一种模块化分层式架构的协同控制方法技术

本发明专利技术涉及车辆控制技术领域，尤其涉及一种模块化分层式架构的协同控制方法；包括以下步骤：S1、根据高层轨迹跟踪控制器，建立横摆角速度模型和质心侧偏角模型；S2、基于滑膜建立中层横摆力矩控制器，确定横摆角速度附加横摆力矩模型和质心侧偏角附加横摆力矩模型；S3、采用加权控制方法对横摆角速度和质心侧偏角进行协同控制；S4、建立下层转矩优化分配控制器，进行车轮的转矩优化分配；对轮式车辆的轨迹跟踪与横摆稳定性进行协同控制；从而实现轮式车辆在复杂地形下具有良好的横摆稳定性，改善了轮式车辆在跟踪过程中的横摆稳定性。善了轮式车辆在跟踪过程中的横摆稳定性。善了轮式车辆在跟踪过程中的横摆稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种模块化分层式架构的协同控制方法


[0001]本专利技术涉及车辆控制
，尤其涉及一种模块化分层式架构的协同控制方法。

技术介绍

[0002]电动化和智能化作为目前汽车工业发展的方向，已经成为国内外学者、研究所和企业的研究热点，而自动驾驶汽车在汽车智能化发展中占据重要的地位，自动驾驶汽车所采用的自动驾驶系统，轨迹跟踪是实现智能车辆自动驾驶的基本要求，车辆轨迹跟踪控制算法结合GPS、TMU等传感器数据对预期轨迹进行解析，计算出车辆最优控制量，自动驾驶系统对车辆的油门、刹车、方向盘等执行器进行控制，实现车辆的轨迹跟踪，在自动驾驶车辆轨迹跟踪控制时，常用的算法有PID控制、线性二次型调节器（LQR）、模型预测控制（MPC）等控制算法，车辆轨迹跟踪控制算法使车辆按照预期轨迹行驶，维持车辆行驶轨迹稳定，是保障自动驾驶行车安全的根本。
[0003]而目前现有的轨迹跟踪技术都只考虑前轮转角这一个横向控制变量，车辆在复杂地形的极端条件下的跟踪精度和动态稳定性都会受到影响，并且轨迹跟踪和稳定控制是车辆自动驾驶的两个基本功能，在复杂地形的极端条件下，轨迹跟踪和稳定控制这两个因素不可避免的存在相互干扰，并且在复杂地形的极端条件下，只考虑前轮转角这一横向控制变量是无法保证车辆的稳定性的，同时目前的这种过于集成的控制算法设计及应用难度也比较大。
[0004]因此，亟需提供一种模块化分层式架构的协同控制方法，相对于现有技术，改善轮式车辆在跟踪过程中的横摆稳定性。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种模块化分层式架构的协同控制方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种模块化分层式架构的协同控制方法，包括以下步骤：S1、根据高层轨迹跟踪控制器，输出实时速度和前轮转角控制量，建立横摆角速度模型和质心侧偏角模型；S2、基于滑膜建立中层横摆力矩控制器，确定横摆角速度附加横摆力矩模型和质心侧偏角附加横摆力矩模型；S3、采用加权控制方法对横摆角速度和质心侧偏角进行协同控制；S4、建立下层转矩优化分配控制器，具体为：设定单个轮胎路面附着利用率为代价函数，通过动力学模型建立每个轮胎的驱动转矩需要满足的路面附着条件，以横摆角速度附加横摆力矩模型、质心侧偏角附加横摆力矩模型、路面附着条件、驱动转矩为代价函数的约束条件，再进行极值求解，进行车轮的转矩优化分配。
[0007]更进一步地，S2具体包括以下步骤：S201、在车辆线形二自由度动力学平衡方程中添加附加横摆力矩，其表达如下：上式中，m为车辆质量，表示横向速度，表示横向速度，表示横摆角速度，表示前轮侧偏刚度，表示车辆质心侧偏角，表示质心到前轴的距离，表示质心到后轴的距离，表示前轮转角，表示后轮侧偏刚度，表示车辆沿Z轴方向的转动惯量，表示横摆角速度附加横摆力矩，表示质心侧偏角速度，表示横摆角速度一阶变化率。
[0008]S202、定义横摆角速度的滑膜控制切换函数：上式中，为横摆角速度跟踪误差；为横摆角速度跟踪误差和其变化率之间的权重系数，表示横摆角速度跟踪误差一阶变化率；S203、通过横摆角速度的滑膜控制切换函数与在车辆线形二自由度动力学平衡方程中添加附加横摆力矩的表达式，确定横摆角速度附加横摆力矩模型；S204、定义质心侧偏角滑膜控制切换函数为：上式中，表示质心侧偏角跟踪误差；表示质心侧偏角跟踪误差和其变化率之间的权重系数，表示质心侧偏角误差一阶变化率；S205、通过质心侧偏角滑膜控制切换函数与在车辆线形二自由度动力学平衡方程中添加附加横摆力矩的表达式，确定质心侧偏角附加横摆力矩模型。
[0009]更进一步地，横摆角速度跟踪误差与横摆角速度、理想横摆角速度之间的关系满足下式：上式中，表示横摆角速度跟踪误差，表示横摆角速度，表示理想横摆角速度；将上式与S201步骤所得到的表达式结合，得到横摆角速度附加横摆力矩模型为：上式中，表示趋近速度参数，表示饱和函数，表示期望横摆角速度二阶变化率，表示前轮转角一阶变化率。
[0010]更进一步地，质心侧偏角跟踪误差与质心侧偏角、理想质心侧偏角之间的关系满足下式：
上式中，表示质心侧偏角跟踪误差，表示质心侧偏角，表示理想质心侧偏角；将上式与S201步骤得到的表达式结合，得到质心侧偏角附加横摆力矩模型为：上式中，为趋近速度参数，表示理想质心侧偏角二阶变化率，表示前轮转角一阶变化率，表示饱和函数。
[0011]进一步地，S3具体包括以下步骤：S301、采用加权控制方法对横摆角速度和质心侧偏角进行协同控制，以质心侧偏角的失稳条件作为判断条件；S302、使用平面相图将质心侧偏角分为失稳区域和非失稳区域，并给出其稳定性边界的一般表达式，具体为：上式中，、都为稳定性边界常数，表示质心侧偏角速度；S303、同时在不同路面附着系数条件下提供边界系数，具体如下表所示：
[0012]更进一步地，加权控制方法表达式为：更进一步地，加权控制方法表达式为：上式中，表示联合控制附加横摆力矩，为权重系数，表示横摆角速度附加横摆力矩，表示质心侧偏角附加横摆力矩。
[0013]进一步地，单个轮胎路面附着利用率为：
上式中，表示轮胎路面附着利用率，表示轮胎垂向的力，表示轮胎纵向的力，表示轮胎横向的力，表示轮胎附着系数；将每个单个轮胎路面附着利用率赋予不同的权重系数，得到整车的路面附着利用率优化代价函数：上式中，表示不同轮胎路面附着利用率的权重系数，优化代价函数；设定不考虑轮胎纵向力和侧向力之间存在的耦合关系，仅将轮胎的纵向力作为优化求解的目标，简化后的代价函数如下：上式中，表示轮胎半径，表示优化代价函数。
[0014]更进一步地，通过动力学模型建立的每个轮胎的驱动转矩路面附着条件为：上式中，表示总驱动转矩，表示左后轮驱动转矩，表示右后轮驱动转矩，表示左前轮驱动转矩，表示右前轮驱动转矩，表示轮距，表示前轮转角，表示联合控制附加横摆力矩；同时驱动转矩需满足如下所示的不等式约束条件：上式中，表示电机最大输出转矩。
[0015]更进一步地，代价函数以驱动转矩、横摆角速度附加横摆力矩、质心侧偏角附加横摆力矩、路面附着条件为约束的表达式为：上式中，表示优化代价函数，表示左前轮的路面附着利用率的权重系数，表示左后轮的路面附着利用率的权重系数，表示右后轮的路面附着利用率的权重系数，表示右后轮的路面附着利用率的权重系数；表示左前轮的路面附着系数，表示右前轮的路面附着系数，表示左后轮的路面附着系数，表示右后轮的路面附着系数；
表示左后轮的垂向力，表示左前轮的垂向力，表示右前轮的垂向力，表示右后轮的垂向力。
[0016]进一步地，理想横摆角速度表示为：上式中，表示符号函数，表示附着系数，表示重力加速度，表示横向速度，表示车辆稳定性因素，表示车辆轴距，表示理想横摆角速度参考值，表示横向速度，表示车辆轴距，表示车辆稳定性因素，表示前轮转角，表示附着系数，表示重力加速度；理想质心侧偏角参考值为：。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：（1）本专利技术对轮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模块化分层式架构的协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据高层轨迹跟踪控制器，输出实时速度和前轮转角控制量，建立横摆角速度模型和质心侧偏角模型；S2、基于滑膜建立中层横摆力矩控制器，确定横摆角速度附加横摆力矩模型和质心侧偏角附加横摆力矩模型；S3、采用加权控制方法对横摆角速度和质心侧偏角进行协同控制；S4、建立下层转矩优化分配控制器，具体为：设定单个轮胎路面附着利用率为代价函数，通过动力学模型建立每个轮胎的驱动转矩需要满足的路面附着条件，以横摆角速度附加横摆力矩模型、质心侧偏角附加横摆力矩模型、路面附着条件、驱动转矩为代价函数的约束条件，再进行极值求解，进行车轮的转矩优化分配。2.根据权利要求1所述的一种模块化分层式架构的协同控制方法，其特征在于，S2具体包括以下步骤：S201、在车辆线形二自由度动力学平衡方程中添加附加横摆力矩，其表达如下：上式中，m为车辆质量，表示横向速度，表示横向速度，表示横摆角速度，表示前轮侧偏刚度，表示车辆质心侧偏角，表示质心到前轴的距离，表示质心到后轴的距离，表示前轮转角，表示后轮侧偏刚度，表示车辆沿Z轴方向的转动惯量，表示横摆角速度附加横摆力矩，表示质心侧偏角速度，表示横摆角速度一阶变化率；S202、定义横摆角速度的滑膜控制切换函数：上式中，为横摆角速度跟踪误差；为横摆角速度跟踪误差和其变化率之间的权重系数，表示横摆角速度跟踪误差一阶变化率；S203、通过横摆角速度的滑膜控制切换函数与在车辆线形二自由度动力学平衡方程中添加附加横摆力矩的表达式，确定横摆角速度附加横摆力矩模型；S204、定义质心侧偏角滑膜控制切换函数为：上式中，表示质心侧偏角跟踪误差；表示质心侧偏角跟踪误差和其变化率之间的权重系数，表示质心侧偏角误差一阶变化率；S205、通过质心侧偏角滑膜控制切换函数与在车辆线形二自由度动力学平衡方程中添加附加横摆力矩的表达式，确定质心侧偏角附加横摆力矩模型。3.根据权利要求2所述的一种模块化分层式架构的协同控制方法，其特征在于，横摆角速度跟踪误差与横摆角速度、理想横摆角速度之间的关系满足下式：上式中，表示横摆角速度跟踪误差，表示横摆角速度，表示理想横摆角速度；
将上式与S201步骤所得到的表达式结合，得到横摆角速度附加横摆力矩模型为：上式中，表示趋近速度参数，表示饱和函数，表示期望横摆角速度二阶变化率，表示前轮转角一阶变化率。4.根据权利要求2所述的一种模块化分层式架构的协同控制方法，其特征在于，质心侧偏角跟踪误差与质心侧偏角、理想质心侧偏角之间的关系满足下式：上式中，表示质心侧偏角跟踪误差，表示质心侧偏角，表示理想质心侧偏角；将上式与S201步骤得到的表达式结合，得到质心侧偏角附加横摆力矩模型为：上式中，为趋近速度参数，表示理想质心侧偏角二阶变化率，表示前轮转角一阶变化率，表示饱和函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵俊恺，康翌婷，薛彪，刘智华，严猛博，袁改花，
申请(专利权)人：北京成功领行汽车技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：