CN117087628B - 双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动防跑偏控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动防跑偏控制方法，用于车辆的制动防跑偏，设置信号输入层、整车控制层和执行层的控制架构；首先根据采集的原始信号，进行车速估计；然后进行理想车辆横摆角速度的计算；然后判断车辆是否跑偏；然后计算两侧履带的滑移率；然后制定跑偏控制指标；最后执行器执行制动。本发明通过对履带车辆的动力学参数进行测量和估计识别车辆是否进入制动抱死工况，然后控制两侧履带处于最优滑移率和横摆角速度，保证制动方向的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及履带车辆的制动控制技术，具体涉及其制动防跑偏控制方法，应用于双侧独立电驱动无人驾驶车型。
背景技术
履带车辆适用于旷野无路的环境下行驶，因此具有很高的搜救等用途。随着电动化智能化技术的发展，无人驾驶电驱动履带车辆也开始得到应用，表现出很高的机动性能。
双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆，取消了中间的转向电机，通过两侧电机来实现差速转向，传动形式简洁高效，并可增大车辆内部可用空间，因此是未来履带车车辆的一种重要发展方向。但是双侧独立电驱动取消了中间耦合机构，将导致制动时两侧履带受力不均，从而跑偏的问题。
针对双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆跑偏的问题，存在驱动和制动两种使用状态。针对驱动的跑偏问题，现有方法有采用累计两侧轮速，通过偏差来纠正车辆方向的。然而对于制动跑偏问题，目前还未见到相关文献给出具体的解决办法。
发明内容
本发明提出一种双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动防跑偏控制方法，主要解决的技术问题是双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动工况下跑偏的问题。本发明通过对履带车辆的动力学参数进行测量和估计，识别车辆是否进入制动抱死的工况，触发防抱死控制算法，控制两侧履带处于最优滑移率和横摆角速度，以保证制动方向的稳定性。
本发明的技术方案是：
一种双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动防跑偏控制方法，设置包含信号输入层、整车控制层和执行层的控制架构；
在信号输入层中有车辆状态以及动力学状态参数信息；
在整车控制层中设置有制动防跑偏控制程序；
在执行层中包括对左电机、右电机和左制动阀、右制动阀的控制，输出电机驱动转矩命令和制动阀压力命令；
控制过程是：
首先根据采集的原始信号，进行车速估计；
然后再进行理想车辆横摆角速度的计算；
然后再判断车辆是否跑偏；
然后在确定车辆跑偏的基础上再计算两侧履带的滑移率；
然后再制定跑偏控制指标；
最后执行器执行制动。
进一步地：
所述信号输入层中包括的参数有：左电机反馈转矩、右电机反馈转矩、左电机转速/>、右电机转速/>、左侧制动压力/>、右侧制动压力/>、主动轮半径/>、电机输出轴到主动轮传动比/>、初始车速/>、车身纵向加速度/>、车身横向加速度/>、车身横摆角速度/>、车身侧倾角速度/>、加速百分比指令/>、制动百分比指令/>、转向百分比指令/>。
进一步地：
根据采集的参数：左电机转速、右电机转速/>、主动轮半径/>、车身纵向加速度/>、电机输出轴到主动轮传动比/>、初始车速/>，计算左侧履带速度/>、右侧履带速度/>、左减速比/>、右减速比/>、观测的车速/>，最终估计车速/>：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
为权重系数，根据经验自定义。
进一步地：
理想车辆横摆角速度的计算如下：
（6）
（7）
（8）
其中，为/>的导数，/>为整车转动惯量，/>为主动轮半径，/>为电机输出轴到主动轮传动比，/>为左电机反馈转矩，/>为右电机反馈转矩，/>为履带中心距，/>、/>分别为左、右履带地面滚动阻力，/>为电机输出轴到履带的效率，/>为整车长度，/>为整车质量，/>为地面滚动阻力系数，/>为转向阻力系数，为履带接地段瞬间纵向偏移距离。
进一步地：
判断车辆是否跑偏有两种情形：（1）无转向需求的情况下，检测到实际横摆角速度大于设定的阈值时跑偏；（2）有转向需求的情况下，检测到实际横摆角速度与理想横摆角速度之差大于设定的阈值时跑偏。
进一步地：
计算两侧履带的滑移率：
（9）
（10）
其中，为左侧履带滑移率，/>为右侧履带滑移率，/>为左侧履带速度，/>为右侧履带速度，/>为估计的车速。
进一步地：
通过最优滑移率控制和横摆角速度修正控制，计算跑偏控制指标：
最优滑移率控制的目标是控制两侧履带滑移率低于0.2，据此计算下述指标：
（11）
（12）
（13）
（14）
（15）
（16）
其中，为左侧履带滑移率偏离最优值，/>为右侧履带滑移率偏离最优值，/>为左侧制动压力调节量，/>为右侧制动压力调节量，/>为左电机转矩第一调节量，/>为右电机转矩第一调节量，/>为制动压力调节PID控制参数，为电机转矩调节PID控制参数；
横摆角速度修正控制目标是控制实际横摆角速度和理想横摆角速度差值在设定阈值内，
计算下述指标：
（17）
（18）
（19）
（20）
其中，为实际横摆角速度，/>为理想横摆角速度，/>为左电机转矩第二调节量，/>为右电机转矩第二调节量，/>为横摆力矩PID控制参数。
进一步地：
根据两侧电机反馈的转矩和制动压力，判断当前车辆处于哪种制动模式，然后据此控制电机驱动转矩和制动阀压力：
（1）若左电机反馈转矩、右电机反馈转矩/>，左侧制动压力/>、右侧制动压力/>，则车辆处于完全机械制动模式；
（2）若左电机反馈转矩、右电机反馈转矩/>，左侧制动压力/>、右侧制动压力/>，则车辆处于完全电制动模式；
（3）若左电机反馈转矩、右电机反馈转矩/>，左侧制动压力/>、右侧制动压力/>，则车辆处于联合制动模式；
A）完全机械制动模式下的制动控制：
左电机驱动转矩；
右电机驱动转矩；
左制动阀压力；
右制动阀压力；
B）完全电制动模式下的制动控制：
左电机驱动转矩；
右电机驱动转矩；
左制动阀压力；
右制动阀压力；
C）联合制动模式下的制动控制：
左电机驱动转矩；
右电机驱动转矩；
左制动阀压力；
右制动阀压力；
其中，为左电机驱动初始转矩、/>右电机驱动初始转矩、/>左制动阀初始压力、/>为右制动阀初始压力。
通过本发明方法可以保证双侧独立驱动无人履带车辆的制动方向稳定性，从而保障车辆和道路参与者安全。
本发明还具有扩展性，能方便地扩展到任意形式采用双侧独立电驱动的车辆上，比如纯电动双侧独立电驱动履带车辆、串联混合动力双侧独立电驱动履带车辆等。
附图说明
图1是本发明的系统原理图。
图2是本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的描述，本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。
本实施例是针对双侧独立电驱动履带车辆而设计的制动防跑偏控制架构和实施策略，制动防跑偏控制中综合考虑了滑移率控制和横摆角速度跟踪控制。
图1是本发明提供的系统原理示意图。一种双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动防跑偏控制方法，设置有信号输入层、整车控制层以及执行层三层控制架构。
信号输入层主要为采集车辆部件状态信息以及动力学状态参数。
其中，所述信号输入层具体包括的参数有：左电机反馈转矩、右电机反馈转矩/>、左电机转速/>、右电机转速/>、左侧制动压力/>、右侧制动压力/>、主动轮半径/>、电机输出轴到主动轮传动比/>、初始车速/>、车身纵向加速度/>、车身横向加速度/>、车身横摆角速度/>、车身侧倾角速度/>、加速百分比指令/>、制动百分比指令/>、转向百分比指令/>。
整车控制层为核心算法层，包括从车辆动力学状态观测到车辆运动状态判断，再到制动防跑偏控制程序。
其中，所述车辆动力学状态观测主要包括理想横摆角速度和理想横向加速度的观测。
所述车辆运动状态判断指根据输入信号加速百分比指令、制动百分比指令/>、转向百分比指令/>判断车辆当前的运动状态。
所述车辆运动状态指车辆驱动、滑行、制动、左转向、右转向五种状态。
所述制动防跑偏控制需要考虑完全电制动、完全机械制动以及联合制动三种制动工况。制动防跑偏控制程序包括两侧履带滑移率控制、横摆角速度跟踪控制。
执行层包括与制动防跑偏控制相关的执行器的控制，通过对左电机控制器、右电机控制器和线控液压制动控制器的控制，主要涉及的执行部件有左电机、右电机、左制动阀、右制动阀。所述执行器控制命令主要有左电机驱动转矩、右电机驱动转矩、左制动阀压力/>、右制动阀压力/>。
所述双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆的典型特征是左右驱动系统相互独立，中间无耦合机构，因此对行驶稳定性控制要求较高。本发明保证了双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动时方向稳定性，防止制动跑偏导致的行车安全。
具体实施步骤如下，如图2所示：
第一步：信号输入及处理。车辆上电完成后，整车控制器采集输入信号，包括左电机反馈转矩、右电机反馈转矩/>、左电机转速/>、右电机转速/>、左侧制动压力/>、右侧制动压力/>、主动轮半径/>、电机输出轴到主动轮传动比/>、初始车速/>、车身纵向加速度/>、车身横向加速度/>、车身横摆角速度/>、车身侧倾角速度/>、加速百分比指令/>、制动百分比指令/>、转向百分比指令/>，据此计算观测的车速、两侧履带的速度、减速比等。
第二步：根据输入信号进行车速估计。根据两侧电机转速分别计算两侧履带速度，然后估计车速：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
其中，为左侧履带速度，/>为右侧履带速度，/>为主动轮半径，/>为电机输出轴到主动轮传动比，/>为左减速比，/>为右减速比，/>为权重系数，根据经验自定义，/>为初始车速，/>为根据纵向加速度观测的车速，/>为最终估计的车速。
第三步，理想车辆横摆角速度的计算。根据下式计算出理想横摆角速度：
（6）
（7）
（8）
其中，为/>求导；/> 为整车转动惯量；/>为左电机反馈转矩、/>为右电机反馈转矩；/>为履带中心距；/>分别为左右履带地面滚动阻力；/>为电机输出轴到履带的效率；/>为整车长度；/>为整车质量；/>为地面滚动阻力系数；/>为转向阻力系数；/>为履带接地段瞬间纵向偏移距离。以上参数都可测。
第四步，判断车辆是否跑偏。
判断车辆跑偏的条件有两种情形：（1）驾驶员或自动驾驶域控制器无转向需求的情况下，检测到实际横摆角速度大于设定的阈值；（2）驾驶员或自动驾驶域控制器有转向需求的情况下，检测到实际横摆角速度与理想横摆角速度之差大于设定的阈值。
第五步，两侧履带滑移率的计算。
（9）
（10）
为左侧履带滑移率，/>为右侧履带滑移率。
第六步，制定跑偏控制指标。
进入制动防跑偏控制程序，通过最优滑移率控制和横摆角速度修正控制两种模式，计算出控制指标，最后将两种控制进行综合输出到车辆执行器。
最优滑移率控制的目标是控制两侧履带滑移率低于0.2。
计算下述指标：
（11）
（12）
（13）
（14）
（15）
（16）
其中，为左侧履带滑移率偏离最优值的大小，/>为右侧履带滑移率偏离最优值的大小，/>为左侧制动压力调节量，/>为右侧制动压力调节量，/>为左电机转矩第一调节量，/>为右电机转矩第一调节量，/>为制动压力调节PID控制参数，/>为电机转矩调节PID控制参数。
横摆角速度修正控制目标是控制实际横摆角速度和理想横摆角速度差值在设定阈值内。由于电机调节比液压调节快速，因此只通过调整两侧电机转矩产生横摆力矩来修正横摆角速度即可。
计算下述指标：
（17）
（18）
（19）
（20）
其中，为实际横摆角速度，/>为理想横摆角速度，/>为左电机转矩第二调节量，/>为右电机转矩第二调节量，/>为横摆力矩PID控制参数。
第七步，执行器制动控制。
根据两侧电机反馈的转矩和制动压力，可以判断当前车辆处于哪种制动模式。
（1）若左电机反馈转矩、右电机反馈转矩/>，左侧制动压力/>、右侧制动压力/>，则车辆处于完全机械制动模式。
（2）若左电机反馈转矩、右电机反馈转矩/>，左侧制动压力、右侧制动压力/>，则车辆处于完全电制动模式。
（3）若左电机反馈转矩、右电机反馈转矩/>，左侧制动压力、右侧制动压力/>，则车辆处于联合制动模式。
根据制动模式控制执行器的执行，输出电机转矩和制动阀压力命令：
A）完全机械制动模式下的制动控制：
左电机驱动转矩；
右电机驱动转矩；
左制动阀压力；/>
右制动阀压力；
B）完全电制动模式下的制动控制：
左电机驱动转矩；
右电机驱动转矩；
左制动阀压力；
右制动阀压力；
C）联合制动模式下的制动控制：
左电机驱动转矩；
右电机驱动转矩；
左制动阀压力；
右制动阀压力；
其中，为左电机初始驱动转矩、/>右电机初始驱动转矩、/>左制动阀初始压力、/>为右制动阀初始压力。/>
Claims (6)
1.一种双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动防跑偏控制方法，其特征在于：设置包含信号输入层、整车控制层和执行层的控制架构；
在信号输入层中有车辆状态以及动力学状态参数信息；
在整车控制层中设置有制动防跑偏控制程序；
在执行层中包括对左电机、右电机和左制动阀、右制动阀执行控制，输出电机驱动转矩命令和制动阀压力命令；
控制过程是：
首先根据采集的原始信号，进行车速估计；
然后再进行理想车辆横摆角速度的计算；
然后再判断车辆是否跑偏；
然后在确定车辆跑偏的基础上再计算两侧履带的滑移率；
然后再制定跑偏控制指标；
最后执行器执行制动；
其中，所述信号输入层中包括的参数有：左电机反馈转矩、右电机反馈转矩、左电机转速/>、右电机转速/> 、左侧制动压力/>、右侧制动压力/>、主动轮半径、电机输出轴到主动轮传动比/>、初始车速/>、车身纵向加速度/>、车身横向加速度/>、车身横摆角速度/>、车身侧倾角速度/>、加速百分比指令/>、制动百分比指令、转向百分比指令/>；
通过最优滑移率控制和横摆角速度修正控制，计算跑偏控制指标：
最优滑移率控制的目标是控制两侧履带滑移率低于0.2，
据此计算下述指标：
；
；
；
；
；
；
其中，为左侧履带滑移率偏离最优值，/>为右侧履带滑移率偏离最优值，/>为左侧履带滑移率，/>为右侧履带滑移率，/>为左侧制动压力调节量，/>为右侧制动压力调节量，/>为左电机转矩第一调节量，/>为右电机转矩第一调节量，为制动压力调节PID控制参数，/>为电机转矩调节PID控制参数。
2.根据权利要求1所述的双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动防跑偏控制方法，其特征在于：横摆角速度修正控制目标是控制实际横摆角速度和理想横摆角速度差值在设定阈值内，
计算下述指标：
；
；
；
；
其中，是实际横摆角速度，/>是理想横摆角速度，/>为履带中心距，/>为主动轮半径，/>为左电机转矩第二调节量，/>为右电机转矩第二调节量，为横摆力矩PID控制参数。
3.根据权利要求1所述的双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动防跑偏控制方法，其特征在于：
根据采集的参数：左电机转速、右电机转速/>、主动轮半径/>、车身纵向加速度、电机输出轴到主动轮传动比/>、初始车速/>，
计算左侧履带速度、右侧履带速度/>、左减速比/>、右减速比/>、观测的车速，最终估计车速/>：
；
；
；
；
；
为权重系数，根据经验自定义。
4.根据权利要求1所述的双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动防跑偏控制方法，其特征在于：
判断车辆是否跑偏有两种情形：（1）无转向需求的情况下，检测到实际横摆角速度大于设定的阈值时跑偏；（2）有转向需求的情况下，检测到实际横摆角速度与理想横摆角速度之差大于设定的阈值时跑偏。
5.根据权利要求1或3所述的双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动防跑偏控制方法，其特征在于：
计算两侧履带的滑移率：
；
；
其中，为左侧履带滑移率，/>为右侧履带滑移率，/>为左侧履带速度，/>为右侧履带速度，/>为估计的车速。
6.根据权利要求1所述的双侧独立电驱动无人驾驶履带车辆制动防跑偏控制方法，其特征在于：
根据两侧电机反馈的转矩和制动压力，判断当前车辆处于哪种制动模式，然后据此控制电机驱动转矩和制动阀压力：
（1）若左电机反馈转矩、右电机反馈转矩/>，左侧制动压力、右侧制动压力/>，则车辆处于完全机械制动模式；
（2）若左电机反馈转矩、右电机反馈转矩/>，左侧制动压力、右侧制动压力/>，则车辆处于完全电制动模式；
（3）若左电机反馈转矩、右电机反馈转矩/>，左侧制动压力/>、右侧制动压力/>，则车辆处于联合制动模式；
A）完全机械制动模式下的制动控制：
左电机驱动转矩；
右电机驱动转矩；
左制动阀压力；
右制动阀压力；
B）完全电制动模式下的制动控制：
左电机驱动转矩；
右电机驱动转矩；
左制动阀压力；
右制动阀压力；
C）联合制动模式下的制动控制：
左电机驱动转矩；
右电机驱动转矩；
左制动阀压力；
右制动阀压力；
其中，为左电机驱动初始转矩、/>为右电机驱动初始转矩、/>为左制动阀初始压力、/>为右制动阀初始压力。
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