CN114368369A - 一种适应路面摩擦系数的底盘制动系统集成控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适应路面摩擦系数的底盘制动系统集成控制方法,以制动系统作为控制机构,集成了横向稳定性控制、制动防抱死控制和车身防侧翻控制,具体步骤如下:步骤一、以各轮胎制动力矩为输入,建立面向横向、侧倾及滑移率集成控制的车辆底盘动力学模型;步骤二、根据所建立的动力学模型,设计基于MPC的制动系统集成控制器;步骤三、基于路面摩擦系数和系统状态在线调整MPC控制器中的目标函数;步骤四、基于调整后参数和实时状态测量值,根据MPC控制算法计算控制输入,并由制动系统实现制动力矩控制。本发明兼顾横向稳定、制动防抱死、防侧翻的控制目标,在路面附着状况变化的情况下仍然保持良好的车辆底盘集成控制性能。
Description
技术领域
本发明涉及汽车底盘控制技术领域,具体涉及在不同的路面附着条件下汽车智能底盘的集成控制方法。
背景技术
近年来,智能汽车尤其无人驾驶汽车受到越来越多的关注,与之对应的智能底盘控制技术也在快速发展。智能化的底盘能够实时监测车辆状态,对驾驶任务做出及时准确的响应,提高行车的安全性。
制动系统作为汽车中不可缺少的部件对行车安全起着至关重要的作用。制动系统通过对车辆减速可避免车辆横向失稳、避免车轮抱死并可以防止车辆侧翻。
在传统线控底盘控制中,制动系统对于汽车系统的影响分析及控制多通过解耦进行。制动系统对于横向稳定性、制动防抱死和侧倾的影响多分别对于解耦子系统进行研究。相应的,制动系统的控制方法也多针对特定的子系统进行单独设计。然而在实际的车辆行驶过程中,这些子系统之间都是相互耦合的,考虑制动系统对各不同子系统影响的集成控制方法能得到更好的控制性能。
在制动系统集成控制方法中基本都基于路面附着系数不变的假设进行,所设计的控制器在路面条件发生变化时往往控制性能变差,达不到预期的控制效果。为解决以上问题,本发明提出了一种考虑轮胎与路面摩擦系数变化的制动系统集成控制方法,在综合考虑横向稳定控制、制动防抱死控制和防侧翻控制的同时能根据路面摩擦系数变化调整控制器参数并保持良好的底盘控制性能。
发明内容
本发明针对路面摩擦系数变化的情况及横向稳定性、制动防抱死和防侧翻的目标,提出了一种基于模型预测控制(MPC)的底盘制动系统集成控制方法。旨在路面状况变化的情况下确保制动系统对汽车良好的控制性能。本发明采用如下技术方案:
一种适应路面摩擦系数的底盘制动系统集成控制方法,包括以下步骤:
步骤一、综合车辆的横向动力学、侧倾动力学及制动情况下各轮胎的动力学特性建立适用于制动系统集成控制的车辆底盘动力学模型;
步骤二、针对横向稳定、制动防抱死和防侧倾的控制目标,基于所建立的车辆底盘动力学模型,设计基于MPC算法的制动系统集成控制器;
步骤三、根据路面摩擦系数调整制动系统集成控制器中的期望状态值实现控制算法对于路面摩擦系数的适应,根据车辆系统实时状态调整制动系统集成控制器中目标函数权重系数实现集成控制目标;
步骤四、根据调整后的期望状态值和目标函数权重系数、车辆系统实时状态测量值求解制动系统集成控制器对应的优化问题,得到制动系统应作用于车轮的制动力矩并由制动系统执行,重复步骤三和步骤四,实现实时反馈的集成控制。
进一步,所述车辆底盘动力学模型具体为:
式中,i=fl,fr,rl,rr,其中fl,fr,rl,rr分别代表左前轮、右前轮、左后轮、右后轮;,分别为车辆的横向速度和纵向速度,为车身的横摆角速度,,分别为侧倾角和侧倾角速度,为轮胎滑移率,为单位矩阵,为离散模型的采样周期,,分别为簧载质量和簧载质量质心距侧倾中心的垂向距离,为重力加速度常数,,分别为悬架刚度系数和悬架阻尼系数,是整车质量,为簧载质量关于穿过簧载质量质心平行于x轴的转动惯量,是整车质量关于z轴的转动惯量,,为施加在相应车轮的制动力矩,为相应车轮的制动力矩的变化量,为转矩,为横向力,为车辆横向加速度,为轮胎半径,表示轮胎纵轴方向轮胎力,表示轮胎横轴方向轮胎力,为单个车轮绕过车轮中心轴的转动惯量,,,分别为与车辆自身尺寸结构有关的常量矩阵,代表车辆横向力、纵向力、绕z轴转动惯量的变化量与制动力矩变化量之间的转换关系。
进一步,所述基于MPC算法的制动系统集成控制器具体为:
其中,,,,,;为状态期望值;,,,分别为关于横向速度、横摆角速度、侧倾角和侧倾角速度、轮胎滑移率的惩罚权重;为模型预测控制的滚动时域窗口长度;为制动系统对单个车轮可施加的最小力矩;为制动系统对单个车轮可施加的最大力矩。
进一步,所述根据路面摩擦系数调整控制器中的期望状态值具体为:
由前轮转角和路面状况确定的期望横摆角速度为:
各轮胎期望滑移率根据路面摩擦系数确定为:
进一步,所述根据车辆系统实时状态调整制动系统集成控制器中目标函数权重系数具体为:
本发明的优点在于:
(1)本发明建立了一种面向制动系统的横向稳定控制、制动防抱死控制和防侧翻控制的汽车底盘动力学集成控制模型。
(2)本发明设计了一种适应路面摩擦系数变化的制动系统MPC集成控制算法,根据路面附着系数调整MPC控制器中系统状态期望值,使车辆在不同路面状况下能保持良好的控制性能。
(3)本发明设计的MPC控制算法可根据车辆状态值实时调整MPC中的权重系数矩阵实现横向稳定、制动防抱死和防侧翻的集成控制。
附图说明
图1为本发明所述的适应路面摩擦系数变化的横向稳定、制动防抱死及防侧翻底盘集成控制方法的设计流程示意图;
图2为本发明所述的适应路面摩擦系数变化的横向稳定、制动防抱死及防侧翻底盘集成控制方法的结构示意图;
图3为本发明所述的车辆底盘横向动力学模型结构示意图;
图4为本发明所述的车辆侧倾动力学模型结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明,总体的设计流程如图1所示,总体的结构如图2所示。
步骤一、建立面向横向、侧倾及滑移率集成控制的车辆底盘动力学模型;
其中为相应车轮的转角,代表轮距,,分别为前后轮到车辆质心的距离。对于制动系统,控制输入为制动力矩,在小滑移率假设下,以制动力的变化量作为控制系统输入,因此纵向力增量,横向力增量,转矩增量可进一步表示为:
其中,分别为车辆的横向速度和纵向速度,为车身的横摆角速度,,分别为侧倾角和侧倾角速度,,分别为簧载质量和簧载质量质心距侧倾中心的垂向距离,为重力加速度常数,,分别为悬架刚度系数和悬架阻尼系数,是整车质量,为簧载质量关于穿过簧载质量质心平行于x轴的转动惯量,是整车质量关于z轴的转动惯量,。在本发明中ABS系统的控制目标为追踪给定的滑移率,在车轮转角为小角度的假设下,轮胎滑移率动力学模型为:
在模型(4)(5)(6)(7)(8)的基础上,底盘的离散动力学模型为:
步骤二、根据所建立的动力学模型,设计基于MPC算法的制动系统集成控制器。
基于底盘动力模型(9),在制动系统制动力约束条件下设计控制器使得系统状态能尽可能好的跟踪其期望值,MPC集成控制器设计如下:
其中,,,,,,为MPC控制算法的滚动时域窗口的长度,,为可施加在车轮上的最小和最大力矩。上式中各权重参数Q为对各对应状态偏离期望值的惩罚程度。在此MPC控制器算法中,成本函数第一部分的目标是使系统状态值跟踪期望状态值并尽量减少控制器的能量输入,第二部分目标是尽量使系统终态达到期望值。通过最小化过程成本和终态成本,使系统状态能较好跟踪期望值并尽量减少控制器作用的能量。为适应不同的路面状况,状态期望值需要根据路面摩擦系数进行在线调整。为达到集成控制目标,权重,需要根据车辆的制动和侧倾状态进行在线调整,其他权重系数,为常值。
步骤三:基于路面摩擦系数和系统状态在线调整MPC控制器中的目标函数。由前轮转角和路面状况确定的期望横摆角速度为:
步骤四:基于调整后的期望状态值和目标函数权重系数和车辆系统实时状态测量值,求解制动系统集成控制器对应的优化问题(10),得到实时的制动力矩输入。将求解的制动力矩通过执行器(底盘制动系统)作用于各车轮,并重复步骤三和四,实现实时反馈的集成控制目标。
本发明兼顾横向稳定、制动防抱死、防侧翻的控制目标,基于路面摩擦系数估计值和系统状态值,设计了适应路面摩擦系数变化的底盘集成控制方法。
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,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。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 (5)
1.一种适应路面摩擦系数的底盘制动系统集成控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、综合车辆的横向动力学、侧倾动力学及制动情况下各轮胎的动力学特性建立适用于制动系统集成控制的车辆底盘动力学模型;
步骤二、针对横向稳定、制动防抱死和防侧倾的控制目标,基于所建立的车辆底盘动力学模型,设计基于MPC算法的制动系统集成控制器;
步骤三、根据路面摩擦系数调整制动系统集成控制器中的期望状态值实现控制算法对于路面摩擦系数的适应,根据车辆系统实时状态调整制动系统集成控制器中目标函数权重系数实现集成控制目标;
步骤四、根据调整后的期望状态值和目标函数权重系数、车辆系统实时状态测量值求解制动系统集成控制器对应的优化问题,得到制动系统应作用于车轮的制动力矩并由制动系统执行,重复步骤三和步骤四,实现实时反馈的集成控制。
2.根据权利要求1所述的适应路面摩擦系数的底盘制动系统集成控制方法,其特征在于,所述车辆底盘动力学模型具体为:
式中,i=fl,fr,rl,rr,其中fl,fr,rl,rr分别代表左前轮、右前轮、左后轮、右后轮;,分别为车辆的横向速度和纵向速度,为车身的横摆角速度,,分别为侧倾角和侧倾角速度,为轮胎滑移率,为单位矩阵,为离散模型的采样周期,,分别为簧载质量和簧载质量质心距侧倾中心的垂向距离,为重力加速度常数,,分别为悬架刚度系数和悬架阻尼系数,是整车质量,为簧载质量关于穿过簧载质量质心平行于x轴的转动惯量,是整车质量关于z轴的转动惯量,,为施加在相应车轮的制动力矩,为相应车轮的制动力矩的变化量,为转矩,为横向力,为车辆横向加速度,为轮胎半径,表示轮胎纵轴方向轮胎力,表示轮胎横轴方向轮胎力,为单个车轮绕过车轮中心轴的转动惯量,,,分别为与车辆自身尺寸结构有关的常量矩阵,代表车辆横向力、纵向力、绕z轴转动惯量的变化量与制动力矩变化量之间的转换关系。
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