CN116923535A - 一种分布式四轮转向系统及其双转向域转角协同方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式四轮转向系统及其双转向域转角协同方法，系统包括：左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块、车架、供电模块及转向域协同控制器；本发明融合了线控转向系统和四轮转向系统特点，设计了新型分布式四轮转向系统，创新性的设计了间隙自适应调整模块的角模块，不仅能够满足系统各车轮转角独立可控的设计需求，而且考虑减速机构较大的减速比可能存在间隙、影响控制精度的实际工程需求，开发了基于环形直线电机的间隙自适应调整模块，实现对蜗轮蜗杆螺母间隙的实时监测与动态调整，进一步提高了系统的控制精度。

Description

一种分布式四轮转向系统及其双转向域转角协同方法

技术领域

本发明属于汽车转向系统控制技术领域，具体涉及一种分布式四轮转向系统及其双转向域转角协同方法。

背景技术

现有的四轮转向系统只能实现前后车轮转角的解耦，该系统只可通过对后轮转角的控制来提高车辆的低速灵活性和高速稳定性，但无论是前轮还是后轮，左右两侧的车轮仍通过机械连接，即该系统左右两侧车轮的转角关系固定不可改变，无法实现原地旋转、侧向行驶等功能。相比现有的四轮转向系统，分布式四轮转向系统各车轮独立可控的特点使汽车不仅可以侧向行驶，还可以实现原地旋转，将为汽车转向性能带来变革性的突破，是重大颠覆性创新技术。然而，对于这样全新的多自由度、高集成度、多冗余、全线控系统，一方面需要在结构上进行全新设计，以保证减速机构可将转向电机的输出转矩高效传递到转向臂，避免较大的间隙导致系统难以精确控制；另一方面，系统具有各车轮独立可控的优势，不同的转角组合方式会影响系统的灵活性和稳定性等性能，如何建立协调灵活性与稳定性间矛盾的转角协同控制方法，是实现系统高灵活性、高稳定性控制的关键技术难题。

在现有对于新型动力转向系统的研究中，例如：中国发明专利申请号为CN201810340702.2，名称“一种线控四轮独立转向系统容错控制系统及其控制方法”；中国发明专利申请号为CN202010632990.6，名称“一种线控四轮独立转向系统及其控制方法”；中国发明专利申请号为CN201611205328.2，名称“转向电机布置于双横臂悬架摆臂的线控四轮独立转向系统”；中国发明专利申请号为CN201611204776.0，名称“转向电机位于麦弗逊悬架下摆臂的线控四轮独立转向系统”中公布的线控四轮独立转向系统是一种集成化、模块化的新型转向系统，其特点在于每个转向模块均可独立控制，从而实现不同转向模式间的切换，在低车速时采用前后轮异向模式以降低转向半径，提高灵活性；高车速时采用前后轮同向模式以降低质心侧偏角，提高稳定性，是一种理想的转向系统设计形式。

然而，上述新型线控四轮独立转向存在如下两点潜在问题：

第一，针对系统独立可控、高精线控的设计要求，转向电机减速器应有较大的传动比以降速增扭，同时具有较小的间隙，此外，应尽量远离地面，以降低路面激励带来的控制输入不确定性。而中国发明专利申请号为CN201611205328.2，名称“转向电机布置于双横臂悬架摆臂的线控四轮独立转向系统”、中国发明专利申请号为CN201611204776.0，名称“转向电机位于麦弗逊悬架下摆臂的线控四轮独立转向系统”公布的设计方案中，转向电机的安装位置均在悬架下摆臂处，这样的设计方式一方面不易布置较大传动比的减速机构，因此系统能够输出的最大转向力可能难以满足较大质量的车辆以及原地转向等工况的需求；另一方面，上述结构方案电机更容易受到路面激励的影响，这为系统的消隙控制和高精度转角跟踪控制带来了挑战。

第二，针对系统可实现侧向行驶、原地转向等特有工作模式以及各模式自由切换的功能特点，不仅需要考虑低速工况、高速工况下对于转向模式的不同需求，而且需要将转向模式变化所影响的性能指标进行量化，通过分析模式切换时不同指标间的博弈关系来进行四轮转角协同策略的设计。然而现有关于系统工作模式切换、转角协同控制的技术方案中，未公布考虑性能指标博弈关系的控制策略设计方案。

因此，如何充分发挥系统分布式四轮转向系统各车轮模块化、集成化的设计优势，设计带有消隙功能的全新分布式四轮转向系统，开发合理高效的四轮转角协同方法，成为制约分布式四轮转向系统大规模落地的关键因素。

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分布式四轮转向系统及其双转向域转角协同方法，以解决现有技术中在进行转向模式切换和四轮转角协的同时，由于难以有效协同各个性能指标间博弈关系，从而导致分布式四轮转向系统在高速时的控制结果过于保守、低速时无法进一步提高灵活性的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种分布式四轮转向系统，包括：左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块、车架、供电模块及转向域协同控制器；

所述左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块采用相同的机械结构，包括：转向电机控制器、转向电机、一级行星齿轮减速机构、二级蜗轮蜗杆减速机构、间隙自适应调整模块、转向臂管柱、转角传感器、转向臂、上叉臂、减振器、转向立柱、制动盘总成、轮毂电机、车轮、下叉臂、转向电机低压供电线束、低压电源、车架连接件、安装支架、驱动电机高压线束及高压电源；

所述转向电机控制器与转向电机的壳体采用一体化设计，所述转向电机控制器控制转向电机转动；转向电机的输出轴与一级行星齿轮减速机构相连，一级行星齿轮减速机构与二级蜗轮蜗杆减速机构相连；所述二级蜗轮蜗杆减速机构与间隙自适应调整模块相连；所述间隙自适应调整模块的输出端与转向臂管柱的上端刚性连接，转向臂管柱的下端与转向臂刚性连接，从而将转向电机的输出力矩传递到转向臂；所述转角传感器套设于转向臂管柱上，采集转向臂管柱的转角信号，并发送到转向电机控制器；所述转向臂与转向立柱通过上叉臂、减振器及下叉臂进行装配，转向立柱的中心位置分别与制动盘总成、轮毂电机、车轮相连；所述转向立柱的上端分别与上叉臂、减振器的下端铰接，上叉臂的上端和减振器的上端均与转向臂的上端铰接，转向立柱的下端与下叉臂的上端铰接，下叉臂的下端与转向臂的下端铰接；所述安装支架与转向臂刚性连接；所述车架连接件与安装支架刚性连接；所述轮毂电机通过驱动电机高压线束与高压电源相连；所述转向电机控制器通过转向电机低压供电线束与低压电源相连；

所述高压电源、低压电源均与供电模块相连，供电模块实现对高压电源和低压电源的电量监测与供电保护；

所述转向域协同控制器通过CAN总线分别与左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块中的转向电机控制器进行通信，实现对左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块的控制；

所述车架连接件与车架刚性连接，实现角模块对车架的支撑。

进一步地，所述间隙自适应调整模块包括：压力传感器、连杆机构、电子控制单元、环形直线永磁电机；所述连杆机构的上端与二级蜗轮蜗杆减速机构的调节螺栓相连，连杆机构的下端与环形直线永磁电机的输出轴相连；所述压力传感器位于连杆机构的上端，并输出信号给电子控制单元，电子控制单元的壳体与环形直线永磁电机的壳体一体化设计。

进一步地，当压力传感器输出为0时，表示此时无间隙，环形直线永磁电机不工作；当压力传感器输出不为0时，表示此时存在间隙，所述环形直线永磁电机通过推动连杆机构使二级蜗轮蜗杆减速机构的调节螺栓旋紧，从而使压力传感器的输出为0。

进一步地，所述转向电机采用低压小扭矩电机。

进一步地，所述安装支架为弹性零件，具有缓冲作用。

本发明的一种分布式四轮转向系统的双转向域转角协同方法，基于上述系统，包括以下步骤：

步骤1：建立分布式四轮转向系统的双转向域运动控制模型；

步骤2：设计基于轮胎逆模型和理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器，构建分布式四轮转向系统的双转向域四轮转角分配策略；

步骤3：设计分布式四轮转向系统转角协同控制过程中的补偿控制博弈模型，建立分布式四轮转向系统转角协同博弈补偿控制方法，对上述步骤2中基于理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器的输出进行补偿，以提高系统的稳定性。

进一步地，所述步骤1具体包括：

步骤11：建立分布式四轮转向系统动力学模型，其包括左转向域动力学模型和右转向域动力学模型，所述左转向域动力学模型包括左前角模块动力学模型和左后角模块动力学模型；所述右转向域动力学模型包括右前角模块动力学模型和右后角模块动力学模型；

四个角模块的动力学模型形式相同，如下：

式中，当i=fl时表示为左前角模块动力学模型，当i=fr时表示为右前角模块动力学模型，当i=rl时表示为左后角模块动力学模型，当i=rr时表示为右后角模块动力学模型，为第i个角模块的等效转动惯量，/>为第i个角模块等效粘性阻尼系数，/>为第i个角模块的等效转角，/>为第i个角模块等效输出力矩，/>为转向阻力矩在第i个角模块上的等效力矩，/>为等效到第i个角模块上的路面随机干扰力矩。

所述左前角模块动力学模型、左后角模块动力学模型、右前角模块动力学模型和右后角模块动力学模型分别输出左前角模块等效转角、左后角模块等效转角/>、右前角模块等效转角/>、右后角模块等效转角/>；

步骤12：基于分布式四轮转向系统动力学模型，建立、/>、/>、与左转向域的转向瞬心、右转向域的转向瞬心以及理想转向瞬心映射关系；

其中，所述左转向域的转向瞬心为左前角模块动力学模型、左后角模块动力学模型在车轮坐标系下y轴延长线的交点；

所述右转向域的转向瞬心为右前角模块动力学模型和右后角模块动力学模型在车轮坐标系下y轴延长线的交点；

所述理想转向瞬心由转向域协同控制器产生；

所述左前轮转角、左后轮转角、右前轮转角、右后轮转角与左转向域的转向瞬心、右转向域的转向瞬心以及理想转向瞬心映射关系通过数据拟合的方法建立；

步骤13：根据左转向域的转向瞬心、右转向域的转向瞬心以及理想转向瞬心，建立考虑侧偏刚度不确定性的左转向域运动控制模型，包括：左转向域侧向模型、左转向域横摆模型、左转向域侧倾模型：

式中，β_l为左转向域的质心侧偏角，为左转向域的横摆角速度，/>为左转向域的侧倾角，k_fl和k_rl分别为左前轮和左后轮的侧偏刚度，I_xeq为绕x轴的等效转动惯量，m_l为左转向域质量，v_x为纵向车速，I_x为整车绕x轴转动惯量，a和b分别为质心到前轴和后轴的距离，I_z为整车绕z轴转动惯量，h为质心高度，g为重力加速度，k_s为簧载质量系数，c_s为簧载刚度系数，δ_fl和δ_rl分别为左前轮和左后轮的转角；

转向过程中侧偏刚度因路面附着系数、垂向载荷发生变化，在系统中带来不确定性，得到侧偏刚度如下：

式中，k_fl0、k_rl0分别为车辆前轴、后轴单侧轮胎侧偏刚度的标称值，∆k_fl、∆k_rl为对应的摄动量；

步骤13：建立考虑侧偏刚度不确定性的右转向域运动控制模型，包括右转向域侧向模型、右转向域横摆模型、右转向域侧倾模型：

式中，β_r为右转向域的质心侧偏角，为右转向域的横摆角速度，/>为右转向域的侧倾角，k_fr和k_rr分别为右前轮和右后轮的侧偏刚度，m_r为右转向域的质量，δ_fr和δ_rr分别为右前轮和右后轮的转角。

进一步地，所述步骤2具体包括：

步骤21：构建理想状态量模型，所述理想状态量包括理想质心侧偏角信号和理想横摆角速度信号，如下：

式中，和/>分别为理想质心侧偏角和理想横摆角速度，/>和/>分别为横摆角速度和质心侧偏角的修正量，/>和/>分别为修正后的横摆角速度和质心侧偏角；和/>分别表示系统的纵向位移量和侧向位移量；

步骤22：基于步骤21中的理想状态量模型，设计理想状态量跟踪控制器，所述控制器中的状态量定义为系统真实状态量与理想状态量跟踪误差，如下：

式中，e为系统真实状态量与理想状态量状态跟踪误差，X_d为理想状态量，X为系统真实状态量，e₁为质心侧偏角误差，e₂为横摆角速度误差，为实际质心侧偏角，γ实际横摆角速度；

构造切换函数S为：

式中，和/>分别为对应误差/>和误差/>的切换函数，/>和/>为切换函数待定参数；

采用等速趋近律设计控制器，如下：

式中，为等速趋近律控制器的参数，s为复数域下的控制器状态量；

则有：

式中，和/>为控制器参数；

步骤23：基于步骤22建立的理想状态量跟踪控制器，建立基于轮胎逆模型与理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器，所述轮胎逆模型如下：

式中，为第i个车轮的侧偏角，/>为第i个车轮侧偏角的幅值，w_n为系统的频率，/>为第i个车轮的侧偏力，|F_y|为侧偏力幅值，/>为第i个车轮的纵向力，μ为路面附着系数，/>为第i个车轮的垂向力，/>和/>分别为车轮纵向滑移刚度和侧偏刚度；

所述基于轮胎逆模型与理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器如下：

式中，为控制目标函数；/>为系统输出；/>为控制增量向量，N_e为预测时域；/>为k时刻控制量增量向量；Q_t和R_t为对称半正定矩阵；

构建分布式四轮转向系统的双转向域四轮转角分配策略，实现四轮转角协同分配，输出左前轮转角、左后轮转角、右前轮转角、右后轮转角，如下：

式中，左前轮转角，/>右前轮转角，/>为左后轮转角，/>为右后轮转角，|δ|为上一时刻转角绝对值，/>为前轮侧偏角，/>为后轮侧偏角，/>为转角的频率，v_x为纵向车速，v_y为侧向车速，b为质心到后轴的距离，B为阻尼系数。

进一步地，所述步骤3具体包括：

步骤31：建立分布式四轮转向系统转角协同控制过程中的补偿控制博弈模型，所述补偿控制博弈模型包括参与人，参与人策略集以及参与人收益函数；参与人分为灵活性参与人和稳定性参与人，参与人集合为：

{灵活性参与人N₁，稳定性参与人N₂}

所述参与人策略集为：

式中，和/>分别表示车辆的纵向速度和横向速度，k(s)表示轨迹曲率；

所述参与人收益函数包括灵活性参与人收益函数和稳定性参与人收益函数；其中，灵活性参与人收益函数为：

式中，、/>表示理想轨迹纵向、侧向坐标点，/>、/>表示实际轨迹纵向、侧向坐标点；

稳定性参与人收益函数为：

式中，表示基于神经网络的轮胎侧偏刚度估计结果，用以表征系统的稳定性程度，/>表示归一化操作；

步骤32：进行分布式四轮转向系统四轮转角协同过程理想转向信号优化设计；

通过步骤31中的补偿控制博弈模型对步骤22中设计的理想状态量跟踪控制器进行补偿策略设计；令f₁、f₂为步骤31中的补偿控制博弈模型参与人，则t时刻补偿控制博弈模型的纯策略收益矩阵如下：

式中，和/>分别表示灵活性参与人和稳定性参与人的收益函数；

设计补偿控制博弈模型纳什均衡优化求解方法，求解得到纳什均衡，进而根据工况和参与人间的博弈关系自适应的得到四轮转角分配补偿控制量，表达式如下：

式中，为最优的策略组合对应的收益，/>为第i个参与人当前时刻策略组合对应的收益，/>为第i个参与人除当前策略组合外的其他策略，/>为第i个参与人的第j个策略的收益，/>为第i个参与人的最优的策略组合收益，/>为第i个参与人的第j个策略的混合策略比例；

步骤33：建立分布式四轮转向系统转角协同博弈补偿控制方法，实现对步骤2中基于理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统四轮转角控制器输出的补偿控制，所述补偿控制方法包括左前轮转角补偿量、左后轮转角补偿量、右前轮转角补偿量、右后轮转角补偿量，如下：

式中，为左前轮转角补偿量，/>为右前轮转角补偿量，/>为左后轮转角补偿量，/>为右后轮转角补偿量；

将上述输出的补偿量与步骤23输出的左前轮转角、左后轮转角、右前轮转角、右后轮转角分别进行叠加，并输出到步骤11建立的分布式四轮转向系统动力学模型，形成闭环控制。

本发明的有益效果：

1、本发明融合了线控转向系统和四轮转向系统特点，设计了新型分布式四轮转向系统，创新性的设计了间隙自适应调整模块的角模块，不仅能够满足系统各车轮转角独立可控的设计需求，而且考虑减速机构较大的减速比可能存在间隙、影响控制精度的实际工程需求，开发了基于环形直线电机的间隙自适应调整模块，实现对蜗轮蜗杆螺母间隙的实时监测与动态调整，进一步提高了系统的控制精度。

2、本发明综合考虑各个转向模式间的特点与转向模式切换过程中对于灵活性和稳定性间的性能需求，提出一种基于各性能指标间博弈关系的分布式四轮转向系统双转向域转角协同方法，建立补偿控制博弈模型纳什均衡与目标横摆角速度和目标质心侧偏角之间的映射关系，从而将四轮转角动态协同控制问题转换为对多个目标状态量跟踪控制器设计问题，可有效保证分布式四轮转向系统四轮转角高效协同，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明分布式四轮转向系统的结构图；

图2为本发明角模块的结构图；

图3为间隙自适应调整模块的结构图；

图4为本发明方法的原理图。

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-图3所示，本发明的一种分布式四轮转向系统，包括：左前角模块1、右前角模块2、左后角模块3、右后角模块4、车架5、供电模块6及转向域协同控制器7；

所述左前角模块1、右前角模块2、左后角模块3、右后角模块4采用相同的机械结构，包括：转向电机控制器11、转向电机12、一级行星齿轮减速机构13、二级蜗轮蜗杆减速机构14、间隙自适应调整模块15、转向臂管柱16、转角传感器17、转向臂18、上叉臂19、减振器20、转向立柱21、制动盘总成22、轮毂电机23、车轮24、下叉臂25、转向电机低压供电线束26、低压电源27、车架连接件28、安装支架29、驱动电机高压线束30及高压电源31；

所述转向电机控制器11与转向电机12的壳体采用一体化设计，所述转向电机控制器11控制转向电机12转动；转向电机12的输出轴与一级行星齿轮减速机构13相连，一级行星齿轮减速机构13与二级蜗轮蜗杆减速机构14相连；所述二级蜗轮蜗杆减速机构14与间隙自适应调整模块15相连；所述间隙自适应调整模块15的输出端与转向臂管柱16上端刚性连接，转向臂18为L型设计，为铸造一次成型，其短边平行于地面，长边垂直于地面，转向臂管柱16下端与转向臂18的短边刚性连接，从而将转向电机12的输出力矩传递到转向臂18；所述转角传感器17套设于转向臂管柱16上，采集转向臂管柱16的转角信号，并发送到转向电机控制器11，实现对角模块转角的闭环控制；所述转向臂18与转向立柱21通过上叉臂19、减振器20及下叉臂25进行装配，

转向立柱21的中心位置分别与制动盘总成22、轮毂电机23、车轮24相连；所述转向立柱21垂直于地面，转向臂18的长边与转向立柱21平行，且转向臂18的长边的设计长度约为转向立柱21的两倍；所述转向立柱21的上端分别与上叉臂19、减振器20的下端铰接，上叉臂19的上端和减振器20的上端均与转向臂18的长边的上端铰接，转向立柱21的下端与下叉臂25的上端铰接，下叉臂25的下端与转向臂18的长边的下端铰接（即转向立柱21可上下运动，使角模块在运动过程中减振）；所述安装支架29与转向臂18的短边刚性连接（示例中，采用螺栓连接）；所述车架连接件28与安装支架29刚性连接（示例中，采用螺栓连接）；所述轮毂电机23通过驱动电机高压线束30与高压电源31相连；所述转向电机控制器11通过转向电机低压供电线束26与低压电源27相连；

所述高压电源31、低压电源27均与供电模块6相连，供电模块6可实现对高压电源31和低压电源27的电量监测与供电保护；

所述转向域协同控制器7通过CAN总线（如图1中的虚线所示）分别与左前角模块1、右前角模块2、左后角模块3、右后角模块4中的转向电机控制器11进行通信，实现对左前角模块1、右前角模块2、左后角模块3、右后角模块4的控制；

所述车架连接件28与车架5刚性连接，实现角模块对车架5的支撑。

其中，所述间隙自适应调整模块15包括：压力传感器151、连杆机构152、电子控制单元153、环形直线永磁电机154；所述连杆机构152的上端与二级蜗轮蜗杆减速机构14的调节螺栓141相连，连杆机构152的下端与环形直线永磁电机154的输出轴相连；所述压力传感器151位于连杆机构152的上端，并输出压力信号给电子控制单元153（无间隙时，对压力传感器151进行标定，此时压力传感器151的输出为0；当蜗轮蜗杆减速机构14间隙增大后，蜗轮蜗杆减速机构14会向下压连杆机构152，从而产生压力，压力传感器151输出此时的压力值到电子控制单元153），电子控制单元153的壳体与环形直线永磁电机154的壳体一体化设计。

当压力传感器151输出为0时，表示此时无间隙，环形直线永磁电机154不工作；当压力传感器151输出不为0时，表示此时存在间隙，所述环形直线永磁电机154通过推动连杆机构152使二级蜗轮蜗杆减速机构14的调节螺栓141旋紧，从而使压力传感器151的输出为0。

具体地，所述转向电机12采用低压小扭矩电机。

具体地，所述安装支架29为弹性零件，具有缓冲作用。

本发明中各角模块工作原理为：所述转向电机控制器11输出控制电流信号A到转向电机12，驱动转向电机12旋转；转向电机12输出的转矩信号B传递到一级行星齿轮减速机构13，信号经过一级行星齿轮减速机构13减速增扭后得到一级降速增扭信号C输出到二级蜗轮蜗杆减速机构14，进一步降速增扭后得到二级降速增扭信号D，输出到转向立柱21；所述转角传感器17采集二级蜗轮蜗杆减速机构14的转角信号E，转角传感器17对输入值进行滤波，得到滤波转角信号F发送到转向电机控制器11，实现对角模块转角的闭环控制。

参照图4所示，本发明的一种分布式四轮转向系统的双转向域转角协同方法，基于上述系统，包括以下步骤：

步骤1：建立分布式四轮转向系统的双转向域运动控制模型；具体包括：

步骤11：建立分布式四轮转向系统动力学模型，其包括左转向域动力学模型和右转向域动力学模型，所述左转向域动力学模型包括左前角模块动力学模型和左后角模块动力学模型；所述右转向域动力学模型包括右前角模块动力学模型和右后角模块动力学模型；

四个角模块的动力学模型形式相同，如下：

式中，当i=fl时表示为左前角模块动力学模型，当i=fr时表示为右前角模块动力学模型，当i=rl时表示为左后角模块动力学模型，当i=rr时表示为右后角模块动力学模型，为第i个角模块的等效转动惯量，/>为第i个角模块等效粘性阻尼系数，/>为第i个角模块的等效转角，/>为第i个角模块等效输出力矩，/>为转向阻力矩在第i个角模块上的等效力矩，/>为等效到第i个角模块上的路面随机干扰力矩。

所述左前角模块动力学模型、左后角模块动力学模型、右前角模块动力学模型和右后角模块动力学模型分别输出左前角模块等效转角、左后角模块等效转角/>、右前角模块等效转角/>、右后角模块等效转角/>；

步骤12：基于分布式四轮转向系统动力学模型，建立、/>、/>、/>与左转向域的转向瞬心、右转向域的转向瞬心以及理想转向瞬心映射关系；

其中，所述左转向域的转向瞬心为左前角模块动力学模型、左后角模块动力学模型在车轮坐标系下y轴延长线的交点；

所述右转向域的转向瞬心为右前角模块动力学模型和右后角模块动力学模型在车轮坐标系下y轴延长线的交点；

所述理想转向瞬心由转向域协同控制器产生；

所述左前轮转角、左后轮转角、右前轮转角、右后轮转角与左转向域的转向瞬心、右转向域的转向瞬心以及理想转向瞬心映射关系通过数据拟合的方法建立；

步骤13：根据左转向域的转向瞬心、右转向域的转向瞬心以及理想转向瞬心，建立考虑侧偏刚度不确定性的左转向域运动控制模型，包括：左转向域侧向模型、左转向域横摆模型、左转向域侧倾模型：

式中，β_l为左转向域的质心侧偏角，为左转向域的横摆角速度，/>为左转向域的侧倾角，k_fl和k_rl分别为左前轮和左后轮的侧偏刚度，I_xeq为绕x轴的等效转动惯量，m_l为左转向域质量，v_x为纵向车速，I_x为整车绕x轴转动惯量，a和b分别为质心到前轴和后轴的距离，I_z为整车绕z轴转动惯量，h为质心高度，g为重力加速度，k_s为簧载质量系数，c_s为簧载刚度系数，δ_fl和δ_rl分别为左前轮和左后轮的转角；

转向过程中侧偏刚度因路面附着系数、垂向载荷发生变化，在系统中带来不确定性，得到侧偏刚度如下：

式中，k_fl0、k_rl0分别为车辆前轴、后轴单侧轮胎侧偏刚度的标称值，∆k_fl、∆k_rl为对应的摄动量；

步骤13：建立考虑侧偏刚度不确定性的右转向域运动控制模型，包括右转向域侧向模型、右转向域横摆模型、右转向域侧倾模型：

式中，β_r为右转向域的质心侧偏角，为右转向域的横摆角速度，/>为右转向域的侧倾角，k_fr和k_rr分别为右前轮和右后轮的侧偏刚度，m_r为右转向域的质量，δ_fr和δ_rr分别为右前轮和右后轮的转角。

步骤2：设计基于轮胎逆模型和理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器，构建分布式四轮转向系统的双转向域四轮转角分配策略；具体包括：

步骤21：构建理想状态量模型，所述理想状态量包括理想质心侧偏角信号和理想横摆角速度信号，如下：

式中，和/>分别为理想质心侧偏角和理想横摆角速度，/>和/>分别为横摆角速度和质心侧偏角的修正量，/>和/>分别为修正后的横摆角速度和质心侧偏角；/>和/>分别表示系统的纵向位移量和侧向位移量；

步骤22：基于步骤21中的理想状态量模型，设计理想状态量跟踪控制器，所述控制器中的状态量定义为系统真实状态量与理想状态量跟踪误差，如下：

式中，e为系统真实状态量与理想状态量状态跟踪误差，X_d为理想状态量，X为系统真实状态量，e₁为质心侧偏角误差，e₂为横摆角速度误差，为实际质心侧偏角，γ实际横摆角速度；

构造切换函数S为：

式中，和/>分别为对应误差/>和误差/>的切换函数，/>和/>为切换函数待定参数；

采用等速趋近律设计控制器，如下：

式中，为等速趋近律控制器的参数，s为复数域下的控制器状态量；

则有：

式中，和/>为控制器参数；

步骤23：基于步骤22建立的理想状态量跟踪控制器，建立基于轮胎逆模型与理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器，所述轮胎逆模型如下：

式中，为第i个车轮的侧偏角，/>为第i个车轮侧偏角的幅值，w_n为系统的频率，/>为第i个车轮的侧偏力，|F_y|为侧偏力幅值，/>为第i个车轮的纵向力，μ为路面附着系数，/>为第i个车轮的垂向力，/>和/>分别为车轮纵向滑移刚度和侧偏刚度；

所述基于轮胎逆模型与理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器如下：

式中，为控制目标函数；/>为系统输出；/>为控制增量向量，N_e为预测时域；/>为k时刻控制量增量向量；Q_t和R_t为对称半正定矩阵；

构建分布式四轮转向系统的双转向域四轮转角分配策略，实现四轮转角协同分配，输出左前轮转角、左后轮转角、右前轮转角、右后轮转角，如下：

式中，左前轮转角，/>右前轮转角，/>为左后轮转角，/>为右后轮转角，|δ|为上一时刻转角绝对值，/>为前轮侧偏角，/>为后轮侧偏角，/>为转角的频率，v_x为纵向车速，v_y为侧向车速，b为质心到后轴的距离，B为阻尼系数。

步骤3：设计分布式四轮转向系统转角协同控制过程中的补偿控制博弈模型，建立分布式四轮转向系统转角协同博弈补偿控制方法，对上述步骤2中基于理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器的输出进行补偿，以提高系统的稳定性；具体包括：

步骤31：建立分布式四轮转向系统转角协同控制过程中的补偿控制博弈模型，所述补偿控制博弈模型包括参与人，参与人策略集以及参与人收益函数；参与人分为灵活性参与人和稳定性参与人，参与人集合为：

{灵活性参与人N₁，稳定性参与人N₂}

所述参与人策略集为：

式中，和/>分别表示车辆的纵向速度和横向速度，k(s)表示轨迹曲率；

所述参与人收益函数包括灵活性参与人收益函数和稳定性参与人收益函数；其中，灵活性参与人收益函数为：

式中，、/>表示理想轨迹纵向、侧向坐标点，/>、/>表示实际轨迹纵向、侧向坐标点；

稳定性参与人收益函数为：

/>

式中，表示基于神经网络的轮胎侧偏刚度估计结果，用以表征系统的稳定性程度，/>表示归一化操作；

步骤32：进行分布式四轮转向系统四轮转角协同过程理想转向信号优化设计；

通过步骤31中的补偿控制博弈模型对步骤22中设计的理想状态量跟踪控制器进行补偿策略设计；令f₁、f₂为步骤31中的补偿控制博弈模型参与人，则t时刻补偿控制博弈模型的纯策略收益矩阵如下：

式中，和/>分别表示灵活性参与人和稳定性参与人的收益函数；

设计补偿控制博弈模型纳什均衡优化求解方法，求解得到纳什均衡，进而根据工况和参与人间的博弈关系自适应的得到四轮转角分配补偿控制量，表达式如下：

式中，为最优的策略组合对应的收益，/>为第i个参与人当前时刻策略组合对应的收益，/>为第i个参与人除当前策略组合外的其他策略，/>为第i个参与人的第j个策略的收益，/>为第i个参与人的最优的策略组合收益，/>为第i个参与人的第j个策略的混合策略比例；

步骤33：建立分布式四轮转向系统转角协同博弈补偿控制方法，实现对步骤2中基于理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统四轮转角控制器输出的补偿控制，所述补偿控制方法包括左前轮转角补偿量、左后轮转角补偿量、右前轮转角补偿量、右后轮转角补偿量，如下：

式中，为左前轮转角补偿量，/>为右前轮转角补偿量，/>为左后轮转角补偿量，/>为右后轮转角补偿量；

将上述输出的补偿量与步骤23输出的左前轮转角、左后轮转角、右前轮转角、右后轮转角分别进行叠加，并输出到步骤11建立的分布式四轮转向系统动力学模型，形成闭环控制。

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 (9)

1.一种分布式四轮转向系统，其特征在于，包括：左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块、车架、供电模块及转向域协同控制器；

所述左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块采用相同的机械结构，包括：转向电机控制器、转向电机、一级行星齿轮减速机构、二级蜗轮蜗杆减速机构、间隙自适应调整模块、转向臂管柱、转角传感器、转向臂、上叉臂、减振器、转向立柱、制动盘总成、轮毂电机、车轮、下叉臂、转向电机低压供电线束、低压电源、车架连接件、安装支架、驱动电机高压线束及高压电源；

所述转向电机控制器与转向电机的壳体采用一体化设计，所述转向电机控制器控制转向电机转动；转向电机的输出轴与一级行星齿轮减速机构相连，一级行星齿轮减速机构与二级蜗轮蜗杆减速机构相连；所述二级蜗轮蜗杆减速机构与间隙自适应调整模块相连；所述间隙自适应调整模块的输出端与转向臂管柱的上端刚性连接，转向臂管柱的下端与转向臂刚性连接，从而将转向电机的输出力矩传递到转向臂；所述转角传感器套设于转向臂管柱上，采集转向臂管柱的转角信号，并发送到转向电机控制器；所述转向臂与转向立柱通过上叉臂、减振器及下叉臂进行装配，转向立柱的中心位置分别与制动盘总成、轮毂电机、车轮相连；所述转向立柱的上端分别与上叉臂、减振器的下端铰接，上叉臂的上端和减振器的上端均与转向臂的上端铰接，转向立柱的下端与下叉臂的上端铰接，下叉臂的下端与转向臂的下端铰接；所述安装支架与转向臂刚性连接；所述车架连接件与安装支架刚性连接；所述轮毂电机通过驱动电机高压线束与高压电源相连；所述转向电机控制器通过转向电机低压供电线束与低压电源相连；

所述高压电源、低压电源均与供电模块相连，供电模块实现对高压电源和低压电源的电量监测与供电保护；

所述转向域协同控制器通过CAN总线分别与左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块中的转向电机控制器进行通信，实现对左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块的控制；

所述车架连接件与车架刚性连接，实现角模块对车架的支撑。

2.根据权利要求1所述的分布式四轮转向系统，其特征在于，所述间隙自适应调整模块包括：压力传感器、连杆机构、电子控制单元、环形直线永磁电机；所述连杆机构的上端与二级蜗轮蜗杆减速机构的调节螺栓相连，连杆机构的下端与环形直线永磁电机的输出轴相连；所述压力传感器位于连杆机构的上端，并输出信号给电子控制单元，电子控制单元的壳体与环形直线永磁电机的壳体一体化设计。

3.根据权利要求1所述的分布式四轮转向系统，其特征在于，当压力传感器输出为0时，表示此时无间隙，环形直线永磁电机不工作；当压力传感器输出不为0时，表示此时存在间隙，所述环形直线永磁电机通过推动连杆机构使二级蜗轮蜗杆减速机构的调节螺栓旋紧，从而使压力传感器的输出为0。

4.根据权利要求1所述的分布式四轮转向系统，其特征在于，所述转向电机采用低压小扭矩电机。

5.根据权利要求1所述的分布式四轮转向系统，其特征在于，所述安装支架为弹性零件，具有缓冲作用。

6.一种分布式四轮转向系统的双转向域转角协同方法，基于权利要求1-5中任意一项所述系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立分布式四轮转向系统的双转向域运动控制模型；

步骤2：设计基于轮胎逆模型和理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器，构建分布式四轮转向系统的双转向域四轮转角分配策略；

步骤3：设计分布式四轮转向系统转角协同控制过程中的补偿控制博弈模型，建立分布式四轮转向系统转角协同博弈补偿控制方法，对上述步骤2中基于理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器的输出进行补偿，以提高系统的稳定性。

7.根据权利要求6所述的分布式四轮转向系统的双转向域转角协同方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤11：建立分布式四轮转向系统动力学模型，其包括左转向域动力学模型和右转向域动力学模型，所述左转向域动力学模型包括左前角模块动力学模型和左后角模块动力学模型；所述右转向域动力学模型包括右前角模块动力学模型和右后角模块动力学模型；

四个角模块的动力学模型形式相同，如下：

；

式中，当i=fl时表示为左前角模块动力学模型，当i=fr时表示为右前角模块动力学模型，当i=rl时表示为左后角模块动力学模型，当i=rr时表示为右后角模块动力学模型，为第i个角模块的等效转动惯量，/>为第i个角模块等效粘性阻尼系数，/>为第i个角模块的等效转角，/>为第i个角模块等效输出力矩，/>为转向阻力矩在第i个角模块上的等效力矩，/>为等效到第i个角模块上的路面随机干扰力矩；

所述左前角模块动力学模型、左后角模块动力学模型、右前角模块动力学模型和右后角模块动力学模型分别输出左前角模块等效转角、左后角模块等效转角/>、右前角模块等效转角/>、右后角模块等效转角/>；

步骤12：基于分布式四轮转向系统动力学模型，建立、/>、/>、/>与左转向域的转向瞬心、右转向域的转向瞬心以及理想转向瞬心映射关系；

所述左转向域的转向瞬心为左前角模块动力学模型、左后角模块动力学模型在车轮坐标系下y轴延长线的交点；

所述右转向域的转向瞬心为右前角模块动力学模型和右后角模块动力学模型在车轮坐标系下y轴延长线的交点；

所述理想转向瞬心由转向域协同控制器产生；

所述左前轮转角、左后轮转角、右前轮转角、右后轮转角与左转向域的转向瞬心、右转向域的转向瞬心以及理想转向瞬心映射关系通过数据拟合的方法建立；

步骤13：根据左转向域的转向瞬心、右转向域的转向瞬心以及理想转向瞬心，建立考虑侧偏刚度不确定性的左转向域运动控制模型，包括：左转向域侧向模型、左转向域横摆模型、左转向域侧倾模型：

；

式中，β_l为左转向域的质心侧偏角，为左转向域的横摆角速度，/>为左转向域的侧倾角，k_fl和k_rl分别为左前轮和左后轮的侧偏刚度，I_xeq为绕x轴的等效转动惯量，m_l为左转向域质量，v_x为纵向车速，I_x为整车绕x轴转动惯量，a和b分别为质心到前轴和后轴的距离，I_z为整车绕z轴转动惯量，h为质心高度，g为重力加速度，k_s为簧载质量系数，c_s为簧载刚度系数，δ_fl和δ_rl分别为左前轮和左后轮的转角；

转向过程中侧偏刚度因路面附着系数、垂向载荷发生变化，在系统中带来不确定性，得到侧偏刚度如下：

；

其中，k_fl0、k_rl0分别为车辆前轴、后轴单侧轮胎侧偏刚度的标称值，∆k_fl、∆k_rl为对应的摄动量；

步骤13：建立考虑侧偏刚度不确定性的右转向域运动控制模型，包括右转向域侧向模型、右转向域横摆模型、右转向域侧倾模型：

；

式中，β_r为右转向域的质心侧偏角，为右转向域的横摆角速度，/>为右转向域的侧倾角，k_fr和k_rr分别为右前轮和右后轮的侧偏刚度，m_r为右转向域的质量，δ_fr和δ_rr分别为右前轮和右后轮的转角。

8.根据权利要求7所述的分布式四轮转向系统的双转向域转角协同方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤21：构建理想状态量模型，所述理想状态量包括理想质心侧偏角信号和理想横摆角速度信号，如下：

；

式中，和/>分别为理想质心侧偏角和理想横摆角速度，/>和/>分别为横摆角速度和质心侧偏角的修正量，/>和/>分别为修正后的横摆角速度和质心侧偏角；/>和分别表示系统的纵向位移量和侧向位移量；

步骤22：基于步骤21中的理想状态量模型，设计理想状态量跟踪控制器，所述控制器中的状态量定义为系统真实状态量与理想状态量跟踪误差，如下：

；

式中，e为系统真实状态量与理想状态量状态跟踪误差，X_d为理想状态量，X为系统真实状态量，e₁为质心侧偏角误差，e₂为横摆角速度误差，为实际质心侧偏角，γ实际横摆角速度；

构造切换函数S为：

；

式中，和/>分别为对应误差/>和误差/>的切换函数，/>和/>为切换函数待定参数；

采用等速趋近律设计控制器，如下：

；

式中，为等速趋近律控制器的参数，s为复数域下的控制器状态量；

则有：

；

式中，和/>为控制器参数；

步骤23：基于步骤22建立的理想状态量跟踪控制器，建立基于轮胎逆模型与理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器，所述轮胎逆模型如下：

；

式中，为第i个车轮的侧偏角，/>为第i个车轮侧偏角的幅值，w_n为系统的频率，/>为第i个车轮的侧偏力，|F_y|为侧偏力幅值，/>为第i个车轮的纵向力，μ为路面附着系数，/>为第i个车轮的垂向力，/>和/>分别为车轮纵向滑移刚度和侧偏刚度；

所述基于轮胎逆模型与理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统转角协同控制器如下：

；

式中，为控制目标函数；/>为系统输出；/>为控制增量向量，N_e为预测时域；/>为k时刻控制量增量向量；Q_t和R_t为对称半正定矩阵；

构建分布式四轮转向系统的双转向域四轮转角分配策略，实现四轮转角协同分配，输出左前轮转角、左后轮转角、右前轮转角、右后轮转角，如下：

；

式中，左前轮转角，/>右前轮转角，/>为左后轮转角，/>为右后轮转角，|δ|为上一时刻转角绝对值，/>为前轮侧偏角，/>为后轮侧偏角，/>为转角的频率，v_x为纵向车速，v_y为侧向车速，b为质心到后轴的距离，B为阻尼系数。

9.根据权利要求8所述的分布式四轮转向系统的双转向域转角协同方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤31：建立分布式四轮转向系统转角协同控制过程中的补偿控制博弈模型，所述补偿控制博弈模型包括参与人，参与人策略集以及参与人收益函数；参与人分为灵活性参与人和稳定性参与人，参与人集合为：

{灵活性参与人N₁，稳定性参与人N₂}

所述参与人策略集为：

；

式中，和/>分别表示车辆的纵向速度和横向速度，k(s)表示轨迹曲率；

所述参与人收益函数包括灵活性参与人收益函数和稳定性参与人收益函数；灵活性参与人收益函数为：

；

式中，、/>表示理想轨迹纵向、侧向坐标点，/>、/>表示实际轨迹纵向、侧向坐标点；

稳定性参与人收益函数为：

；

式中，表示基于神经网络的轮胎侧偏刚度估计结果，用以表征系统的稳定性程度，/>表示归一化操作；

步骤32：进行分布式四轮转向系统四轮转角协同过程理想转向信号优化设计；

通过步骤31中的补偿控制博弈模型对步骤22中设计的理想状态量跟踪控制器进行补偿策略设计；令f₁、f₂为步骤31中的补偿控制博弈模型参与人，则t时刻补偿控制博弈模型的纯策略收益矩阵如下：

；

式中，和/>分别表示灵活性参与人和稳定性参与人的收益函数；

设计补偿控制博弈模型纳什均衡优化求解方法，求解得到纳什均衡，进而根据工况和参与人间的博弈关系自适应的得到四轮转角分配补偿控制量，表达式如下：

；

式中，为最优的策略组合对应的收益，/>为第i个参与人当前时刻策略组合对应的收益，/>为第i个参与人除当前策略组合外的其他策略，/>为第i个参与人的第j个策略的收益，/>为第i个参与人的最优的策略组合收益，/>为第i个参与人的第j个策略的混合策略比例；

步骤33：建立分布式四轮转向系统转角协同博弈补偿控制方法，实现对步骤2中基于理想状态量跟踪控制器的分布式四轮转向系统四轮转角控制器输出的补偿控制，所述补偿控制方法包括左前轮转角补偿量、左后轮转角补偿量、右前轮转角补偿量、右后轮转角补偿量，如下：

；

式中，为左前轮转角补偿量，/>为右前轮转角补偿量，/>为左后轮转角补偿量，为右后轮转角补偿量；

将上述输出的补偿量与步骤23输出的左前轮转角、左后轮转角、右前轮转角、右后轮转角分别进行叠加，并输出到步骤11建立的分布式四轮转向系统动力学模型，形成闭环控制。