一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及系统，包括硬件平台和主动容错控制算法，硬件包括转向盘总成、中央控制器和转向执行总成，算法部分采用基于间接自适应主动容错控制理论。本发明专利技术能够通过主动调节控制器的参数，在不增加硬件冗余的前提下，实现四轮独立线控转向电动汽车转向执行机构在部分失效、中断及卡死故障情况下的容错控制，保证执行器故障模式下汽车对理想参考模型的零质心侧偏角和修正横摆角速度的跟踪，提高转向过程中的操纵稳定性。本发明专利技术能够有效避免在四轮独立线控转向电动汽车转向过程中由于执行机构故障导致的交通事故的发生，提高车辆对转向执行机构故障的容忍能力和驾驶的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及系统
本专利技术涉及智能汽车领域，具体为一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及系统。
技术介绍
随着智能汽车技术的发展，汽车主动安全技术在电动化趋势中得到快速发展，线控转向技术在汽车上得到了广泛应用。基于线控技术的汽车转向系统取消了方向盘和车轮之间的机械连接结构，取而代之的是执行电子指令的电控执行机构。线控转向系统采用电控转向执行机构减轻了汽车许多重量，是提高车辆行驶安全性、提高驾驶员舒适性和操控性的一种有效方法，可以实现快速、精确的转向干预。四轮独立线控转向(4WIS)电动汽车低速时具有较好的机动性，高速时具有较优秀的操纵稳定性和安全性，通过控制转向角度还能实现诸如斜行，蟹行和原地转向等优于传统的转向系统的特殊功能而受到越来越多科研人员的关注。但由于4WIS汽车具有多个频繁工作的转向执行机构，考虑到电子设备的鲁棒性比传统机械、液压部件低，很容易随时出现各种故障。当其中一个或多个执行机构发生故障时，发生故障的执行机构可能无法提供预期的扭矩，导致线控转向系统性能不理想，质心侧偏角和横摆角速度发生较大波动从而危及车辆的稳定性控制。虽然已有很多学者进行了多执行器故障的容错控制研究，并取得了优秀的研究成果。但目前线控转向汽车大都采用被动容错技术，即采用硬件冗余方法实现硬件备份，当执行机构出现故障，系统切换到冗余系统，这样会导致成本和体积增加。因此，如何在不增加硬件冗余的前提下，通过容错算法实现执行器出现故障情况下，尤其是出现卡死或中断等严重故障情况下，仍能够保证4WIS电动汽车具有良好的稳定性，是4WIS电动汽车转向系统亟待解决的问题。因此，本专利技术提出一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及系统。当某个执行器出现故障时，在不需要增加硬件的前提下，通过主动容错控制算法，实现部分失效、卡死和中断故障情况下的容错控制。通过查阅资料，目前基于该种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制系统的应用尚未见到报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及系统，在算法层面通过建立简化线性二自由度模型及定义包含多种故障的执行器故障模型，基于间接自适应控制理论，引入一种鲁棒自适应主动容错控制策略。以跟踪参考模型为目标进行了容错控制器的设计，实现执行器故障模式下汽车对理想参考模型的零质心侧偏角和修正横摆角速度的跟踪。本专利技术能够有效避免四轮独立线控转向电动汽车转向过程中由于执行机构故障导致的交通事故的发生，提高车辆对故障的容忍能力和驾驶的安全性。本专利技术的技术方案：一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法及系统，由硬件平台和主动容错控制算法组成。硬件平台由转向盘总成、中央控制器ECU和转向执行总成组成。主动容错控制算法由建立四轮独立转向汽车的车辆二自由度动力学模型、车辆参考模型、执行机构故障模型和设计间接自适应主动容错控制器组成。本专利技术所述转向盘总成：转向盘总成负责将驾驶员转向意图通过转向盘的转角信号传递给中央控制器ECU。本专利技术所述中央控制器ECU：中央控制器ECU根据方向盘总成传递过来的转角、车速等信息通过内置算法计算得到四个车轮的目标转角，然后将目标转角发送到转向执行总成中的各转向控制器。本专利技术所述转向执行总成：由4个转向控制器和4个转向电机组成。其中，各个转向控制器分别控制转向电机转到由ECU计算出的目标转角。本专利技术所述车辆二自由度动力学模型如下：其中：FYf是前轮侧向力，FYr是后轮侧向力；β是车体质心处的侧偏角；γ是车体质心处的横摆角速度；m是车辆质量；ux是车辆的纵向速度；a是车辆质心到前轴的距离，b是车辆质心到后轴的距离；δf是车辆前轮转角，δr是车辆后轮转角，Iz是汽车绕z轴的转动惯量。因此基于对轮胎侧偏特性的考虑，本专利技术采用如下的近似线性模型：FYf＝-Cfαf，FYr＝-Crαr(3)其中，Cf是前轮的侧偏刚度，Cr是后轮的侧偏刚度，αf为前轮的侧偏角，αr为后轮的侧偏角。车轮的侧偏角定义如下：将式(3)和(4)带入系统运动方程(1)和(2)中可得：在线控四轮独立转向汽车中，以四个车轮转角作为控制器输入。其中，x(t)＝[βγ]T是状态向量，u(t)＝[δflδfrδrlδrr]T是控制输入量，δfl,δfr,δrl,δrr分别是左前轮、右前轮、左后轮、右后轮转角，A∈R2×2是系统矩阵，B∈R2×4是输入矩阵，将四轮转向模型转化为四轮独立转向模型，可得到状态方程：其中本专利技术所述车辆参考模型如下：在质心侧偏角较小的情况下，可以将前轮转向(FWS)汽车线性二自由度模型的横摆角速度稳态值视为理想的横摆角速度。将横摆角速度与前轮转角的稳态增益Gw作为横摆角速度与前轮转角的理想比例关系，可得：式中，γ*表示理想的横摆角速度，表示期望的前轮转角。式(8)中，K表示车辆的转向特性稳定性因数，表达式为：考虑轮胎侧向力的极限值受路面附着系数的限制，汽车的侧向加速度ay受到如下条件限制：ay≤|μg|(10)式中，μ为路面附着系数，g为重力加速度。稳态条件下由此可得：γ≈uxγ，则综上，可将理想横摆角速度修正为：利用零质心侧偏角作为质心侧偏角的理想参考目标，式(12)描述的横摆角速度作为理想参考目标，将理想质心侧偏角和横摆角速度写成以下状态空间方程形式：式中xd＝[β*γ*]T,Bd＝[0Gw/τγ]T。式中τβ、τγ分别表示质心侧偏角与横摆角速度的惯性环节时间常数均取值为0.1。γ*同时需要满足路面附着系数的限制，即要满足式(11)。本专利技术所述执行机构故障模型如下：令表示线控转向执行机构中第i个执行器在第j个故障模式下的执行器故障信号。定义以下通用执行器故障模型：其中，i＝1，2，3，4，j＝1…4，为失效因子。j为第j个故障模式，一共有4种故障模式。和分别为失效因子的上界和下界。usi(t)表示第i个执行器未知时变有界的卡死故障。由实际情况可知定义为：各种故障模式的具体情况如表1所示：表1故障模型定义：ujF(t)＝[u1jF(t)，，，u4jF(t)]T＝ρju(t)+σjus(t)(16)式中ρj＝diag[ρj1,ρj2,ρj3,ρj4]，σj＝diag[σj1,σj2,σj3,σj4]，j＝1,2,3,4，为了描述方便，对于所有可能的故障模式，本专利技术采用以下执行器故障模型：uF(t)＝ρu(t)+σus(t),ρ＝diag[ρ1,ρ2,ρ3,ρ4]∈{ρ1,ρ2,ρ3,ρ4}(17)本专利技术所述间接自适应主动容错控制器设计如下：定义跟踪误差为e＝x-xd＝[β-β*γ-γ*本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，包括：建立四轮独立转向汽车的车辆二自由度动力学模型、车辆参考模型、执行机构故障模型和设计间接自适应主动容错控制器；以车辆参考模型为跟踪目标进行自适应主动容错控制器的设计，根据执行机构故障模型推导出带有故障形式的主动容错控制器表达式，再根据Lyapunov函数推导出最终的主动容错控制器，实现对车辆参考模型的零质心侧偏角和修正横摆角速度的跟踪。/n

【技术特征摘要】
1.一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，包括：建立四轮独立转向汽车的车辆二自由度动力学模型、车辆参考模型、执行机构故障模型和设计间接自适应主动容错控制器；以车辆参考模型为跟踪目标进行自适应主动容错控制器的设计，根据执行机构故障模型推导出带有故障形式的主动容错控制器表达式，再根据Lyapunov函数推导出最终的主动容错控制器，实现对车辆参考模型的零质心侧偏角和修正横摆角速度的跟踪。


2.根据权利要求1所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，所述建立四轮独立转向汽车的车辆二自由度动力学模型具体包括：
首先建立车辆二自由度动力学模型：






其中：FYf是前轮侧向力，FYr是后轮侧向力；β是车体质心处的侧偏角；γ是车体质心处的横摆角速度；m是车辆质量；ux是车辆的纵向速度；a是车辆质心到前轴的距离，b是车辆质心到后轴的距离；δf是车辆前轮转角，δr是车辆后轮转角，Iz是汽车绕z轴的转动惯量；
基于对轮胎侧偏特性的考虑，建立如下的近似线性模型：
FYf＝-Cfαf，FYr＝-Crαr(3)
其中，Cf是前轮的侧偏刚度，Cr是后轮的侧偏刚度，αf是前轮的侧偏角，αr是后轮的侧偏角；车轮的侧偏角定义如下：



将式(3)和(4)带入系统运动方程(1)和(2)中可得四轮独立转向汽车的车辆二自由度动力学模型为：





3.根据权利要求2所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，还包括建立模型对应的状态方程：
以四个车轮转角作为控制器输入；其中，x(t)＝[βγ]T是状态向量，u(t)＝[δflδfrδrlδrr]T是控制输入量，δfl,δfr,δrl,δrr分别是左前轮、右前轮、左后轮、右后轮转角，A∈R2×2是系统矩阵，B∈R2×4是输入矩阵，将四轮转向模型转化为四轮独立转向模型，可得到状态方程：



其中





4.根据权利要求1所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，所述建立车辆参考模型具体包括：
在质心侧偏角较小的情况下，将前轮转向(FWS)汽车线性二自由度模型的横摆角速度稳态值视为理想的横摆角速度；将横摆角速度与前轮转角的稳态增益Gw作为横摆角速度与前轮转角的理想比例关系，可得：






式中，γ*表示理想的横摆角速度，表示期望的前轮转角，K表示车辆的转向特性稳定性因数，表达式为：



考虑轮胎侧向力的极限值受路面附着系数的限制，汽车的侧向加速度ay受到如下条件限制：
ay≤|μg|(10)
式中，μ为路面附着系数，g为重力加速度。稳态条件下由此可得：则



因此，将理想横摆角速度修正为：



利用零质心侧偏角作为质心侧偏角的理想参考目标，式(12)描述的横摆角速度作为理想参考目标，将理想质心侧偏角和横摆角速度写成以下状态空间方程形式：



式中
式中τβ、τγ分别表示质心侧偏角与横摆角速度的惯性环节时间常数均取值为0.1，γ*同时需要满足路面附着系数的限制，即要满足式(11)。


5.根据权利要求1所述的一种四轮独立线控转向电动汽车执行机构主动容错控制算法，其特征在于，所述建立执行机构故障模型具体包括：
设表示线控转向执行机构中第i个执行器在第j个故障模式下的执行器故障信号，定义以下通用执行器故障模型：



其中，i＝1，2，3，4，j＝1…4，为失效因子，j为第j个故障模式，一共有4种故障模式，各故障模式的具体定义如说明书表1所示；和分别为失效因子的上界和下界，usi(t)表示第i个执行器未知时变有界的卡死故障，定义为：



定义：
ujF(t)＝[u1jF(t)，，，u4jF(t)]T＝ρju(t)+σjus(t)(16)
式中ρj＝diag[ρj1,ρj2,ρj3,ρj4]，σj＝diag[σj1,σj2,σj3,σj4]，j＝1,2,3,4，对于所有可能的故障模式，采用以下执行器故障模型：
uF(t...

【专利技术属性】
技术研发人员：何友国，耿朋杰，袁朝春，蔡英凤，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32