CN114312751A - 一种4wid/s电动汽车变角传动比控制方法 - Google Patents

Abstract

一种4WID/S电动汽车变角传动比控制方法，包括以下步骤：引入了一种客观的车辆操纵稳定性多目标评价指标函数，将4个评价指标函数通过加权组合成综合评价指标函数，通过综合评价指标函数测定开环蛇形工况实验中不同车速下车辆操纵稳定性的综合评价指标对应的角转动比；通过车辆动力学模型和转向电机数学模型推出100km/h车速范围内传统汽车固定传动比数学模型、定k_γ时理想传动比i₁数学模型和k_ay定k_ay时理想传动比i₂数学模型；结合定横摆角速度增益对应的转向角传动比与定侧向加速度增益对应的转向角传动比，通过车速区间变权重拟合方法拟合出车辆的角传动比曲线对4WID/S电动汽车进行控制，提升车辆的操纵稳定性。

Description

一种4WID/S电动汽车变角传动比控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车转向控制技术领域，具体涉及一种4WID/S电动汽车变角传动比控制方法。

背景技术

随着世界汽车工业的快速发展，汽车工业在新时代逐渐形成以“智能、安全、节能、环保”为核心的发展局面。智能技术逐渐融入汽车行业，为人们的出行带来更便捷、更安全、更舒适的驾乘体验的同时又进一步激发了人们对汽车安全及智能化的需求。国内外各大汽车企业、互联网企业、科研院校纷纷投入到相关领域的研究中，这些都进一步推进了智能驾驶汽车及相关技术产业的发展。对智能汽车转向系统而言，传统转向系统难以满足智能汽车电控技术需求，线控转向技术(Steer-By-Wire，SBW)应运而生。线控转向系统控制器通过电信号将转向盘模块和转向执行机构连接起来，替代转向传动机构功能，将驾驶转向意图转换成相应的电信号，控制转向电机实现车辆转向。根据不同行驶工况及理想控制目标，SBW基于自身电控特性可以通过智能控制算法实现人为转向操纵与车辆响应之间的解耦，在保证安全性前提下，可开发个性化变角传动比控制策略，又可配合线控油门、线控制动等其他线控底盘技术，结合各大线控底盘技术优势完善车辆底盘动力学集成控制，进一步提高车辆行驶稳定性和安全性。线控转向技术具有变角传动比特性，依据该特性设计控制算法即能对汽车随车速变化的转向特性进行校正，提高车辆操纵稳定性，同时又能将驾驶员理想汽车转向特性融入到算法开发中，实现转向系统特性向“车适应人”的方向不断发展，使汽车转向性能设计更加人性化、智能化。线控转向系统展现出的种种独特优势，被普遍认为是实现高级智能驾驶的核心技术之一。

线控转向系统主要由转向盘模块、SBW控制器、转向执行模块以及相关传感器组成，如图1所示。线控转向系统转向盘模块由转向盘、转矩/转角传感器、路感电机、减速机构等组成。线控转向控制系统的控制单元主要由转向系统相关传感器、线控转向系统控制器硬件、车辆状态信息采集器和通信总线组成。转向执行模块由转向电机、减速机构、转向器、转向拉杆、转向车轮等组成。通过对线控转向系统硬件结构特性分析，发现传统转向系统由于物理连接的存在，其角传动比为固定值或只能小范围变动。但线控转向系统突破了传统传动方式，其以线控转向控制单元为核心，以电信号为载体，实现变角传动比传递，为变角传动比提供广阔的控制策略设计空间，同时结合相关传感器反馈车辆运动状态信号，进一步提高汽车操纵稳定性、驾驶舒适性及转向主动安全性。线控转向系统在硬件结构上表现为体积小、布置灵活，符合汽车模块集成、节能环保、安全智能的需求。

一般地，当车辆低速转向时，要求系统有较小的角传动比，满足转向轻便性的要求，但如果角传动设置过小，容易出现小转角便使车轮转至极限位置打死的情况，对转向执行电机产生额外的负载，影响电机性能和寿命；当车辆处于高速行驶状态时，要求系统有较大的角传动比，提高车辆高速转向稳定性，同样地，过大的角传动比会使得系统响应过于迟钝，降低转向安全性。驾驶过程汽车转向增益稳定不变，可使得不同工况下转向盘转角和汽车航向角呈对应关系，减少驾驶员对转向特性发生变化而进行补偿，驾驶感更为舒适，不足转向和过度转向情况减少，同时行驶安全性得以提升。横摆角速度增益和侧向加速度增益是衡量转向特性、操纵稳定性重要指标。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种4WID/S电动汽车变角传动比控制策略，实现了20km/h～100km/h车速下4WID/S电动汽车操纵稳定性提升，具有提升4WID/S线控转向车辆操纵稳定性的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种4WID/S电动汽车变角传动比控制策略,包括以下步骤：

步骤1，引入车辆操纵稳定性多目标评价指标函数，将考虑车辆路径跟踪侧向误差的指标J_e，考虑驾驶员操纵负担的指标J_b，考虑车辆侧向加速度的指标J_c，考虑侧翻危险性的指标J_r4个评价指标函数通过加权组合成综合评价指标函数；

步骤2，通过综合评价指标函数测定蛇形实验中不同车速下车辆操纵稳定性的综合评价指标对应的角转动比；

步骤3，通过车辆动力学模型和转向电机数学模型推出20km/h～100km/h车速范围传统汽车固定传动比数学模型、定k_γ时理想传动比i₁数学模型和k_ay定k_ay时理想传动比i₂数学模型；

步骤4，结合定横摆角速度增益对应的转向角传动比与定侧向加速度增益对应的转向角传动比，通过车速区间变权重拟合方法拟合出车辆的角传动比曲线对4WID/S电动汽车进行控制，提升车辆的操纵稳定性。

所述的步骤1，具体又包括以下步骤：

步骤1.1，为了得到理想的f(v_x)特性，结合驾驶员-车-路的闭环系统，参照标准ISO3888-1:1999，采用可以描述汽车综合性能的蛇形工况进行仿真实验，实验时，具有不同角传动比i的SBW车辆模型分别以6种指定的实验车速通过蛇形实验路段，根据实验要求记录数据，6种实验车速分别为:20km/h，40km/h，60km/h，80km/h，100km/h和120km/h，为了评价i对车辆操纵性能的影响，引入了一种客观的车辆操纵稳定性多目标评价指标函数，具体如下：

式中:J_e为考虑车辆路径跟踪侧向误差的指标；J_b为考虑驾驶员操纵负担的指标；J_c为考虑车辆侧向加速度的指标；J_r为考虑侧翻危险性的指标；t为实验时间；e为车辆实际行驶路径和期望路径之间的侧向位移偏差；ω为转向盘角速度；a_y为车辆侧向加速度；

为车辆侧偏角；e_t，ω_t，(a_y)_t，

分别为各指标变量对应的标准门槛值；

步骤1.2，将以上4个指标J_e、J_b、J_c、J_r通过加权组合成综合评价指标函数:

式中:J—车辆操纵稳定性客观评价综合指标

指标J越小，汽车的操纵稳定性越好，上式中各指标加权系数值可通过调整标准门槛值来选择，针对蛇形工况，所有权系数均取1。

所述的步骤2，具体又包括以下步骤：

步骤2.1，通过综合评价指标函数测定蛇形实验中不同车速下车辆操纵稳定性的综合评价指标，

不同车速下，蛇形实验客观评价指标J的实验结果为：

车速一定时，指标J随传动比i的增加呈现先减小后增大的趋势，即各车速下均存在一个使J最小的i值；

步骤2.2，根据步骤2.1实验结果分析，确定了SBW车辆在6个给定车速下的角传动比特性，拟合得到SBW角传动比随车速变化特性，

角传动比i随车速增大而增大，另外，还应满足公式(6)所提出的上、下限值的要求：

式中：i为变角传动比，v_x为车辆实时车速，v₀、v₁分别为设定的车速高、低阈值，i_min为设定的最小角传动比，f(x)为车速在v₀≤v_x≤v₁时的角传动比，i_max为设定的最大角传动比。

所述的步骤3，具体又包括以下步骤：

步骤3.1，将稳态下的横摆角速度、侧向加速度同转向盘转角的比值分别定义为横摆角速度增益k_γ和侧向加速度增益k_ay：

式中：k_γ为横摆角速度增益，k_ay为侧向加速度增益，θ_SW为转向盘转角，γ为车辆横摆角速度，a_y为侧向加速度；

建立汽车二自由度动力学微分方程：

式中，v_x为电动汽车纵向速度；γ为横摆角速度，β为质心侧偏角；J_z为汽车绕z轴转动惯量；C_f、C_r分别为前后轮侧偏刚度，δ_f为前轮目标转角；m为汽车质量，a、b分别为汽车质心到前轴和后轴距离，

汽车稳态时由二自由度动力学微分方程(9)可得稳态

时横摆角速度γ和侧向加速度a_y为：

式中，γ为横摆角速度，a_y为侧向加速度；

联合式(9)、(10)可得横摆角速度增益对应的转向角传动比：

式中，K_γ为稳态下车辆横摆角速度增益；

步骤3.2，联合式(9)、(11)可得横摆角速度增益对应的转向角传动比：

式中，K_ay为侧向加速度增益；

步骤3.3，全速范围传统汽车固定传动比、定k_γ时理想传动比i₁和定k_ay时理想传动比i₂三者对比。

所述的步骤4，具体又以下步骤：

步骤4.1设计权重系数k₁、k₂，综合两者确定理想变角传动比：

i＝k₁·i₁+k₂·i₂ (14)

式中，i₁、i₂分别为定k_γ时理想传动比和定k_ay时理想传动比，k₁、k₂分别为i₁、i₂对应的权重系数，

在全速范围内确定两个因素权重系数时用i₁补偿i₂，即k₁≥k₂，基于此，等比抽取6种权重系数进行对比分析；

步骤4.2，设计在v_x小于20km/h时的对应角传动比值i_min，设计在v_x大于100km/h时的对应角传动比值i_max如式(15)，并得理想变角传动比变化曲线，

式中，v_x为车纵向速度，i_min为v_x小于20km/h时的对应角传动比值，i_max为v_x大于100km/h时的对应角传动比值，k₁、k₂分别为定横摆角速度角传动比和定侧向加速度角传动比的权重系数。

本发明的有益效果是：

1)引入了一种客观的车辆操纵稳定性多目标评价指标函数，确定SBW车辆在6个给定车速下的角传动比特性，拟合得到SBW角传动比随车速变化特性曲线

2)构建车辆动力学模型和转向电机数学模型，推出20km/h～100km/h范围传统汽车固定传动比、定k_γ时理想传动比i₁和k_ay定k_ay时理想传动比i₂三者对比。

3)结合定横摆角速度增益对应的转向角传动比与定侧向加速度增益对应的转向角传动比，通过车速区间变权重拟合方法拟合出车辆的角传动比曲线对4WID/S电动汽车进行控制，提升车辆的操纵稳定性。

本发明引入了一种客观的车辆操纵稳定性多目标评价指标函数，获取各车速下使客观评价指标最小的角传动比值，从而得到一条最优角传动比值与车速的关系曲线。然后结合定横摆角速度增益对应的转向角传动比与定侧向加速度增益对应的转向角传动比通过车速区间变权重拟合方法拟合出车辆的角传动比曲线，对4WID/S电动汽车进行控制，提升车辆的操纵稳定性。

附图说明

图1定转向增益确定的变角传动比图。

图2不同权重系数所对应的理想变角传动比图。

图3为本发明方法的流程图。

图4为本发明的简化思路拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种新型4WID/S电动汽车变角传动比控制策略,(4WID/S：四轮独立驱动/转向)具体按照以下步骤实施：

步骤1中，具体为：

步骤1.1，为了得到理想的f(v_x)特性，本文结合“驾驶员-车-路”闭环系统，参照标准ISO3888-1:1999，采用可以描述汽车综合性能的蛇形工况进行仿真实验。实验时，具有不同角传动比i的SBW车辆模型分别以6种指定的实验车速通过蛇形实验路段，根据实验要求记录数据。6种实验车速分别为:20km/h，40km/h，60km/h，80km/h，100km/h和120km/h。为了评价β对车辆操纵性能的影响，本研究引入了一种客观的车辆操纵稳定性多目标评价指标函数，具体如下

式中:J_e—考虑车辆路径跟踪侧向误差的指标；J_b—考虑驾驶员操纵负担的指标；J_C—考虑车辆侧向加速度的指标；J_r—侧翻危险性的指标；t—实验时间；e—车辆实际行驶路径和期望路径之间的侧向位移偏差；ω—转向盘角速度；a_y—车辆侧向加速度；

—车辆侧倾角；e_t，ω_t，(a_y)_t，

—各指标变量对应的标准门槛值。

步骤1.2，将以上4个指标通过加权组合成综合评价指标函数:

式中:J—车辆操纵稳定性客观评价综合指标，

该指标越小，汽车的操纵稳定性越好，上式中各指标加权系数值可通过调整标准门槛值来选择。针对蛇形工况，本文所有权系数均取1，其对应的客观评价指标各变量标准门槛值如表1所示：

表1客观评价指标各变量标准门槛值

步骤2中，具体步骤如下：

步骤2.1，通过综合评价指标函数测定蛇形实验中不同车速下车辆操纵稳定性的综合评价指标函数，车速一定时，指标J随传动比β的增加呈现先减小后增大的趋势，即各车速下均存在一个使J最小的β值；

步骤2.2，根据上述步骤2.1实验结果分析，确定了SBW车辆在6个给定车速下的角传动比特性，拟合得到SBW角传动比随车速变化特性，角传动比β随车速增大而增大，另外，还应满足公式(6)所提出的上、下限值的要求：

步骤3中，具体步骤如下：

步骤3.1，将稳态下的横摆角速度、侧向加速度同转向盘转角的比值分别定义为横摆角速度增益k_γ和侧向加速度增益k_ay：

式中：γ—车辆横摆角速度(rad/s)；ay—侧向加速度(m/s²)；

sw—转向盘转角(deg)，

建立汽车二自由度动力学微分方程：

汽车稳态时由二自由度动力学微分方程(9)可得稳态

时横摆角速度γ和侧向加速度a_y为：

式中，γ为横摆角速度，a_y为侧向加速度；

联合式(9)、(10)可得横摆角速度增益对应的转向角传动比：

式中，K_γ为稳态下车辆横摆角速度增益。

步骤3.2，联合式(9)、(11)可得横摆角速度增益对应的转向角传动比：

式中，K_ay为侧向加速度增益；

步骤3.3，全速范围传统汽车固定传动比、定k_γ时理想传动比i₁和定k_ay时理想传动比i₂三者对比。

步骤4中，具体步骤如下：

步骤4.1设计权重系数k₁、k₂，综合两者确定理想变角传动比：

i＝k₁·i₁+k₂·i₂ (14)

式中，i₁、i₂分别为定k_γ时理想传动比和定k_ay时理想传动比，k₁、k₂分别为i₁、i₂对应的权重系数，

在全速范围内确定两个因素权重系数时用i₁补偿i₂，即k₁≥k₂，基于此，等比抽取6种权重系数进行对比分析；

步骤4.2，设计在v_x小于20km/h时的对应角传动比值i_min，设计在v_x大于100km/h时的对应角传动比值i_max如式(15)，并得理想变角传动比变化曲线，

式中，v_x为车纵向速度，i_min为v_x小于20km/h时的对应角传动比值，i_max为v_x大于100km/h时的对应角传动比值，k₁、k₂分别为定横摆角速度角传动比和定侧向加速度角传动比的权重系数。

Claims (5)

1.一种4WID/S电动汽车变角传动比控制方法,其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，引入车辆操纵稳定性多目标评价指标函数，将考虑车辆路径跟踪侧向误差的指标J_e，考虑驾驶员操纵负担的指标J_b，考虑车辆侧向加速度的指标J_c，考虑侧翻危险性的指标J_r，4个评价指标函数通过加权组合成综合评价指标函数；

步骤2，通过综合评价指标函数测定蛇形实验中不同车速下车辆操纵稳定性的综合评价指标函数对应的角转动比；

步骤3，通过车辆动力学模型和转向电机数学模型推出全速范围传统汽车固定传动比数学模型、定k_γ时理想传动比i₁数学模型和k_ay定k_ay时理想传动比i₂数学模型；

步骤4，结合定横摆角速度增益对应的转向角传动比与定侧向加速度增益对应的转向角传动比，通过车速区间变权重拟合方法拟合出车辆的角传动比曲线对4WID/S电动汽车进行控制，提升车辆的操纵稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种4WID/S电动汽车变角传动比控制方法，其特征在于，所述的步骤1，具体又包括以下步骤：

步骤1.1，为了得到理想的f(v_x)特性，结合驾驶员-车-路的闭环系统，参照标准ISO3888-1:1999，采用可以描述汽车综合性能的蛇形工况进行仿真实验，实验时，具有不同角传动比i的SBW车辆模型分别以6种指定的实验车速通过蛇形实验路段，根据实验要求记录数据，6种实验车速分别为:20km/h，40km/h，60km/h，80km/h，100km/h和120km/h，为了评价i对车辆操纵性能的影响，引入了一种客观的车辆操纵稳定性多目标评价指标函数，具体如下：

式中:J_e为考虑车辆路径跟踪侧向误差的指标；J_b为考虑驾驶员操纵负担的指标；J_c为考虑车辆侧向加速度的指标；J_r为考虑侧翻危险性的指标；t为实验时间；e为车辆实际行驶路径和期望路径之间的侧向位移偏差；ω为转向盘角速度；a_y为车辆侧向加速度；

为车辆侧偏角；e_t，ω_t，(a_y)_t，

分别为各指标变量对应的标准门槛值；

步骤1.2，将以上4个指标J_e、J_b、J_c、J_r通过加权组合成综合评价指标函数:

式中:J—车辆操纵稳定性客观评价综合指标

指标J越小，汽车的操纵稳定性越好，上式中各指标加权系数值可通过调整标准门槛值来选择，针对蛇形工况，所有权系数均取1。

3.根据权利要求1所述的一种4WID/S电动汽车变角传动比控制方法，其特征在于，所述的步骤2，具体又包括以下步骤：

步骤2.1，通过综合评价指标函数测定蛇形实验中不同车速下车辆操纵稳定性的综合评价指标，

不同车速下，蛇形实验客观评价指标J的实验结果为：

车速一定时，指标J随传动比i的增加呈现先减小后增大的趋势，即各车速下均存在一个使J最小的i值；

步骤2.2，根据步骤2.1实验结果分析，确定了SBW车辆在6个给定车速下的角传动比特性，拟合得到SBW角传动比随车速变化特性，

角传动比i随车速增大而增大，另外，还应满足公式(6)所提出的上、下限值的要求：

式中：i为变角传动比，v_x为车辆实时车速，v₀、v₁分别为设定的车速高、低阈值，i_min为设定的最小角传动比，f(x)为车速在v₀≤v_x≤v₁时的角传动比，i_max为设定的最大角传动比。

4.根据权利要求1所述的一种4WID/S电动汽车变角传动比控制方法，其特征在于，所述的步骤3，具体又包括以下步骤：

步骤3.1，将稳态下的横摆角速度、侧向加速度同转向盘转角的比值分别定义为横摆角速度增益k_γ和侧向加速度增益k_ay：

式中：k_γ为横摆角速度增益，k_ay为侧向加速度增益，θ_SW为转向盘转角，γ为车辆横摆角速度，a_y为侧向加速度；

建立汽车二自由度动力学微分方程：

式中，v_x为电动汽车纵向速度；γ为横摆角速度，β为质心侧偏角；J_z为汽车绕z轴转动惯量；C_f、C_r分别为前后轮侧偏刚度，δ_f为前轮目标转角；m为汽车质量，a、b分别为汽车质心到前轴和后轴距离；

汽车稳态时由二自由度动力学微分方程(9)可得稳态

时横摆角速度γ和侧向加速度a_y为：

式中，a_y为侧向加速度；L为汽车轴距，

联合式(9)、(10)可得横摆角速度增益对应的转向角传动比：

式中，K_γ为稳态下车辆横摆角速度增益；

步骤3.2，联合式(9)、(11)可得横摆角速度增益对应的转向角传动比：

式中，K_ay为侧向加速度增益；

步骤3.3，全速范围传统汽车固定传动比、定k_γ时理想传动比i₁和定k_ay时理想传动比i₂三者对比。

5.根据权利要求1所述的一种4WID/S电动汽车变角传动比控制方法，其特征在于，所述的步骤4，具体又以下步骤：

步骤4.1设计权重系数k₁、k₂，综合两者确定理想变角传动比：

i＝k₁·i₁+k₂·i₂ (14)

式中，i₁、i₂分别为定k_γ时理想传动比和定k_ay时理想传动比，k₁、k₂分别为i₁、i₂对应的权重系数，

在全速范围内确定两个因素权重系数时用i₁补偿i₂，即k₁≥k₂，基于此，等比抽取6种权重系数进行对比分析；

步骤4.2，设计在v_x小于20km/h时的对应角传动比值i_min，设计在v_x大于100km/h时的对应角传动比值i_max如式(15)，并得理想变角传动比变化曲线，

式中，v_x为车纵向速度，i_min为v_x小于20km/h时的对应角传动比值，i_max为v_x大于100km/h时的对应角传动比值，i_n(x)为对应车速下的变权重角传动比。

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