CN114194035B - 平衡臂式六轮独立驱动智能底盘转矩分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平衡臂式六轮独立驱动智能底盘转矩分配方法，该转矩分配方法能够充分发挥平衡臂式六轮独立驱动智能底盘的优势，解决因平衡臂旋转导致车轮垂向载荷发生变化进而影响转矩分配的问题，并降低对系统建模精度的要求，解决因轮胎侧偏刚度、底盘横摆转动惯量等测量不准确导致的建模误差，同时，在自适应终端滑模控制中建立的滑模面引入了一项非线性项，该滑模面相较于普通线性滑模面的突出优点是可以使系统状态在有限时间内收敛至平衡原点，从而提高系统响应。

Description

平衡臂式六轮独立驱动智能底盘转矩分配方法

技术领域

本发明涉及汽车控制领域，具体是一种平衡臂式六轮独立驱动智能底盘转矩分配方法。

背景技术

六轮驱动车辆在机动性、爬坡障碍和车轮故障紧急处置上相较于四轮驱动车辆有较大的优势，但目前六轮驱动车辆的智能底盘多数采用差动转向，即利用车轮转矩不同导致各个车轮滑移率差异进行转向，该转向方式会导致轮胎磨损率较高、控制难度大等一系列问题。

现有技术中，部分六轮驱动车辆所涉及的智能底盘采用前两轮阿克曼转向结构，且其平衡臂式结构能更好地适应不同地形，进一步增强智能底盘的越野能力，同时，全轮独立驱动能更好地实现各种控制算法，增强底盘使用过程中的容错能力，因此，平衡臂式六轮独立驱动智能底盘具有广泛的应用前景。但目前针对平衡臂式六轮独立驱动智能底盘的转矩分配方法多是六轮独立驱动差动转向的控制形式，对系统建模精度要求高，且平衡臂的旋转会对转矩分配造成干扰，为解决此技术难题，本发明提出一种平衡臂式六轮独立驱动智能底盘转矩分配方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种平衡臂式六轮独立驱动智能底盘转矩分配方法，该分配方法能够充分发挥平衡臂式六轮独立驱动智能底盘的优势，解决因平衡臂旋转导致车轮垂向载荷发生变化进而影响转矩分配的问题，并降低对系统建模精度的要求，解决因轮胎侧偏刚度、底盘横摆转动惯量等测量不准确导致的建模误差，同时，在自适应终端滑模控制中建立的滑模面引入了一项非线性项，可以使系统状态在有限时间内收敛至平衡原点，从而提高系统响应。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：平衡臂式六轮独立驱动智能底盘转矩分配方法，包括以下步骤：

S1：整车控制器获取驾驶员输入的前轮转角及请求的车速的信息，并控制底盘反馈实时的质心侧偏角、横摆角速度、纵向加速度、横向加速度和纵向车速的信息；

S2：建立平衡臂式六轮独立驱动智能底盘的坐标系，该底盘采用前两轮阿克曼转向，后四轮中同侧的两车轮分别通过一个平衡臂相连，平衡臂中部与底盘主体转动连接，该底盘的坐标系以底盘前进方向为X轴正方向，以底盘前进方向左侧为Y轴正方向，以垂直底盘主体向上的方向为Z轴正方向；根据建立的坐标系建立前轮转向六轮独立驱动智能底盘的理想二自由度模型：

其中，m为底盘质量；a为底盘的前轴距质心距离，b为底盘的平衡臂的中点距质心距离，c为底盘的中轴距质心距离，d为底盘的后轴距质心距离；u为底盘反馈的纵向车速，即质心沿X轴方向速度；k₁为底盘的前轴等效侧偏刚度，k₂为底盘的中轴等效侧偏刚度，k₃为底盘的后轴等效侧偏刚度；I_z为底盘的横摆转动惯量；β_d为底盘的理想质心侧偏角，γ_d为底盘的理想横摆角速度；为底盘的理想质心侧偏角的导数，/>为底盘的理想横摆角速度的导数；δ_f为前轮转角；

底盘在稳态情况下，和/>分别等于零，代入上述公式，求取底盘在稳态情况下的横摆角速度值，并以此值作为底盘的理想横摆角速度γ_d；

S3：通过自适应终端滑模控制，求得底盘的附加横摆力矩ΔM，具体流程为：

S31：列出平衡臂式六轮独立驱动智能底盘前轮转向的横摆运动方程如下：

其中，β为底盘反馈的质心侧偏角；γ为底盘反馈的横摆角速度，为γ的导数；

为了后续便于描述，令：

σ₁＝ak₁+ck₂-dk₃，σ₃＝-ak₁，σ₄＝I_z；

则横摆运动方程可表示为：

S32：取跟踪误差e为：e＝γ-γ_d；

取滑模面s为：

其中，c，d，p，q均为常数，c，d＞0，p，q为正奇数，且p＞q；

该滑模面引入了一项非线性项，当跟踪误差e远离平衡原点时，ce起主要作用，保证e具有较快的收敛速度；当e接近平衡原点时，de^q/p起主要作用，保证系统状态的有限时间收敛特性；

横摆运动方程可进一步表示为：

取等速趋近控制律为：

其中，为s的导数；/>为e的导数；η为常数，表示趋近切换面的速率；

因此，底盘的附加横摆力矩ΔM为：

其中，sgn(s)为符号函数；

S33：取Lyapunov函数为：

其中，为σ_k的估计值，k取值为1,2,3,4，τ_k为常数；

S34：横摆运动方程系数σ_k的自适应律的求解：

其中，为/>的导数；

取自适应率为：

因此，当且仅当s＝0时，/>根据Lasalle不变性原理，闭环系统为渐进稳定，即当t→∞时，s→0；

为了防止因过大而导致ΔM不准确，需要通过自适应率的设计使/>的变化在范围内，采用一种映射自适应算法，对自适应率进行修正：

其中：

S35：附加横摆力矩ΔM可表示为：

求得ΔM的值；

S4：进行速度跟随控制，即根据驾驶员请求的车速u_d与底盘反馈的纵向车速u的差值e_u做PI控制，求得维持驾驶员请求的车速所需的纵向力矩请求T：

其中，K_p为比例项系数，K_i为积分项系数；

S5：进行驱动力分配控制，即根据自适应终端滑模控制求得的ΔM与速度跟随控制求得的T，通过序列二次规划算法SQP求取底盘的六轮驱动力：

为了便于表述，引入轮胎负荷率ρ_j：

其中，fl,fr,ml,mr,rl,rr分别代表底盘的前左轮、前右轮、中左轮、中右轮、后左轮、后右轮，F_xj为车轮纵向力，F_zj为车轮垂向载荷，j为路面附着系数，T_j为底盘的车轮转矩，r为轮胎滚动半径；

F_zj通过以下公式求得：

其中，g为重力加速度，a_x为底盘反馈的纵向加速度，a_y为底盘反馈的横向加速度，h为质心高度，W为轮距；J为单平衡臂绕两平衡臂中点连线的转动惯量，假设底盘主体左右两侧的平衡臂的转动惯量相同；α_l为左平衡臂绕两平衡臂中点连线的角加速度，α_r为右平衡臂绕两平衡臂中点连线的角加速度；

底盘的六轮驱动力通过求解如下优化目标函数获得：

min J＝∑[ρ_j-E(ρ_j)]²+εE(ρ_j)

T_fl+T_fr+T_ml+T_mr+T_rl+T_rr＝T

0≤T_j≤min(T_max，μF_zir)

其中，E(ρ_j)为轮胎负荷率的平均值，ε为权重系数，T_max为轮毂电机所能提供的最大力矩；

整车控制器将所求得的底盘的车轮转矩T_j发送给底盘各轮毂电机控制执行。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明平衡臂式六轮独立驱动智能底盘转矩分配方法能够充分发挥平衡臂式六轮独立驱动智能底盘的优势，解决因平衡臂旋转导致车轮垂向载荷发生变化进而影响转矩分配的问题，并降低对系统建模精度的要求，解决因轮胎侧偏刚度、底盘横摆转动惯量等测量不准确导致的建模误差，同时，在自适应终端滑模控制中建立的滑模面引入了一项非线性项，该滑模面相较于普通线性滑模面的突出优点是可以使系统状态在有限时间内收敛至平衡原点，从而提高系统响应。

附图说明

图1为实施例中建立的智能底盘的坐标系；

图2为实施例中简化的二自由度车辆模型；

图3为本发明分配方法的架构图；

图4为本发明分配方法的流程图；

图5为本发明分配方法中自适应终端滑模控制的流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例的平衡臂式六轮独立驱动智能底盘转矩分配方法，该转矩分配方法的架构图和流程图分别见3和图4，该分配方法中自适应终端滑模控制的流程图见图5，该分配方法包括以下步骤：

S1：整车控制器获取驾驶员输入的前轮转角及请求的车速的信息，并控制底盘反馈实时的质心侧偏角、横摆角速度、纵向加速度、横向加速度和纵向车速的信息；

S2：建立平衡臂式六轮独立驱动智能底盘的坐标系，该底盘采用前两轮阿克曼转向，后四轮中同侧的两车轮分别通过一个平衡臂相连，平衡臂中部与底盘主体转动连接，该底盘的坐标系以底盘前进方向为X轴正方向，以底盘前进方向左侧为Y轴正方向，以垂直底盘主体向上的方向为Z轴正方向，建立的坐标系如图1所示；

将底盘简化为图2所示的二自由度车辆模型，根据建立的坐标系建立前轮转向六轮独立驱动智能底盘的理想二自由度模型：

图2和理想二自由度模型中，m为底盘质量；a为底盘的前轴距质心距离，b为底盘的平衡臂的中点距质心距离，c为底盘的中轴距质心距离，d为底盘的后轴距质心距离；u为底盘反馈的纵向车速，即质心沿X轴方向速度；k₁为底盘的前轴等效侧偏刚度，k₂为底盘的中轴等效侧偏刚度，k₃为底盘的后轴等效侧偏刚度；I_z为底盘的横摆转动惯量；β_d为底盘的理想质心侧偏角，γ_d为底盘的理想横摆角速度；为底盘的理想质心侧偏角的导数，/>为底盘的理想横摆角速度的导数；δ_f为前轮转角；v为质心沿Y轴方向速度；ui为各轴车轮实际速度方向，αi为各轴轮胎侧偏角，Fyi为各轴轮胎侧向力，其中i为1、2、3，分别表示前轴、中轴、后轴；

底盘在稳态情况下，和/>分别等于零，代入上述公式，求取底盘在稳态情况下的横摆角速度值，并以此值作为底盘的理想横摆角速度γ_d；

S3：通过自适应终端滑模控制，求得底盘的附加横摆力矩ΔM，具体流程为：

S31：列出平衡臂式六轮独立驱动智能底盘前轮转向的横摆运动方程如下：

其中，β为底盘反馈的质心侧偏角；γ为底盘反馈的横摆角速度，为γ的导数；

为了后续便于描述，令：

σ₁＝ak₁+ck₂-dk₃，σ₃＝-ak₁，σ₄＝I_z；

则横摆运动方程可表示为：

S32：取跟踪误差e为：e＝γ-γ_d；

取滑模面s为：

其中，c，d，p，q均为常数，c，d＞0，p，q为正奇数，且p＞q；

该滑模面引入了一项非线性项，当跟踪误差e远离平衡原点时，ce起主要作用，保证e具有较快的收敛速度；当e接近平衡原点时，de^q/p起主要作用，保证系统状态的有限时间收敛特性；

横摆运动方程可进一步表示为：

取等速趋近控制律为：

其中，为s的导数；/>为e的导数；η为常数，表示趋近切换面的速率；

因此，底盘的附加横摆力矩ΔM为：

其中，sgn(s)为符号函数；

S33：取Lyapunov函数为：

其中，为σ_k的估计值，k取值为1，2，3，4，τ_k为常数；

S34：横摆运动方程系数σ_k的自适应律的求解：

其中，为/>的导数；

取自适应率为：

因此，当且仅当s＝0时，/>根据Lasalle不变性原理，闭环系统为渐进稳定，即当t→∞时，s→0；

为了防止因过大而导致ΔM不准确，需要通过自适应率的设计使/>的变化在范围内，采用一种映射自适应算法，对自适应率进行修正：

其中：

S35：附加横摆力矩ΔM可表示为：

求得ΔM的值；

S4：进行速度跟随控制，即根据驾驶员请求的车速u_d与底盘反馈的纵向车速u的差值e_u做PI控制，求得维持驾驶员请求的车速所需的纵向力矩请求T：

其中，K_p为比例项系数，K_i为积分项系数；

S5：进行驱动力分配控制，即根据自适应终端滑模控制求得的ΔM与速度跟随控制求得的T，通过序列二次规划算法SQP求取底盘的六轮驱动力：

为了便于表述，引入轮胎负荷率ρ_j：

其中，fl,fr,ml,mr,rl,rr分别代表底盘的前左轮、前右轮、中左轮、中右轮、后左轮、后右轮，F_xj为车轮纵向力，F_zj为车轮垂向载荷，μ为路面附着系数，T_j为底盘的车轮转矩，r为轮胎滚动半径；

F_zj通过以下公式求得：

其中，g为重力加速度，a_x为底盘反馈的纵向加速度，a_y为底盘反馈的横向加速度，h为质心高度，W为轮距；J为单平衡臂绕两平衡臂中点连线的转动惯量，假设底盘主体左右两侧的平衡臂的转动惯量相同；α_l为左平衡臂绕两平衡臂中点连线的角加速度，α_r为右平衡臂绕两平衡臂中点连线的角加速度；

底盘的六轮驱动力通过求解如下优化目标函数获得：

min J＝∑[ρ_j-E(ρ_j)]²+εE(ρ_j)

T_fl+T_fr+T_ml+T_mr+T_rl+T_rr＝T

0≤T_j≤min(T_max，μF_zir)

其中，E(ρ_j)为轮胎负荷率的平均值，ε为权重系数，T_max为轮毂电机所能提供的最大力矩；

整车控制器将所求得的底盘的车轮转矩T_j发送给底盘各轮毂电机控制执行。

Claims (1)

1.平衡臂式六轮独立驱动智能底盘转矩分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：整车控制器获取驾驶员输入的前轮转角及请求的车速的信息，并控制底盘反馈实时的质心侧偏角、横摆角速度、纵向加速度、横向加速度和纵向车速的信息；

S2：建立平衡臂式六轮独立驱动智能底盘的坐标系，该底盘采用前两轮阿克曼转向，后四轮中同侧的两车轮分别通过一个平衡臂相连，平衡臂中部与底盘主体转动连接，该底盘的坐标系以底盘前进方向为X轴正方向，以底盘前进方向左侧为Y轴正方向，以垂直底盘主体向上的方向为Z轴正方向；根据建立的坐标系建立前轮转向六轮独立驱动智能底盘的理想二自由度模型：

其中，m为底盘质量；a为底盘的前轴距质心距离，c为底盘的中轴距质心距离，d为底盘的后轴距质心距离；u为底盘反馈的纵向车速，即质心沿X轴方向速度；k₁为底盘的前轴等效侧偏刚度，k₂为底盘的中轴等效侧偏刚度，k₃为底盘的后轴等效侧偏刚度；I_z为底盘的横摆转动惯量；β_d为底盘的理想质心侧偏角，γ_d为底盘的理想横摆角速度；为底盘的理想质心侧偏角的导数，/>为底盘的理想横摆角速度的导数；δ_f为前轮转角；

底盘在稳态情况下，和/>分别等于零，代入上述公式，求取底盘在稳态情况下的横摆角速度值，并以此值作为底盘的理想横摆角速度γ_d；

S3：通过自适应终端滑模控制，求得底盘的附加横摆力矩ΔM，具体流程为：

S31：列出平衡臂式六轮独立驱动智能底盘前轮转向的横摆运动方程如下：

其中，β为底盘反馈的质心侧偏角；γ为底盘反馈的横摆角速度，为γ的导数；

为了后续便于描述，令：

则横摆运动方程可表示为：

S32：取跟踪误差e为：e＝γ-γ_d；

取滑模面s为：

其中，c,d,p,q均为常数，c,d＞0，p,q为正奇数，且p＞q；

该滑模面引入了一项非线性项，当跟踪误差e远离平衡原点时，ce起主要作用，保证e具有较快的收敛速度；当e接近平衡原点时，de^q/p起主要作用，保证系统状态的有限时间收敛特性；

横摆运动方程可进一步表示为：

取等速趋近控制律为：

其中，为s的导数；/>为e的导数；η为常数，表示趋近切换面的速率；

因此，底盘的附加横摆力矩ΔM为：

其中，sgn(s)为符号函数；

S33：取Lyapunov函数为：

其中， 为σ_k的估计值，k取值为1,2,3,4，τ_k为常数；

S34：横摆运动方程系数σ_k的自适应律的求解：

其中，为/>的导数；

取自适应率为：

因此，当且仅当s＝0时，/>根据Lasalle不变性原理，闭环系统为渐进稳定，即当t→∞时，s→0；

为了防止因过大而导致ΔM不准确，需要通过自适应率的设计使/>的变化在范围内，采用一种映射自适应算法，对自适应率进行修正：

其中：

S35：附加横摆力矩ΔM可表示为：

求得ΔM的值；

S4：进行速度跟随控制，即根据驾驶员请求的车速u_a与底盘反馈的纵向车速u的差值e_u做PI控制，求得维持驾驶员请求的车速所需的纵向力矩请求T：

其中，K_p为比例项系数，K_i为积分项系数；

S5：进行驱动力分配控制，即根据自适应终端滑模控制求得的ΔM与速度跟随控制求得的T，通过序列二次规划算法SQP求取底盘的六轮驱动力：

为了便于表述，引入轮胎负荷率ρ_j：

其中，jl,fr,ml,mr,rl,rr分别代表底盘的前左轮、前右轮、中左轮、中右轮、后左轮、后右轮，F_xj为车轮纵向力，F_zj为车轮垂向载荷，μ为路面附着系数，T_j为底盘的车轮转矩，r为轮胎滚动半径；

F_zj通过以下公式求得：

其中，g为重力加速度，a_x为底盘反馈的纵向加速度，a_y为底盘反馈的横向加速度，h为质心高度，p为轮距，b为底盘的平衡臂的中点距质心距离；J为单平衡臂绕两平衡臂中点连线的转动惯量，假设底盘主体左右两侧的平衡臂的转动惯量相同；α_l为左平衡臂绕两平衡臂中点连线的角加速度，α_r为右平衡臂绕两平衡臂中点连线的角加速度；

底盘的六轮驱动力通过求解如下优化目标函数获得：

T_fl+T_fr+T_ml+T_mr+T_rl+T_rr＝T

0≤T_j≤mtn(T_max,μF_zTr)

其中，E(ρ_j)为轮胎负荷率的平均值，ε为权重系数，T_max为轮毂电机所能提供的最大力矩；

整车控制器将所求得的底盘的车轮转矩T_j发送给底盘各轮毂电机控制执行。