CN113815650A - 一种基于反步法的车辆漂移控制方法 - Google Patents

一种基于反步法的车辆漂移控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于汽车漂移控制技术领域，公开了一种基于反步法的车辆漂移控制方法，包括：S1.基于二自由度车辆模型通过反步法设计车辆漂移过程中的漂移控制器，且在漂移控制器中，以前轮侧向力FyF和后轮侧向力FyR为标称控制量，以横摆角速度r为中间变量，通过控制中间变量横摆角速度r达到期望值rd，进而间接控制质心侧偏角β达到期望值βref；S2.考虑车辆前轮的附着圆约束的限制，对标称控制量进行分配；S3.当车辆前轮未达到附着圆极限时，侧向控制量全部分配至前轮侧向力FyF；S4.当车辆前轮达到附着圆极限时，将多余的侧向控制量分配至后轮侧向力FyR。

Description

一种基于反步法的车辆漂移控制方法
技术领域
本发明属于汽车漂移控制技术领域，具体涉及一种基于反步法的车辆漂移控制方法及系统。
背景技术
汽车在日常生活中为人员出行和货物运输提供了巨大便利，据不完全统计，截止2020年上半年，我国注册汽车已达2.7亿辆，注册汽车驾驶员已达4亿人。但是随着汽车数量的增加，所产生的交通事故也显著增多；汽车在发生交通事故以及紧急制动时，车身一般会出现漂移状态，而汽车在漂移时，车辆处于极限工况，可以快速改变车身航向，避免或减轻碰撞，因此通过研究漂移控制提高自动驾驶车辆的紧急避险能力是一重要的研究方向。
发明内容
鉴于此，为实现车辆的稳态漂移，本发明的目的在于提供一种基于反步法的车辆漂移控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于反步法的车辆漂移控制方法，包括：
S1.基于二自由度车辆模型通过反步法设计车辆漂移过程中的漂移控制器，且在所述漂移控制器中，以前轮侧向力FyF和后轮侧向力FyR为标称控制量，以横摆角速度r为中间变量，通过控制中间变量横摆角速度r达到期望值rd，进而间接控制质心侧偏角β达到期望值βref；
S2.考虑车辆前轮的附着圆约束的限制，对标称控制量前轮侧向力FyF和后轮侧向力FyR进行分配，判断车辆前轮是否达到附着圆极限，若否转入步骤S3,反之转入步骤S4；
S3.当车辆前轮未达到附着圆极限时，侧向控制量全部分配至前轮侧向力FyF，且纵向采用PID控制器使车辆纵向速度跟踪期望值
Figure BDA0003329517490000021
S4.当车辆前轮达到附着圆极限时，将多余的侧向控制量分配至后轮侧向力FyR，且纵向采用开环控制。
优选的，所述控制方法包括：
S1.基于二自由度车辆模型构建车辆漂移过程中的漂移控制器，所述漂移控制器的表达式为：
Figure BDA0003329517490000022
Figure BDA0003329517490000023
其中，m为车辆质量，Iz为车辆的转动惯量，Vx为纵向速度，FyF为前轮侧向力，FyR为后轮侧向力，eβ为质心侧偏角偏差，r为横摆角速度，er横摆角速度偏差，kβ和kr分别是质心侧偏角偏差eβ和横摆角速度偏差er的反馈比例系数，Lf为车辆质心与前轴距离，Lr为车辆质心与后轴距离，
Figure BDA0003329517490000024
是
Figure BDA0003329517490000025
的导数，且在所述漂移控制器中，以前轮侧向力FyF和后轮侧向力FyR为标称控制量，以横摆角速度r为中间变量；
S2.考虑车辆前轮的附着圆约束的限制，对标称控制量前轮侧向力FyF和后轮侧向力FyR进行分配，判断车辆前轮是否达到附着圆极限μFzF，μ是路面摩擦系数，FzF是前轮的垂向载荷，若否，即FyF＜μFzF，转入步骤S3，反之转入步骤S4；
S3.车辆前轮未达到附着圆极限时，即FyF＜μFzF，侧向控制量全部分配至前轮侧向力FyF，即
Figure BDA0003329517490000026
Figure BDA0003329517490000031
纵向采用PID控制器使车辆纵向速度跟踪期望伯
Figure BDA0003329517490000032
S4.当车辆前轮达到附着圆极限时，即FyF＝μFzF，后轮侧向力FyR为：
Figure BDA0003329517490000033
Figure BDA0003329517490000034
其中，
Figure BDA0003329517490000035
为期望的后轮纵向力，FzR为车辆后轮的垂向载荷。
优选的，所述二自由度车辆模型的表达式为：
Figure BDA0003329517490000036
优选的，所述质心侧偏角偏差eβ的表达式为：eβ＝βref-β；其中，βref为车辆漂移时的期望质心侧偏角，通过计算车辆的不稳定平衡点得到。
优选的，所述er横摆角速度偏差的表达式为：er＝rd-r；其中，rd为车辆漂移时的期望横摆角速度，且
Figure BDA0003329517490000037
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
在本发明中，基于二自由度车辆模型构建车辆漂移过程中的漂移控制器，且该漂移控制器在考虑附着圆约束的同时，对轮胎进行映射关系的建立，具体以前轮侧向力和后轮侧向力为标称控制量，以横摆角速度为中间变量，以质心侧偏角为实际控制量，由此能够实现车辆的稳态漂移和8字漂移控制，避免了复杂的控制结构，并保证了控制的精准性和漂移的稳定性。
附图说明
图1为利用本发明控制方法进行8字型漂移仿真实验时的路径图；
图2为利用本发明控制方法进行8字型漂移仿真实验时的质心侧偏角变化图；
图3为利用本发明控制方法进行8字型漂移仿真实验时的横摆角速度变化图；
图4为利用本发明控制方法进行8字型漂移仿真实验时的纵向速度变化图。
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。
在本发明中，公开了一种基于反步法的车辆漂移控制方法，且该方法主要包括如下步骤：
S1.基于二自由度车辆模型构建车辆漂移过程中的漂移控制器，所述漂移控制器的表达式为：
Figure BDA0003329517490000041
Figure BDA0003329517490000042
其中，m为车辆质量，Iz为车辆的转动惯量，Vx为纵向速度，FyF为前轮侧向力，FyR为后轮侧向力，eβ为质心侧偏角偏差，r为横摆角速度，er横摆角速度偏差，kβ和kr分别是质心侧偏角偏差eβ和横摆角速度偏差er的反馈比例系数，Lf为车辆质心与前轴距离，Lr为车辆质心与后轴距离，
Figure BDA0003329517490000043
是
Figure BDA0003329517490000044
的导数，且在所述漂移控制器中，以前轮侧向力FyF和后轮侧向力FyR为标称控制量，以横摆角速度r为中间变量；
具体的，在本步骤中：
(1)构建的二自由度车辆模型的表达式为：
Figure BDA0003329517490000045
其中，Lr为车辆质心与后轴的距离。
(2)由上述二自由度车辆模型可知，可以有效通过控制横摆角r来间接控制质心侧偏角β；由此进行如下的漂移控制器的构建：
记质心侧偏角偏差eβ的表达式为：eβ＝βref-β；其中，βref为车辆稳定漂移时的期望质心侧偏角；
基于李雅普诺夫函数建立质心侧偏角偏差eβ与为车辆稳定漂移时的期望横摆角速度rd之间的映射关系，由此获得
Figure BDA0003329517490000051
记er横摆角速度偏差的表达式为：er＝rd-r；
基于李雅普诺夫函数构建横摆角速度偏差er与标称控制量之间的映射关系，由此获得漂移控制器：
Figure BDA0003329517490000052
Figure BDA0003329517490000053
S2.考虑车辆前轮的附着圆约束的限制，对标称控制量前轮侧向力FyF和后轮侧向力FyR进行分配，判断车辆前轮是否达到附着圆极限μFzF，μ是路面摩擦系数，FzF是前轮的垂向载荷，若否，即FyF＜μFzF，转入步骤S3，反之转入步骤S4；
S3.车辆前轮未达到附着圆极限时，即FyF＜μFzF，侧向控制量全部分配至前轮侧向力FyF，即
Figure BDA0003329517490000054
Figure BDA0003329517490000055
纵向采用PID控制器使车辆纵向速度跟踪期望值
Figure BDA0003329517490000056
控制器的比例系数可以分别选为kp＝3000，ki＝5，kd＝0.1；
S4.当车辆前轮达到附着圆极限时，即FyF＝μFzF，后轮侧向力FyR为：
Figure BDA0003329517490000061
Figure BDA0003329517490000062
其中，
Figure BDA0003329517490000063
为期望的后轮纵向力，FzR为车辆后轮的垂向载荷。此模式下车辆的纵向有短暂的开环控制，开环控制中车辆的轮胎纵向力可以选取为
Figure BDA0003329517490000064
这一时间在2s以内。
综上，基于上述公开的方式，在本发明中进行8字型漂移仿真实验，该实验中选取路面附着系数μ＝1，稳态漂移时的期望纵向速度
Figure BDA0003329517490000065
稳态漂移时的期望前轮转角δref＝±10°，基于期望纵向速度和前轮转角的值，通过求解车辆的不稳定平衡点，得到车辆在漂移时的期望质心侧偏角βref，如图1-图4所示的仿真结果，由图可知，上述控制方法能有效实现车辆漂移过程中的不稳定平衡点切换跟踪控制和稳态漂移控制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于反步法的车辆漂移控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
S1.基于二自由度车辆模型通过反步法设计车辆漂移过程中的漂移控制器，且在所述漂移控制器中，以前轮侧向力FyF和后轮侧向力FyR为标称控制量，以横摆角速度r为中间变量，通过控制中间变量横摆角速度r达到期望值rd，进而间接控制质心侧偏角β达到期望值βref；
S2.考虑车辆前轮的附着圆约束的限制，对标称控制量前轮侧向力FyF和后轮侧向力FyR进行分配，判断车辆前轮是否达到附着圆极限，若否转入步骤S3,反之转入步骤S4；
S3.当车辆前轮未达到附着圆极限时，侧向控制量全部分配至前轮侧向力FyF，且纵向采用PID控制器使车辆纵向速度跟踪期望值
Figure FDA0003329517480000013
S4.当车辆前轮达到附着圆极限时，将多余的侧向控制量分配至后轮侧向力FyR，且纵向采用开环控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于反步法的车辆漂移控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
S1.基于二自由度车辆模型构建车辆漂移过程中的漂移控制器，所述漂移控制器的表达式为：
Figure FDA0003329517480000011
Figure FDA0003329517480000012
其中，m为车辆质量，Iz为车辆的转动惯量，Vx为纵向速度，FyF为前轮侧向力，FyR为后轮侧向力，eβ为质心侧偏角偏差，r为横摆角速度，er横摆角速度偏差，kβ和kr分别是质心侧偏角偏差eβ和横摆角速度偏差er的反馈比例系数，Lf为车辆质心与前轴距离，Lr为车辆质心与后轴距离，
Figure FDA0003329517480000021
是
Figure FDA0003329517480000022
的导数，且在所述漂移控制器中，以前轮侧向力FyF和后轮侧向力FyR为标称控制量，以横摆角速度r为中间变量；
S2.考虑车辆前轮的附着圆约束的限制，对标称控制量前轮侧向力FyF和后轮侧向力FyR进行分配，判断车辆前轮是否达到附着圆极限μFzF，μ是路面摩擦系数，FzF是前轮的垂向载荷，若否，即FyF<μFzF，转入步骤S3,反之转入步骤S4；
S3.车辆前轮未达到附着圆极限时，即FyF<μFzF，侧向控制量全部分配至前轮侧向力FyF，即
Figure FDA0003329517480000023
Figure FDA0003329517480000024
纵向采用PID控制器使车辆纵向速度跟踪期望值
Figure FDA0003329517480000025
S4.当车辆前轮达到附着圆极限时，即FyF＝μFzF，后轮侧向力FyR为：
Figure FDA0003329517480000026
Figure FDA0003329517480000027
Figure FDA0003329517480000028
其中，
Figure FDA0003329517480000029
为期望的后轮纵向力，FzR为车辆后轮的垂向载荷。
3.根据权利要求2所述的一种基于反步法的车辆漂移控制方法，其特征在于，所述二自由度车辆模型的表达式为：
Figure FDA00033295174800000210
4.根据权利要求2所述的一种基于反步法的车辆漂移控制方法，其特征在于，所述质心侧偏角偏差eβ的表达式为：eβ＝βref-β；其中，βref为车辆漂移时的期望质心侧偏角，通过计算车辆的不稳定平衡点得到。
5.根据权利要求2所述的一种基于反步法的车辆漂移控制方法，其特征在于，所述er横摆角速度偏差的表达式为：er＝rd-r；其中，rd为车辆漂移时的期望横摆角速度，且
Figure FDA0003329517480000031
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GR01 Patent grant
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