CN116923540A - 一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，涉及车辆控制技术领域，由驾驶员模型输出前轮转角δf、油门踏板开度αp和油门踏板开度变化率Δαp，并通过前轮转向车辆二自由度动力学方程获得理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度γd；再基于分布式驱动转矩矢量控制方法和后轮主动转向控制方法的特点，同时结合车辆的实际质心侧偏角β和实际横摆角速度γ进行不同工况下的车辆目标运动状态跟踪，求取附加横摆力矩ΔMz和/或后轮转角δr，最后通过四轮转向分布式驱动车辆模型实现对车辆的协同控制。本发明在考虑控制效果的同时最大程度兼顾了驾驶员的驾驶习惯和驾驶需求，既提升了车辆控制系统的整体性能，又保证了车辆的灵敏性、操控性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及车辆控制技术领域，特别涉及一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法。
背景技术
近年来，随着汽车电子技术的快速发展，四轮转向技术及分布式驱动控制技术已经成为当下汽车控制领域的研究热点。四轮转向系统技术能够实现后轮主动转向，使汽车在弯道中能够维持较小的质心侧偏角，有效提升转向系统的响应能力，并提高汽车的行驶稳定性。而分布式驱动控制技术则能够依靠转矩矢量分配技术控制不同车轮的牵引力，产生附加横摆力矩，改变汽车的横摆运动，获得更好的弯道行驶能力。然而，四轮转向技术和分布式驱动控制技术在面对相同的控制对象时，将构成一个复杂的非线性耦合系统，极大增加了控制算法的设计难度，因此需要一种简单有效的控制方法。
发明内容
本发明提供一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，其主要目的在于解决现有技术存在的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，包括以下步骤：
（1）由驾驶员模型输出前轮转角δf，并基于前轮转向车辆二自由度动力学方程求得理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度γd；
（2）将车辆的行驶工况划分为高速工况、中速工况和低速工况，结合分布式驱动转矩矢量控制方法和后轮主动转向控制方法的特点，制定基于不同工况需求的分段式融合控制策略，从而求取附加横摆力矩ΔMz和/或后轮转角δr；在该步骤中，高速工况和低速工况下，后轮主动转向控制方法中的前馈控制采用前、后轮转角成比例的控制方法，设定前馈后轮转角与前轮转角比例系数为k，基于不同工况需求对前、后轮转角比例系数k进行修正：
其中，m为车辆质量，a为底盘的前轴距质心距离，b为车辆的后轴距质心距离，u为车辆质心纵向车速，k1、k2为车辆的前、后轴等效侧偏刚度，L为车辆轴距，u1、u2为车速分段阈值；
（3）由驾驶员模型输出前轮转角δf、油门踏板开度αp和油门踏板开度变化率Δαp，结合经分段式融合控制策略求取的附加横摆力矩ΔMz和/或后轮转角δr，通过四轮转向分布式驱动车辆模型实现对车辆的协同控制。
进一步，步骤（2）中，分段式融合控制策略包括：
a．高速工况下，以理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度γd为控制目标，采用分布式驱动转矩矢量控制方法与后轮主动转向控制方法相融合的协同控制策略，同时结合车辆的实际质心侧偏角β和实际横摆角速度γ进行高速工况下的车辆目标运动状态跟踪，从而求取附加横摆力矩ΔMz和后轮转角δr；
b．中速工况下，以理想横摆角速度γd为控制目标，采用分布式驱动转矩矢量控制方法的单一控制策略，同时结合车辆的实际横摆角速度γ进行中速工况下的车辆目标运动状态跟踪，从而求取附加横摆力矩ΔMz；
c．低速工况下，以理想横摆角速度γd为控制目标，采用分布式驱动转矩矢量控制方法与后轮主动转向控制方法相融合的协同控制策略，同时结合车辆的实际横摆角速度γ进行低速工况下的车辆目标运动状态跟踪，从而求取附加横摆力矩ΔMz和后轮转角δr。
进一步，步骤（2）中，高速工况下所采用的后轮主动转向控制方法为前馈和反馈相结合的闭环控制方法；低速工况下所采用的后轮主动转向控制方法为前馈自适应控制方法。
进一步，步骤（2）中，首先基于稳态转向前轮转向车辆二自由度动力学方程求取车辆稳态转向时前、后轮转角比例系数k的计算公式为：
然后基于不同工况需求对前、后轮转角比例系数k进行修正，并求取四轮转向车辆对前轮输入的稳态横摆角速度增益为：
其中，K——稳定性因数，单位为s2/m2，是表征车辆稳态响应的一个重要参数。
进一步，步骤（1）中，所述前轮转向车辆二自由度动力学方程为：
其中，β为车辆质心侧偏角，γ为车辆横摆角速度，δf为前轮转角，IZ为车辆的横摆转动惯量。
进一步，以车辆无侧滑状态下的质心侧偏角作为理想值，即理想质心侧偏角βd为0。
进一步，以车辆稳态转向工况下的横摆角速度作为理想值，并基于路面附着系数的影响对该理想值进行修正，由此得到理想横摆角速度γd计算公式为：
其中，稳定性因数，L为车辆轴距，μ为路面附着系数，g为重力加速度，0.85为设置的安全系数。
进一步，高速工况下，后轮主动转向控制中的反馈控制采用基于质心侧偏角理想值的滑模控制，根据滑模变结构控制原理，结合前轮转向车辆二自由度动力学方程，得到后轮转角控制量为：
其中，s为滑模面，ε为趋紧速度，为指数趋近项，Δ为饱和函数边界层厚度。
进一步，步骤（2）中，分布式驱动转矩矢量控制采用上下分层的控制方法，上层为运动跟踪层，获取附加横摆力矩ΔMz和纵向驱动力T；下层为执行器控制层，结合输出的上层附加横摆力矩ΔMz和纵向驱动扭矩T对左右驱动轮进行转矩分配，从而实现车辆的横摆控制。
和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于：
本发明所提供的一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，通过结合分布式驱动转矩矢量控制方法和后轮主动转向控制方法的特点，制定基于不同工况需求的分段式融合控制策略。本发明所提供的控制方法在考虑控制效果的同时最大程度兼顾了驾驶员的驾驶习惯和驾驶需求，既提升了车辆控制系统的整体性能，又保证了车辆的灵敏性、操控性和稳定性。
附图说明
图1为本发明中车辆二自由度模型示意图。
图2为本发明中k-u关系曲线示意图。
图3为本发明中前轮转向和四轮转向横摆角速度增益曲线示意图。
图4为本发明中修正后的k-u关系曲线示意图。
图5为本发明中修正后的前轮转向和四轮转向横摆角速度增益曲线示意图。
图6为本发明中分段式融合控制策略原理框图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。
本发明以前轮驾驶员操作转向，后轮线控主动转向的分布式驱动电动汽车为对象进行说明，具体实施步骤如下：
1、基于车辆二自由度模型的理想参考值计算
参照图1，基于车辆二自由度模型，可得到车辆侧向及横摆运动方程：
（1）
前、后轴所受侧向力可线性表达为：
（2）
车辆质心侧偏角及前后轮侧偏角为：
（3）
将式（1）至（3）进行整合得到前轮转向车辆二自由度动力学方程：
（4）
式（1）至（4）中：
FY,FWS——地面对前轮转向车辆侧向反作用力；
MZ,FWS——前轮转向车辆所受地面横摆力矩；
FY1、FY2——地面对车辆前轮、后轮侧向反作用力；
δf——前轮转角；
m——车辆质量；
u——车辆质心纵向车速；
v——车辆质心侧向车速；
γ——为车辆横摆角速度；
IZ——车辆的横摆转动惯量；
k1、k2——车辆的前、后轴等效侧偏刚度；
α1、α2——前、后车轮轮胎侧偏角；
β——车辆质心侧偏角；
a——底盘的前轴距质心距离；
b——车辆的后轴距质心距离。
四轮转向分布式驱动车辆的理想参考值包括理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度γd，因此可以由驾驶员模型输出前轮转角δf，并基于式（4）的前轮转向车辆二自由度动力学方程进一步求取理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度γd，具体如下：
（1）理想质心侧偏角
质心侧偏角反应车辆行驶过程中的车身姿态和轨迹偏离状况，本发明以车辆无侧滑状态下的质心侧偏角作为理想值，即理想质心侧偏角βd为0，从而保证车辆具有较好的行驶轨迹。
（2）理想横摆角速度
横摆角速度能够直接反应车辆的转向操纵性能，忽略车辆横摆角速度对前轮转角δf的瞬态响应，以车辆稳态转向工况下的横摆角速度作为理想值，此时，、/>，带入式（4）前轮转向车辆二自由度动力学方程得到理想横摆角速度γd为：
（5）
式（5）中：
K——稳定性因数，；L为车辆轴距。
此外，考虑轮胎的极限受力工况和车辆受路面附着系数的影响，理想横摆角速度还受到如下约束：
（6）
式（6）中：
μ——路面附着系数；
g——为重力加速度；
其中0.85为设置的安全系数。
因此，考虑到路面附着系数后，理想横摆角速度为：
（7）
则四轮转向分布式驱动车辆的理想参考值为：
（8）
2、分布式驱动转矩矢量控制方法
分布式驱动转矩矢量控制方法能够依靠转矩矢量分配技术控制不同车轮的牵引力，产生附加横摆力矩，改变汽车的横摆运动，获得更好的弯道行驶能力。具体来说，本发明的分布式驱动转矩矢量控制方法采用上下分层控制，分层控制的上层为运动跟踪层，具体采用基于理想不足转向度的前馈控制和基于理想横摆角速度γd的反馈控制相融合的控制方式，输出附加横摆力矩ΔMz和纵向驱动力T；分层控制的下层为执行器控制层，根据不同工况的需求，结合输出的附加横摆力矩ΔMz和纵向驱动扭矩T对左右驱动轮进行转矩分配，从而实现车辆的横摆控制。
3、基于后轮主动转向控制方法的后轮主动转向控制律设计
后轮主动转向控制通过直接控制后轮转角δr，使汽车在弯道中能够维持较小的质心侧偏角，从而有效提升转向系统的响应能力，并提高汽车的行驶稳定性。根据不同的行驶工况或驾驶需求，后轮主动转向控制方法可以采用前馈和反馈相结合的闭环控制方法，也可以单独采用前馈自适应控制方法。以下分别对后轮主动转向控制方法的前馈控制和反馈控制进行详细介绍：
（1）后轮主动转向控制方法的前馈控制
后轮主动转向控制方法的前馈控制采用前后轮转角成比例的控制方法，设前馈控制中后轮转角与前轮转角比例系数k为：
（9）
式（9）中：
δr——后轮转角；
δf——前轮转角；
k——前、后轮转角比例系数。
当车辆处于稳态转向时，车辆横摆角速度γ为定值，此时横摆角加速度，车辆侧向加速度/>，将上述条件带入式（4）前轮转向车辆二自由度动力学方程，可得到车辆稳态转向时质心侧偏角β=0时的前、后轮转角比例系数k为：
（10）
式（10）中：
L——车辆轴距。
参照图2，转角比例系数k是随车速u的变化而变化，当车辆低速转向时，k为负值，此时前后轮作逆向转动，从而减小车辆的转弯半径提高车辆的机动性。当车辆高速转向时，k为正值，此时前后轮作同向转向，从而减小车辆的质心侧偏角提升车辆的操纵稳定性和安全性。
当车辆进入稳态时，车辆横摆角速度γ、前轮转角δf为定值，即此时、/>，结合前、后轮转角比例系数k，可得四轮转向车辆对前轮输入的稳态横摆角速度增益，其中稳态横摆角速度增益以符号/>表示，具体如下：
（11）
当 k=0 时，可得到前轮转向车辆的稳态横摆角速度增益：
（12）
式（12）中：
K——稳定性因数，单位为s2/m2，是表征车辆稳态响应的一个重要参数。
结合车辆参数通过式（11）和式（12）可以计算得到四轮转向车辆及前轮转向的稳态横摆角速度增益曲线。
参照图3，与前轮转向车辆相比，采用前、后轮转角成比例前馈控制的四轮转向车辆在低速转向时其稳态横摆角速度增益更大，说明转过相同的弯道时，四轮转向车辆比前轮转向车辆要少打方向盘，即四轮转向车辆转向更轻便，机动性更好；高速时四轮转向车辆的稳态横摆角速度增益比前轮转向的要小，说明经过相同弯道时，四轮转向车辆比前轮转向要多打方向盘。
虽然在一定程度上提高了车辆的主动安全性，但高速时四轮转向车辆的稳态横摆角速度增益较前轮转向减小量较大，造成了一定的不足转向，从而给习惯于驾驶传统前轮转向车辆的驾驶员带来一定的不适及负担。同时低速工况下前、后轮转角比例系数k的绝对值过大，可能导致车辆甩尾剐蹭，严重影响了驾驶员的驾驶习惯。针对这种情况，本发明提出基于车速分段的改进的前、后轮转角比例系数k计算公式，如下：
（13）
式（13）中：
u1、u2——车速分段阈值，可通过计算和标定确定。
参照图4和图5，基于修正后的前、后轮转角比例系数k，不仅可以提升低速下的转向灵活性，避免因后轮转角过大造成剐蹭，还能够减弱中高速下的不足转向度，提升操纵性，同时最大程度兼顾了驾驶员的驾驶习惯和驾驶需求。
（2）后轮主动转向控制方法的反馈控制
后轮主动转向控制方法的反馈控制基于理想的质心侧偏角采用滑模控制设计控制律，结合滑模变结构控制原理，设置滑模面s为：
（14）
求导得：
（15）
结合式（4）前轮转向车辆二自由度动力学方程可得：
（16）
采用指数趋近率，其具有趋近速度快，到达切换面附近速度小的特点，可以通过调整参数实现快速趋近和削弱抖动的功能，即：
（17）
式（17）中：
ε——代表趋紧速度；
——代表指数趋近项。
联立式（16）和式（17）可得反馈控制后轮转角：
（18）
此外，为消除滑模控制器抖动问题，采用饱和函数sat（s/Δ）代替符号函数sgn（s）。即：
（19）
式（19）中，Δ为饱和函数边界层厚度。Δ过大会导致不稳定，Δ过小会出现抖动。
最后得到后轮转角控制量为：
（20）
最终实际输出的后轮转角为前馈控制与反馈控制的输出之和。
4、分布式驱动转矩矢量控制与后轮主动转向协同控制
分布式驱动转矩矢量控制方法（TVC）和后轮主动转向控制方法（ARS）皆能够改变车辆的动态响应性能。其中，分布式驱动转矩矢量控制通过附加横摆力矩ΔMz来调整车辆姿态，后轮主动转向控制则通过直接控制后轮转角δr来改变车辆的动态响应。
参照图6，本发明将车辆的行驶工况划分为高速工况、中速工况和低速工况，结合分布式驱动转矩矢量控制方法和后轮主动转向控制方法的特点，即分布式驱动转矩矢量控制是以理想横摆角速度γd作为闭环控制，而后轮主动转向控制是以理想质心侧偏角βd作为闭环控制，前者侧重于操控性能，后者侧重于稳定性能，由此进一步制定基于不同工况需求的分段式融合控制策略：
（1）高速工况
高速工况对车辆的稳定性需求较大，因此以理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度γd为控制目标，采用分布式驱动转矩矢量控制方法与后轮主动转向控制方法相融合的协同控制策略，同时结合车辆的实际质心侧偏角β和实际横摆角速度γ进行高速工况下的车辆目标运动状态跟踪，从而求取附加横摆力矩ΔMz和后轮转角δr。其中，所采用的后轮主动转向控制方法为前馈和反馈相结合的闭环控制方法，且车辆实际质心侧偏角超出一定阈值β0时反馈控制才介入，从而保证车辆的稳定性，同时能够兼顾驾驶员的驾驶习惯。
（2）中速工况
中速工况对车辆的稳定性需求相比于对车辆的转向操作性需求较小，因此以理想横摆角速度γd为控制目标，采用分布式驱动转矩矢量控制方法的单一控制策略，同时结合车辆的实际横摆角速度γ进行中速工况下的车辆目标运动状态跟踪，从而求取附加横摆力矩ΔMz。而后轮取消主动转向控制功能，采用机械锁止机构进行自动锁止。
（3）低速工况
低速工况对车辆的稳定性需求小，但是对车辆的转向操控性需求大，因此以理想横摆角速度γd为控制目标，采用分布式驱动转矩矢量控制方法与后轮主动转向控制方法相融合的协同控制策略，同时结合车辆的实际横摆角速度γ进行低速工况下的车辆目标运动状态跟踪，从而求取附加横摆力矩ΔMz和后轮转角δr。其中，所采用的后轮主动转向控制方法为前馈自适应控制方法。
（4）各工况下的协同控制输出
参照图6，Tfl、Tfr、Trl、Trr分别为各驱动轮电机扭矩，T为总需求扭矩，αp、Δαp分别为油门踏板开度和油门踏板开度变化率，ay为侧向加速度，ωi为各轮轮速，i=fl，fr，rl，rr。由驾驶员模型输出前轮转角δf、油门踏板开度αp和油门踏板开度变化率Δαp，并通过前轮转向车辆二自由度动力学方程获得理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度γd，再基于分布式驱动转矩矢量控制方法和后轮主动转向控制方法的特点，同时结合车辆的实际质心侧偏角β和实际横摆角速度γ进行不同工况下的车辆目标运动状态跟踪，输出后轮转角δr控制指令及附加横摆力矩ΔMz，附加横摆力矩ΔMz再通过扭矩分配器得到各轮端驱动扭矩Tfl、Tfr、Trl、Trr，从而实现对车辆的协同控制。
本发明是以分布式驱动电动汽车为对象进行说明，其中后轮主动转向控制技术同样适用于非分布式驱动车辆，融合控制策略可适用于分布式驱动车辆的稳定性控制。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (9)
1.一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）由驾驶员模型输出前轮转角δf，并基于前轮转向车辆二自由度动力学方程求得理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度γd；
（2）将车辆的行驶工况划分为高速工况、中速工况和低速工况，结合分布式驱动转矩矢量控制方法和后轮主动转向控制方法的特点，制定基于不同工况需求的分段式融合控制策略，从而求取附加横摆力矩ΔMz和/或后轮转角δr；在该步骤中，高速工况和低速工况下，后轮主动转向控制方法中的前馈控制采用前、后轮转角成比例的控制方法，设定前馈后轮转角与前轮转角比例系数为k，基于不同工况需求对前、后轮转角比例系数k进行修正：
其中，m为车辆质量，a为底盘的前轴距质心距离，b为车辆的后轴距质心距离，u为车辆质心纵向车速，k1、k2为车辆的前、后轴等效侧偏刚度，L为车辆轴距，u1、u2为车速分段阈值；
（3）由驾驶员模型输出前轮转角δf、油门踏板开度αp和油门踏板开度变化率Δαp，结合经分段式融合控制策略求取的附加横摆力矩ΔMz和/或后轮转角δr，通过四轮转向分布式驱动车辆模型实现对车辆的协同控制。
2.如权利要求1所述的一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于：步骤（2）中，分段式融合控制策略包括：
a．高速工况下，以理想质心侧偏角βd和理想横摆角速度γd为控制目标，采用分布式驱动转矩矢量控制方法与后轮主动转向控制方法相融合的协同控制策略，同时结合车辆的实际质心侧偏角β和实际横摆角速度γ进行高速工况下的车辆目标运动状态跟踪，从而求取附加横摆力矩ΔMz和后轮转角δr；
b．中速工况下，以理想横摆角速度γd为控制目标，采用分布式驱动转矩矢量控制方法的单一控制策略，同时结合车辆的实际横摆角速度γ进行中速工况下的车辆目标运动状态跟踪，从而求取附加横摆力矩ΔMz；
c．低速工况下，以理想横摆角速度γd为控制目标，采用分布式驱动转矩矢量控制方法与后轮主动转向控制方法相融合的协同控制策略，同时结合车辆的实际横摆角速度γ进行低速工况下的车辆目标运动状态跟踪，从而求取附加横摆力矩ΔMz和后轮转角δr。
3.如权利要求2所述的一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于：步骤（2）中，高速工况下所采用的后轮主动转向控制方法为前馈和反馈相结合的闭环控制方法；低速工况下所采用的后轮主动转向控制方法为前馈自适应控制方法。
4.如权利要求1所述的一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于：步骤（2）中，首先基于稳态转向时前轮转向车辆二自由度动力学方程求取车辆稳态转向时前、后轮转角比例系数k的计算公式为：
然后基于不同工况需求对前、后轮转角比例系数k进行修正，并求取四轮转向车辆对前轮输入的稳态横摆角速度增益为：
其中，K——稳定性因数，单位为s2/m2，是表征车辆稳态响应的一个重要参数。
5.如权利要求1所述的一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于：步骤（1）中，所述前轮转向车辆二自由度动力学方程为：
其中，β为车辆质心侧偏角，γ为车辆横摆角速度，δf为前轮转角，IZ为车辆的横摆转动惯量。
6.如权利要求5所述的一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于：以车辆无侧滑状态下的质心侧偏角作为理想值，即理想质心侧偏角βd为0。
7.如权利要求5所述的一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于：以车辆稳态转向工况下的横摆角速度作为理想值，并基于路面附着系数的影响对该理想值进行修正，由此得到理想横摆角速度γd计算公式为：
其中，稳定性因数，μ为路面附着系数，g为重力加速度，0.85为设置的安全系数。
8.如权利要求3所述的一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于：高速工况下，后轮主动转向控制中的反馈控制采用基于质心侧偏角理想值的滑模控制，根据滑模变结构控制原理，结合前轮转向车辆二自由度动力学方程，得到后轮转角控制量为：
其中，s为滑模面，ε为趋紧速度，为指数趋近项，Δ为饱和函数边界层厚度。
9.如权利要求1所述的一种分布式驱动电动汽车四轮转向控制方法，其特征在于：步骤（2）中，分布式驱动转矩矢量控制采用上下分层的控制方法，上层为运动跟踪层，获取附加横摆力矩ΔMz和纵向驱动力T；下层为执行器控制层，结合输出的上层附加横摆力矩ΔMz和纵向驱动扭矩T对左右驱动轮进行转矩分配，从而实现车辆的横摆控制。
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