一种多自由度系统的汽车驾驶稳定区域确定方法技术方案

本发明专利技术涉及提供一种多自由度系统的汽车驾驶稳定区域确定方法，包括三个阶段：第一阶段为计算二自由度车辆系统平衡点；第二阶段为构造同伦方程，利用信赖域方法计算多自由度车辆系统平衡点；第三阶段为记录多自由度车辆动力学系统平衡点个数发生变化时的前轮转角和对应的驱动力矩，得到驱动力矩和前轮转角的二维分岔参数集，即确定的汽车驾驶稳定区域。本发明专利技术替代以往计算多自由度系统平衡点时需要依据经验、通过人机交互不断试探来获得初值，实现了自动化计算多自由车辆系统平衡点，提高了确定汽车驾驶稳定区域的精度和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种多自由度系统的汽车驾驶稳定区域确定方法
本专利技术涉及汽车驾驶稳定区域确定方法，具体涉及一种多自由度系统的汽车驾驶稳定区域确定方法。
技术介绍
人们对汽车主动安全性的要求越来越高，也对汽车操纵稳定性控制系统的性能要求也越来越高。汽车操纵稳定性集成控制是通过协调控制或分层控制方式集成各种动力学控制系统，改变纵向(驱动与制动)和转向输入来保证汽车在驾驶过程中处于稳定状态。从驾驶员的使用角度，驱动力矩和转向角是汽车的驾驶输入，将直接影响驾驶的稳定性。因此，高效、准确地得到汽车关于转角与驱动力矩的驾驶稳定区域，将为汽车集成控制和安全辅助驾驶提供理论依据，通过基于驾驶稳定区域设计的前馈控制器和反馈控制器，将汽车始终控制在可控稳定区域内，保证汽车稳定行驶。目前，确定汽车驾驶稳定区域时求得车辆系统平衡点的方法如下：一、相平面法和图解法能够求得二自由度车辆系统的平衡点，但该方法不适用于多自由度车辆系统的平衡点计算；二、遗传算法在求得车辆系统平衡点时，由于参数选择对计算的精度和效率有较大影响，导致计算过程中收敛速度缓慢，效率低；三、遗传算法与拟牛顿法相结合的混合算法在求得车辆系统平衡点时需要根据研究人员的经验，选取求解范围，进行大量的人机交互，所以计算过程繁琐、效率低。综上：针对自由度不断增加的车辆系统平衡点计算问题，现有技术中更关注改善算法而没有考虑不同自由度车辆模型之间的内在联系，所以存在计算过程繁琐和效率低的问题，不利于在实际工程问题中直接推广使用。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种多自由度系统的汽车驾驶稳定区域确定方法，基于同伦思想建立了二自由度车辆系统和多自由度车辆系统之间的联系，将容易求得的二自由度车辆系统平衡点作为计算多自由车辆系统平衡点的合理初值，替代以往计算多自由度系统平衡点时需要依据经验不断试探来获得初值，避免了人机交互，实现了自动化计算多自由车辆系统平衡点，提高确定汽车驾驶稳定区域的精度和效率。本专利技术的技术方案包括三个阶段：第一阶段为计算二自由度车辆系统平衡点；第二阶段为构造同伦方程，利用信赖域方法计算多自由度车辆系统平衡点；第三阶段为记录多自由度车辆动力学系统平衡点个数发生变化时的前轮转角和对应的驱动力矩，得到驱动力矩和前轮转角的二维分岔参数集，即确定的汽车驾驶稳定区域。具体步骤如下：1、计算二自由度车辆动力学系统平衡点：1.1选取车辆模型及初始化，采用以侧向速度和横摆角速度为状态变量的二自由度车辆模型，所需计算平衡点的二自由度车辆动力学系统方程为：其中，m为整车质量；Iz为车辆绕z轴的转动惯量；vx2为纵向速度；vy2为侧向速度；ω2为横摆角速度；δf为前轮转角；δr为后轮转角；lf为前轴距；lr为后轴距；Fsf为前轮胎侧向力；Fsr为后轮胎侧向力。1.2计算前后轮胎侧向力，上述系统方程(1)中的前轮胎侧向力Fsf和后轮胎侧向力Fsr采用魔术公式计算，计算公式为:F＝Dsin(Carctan(Bx-E(Bx-arctanBx)))(2)其中B,C,D,E为轮胎参数；F是轮胎纵向力或侧向力；x是轮胎滑移率或侧偏角。1.3计算轮胎侧偏角，前轮轮胎侧偏角αf和后轮轮胎侧偏角αr采用轮胎侧偏角模型来计算，计算公式为:1.4构造迭代函数，计算二自由度车辆动力学系统平衡点，即得到vy2、ω2的值满足下列方程式(5)，。简记为式(6)F2(vy,ω2)＝0(6)使用不动点迭代法计算(5)式，将方程(5)等价转化为方程(7)简记为方程(8)x＝G(x)(8)其中x＝(vy2,ω2)，G(x)＝(g1(v2,ω2),g2(v2,ω2))T。迭代公式为:x(k+1)＝G(x(k)),k＝0,1,...,n(9)在计算过程中，检验迭代终止条件是否满足，若满足，则求得方程的近似解并退出，否则继续迭代计算。1.5平衡点随前轮转角变化的取值，设定最大迭代次数N、迭代容差tol，侧向速度初始值vy2_0，利用不动点迭代法分别计算在不同纵向速度vx2＝v0下，前轮转角δf分别取(δf1，δf2，...δfn)时的平衡点(即vy2、ω2的值)。2、计算多自由度车辆动力学系统的平衡点：2.1车辆模型选取及初始化，确定所需计算平衡点的多自由度车辆动力学系统方程，简记为方程Fn(x1,x2...xn)。同时确定模型中结构参数。2.2计算前后轮胎纵向力和侧向力，考虑混合滑移轮胎模型，其前后轮胎侧向力Fsf、Fsr和前后轮胎纵向力Flf、Flr计算公式为：式中，Gx，Gy为轮胎力混合滑移修正函数；rx,1,rx,2,ry,1,ry,2为轮胎力混合滑移修正系数；Flf0，Flr0，Fsf0，Fsr0为稳态下的前后车轮纵向力和侧向力，采用魔术公式计算，计算公式为(2)式；2.3计算轮胎侧偏角，前轮轮胎侧偏角αf和后轮轮胎侧偏角αr采用轮胎侧偏角模型来计算，计算公式为(3)、(4)式；2.4计算轮胎滑移率，前轮轮胎滑移率kf和后轮轮胎滑移率kr采用全工况下的轮胎滑移率模型计算，计算公式为：ωwf、ωwr为前后车轮转动角速度；vwxf、vwxr为前轮车轮平面内的轮心纵向速度，计算公式为：2.5按照车身初始状态受到的空气阻力计算驱动力矩Td，公式为:其中，Cair_x为纵向空气阻力系数，Cair_y为侧向空气阻力系数，AL_x为纵向迎风面积，AL_y为侧向迎风面积，ρ为空气密度，Re为车轮滚动半径，vx0为初始纵向车速，vy0为初始侧向车速；2.6构造同伦函数，计算多自由度车辆动力学系统的平衡点，即得到各状态变量值(如vy5、ω5、vx5、ωf、ωr等)满足下列方程式(15)，Fn(x1,x2...xn)＝0(15)构造如下同伦方程H(x)满足条件:H(x,t)＝(1-t)Fn(x1,x2...xn)+tF2(vy2,ω2),0≤t≤1(16)式中t为同伦参数，不同同伦参数将影响平衡点的求解精度，即式(18)中目标函数值的大小，同时也会影响求解速度。综合考虑求解精度和求解速度，同伦参数可选取值在(0.2-0.8)范围内。通过构造同伦方程，将计算多自由度车辆系统方程的解等价转化为计算方程式(16)；2.7利用信赖域方法计算方程式(16)，迭代方程为：目标函数为：minfn(x1,x2...xn)＝(1-t)∣Fn(x1,x2...xn)∣+t∣F2(vy2,ω2)∣(18)式(17)中，矩阵B为迭代矩阵，ΔBk为修正矩阵且秩大于等于1。在计算过程中，检验目标函数值是否小于设定误差值，若满足，则求得方程的近似解并退出，否则继续迭代计算；2.8平衡点随前轮转角变化的取值，设定最大迭代次数N、迭代容差tol，同伦参数t，以二自由度平衡点值作为合理初始值，利用信赖域方法计算某一纵向速度vx2＝v0下，前轮转角δf分别取(δf1，δf2，...δfn)时的多自由度车辆系统平衡点；3、驾驶稳定区域确定过程：3.1设定纵向速度vx2分别为v0，v1，…，vn，利用上述方法分别计算不同纵向速度下，不同前轮转角所对应的多自由度车辆系统平衡点；3.2分别记录某一纵向速度vx2＝v0下，平衡点个数发生变化时的前轮转角和对应的驱动力矩值，得到关于驱动和转向的二维分岔参数集，由驱动力矩和转角幅值所确定的汽车多自由度系统驾驶稳定区域，即T-δ空间。有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多自由度系统的汽车驾驶稳定区域确定方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤S1、计算二自由度车辆动力学系统平衡点：S1.1选取车辆模型及初始化，采用以侧向速度和横摆角速度为状态变量的二自由度车辆模型，所需计算平衡点的二自由度车辆动力学系统方程为：

【技术特征摘要】
1.一种多自由度系统的汽车驾驶稳定区域确定方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤S1、计算二自由度车辆动力学系统平衡点：S1.1选取车辆模型及初始化，采用以侧向速度和横摆角速度为状态变量的二自由度车辆模型，所需计算平衡点的二自由度车辆动力学系统方程为：其中，m为整车质量；Iz为车辆绕z轴的转动惯量；vx2为纵向速度；vy2为侧向速度；ω2为横摆角速度；δf为前轮转角；δr为后轮转角；lf为前轴距；lr为后轴距；Fsf为前轮胎侧向力；Fsr为后轮胎侧向力；S1.2计算前后轮胎侧向力，上述系统方程(1)中的前轮胎侧向力Fsf和后轮胎侧向力Fsr采用魔术公式计算，计算公式为:F＝Dsin(Carctan(Bx-E(Bx-arctanBx)))(2)其中B，C，D，E为轮胎参数；F是轮胎纵向力或侧向力；x是轮胎滑移率或侧偏角；S1.3计算轮胎侧偏角，前轮轮胎侧偏角αf和后轮轮胎侧偏角αr采用轮胎侧偏角模型计算，公式如下:S1.4构造迭代函数，计算二自由度车辆动力学系统平衡点，即得到vy2、ω2的值满足下列方程式(5)，简记为：F2(vy,ω2)＝0(6)使用不动点迭代法计算(5)式，将方程(5)等价转化为方程(7)简记为：x＝G(x)(8)其中x＝(vy2,ω2)，G(x)＝(g1(v2,ω2),g2(v2,ω2))T，迭代公式为：x(k+1)＝G(x(k)),k＝0,1,...,n(9)在计算过程中，检验迭代终止条件是否满足，若满足，则求得方程的近似解并退出，否则继续迭代计算，S1.5平衡点随前轮转角变化的取值，设定最大迭代次数N、迭代容差tol，侧向速度初始值vy2_0，利用不动点迭代法分别计算在不同纵向速度vx2＝v0下，前轮转角δf分别取(δf1，δf2，...δfn)时的平衡点，即vy2、ω2的值，步骤S2、计算多自由度车辆动力学系统的平衡点：S2.1车辆模型选取及初始化，确定所需计算平衡点的多自由度车辆动力学系统方程，简记为方程Fn(x1,x2...xn)，同时确定模型中结构参数；S2.2计算前后轮胎纵向力和侧向力，考虑混合滑移轮胎模型，其前后轮胎侧向力Fsf、Fsr和前后轮胎纵向力Flf、Flr计算公式为：式中，Gx，Gy为轮胎力混合滑移修正函数；rx,1,rx,2,ry,1,ry,2为轮胎力混合滑移修正系数；Flf0，Flr0，Fsf0，Fsr0为稳态下的前后车轮纵向力和侧向力，采用魔术公式(2)计算；S2.3计算轮胎侧偏角，前轮轮胎侧偏角αf和后轮轮胎侧偏角αr采用轮胎侧偏角...

【专利技术属性】
技术研发人员：施树明，陈光辉，林楠，牟宇，于晓军，白明慧，王槊，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22