CN113799621A - 一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术，包括：分层化结构的集成控制策略，所述分层化结构的集成控制策略由输入信号层、集成控制层和分配执行层组成，所述输入信号层内包括参考模型，所述集成控制层内包括集成控制器，所述分配执行层内包括驱动力矩分配控制器和转向控制器。本发明通过三部分的协调配合，实现无人搬运车在变质心工况下的转向稳定性控制，提高无人搬运车在狭小空间执行装卸任务的能力，集成控制层通过车辆参考模型，根据外界输入和车辆当前反馈计算所需广义控制力、附加横摆力矩和附加车轮转角；分配执行层采用基于二次优化的驱动力矩分配控制器分配四个车轮的驱动力矩。

Description

一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术
技术领域
本发明涉及无人搬运车技术领域，更具体为一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术。
背景技术
以带负载平台的四驱四转无人搬运车为研究对象，研究其转向工况下的转矩分配控制技术。在智能工厂货物搬运的场景下，搬运货物的AGV每次装载货物的质心位置不一定与车体的质心位置重合，或者每次的货物质心位置是不确定的，从而整车(包括车体和货物两部分)的质心位置变化且不确定的，质心位置的变化会导致不同车轮的垂直载荷不相等，这将影响轮胎的侧偏特性，导致汽车稳态响应发生变化，这对应用于智能工厂环境中的无人搬运车的稳定性提出更高的要求。
由于轮毂电机驱动汽车两侧驱动轮输出力矩不一致时会产生差动转向效果，并且车辆转弯时由于离心力的作用，会加剧车辆质心变化。如果只通过转向系统控制车辆稳定性，而不对车辆驱动轮输出力矩经行修正，也有导致车辆发生跑偏，恶化行驶的可能。因此，需要提供一种新的技术方案给予解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术，解决了由于轮毂电机驱动汽车两侧驱动轮输出力矩不一致时会产生差动转向效果，并且车辆转弯时由于离心力的作用，会加剧车辆质心变化。如果只通过转向系统控制车辆稳定性，而不对车辆驱动轮输出力矩经行修正，也有导致车辆发生跑偏，恶化行驶可能的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术，包括：分层化结构的集成控制策略，所述分层化结构的集成控制策略由输入信号层、集成控制层和分配执行层组成，所述输入信号层内包括参考模型，所述集成控制层内包括集成控制器，所述分配执行层内包括驱动力矩分配控制器和转向控制器，所述驱动力矩分配控制器和转向控制器侧面连接有整车模型。
作为本发明的一种优选实施方式，所述整车模型包括驱动力矩决策器、驱动力矩分配器、四轮驱动电机模块、四轮转角分配器、四轮转向电机模块和无人搬运车组成，通过驱动力矩决策器确定总驱动力矩，在通过驱动力矩分配器分配目力矩，经四轮驱动电机模块分配至无人搬运车，通过方向盘转角数据确认转角信息，通过四轮转角分配器将四轮转角信号分配至四轮转向电机模块，经四轮转向电机模块将四轮目标转角信号分配至无人搬运车，从而确认无人搬运车的转向和车速。
作为本发明的一种优选实施方式，所述集成控制器是一个多输入-多输出系统，使用非时变/时变微分方程来描述，采用状态向量方程对系统内部进行描述，为便于控制系统设计，要求受控对象的状态向量方程的系数矩阵阶数为低阶。
作为本发明的一种优选实施方式，所述驱动力矩分配控制器根据输出的目标驱动力矩和集成控制器输出的附加横摆力矩，按照控制目标和约束条件控制四轮驱动电机输出四轮驱动力矩。设定在车辆的前进方向上，向左为正，即对应正的附加横摆力矩△M，则向右为负，对应负的附加惯摆力足△M；设方向盘转角向左为正，向右为负。车辆四轮驱动力矩由四轮驱动电机输出转矩直接提供，其表达式为：
Tij＝Fij·R
式中，Fij表示各个车轮驱动力(N)，Tij表示各个车轮驱动力矩(N·m)，R为车轮半径(m),ij分别代表fl、fr、rl、rr，即表示车辆的左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；
车辆做直线工况行驶时，理论上四轮驱动力矩相等，并设定为F。当车辆转向时，集成控制器根据车辆实时行驶信息决策出附加横摆力矩的大小和方向，根据得到的附加横摆力矩正负和方向盘转角的方向来判断车辆所处于的行驶状态:当附加横摆力矩等于零时，无论方向盘转角的正负，车辆均处于中性转向状态；当附加横摆力矩大于零，方向盘转角向左时，车辆处于左转向不足状态或方向盘转角向右时，车辆处于右转向过度状态，此时应适当减小左侧车轮驱动力矩，增大右侧车轮驱动力矩，即左侧车轮减少1/4附加横摆力矩，右侧车轮增加1/4附加横摆力矩；当附加横摆力矩小于零，方向盘转角向左时，车辆处于左转向过度状态或方向盘转角向右时，车辆处于右转向不足状态，此时应适当增大左侧车轮驱动力矩，减小右侧车轮驱动力矩，即左侧车轮增加1/4附加横摆力矩，右侧车轮减少1/4附加横摆力矩。
作为本发明的一种优选实施方式，所述驱动力矩的分配规则如下：
当附加横摆力矩AM＝0时，车辆处于中性转向状态，驱动力分配器按平均分配的原则分配四轮驱动力:
Ffl＝Ffr＝Frl＝Frr
当附加横摆力矩AM>0时，车辆处于左转向不足或右转向过度状态，为维持车辆稳定，需要重新分配四轮驱动力矩:
Figure BDA0003327689760000031
Figure BDA0003327689760000032
当附加横摆力矩AM<0时，车辆处于右转向不足或左转向过度状态，为维持车辆稳定，需要重新分配四轮驱动力矩:
Figure BDA0003327689760000041
Figure BDA0003327689760000042
Tfl+Tfr+Trl+Trr＝Tobj
式中，Ffl、Ffr、Frl、Frr分别代表车辆左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的驱动力，Tfl、Tfr、Trl、Trr分别代表车辆左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的驱动力矩，ΔM为附加横摆力矩，B为前后轮轮距，Tobj为目标驱动力矩。
作为本发明的一种优选实施方式，所述转向控制器根据输出的方向盘转角，主动转向控制器按四轮转向控制策略计算得四轮转角，再根据集成控制器输出的附加后轮转角进行修正车辆的后轮转角，主动转向控制器根据车速大小自动进行四轮转向控制选择。低速时，选择比例四轮转向控制策略；中低速时，选择“反相”比例四轮转向控制策略；中高速时，选择“同相”比例四轮转向控制策略。并根据车辆反馈的实际四轮转角对目标四轮转角进行修正。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的整车集成控制技术，采用分层控制的集成控制策略，主要组成部分分别为输入信号层、集成控制层和分配执行层。输入信号层由参考模型根据驾驶员输出的方向盘转角和CarSim输出的实际车速计算得到期望的横摆角速度和期望的质心侧偏角。集成控制层根据驾驶员输出的期望车速、参考模型输出的期望横摆角速度与CarSim输出的实际横摆角速度的偏差值、期望质心侧偏角与实际质心侧偏角的偏差值、CarSim反馈输出的实际车速和方向盘转角计算得到总驱动力矩、附加横摆力矩和附加各轮转角。分配执行层包括驱动力分配器和主动转向控制器。驱动力分配器根据驾驶员输出的总驱动力矩和集成控制器输出的附加横摆力矩并按规则分配方法分配四轮驱动力矩。转向控制器根据驾驶员输出的方向盘转角和集成控制器输出的附加各轮转角按照前后轮比例转向分配四轮转角，通过三部分的协调配合，实现无人搬运车在变质心工况下的转向稳定性控制，提高无人搬运车在狭小空间执行装卸任务的能力，集成控制层通过车辆参考模型，根据外界输入和车辆当前反馈计算所需广义控制力、附加横摆力矩和附加车轮转角；分配执行层采用基于二次优化的驱动力矩分配控制器分配四个车轮的驱动力矩，通过转向控制器修正车轮转角，实现无人搬运车在变质心工况下的转向稳定性控制。
附图说明
图1为本发明四轮转向与横摆力矩集成控制示意图；
图2为本发明整车模型框架示意图。
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。
请参阅图1-图2，本发明提供一种技术方案：一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术，包括：分层化结构的集成控制策略，所述分层化结构的集成控制策略由输入信号层、集成控制层和分配执行层组成，所述输入信号层内包括参考模型，所述集成控制层内包括集成控制器，所述分配执行层内包括驱动力矩分配控制器和转向控制器，所述驱动力矩分配控制器和转向控制器侧面连接有整车模型，整车集成控制技术，采用分层控制的集成控制策略，主要组成部分分别为输入信号层、集成控制层和分配执行层。输入信号层由参考模型根据驾驶员输出的方向盘转角和CarSim输出的实际车速计算得到期望的横摆角速度和期望的质心侧偏角。集成控制层根据驾驶员输出的期望车速、参考模型输出的期望横摆角速度与CarSim输出的实际横摆角速度的偏差值、期望质心侧偏角与实际质心侧偏角的偏差值、CarSim反馈输出的实际车速和方向盘转角计算得到总驱动力矩、附加横摆力矩和附加各轮转角。分配执行层包括驱动力分配器和主动转向控制器。驱动力分配器根据驾驶员输出的总驱动力矩和集成控制器输出的附加横摆力矩并按规则分配方法分配四轮驱动力矩。转向控制器根据驾驶员输出的方向盘转角和集成控制器输出的附加各轮转角按照前后轮比例转向分配四轮转角，通过三部分的协调配合，实现无人搬运车在变质心工况下的转向稳定性控制，提高无人搬运车在狭小空间执行装卸任务的能力，集成控制层通过车辆参考模型，根据外界输入和车辆当前反馈计算所需广义控制力、附加横摆力矩和附加车轮转角；分配执行层采用基于二次优化的驱动力矩分配控制器分配四个车轮的驱动力矩，通过转向控制器修正车轮转角，实现无人搬运车在变质心工况下的转向稳定性控制。
进一步改进的，如图2所示：所述整车模型包括驱动力矩决策器、驱动力矩分配器、四轮驱动电机模块、四轮转角分配器、四轮转向电机模块和无人搬运车组成，通过驱动力矩决策器确定总驱动力矩，在通过驱动力矩分配器分配目力矩，经四轮驱动电机模块分配至无人搬运车，通过方向盘转角数据确认转角信息，通过四轮转角分配器将四轮转角信号分配至四轮转向电机模块，经四轮转向电机模块将四轮目标转角信号分配至无人搬运车，从而确认无人搬运车的转向和车速。
进一步改进的，所述集成控制器是一个多输入-多输出系统，使用非时变/时变微分方程来描述，采用状态向量方程对系统内部进行描述，为便于控制系统设计，要求受控对象的状态向量方程的系数矩阵阶数为低阶。
进一步改进的，所述驱动力矩分配控制器根据输出的目标驱动力矩和集成控制器输出的附加横摆力矩，按照控制目标和约束条件控制四轮驱动电机输出四轮驱动力矩。设定在车辆的前进方向上，向左为正，即对应正的附加横摆力矩ΔM，则向右为负，对应负的附加惯摆力足ΔM；设方向盘转角向左为正，向右为负。车辆四轮驱动力矩由四轮驱动电机输出转矩直接提供，其表达式为：
Tij＝Fij·R
式中，Fij表示各个车轮驱动力(N)，Tij表示各个车轮驱动力矩(N·m)，R为车轮半径(m)，ij分别代表f1、fr、rl、rr，即表示车辆的左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；
车辆做直线工况行驶时，理论上四轮驱动力矩相等，并设定为F。当车辆转向时，集成控制器根据车辆实时行驶信息决策出附加横摆力矩的大小和方向，根据得到的附加横摆力矩正负和方向盘转角的方向来判断车辆所处于的行驶状态：当附加横摆力矩等于零时，无论方向盘转角的正负，车辆均处于中性转向状态；当附加横摆力矩大于零，方向盘转角向左时，车辆处于左转向不足状态或方向盘转角向右时，车辆处于右转向过度状态，此时应适当减小左侧车轮驱动力矩，增大右侧车轮驱动力矩，即左侧车轮减少1/4附加横摆力矩，右侧车轮增加1/4附加横摆力矩；当附加横摆力矩小于零，方向盘转角向左时，车辆处于左转向过度状态或方向盘转角向右时，车辆处于右转向不足状态，此时应适当增大左侧车轮驱动力矩，减小右侧车轮驱动力矩，即左侧车轮增加1/4附加横摆力矩，右侧车轮减少1/4附加横摆力矩。
进一步改进的，所述驱动力矩的分配规则如下：
当附加横摆力矩AM＝0时，车辆处于中性转向状态，驱动力分配器按平均分配的原则分配四轮驱动力：
Ffl＝Ffr＝Frl＝Frr
当附加横摆力矩AM＞0时，车辆处于左转向不足或右转向过度状态，为维持车辆稳定，需要重新分配四轮驱动力矩：
Figure BDA0003327689760000081
Figure BDA0003327689760000082
当附加横摆力矩AM＜0时，车辆处于右转向不足或左转向过度状态，为维持车辆稳定，需要重新分配四轮驱动力矩：
Figure BDA0003327689760000083
Figure BDA0003327689760000084
Tfl+Tfr+Trl+Trr＝Tobj
式中，Ffl、Ffr、Frl、Frr分别代表车辆左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的驱动力，Tfl、Tfr、Trl、Trr分别代表车辆左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的驱动力矩，ΔM为附加横摆力矩，B为前后轮轮距，Tobj为目标驱动力矩。
进一步改进的，所述转向控制器根据输出的方向盘转角，主动转向控制器按四轮转向控制策略计算得四轮转角，再根据集成控制器输出的附加后轮转角进行修正车辆的后轮转角，主动转向控制器根据车速大小自动进行四轮转向控制选择。低速时，选择比例四轮转向控制策略；中低速时，选择“反相”比例四轮转向控制策略；中高速时，选择“同相”比例四轮转向控制策略。并根据车辆反馈的实际四轮转角对目标四轮转角进行修正。
本发明整车集成控制技术，采用分层控制的集成控制策略，主要组成部分分别为输入信号层、集成控制层和分配执行层。输入信号层由参考模型根据驾驶员输出的方向盘转角和CarSim输出的实际车速计算得到期望的横摆角速度和期望的质心侧偏角。集成控制层根据驾驶员输出的期望车速、参考模型输出的期望横摆角速度与CarSim输出的实际横摆角速度的偏差值、期望质心侧偏角与实际质心侧偏角的偏差值、CarSim反馈输出的实际车速和方向盘转角计算得到总驱动力矩、附加横摆力矩和附加各轮转角。分配执行层包括驱动力分配器和主动转向控制器。驱动力分配器根据驾驶员输出的总驱动力矩和集成控制器输出的附加横摆力矩并按规则分配方法分配四轮驱动力矩。转向控制器根据驾驶员输出的方向盘转角和集成控制器输出的附加各轮转角按照前后轮比例转向分配四轮转角，通过三部分的协调配合，实现无人搬运车在变质心工况下的转向稳定性控制，提高无人搬运车在狭小空间执行装卸任务的能力，集成控制层通过车辆参考模型，根据外界输入和车辆当前反馈计算所需广义控制力、附加横摆力矩和附加车轮转角；分配执行层采用基于二次优化的驱动力矩分配控制器分配四个车轮的驱动力矩，通过转向控制器修正车轮转角，实现无人搬运车在变质心工况下的转向稳定性控制。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术，其特征在于：包括：分层化结构的集成控制策略，所述分层化结构的集成控制策略由输入信号层、集成控制层和分配执行层组成，所述输入信号层内包括参考模型，所述集成控制层内包括集成控制器，所述分配执行层内包括驱动力矩分配控制器和转向控制器，所述驱动力矩分配控制器和转向控制器侧面连接有整车模型。
2.根据权利要求1所述的一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术，其特征在于：所述整车模型包括驱动力矩决策器、驱动力矩分配器、四轮驱动电机模块、四轮转角分配器、四轮转向电机模块和无人搬运车组成，通过驱动力矩决策器确定总驱动力矩，在通过驱动力矩分配器分配目力矩，经四轮驱动电机模块分配至无人搬运车，通过方向盘转角数据确认转角信息，通过四轮转角分配器将四轮转角信号分配至四轮转向电机模块，经四轮转向电机模块将四轮目标转角信号分配至无人搬运车，从而确认无人搬运车的转向和车速。
3.根据权利要求1所述的一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术，其特征在于：所述集成控制器是一个多输入-多输出系统，使用非时变/时变微分方程来描述，采用状态向量方程对系统内部进行描述，为便于控制系统设计，要求受控对象的状态向量方程的系数矩阵阶数为低阶。
4.根据权利要求1所述的一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术，其特征在于：所述驱动力矩分配控制器根据输出的目标驱动力矩和集成控制器输出的附加横摆力矩，按照控制目标和约束条件控制四轮驱动电机输出四轮驱动力矩。设定在车辆的前进方向上，向左为正，即对应正的附加横摆力矩△M，则向右为负，对应负的附加惯摆力足△M；设方向盘转角向左为正，向右为负。车辆四轮驱动力矩由四轮驱动电机输出转矩直接提供，其表达式为：
Tij＝Fij·R
式中，Fij表示各个车轮驱动力(N)，Tij表示各个车轮驱动力矩(N·m)，R为车轮半径(m)，ij分别代表f1、fr、rl、rr，即表示车辆的左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；
车辆做直线工况行驶时，理论上四轮驱动力矩相等，并设定为F。当车辆转向时，集成控制器根据车辆实时行驶信息决策出附加横摆力矩的大小和方向，根据得到的附加横摆力矩正负和方向盘转角的方向来判断车辆所处于的行驶状态：当附加横摆力矩等于零时，无论方向盘转角的正负，车辆均处于中性转向状态；当附加横摆力矩大于零，方向盘转角向左时，车辆处于左转向不足状态或方向盘转角向右时，车辆处于右转向过度状态，此时应适当减小左侧车轮驱动力矩，增大右侧车轮驱动力矩，即左侧车轮减少1/4附加横摆力矩，右侧车轮增加1/4附加横摆力矩；当附加横摆力矩小于零，方向盘转角向左时，车辆处于左转向过度状态或方向盘转角向右时，车辆处于右转向不足状态，此时应适当增大左侧车轮驱动力矩，减小右侧车轮驱动力矩，即左侧车轮增加1/4附加横摆力矩，右侧车轮减少1/4附加横摆力矩。
5.根据权利要求4所述的一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术，其特征在于：所述驱动力矩的分配规则如下：
当附加横摆力矩AM＝0时，车辆处于中性转向状态，驱动力分配器按平均分配的原则分配四轮驱动力：
Ffl＝Ffr＝Frl＝Frr
当附加横摆力矩AM＞0时，车辆处于左转向不足或右转向过度状态，为维持车辆稳定，需要重新分配四轮驱动力矩：
Figure FDA0003327689750000031
Figure FDA0003327689750000032
当附加横摆力矩AM＜0时，车辆处于右转向不足或左转向过度状态，为维持车辆稳定，需要重新分配四轮驱动力矩：
Figure FDA0003327689750000033
Figure FDA0003327689750000034
Tfl+Tfr+Trl+Trr＝Tobj
式中，Ffl、Ffr、Frl、Frr分别代表车辆左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的驱动力，Tfl、Tfr、Trl、Trr分别代表车辆左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的驱动力矩，△M为附加横摆力矩，B为前后轮轮距，Tobj为目标驱动力矩。
6.根据权利要求5所述的一种变质心转向工况下的无人搬运车转矩分配控制技术，其特征在于：所述转向控制器根据输出的方向盘转角，主动转向控制器按四轮转向控制策略计算得四轮转角，再根据集成控制器输出的附加后轮转角进行修正车辆的后轮转角，主动转向控制器根据车速大小自动进行四轮转向控制选择。低速时，选择比例四轮转向控制策略；中低速时，选择“反相”比例四轮转向控制策略；中高速时，选择“同相”比例四轮转向控制策略。并根据车辆反馈的实际四轮转角对目标四轮转角进行修正。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117622125A (zh) * 2024-01-12 2024-03-01 杭州世宝汽车方向机有限公司 基于差动转向的路径跟踪控制方法

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