骤：
S100、获取当前车辆的实时横向载荷转移率，根据若干个周期的实时横向载荷转移率及其变化率以及预设的横向载荷转移率阈值，判断当前车辆的侧翻状态。
本实施例中，如图2所示，通过当前车辆状态判定侧倾失稳程度，以LTR(横向载荷转移率)为侧翻指标，区别于定LTR阈值方法，本发明设计了基于LTR速率预测的控制阈值优化方法，在一般LTR阈值的基础上，引入接近极限值的LTR预警值。在实时LTR超过预警值后，根据若干周期的LTR及其变化率，判定LTR超越阈值的可能性，从而预测车辆当前的侧翻状态，使防侧翻控制及时介入。具体的，所述步骤S100具体包括：
根据当前车辆的行驶参数，计算出当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率；
比较当前车辆的实时横向载荷转移率的绝对值以及预设的横向载荷转移率阈值；
在当前车辆的实时横向载荷转移率的绝对值超过所述预设的横向载荷转移率阈值时，确定Tpre个计算周期中，横向载荷转移率的变化率曲线为增长趋势的计算周期的数量；
当横向载荷转移率的变化率曲线为增长趋势的计算周期的数量达到预设数量时，判定当前车辆具有侧翻趋势，否则判定当前车辆不具有侧翻趋势。
具体来说，本发明当侧翻倾向可能性较大时，将当前的LTR作为控制器输入值，而不是将LTR阈值作为控制器输入，即引入了动态LTR。为了避免LTR在所判定的动态LTR附近震荡导致控制频繁介入退出的情况，一旦触发动态LTR，控制器当且仅当LTR控制至预警界限以下后才停止控制输出。
需要说明的是LTR是可正可负的实数，为了便于比较计算，引入了绝对值对比。此外，|LTRwarn|≤LTR控制起点≤|LTRthres|，即预警阈值|LTRwarn|低于侧翻阈值|LTRthres|。预警是在不触发侧翻危险阈值LTRthres的前提下进行的预测性判定。在具体判定时，当前车辆的实时横向载荷转移率，如图3和图4所示，根据图3车辆侧倾动力学模型，根据力矩平衡有：
Figure BDA0003087237890000091
左右侧车轮垂直载荷之差为：
Figure BDA0003087237890000092
左右侧垂直载荷之和为：
Fzr+Fzl＝mg，
因此，当前车辆的实时横向载荷转移率的计算公式为：
Figure BDA0003087237890000093
式中，Fzl，Fzr分别为左侧、右侧车轮垂直载荷；ay为侧向加速度；hg为质心高度；
Figure BDA0003087237890000101
为车身侧倾角；tw为轮距。
Figure BDA0003087237890000102
LTR∈[-a,a](a为正实数)。
因此，横向载荷转移率的变化率即为d(LTRt)/dt，通过横向载荷转移率的变化率计算公式，即可获取Tpre个计算周期内的横向载荷转移率的变化率曲线。
进一步的，当得到了当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率后，引入绝对值对比，比较|LTRt|和引入的预警阈值|LTRwarn|。当超出预警阈值时，依据Tpre个计算周期的LTR变化率，判定LTR曲线是否继续朝着危险阈值发展。一旦LTR变化率趋于增加时，计数器置1。通过比较累加器
Figure BDA0003087237890000103
和标定数值Countthres，当累加器超过标定值，则将控制标志位WarnFlag置1，否则置0。这意味着在Tpre个周期，LTR曲线增加趋势更明显。说明|LTR|超越危险阈值|LTRthres|的概率更大，车辆发生侧翻的可能性增加。此时需要提前介入控制，而不是超过LTRthres才介入控制。当控制标志位WarnFlag置1，说明车辆有侧翻趋势，启动防侧翻控制器，此时的LTRt为控制起点。通过检测控制介入后每个时刻LTR数值是否在危险阈值LTRthres内，判断此时的控制效果和车辆状态是否稳定。
此外，为了防止实时LTR在控制起点附近震荡导致控制频繁介入退出，本发明实施例还设置了安全常量ΔS，当实时|LTR|处于稳定阈值||LTR_t|-ΔS|内，车辆行驶稳定，防侧翻控制可以退出。
在一个优选的实施例中，计算周期Tpre＝5、预警阈值LTRwarn＝0.75、LTRthres＝±0.8、累加阈值Countthres＝4、安全常量ΔS＝0.2。通过提前预测车辆侧倾变化状态并介入控制，可以在一定程度上改善防侧翻稳定性。当然，在其他的实施例中，各个参数还可根据实际情况自由设定，本发明对此不做限定。
S200、基于所述当前车辆的侧翻状态，采用变论域模糊自适应PID控制器计算当前车辆所需的附加横摆力矩。
具体的，所述变论域模糊自适应PID控制器以当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率为输入，以附加横摆力矩为输出，所述变论域模糊自适应PID控制器包括伸缩因子决策器、模糊控制器以及PID控制器，所述步骤S200具体包括：
当所述当前车辆具有侧翻趋势时，将当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率输入至伸缩因子决策器中，计算出输入变量和输出变量的伸缩因子；
将当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率输入至模糊控制器中，并基于所述输入变量和输出变量的伸缩因子，计算出PID控制器的参数的实时调整量；
基于所述PID控制器的参数的实时调整量，计算出当前车辆所需的附加横摆力矩。
具体来说，请参阅图5和图6，伸缩因子决策器以LTR误差e及误差变化率ec为输入，计算输入输出变量的决策因子。模糊控制器以LTR误差e及误差变化率ec为输入，调整规则，输出PID控制器三个参数的实时调整量ΔKP、ΔKI、ΔKD。PID控制器以模糊控制决策的ΔKP、ΔKI、ΔKD调整量，如下式，整合成优化后的KP、KI、KD。
Figure BDA0003087237890000121
式中，Kp0、KI0、KD0为PID控制器的初始值。
具体地，所述论域伸缩因子计算：
如图6论域伸缩示意图所示，该论域随着误差e及其变化率ec的变化而变化，采用伸缩因子后的论域为：
Figure BDA0003087237890000122
式中∶Ei、U分别为初始输入、输出论域；Xi、Y分别为变论域后的输入、输出论域；αi和β分别为输入和输出变量的伸缩因子。
模糊控制器的输入输出变量模糊论域和实际论域关系为：
Figure BDA0003087237890000123
式中，Ke、Kec分别为输入LTR误差e及误差变化率ec的量化因子；Ku为输出u的比例因子。变论域方法未改变模糊控制器的结构，通过调整量化因子Ke、Kec和比例因子Ku适应输入变化，可实现性好。
采用特殊函数计算伸缩因子，输入变量的论域伸缩因子为：
Figure BDA0003087237890000124
式中，λ1∈(0,1)、λ2∈(0,1)主要受制于系统的准确性需求；k决定了控制系统的灵敏性,k越大，系统响应越快。根据经验和多次试验，选取伸缩因子为α(e)＝1-0.5exp(-0.5e2)、α(ec)＝1-0.5exp(-0.5ec2)。
输出论域伸缩因子的函数为：
Figure BDA0003087237890000131
式中，TI为比例常数；β(0)为输出论域伸缩因子的初值；Pi为输入变量权重常数向量，Pi＝[P1P2L Pn]；ei(τ)为误差矢量。
该函数标定原则为：误差e增大时，Kp、Kd的伸缩因子应适当增大，Ki的伸缩因子适当减小。本发明设计βP＝2|e|、βI＝1/(|e|+0.7)。
具体地，所述模糊控制器的设计：
模糊控制采用双输入双输出结构，输入为LTR误差e及误差变化率ec，输出为PID控制器参数的实时调整量ΔKp、ΔKI。误差e的基本论域为[-1.5,1.5]；误差变化率ec基本论域为[-60,60]；ΔKp、ΔKI的基本论域分别为[-180,180]、[-30,30]。输入输出论域都取为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0，1,2,3,4,5,6}，定义模糊子集为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，分属于模糊集合{负大，负中，负小，零，正大，正中，正大}。由公式可得量化因子为Ke＝4，Kec＝0.1。比例因子为Kukp＝30，Kuki＝5。
选取隶属度函数及设置，在不影响控制效果的前提下，为便于计算，输入输出选用相同的隶属度函数,如图7所示：
基于前文输入偏差以及偏差变化率与PID参数之间的映射关系，确定模糊调参规则如下：
当偏差|e|较大时，为了使控制量快速跟随理想值，应适当增大KP，减小KI，同时限制KD；
②当|e|和|ec|的值为中等大小时，为兼顾系统响应速度、系统超调量和稳定性，应适当减小KI，并取适中的KP、KD；
当|e|较小时，为保证系统具有良好的稳态性能，可适当减小KP，增大KI、KD。
下表为ΔKp的模糊规则表：
Figure BDA0003087237890000141
下表为ΔKi的模糊规则表：
Figure BDA0003087237890000142
应用重心法去模糊化，根据模糊控制输出的ΔKp、ΔKI，依据上述式子对PID在线整定调参。
进一步的，所述PID控制器设计具体为：
PID算法的控制过程描述成数学表达式为：
Figure BDA0003087237890000143
式中，Kp为比例常数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数，e(t)为期望控制状态与实际值之间的偏差。
考虑实际工程中的高频噪声干扰易导致微分控制震荡甚至发散，因此工程中的PID往往退化为PI控制器。故选用PI控制器，即去掉微分项。采用变论域模糊自适应算法实时在线决策PID参数调整量，其参数初始值KP0、KI0采用试凑法进行整定。采用鱼钩工况为试验工况，初始车速为60km/h。经不断试凑调参，PID控制器的初始值为KP0＝1450、KI0＝90。
S300、根据所述附加横摆力矩，基于预设的最优车轮选取律，计算出车辆的四个车轮的目标力矩。
具体的，所述步骤S300具体包括：
基于预设的最优车轮选取律确定四轮的运行模式以及优先级，其中，所述运行模式包括驱动模式和制动模式；
基于确定的四轮的运行模式、优先级以及所述附加横摆力矩，计算出四轮的目标力矩。
具体的，本发明通过分析差扭控制对侧翻运动的影响机理，采用一侧车轮制动、一侧车轮驱动的方式进行差扭防侧翻控制。下表为设计的最优车轮选取律。
Figure BDA0003087237890000151
表中，FL、FR、RL、RR分别代表左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；1,2,3,4表示车轮控制优先级，1代表最高优先级；符号“+”表示驱动；“-”表示制动。
根据制定的最优车轮选取律，确定了在不同侧倾工况下四轮的驱/制动模式。在此基础上，配合实施四轮转矩分配策略，提升优势车轮的作用权重，可以进一步增强侧倾抑制效果。
此外，本发明考虑不同车轮对横摆运动的影响能力存在差异，设计了四轮转矩链式分配算法。将目标附加横摆力矩分解为四轮力矩，优先分配对侧倾抑制效果最优的前轴车轮，其次将力矩分配为效果次优的后轴车轮。
如图9所示，四轮差扭力矩链式分配流程如下：
一、依据传感信息采集、滤波处理侧向加速度、方向盘转角等信息，利用最优车轮选取律和附加横摆力矩。在此基础上，依据最优车轮选取律来确定四轮的驱/制动模式和优先级；
二、依次判定外前轮制动能力、内前轮驱动能力、外后轮制动能力、内后轮驱动能力的叠加是否满足目标附加横摆力矩需求。
需要说明的是，图9中，ΔMZ为PID决策的附加横摆力矩，Bf为前轴轴距，Br为后轴轴距,ir为行星减速器减速比，R为车轮滚动半径，电动轮驱制动力极值Fisat为：
Figure BDA0003087237890000161
左前轮的垂向载荷为：
Figure BDA0003087237890000162
右前轮的垂向载荷为：
Figure BDA0003087237890000163
左后轮的垂向载荷为：
Figure BDA0003087237890000164
右后轮的垂向载荷为：
Figure BDA0003087237890000171
其中，εi为附着力安全系数；μ为地面附着系数；i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、右后车轮；Tmdi、Tmbi分别为实时转速下电机最大驱动、制动力矩；THyi为液压制动力矩；Fzi为各轮垂向载荷；ms为车辆的质量；h为质心高；lf、lr分别为质心到前、后轴中心线的距离；tw为轮距；ax，ay分别为纵向和横向的加速度。
进一步地，对于该式中的附着力安全系数εi，由于路面激励、悬架系统等非线性因素影响，难以准确获知四轮垂向力，因此，在四轮力矩链式分配算法中，本发明针对四轮垂向力估计不够精确问题，设计了附着力安全系数εi：
Figure BDA0003087237890000172
式中，ay,t为实时的横向加速度；ayth为横向加速度门限值；λ、b均为系数，由标定得到；k＝1,2,3,4分别代表外前轮、内前轮、外后轮、内后轮。
由上式可知，本发明设计的动态安全系数与横向加速度关联。对于同侧车轮，车辆侧倾时，悬架压缩一侧的车轮垂向力增加，同时该侧车轮为制动模式，路面能够提供的附着力极限值迅速增加，可通过提升该侧车轮垂向力利用率获得更大的附加横摆力矩。对于受悬架拉伸一侧的车轮垂向力减小，驱动产生附加横摆力矩的能力有所下降。为避免垂向力减小导致车轮滑转，该侧设置了较小的安全系数。对于前后车轮力矩分配，同侧前轮利用系数εi大于后轮，即后轮保留了更大的路面附着裕度，防止后轮抱死引起侧滑甩尾等危险状况。
S400、将四个车轮的目标力矩转化为实际力矩，将实际力矩输入整车模型中，以使车辆根据各个车轮的实际力矩动作。
具体的，所述目标差扭力矩和实际力矩的转化关系为：
Figure BDA0003087237890000181
其中，T0表示实际力矩，T表示目标差扭力矩，ξ为电机内部参数，s表示时间。
具体的，如图10所示，本发明采用轮毂电机与液压制动系统作为控制执行器，通过电机驱/制动与液压制动协调控制方式跟踪四轮目标转矩。显然，结构、动作原理相差甚远的两个系统同时工作时，必然存在系统冲突问题。从整车层面考虑，车辆系统注重子系统的响应性能、执行能力，也需要子系统相互适配，从而发挥更大的效力。如若不能合理协调二者，将威胁整车控制效果，甚至发生控制失调、车辆失稳等危险。仅采用一套系统单独工作模式，将限制轮毂电机车辆四轮扭矩分配对稳定性控制的能力；采用两套系统工作时，则需要有效协调二者，方能充分挖掘系统潜力。
在车轮转矩分配上实行电机扭矩优先分配、液压系统补偿的执行方式。
具体地，当电机扭矩满足需求时，采取轮毂电机系统单独工作模式；当轮毂电机系统电制动不满足制动力矩需求时，采取机电系统协调工作模式。在此模式下，对电机系统响应模型实施时间同步处理，使两套系统的响应特性逼近，从而在一个控制周期内能够有效地联合控制两个子系统。
借助制动工况实车试验标定模型中的参数，用一个带延时的惯性环节来描述液压系统的响应特性：
Figure BDA0003087237890000191
式中，TBout为液压系统实际输出力矩；TBdes为液压系统期望输出的制动力矩；τd为输出延迟时间常数；τh为液压系统的时间常数。
进一步地，电制动相较于液压制动，其响应速度更快，为使电机系统与液压系统的响应速度接近一致，对电机系统响应特性进行力矩响应时间同步处理方式。
通过对电制动施加延迟响应环节，以此构建机电动态同步响应系统，将两个独立、响应性能差异的系统转化为一个系统。则机电协调模式下的电机系统响应模型为：
Figure BDA0003087237890000192
式中，Tmout为电机系统实际输出力矩；Tmdes为电机系统期望输出的力矩；ξ为电机内部参数；τm为电机系统力矩输出延迟时间常数。
在具体实施时，本发明一较佳实施例借助CarSim和Matlab/Simulink软件搭建了联合仿真平台。平台搭建步骤分为两步：
(1)按照CarSim和Matlab/Simulink软件角色定义分别搭建基于功能定义的子系统。面向CarSim软件：在CarSim中通过参数化设置和自定义方式设置车辆参数及仿真工况；隔离CarSim自带燃油车辆模型库，用外置建模方式取代原有模块；以CarSim内置车辆动力学参数、轮胎模型、传感器模型信息作为仿真评价参数。面向Matlab/Simulink软件：搭建本文所设计的控制策略；搭建基于台架试验的轮毂电机模型；构建基于实车试验的液压制动系统模型。
(2)基于CarSim丰富的对外信息交互接口，联合CarSim与Simulink进行‘人-车-路’闭环系统仿真验证。
本发明中，整车参数如下表所示：
Figure BDA0003087237890000201
轮毂电机总成参数如下表所示：
Figure BDA0003087237890000202
进一步地，进行鱼钩工况仿真实验，鱼钩工况是车辆侧翻工况中最复杂恶劣的工况，能够充分检验车辆的抗侧倾性能。设置初始试验车速为80km/h，路面附着系数为0.9，驾驶员输入的方向盘转角如图11所示。由图可知，驾驶员输入的方向盘转角峰值为270°，转角速度峰值为720°/s。可见所设置工况对所述的重型越野车是较为苛刻的，能够充分检验本发明提供的防侧翻控制器性能。图12为鱼钩工况各参数的仿真结果图。
从图12a、图12b可以看出，无主动控制的LTR大幅度超出了危险界限，侧向加速度无法跟随转向操纵，失去了路径跟踪能力，车辆处于极度侧倾、侧滑的危险中，应极力避免。与之相对的，采用差扭控制的方式能较好地提升车辆的抗侧倾性能，尤其是防侧翻控制的LTR被控制在-0.8～0.78，相比无控制时LTR明显收窄，取得了良好的防侧翻效果。
控制效果最直观体现在行驶轨迹图12c上，无主动控制时车辆侧滑严重，失去了对转向操纵和路径的跟踪能力，而在差扭防侧翻控制作用下，由于车辆趋于不足转向，其转向半径会略大于鱼钩工况的转弯半径，但总体还能保持较好的路径跟踪能力。
基于上述轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法，本发明还相应的提供一种轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制设备，包括：处理器和存储器；
所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上述各实施例所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中的步骤。
由于上文已对轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法进行详细描述，在此不再赘述。
基于上述轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法，本发明还相应的提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述各实施例所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中的步骤。
由于上文已对轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法进行详细描述，在此不再赘述。
综上所述，本发明提供的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法、设备及存储介质，通过检测若干周期的LTR及其变化率，设计了基于LTR速率预测的控制阈值优化方法，将常规的定阈值LTR改进为动态LTR。针对控制输入存在过大或过小导致模糊论域不能充分利用的问题，本发明通过变论域模糊PID决策广义附加横摆力矩。考虑四轮转矩对车辆横摆力矩的影响程度不同，本发明基于最优车轮选取律设计了四轮转矩链式分配算法。在控制执行层，考虑到机电响应不一致的问题，本发明设计了机电协调控制方法，将目标力矩转化为实际作动器力矩。最后通过仿真验证表明，该控制算法在侧倾稳定性、横摆稳定性、车身侧倾姿态控制等方面均明显改善，尤其提升了车辆抗侧翻能力。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取当前车辆的实时横向载荷转移率，根据若干个周期的实时横向载荷转移率及其变化率以及预设的横向载荷转移率阈值，判断当前车辆的侧翻状态；
基于所述当前车辆的侧翻状态，采用变论域模糊自适应PID控制器计算当前车辆所需的附加横摆力矩；
根据所述附加横摆力矩，基于预设的最优车轮选取律，计算出车辆的四个车轮的目标力矩；
将四个车轮的目标力矩转化为实际力矩，将实际力矩输入整车模型中，以使车辆根据各个车轮的实际力矩动作；
所述获取当前车辆的实时横向载荷转移率，根据若干个周期的实时横向载荷转移率及其变化率以及预设的横向载荷转移率阈值，判断当前车辆的侧翻状态具体包括：
根据当前车辆的行驶参数，计算出当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率；
比较当前车辆的实时横向载荷转移率的绝对值以及预设的横向载荷转移率阈值；
在当前车辆的实时横向载荷转移率的绝对值超过所述预设的横向载荷转移率阈值时，确定Tpre个计算周期中，横向载荷转移率的变化率曲线为增长趋势的计算周期的数量；
当横向载荷转移率的变化率曲线为增长趋势的计算周期的数量达到预设数量时，判定当前车辆具有侧翻趋势，否则判定当前车辆不具有侧翻趋势。
2.根据权利要求1所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法，其特征在于，所述当前车辆的实时横向载荷转移率的计算公式为：
Figure FDA0003749062840000021
其中，ms为车辆的质量，ay为侧向加速度；hg为质心高度；
Figure FDA0003749062840000022
为车身侧倾角；tw为轮距。
3.根据权利要求2所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法，其特征在于，所述变论域模糊自适应PID控制器以当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率为输入，以附加横摆力矩为输出，所述变论域模糊自适应PID控制器包括伸缩因子决策器、模糊控制器以及PID控制器，所述基于所述当前车辆的侧翻状态，采用变论域模糊自适应PID控制器计算当前车辆所需的附加横摆力矩的步骤具体包括:
当所述当前车辆具有侧翻趋势时，将当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率输入至伸缩因子决策器中，计算出输入变量和输出变量的伸缩因子；
将当前车辆的实时横向载荷转移率以及横向载荷转移率的变化率输入至模糊控制器中，并基于所述输入变量和输出变量的伸缩因子，计算出PID控制器的参数的实时调整量；
基于所述PID控制器的参数的实时调整量，计算出当前车辆所需的附加横摆力矩。
4.根据权利要求3所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法，其特征在于，所述根据所述附加横摆力矩，基于预设的最优车轮选取律，计算出车辆的四个车轮的目标力矩具体包括：
基于预设的最优车轮选取律确定四轮的运行模式以及优先级，其中，所述运行模式包括驱动模式和制动模式；
基于确定的四轮的运行模式、优先级以及所述附加横摆力矩，计算出四轮的目标力矩。
5.根据权利要求4所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法，其特征在于，四轮的目标力矩的约束公式为：
Figure FDA0003749062840000031
左前轮的垂向载荷为：
Figure FDA0003749062840000032
右前轮的垂向载荷为：
Figure FDA0003749062840000033
左后轮的垂向载荷为：
Figure FDA0003749062840000034
右后轮的垂向载荷为：
Figure FDA0003749062840000035
其中，εi为附着力安全系数；μ为地面附着系数；i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、右后车轮；Tmdi、Tmbi分别为实时转速下电机最大驱动、制动力矩；THyi为液压制动力矩；Fzi为各轮垂向载荷；ms为车辆的质量；h为质心高；lf、lr分别为质心到前、后轴中心线的距离；tw为轮距；ax，ay分别为纵向和横向的加速度。
6.根据权利要求5所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法，其特征在于，附着力安全系数的计算公式为：
Figure FDA0003749062840000041
其中，ay,t为实时的横向加速度；ayth为横向加速度门限值；λ、b均为系数，由标定得到；k＝1,2,3,4分别代表外前轮、内前轮、外后轮、内后轮。
7.根据权利要求1所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法，其特征在于，所述目标力矩和实际力矩的转化关系为：
Figure FDA0003749062840000042
其中，T0表示实际力矩，T表示目标力矩，ξ为电机内部参数，s表示时间。
8.一种轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如权利要求1-7任意一项所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-7任意一项所述的轮毂电机驱动车辆的差扭防侧翻控制方法中的步骤。
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