轮毂驱动电动汽车纵、横和垂向力集成控制优化方法技术

一种轮毂驱动电动汽车纵、横和垂向力集成控制优化方法，属于电动汽车控制技术领域。本发明专利技术的目的是采用分层式协同控制结构，从而解决现有现有控制系统存在的四个缺点的轮毂驱动电动汽车纵、横和垂向力集成控制优化方法。本发明专利技术将车辆合力与四轮轮胎力之间的关系带入车身六自由度方程得出车辆运动学控制目标纵向速度，侧向速度，垂向速度，俯仰角，侧倾角，横摆角的期望值，从而对其进行优化。本发明专利技术提出了分层式轮胎纵、横、垂向力三者统一优化分配的集成控制方法，有效消除不同底盘电子控制系统之间的冲突并增强其互补性，综合提升车辆操纵稳定性并改善车辆行驶姿态，具体体现在提升了车辆的道路跟踪性能、安全性、操纵性、稳定性以及舒适性。

Optimal method of integrated control of longitudinal, lateral and vertical forces for hub-driven electric vehicles

The utility model relates to an integrated control optimization method for longitudinal, horizontal and vertical forces of hub-driven electric vehicles, which belongs to the control technology field of electric vehicles. The object of the present invention is to adopt a hierarchical cooperative control structure, thereby solving the four shortcomings of the existing control system of hub-driven electric vehicle, and the optimization method of integrated control of longitudinal, lateral and vertical forces. The invention takes the relationship between vehicle resultant force and four-wheel tire force into the six-degree-of-freedom equation of vehicle body and obtains the desired values of vehicle kinematics control target longitudinal speed, lateral speed, vertical speed, pitch angle, roll angle and yaw angle, thereby optimizing them. The integrated control method of layered tire longitudinal, transverse and vertical forces is proposed, which can effectively eliminate the conflict between different chassis electronic control systems and enhance their complementarity, comprehensively improve vehicle handling stability and vehicle driving attitude, and specifically improve vehicle road tracking performance, safety, maneuverability, stability and comfort. \u3002

【技术实现步骤摘要】
轮毂驱动电动汽车纵、横和垂向力集成控制优化方法
本专利技术属于电动汽车控制

技术介绍
随着汽车技术的进步和发展，以往分散式汽车底盘系统的各子系统独立控制已经无法满足人们对于汽车整体性能日益提升的要求，汽车底盘系统的一体化优化控制成为目前汽车底盘控制的研究热点。分散式底盘控制系统主要从轮胎纵、横和垂向力三方面分别独立进行主动控制，从而提升车辆操纵性和稳定性能并优化车辆的行驶姿态。但是由于车辆系统非线性强，且车辆各向运动和轮胎各向力间动力学严重耦合，采用不同底盘控制系统分别对轮胎力进行单一方面的控制势必在控制需求、执行机构、执行效果等方面存在不同程度的冲突，容易出现打架和资源浪费。为消除不同底盘电子控制系统之间的冲突并增强其互补性，综合提升车辆操纵稳定性并改善车辆行驶姿态，需要对底盘系统进行一体化控制，对轮胎纵向、横向和垂向力中的二者或三者开展协同控制研究，改善车辆驱动/制动性能和操纵稳定性能。然而，当前针对汽车底盘一体化控制研究，仍然存在着明显的不足，包括：1、现阶段的汽车底盘一体化控制方法主要是车辆纵、横、垂向力中二者协同控制方法，纵和垂向，横和垂向，纵和横向力二者协同控制仅仅分别提升了部分车辆动力学性能，难以实现最优的控制效果。而当前综合考虑轮胎纵、横和垂向力三者协同控制的研究很少。2、当前对于底盘一体化控制的研究大多采用如下方案：通过对质心侧偏角和横摆角速度的控制来实现对车辆纵横向力的协同控制，额外采用主动悬架控制方法对主动悬架力进行控制，并没有实现底层对车辆纵、横、垂向力解耦，实现最优控制。3、在设计轮胎垂向力的主动控制时，应该对车辆姿态目标和车辆操纵稳定性目标的进行综合考虑。目前的研究中，大多利用主动悬架力来控制车身姿态目标；而针对操纵稳定性目标考虑的很片面，仅考虑按比例跟随制动力矩或轮胎动载荷最小，应该根据车辆实际状态对各轮垂向力进行综合优化设计。4、现有底盘一体化控制系统尚未能真正实现轮胎纵、横和垂向力三者协同的统一优化分配方法。当前研究仅能实现轮胎纵、横向力统一优化分配，而对轮胎垂向力的分配则大多采用平均分配、利用经验工况划分的经验控制规则等人为解耦的方法，难以实现最大限度地改善车辆动力学性能的目标。四轮轮毂驱动电动汽车由于其动力传动系统结构简单并且控制模式灵活的特点，已经成为近些年研究的热点。四轮轮毂驱动电动汽车的四个车轮的转矩和转速信息容易获取，并且可以分别对四个车轮进行独立精确的控制，使得控制更为灵活、方便，同时电机具有驱动和制动两种工作模式，这些特性为先进控制算法的在电动汽车上的应用奠定了坚实的基础。这也为电动汽车轮胎纵、横和垂向力三者协同控制的实现提供了有利条件。本专利技术设计的基于模型预测控制的轮毂驱动电动汽车纵、横和垂向力协同控制优化方法能很好地解决以上问题，并能获得电动车辆底盘系统的最佳控制效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是采用分层式协同控制结构，从而解决现有现有控制系统存在的四个缺点的轮毂驱动电动汽车纵、横和垂向力集成控制优化方法。本专利技术求解未来的时刻的状态步骤是：①将车辆合力与四轮轮胎力之间的关系、车辆的俯仰力矩Mxd，侧倾力矩Myd，横摆力矩Mzd与轮胎力之间的关系带入车身六自由度方程得出车辆运动学控制目标纵向速度Vx，侧向速度Vy，垂向速度Vz，俯仰角ρ，侧倾角θ，横摆角的期望值；对俯仰角ρ，侧倾角θ，横摆角一次求导后得到俯仰角速度，侧倾角速度，横摆角速度，对俯仰角ρ，侧倾角θ，横摆角二次求导得到的是俯仰角加速度侧倾角加速度横摆角加速度对纵向速度Vx、侧向速度Vy、垂向速度Vz进行一次求导从而分别获得纵向加速度侧向加速度垂向加速度②选择纵向车速、侧向车速、垂向车速以及侧倾角速度、俯仰角速度和横摆角速度作为状态变量即同样将这六个变量作为被控输出即将纵向合力、侧向合力、垂向合力以及侧倾合力矩、俯仰合力矩和横摆合力矩作为控制输入即u＝[Fxd,Fyd,Fzd,Mxd.Myd,Mzd]T；③将式(17)整理得到预测模型的连续时间状态空间方程表达式如(18)所示：④将连续的状态空间模型离散化，选择采样时间为Ts＝0.02s，离散化后的状态空间模型描述为式(19)：⑤定义预测时域为p，控制时域为m，p＞m。车辆在[k+1,k+p]预测时域内动态可以基于车辆当前状态和预测模型得到，即在k+p时刻，车辆状态为x(k+p)＝F(x(k),u(k),u(k+1),…,u(k+m),…,u(k+p-1))，当采样时间大于控制时域时，保持控制输入不变直到预测时域u(k+m-1)＝u(k+m)＝u(k+m+1)＝…u(k+p-1)；⑥因此定义k时刻的最优控制输入：相应的k时刻的预测输出⑦将参考模型所得系统期望值改写成系统的参考输入序列定义如(22)所示：在第k个采样时刻，y(k)作为控制系统预测的初始值，即y(k|k)＝y(k)；⑧被控系统的状态变量和输入会根据当前时刻的状态变量值和系统输入计算更新，将得出的控制序列的第一项作为系统输入作用于下一个时刻，并结合下一时刻被控系统的输出进行优化问题求解，如此反复就实现了控制序列的滚动优化，并对未来的时刻的状态进行了求解。本专利技术车身六自由度状态量和控制量进行约束：①为了更好地控制车辆性能，车辆纵向车速、侧向车速、垂向车速以及侧倾角速度、俯仰角速度和横摆角速度的应该尽可能快的跟踪上参考值，同时控制动作不宜太大，得到车身运动控制器的目标函数如下式所示：J＝ΓQ||Y(k+1|k)-R(k+1)||2+ΓR||U(k)||2(23)ΓQ＝diag(τQ1,τQ2,…,τQp)为控制车辆姿态的权重系数，ΓR＝diag(τR1,τR2,…,τRp)为控制输入的权重系数；②车身控制稳定性约束问题，对横摆角速度加一个约束条件，μ为路面附着系数③考虑到车辆的机械特性，所以需要满足如下所示(25)的安全性约束，将上述车身运动控制问题描述为下列的优化问题：本专利技术中层：轮胎力分配控制器：包括目标函数的制定、约束条件的选取，根据求解未来的时刻的状态和车身六自由度状态量和控制量作为等式约束：①包含垂向力的且综合考虑纵-横-垂向力的优化分配目标函数：minJ＝var(γi)+QE(γi)+RVar(ξi)(27)其中，γi为各轮轮胎的负荷系数，ξi为轮胎垂向力动态系数，Q,R为其权重系数，μi为各轮的附着系数，Fzi,0为各轮的静态载荷；②在上层系统中根据预期行驶轨迹计算得到了车辆的各向合力及力矩，轮胎各向力之合应与期望的合力及力矩相等，③其次，轮胎力的大小要受到路面所提供的极限摩擦力的约束，各轮轮胎力的大小要小于最大摩擦力，④考虑电机的最大输出转矩和最大转矩变化，纵向力应满足⑤当车辆转向时轮胎的最大横向力和最大横向力变化约束⑥同时考虑到主动悬架的最大垂向变化率限制⑦同轴的左右轮横、垂向力满足⑧根据前面提出的多个控制目标以及系统所考虑的约束条件，轮胎力优化分配问题可以表示为：minJ为优化目标函数。本专利技术下层：纵、横、垂向力执行控制：根据式(36)求解得到纵横垂三个方向，四个车轮的轮胎力，共12个，①各轮的期望驱动转矩为：Twi＝Fxir(37)②各轮的主动悬架力为：式中Fzi,A为主动悬架力，is为悬架和轮胎间的机械增益，为各轮的估计垂向力；③采用Dugof本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轮毂驱动电动汽车纵、横和垂向力集成控制优化方法，其特征在于：其求解未来的时刻的状态步骤是：①将车辆合力与四轮轮胎力之间的关系、车辆的俯仰力矩Mxd，侧倾力矩Myd，横摆力矩Mzd与轮胎力之间的关系带入车身六自由度方程得出车辆运动学控制目标纵向速度Vx，侧向速度Vy，垂向速度Vz，俯仰角ρ，侧倾角θ，横摆角

【技术特征摘要】
1.一种轮毂驱动电动汽车纵、横和垂向力集成控制优化方法，其特征在于：其求解未来的时刻的状态步骤是：①将车辆合力与四轮轮胎力之间的关系、车辆的俯仰力矩Mxd，侧倾力矩Myd，横摆力矩Mzd与轮胎力之间的关系带入车身六自由度方程得出车辆运动学控制目标纵向速度Vx，侧向速度Vy，垂向速度Vz，俯仰角ρ，侧倾角θ，横摆角的期望值；对俯仰角ρ，侧倾角θ，横摆角一次求导后得到俯仰角速度，侧倾角速度，横摆角速度，对俯仰角ρ，侧倾角θ，横摆角二次求导得到的是俯仰角加速度侧倾角加速度横摆角加速度对纵向速度Vx、侧向速度Vy、垂向速度Vz进行一次求导从而分别获得纵向加速度侧向加速度垂向加速度②选择纵向车速、侧向车速、垂向车速以及侧倾角速度、俯仰角速度和横摆角速度作为状态变量即同样将这六个变量作为被控输出即将纵向合力、侧向合力、垂向合力以及侧倾合力矩、俯仰合力矩和横摆合力矩作为控制输入即u＝[Fxd,Fyd,Fzd,Mxd.Myd,Mzd]T；③将式(17)整理得到预测模型的连续时间状态空间方程表达式如(18)所示：④将连续的状态空间模型离散化，选择采样时间为Ts＝0.02s，离散化后的状态空间模型描述为式(19)：⑤定义预测时域为p，控制时域为m，p＞m。车辆在[k+1,k+p]预测时域内动态可以基于车辆当前状态和预测模型得到，即在k+p时刻，车辆状态为x(k+p)＝F(x(k),u(k),u(k+1),…,u(k+m),…,u(k+p-1))，当采样时间大于控制时域时，保持控制输入不变直到预测时域u(k+m-1)＝u(k+m)＝u(k+m+1)＝…u(k+p-1)；⑥因此定义k时刻的最优控制输入：相应的k时刻的预测输出⑦将参考模型所得系统期望值改写成系统的参考输入序列定义如(22)所示：在第k个采样时刻，y(k)作为控制系统预测的初始值，即y(k|k)＝y(k)；⑧被控系统的状态变量和输入会根据当前时刻的状态变量值和系统输入计算更新，将得出的控制序列的第一项作为系统输入作用于下一个时刻，并结合下一时刻被控系统的输出进行优化问题求解，如此反复就实现了控制序列的滚动优化，并对未来的时刻的状态进行了求解。2.根据权利要求1所述的轮毂驱动电动汽车纵、横和垂向力集成控制优化方法，其特征在于：车身六自由度状态量和控制量进行约束：①为了更好地控制车辆性能，车辆纵向车速、侧向车速、垂向车...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海艳，赵津杨，张艺林，陈虹，陶冶，冯宇驰，陈伟轩，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22