一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法技术方案

一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法，包含以下步骤：采集车辆的行驶状态信息，根据车辆的二自由度单轨模型计算控制状态量的参考值；以状态量的实际值和参考值的误差和对误差的积分为滑模面，利用滑模算法，获得为实现针对当前工况车辆稳定所需的控制量规划值，以轮胎加速度的比值表示轮胎力之间的角度，并结合已有的路面摩擦系数的估计方法和采集到的车辆状态的有效信息，规划出车辆合力与合力矩的联合可行域；判断上层控制器的输出规划值是否在可行域内通过不同工况下的分配方法所获得的轮胎力，确定为维持车辆稳定运行时轮毂电机所需要输出力矩的大小，最后通过执行器去执行轮胎力的分配结果。

A method of tire force distribution for vehicle stability control system with limited execution drive space

In a limited space of execution driven vehicle stability control system of tire force distribution method, which comprises the following steps: collecting the vehicle driving information, control state reference is calculated according to two degrees of freedom vehicle model with monorail; actual state values and the reference value of the error and the error of the integral sliding surface, using sliding mode algorithm, to realize the control to obtain planning needed to stabilize the current condition of the vehicle value, the ratio of acceleration force between tire tire said angle, combined with effective information of the existing road friction coefficient estimation method and the collected vehicle status, planning out the vehicle together with the joint moment and the feasible region the upper controller output; judging whether the value of the planning in the feasible region distribution method under different conditions was determined to maintain the car tire force The size of the output torque needed for the wheel motor in a stable operation is finally carried out by the actuator to perform the distribution of the tire force.

【技术实现步骤摘要】
一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法
本专利技术属于车辆主动安全控制的
，提供了一种车辆稳定性系统的控制方法，尤其涉及一种由于低摩擦系数和轮胎垂直载荷转移引起执行驱动空间受限时的轮胎力分配方法。
技术介绍
车辆的稳定性在近年来受关注的程度不断提高，其中主动安全防护系统，例如制动防抱死系统(ABS)、主动转向控制系统(AFS)、电子稳定控制系统(ESC)以及牵引力控制系统(TCS)等，能有效地帮助驾驶员在紧急工况下做出正确的选择，以避免出现严重的转向不足或过度转向。随着车辆智能化的进程，当融入环境信息时，驾驶员参与汽车行驶过程的比重逐渐减弱使得自动驾驶技术得到了快速发展，从而对车辆的主动安全系统提出了更高的要求，因此出现了关于车辆稳定性的多个子系统的集成控制，但无法很好地解决各个子系统之间作用的耦合冲突所带来的消极影响。轮胎力的分配是车辆稳定性控制中的一个重要环节。然而在摩擦系数较低时，车辆的可执行驱动空间受限，导致控制器的输出在无法在轮间实现轮胎力的优化分配，从而造成车辆运行状态的不稳定。在现有的车辆稳定性研究中，多数是以在当前的行驶工况下可以完全优化处理轮胎力为前提。而并没有涉及车辆驱动/制动执行空间受限造成车辆运行不稳定时，应该采取何种有效措施使得车辆可以获得次优状态下的稳定。所以轮胎力分配的可行性问题值得受到更多的关注。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：对于车辆的平面运动，给出多输入多输出的滑模控制方法，根据当前时刻车辆的状态信息，规划出车辆时变的行驶可行域。当轮胎力不存在优化分配的可行解时，采取控制器重构和调整系统输入的方法，使得车辆在新的控制需求下保持状态稳定的同时跟随驾驶员的期望行驶轨迹。一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法，包含以下步骤：步骤一实时地由车载传感器采集车辆行驶过程中的状态量，得到车辆的方向盘转角、横摆角速度、纵向加速度、侧向加速度，以及车辆的速度、车轮的运动速度、路面的摩擦系数等有效信息；步骤二根据步骤一中得到的车辆的纵向/侧向行驶速度和前轮转角δ作为输入量，利用二自由度单轨模型确定被控量的参考值，即包括以汽车质心为坐标原点的车辆纵向速度Vx、侧向速度Vy和横摆角速度ωr的期望值；步骤三取车辆纵向速度、侧向速度和横摆角速度的期望值与实际值的误差及其误差的积分为滑模面，通过滑模控制器求得完成当前控制任务所需的作用在车身坐标系上的合成纵向合力∑FXd、合成侧向合力∑FYd及横摆力矩∑MZd的规划值；步骤四基于步骤一实时获取的车辆纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度以及前轮转角的信息，依据当前路面摩擦系数和作用在各车轮上的垂直载荷，逆向求取上层滑膜控制器输出的有效作用区域，进一步得到纵向/横向合力分别相对于合成横摆力矩的联合可行域；步骤五：根据当前时刻的路面状况和车辆的行驶状态信息，实时决策由步骤三中通过滑膜控制器得到的合力与合力矩规划值是否在由步骤四确定的联合可行域内，根据不同的结果采取相应的分配方法：(1)当滑模控制器的输出规划值在联合可行域内时，以最大化轮胎的稳定裕度为性能指标，直接进行轮胎力的优化分配；(2)若控制器的输出规划值不在联合可行域时，通过引入重构系数对控制器进行重构，并同时调整控制系统的输入，即车辆的速度和前轮转角，使得在下层控制器中，轮胎力由于低地面摩擦系数和作用在各轮胎上的垂直载荷变化引起执行驱动空间受限时，依然存在优化分配的可行解，并且完成轨迹跟踪的目标；对控制系统输入的调整，满足车辆转弯半径ρ、纵向行驶速度Vx和前轮转角δ的如下关系：步骤六：由步骤四中不同情况下分配所得的轮胎力，通过执行器的作用执行轮胎力的分配结果。所述步骤中二自由度单轨模型以侧向速度和横摆角速度为状态量，满足如下微分方程：步骤三中滑模控制器如下式所示：附图说明图1为本专利技术所提出的车辆稳定性控制系统的原理图；图2为车辆的二自由度单轨模型示意图；图3为换道行驶的工况下纵向合力与侧向合力的联合可行域；图4为换道行驶的工况下纵向合力与横摆力矩的联合可行域；图5为换道行驶的工况下侧向合力与横摆力矩的联合可行域；图6为单移线的工况下纵向速度偏差的对比图；图7为单移线的工况下侧向速度的对比图；图8为单移线的工况下横摆角速度的对比图；图9为单移线的工况下车辆沿轴和轴方向位移的对比图；图10为左前轮的纵向轮胎力与其极限值关系的对比图；图11为右前轮的纵向轮胎力与其极限值关系的对比图；图12为左后轮的纵向轮胎力与其极限值关系的对比图；图13为右后轮的纵向轮胎力与其极限值关系的对比图；具体实施方式下面结合附图，对提出的技术方案作进一步地阐述和说明。本专利技术提出一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法，其中涉及的车辆稳定性控制系统原理图如图1所示。模块1代表车辆的主动安全辅助驾驶功能，外部环境感知决定了车辆的驾驶需求。驾驶员模型中的驱动、制动踏板和方向盘的信号，通过驾驶系统的映射变换，得到车辆的速度和前轮转角，再经过参考模型最终获得上层控制器的输入状态量，且作为整个闭环控制系统的输入。模块2代表车辆的分层控制系统。上层控制器实现对纵向速度Vx、侧向速度Vy和横摆角速度ωr的稳定性控制，得到虚拟的控制量：纵向合力∑FX、侧向合力∑FY和横摆力矩∑MZ。在路面状况良好时，以虚拟控制量为中间量的下层控制器可以分配得到每个车轮的轮胎力,再由执行器的作用转化为对车辆的直接控制:驱动或制动力矩。模块3通过摩擦圆计算纵向力和侧向力的约束，并基于轮胎力约束的解空间规划合力与合力矩的可行域，再判断上层控制器的输出是否落在可行域内。若恰好在可行域内，则对应于模块2所阐述的情况；若未落在可行域内，则采取措施使上层控制器的输出落在在可行域内。模块4是针对模块3中合力与合力矩未在可行域时所提出的解决方案，也是本文着重阐述的内容。一方面引进重构系数kx、ky和kz对上层控制器进行重构，使轮胎力的分配问题存在可行解；另一方面由系统输入的衰减系数kv和kδ对车辆的速度、前轮转角作调整，保证车辆跟随驾驶员的期望行驶路径，实现弱化控制需求后的轮胎力再分配。重构系数和衰减系数ki(i＝x,y,z,v,δ)在理想状态下的取值均为1。模块5代表车辆的整个闭环控制系统，涉及了驾驶员模型、车辆模型、路面附着的环境感知，是融合了环境信息的人―车―路闭环控制系统。本专利技术提出一种针对执行驱动空间受限时的轮胎力分配方法，按下述步骤实施：1.实时采集车辆行驶状态的有效信息和辨识路面的摩擦系数。采集车载传感器反馈回来的车辆行驶状态信息，其中包括转向盘角度传感器采集的方向盘转角信号；偏转率传感器采集的车辆质心处的横摆角速度信号；加速度传感器采集的车辆质心处的加速度；磁电式传感器或者霍尔式传感器检测车辆的轮速信息；电磁感应式转速传感器用于检测变速器输出轴的转速，再由车速传感器的信号计算车速。经过特定的滤波处理获得车辆的方向盘转角、横摆角速度和加速度等状态信息。并根据车辆的速度和车轮的运动速度，计算轮胎的纵向滑移率和质心侧偏角，用已有的估计算法辨识路面的摩擦系数。2.根据步骤1中实时得到的状态量，利用车辆的二自由度单轨模型，如图2所示，确定车辆平面运动的控制状态量的参考值，包括期望的纵向速度、侧向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一实时地由车载传感器采集车辆行驶过程中的状态量，得到车辆的方向盘转角、横摆角速度、纵向加速度、侧向加速度，以及车辆的速度、车轮的运动速度、路面的摩擦系数等有效信息；步骤二根据步骤一中得到的车辆的纵向/侧向行驶速度和前轮转角δ作为输入量，利用二自由度单轨模型确定被控量的参考值，即包括以汽车质心为坐标原点的车辆纵向速度Vx、侧向速度Vy和横摆角速度ωr的期望值；步骤三取车辆纵向速度、侧向速度和横摆角速度的期望值与实际值的误差及其误差的积分为滑模面，通过滑模控制器求得完成当前控制任务所需的作用在车身坐标系上的合成纵向合力、合成侧向合力及横摆力矩的规划值∑FXd、∑FYd及∑MZd；步骤四基于步骤一实时获取的车辆纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度以及前轮转角的信息，依据当前路面摩擦系数和作用在各车轮上的垂直载荷，逆向求取上层滑膜控制器输出的有效作用区域，进一步得到纵向/横向合力分别相对于合成横摆力矩的联合可行域；步骤五：根据当前时刻的路面状况和车辆的行驶状态信息，实时决策由步骤三中通过滑膜控制器得到的合力与合力矩规划值是否在由步骤四确定的联合可行域内，根据不同的结果采取相应的分配方法：(1)当滑模控制器的输出规划值在联合可行域内时，以最大化轮胎的稳定裕度为性能指标，直接进行轮胎力的优化分配；(2)若控制器的输出规划值不在联合可行域时，通过引入重构系数对控制器进行重构，并同时调整控制系统的输入，即车辆的速度和前轮转角，使得在下层控制器中，轮胎力由于低地面摩擦系数和作用在各轮胎上的垂直载荷变化引起执行驱动空间受限时，依然存在优化分配的可行解，并且完成轨迹跟踪的目标；对控制系统输入的调整，满足车辆转弯半径ρ、纵向行驶速度Vx和前轮转角δ的如下关系：...

【技术特征摘要】
1.一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一实时地由车载传感器采集车辆行驶过程中的状态量，得到车辆的方向盘转角、横摆角速度、纵向加速度、侧向加速度，以及车辆的速度、车轮的运动速度、路面的摩擦系数等有效信息；步骤二根据步骤一中得到的车辆的纵向/侧向行驶速度和前轮转角δ作为输入量，利用二自由度单轨模型确定被控量的参考值，即包括以汽车质心为坐标原点的车辆纵向速度Vx、侧向速度Vy和横摆角速度ωr的期望值；步骤三取车辆纵向速度、侧向速度和横摆角速度的期望值与实际值的误差及其误差的积分为滑模面，通过滑模控制器求得完成当前控制任务所需的作用在车身坐标系上的合成纵向合力、合成侧向合力及横摆力矩的规划值∑FXd、∑FYd及∑MZd；步骤四基于步骤一实时获取的车辆纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度以及前轮转角的信息，依据当前路面摩擦系数和作用在各车轮上的垂直载荷，逆向求取上层滑膜控制器输出的有效作用区域，进一步得到纵向/横向合力分别相对于合成横摆力矩的联合可行域；步骤五：根据当前时刻的路面状况和车辆的行驶状态信息，实时决策由步骤三中通过滑膜控制器得到的合力与合力矩规划值是否在由步骤四确定的联合可行域内，根据不同的结果采取相应的分配方法：(1)当滑模控制器的输出规划值在联合可行域内时，以最大化轮胎的稳定裕度为性能指标，直接进行轮胎力的优化分配；(2)若控制器的输出规划值不在联合可行域时，通过引入重构系数对控制器进行重构，并同时调整控制系统的输入，即车辆的速度和前轮转角，使得在下层控制器中，轮胎力由于低地面摩擦系数和作用在各轮胎上的垂直载荷变化引起执行驱动空间受限时，依然存在优化分配的可行解，并且完成轨迹跟踪的目标；对控制系统输入的调整，满足车辆转弯半径ρ、纵向行驶速度Vx和前轮转角δ的如下关系：步骤六：由步骤五中不同情况下分配所得的轮胎力，通过执行器的作用执行轮胎力的分配结果。2.根据权利要求1所述的一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德军，曲卓，丁建楠，梁晓娜，王丽华，田彦涛，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22