一种四轮独立电驱港口AGV的分层容错控制方法技术

本发明专利技术为一种四轮独立电驱港口AGV的分层容错控制方法，控制系统包括上层控制模块、中层控制模块、下层控制模块和执行模块，上层控制模块包括MPC控制器和PI速度控制器，上层控制模块用于维持运行轨迹；中层控制器模块基于滑模控制理论，设计了横摆角速度滑模控制器和质心侧偏角滑模控制器，再通过失效分配策略计算最佳附加横摆力矩；下层控制模块包括容错控制分配器，当某个车轮电机失效后，容错控制分配器根据港口AGV行驶所需的总纵向转矩和最佳附加横摆力矩对其余各车轮驱动转矩进行重新分配，使其余车轮电机转动，形成闭环控制，保证港口AGV在电机失效的情况下仍能正常行驶，提高了港口AGV的工作效率与安全性。高了港口AGV的工作效率与安全性。高了港口AGV的工作效率与安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种四轮独立电驱港口AGV的分层容错控制方法


[0001]本专利技术属于特种作业车辆容错控制
，具体涉及到一种四轮独立电驱港口AGV的分层容错控制方法。

技术介绍

[0002]四轮独立电驱汽车是指汽车的四个车轮都具有独立的动力源，如轮毂电机、轮边电机等，车辆所获得的驱动力是两轮驱动的两倍，大大提高了车辆的行驶能力，但是电机失效带来的安全性问题也值得被关注。港口重载AGV(下文简称港口AGV)作为一种特种作业车辆，具有重心高、轴距宽等特点，此外，由于港口恶劣作业环境，受降雨、风蚀、盐蚀等作用，电机出现故障的概率较大，现有的控制策略为出现故障后直接停机检修。
[0003]由于四轮独驱港口AGV属于冗余系统，利用其冗余特性，当港口AGV在作业过程中任意一个车轮电机出现故障失效时，可以通过控制策略对健康的电机转矩进行控制，使港口AGV在电机失效的情况下仍能正常行驶，保障了港口AGV的行驶安全性。
[0004]分层控制在汽车稳定性控制领域比较常见，来源于直接横摆力矩控制方法。直接横摆力矩控制方法是通过获得理想状态与实际行驶状态的误差并计算出其附加横摆力矩，并基于分布式驱动的特点通过合适的转矩分配将求得的附加横摆力矩转换为电机转矩的一种方法。现有的分层容错控制主要针对被动容错，即被动容错控制策略不依赖于对系统故障的检测，系统出现任何行驶的故障均可通过本身原有的控制策略进行处理，对于主动容错尤其是对四轮独立驱动下某一车轮电机失效的控制研究较少。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种四轮独立电驱港口AGV的分层容错控制方法。
[0006]本专利技术解决所述技术问题采用的技术方式如下：
[0007]一种四轮独立电驱港口AGV的分层容错控制方法，使用的控制系统包括上层控制模块、中层控制模块、下层控制模块和执行模块，上层控制模块包括MPC控制器和PI速度控制器，中层控制器模块包括横摆角速度滑模控制器和质心侧偏角滑模控制器，下层控制模块包括容错控制分配器，执行模块包括左前轮电机、右前轮电机、左后轮电机和右后轮电机；其特征在于，该方法包括如下内容：
[0008]一、建立港口AGV整车转向模型和动力学模型，港口AGV整车转向模型为：
[0009][0010]式中，δ
1,1
、δ
1,2
、δ
2,1
、δ
2,2
分别表示左前轮转向角、右前轮转向角、左后轮转向角以及右后轮转向角，G1＝a+Rsinβ表示左前轮或右前轮几何中心与转向中心之间的纵向距离，G2＝b
‑
Rsinβ表示左后轮或右后轮几何中心与转向中心之间的纵向距离，表示左前轮或左后轮几何中心与转向中心之间的横向距离，以港口AGV长度方向为纵向，以港口AGV宽度方向为横向，a、b分别为前轴、后轴到港口AGV质心的距离，β为质心侧偏角，R为转向中心到港口AGV质心的距离，l为同轴轮距；
[0011]港口AGV整车动力学模型为：
[0012][0013]其中，表示纵向转矩，表示横向转矩，表示横摆转矩，M表示满载质量，u、分别表示纵向运动速度和加速度，v、分别表示横向运动速度和加速度，r、分别表示横摆角速度和角加速度，I
z
表示横摆转动惯量，F
xi,j
表示车轮i,j对路面的纵向反力，F
yi,j
表示车辆i,j对路面的横向反力，i,j＝1,1、1,2、2,1、2,2分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；
[0014]建立港口AGV单轨转向模型，其表达式为：
[0015][0016]式中，α
f
、α
r
分别表示前轮侧偏角和后轮侧偏角，F
yf
、F
yr
分别表示前轮横向力和后轮横向力，δ
f
表示前轮转向角，L
f
、L
r
表示前轮和后轮侧偏刚度；
[0017]港口AGV单轨模型为：
[0018][0019]式中，表示质心侧偏角β的一阶导数；
[0020]结合港口AGV整车转向模型和单轨转向模型，推导各车轮转向角与前轮转向角之间的关系为：
[0021][0022]式中，δ
f
表示前轮转向角；
[0023]根据港口AGV单轨模型，得到港口AGV在大地坐标系中的位置为：
[0024][0025]其中，V表示港口AGV实际速度，表示航向角ψ的一阶导数，分别表示大地坐标系横坐标X和纵坐标Y的一阶导数，δ
r
表示后轮转向角；
[0026]将港口AGV在大地坐标系中的位置转换为式(7)的系统状态空间方程：
[0027][0028]式中，u
M
＝[δ
f
]表示前轮转向角矩阵，表示状态量H＝(ψ,X,Y)
T
的一阶导数，T表示矩阵转置；
[0029]MPC控制器将港口AGV各车轮转向角控制问题转换为优化问题，目标函数为：
[0030][0031]其中，H(t)为t时刻港口AGV的状态量，u
M
(t
‑
1)为t
‑
1时刻的前轮转向角矩阵，ΔU(t)为t时刻的前轮转向角矩阵增量，τ(t+n|t)为MPC控制器的输出，τ
r
(t+n|t)为参考路径，Δu(t+n|t)为控制增量，n为时间步长，ε为松弛因子，θ为权重系数，A与B均为权重矩阵，N
p
、N
c
分别表示预测时域与控制时域；
[0032]在每个控制周期内以期港口AGV位置及各车轮转向角总误差最小，将优化问题描述为：
[0033][0034]将车轮侧偏角约束作为硬约束条件，则有：
[0035]α
t,min
≤αf，α
r
≤α
t,max
ꢀꢀ
(14)
[0036]其中，α
t,min
、α
t,max
分别表示车轮侧偏角的最小值和最大值；
[0037]将横向加速度约束作为软约束条件，则有：
[0038][0039]其中，μ表示路面附着系数，g表示重力加速度；
[0040]PI速度控制器以港口AGV的期望速度和实际速度作为输入，对期望速度和实际速度进行求解，并根据式(16)计算得到港口AGV行驶所需要的总纵向力矩T
V
；
[0041]T
V
＝K
u
(K
p
e
V
+K
i
∫e
V
dt)
ꢀꢀ
(16)
[0042]式中，e
V
＝V
d
‑
V表示速度跟随误差，V
d
表示港口A本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四轮独立电驱港口AGV的分层容错控制方法，使用的控制系统包括上层控制模块、中层控制模块、下层控制模块和执行模块，上层控制模块包括MPC控制器和PI速度控制器，中层控制器模块包括横摆角速度滑模控制器和质心侧偏角滑模控制器，下层控制模块包括容错控制分配器，执行模块包括左前轮电机、右前轮电机、左后轮电机和右后轮电机；其特征在于，该方法包括如下内容：一、建立港口AGV整车转向模型和动力学模型，港口AGV整车转向模型为：式中，δ
1,1
、δ
1,2
、δ
2,1
、δ
2,2
分别表示左前轮转向角、右前轮转向角、左后轮转向角以及右后轮转向角，G1＝a+Rsinβ表示左前轮或右前轮几何中心与转向中心之间的纵向距离，G2＝b
‑
Rsinβ表示左后轮或右后轮几何中心与转向中心之间的纵向距离，表示左前轮或左后轮几何中心与转向中心之间的横向距离，以港口AGV长度方向为纵向，以港口AGV宽度方向为横向，a、b分别为前轴、后轴到港口AGV质心的距离，β为质心侧偏角，R为转向中心到港口AGV质心的距离，l为同轴轮距；港口AGV整车动力学模型为：其中，表示纵向转矩，表示横向转矩，表示横摆转矩，M表示满载质量，u、分别表示纵向运动速度和加速度，v、分别表示横向运动速度和加速度，r、分别表示横摆角速度和角加速度，I
z
表示横摆转动惯量，F
xi,j
表示车轮i,j对路面的纵向反力，F
yi,j
表示车辆i,j对路面的横向反力，i,j＝1,1、1,2、2,1、2,2分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；建立港口AGV单轨转向模型，其表达式为：式中，α
f
、α
r
分别表示前轮侧偏角和后轮侧偏角，F
yf
、F
yr
分别表示前轮横向力和后轮横向力，δ
f
表示前轮转向角，L
f
、L
r
表示前轮和后轮侧偏刚度；港口AGV单轨模型为：
式中，表示质心侧偏角β的一阶导数；结合港口AGV整车转向模型和单轨转向模型，推导各车轮转向角与前轮转向角之间的关系为：式中，δ
f
表示前轮转向角；根据港口AGV单轨模型，得到港口AGV在大地坐标系中的位置为：其中，V表示港口AGV实际速度，表示航向角ψ的一阶导数，分别表示大地坐标系横坐标X和纵坐标Y的一阶导数，δ
r
表示后轮转向角；将港口AGV在大地坐标系中的位置转换为式(7)的系统状态空间方程：式中，u
M
＝[δ
f
]表示前轮转向角矩阵，表示状态量H＝(ψ,X,Y)
T
的一阶导数，T表示矩阵转置；MPC控制器将港口AGV各车轮转向角控制问题转换为优化问题，目标函数为：其中，H(t)为t时刻港口AGV的状态量，u
M
(t
‑
1)为t
‑
1时刻的前轮转向角矩阵，ΔU(t)为t时刻的前轮转向角矩阵增量，τ(t+n|t)为MPC控制器的输出，τ
r
(t+n|t)为参考路径，Δu(t+n|t)为控制增量，n为时间步长，ε为松弛因子，θ为权重系数，A与B均为权重矩阵，N
p
、N
c
分别表示预测时域与控制时域；
在每个控制周期内以期港口AGV位置及各车轮转向角总误差最小，将优化问题描述为：将车轮侧偏角约束作为硬约束条件，则有：α
t,min
≤α
f
，α
r
≤α
t,max
ꢀꢀꢀꢀ
(14)其中，α
t,min
、α
t,max
分别表示车轮侧偏角的最小值和最大值；将横向加速度约束作为软约束条件，则有：其中，μ表示路面附着系数，g表示重力加速度；PI速度控制器以港口AGV的期望速度和实际速度作为输入，对期望速度和实际速度进行求解，并根据式(16)计算得到港口AGV行驶所需要的总纵向力矩T
V
；T
V
＝K
u
(K
p
e
V
+K
i
∫e
V
dt)
ꢀꢀꢀꢀ
(16)式中，e
V
＝V
d
‑
V表示速度跟随误差，V
d
表示港口AGV期望车速，K
u
表示速度系数，K
p
、K
i
均为PI控制参数；二、如图7所示，港口AGV单轨模型输入期望横摆角速度和质心侧偏角，分别通过横摆角速度滑模控制器和质心侧偏角滑模控制器对横摆角速度和质心侧偏角进行控制，输出横摆角速度附加横摆力矩ΔM
z1
和质心侧偏角附加横摆力...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘璇，刘玉卿，王子航，刘成文，张明超，张建华，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：