CN116620046A - 一种用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，属于分布式驱动电动汽车控制技术领域。本发明以车辆行驶时四轮轮胎整体的稳定裕度为控制目标，合理分配四个轮胎的驱动力矩。该控制方法分为两层，第一层根据驾驶员指令制定获得车辆所需总驱动力矩与期望横摆力矩，第二层对总驱动力矩分配获得左前轮、右前轮、左后轮、右后轮驱动电机的输出转矩，按照所述输出转矩控制左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。本发明能够在车辆行驶时根据实时横摆角速度监测值对各轮分配的驱动力矩进行实时调整，在各种极端的运行条件下确保车辆的行驶稳定性，并提高转向轻便性。
Description
技术领域
本发明属于分布式驱动电动汽车控制技术领域，具体涉及一种用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法。
背景技术
近年来，纯电动汽车技术发展迅速，具有无污染、高效能、噪声低等优势，成为21世纪汽车工业转型的主要方向。而相对于传统中央电机，轮毂电机可以提高电动汽车的安全性、舒适性和操控性能，具有广泛的市场应用前景。
轮毂电机分布式四驱系统主要由分布式驱动控制器和4个轮毂电机驱动单元组成，相比传统汽车的单一集中式驱动，轮毂电机分布式驱动汽车省去了传动机械部件，缩短了传动链，减轻了车重，可实现模块化全平低底盘设计；实现了四轮电机转矩独立可控，控制精准且响应快，通过协调控制各电机转矩，可实现电子差速、驱动防滑、制动防抱死等动力学控制功能。分布式驱动控制的首要功能是满足车辆总驱动力需求，同时通过协调控制多个驱动源实现直行、转向等行驶功能，可涵盖基本驱动力分配、电子差速、驱动防滑、车身稳定控制等多个控制功能
已有的针对分布式驱动控制技术的研究，大多是基于驱动力分配进行分析，以实现传统汽车传动系统功能为目标，对于车辆稳定性、经济性等不同性能目标与驱动力分配的关系研究较为匮乏。已有的研究广泛基于轮边驱动车辆，轮边驱动电机车辆底盘结构不够紧凑，传动效率不高。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明提出一种用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，通过驾驶员控制加速踏板开度和方向盘转角，确定总驱动力矩，根据建立的车辆动力学模型获得期望横摆角速度和质心侧偏角估算值，根据车辆横摆角速度和质心侧偏角实际值与期望值的偏差，利用模糊控制方法输出期望横摆力矩，基于稳定性目标控制和二次规划算法对四轮输出转矩进行合理分配，提高车辆行驶稳定性与转向轻便性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，基于直接横摆力矩原理，采用分层思想将分布式四驱控制策略分为两层，根据驾驶员指令制定车辆所需总驱动力矩、转向盘转角，再对总驱动力矩分配获得左前轮、右前轮、左后轮、右后轮驱动电机的输出转矩，并按照所述输出转矩控制左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。
所述四轮独立分布式驱动车辆为采用差动转向技术的车辆，不存在转向机构。
所述的分布式分层控制模块由驾驶员操作信息转换层、基于稳定性的驱动力矩分配层和车辆动力学模型组成；所述的驾驶员操作信息转换层用于接收驾驶员给出的转向盘转角、加速踏板开度信息以及由车辆动力学模型反馈的车辆参数，计算车辆所需的总驱动力及期望横摆力矩；所述的基于稳定性的驱动力矩分配层用于根据车辆实时状态、期望横摆力矩及约束条件进行各轮驱动力矩的分配，最后获得左前轮、右前轮、左后轮、右后轮驱动电机的最终输出转矩；所述的车辆动力学模型接收来自基于稳定性的驱动力矩分配层计算得到的四轮驱动电机的最终输出转矩，输出车辆参数、车辆实时状态、横摆角速度实际值以及预定义的质心侧偏角期望值。
作为本发明的优选，所述的驾驶员操作信息转换层包括车辆参考模型、质心侧偏角估算模型、期望横摆角速度估算模型和期望横摆力矩模糊控制器；
所述车辆参考模型输入为加速踏板开度和方向盘转角，输出为四轮独立分布式驱动车辆的总驱动力矩和前轮平均转角；
所述质心侧偏角估算模型基于运动学公式设计，输入变量为车辆前轮平均转角，输出变量为车辆的质心侧偏角估算值；
所述期望横摆角速度估算模型根据二自由度车辆模型建立，输入变量为车辆实时纵向车速与前轮平均转角，输出为横摆角速度期望值；
所述期望横摆力矩模糊控制器根据模糊控制理论设计，输入为质心侧偏角估算值与期望值的偏差、以及横摆角速度实际值与期望值的偏差，输出为期望横摆力矩。
作为本发明的优选，所述的基于稳定性的驱动力矩分配层，包括垂直载荷估算模块和驱动力矩分配模块；
所述的垂直载荷估算模块输入变量为路面坡度、纵向加速度、侧向加速度、车身侧倾角，输出为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂直载荷估算值；
所述的驱动力矩分配模块基于二次规划算法，根据总驱动力矩、电机约束和路面附着约束，计算稳定性目标函数的最优条件，输出四个车轮的驱动电机的输出转矩。
作为本发明的优选，垂直载荷估算值由分布式驱动车辆每个轮胎的垂直载荷表达式计算得到，如下：
作为本发明的优选，电机转矩需满足以下等式约束：
式中，Td为总驱动力矩，Mzd为期望横摆力矩，rRoll为轮胎滚动半径。
同时，电机输出转矩不应超过电机最大输出转矩，且在驱动工况下不应输出负转矩，需满足以下不等式约束：
0≤Ti≤DiTimax
式中，Di为对应电机的失效因子，Di∈[0，1]。
电机输出转矩还需满足以下路面附着条件约束：
Ti/rRoll≤μiFzi
式中，μi为对应轮胎的当前路面附着系数，Fzi为垂直载荷。
作为本发明的优选，所述的稳定性目标函数为：
当目标函数Jstb最小时，认为此时四轮轮胎整体的稳定裕度最大，最不容易发生打滑。结合上述的等式约束与不等式约束，采用二次规划法进行求解，可以得到最终4个车轮的驱动力矩。
本发明的有益效果是：
(1)本发明针对的是轮毂电机驱动的四轮车辆，车辆底盘结构更加紧凑，可减少对乘员舱空间的挤占，传动效率更高。
(2)本发明采用模糊控制方法制定期望横摆力矩时所需的实际质心侧偏角这一量采用估算方法获得，避免了采用昂贵光学传感器测量计算获得的昂贵成本。
(3)本发明通过直接横摆力矩控制算法对各轮输出的驱动力矩进行控制，将质心侧偏角与横摆角速度作为稳定性评价指标，使得车辆具有更加精准的差动转向性能及稳定性。
(4)本发明针对分布式驱动车辆的稳定性目标进行控制，可有效提高车辆在各种工况，尤其是转向工况下的行驶稳定性与转向轻便性。
(5)本发明针对分布式驱动车辆各个车轮驱动电机驱动力矩的分配考虑了电机转矩约束与路面附着力约束两个限制条件，保证了驱动力矩分配的有效性。
附图说明
图1为本发明实施例示出的一种用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法的框架示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的一种用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，如图1所示，步骤如下：
基于四轮独立电驱动车辆稳定性要求建立了分布式分层控制模块和车辆动力学模型，所述的分布式分层控制模块由驾驶员操作信息转换层、基于稳定性的驱动力矩分配层组成；
其中，所述的车辆动力学模型即车辆自身，它接收来自基于稳定性的驱动力矩分配层计算得到的四轮驱动力矩Tfl、Tfr、Trl、Trr，输出自身车辆参数、横摆角速度实际值ω以及定义所得的质心侧偏角期望值βd到达驾驶员操作信息转换层，帮助该层内的各模块完成运算。
所述的驾驶员操作信息转换层由车辆参考模型、质心侧偏角估算模型、期望横摆角速度估算模型和期望横摆力矩模糊控制器组成。在本实例中，车辆参考模型输入为转向盘转角和加速踏板开度，输出为四轮独立电驱动车辆的总驱动力矩和前轮平均转角。质心侧偏角估算模型基于运动学公式设计，输入变量为车辆的前轮平均转角，输出变量为车辆的质心侧偏角估算值。期望横摆角速度估算模型根据二自由度车辆模型建立，输入变量为车辆实时纵向车速与前轮平均转角，输出为横摆角速度期望值。期望横摆力矩模糊控制器根据模糊控制理论设计，输入为质心侧偏角估算值与期望值的偏差、以及横摆角速度实际值与期望值的偏差，输出为期望横摆力矩。所述的车辆的总驱动力矩、前轮平均转角、质心侧偏角估算模型的计算公式、期望横摆角速度估算模型的计算公式分别为：
Td＝kpdT0
式中，T0为电机总的最大输出转矩，kpd为加速踏板开度(0～100％)，Td为车辆的总驱动力矩，δsw为方向盘转角，k为汽车转向比，L为车辆的轴距，δ为前轮平均转角，b为后轮轴到车辆质心的水平距离，β为质心侧偏角估算值，vx为车辆的纵向速度，K为车辆的稳定性因数，ωd为横摆角速度期望值。上述的车辆参数L、b等由车辆动力学模型得到。
所述的期望横摆力矩模糊控制器，其输入为质心侧偏角估算值和期望值的偏差eβ＝β-βd，质心侧偏角期望值βd由车辆动力学模型得到，一般设为0，以及横摆角速度实际值和期望值的偏差eω＝ω-ωd，横摆角速度实际值ω由车辆动力学模型得到，输出为期望横摆力矩Mzd。
所述的基于稳定性的驱动力矩分配层，其主要由垂直载荷估算模块和驱动力矩分配模块组成；
在本发明的一项具体实施中，所述的垂直载荷估算模块的输入变量为路面坡度、纵向加速度、侧向加速度、车身侧倾角，输出为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂直载荷估算值。
分布式驱动车辆每个轮胎的垂直载荷表达式为：
其中，Fz1、Fz2、Fz3、Fz4分别表示四个车轮的垂直载荷估算值，i＝1,2,3,4分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；m为整车质量，g为重力加速度，α表示路面坡度角，a表示前轮轴到车辆质心的水平距离，b表示后轮轴到车辆质心的水平距离，L为车辆的轴距；Fzα表示由路面坡度引起的轴荷转移，表示由纵向加速度引起的轴荷转移，/>表示由侧向加速度引起的轴荷转移，/>表示由车身侧倾引起的轴荷转移。
本实施例中，由路面坡度引起的轴荷转移表达式为：
由纵向加速度引起的轴荷转移表达式为：
由侧向加速度引起的轴荷转移表达式为：
由车身侧倾引起的轴荷转移表达式为：
其中，hg为车辆质心高度，hr为车辆侧倾中心高度，W表示左右车轮的轮距，vy为车辆侧向速度，ax和ay分别为车辆纵向加速度和侧向加速度，为车身侧倾角，/>为车身侧倾角刚度，/>为车身侧倾阻尼。
所述的驱动力矩分配模块基于二次规划算法，根据总驱动力矩、电机约束和路面附着约束，计算稳定性目标函数的最优条件，输出四个车轮的驱动电机的输出转矩。
电机转矩等式约束、不等式约束、路面附着力约束分别为：
0≤Ti≤DiTimax
Ti/rRoll≤μiFzi
式中，Td为总驱动力矩，Mzd为期望横摆力矩，rRoll为轮胎滚动半径；Di为第i个车轮对应电机的失效因子，Di∈[0，1]；Timax为第i个车轮驱动电机的最大输出转矩，μi为第i个车轮轮胎的当前路面附着系数，Fzi为第i个车轮的垂直载荷，Ti为第i个车轮的驱动电机的输出转矩，i＝1，2，3，4分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。
设计的稳定性目标函数为：
其中，Fxi、Fyi分别表示第i个车轮受到的地面纵向反作用力和侧向反作用力。
当目标函数Jstb最小时，认为此时四轮轮胎整体的稳定裕度最大，最不容易发生打滑。结合上述等式约束与不等式约束，采用二次规划法进行求解，可以得到最终4个车轮的驱动力矩，将左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的驱动力矩依次记为Tfl、Tfr、Trl、Trr。
最后将求解得到的最终驱动力矩输入到电机，控制四轮独立电驱动车辆，使其能按照驾驶员指令稳定行驶。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，其特征在于，采用分布式分层控制模块进行分层控制，首先根据驾驶员指令获得车辆所需总驱动力矩与期望横摆力矩，再对总驱动力矩分配获得左前轮、右前轮、左后轮、右后轮驱动电机的输出转矩，并按照所述输出转矩控制左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；
所述的分布式分层控制模块由驾驶员操作信息转换层、基于稳定性的驱动力矩分配层和车辆动力学模型组成；所述的驾驶员操作信息转换层用于接收驾驶员给出的转向盘转角、加速踏板开度信息以及由车辆动力学模型反馈的车辆参数，计算车辆所需的总驱动力及期望横摆力矩；所述的基于稳定性的驱动力矩分配层用于根据车辆实时状态、期望横摆力矩及约束条件进行各轮驱动力矩的分配，最后获得左前轮、右前轮、左后轮、右后轮驱动电机的最终输出转矩；所述的车辆动力学模型接收来自基于稳定性的驱动力矩分配层计算得到的四轮驱动电机的最终输出转矩，输出车辆参数、车辆实时状态、横摆角速度实际值以及预定义的质心侧偏角期望值。
2.根据权利要求1所述的用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，其特征在于，所述的驾驶员操作信息转换层包括车辆参考模型、质心侧偏角估算模型、期望横摆角速度估算模型和期望横摆力矩模糊控制器；
所述车辆参考模型输入为加速踏板开度和方向盘转角，输出为四轮独立分布式驱动车辆的总驱动力矩和前轮平均转角；
所述质心侧偏角估算模型基于运动学公式设计，输入变量为车辆前轮平均转角，输出变量为车辆的质心侧偏角估算值；
所述期望横摆角速度估算模型根据二自由度车辆模型建立，输入变量为车辆实时纵向车速与前轮平均转角，输出为横摆角速度期望值；
所述期望横摆力矩模糊控制器根据模糊控制理论设计，输入为质心侧偏角估算值与期望值的偏差、以及横摆角速度实际值与期望值的偏差，输出为期望横摆力矩。
3.根据权利要求2所述的用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，其特征在于，所述的车辆参考模型的计算公式为：
Td＝kpdT0
式中，T0为电机总的最大输出转矩，kpd为加速踏板开度，Td为车辆的总驱动力矩，δsw为方向盘转角，k为汽车转向比，δ为前轮平均转角。
4.根据权利要求2所述的用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，其特征在于，所述的质心侧偏角估算模型的计算公式为：
式中，L为车辆的轴距，δ为前轮平均转角，b为后轮轴到车辆质心的水平距离，β为质心侧偏角估算值。
5.根据权利要求2所述的用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，其特征在于，所述的期望横摆角速度估算模型的计算公式为：
式中，L为车辆的轴距，δ为前轮平均转角，vx为车辆的纵向速度，K为车辆的稳定性因数，ωd为横摆角速度期望值。
6.根据权利要求1所述的用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，其特征在于，所述的基于稳定性的驱动力矩分配层，包括垂直载荷估算模块和驱动力矩分配模块；
所述的垂直载荷估算模块输入变量为路面坡度、纵向加速度、侧向加速度、车身侧倾角，输出为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂直载荷估算值；
所述的驱动力矩分配模块基于二次规划算法，根据总驱动力矩、电机约束和路面附着约束，计算稳定性目标函数的最优条件，输出四个车轮的驱动电机的输出转矩。
7.根据权利要求6所述的用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，其特征在于，所述的垂直载荷估算模块中路面坡度引起的轴荷转移表达式为：
由纵向加速度引起的轴荷转移表达式为：
由侧向加速度引起的轴荷转移表达式为：
由车身侧倾引起的轴荷转移表达式为：
式中，hg为车辆质心高度，hr为车辆侧倾中心高度，W表示左右车轮的轮距，vy为车辆侧向速度，ax和ay分别为车辆纵向加速度和侧向加速度，为车身侧倾角，/>为车身侧倾角刚度，/>为车身侧倾阻尼；
联立上述各式，即得到分布式驱动车辆每个轮胎的垂直载荷表达式为：
式中，Fz1、Fz2、Fz3、Fz4分别表示四个车轮的垂直载荷估算值，i＝1，2，3，4分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；m为整车质量，g为重力加速度，α表示路面坡度角，a表示前轮轴到车辆质心的水平距离，b表示后轮轴到车辆质心的水平距离，L为车辆的轴距；Fzα表示由路面坡度引起的轴荷转移，表示由纵向加速度引起的轴荷转移，/>表示由侧向加速度引起的轴荷转移，/>表示由车身侧倾引起的轴荷转移。
8.根据权利要求6所述的用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，其特征在于，电机转矩需满足以下约束：
0≤Ti≤DiTimax
Ti/rRoll≤μiFzi
式中，Td为总驱动力矩，Mzd为期望横摆力矩，rRoll为轮胎滚动半径；Di为第i个车轮对应电机的失效因子，Di∈[0，1]；Timax为第i个车轮驱动电机的最大输出转矩，μi为第i个车轮轮胎的当前路面附着系数，Fzi为第i个车轮的垂直载荷，Ti为第i个车轮驱动电机的输出转矩，i＝1，2，3，4分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。
9.根据权利要求8所述的用于四轮独立分布式驱动车辆的稳定性驱动控制方法，其特征在于，所述的稳定性目标函数为：
式中，Fxi、Fyi分别表示第i个车轮受到的地面纵向反作用力和侧向反作用力。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117207974A (zh) * | 2023-09-21 | 2023-12-12 | 广州汽车集团股份有限公司 | 车辆的控制方法及装置、电子设备、存储介质 |
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2023
- 2023-05-22 CN CN202310577298.1A patent/CN116620046A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117207974A (zh) * | 2023-09-21 | 2023-12-12 | 广州汽车集团股份有限公司 | 车辆的控制方法及装置、电子设备、存储介质 |
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