【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于汽车智能控制，涉及多轴车辆控制技术，具体涉及一种多轮独立驱动车辆性能最优控制方法。
技术介绍
1、随着车辆技术的发展，车辆控制性能越来越受到人们的关注，科研人员也把控制性能作为评价车辆的一个重要指标。在车辆系统中，控制系统的性能直接影响了车辆的低速机动性、高速操稳性、控制轻便性以及驾驶者的工作状态。因此控制性能研究对提升车辆的驾驶体验具有重要意义。
2、多轴车辆多应用于军用领域和重载工况，整车车轴在三轴以上，转向轴在两轴以上，质量大，惯性矩大，而且工作条件恶劣，因此对车辆控制性能的要求也更高，此外，这些车辆低速转向行驶时转向半径大，机动性差；高速转向行驶时操纵稳定性差，易产生甩尾等现象。前两桥转向和全轮转向作为目前多轴车辆的主要转向型式，前者对车辆机动性的提升不够明显，同时由于后两桥在转向时为滑磨状态，转向阻力和磨损均较大；采用全轮控制系统虽然可以依据车辆的行驶状态改变后轴车轮摆角，使其相较于前轴车轮摆角具有正相位或逆相位，实现低速时车辆转弯半径的减小和中高速转向时车辆操纵稳定性的提升，但是全轮转向的结构型式使得控制系统更为复杂，降低了可靠性，同时后轴车轮摆角挤占车厢空间，存在一定弊端。
3、车辆独立驱动技术的实现可追溯至上世纪五十年代，罗伯特设计的轮边驱动结构使车轮和驱动装置直接相连，驱动系统和整车结构简单，可利用空间大，便于使用线控技术提高整车的智能化程度，可以通过控制算法合理地分配协调，对不同车轮输出不同的驱动力矩，提高车辆动力学控制的研究空间，通过合理控制矩差来优化控制性能，提高车辆
4、目前对汽车行业低碳发展、节能减排的要求愈发迫切。人们从发动机、变速器、低摩擦、轻量化、电子电器、替代燃料、混合动力等领域，在车辆节能技术上寻求突破。进一步降低汽车能耗是目前全球汽车产业发展的共同趋势和转型升级方向。因此，针对不同的工况要设计不同的开关策略来实现控制性能和节能的最佳折衷具有重要意义，而目前现有技术还未实现。
技术实现思路
1、针对目前多轴车辆控制要求更高以及节能的需求，本专利技术提供了一种多轮独立驱动车辆性能最优控制方法，以独立驱动多轴车辆为研究对象，进行车辆动力学建模、控制性能优化分析、行驶稳定性、高速操稳性和低速机动性的控制策略设计，并基于状态观测器进行了实车试验，以证明本专利技术方法的优点。
2、本专利技术提供的一种多轮独立驱动车辆性能最优控制方法，包括如下步骤：
3、步骤1)建立独立驱动多轴控制车辆的动力学模型和线性二自由度理想模型；动力学模型包括车身纵向、侧向和横摆运动以及每个车轮的回转运动；
4、步骤2)基于车辆动力学模型对车辆控制性能进行分析，确定优化控制目标，制定控制策略，包括：2.1)由车轮的偏转角极限和附着极限约束确定车辆的运动状态区域；2.2)设置车辆行驶稳定性控制策略，包括：根据车辆线性二自由度模型计算出车辆横摆角速度的参考值，计算当前车辆横摆角速度与参考值的偏差量，使用pid控制算法产生调整车轮驱动力矩的控制指令；计算当前车轮的实际滑转率与设定的临界值的偏差，使用pid控制算法产生控制车轮电机转矩的控制指令；2.3)设置车辆高速操稳性的控制策略，包括：检测当前车辆的质心侧偏角是否在设置的车辆质心侧偏角临界值范围内，若在，只对车辆横摆角速度进行控制，否则，对车辆质心侧偏角进行控制，使保持在临界值范围内；对车辆横摆角速度进行控制时，以驾驶员意图识别中的车辆横摆角速度的修正值为参考值仅控制；使用分层控制器对车辆的横摆力矩调节量进行计算，输出分配给不同车轮的驱动力矩调节量控制指令；
5、步骤3)建立车轮参数的状态观测器，根据上一时刻的系统状态估计值和当前时刻的系统观测值估计当前时刻的系统状态值；所述系统状态包括车辆的横摆角速度、质心侧偏角，系统观测值由车辆传感器采集的信息中获得；
6、所述状态观测器使用卡尔曼滤波算法设计，状态观测器的状态方程为：
7、
8、
9、
10、其中，u为车辆质心纵向速度，v为车辆质心侧向速度，ωr为车辆横摆角速度，分别为车辆质心的纵向加速度、侧向加速度，为车辆横摆角加速度；m为整车质量；ai为车辆质心到第i轴的距离；fxii为第i轴内侧车轮的地面纵向力，fxio为第i轴外侧车轮的地面纵向力，fyii为第i轴内侧车轮处的地面侧向力，fyio为第i轴外侧车轮处的地面侧向力；b为车辆轮距；iz为车辆横摆转动惯量；
11、步骤4)底层控制器获得当前车辆的轮毂电机的驱动轴数num和状态观测器估计的车轮参数，根据驱动轴数num启动车辆处于高驱动模式还是低驱动模式，在高驱动模式下执行所述的车辆行驶稳定性的控制策略和高速操稳性的控制策略，在低驱动模式下执行所述的车辆行驶稳定性的控制策略。
12、相比现有技术，本专利技术的优点和积极效果在于：
13、(1)本专利技术方法研究了多轴车辆的各车轮独立驱动功能的实现，相较于传统多轴车辆的驱动具有优势。由于每个车轮都由独立的轮毂电机驱动，意味着可以对车辆各轮的输出转矩进行直接控制，本专利技术方法通过设计控制策略实时对车轮驱动力矩进行合理分配，使得多轴车辆能同时拥有较好的低速转向机动性和高速转向稳定性，保证了整车运行的节能性和稳定性。将本专利技术方法进行了实车试验，证明本专利技术方法能控制车辆克服电机失效干扰的影响，有较好的低速转向机动性和高速转向稳定性，能够满足实际场景应用的需求。
14、(2)本专利技术通过分析车辆的转角极限和附着极限确定车辆的运动状态区域，以此为基础确定控制性能优化控制中行驶稳定性、高速操稳性和低速机动性的控制目标，并对车辆参考状态量进行了识别和修正。本专利技术方法针对车辆高速操稳性，考虑到此时车辆处于极限运动状态，分别解决横摆力矩待调节量计算和驱动力矩调节量合理分配的问题，上层控制器基于滑模控制算法对车辆横摆力矩待调节量进行计算，基于最优控制理论对驱动力矩调节量在不同车轮上进行了分配，在确定误差目标函数的基础上加入了最优目标函数，使得分配结果在提高车辆操稳性的同时也保证了轮胎力的可调节裕度。本专利技术方法针对车辆行驶稳定性，分析了影响车辆行驶稳定性的相关因素并确立了控制变量，应用pid控制算法通过分别增减两侧车轮驱动力的大小来改善车辆的行驶稳定性。
15、(3)本专利技术方法根据实际应用中传感器技术的局限性、很多车辆行驶状态量并不能直接获得，对不易获得的车辆行驶参数设计了状态观测器，以保证控制策略更贴近于应用实际的情况下进行执行。本专利技术方法通过观测器检测到的不同状态，设计不同的开关策略，开关的导通关断对应控制系统的两种运行模式，即高驱动模式和低驱动模式，在不同模式下执行相应的控制策略，以协调驾驶安全与节能性能。
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1.一种多轮独立驱动车辆性能最优控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，建立车身的纵向、侧向和横摆运动方程如下：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2.1中，车轮的偏转角极限约束如下：
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述的步骤2.2中，设当前车辆横摆角速度与参考值的偏差量为Δωr，使用PID控制算法产生控制指令如下：
5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述的步骤2.2中，设定车轮滑转率临界值为0.25，当实际的车轮滑转率s高于临界值时，表示车轮出现过度滑转，计算车轮滑转率偏差量Δs＝s-0.25；
6.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述的步骤2.3中，设置车辆质心侧偏角β的临界值范围为(-arctan(0.02μg),arctan(0.02μg))，μ为路面摩擦系数，g为重力加速度；设驾驶员意图识别中的车辆横摆角速度的修正值为ωrd，如下：
【技术特征摘要】
1.一种多轮独立驱动车辆性能最优控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，建立车身的纵向、侧向和横摆运动方程如下：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2.1中，车轮的偏转角极限约束如下：
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述的步骤2.2中，设当前车辆横摆角速度与参考值的偏差量为δωr，使用pid控制算法产生控制指令如下：
5....
【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，张宏，徐向阳，董鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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