CN114834526A - 一种云控自动转向装置的时滞控制系统及方法 - Google Patents

一种云控自动转向装置的时滞控制系统及方法 Download PDF

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CN114834526A CN202210550318.1A CN202210550318A CN114834526A CN 114834526 A CN114834526 A CN 114834526A CN 202210550318 A CN202210550318 A CN 202210550318A CN 114834526 A CN114834526 A CN 114834526A
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Abstract

本发明公开了一种云控自动转向装置的时滞控制系统及方法，包括：自动转向装置，包括依序连接的转向电机、齿轮齿条转向器和车轮；转向控制器，用于采集自动转向装置的状态信息并发送给云服务器，且接收云服务器发送的转向指令，用以控制自动转向装置；云服务器，用于建立不显含时滞的云控自动转向装置模型，并根据建立的模型设计时滞H2/H∞控制器；将转向控制器发送的信息输入至时滞H2/H∞控制器，产生转向指令。本发明保证了自动转向系统满足智能交通环境下高等级智能驾驶甚至无人驾驶的需求。

Description

一种云控自动转向装置的时滞控制系统及方法
技术领域
本发明属于线控转向技术领域，尤其涉及一种云控自动转向装置的时滞控制系统及方法。
背景技术
随着智能驾驶技术的发展，转向系统智能化进程被推进，诸如主动转向系统、双电机冗余转向系统、四轮转向系统等部分自动化转向系统，及自动转向系统等都被提出，其中高性能自动转向系统成为未来无人驾驶车辆的刚需。然而，更加智能的转向系统往往伴随着转向指令的计算延时、CAN通信的传输延时，甚至智能交通环境下的V2I通信延时、路测单元的传感器数据处理及控制指令计算延时。当延时增加到一定程度时，很可能导致闭环控制转向系统跟踪精度降低、转向执行机构转角振荡、出现不稳定现象，车辆必然无法按照执行变道、主动避撞等自动驾驶功能。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种云控自动转向装置的时滞控制系统及方法，以解决现有技术中时滞诱发的线控转向系统响应抖动的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种云控自动转向装置的时滞控制系统，包括：
自动转向装置，包括依序连接的转向电机、齿轮齿条转向器和车轮；
转向控制器，用于采集自动转向装置的状态信息并发送给云服务器，且接收云服务器发送的转向指令，用以控制自动转向装置；
云服务器，用于建立不显含时滞的云控自动转向装置模型，并根据建立的模型设计时滞H2/H∞控制器；将转向控制器发送的信息输入至时滞H2/H∞控制器，产生转向指令。
本发明的一种云控自动转向装置时滞控制方法，基于上述系统，步骤如下：
1)建立云控自动转向装置时滞模型；
2)基于所述云控自动转向装置时滞模型，建立不显含时滞的云控自动转向装置模型；
3)基于所述不显含时滞的云控自动转向装置模型，设计时滞H2/H∞控制器；
4)云服务器接收转向控制器发送的自动转向装置状态信息x，并利用时滞H2/H∞控制器计算得到转向指令
Figure BDA0003649852090000011
并将其发送给转向控制器；
5)转向控制器根据所述转向指令，控制转向电机电压Usm(t-τtot)，驱动转向电机转动，进而驱动齿轮齿条转向器，实现车轮转动。
进一步地，所述步骤1)中建立云控自动转向装置时滞模型包括：转向电机动力学模型、齿轮齿条转向器动力学模型及车轮动力学模型；
11)转向电机动力学模型为：
Figure BDA0003649852090000021
Tsm＝K2ism (3)
Figure BDA0003649852090000022
式中，Tsm为转向电机输出转矩，Jsm为转向电机转动惯量，Bsm为转向电机阻尼系数，θsm为转向电机输出转角，Kmd为转向齿轮扭转刚度，gsm为转向电机的减速比，rp为小齿轮的分度圆半径，xr为齿条位移，K2为转向电机的电磁转矩系数，ism为转向电机电流，Usm(t-τtot)表示时滞为τtot的转向电机电压，即转向电机的控制量，Rsm为转向电机电阻，Lsm为转向电机电感，Ksm为转向电机反电动势系数；τtot为时滞的大小，表示为：
Figure BDA0003649852090000023
式中，dτ为传输数据量，h为通道增益，p为传输能量，N0为噪声能量，B为带宽；通过无线通信接收转向控制器传输的自动转向装置的状态信息，产生的时滞记为τ1；向转向控制器发送转向指令产生的时滞记为τ2；
12)齿轮齿条转向器动力学模型为：
Figure BDA0003649852090000024
式中，Mr为齿条的质量，Br为齿轮齿条阻尼系数，Kr为齿轮齿条的刚度，iw为转向机构的传动比，θw为车轮转角；
13)车轮动力学模型等效为：
Figure BDA0003649852090000025
式中，Jw为车轮的转动惯量，Bw为车轮的阻尼系数，Tload为车轮受到的路面阻力矩；将其简化为：
Tload＝-KTdCfθw (7)
式中，d为轮胎拖距，Cf为前轮侧偏刚度，KT为转矩修正系数，根据试验工况调整；
14)基于上述步骤11)-13)的动力学模型，建立云控自动转向装置时滞模型：
Figure BDA0003649852090000031
其中，选择
Figure BDA0003649852090000032
作为状态变量，
Figure BDA0003649852090000033
为理想前轮转角的参考值，并且满足：
Figure BDA0003649852090000034
Figure BDA0003649852090000035
Figure BDA0003649852090000036
表示跟踪误差，扰动输入为
Figure BDA0003649852090000037
控制输入为u(t-τtot)＝Usm(t-τtot)，
Figure BDA0003649852090000038
Figure BDA0003649852090000039
C＝[0 0 0 0 0 1 0]，D＝[0]，D1＝[0 0]
式中，Usm(t-τtot)为时滞为τtot的转向电机电压。
进一步地，所述步骤2)中不显含时滞的云控自动转向装置模型的建立方法为：
采用状态变换方法进行如下变换：
Figure BDA0003649852090000041
令：
Figure BDA0003649852090000042
设采样时间为
Figure BDA0003649852090000043
设时滞满足：
Figure BDA0003649852090000044
l、
Figure BDA0003649852090000045
均为常数，假设
Figure BDA0003649852090000046
进而得到：
Figure BDA0003649852090000047
其中，D(t)＝eAt，
Figure BDA0003649852090000048
I为适维单位矩阵；
式(11)两边同时对时间t求导，得到：
Figure BDA0003649852090000049
令Bτ＝e-AτB，得到不显含时滞的云控自动转向装置模型：
Figure BDA00036498520900000410
进一步地，所述步骤3)具体为：
31)构造被调输出函数为：
z2＝C2x+D2u (16)
其中，
Figure BDA00036498520900000411
R＝r2；
32)基于不显含时滞的云控自动转向装置模型中的矩阵A,Bτ,B1,C,D,D1，设计时滞H2/H∞控制器：
Figure BDA0003649852090000051
求出最优解Xτ、Wτ，则状态反馈H2/H∞控制问题是可解的，则控制器设计为：
Figure BDA0003649852090000052
其中，Kτ为时滞H2/H∞控制器，γτ1，γτ2为可调整的参数。
本发明的有益效果：
本发明中针对云服务器和转向控制器之间通过无线通信产生的时滞稳定性问题，本发明采用时滞H2/H∞控制器有效提高了系统时滞鲁棒性；本发明保证了自动转向系统满足智能交通环境下高等级智能驾驶甚至无人驾驶的需求。
附图说明
图1为本发明云控自动转向系统的结构图；
图2为本发明云控自动转向系统时滞控制方法的控制流程图；
图中：1-云服务器；2-转向控制器；3-转向电机；4-齿轮齿条转向器；5-车轮。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种云控自动转向装置的时滞控制系统，包括：
自动转向装置，包括依序连接的转向电机3、齿轮齿条转向器4和车轮5；
转向控制器2，用于采集自动转向装置的状态信息并发送给云服务器1，且接收云服务器发送的转向指令，用以控制自动转向装置；
云服务器1，用于建立不显含时滞的云控自动转向装置模型，并根据建立的模型设计时滞H2/H∞控制器；将转向控制器发送的信息输入至时滞H2/H∞控制器，产生转向指令。
参照图2所示，本发明的一种云控自动转向装置时滞控制方法，基于上述系统，步骤如下：
1)建立云控自动转向装置时滞模型；
其中，所述建立云控自动转向装置时滞模型包括：转向电机动力学模型、齿轮齿条转向器动力学模型及车轮动力学模型；
11)转向电机动力学模型为：
Figure BDA0003649852090000061
Tsm＝K2ism (3)
Figure BDA0003649852090000062
式中，Tsm为转向电机输出转矩，Jsm为转向电机转动惯量，Bsm为转向电机阻尼系数，θsm为转向电机输出转角，Kmd为转向齿轮扭转刚度，gsm为转向电机的减速比，rp为小齿轮的分度圆半径，xr为齿条位移，K2为转向电机的电磁转矩系数，ism为转向电机电流，Usm(t-τtot)表示时滞为τtot的转向电机电压，即转向电机的控制量，Rsm为转向电机电阻，Lsm为转向电机电感，Ksm为转向电机反电动势系数；τtot为时滞的大小，表示为：
Figure BDA0003649852090000063
式中，dτ为传输数据量，h为通道增益，p为传输能量，N0为噪声能量，B为带宽；通过无线通信接收转向控制器传输的自动转向装置的状态信息，产生的时滞记为τ1；向转向控制器发送转向指令产生的时滞记为τ2；
12)齿轮齿条转向器动力学模型为：
Figure BDA0003649852090000064
式中，Mr为齿条的质量，Br为齿轮齿条阻尼系数，Kr为齿轮齿条的刚度，iw为转向机构的传动比，θw为车轮转角；
13)车轮动力学模型等效为：
Figure BDA0003649852090000065
式中，Jw为车轮的转动惯量，Bw为车轮的阻尼系数，Tload为车轮受到的路面阻力矩；将其简化为：
Tload＝-KTdCfθw (7)
式中，d为轮胎拖距，Cf为前轮侧偏刚度，KT为转矩修正系数，根据试验工况调整；
14)基于上述步骤11)-13)的动力学模型，建立云控自动转向装置时滞模型：
Figure BDA0003649852090000071
其中，选择
Figure BDA0003649852090000072
作为状态变量，
Figure BDA0003649852090000073
为理想前轮转角的参考值，并且满足：
Figure BDA0003649852090000074
Figure BDA0003649852090000075
Figure BDA0003649852090000076
表示跟踪误差，扰动输入为
Figure BDA0003649852090000077
控制输入为u(t-τtot)＝Usm(t-τtot)，
Figure BDA0003649852090000078
Figure BDA0003649852090000079
C＝[0 0 0 0 0 1 0]，D＝[0]，D1＝[0 0]
式中，Usm(t-τtot)为时滞为τtot的转向电机电压。
2)基于所述云控自动转向装置时滞模型，建立不显含时滞的云控自动转向装置模型；
其中，所述不显含时滞的云控自动转向装置模型的建立方法为：
采用状态变换方法进行如下变换：
Figure BDA0003649852090000081
令：
Figure BDA0003649852090000082
设采样时间为
Figure BDA0003649852090000083
设时滞满足：
Figure BDA0003649852090000084
l、
Figure BDA0003649852090000085
均为常数，假设
Figure BDA0003649852090000086
进而得到：
Figure BDA0003649852090000087
其中，D(t)＝eAt，
Figure BDA0003649852090000088
I为适维单位矩阵；
式(11)两边同时对时间t求导，得到：
Figure BDA0003649852090000089
令Bτ＝e-AτB，得到不显含时滞的云控自动转向装置模型：
Figure BDA00036498520900000810
3)基于所述不显含时滞的云控自动转向装置模型，设计时滞H2/H∞控制器；具体包括：
31)构造被调输出函数为：
z2＝C2x+D2u (16)
其中，
Figure BDA00036498520900000811
R＝r2；
32)基于不显含时滞的云控自动转向装置模型中的矩阵A,Bτ,B1,C,D,D1，设计时滞H2/H∞控制器：
Figure BDA0003649852090000091
求出最优解Xτ、Wτ，则状态反馈H2/H∞控制问题是可解的，则控制器设计为：
Figure BDA0003649852090000092
其中，Kτ为时滞H2/H∞控制器，γτ1，γτ2为可调整的参数。
4)云服务器接收转向控制器发送的自动转向装置状态信息x，并利用时滞H2/H∞控制器计算得到转向指令
Figure BDA0003649852090000093
并将其发送给转向控制器；
5)转向控制器根据所述转向指令，控制转向电机电压Usm(t-τtot)，驱动转向电机转动，进而驱动齿轮齿条转向器，实现车轮转动。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种云控自动转向装置的时滞控制系统，其特征在于，包括：
自动转向装置，包括依序连接的转向电机、齿轮齿条转向器和车轮；
转向控制器，用于采集自动转向装置的状态信息并发送给云服务器，且接收云服务器发送的转向指令，用以控制自动转向装置；
云服务器，用于建立不显含时滞的云控自动转向装置模型，并根据建立的模型设计时滞H2/H∞控制器；将转向控制器发送的信息输入至时滞H2/H∞控制器，产生转向指令。
2.一种云控自动转向装置时滞控制方法，基于权利要求1所述的系统，其特征在于，步骤如下：
1)建立云控自动转向装置时滞模型；
2)基于所述云控自动转向装置时滞模型，建立不显含时滞的云控自动转向装置模型；
3)基于所述不显含时滞的云控自动转向装置模型，设计时滞H2/H∞控制器；
4)云服务器接收转向控制器发送的自动转向装置状态信息x，并利用时滞H2/H∞控制器计算得到转向指令
Figure FDA0003649852080000013
并将其发送给转向控制器；
5)转向控制器根据所述转向指令，控制转向电机电压Usm(t-τtot)，驱动转向电机转动，进而驱动齿轮齿条转向器，实现车轮转动。
3.根据权利要求2所述的云控自动转向装置时滞控制方法，其特征在于，所述步骤1)中建立云控自动转向装置时滞模型包括：转向电机动力学模型、齿轮齿条转向器动力学模型及车轮动力学模型；
11)转向电机动力学模型为：
Figure FDA0003649852080000011
Tsm＝K2ism (3)
Figure FDA0003649852080000012
式中，Tsm为转向电机输出转矩，Jsm为转向电机转动惯量，Bsm为转向电机阻尼系数，θsm为转向电机输出转角，Kmd为转向齿轮扭转刚度，gsm为转向电机的减速比，rp为小齿轮的分度圆半径，xr为齿条位移，K2为转向电机的电磁转矩系数，ism为转向电机电流，Usm(t-τtot)表示时滞为τtot的转向电机电压，即转向电机的控制量，Rsm为转向电机电阻，Lsm为转向电机电感，Ksm为转向电机反电动势系数；τtot为时滞的大小，表示为：
Figure FDA0003649852080000021
式中，dτ为传输数据量，h为通道增益，p为传输能量，N0为噪声能量，B为带宽；通过无线通信接收转向控制器传输的自动转向装置的状态信息，产生的时滞记为τ1；向转向控制器发送转向指令产生的时滞记为τ2；
12)齿轮齿条转向器动力学模型为：
Figure FDA0003649852080000022
式中，Mr为齿条的质量，Br为齿轮齿条阻尼系数，Kr为齿轮齿条的刚度，iw为转向机构的传动比，θw为车轮转角；
13)车轮动力学模型等效为：
Figure FDA0003649852080000023
式中，Jw为车轮的转动惯量，Bw为车轮的阻尼系数，Tload为车轮受到的路面阻力矩；将其简化为：
Tload＝-KTdCfθw (7)
式中，d为轮胎拖距，Cf为前轮侧偏刚度，KT为转矩修正系数，根据试验工况调整；
14)基于上述步骤11)-13)的动力学模型，建立云控自动转向装置时滞模型：
Figure FDA0003649852080000024
其中，选择
Figure FDA0003649852080000025
作为状态变量，
Figure FDA0003649852080000026
为理想前轮转角的参考值，并且满足：
Figure FDA0003649852080000027
Figure FDA0003649852080000028
Figure FDA0003649852080000031
表示跟踪误差，扰动输入为
Figure FDA0003649852080000032
控制输入为u(t-τtot)＝Usm(t-τtot)，
Figure FDA0003649852080000033
Figure FDA0003649852080000034
C＝[0 0 0 0 0 1 0]，D＝[0]，D1＝[0 0]
式中，Usm(t-τtot)为时滞为τtot的转向电机电压。
4.根据权利要求3所述的云控自动转向装置时滞控制方法，其特征在于，所述步骤2)中不显含时滞的云控自动转向装置模型的建立方法为：
采用状态变换方法进行如下变换：
Figure FDA0003649852080000035
令：
Figure FDA0003649852080000036
设采样时间为
Figure FDA0003649852080000037
设时滞满足：
Figure FDA0003649852080000038
l、
Figure FDA0003649852080000039
均为常数，假设
Figure FDA00036498520800000310
进而得到：
Figure FDA00036498520800000311
其中，D(t)＝eAt，
Figure FDA0003649852080000041
I为适维单位矩阵；
式(11)两边同时对时间t求导，得到：
Figure FDA0003649852080000042
令Bτ＝e-AτB，得到不显含时滞的云控自动转向装置模型：
Figure FDA0003649852080000043
5.根据权利要求4所述的云控自动转向装置时滞控制方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：
31)构造被调输出函数为：
z2＝C2x+D2u (16)
其中，
Figure FDA0003649852080000044
R＝r2；
32)基于不显含时滞的云控自动转向装置模型中的矩阵A,Bτ,B1,C,D,D1，设计时滞H2/H∞控制器：
Figure FDA0003649852080000045
求出最优解Xτ、Wτ，则状态反馈H2/H∞控制问题是可解的，则控制器设计为：
Figure FDA0003649852080000046
其中，Kτ为时滞H2/H∞控制器，γτ1，γτ2为可调整的参数。
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