CN1836947A - 车辆控制系统及车辆控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆控制系统，该车辆控制系统包括：计算器(14)，该计算器基于包括待施加到车身的目标合力以及每个车轮的限制摩擦圆的约束条件，来计算包括第一控制变量和第二控制变量的综合控制变量，所述第一控制变量用于控制每个车轮的制动/驱动力从而最优化车轮的μ利用率，所述第二控制变量用于控制每个车轮的转向角；计算器(18)，该计算器计算用于仅控制每个车轮的转向角从而实现所述目标合力的转向控制变量；以及控制器(22)，该控制器根据由线性插值所述综合控制变量与所述转向控制变量获得的控制变量仅控制每个车轮的转向角，或者控制每个车轮的转向角以及制动/驱动力。

Description

车辆控制系统及车辆控制方法

技术领域

本发明一般地涉及车辆控制系统及车辆控制方法，更具体地，涉及这样的车辆控制系统及车辆控制方法，所述车辆控制系统及车辆控制方法在未被利用附着范围(附着充裕程度)大的通常区域通过仅控制前轮和后轮的转向角而提供期望的车身力和横摆力矩，从而抑制不必要的制动，并能够在所述通常区域之外的包括未被利用附着范围小的限制区域的区域内有效地进行制动/驱动控制与转向控制的协调控制。

背景技术

作为用于彼此独立地控制所有四个待控制车轮的转向角和制动/驱动力的常规的技术，如日本未审定专利公开No.2004-249971中公开的用于以协调的方式控制每个车轮的转向角和制动/驱动力的协调控制。该技术提供四个车轮的轮胎力的组合，该组合选自实现被施加到车身上的目标合力和目标横摆力矩的四个车轮的轮胎力的组合，使得所选择的组合最小化每个车轮的μ利用率(即，每个车轮的轮胎力与其最大值的比例)，即，最大化每个车轮的轮胎的未被利用附着范围。此处应注意到，μ利用率与未被利用附着范围具有“未被利用附着范围＝1-μ利用率”的关系。已知的用于以综合的方式控制四个车轮的转向角和制动/驱动力的综合控制逻辑提供了将四个车轮中具有最大的μ利用率的车轮的μ利用率最小化的算法，从而在所有四个车轮的轮胎力都被使用的区域内实现车身力和横摆力矩的理论限制。从而，该已知技术使得能够高效地利用轮胎力，非常有利于改进车辆在未被利用轮胎附着范围很重要或非常小的限制区域内行驶时的动态性能。

如果利用该已知技术的算法，在未被利用轮胎附着范围很重要或非常小的限制区域内可有效地控制车辆的动态性能，但是转向致动器以及包括制动致动器和驱动致动器的制动/驱动致动器在未被利用附着范围大的通常区域以及所述限制区域内都工作(被操作)。制动致动器的工作使得车辆的速度降低，在通常区域车速的降低可能使得驾驶员不舒服。如果操作驱动致动器以弥补车速的降低，则燃料经济性或效率可能不期望地恶化。

发明内容

因此，本发明的目的是提供这样一种车辆控制系统及车辆控制方法，所述车辆控制系统及车辆控制方法在未被利用附着范围大的通常区域通过仅控制前轮和后轮的转向角而获得期望的车身力和横摆力矩，并且在包括未被利用附着范围小的限制区域的区域(所述通常区域之外)，基于未被利用附着范围连续地改变用于以组合的方式最优地控制每个车轮的转向角和制动/驱动力的综合控制逻辑。

为了实现上述和/或其它目的，根据本发明的一个方面提供了一种车辆控制系统，该车辆控制系统包括：(a)第一控制变量计算装置，该第一控制变量计算装置用于基于包括作为参数的为实现驾驶员所期望的车身运动而待施加到车身的目标合力以及每个车轮的摩擦圆的大小的约束条件，来计算第一控制变量或者包括该第一控制变量和第二控制变量的综合控制变量，该第一控制变量用于控制每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以最优化车轮的μ利用率，该第二控制变量用于控制每个车轮的转向角；(b)第二控制变量计算装置，该第二控制变量计算装置用于计算用于通过仅控制每个车轮的转向角来实现所述目标合力的每个车轮的转向控制变量；以及(c)控制装置，该控制装置用于确定用于控制每个车轮的转向角、制动力以及驱动力中的至少一个的最终控制变量，以使得在μ利用率小的区域，与在μ利用率大的区域相比，在所述最终控制变量中，由第一控制变量计算装置和第二控制变量计算装置中的至少一个计算出的用于控制每个车轮的转向角的控制变量的比例大于用于控制每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个的控制变量的比例。

在本发明的上述方面的一个实施例中，控制装置在μ利用率小的区域基于通过所述第二控制变量计算装置计算出的转向控制变量仅控制每个车轮的转向角，在μ利用率大的区域基于通过第一控制变量计算装置以及所述第二控制变量计算装置计算出的第一或综合控制变量以及转向控制变量控制每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以及每个车轮的转向角。

在本发明的上述方面的另一个实施例中，控制装置在μ利用率小的通常区域基于通过所述第二控制变量计算装置计算出的转向控制变量仅控制每个车轮的转向角，在μ利用率大的限制区域基于通过第一控制变量计算装置计算出的综合控制变量控制每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以及每个车轮的转向角。此外，控制装置在通常区域与限制区域之间的区域内基于通过线性插值转向控制变量和综合控制变量得到的协调控制变量控制每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以及每个车轮的转向角。

在上面所述的实施例中，可根据以下方程式对转向控制变量和综合控制变量进行线性插值：

C_ci＝ρC_oi+(1-ρ)C_si

其中，C_ci是作为线性插值的结果而得到的协调控制变量，C_oi是综合控制变量，C_si是转向控制变量，ρ是在从μ利用率小的通常区域到μ利用率大的限制区域的区域范围内根据μ利用率而从0到1变化的参数。

在上述实施例中，在未被利用附着范围大(即，μ利用率小)的通常区域，基于转向控制变量仅控制每个车轮的转向角，因此，可减小制动系统的操作频率。此外，在未被利用附着范围小(即，μ利用率大)的限制区域，基于综合控制变量控制每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以及每个车轮的转向角，并且，在通常区域与限制区域之间的区域内基于通过线性插值综合控制变量和转向控制变量得到的协调控制变量控制每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以及每个车轮的转向角。因此，可基于未被利用附着范围(或μ利用率)通过连续地且最优地组合转向角与制动/驱动力的综合控制而最优地控制每个车轮的轮胎的附着力。

如上所述，根据本发明，在未被利用附着范围大(即，μ利用率小)的区域，仅控制前轮和后轮的转向角以获得目标车身力和横摆力矩，从而可减小不必要的制动操作。此外，在通常区域之外的区域(包括未被利用附着范围小，即μ利用率大的限制区域)，可有效地进行转向控制与制动/驱动控制的协调控制。

附图说明

由下面结合附图对本示例性实施例的说明可更清楚本发明的上述和/或其它目的、特征及优点，附图中相同的附图标记用于表示相同的部件，其中：

图1是示出四轮车辆的车辆动态模型的示意图；

图2是示出根据图1中的四轮车辆动态模型产生的合力取向的坐标系的示意图；

图3是示出本发明的示例性实施例的框图；

图4A至4C是示出图3的实施例中采用的力和力矩分配算法的操作结果的视图；

图5A和5B是示出在图3的实施例的最优分配控制和转向协调控制下产生的轮胎力的仿真结果的视图。

具体实施方式

将参照附图详细说明本发明的示例性实施例。首先，说明本发明的原理。更具体地，将说明在未被利用附着范围(下文将说明)大的通常区域采用的控制逻辑，在未被利用附着范围小的限制区域采用的控制逻辑，以及在通常区域与限制区域之间的区域内采用的控制逻辑。

上文提及的“μ利用率”表示轮胎与路面之间的摩擦相对于轮胎与路面之间可产生的最大摩擦力的利用程度，即，表示最大摩擦力的多大程度被利用。“μ利用率”由车轮(或轮胎)产生的力与车轮的摩擦圆(下文将说明)之比表示。同时，未被利用附着范围表示相对于车轮的摩擦圆，轮胎的附着力或附着范围多大程度上未被利用，并具有“未被利用附着范围”＝(1-μ利用率)的关系。未被利用附着范围还可由车轮的自动回正转矩推出。

首先，说明在未被利用轮胎附着范围大的通常区域仅控制转向角以获得目标车身力(为实现驾驶员所期望的车身运动而要施加到车身的目标合力)和目标横摆力矩的控制逻辑。在未被利用附着范围大的通常区域，由于操作制动器可能会使驾驶员感觉不舒适，即驾乘舒适性恶化，所以在驾驶员没有进行制动操作的情况下不希望使控制系统操作制动器(即，致动制动系统)。

为了在不致动制动系统的情况下获得目标车身力和横摆力矩，需要控制每个车轮的横向力以产生目标车身力和横摆力矩。两个前轮和两个后轮的横向力F_yf、F_yr，施加到车身的横向力F_y0以及横摆力矩M_z0之间的关系由以下方程式(1)、(2)表示：

F_y0＝F_yf+F_yr            …(1)

M_z0＝lf F_yf-lr F_yr      …(2)

其中，lf是前轴与重心之间的距离，lr是后轴与重心之间的距离。

由上述方程式(1)、(2)求解两个前轮和两个后轮的横向力而得出以下方程式(3)、(4)：

$F_{\mathrm{yf}}=\frac{l_r{F}_{y0}+M_{z0}}{l_f+l_r}---\left(3\right)$

$F_{\mathrm{yr}}=\frac{l_f{F}_{y0}-M_{z0}}{l_f+l_r}---\left(4\right)$

假设具有相等的横偏角的左轮和右轮的横向力与施加到每个车轮上的负荷成比例，则每个车轮的横向力如下表示：

$F_{\mathrm{ys}1}=\frac{F_{z1}}{F_{z1}+F_{z2}}\·\frac{l_r{F}_{y0}+M_{z0}}{l_f+l_r}---\left(5\right)$

$F_{\mathrm{ys}2}=\frac{F_{z2}}{F_{z1}+F_{z2}}\·\frac{l_f{F}_{y0}+M_{z0}}{l_f+l_r}---\left(6\right)$

$F_{\mathrm{ys}3}=\frac{F_{z3}}{F_{z3}+F_{z4}}\·\frac{l_r{F}_{y0}-M_{z0}}{l_f+l_r}---\left(7\right)$

$F_{\mathrm{ys}4}=\frac{F_{z4}}{F_{z3}+F_{z4}}\·\frac{l_r{F}_{y0}-M_{z0}}{l_f+l_r}---\left(8\right)$

其中，F_ysi是每个车轮的横向力(当i＝1时左前轮，当i＝2时右前轮，当i＝3时左后轮，当i＝4时右后轮)，F_zi是施加到每个车轮的负荷。

因此，在仅控制转向角的控制模式中，可使用如方程式(5)-(8)指示的每个车轮的横向力作为转向控制变量来控制每个车轮的转向角，以便提供在每个车轮中产生方程式(5)-(8)的横向力的横偏角。

用于仅控制转向角的如上所述计算出的作为转向控制变量的每个车轮的横向力以及每个车轮的纵向力(F_xsi＝0)满足由以下方程式(9)-(11)表达的约束条件：

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{xsi}}=F_{x0}---\left(9\right)$

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{ysi}}=F_{y0}---\left(10\right)$

$-\frac{T_f}{2}(F_{\mathrm{xs}1}-F_{\mathrm{xs}2})-\frac{T_r}{2}(F_{\mathrm{xs}3}-F_{\mathrm{xs}4})+l_f(F_{\mathrm{ys}1}+F_{\mathrm{ys}2})-l_r(F_{\mathrm{ys}3}+F_{\mathrm{ys}4})=M_{z0}---\left(11\right)$

其中，T_f是前轴轮距(tread)，T_r是后轴轮距。

接下来，说明在未被利用附着范围小的限制区域以组合或综合的方式控制转向角及制动/驱动力的转向及制动/驱动综合控制逻辑。

图1示出四轮车辆动态模型，其中为实现驾驶员所期望的车辆运动而分别在四个车轮处作为由轮胎产生的合力而施加到车身的力(合力)的方向θ，以及每个车轮的摩擦圆的大小(半径)F_i是已知的。方向θ表示为合力的矢量与车辆的纵向之间形成的角度。该车辆模型用于，在确保目标横摆力矩的同时，获得为提供最大的合力，即，为了最大化产生于车身的加速度(减速度)，而由每个车轮的轮胎产生的力的方向。每个车轮的轮胎力的方向由施加到车身的合力的方向与由单个车轮产生的力(即，由每个车轮的轮胎产生的力)的方向之间形成的角度q_i表示。

每个车轮的摩擦圆是表示车轮的轮胎在不损失其附着的情况下允许车辆的动态性能控制的极限的圆，摩擦圆的大小表示车轮(即，轮胎)与路面之间产生的摩擦力的最大值。摩擦圆可基于每个车轮的μ(摩擦系数)估计值或假定值和施加于每个车轮的负荷得到。轮胎摩擦力是沿车辆行驶方向施加到轮胎的力(驱动力或制动力)与沿横向(左或右方向)施加到轮胎的摩擦力的合力。当沿行驶方向和横向中任一个方向作用的摩擦力占到100％时，即，当摩擦力的大小与摩擦圆的大小一致时，沿另一方向作用的摩擦力变为零。应注意，制动力的方向与驱动力的方向相反。此前所述摩擦力的范围可一般以矢量图中圆的形式表示，因此被称为“摩擦圆”。

为了简化对控制逻辑的说明，如图2中所示进行标号的替换。假定每个车轮(当i＝1时左前轮，当i＝2时右前轮，当i＝3时左后轮，当i＝4时右后轮)的限制摩擦圆的大小F_i是已知的，如图2中所示，确定由每个车轮的轮胎产生的力的方向(由X轴与每个车轮产生的力之间形成的角度q_i表示)，以均匀地最大化每个车轮的未被利用附着范围同时获得期望的横摆力矩M_z0和车身力(纵向力F_x0，横向力F_y0)。

为了得到每个车轮的轮胎力的方向，首先构造用于实现期望的横摆力矩和车身合力的约束或条件的模型。如果进行坐标变换，如图2中所示，使得x轴沿所产生的合力的方向延伸，y轴沿垂直于合力方向的方向延伸，则每个轮胎的位置(x，y)＝(l_i，d_i)可如下表示：

l₁＝L_f                         (12)

l₂＝L_f                         (13)

l₃＝-L_r                        (14)

l₄＝-L_r                        (15)

$d_1=\frac{T_f}{2}---\left(16\right)$

$d_2=-\frac{T_f}{2}---\left(17\right)$

$d_3=\frac{T_r}{2}---\left(18\right)$

$d_4=-\frac{T_r}{2}---\left(19\right)$

此外，由每个车轮产生的力的方向q_i(相对于X轴逆时针方向被设为正向)满足以下由方程式(20)-(22)表示的约束条件，其中γ表示每个车轮的μ利用率。

$\mathrm{\γ}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\cos q_i=F_{x0}---\left(20\right)$

$\mathrm{\γ}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\sin q_i=F_{y0}---\left(21\right)$

$\mathrm{\γ}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i(-d_i\cos q_i+l_i\sin q_i)=M_{z0}---\left(22\right)$

从方程式(20)、(22)中消去γ，得到：

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\{(-F_{x0}{d}_i-M_{z0})\cos q_i+F_{x0}{l}_i\sin q_i\}=0---\left(23\right)$

与此类似，从方程式(21)、(22)中消去γ，得到：

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\{-F_{y0}{d}_i\cos q_i+(F_{y0}{l}_i-M_{z0})\sin q_i\}=0---\left(24\right)$

然后，以下方程式(25)被定义为待最大化的评价函数。

$J=\frac{{\left(d_0{F}_{x0}\right)}^2+{\left(l_0{F}_{y0}\right)}^2+{M_{z0}}^2}{\mathrm{\γ}}---\left(25\right)$

其中，d₀和l₀是用于使力与力矩的量纲一致的常数，并如下定义：

$d_0=\frac{T_f+T_r}{4}---\left(26\right)$

$l_0=\frac{L_f+L_r}{2}---\left(27\right)$

将方程式(20)-(22)代入方程式(25)，得到：

$J={d_0}^2{F}_{x0}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\cos q_i+{l_0}^2{F}_{y0}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\sin q_i+M_{z0}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i(-d_i\cos q_i+l_i\sin q_i)$

$=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\{({d_0}^2{F}_{x0}-d_i{M}_{z0})\cos q_i+({l_0}^2{F}_{y0}+l_i{M}_{z0})\sin q_i\}---\left(28\right)$

由于方程式(25)右侧的分子是恒定的，如果找到使方程式(28)最大化的q_i则γ最终最小化。因此，下面的问题1公式化为非线性最优化问题。

问题1：在满足方程式(23)、(24)的约束条件的同时获取使方程式(28)最大的q_i。

在该实施例中，通过使用逐次二次规划算法解决该非线性最优化问题。

首先，将sinq_i和cosq_i近似线性化为：

sinq_r＝sinq_r0+cosq_i0(q_i-q_i0)                            (29)

cosq_i＝cosq_i0-sinq_i0(q_i-q_i0)                            (30)

从而方程式(23)、(24)的约束条件线性化为以下方程式(31)、(32)：

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\{(F_{x0}{d}_i+M_{z0})\sin q_{i0}+F_{x0}{l}_i\cos q_{i0}\}{q}_i$

$=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\{(F_{x0}{d}_i+M_{z0})(q_{i0}\sin q_{i0}+\cos q_i)+F_{x0}{l}_i(q_{i0}\cos q_{i0}-\sin q_{i0})\}---\left(31\right)$

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\{F_{y0}{d}_i\sin q_{i0}+(F_{y0}{l}_i-M_{z0})\cos q_{i0}\}{q}_i$

$=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\{F_{y0}{d}_i(q_{i0}\sin q_{i0}+\cos q_i)+(F_{y0}{l}_i-M_{z0})(q_{i0}\cos q_{i0}-\sin q_{i0})\}---\left(32\right)$

此外，如果sinq_i和cosq_i根据二次泰勒展开式近似为：

$\sin q_i=\sin q_{i0}+\cos q_{i0}(q_i-q_{i0})-\frac{\sin q_{i0}}{2}{(q_i-q_{i0})}^2---\left(33\right)$

$\cos q_i=\cos q_{i0}-\sin q_{i0}(q_i-q_{i0})-\frac{\cos q_{i0}}{2}{(q_i-q_{i0})}^2---\left(34\right)$

则方程式(28)的评价函数表示为：

$J=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i[-\frac{1}{2}\{({d_0}^2{F}_{x0}-d_i{M}_{z0})\cos q_{i0}+({l_0}^2{F}_{y0}+l_i{M}_{z0})\sin q_{i0}\}{q_i}^2$

$+\{({d_0}^2{F}_{x0}-d_i{M}_{z0})(q_{i0}\cos q_{i0}-\sin q_{i0})+({l_0}^2{F}_{y0}+l_i{M}_{z0})(q_{i0}\sin q_{i0}+\cos q_{i0})\}{q}_i$

$+({d_0}^2{F}_{x0}-d_i{M}_{z0})\{(1-\frac{{q_{i0}}^2}{2})\cos q_{i0}+q_{i0}\sin q_{i0}\}$

$+({l_0}^2{F}_{x0}+l_i{M}_{z0})\{(1-\frac{{q_{i0}}^2}{2})\sin q_{i0}-q_{i0}\cos q_{i0}\}]$

$=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\{-\frac{1}{2}{X}_{\mathrm{Di}}{(q_i-X_i)}^2+Y_i\}---\left(35\right)$

其中，

$X_i=\frac{X_{\mathrm{Ni}}}{X_{\mathrm{Di}}}---\left(36\right)$

X_Ni＝(d₀ ²F_x0-d_iM_z0)(q_i0cosq_i0-sinq_i0)+(l₀ ²F_y0+l_iM_z0)(q_i0sinq_i0+cosq_i0)

                                                           (37)

X_Di＝(d₀ ²F_x0-d_iM_z0)cosq_i0+(l₀ ²F_x0+l_iM_z0)sinq_i0             (38)

$Y_i=({d_0}^2{F}_{x0}-d_i{M}_{z0})\{(1-\frac{{q_{i0}}^2}{2})\cos q_{i0}+q_{i0}\sin q_{i0}\}$

$+({l_0}^2{F}_{y0}+l_i{M}_{z0})\{(1-\frac{{q_{i0}}^2}{2})\sin q_{i0}-q_{i0}\cos q_{i0}\}+\frac{{X_{\mathrm{Ni}}}^2}{2X_{\mathrm{Di}}}---\left(39\right)$

通过转换变量使得

$p_i=\sqrt{F_i{X}_{\mathrm{Di}}}(q_i-X_i)---\left(40\right)$

评价函数书写为

$J=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(-\frac{1}{2}{p_i}^2+F_i{Y}_i)=-\frac{1}{2}{\left|\right|p\left|\right|}^2+\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i{Y}_i---\left(41\right)$

其中，

       p＝[p₁ p₂ p₃ p₄]^T

从而，该评价函数转换为对于p的欧几里德范数最小化问题。

此外，已近似线性化的约束条件表示为：

$\left[\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& A_{13}& A_{14}\\ A_{21}& A_{22}& A_{23}& A_{24}\end{array}\right]p=\left[\begin{array}{c}{B}_1\\ B_2\end{array}\right]---\left(42\right)$

其中，

$A_{1i}=\sqrt{\frac{F_i}{X_{\mathrm{Di}}}}\·\{(F_{x0}{d}_i+M_{z0})\sin q_{i0}+F_{x0}{l}_i\cos q_{i0}\}---\left(43\right)$

$A_{2i}=\sqrt{\frac{F_i}{X_{\mathrm{Di}}}}\·\{F_{y0}{d}_i\sin q_{i0}+(F_{y0}{l}_i-M_{z0})\cos q_{i0}\}---\left(44\right)$

$B_1=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\left[(F_{x0}{d}_i+M_{z0})\right\{(q_{i0}-X_i)\sin q_{i0}+\cos q_{i0}\}$

$+F_{x0}{l}_i\{(q_{i0}-X_i)\cos q_{i0}-\sin q_{i0}\}]---\left(45\right)$

$B_2=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\left[F_{y0}{d}_i\right\{(q_{i0}-X_i)\sin q_{i0}+\cos q_{i0}\}$

$+(F_{y0}{l}_i-M_{z0})\{(q_{i0}-X_i)\cos q_{i0}-\sin q_{i0}\}]---\left(46\right)$

满足方程式(42)的欧几里德范数最小值解决方案是：

$p=\left[\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& A_{13}& A_{14}\\ A_{21}& A_{22}& A_{23}& A_{24}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{B}_1\\ B_2\end{array}\right]---\left(47\right)$

其中，A⁺是矩阵A的伪逆矩阵。当A是列多于行的满秩矩阵时，伪逆矩阵A⁺计算为：

A⁺＝(A·A^T)^-1A^T                          (48)

最后，得到由方程式(49)表达的关系式：

$q=\mathrm{diag}\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{\sqrt{F_1{X}_{D1}}}& \frac{1}{\sqrt{F_2{X}_{D2}}}& \frac{1}{\sqrt{F_3{X}_{D3}}}& \frac{1}{\sqrt{F_4{X}_{D4}}}\end{array}\right]$

$\·{\left[\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& A_{13}& A_{14}\\ A_{21}& A_{22}& A_{23}& A_{24}\end{array}\right]}^{+}\·\left[\begin{array}{c}{B}_1\\ B_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ X_3\\ X_4\end{array}\right]---\left(49\right)$

其中，

q＝[q₁ q₂ q₃ q₄]^T

根据逐次二次规划算法，通过递归方法进行收敛计算，在该递归方法中，通过利用由方程式(49)得到的q_i再次进行方程式(36)-(38)、(43)-(46)及(49)的计算。使用方程式(25)、(28)，对于使用由该算法得出的q_i的情况，μ利用率计算为：

$\mathrm{\γ}=\frac{{\left(d_0{F}_{x0}\right)}^2+{\left(l_0{F}_{y0}\right)}^2+{M_{z0}}^2}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\{({d_0}^2{F}_{x0}-d_i{M}_{z0})\cos q_i+({l_0}^2{F}_{y0}+l_i{M}_{z0})\sin q_i\}}---\left(50\right)$

最后，得出在转向及制动/驱动综合控制下由每个车轮产生的轮胎力的方向以及μ利用率计算出的每个车轮的纵向力和横向力为：

F_xoi＝γF_icosq_i                        (51)

F_yoi＝γF_isinq_i                        (52)

如果参照用于说明仅控制转向角的控制的坐标系来解释，则转向及制动/驱动综合控制逻辑设计成通过利用每个车轮的摩擦圆来均匀地最小化每个车轮的μ利用率并同时满足由以下方程式表达的约束条件：

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{xoi}}=F_{x0}---\left(53\right)$

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{yoi}}=F_{y0}---\left(54\right)$

$-\frac{T_f}{2}(F_{\mathrm{xo}1}-F_{\mathrm{xo}2})-\frac{T_r}{2}(F_{\mathrm{xo}3}-F_{\mathrm{xo}4})+l_f(F_{\mathrm{yo}1}+F_{\mathrm{yo}2})-l_f(F_{\mathrm{yo}3}+F_{\mathrm{yo}4})=M_{z0}---\left(55\right)$

其中，F_xoi是根据转向及制动/驱动综合控制逻辑得到的每个车轮的纵向力，F_yoi是根据转向及制动/驱动综合控制逻辑得到的每个车轮的横向力，F_x0是施加到车身的目标纵向力，F_y0是施加到车身的目标横向力。在车辆的重心位于原点且x轴沿车辆的纵向延伸的x-y坐标系中，通过计算为实现驾驶员所期望的车身运动而施加到车身的目标合力的x轴分量和y轴分量，得到目标车身纵向力F_x和目标车身横向力F_y。

在通常区域与限制区域之间的区域内，根据未利用范围协调上述控制逻辑。在这种情况下，同样，必须满足上面关于用于通常区域的控制逻辑和用于限制区域的控制逻辑所说明的约束条件。在该实施例中，用于协调如上所述仅控制转向角的控制逻辑与转向及制动/驱动综合控制逻辑的参数ρ如下定义：

$\mathrm{\&rho;}=\left\{\begin{array}{cc}0& (0\&le;\mathrm{\&gamma;}<0.3)\\ \frac{\mathrm{\&gamma;}-0.3}{0.6}& (0.3\&le;\mathrm{\&gamma;}<0.9)\\ 1& (0.9\&le;\mathrm{\&gamma;}\&le;1)\end{array}\right.---\left(56\right)$

其中，γ是当进行最优控制时得到的μ利用率。尽管在以上方程式(56)中参数ρ是基于当进行最优控制时得到的μ利用率计算的，参数ρ也可使用在仅对转向角进行的控制中得到的每个车轮的μ利用率γ_si的最大值maxγ_si由以下方程式(57)表示：

$\mathrm{\&rho;}=\left\{\begin{array}{cc}0& (0\&le;\max {\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{si}}<0.3)\\ \frac{\max {\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{si}}-0.3}{0.6}& (0.3\&le;\max {\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{si}}<0.9)\\ 1& (0.9\&le;\max {\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{si}}\&le;1)\end{array}\right.---\left(57\right)$

其中，maxγ_si≈max|F_ysi|/(F_zi·μ)。

然后，使用上面定义的参数ρ，通过线性插值根据转向及制动/驱动综合控制逻辑得到的综合控制变量与根据仅控制转向角的控制逻辑得到的转向控制变量而定义协调控制逻辑，如以下方程式(58)、(59)所示。

F_xci＝ρ·F_xoi+(1-ρ)F_xsi                   …(58)

F_yci＝ρ·F_yoi+(1-ρ)F_ysi                   …(59)

其中，F_xci是在协调之后每个车轮的纵向力的目标值，F_yci是在协调之后每个车轮的横向力的目标值。如上所示的协调控制逻辑满足以下约束条件：

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_{\mathrm{xoi}}=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_{\mathrm{xoi}}+(1-\mathrm{\&rho;})F_{\mathrm{xsi}})=\mathrm{\&rho;}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_{\mathrm{xoi}}+(1-\mathrm{\&rho;})\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_{\mathrm{xs}2}$

$=\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_x+(1-\mathrm{\&rho;})F_x=F_x---\left(60\right)$

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_{\mathrm{yci}}=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_{\mathrm{yoi}}+(1-\mathrm{\&rho;})F_{\mathrm{ysi}})=\mathrm{\&rho;}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_{\mathrm{yoi}}+(1-\mathrm{\&rho;})\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_{\mathrm{ysi}}$

$=\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_y-(1-\mathrm{\&rho;})F_y=F_y---\left(61\right)$

$-\frac{T_f}{2}(F_{\mathrm{xo}1}-F_{\mathrm{xo}2})-\frac{T_f}{2}(F_{\mathrm{xo}3}-F_{\mathrm{xo}4})+l_f(F_{\mathrm{yo}1}+F_{\mathrm{yo}2})-l_r(F_{\mathrm{yo}3}+F_{\mathrm{yo}4})$

$=-\frac{T_f}{2}(\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_{\mathrm{xo}1}+(1-\mathrm{\&rho;})F_{\mathrm{xs}1}-\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_{\mathrm{xo}2}-(1-\mathrm{\&rho;})F_{\mathrm{xo}2}$

$-\frac{T_r}{2}(\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_{\mathrm{xo}3}+(1-\mathrm{\&rho;})F_{\mathrm{xs}3}-\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_{\mathrm{xo}4}-(1-\mathrm{\&rho;})F_{\mathrm{xs}4}$

$+l_f(\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_{\mathrm{yo}1}+(1-\mathrm{\&rho;})F_{\mathrm{ys}1}+\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_{\mathrm{yo}2}+(1-\mathrm{\&rho;})F_{\mathrm{yo}2}$

$-l_r(\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_{\mathrm{yo}3}+(1-\mathrm{\&rho;})F_{\mathrm{ys}3}+\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;F_{\mathrm{yo}4}+(1-\mathrm{\&rho;})F_{\mathrm{ys}4}$

$=\mathrm{\&rho;}\{-\frac{T_f}{2}(F_{\mathrm{xo}1}-F_{\mathrm{xo}2})-\frac{T_r}{2}(F_{\mathrm{xo}3}-F_{\mathrm{xo}4})+l_f(F_{\mathrm{yo}1}+F_{\mathrm{yo}2})-l_r(F_{\mathrm{yo}3}-F_{\mathrm{yo}4})\}$

$+(1-\mathrm{\&rho;})\{-\frac{T_f}{2}(F_{\mathrm{xs}1}-F_{\mathrm{xs}2})-\frac{T_r}{2}(F_{\mathrm{xs}3}-F_{\mathrm{xs}4})+l_f(F_{\mathrm{ys}1}+F_{\mathrm{ys}2})-l_r(F_{\mathrm{ys}3}+F_{\mathrm{ys}4})\}---\left(62\right)$

接下来，将参照图3至图5详细说明用于通过使用综合控制变量和转向控制变量获得由方程式(58)和方程式(59)表达的力的作为本发明的示例性实施例的控制系统。如图3所示，该实施例的控制系统包括用于计算为实现驾驶员所期望的车身运动而施加到车身的合力的大小和方向以及横摆力矩的目标车身力及力矩计算器10，用于估计每个车轮的摩擦圆的大小的摩擦圆估计器12，以及最佳力分配计算器14，该最佳力分配计算器14用于根据目标合力的大小和方向以及每个车轮的摩擦圆的大小分配合力使得每个车轮产生的力最佳，例如，所使用的力相对于摩擦圆最小。

最佳力分配计算器14连接有用于计算协调参数ρ的协调参数计算器16。目标车身力及力矩计算器10连接有用于计算为了通过仅控制转向角实现驾驶员所期望的车身运动的控制操作量(转向控制变量)的转向控制操作量计算器18。

最佳力分配计算器14、协调参数计算器16以及转向控制操作量计算器18连接到协调操作量计算器20，该协调操作量计算器20连接到包括制动和驱动致动器以及转向致动器的控制器22。

目标车身力及力矩计算器10基于表示驾驶员进行的驱动操作的驾驶员的操作量以及车速计算施加到车身的合力的目标大小和方向以及目标横摆力矩，以实现驾驶员所期望的车身运动。车身的合力的目标大小和方向以及目标横摆力矩也可基于根据驾驶员的操作量设定的目标车辆运行状况(例如，包括横摆速度、车身横偏角、车身横偏角速度等)与这些状况的实际测量值或估计值之间的差值而计算，使得所述差值接近零。此处，驾驶员的操作量可包括转向盘的回转角，加速踏板的操作量(即，加速踏板的行程，踩下加速踏板的力，加速踏板位置等)，以及制动踏板的操作量(即，制动踏板的行程，踩下制动踏板的踏板作用力或力，主缸压力等)。

摩擦圆估计器12基于车轮的自动回正转矩和/或车轮速度或运动估计每个车轮的摩擦圆的大小。

最佳力分配计算器14基于车身合力的目标大小和方向、横摆力矩以及摩擦圆的半径计算由每个车轮的轮胎产生的最佳力的大小和方向，确定该最佳力以均匀地最小化每个车轮的μ利用率，并从而计算最小化的每个车轮的μ利用率γ。

协调参数计算器16基于由最佳力分配计算器14获得的μ利用率γ，根据上述方程式(56)计算协调参数ρ。

转向控制操作量计算器18基于由目标车身力及力矩计算器10计算出的车身合力的横向分量(即，施加到车辆的横向力)和横摆力矩计算每个车轮的横向力(可称为“转向控制变量”)，从而这样计算出的车轮的横向力仅通过控制转向系统，即，仅通过控制每个车轮的横向力，获得目标车辆横向力和横摆力矩。

协调操作量计算器20基于由协调参数计算器16得到的协调参数ρ，通过线性插值由转向控制操作量计算器18计算出的转向控制变量(纵向力F_xsi＝0，横向力F_ysi)与由通过最佳力分配计算器14计算出的每个车轮的最佳轮胎力的大小和方向得到的纵向力F_xoi和横向力F_yoi，来计算协调控制变量。利用上述方程式(58)和(59)进行线性插值。

控制器22在需要时控制转向致动器以及制动和驱动致动器，以控制为实现每个车轮的目标轮胎力所需要的每个车轮的转向角或者每个车轮的转向角及制动/驱动力。

控制器22可包括制动力控制器、驱动力控制器、前轮转向控制器以及后轮转向控制器。

制动力控制器可以是例如用于ESC(电子稳定性控制)的控制装置，即，独立于驾驶员的操作单独地控制各个车轮的制动力的控制装置，与驾驶员的操作机械地隔离并经由信号线如所期望地控制每个车轮的制动力的控制装置(所谓的线控制动)等。

驱动力控制装置可以是例如通过借助于控制节气门开度、点火正时、以及燃料喷射量中的至少一个来控制发动机转矩从而控制驱动力的控制装置，通过控制变速器的换档位置或变速点而控制驱动力的控制装置、通过控制转矩分动器而控制纵向和横向中至少一个的驱动力的控制装置等。

前轮转向控制器可以是例如根据驾驶员对转向盘的操作控制前轮的转向角的控制装置，与驾驶员的操作机械地隔离并与驾驶员对转向盘的操作独立地控制前轮的转向角的控制装置(所谓的线控转向)等。

后轮转向控制器可以是例如根据驾驶员对转向盘的操作来控制后轮的转向角的控制装置，与驾驶员的操作机械地隔离并与驾驶员对转向盘的操作独立地控制后轮的转向角的控制装置等。

为了证实该实施例的效果，参照示出针对目标车身力(车辆横向力)＝4000N且目标横摆力矩＝1000Nm的情况下力及力矩分配算法的操作结果的图4。示出路面的μ变化时的摩擦圆的大小的图4示出该实施例的协调方法如何根据未被利用附着范围适应于协调仅控制转向系统的控制与转向及制动/驱动综合控制(或最佳力分配控制)。

更具体地，在路面的μ等于0.3且未被利用附着范围小的(a)情况下，ρ设定为1(ρ＝1)并根据转向及制动/驱动综合控制逻辑(或最优分配控制逻辑)进行计算。在路面的μ等于1.0且未被利用附着范围大的(c)情况下，ρ设定为0，并仅进行所有四个车轮的轮胎力都产生在横向的转向系统的控制。在路面的μ等于0.6的(b)情况下，ρ设定为0.21，进行(a)情况下的控制与(c)情况下的控制之间的协调控制，即，转向角的控制仅与很小程度的制动/驱动控制协调。

图5示出由各个轮胎产生的轮胎力，所述力是当车辆以80km/h的速度在μ＝0.95的路面上行驶的同时进行以60度的正弦波形为一个周围的转向时，在该实施例的最优分配控制与转向协调控制下通过仿真得到的。应当理解，在图5中(a)的转向协调控制下，在转向的初期以及转向盘回正期间，即，当μ利用率(在进行最优分配控制时计算出)等于或小于0.3时，制动/驱动力变为零。

因此，根据所示实施例，可通过线性插值由仅控制转向系统得出的控制变量与由转向及制动/驱动综合控制(或最优分配控制)得出的控制变量，根据未被利用附着范围(或μ利用率)，在用于改进在轮胎附着限制时的性能的最优分配控制与仅对转向系统的控制之间连续地改变控制方法。

Claims (9)

1.一种车辆控制系统，包括：

第一控制变量计算装置(14)，该第一控制变量计算装置用于基于包括作为参数的为实现驾驶员所期望的车身运动而要施加到车身的目标合力以及每个车轮的摩擦圆的大小的约束条件，来计算第一控制变量或者包括所述第一控制变量和第二控制变量的综合控制变量，所述第一控制变量用于控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以最优化所述每个车轮的μ利用率，所述第二控制变量用于控制所述每个车轮的转向角；

第二控制变量计算装置(18)，该第二控制变量计算装置用于计算用于通过仅控制所述每个车轮的转向角来实现所述目标合力的每个车轮的转向控制变量；以及

控制装置(22)，该控制装置用于确定用于控制所述每个车轮的转向角、制动力以及驱动力中的至少一个的最终控制变量，以使得在μ利用率小的区域，与在μ利用率大的区域相比，在所述最终控制变量中，由所述第一控制变量计算装置(14)和所述第二控制变量计算装置(18)中的至少一个计算出的用于控制所述每个车轮的转向角的控制变量的比例大于用于控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个的控制变量的比例。

2.根据权利要求1所述的车辆控制系统，其特征在于，所述控制装置(22)，在μ利用率小的区域基于通过所述第二控制变量计算装置(18)计算出的转向控制变量仅控制所述每个车轮的转向角，在μ利用率大的区域基于通过所述第一控制变量计算装置(14)以及所述第二控制变量计算装置(18)计算出的第一或综合控制变量以及转向控制变量控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以及所述每个车轮的转向角。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的车辆控制系统，其特征在于，所述控制装置(22)，在μ利用率小的通常区域基于通过所述第二控制变量计算装置(18)计算出的转向控制变量仅控制所述每个车轮的转向角，在μ利用率大的限制区域基于通过所述第一控制变量计算装置(14)计算出的综合控制变量控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以及所述每个车轮的转向角，并且，所述控制装置在所述通常区域与所述限制区域之间的区域内基于通过线性插值所述转向控制变量和所述综合控制变量得到的协调控制变量控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以及所述每个车轮的转向角。

4.根据权利要求3所述的车辆控制系统，其特征在于，根据以下方程式对所述转向控制变量和所述综合控制变量进行线性插值：

C_ci＝ρC_oi+(1-ρ)C_si

其中，C_ci是作为线性插值的结果而得到的协调控制变量，C_oi是综合控制变量，C_si是转向控制变量，ρ是在从μ利用率小的通常区域到μ利用率大的限制区域的区域范围内根据μ利用率而从0到1变化的参数。

5.一种车辆控制系统，包括：

第一控制变量计算装置(14)，该第一控制变量计算装置用于基于包括作为参数的为实现驾驶员所期望的车身运动而要施加到车身的目标合力以及每个车轮的摩擦圆的大小的约束条件，来计算第一控制变量或者包括所述第一控制变量和第二控制变量的综合控制变量，所述第一控制变量用于控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以最优化所述每个车轮的μ利用率，所述第二控制变量用于控制所述每个车轮的转向角；

第二控制变量计算装置(18)，该第二控制变量计算装置用于计算用于通过仅控制所述每个车轮的转向角来实现所述目标合力的每个车轮的转向控制变量；以及

控制装置(22)，该控制装置用于确定用于控制所述每个车轮的转向角、制动力以及驱动力中的至少一个的最终控制变量，以使得在μ利用率小的区域，与在μ利用率大的区域相比，在所述最终控制变量中，通过所述第一控制变量计算装置(14)和所述第二控制变量计算装置(18)中的至少一个计算出的、用于控制所述每个车轮的转向角的所述第二控制变量与所述转向控制变量之和的比例大于用于控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个的所述第一控制变量的比例。

6.一种控制机动车辆的方法，包括以下步骤：

基于包括作为参数的为实现驾驶员所期望的车身运动而要施加到车身的目标合力以及每个车轮的摩擦圆的大小的约束条件，来计算第一控制变量或者包括所述第一控制变量和第二控制变量的综合控制变量，所述第一控制变量用于控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以最优化所述每个车轮的μ利用率，所述第二控制变量用于控制所述每个车轮的转向角；

计算用于通过仅控制所述每个车轮的转向角来实现所述目标合力的每个车轮的转向控制变量；以及

确定用于控制所述每个车轮的转向角、制动力以及驱动力中的至少一个的最终控制变量，以使得在μ利用率小的区域，与在μ利用率大的区域相比，在所述最终的控制变量中，用于控制所述每个车轮的转向角的控制变量的比例大于用于控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个的控制变量的比例。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在μ利用率小的区域基于所述转向控制变量仅控制所述每个车轮的转向角，在μ利用率大的区域基于所述第一或综合控制变量以及所述转向控制变量控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以及所述每个车轮的转向角。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，其特征在于，在μ利用率小的通常区域，基于所述转向控制变量仅控制所述每个车轮的转向角，在μ利用率大的限制区域，基于所述综合控制变量控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以及所述每个车轮的转向角，并且，在所述通常区域与所述限制区域之间的区域内，基于通过线性插值所述转向控制变量和所述综合控制变量得到的协调控制变量控制所述每个车轮的制动力和驱动力中的至少一个以及所述每个车轮的转向角。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据以下方程式对所述转向控制变量和所述综合控制变量进行线性插值：

C_ci＝ρC_oi+(1-ρ)C_si

其中，C_ci是作为线性插值的结果而得到的协调控制变量，C_oi是综合控制变量，C_si是转向控制变量，ρ是在从μ利用率小的通常区域到μ利用率大的限制区域的区域范围内根据μ利用率而从0到1变化的参数。

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