一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法技术

本发明专利技术公开了一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法，首先，利用仿真软件CarSim得到四轮轮毂电机驱动电动汽车模型；其次，设计二自由度参考模型，通过二自由度参考模型推导出车辆侧向速度和横摆角速度的期望值；然后，为降低求解复杂度采用双层控制结构，上层采用NMPC控制器，以保证车辆横纵向稳定为控制目标，并考虑横纵向安全约束进行优化求解，得到虚拟控制量——轮胎滑移率和侧偏角的期望值；最后，下层根据轮胎实际的滑移率和侧偏角与上层给出的期望值之间的偏差得到附加转矩作用于轮毂电机，从而保证车辆横纵向的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法
本专利技术涉及一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法，更具体地说，本专利技术针对四轮轮毂驱动电动汽车在极限工况下横纵向运动易失稳问题，在模型预测控制框架下，设计了一种具有低计算复杂度的横纵向稳定性的协同控制方法，属于车辆安全控制

技术介绍
车辆在极限驾驶工况下，极易失稳引发交通事故，此时车辆的横纵向动力学系统呈现强耦合非线性特征，而目前已有的主动安全系统往往只是关注纵向或侧向运动的稳定，没有考虑其它系统的相互影响和耦合作用，在极限工况下由于控制目标冲突、执行器干涉等原因很难发挥功能，由此需要对车辆横纵向稳定性开展协同控制研究。对于四轮轮毂驱动电动汽车，利用其车轮独立可控的特点，可以对每个车轮分别附加驱动/制动转矩，从而更好地对车辆运动状态进行控制。目前极限工况下汽车的横纵向稳定性协同控制存在以下问题：1.评价车辆侧向稳定性的指标主要为车辆侧向速度和横摆角速度，主要体现在对其期望值的跟踪。多数传统控制算法将侧向速度的期望值简单设置为零，或只对横摆角速度进行跟踪，使得参考模型的设计不完全合理而影响控制器控制性能。2.极限工况下轮胎纵向力侧向力会互相影响，纵侧向力与滑移率和侧偏角之间呈耦合非线性关系。多数传统控制算法在利用轮胎模型计算轮胎纵侧向力时，没有考虑轮胎的复合滑移特性，使得轮胎力计算不准确从而影响预测模型精度。3.轮胎滑移率作为评价车辆纵向稳定的指标，多数控制方法将轮胎滑移率作为状态变量进行跟踪，虽然可以进行控制，但这种方法动力学模型复杂，并且难以设置合理的滑移率期望值。4.附加转矩作为直接影响车辆运动状态的控制量，多数控制方法对其计算主要是通过将求解得到的总附加转矩对每个车轮进行分配，而忽视每个车轮可能处于不同的驱动/制动状态，这样得到的附加转矩不够准确；或者根据各个轮胎的状态量对每个车轮分别设计控制器得到附加转矩，这使得控制系统结构更为复杂。
技术实现思路
本专利技术针对极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制问题，采用双层控制结构，上层利用NMPC控制器使车辆横摆角速度和侧向速度跟踪其参考信号，并抑制车辆纵向的滑动，保证车辆横纵向的稳定性，求解得到虚拟控制量为轮胎滑移率和侧偏角的期望值；下层根据轮胎实际的滑移率和侧偏角与上层给出的期望值之间的偏差，利用轮胎纵向力与滑移率、侧偏角之间的动力学关系，基于纵向力的变化计算附加转矩作用于轮毂电机，从而保证车辆横纵向的稳定性。为解决上述技术问题，本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法，包括以下步骤：步骤一、利用仿真软件CarSim得到四轮轮毂电机驱动电动汽车模型，实时提供车辆的各状态信息；步骤二、二自由度参考模型设计，得到考虑路面附着系数限制的车辆横摆角速度和车辆侧向速度的期望值，确定车辆的理想运动状态；步骤三、上层NMPC控制器设计：基于三自由度车辆动力学模型，考虑轮胎的复合滑移特性建立复合滑移LuGre轮胎模型，设计预测模型，使车辆的横摆角速度和侧向速度能够跟踪其期望值，并抑制轮胎纵向的滑移，以轮胎滑移率和侧偏角为虚拟控制量，优化求解得到的虚拟控制量作为下层控制的期望值；步骤四、下层附加转矩计算：根据轮胎实际的滑移率和侧偏角与上层给出的期望值之间的偏差量，利用轮胎纵向力与滑移率、侧偏角之间的动力学关系，基于纵向力的变化计算轮毂电机的附加转矩，发送给电动汽车作为输入量。与现有技术相比本专利技术的有益效果是：1.本专利技术采用基于二自由度车辆模型推导出期望的车辆侧向速度和横摆角速度信号，在设计NMPC控制器时对二者同时进行跟踪。不同于传统的将侧向速度的期望值简单设置为零，或只对横摆角速度进行跟踪，而是将二者的理想轨迹分别进行设计，保证更好的车辆侧向稳定性。2.多数传统控制算法没有考虑极限工况下轮胎纵向力侧向力之间的互相影响，忽略了纵侧向力与滑移率和侧偏角之间的耦合非线性关系。本专利技术在对轮胎纵侧向力进行拟合时，采用复合滑移LuGre轮胎模型，考虑轮胎的复合滑移特性，可以更好地计算极限工况下的轮胎力，从而提高了预测模型的精度。3.多数传统控制算法将轮胎滑移率作为状态变量进行跟踪以保证车辆纵向稳定，本专利技术采用双层控制结构，降低了预测模型的阶数，将轮胎滑移率和侧偏角的期望值作为NMPC控制器求解得到的虚拟控制量，对它们能够进行控制的同时降低了计算复杂度，提高了求解速度。4.本专利技术对附加转矩的计算是通过对期望的轮胎滑移率和侧偏角与实际值的偏差量进行转化得到的，相比于对每个车轮分别设计控制器得到附加转矩的传统控制算法，本专利技术的计算方式更能体现滑移率和侧偏角的变化对附加转矩的影响，更准确的计算附加转矩，并避免了多控制器的冗余。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的说明，本专利技术的这些和/或其他方面将更清晰明白。其中：图1是本专利技术所述的四轮轮毂驱动电动汽车横纵向稳定性协同控制方法流程框图；图2是本专利技术所述的车辆动力学模型的示意图；图3是本专利技术所述的轮胎纵向力验证图，其中实线为利用复合滑移LuGre轮胎模型计算的纵向力，虚线代表CarSim端口输出的轮胎纵向力，纵坐标单位为N，横坐标为时间，单位为s；图4是本专利技术所述的轮胎侧向力验证图，其中实线为利用复合滑移LuGre轮胎模型计算的侧向力，虚线代表CarSim端口输出的轮胎侧向力，纵坐标单位为N，横坐标为时间，单位为s；图5是本专利技术所述的双移线工况下车辆纵向速度仿真图，纵坐标单位为m/s，横坐标为时间，单位为s；图6是本专利技术所述的双移线工况下横摆角速度仿真图，其中点划线、实线、虚线分别代表无控制器作用、有控制器作用，以及期望的横摆角速度，纵坐标单位为rad/s，横坐标为时间，单位为s；图7是本专利技术所述的双移线工况下车辆侧向速度仿真图，其中点划线、实线、虚线分别代表无控制器作用、有控制器作用，以及期望的侧向速度，纵坐标单位为m/s，横坐标为时间，单位为s；图8是本专利技术所述的双移线工况下附加力矩仿真图，纵坐标单位为Nm，横坐标为时间，单位为s；图9是本专利技术所述的双移线工况下轮胎滑移率仿真图，其中虚线为上层NMPC控制器计算得到的滑移率期望值，实线为实际的滑移率，横坐标为时间，单位为s。具体实施方式为详细说明本专利技术的
技术实现思路
、构造特点、实现目的等，下面结合附图对本专利技术进行全面解释。本专利技术协同控制方法流程如图1所示，图中上层NMPC控制器的输入是期望横摆角速度、期望车辆侧向速度和被控对象输出测量值，输出分别为四个轮胎期望的纵向滑移率和侧偏角；下层附加转矩的计算根据上层得到的期望值与被控对象输出的实际值，得到轮胎滑移率和侧偏角的偏差量，利用轮胎纵向力与滑移率、侧偏角之间的动力学关系，基于纵向力的变化计算附加电机转矩；上层NMPC控制器和下层附加转矩的计算模块均是在MATLAB/Simulink中搭建的；被控对象是利用CarSim构造的四轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、利用仿真软件CarSim得到四轮轮毂电机驱动电动汽车模型，实时提供车辆的各状态信息；/n步骤二、二自由度参考模型设计，得到考虑路面附着系数限制的车辆横摆角速度和车辆侧向速度的期望值，确定车辆的理想运动状态；/n步骤三、上层NMPC控制器设计：基于三自由度车辆动力学模型，考虑轮胎的复合滑移特性建立复合滑移LuGre轮胎模型，设计预测模型，使车辆的横摆角速度和侧向速度能够跟踪其期望值，并抑制轮胎纵向的滑移，以轮胎滑移率和侧偏角为虚拟控制量，优化求解得到的虚拟控制量作为下层控制的期望值；/n步骤四、下层附加转矩计算：根据轮胎实际的滑移率和侧偏角与上层给出的期望值之间的偏差量，利用轮胎纵向力与滑移率、侧偏角之间的动力学关系，基于纵向力的变化计算轮毂电机的附加转矩，发送给电动汽车作为输入量。/n

【技术特征摘要】
1.一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用仿真软件CarSim得到四轮轮毂电机驱动电动汽车模型，实时提供车辆的各状态信息；
步骤二、二自由度参考模型设计，得到考虑路面附着系数限制的车辆横摆角速度和车辆侧向速度的期望值，确定车辆的理想运动状态；
步骤三、上层NMPC控制器设计：基于三自由度车辆动力学模型，考虑轮胎的复合滑移特性建立复合滑移LuGre轮胎模型，设计预测模型，使车辆的横摆角速度和侧向速度能够跟踪其期望值，并抑制轮胎纵向的滑移，以轮胎滑移率和侧偏角为虚拟控制量，优化求解得到的虚拟控制量作为下层控制的期望值；
步骤四、下层附加转矩计算：根据轮胎实际的滑移率和侧偏角与上层给出的期望值之间的偏差量，利用轮胎纵向力与滑移率、侧偏角之间的动力学关系，基于纵向力的变化计算轮毂电机的附加转矩，发送给电动汽车作为输入量。


2.如权利要求1所述的一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法，其特征在于，所述步骤二中，设计的二自由度参考模型，其方程如下：






其中，β为车辆质心侧偏角，γ为横摆角速度，δ是驾驶员给出的方向盘转角，Vx代表车辆纵向速度；
将儿子有度参考模型得到的瞬态响应作为期望，得到由δ到质心侧偏角和横摆角速度的期望响应β*和γ*：






其中，Kβ,Kγ分别代表质心侧偏角稳态增益及横摆角速度稳态增益，τβ,τγ分别为两式的微分系数，ωn表示系统的振荡频率，ξ表示阻尼系数；
期望的质心侧偏角β*和横摆角速度γ*都会受到有关路面附着系数的限制，它们的上限值分别为：






其中，μ代表路面附着系数，重力系数g＝9.8m/s2；得到参考质心侧偏角和参考横摆角速度如下：
βref＝sgn(δ)min{|β*|,βlim}
γref＝sgn(δ)min{|γ*|,γlim}
在质心侧偏角较小时，其值可看作是车辆侧向速度与纵向速度的比值，故根据βref可得到侧向速度的参考值Vyref如下：
Vyref＝sgn(δ)Vx·min{|β*|,βlim}。


3.如权利要求1所述的一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：
①考虑车辆的纵向，侧向及横摆运动，得到三自由度车辆动力学模型：









其中，Vy为车辆侧向速度，Fx和Fy分别代表轮胎的纵向力和侧向力，下标fl,fr,rl,rr分别代表左前、右前、左后和右后车轮；
轮胎的纵向滑移率其中ω代表车轮转速；
②利用复合滑移LuGre轮胎模型对轮胎纵向力...

【专利技术属性】
技术研发人员：王萍，李梓涵，张曦月，胡云峰，陈虹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22