一种针对车辆稳定系统执行器故障的容错控制方法技术方案

一种针对车辆稳定系统执行器故障的容错控制方法，包含以下步骤：采集车辆的行驶状态信息，根据二自由度车辆模型计算出状态量的参考值，将状态量参考值和实际值的误差作为上层车辆跟踪控制器的输入，通过最优控制方法得到当前工况的合力和合力矩，进行分配得到轮胎力，通过轮胎加速度的比值得到轮胎力之间的角度并结合当前工况和路面摩擦系数计算出当前的轮胎力可行域；将执行器故障后轮胎力的变化量引入整车动态，得出故障后的轮胎力容错可行域；判断当前所需轮胎力是否满足轮胎力容错可行域约束，根据不同的情况采取容错控制方法调整车辆行驶状态满足轮胎力容错可行域约束，并且最大限度的满足车辆行驶状态要求。

A fault tolerant control method for actuator failure of vehicle stability system

【技术实现步骤摘要】
一种针对车辆稳定系统执行器故障的容错控制方法
本专利技术属于车辆主动安全控制
,提供了一种针对车辆稳定系统执行器故障的容错控制方法，尤其涉及一种针对车辆稳定系统执行器故障引起的车辆失稳和执行驱动空间受限的容错控制方法。
技术介绍
随着对车辆稳定性的关注程度越来越高，车辆行驶系统的故障诊断与容错控制问题具有重要的研究意义。在自动驾驶、辅助驾驶领域中，车辆的安全稳定运行尤为重要。车辆稳定控制系统(ESC)是目前应用最多的主动安全控制系统，当车辆检测到自身发生滑移时，即使驾驶员没有进行制动，系统会主动对各车轮进行制动控制，防止危险情况时出现事故。车辆稳定系统的执行器主要是指每个轮附近的驱动/制动系统，它决定着电子控制单元发出的命令能否被响应，如果执行器故障，整个系统将失效，车辆的安全性得不到保障。在现有的车辆稳定控制系统执行故障的容错控制研究较少，多数是对传感器故障和容错控制的研究。针对稳定系统执行器故障的容错控制基本没有涉及到车辆的驱动和制动空间受限，轮胎力的可行范围有限，需要在考虑轮胎力是否满足其可行域，在此基础上设计容错控制方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：通过车辆的正常行驶状态规划出轮胎力可行域，当车辆行驶中稳定控制系统发生执行器故障，轮胎力超过其可行域，使车辆失稳，轮胎力超过其可行域，通过容错控制方法优化分配轮胎力，当优化分配不能实现轮胎力在可行域之内时，采取优化控制器和调整系统输入，使车辆在减性能的情况尽量保持安全运行。一种针对车辆稳定系统执行器故障的容错控制方法，包含以下步骤：步骤一通过车载传感器实时采集车辆行驶过程中的状态量，得到车辆纵向行驶速度、侧向行驶速度、横摆角速度和方向盘转角，以及纵向加速度、侧向加速度，车轮的速度、路面摩擦系数等状态信息；步骤二根据步骤一中得到的状态信息车辆纵向速度/侧向速度和前轮转角作为二自由度车辆模型的输入得到被控量的参考值，即车辆纵向速度Vx、侧向速度Vy和横摆角速度ωr；步骤三建立整车模型，采用直接反馈线性化的方法把非线性的车辆模型转变为线性模型，根据状态量参考值和实际值的误差作为上层车辆跟踪控制器的输入，通过最优控制算法得到当前工况下的合力和合力矩，并通过直接分配法得到各个轮的轮胎力。步骤四根据步骤一中得到的车辆纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度和前轮转角，根据当前的路面摩擦系数和作用在各个车轮上的垂直载荷，求取轮胎力的可行域；步骤五将某一执行器故障即此轮的轮胎力的变化量qi(i＝1,2,3,4)引入整车系统，忽略故障对侧向力的影想，则此车轮的纵向力变为Fxim＝Fxi+qi(i＝1,2,3,4)，根据轮胎力的变化重新规划轮胎力的可行域，这里称之为轮胎力容错可行域，从而得到故障后轮胎力可分配的范围。步骤六根据轮胎力相对于质心产生的横摆力矩方向，划分系统动力学的总平衡方程式，分别沿纵向和侧向描述车辆的驱动、制动以及转向特性，同时加入步骤五中的执行器故障引起的轮胎力变化量可以得到车辆行驶的容错可行域即上层控制其输出的合力与合力矩容错可行域。纵向合力的容错可行域：侧向合力的容错可行域：∑Fymax＝ξ1cosδ1+ξ2cosδ2+ξ2cosδ2+ξ2cosδ2+(η1-q1)sinδ1+(η2-q2)sinδ2+(η3-q3)sinδ3+(η4-q4)sinδ4∑Fymin＝-∑Fymax车辆绕质心运动所需横摆力矩的容错可行域：∑Mzmax＝[(η1-q1)cosδ1-(η2-q2)cosδ2+(η3-q3)cosδ3-(η4-q4)cosδ4]ls+(ξ2sinδ2-ξ1sinδ1+ξ4sinδ4-ξ3sinδ3)ls+[(η1-q1)1sinδ1+(η2-q2)sinδ2+ξ1cosδ1+ξ2cosδ2]lf-[(η3-q3)sinδ3+(η4-q4)sinδ4+ξ3cosδ3+ξ4cosδ4]lr∑Mzmin＝-∑Mzmax其中μFzicosθi＝ηi，μFzisinθi＝ξi(i＝1,...,4)，μ为路面的附着系数，θi(i＝1,...,4)是轮胎力之间的角度，ηi(i＝1,...,4)和ξi(i＝1,...,4)分别代表轮胎纵向力和侧向力的极限值；步骤七判断步骤三中上层输出的合力与合力矩是否满足故障后的合力与合力矩容错可行域，有如下两种情况发生：(1)当故障发生后上层控制器输出的合力与合力矩在合力与合力矩的容错可行域范围内时，只需要采用容错控制I实现执行器故障的容错，即只通过轮胎容错优化分配消除故障的影响。(2)当故障发生后上层控制器需求的合力与合力矩超出合力与合力矩的容错可行域范围内，需要同时采取容错控制I和容错控制Ⅱ实现执行器故障的容错控制。即首先在容错控制Ⅱ中通过对控制系统目标输入的调整，降低速度和改变前轮转角使汽车在减性能的情况下保持轨迹跟踪运行，同时减小上层控制器的调整来实现合力和合力矩的需求；其次在容错控制I中通过轮胎容错优化分配达到再分配后的轮胎力包含在容错可行域内。所述步骤二中二自由度模型以侧向速度和横摆角速度为状态量,确定车辆控制状态量的参考值，满足如下方程：其中,Vx、Vy和ωr分别为纵向速度、侧向速度和横摆角速度。lf和lr为汽车质心到前轴和后轴的距离,m为汽车总质量,Kf和Kr前轮和后轮的侧偏刚度,Iz为整车绕车辆坐标系Z轴的转动惯量。步骤三所述的线性系统和最优控制器如下所示:其中，ΔVx、ΔVy、Δωr分别为纵向速度参考值与实际值的误差、侧向速度参考值与实际值的误差以及横摆角速度参考值与实际值的误差，u12、u22、u32为抵消掉非线性部分后的剩余控制量。其中，Kij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)为通过优化方法求取的控制器增益。步骤五所述的轮胎力容错可行域如下所示:-μFzicosθi+|qi|≤Fxi≤μFzicosθi-|qi|,(i＝1,...,4)步骤六所述的合力与合力矩容错可行域如下所示:纵向合力的容错可行域：∑Fx∈[∑Fxmax,∑Fxmin]侧向合力的容错可行域：∑Fy∈[∑Fymax,∑Fymin]车辆绕质心运动所需横摆力矩的容错可行域：∑Mz∈[∑Mzmax,∑Mzmin]有益效果：本专利技术以轮胎的摩擦圆为基础，求出了轮胎力的可行域范围，当执行器故障发生后，某一轮胎力突然增加，然后重新规划轮胎力可行域，此时轮胎力超过其范围，通过容错控制方法使故障发生后的轮胎力可以满足其可行域约束，并使车辆在减性能的情况下尽可能保持安全运行。综上此方法的提出对辅助驾驶和自动驾驶具有重要的意义。附图说明图1为本专利技术所提出的容错控制原理图；图2为车辆左前轮故障值；图3为故障后的侧向速度对比图；图4为故障后的横本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对车辆稳定系统执行器故障的容错控制方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤一/n通过车载传感器实时采集车辆行驶过程中的状态量，得到车辆纵向行驶速度、侧向行驶速度、横摆角速度和方向盘转角，以及纵向加速度、侧向加速度，车轮的速度、路面摩擦系数等状态信息；/n步骤二/n根据步骤一中得到的状态信息车辆纵向速度/侧向速度和前轮转角作为二自由度车辆模型的输入得到被控量的参考值，即车辆纵向速度V

【技术特征摘要】
1.一种针对车辆稳定系统执行器故障的容错控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一
通过车载传感器实时采集车辆行驶过程中的状态量，得到车辆纵向行驶速度、侧向行驶速度、横摆角速度和方向盘转角，以及纵向加速度、侧向加速度，车轮的速度、路面摩擦系数等状态信息；
步骤二
根据步骤一中得到的状态信息车辆纵向速度/侧向速度和前轮转角作为二自由度车辆模型的输入得到被控量的参考值，即车辆纵向速度Vx、侧向速度Vy和横摆角速度ωr；
步骤三
建立整车模型，采用直接反馈线性化的方法把非线性的车辆模型转变为线性模型，根据状态量参考值和实际值的误差作为上层车辆跟踪控制器的输入，通过最优控制算法得到当前工况下的合力和合力矩，并通过直接分配法得到各个轮的轮胎力；
步骤四
根据步骤一中得到的车辆纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度和前轮转角，根据当前的路面摩擦系数和作用在各个车轮上的垂直载荷，求取轮胎力的可行域；
步骤五
将某一执行器故障即此轮的轮胎力的变化量qi(i＝1,2,3,4)引入整车系统，忽略故障对侧向力的影想，则此车轮的纵向力变为Fxim＝Fxi+qi(i＝1,2,3,4)，根据轮胎力的变化重新规划轮胎力的可行域，这里称之为轮胎力容错可行域，从而得到故障后轮胎力可分配的范围；
步骤六
根据轮胎力相对于质心产生的横摆力矩方向，划分系统动力学的总平衡方程式，分别沿纵向和侧向描述车辆的驱动、制动以及转向特性，同时加入步骤五中的执行器故障引起的轮胎力变化量可以得到车辆行驶的容错可行域即上层控制其输出的合力与合力矩容错可行域；
纵向合力的容错可行域：
∑Fxmax＝(η1-q1)1cosδ1+(η2-q2)cosδ2+(η3-q3)cosδ3+(η4-q4)cosδ4+ξ1sinδ1+ξ2sinδ2+ξ3sinδ3+ξ4sinδ4
∑Fxmin＝-∑Fxmax
侧向合力的容错可行域：
∑Fymax＝ξ1cosδ1+ξ2cosδ2+ξ2cosδ2+ξ2cosδ2+(η1-q1)sinδ1+(η2-q2)sinδ2+(η3-q3)sinδ3+(η4-q4)sinδ4
∑Fymin＝-∑Fymax
车辆绕质心运动所需横摆力矩的容错可行域：
∑Mzmax＝[(η1-q1)cosδ1-(η2-q2)cosδ2+(η3-q3)cosδ3-(η4-q4)cosδ4]ls+(ξ2sinδ2-ξ1sinδ1+ξ4sinδ4-ξ3sinδ3)ls+[(η1-q1)1sinδ1+(η2-q2)sinδ2+ξ1cosδ1+ξ2cosδ2]lf-[η3-q3)sinδ3+(η4-q4)sinδ4+ξ3cosδ3+ξ4cosδ4]lr
∑Mzmin＝-∑Mzmax
其中μFzicosθi＝ηi，μF...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德军，谢宁宁，程晶晶，王丽华，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22