分布式电驱动车辆纵-横-垂向力协同控制方法技术

本发明专利技术涉及一种分布式电驱动车辆纵-横-垂向力协同控制方法，利用车辆控制系统完成：1)期望合力与力矩的制定；2)四轮纵、横、垂向力优化分配；3)力的具体执行。其中，利用车辆的各种信息，获得整车合力和力矩的期望值，然后建立约束条件和目标函数构成完整的轮胎力优化问题，再对此问题设计优化求解算法，优化算法包括采用障碍函数法和牛顿法的约束优化方法、基于车辆状态连续性的可行域规划方法。本发明专利技术无须根据不同工况对轮胎力实施不同控制策略，实现了轮胎纵、横、垂向力的统一优化分配与控制，综合改善了车辆操纵稳定性能和车辆行驶姿态，未来可用于实现车辆的无人驾驶。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种，利用车辆控制系统完成：1)期望合力与力矩的制定；2)四轮纵、横、垂向力优化分配；3)力的具体执行。其中，利用车辆的各种信息，获得整车合力和力矩的期望值，然后建立约束条件和目标函数构成完整的轮胎力优化问题，再对此问题设计优化求解算法，优化算法包括采用障碍函数法和牛顿法的约束优化方法、基于车辆状态连续性的可行域规划方法。本专利技术无须根据不同工况对轮胎力实施不同控制策略，实现了轮胎纵、横、垂向力的统一优化分配与控制，综合改善了车辆操纵稳定性能和车辆行驶姿态，未来可用于实现车辆的无人驾驶。【专利说明】分布式电驱动车辆纵_横-垂向力协同控制方法
本专利技术涉及分布式电驱动车辆的底盘一体化控制技术，特别是关于一种分布式电驱动车辆的纵、横、垂向力优化分配与控制方法。
技术介绍
随着汽车技术的进步和发展，多种多样的底盘电子控制技术得到了广泛的研究和应用。这些底盘电子控制技术主要从轮胎纵、横、垂向力三方面分别进行主动控制，提升车辆操纵稳定性能或改善车辆行驶姿态。但由于车辆系统具有动力学严重耦合的复杂特性，各种底盘电子控制系统在控制目标和执行效果等方面存在不同程度的冲突或互补。为消除不同底盘电子控制系统之间的冲突并增强其互补性，综合提升车辆操纵稳定性并改善车辆行驶姿态，必须对车辆的纵、横、垂向力进行协同控制，从而提升车辆的综合性能。然而，目前的底盘一体化控制研究存在着明显的不足。首先，对轮胎垂向力的主动控制缺乏对车辆操纵稳定性目标和车辆姿态目标的综合考虑。现有研究中，大多利用主动悬架力控制车身垂向振动、俯仰、侧倾等车身姿态目标；针对操纵稳定性目标仅考虑轮胎动载荷最小或按比例跟随制动力矩，并未根据车辆实际状态对各轮垂向力进行综合优化设计。其次，现有底盘一体化控制系统尚未提出能真正实现轮胎纵、横、垂向力统一优化分配的方法。当前研究仅能实现轮胎纵、横向力统一优化分配，而对轮胎垂向力的分配则大多采用划分经验工况、平均分配等人为解耦的方法，缺乏严谨的理论依据，不能实现最优的控制效果。
技术实现思路
为解决分布式电驱动车辆纵-横-垂向力协同控制问题，本专利技术旨在提出一种综合考虑了操纵稳定性目标和车身姿态目标，能够实现轮胎纵、横、垂向力统一优化分配的协同控制方法。为实现上述目的，本专利技术建立的，米用如下技术方案:一种，其特征在于:在车辆控制系统的控制下，完成如下操作:I)根据车辆状态参数实时制定车辆期望合力与力矩；2)综合考虑车辆行驶期望、轮胎附着极限和执行器特性，建立统一目标函数，并设计约束优化和可行域规划方法相结合的求解算法，将步骤I)中获得的期望合力优化分配为四轮最优纵、横、垂向力；3)采用电机驱动、前后轮主动转向和主动悬架控制将步骤2)中分配好的力具体执行；其中，所述步骤2)中，期望合力优化分配为四轮最优纵、横、垂向力的具体分配过程为:a)首先在满足如下约束条件的集合的基础上，建立目标函数:i)约束条件的集合为式(9)-(19):Fxj des=Fxfi+Fxfr+Fxrl+Fxrr(9)Fy, des=Fyfl+Fyfr+Fyrl+Fyrr(10)Fz, des=mg=Fzft+Fzfr+Fzrl+Fzrr(11)Mx, des=0.5tf (Fzfl-Fzfr)+0.5tr (Fzrl-Fzrr)(12)My, des=_lf (Fzft+Fzfr)+Ir (Fzrl+Fzrr)(13)Mz, des=lf (Fyfl+Fyfr) -1r (Fyrl+Fyrr) +0.5tf (_Fxfl+Fxfr) +0.5tr (_Fxrl+Fxrr)(14)【权利要求】1.一种,其特征在于:在车辆控制系统的控制下，完成如下操作: 1)根据车辆状态参数实时制定车辆期望合力与力矩； 2)综合考虑车辆行驶期望、轮胎附着极限和执行器特性，建立统一目标函数，并设计约束优化和可行域规划方法相结合的求解算法，将步骤I)中获得的期望合力优化分配为四轮最优纵、横、垂向力； 3)采用电机驱动、前后轮主动转向和主动悬架控制将步骤2)中分配好的力具体执行； 其中，所述步骤2)中，期望合力优化分配为四轮最优纵、横、垂向力的具体分配过程为: a)首先在满足如下约束条件的集合的基础上，建立目标函数: i)约束条件的集合为式(9)-(19):2.根据权利要求1所述的，其特征在于:所述步骤3)中，力的具体执行过程为: 以所得的各个轮胎的纵、横、垂向力最优分配值为目标，通过电机驱动控制实现各个轮胎纵向力，通过主动前后轮转向电机控制实现各个轮胎横向力，通过主动悬架控制实现各个轮胎垂向力；其中，根据各个轮胎的横向力最优分配值制定前、后轮转向角目标值的方法如下: 首先采用基于Dugoff模型的解析式轮胎逆模型，将轮胎横、纵、垂向力最优分配值Fxi, 转化为轮胎侧偏角目标值a ≤des: 3.根据权利要求2所述的，其特征在于: 步骤3)中各个驱动电机的输出力矩Twi,des为:4.根据权利要求2或3所述的，其特征在于: 各个主动悬架输出的主动悬架力Fzi,A为:KlA =(KtJm-K)! L(31 )其中，为各轮垂向力，其值根据普遍采用的载荷转移原则估计得到，is为轮胎垂向力传递至悬架时的机械增益常量，其值由车型参数得到。5.根据权利要求1所述的，其特征在于:所述车辆控制系统为底盘一体化控制系统，包括车辆状态参数获取单元、目标制定单元、力分配单元和执行单元；其中， 所述车辆状态参数获取单元包括:一安装在车辆质心处的纵向车速传感器、一安装于车辆俯仰中心的车身俯仰角传感器、一安装于车辆侧倾中心的车身侧倾角传感器、一安装于车辆质心处的车辆纵向加速度传感器、一安装于车辆质心处的车辆横向加速度传感器、一安装于转向盘管柱的转向盘转角传感器、一安装于加速踏板处的加速踏板传感器、四个分别安装于四个独立驱动电机输出轴的电机转矩传感器、一安装于仪表面板处的GPS导航仪、两个分别安装于车辆前、后轴中心处的数字摄像头，以及安装于整车控制系统中的信号处理模块； 所述目标制定单元包括驾驶员意图识别单元和期望合力与力矩制定单元，根据车辆状态参数获取单元获得的车辆状态信息判断驾驶员意图并统一制定车辆纵、横、垂向运动所需的期望合力与力矩； 所述力分配单元建立有目标函数和约束条件并设计优化算法，将目标制定单元制定的期望合力与力矩优化分配为各轮纵、横、垂向力； 所述执行单元以实现力分配单元分配的各个轮胎的纵、横、垂向力为目标，实施电机驱动、前/后轮主动转向和主动悬架控制，包括四个独立安装在四个车轮处的驱动电机、两个独立安装的前轮转向电机和后轮转向电机、四个分别安装在车辆左前、右前、左后、右后的主动悬架力作动器。【文档编号】B60W30/02GK103448716SQ201310413708【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日 【专利技术者】罗禹贡, 曹坤, 李克强, 褚文博, 戴一凡, 连小珉, 杨殿阁, 王建强, 郑四发 申请人:清华大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式电驱动车辆纵?横?垂向力协同控制方法，其特征在于：在车辆控制系统的控制下，完成如下操作：1)根据车辆状态参数实时制定车辆期望合力与力矩；2)综合考虑车辆行驶期望、轮胎附着极限和执行器特性，建立统一目标函数，并设计约束优化和可行域规划方法相结合的求解算法，将步骤1)中获得的期望合力优化分配为四轮最优纵、横、垂向力；3)采用电机驱动、前后轮主动转向和主动悬架控制将步骤2)中分配好的力具体执行；其中，所述步骤2)中，期望合力优化分配为四轮最优纵、横、垂向力的具体分配过程为：a)首先在满足如下约束条件的集合的基础上，建立目标函数：i)约束条件的集合为式(9)?(19)：Fx，des＝Fxfl+Fxfr+Fxrl+Fxrr????(9)Fy，des＝Fxfl+Fyfr+Fyfl+Fyrr????(10)Fz，des＝mg＝Fzfl+Fzfr+Fzrl+Fzrr????(11)Mx，des＝0.5tf(Fzfl?Fzfr)+0.5tr(Fzrl?Fzrr)????(12)My，des＝?lf(Fzfl+Fzfr)+lr(Fzrl+Fzrr)????(13)Mz，des＝lf(Fyfl+Fyfr)?lr(Fyrl+Fyrr)+0.5tf(?Fxfl+Fxfr)+0.5tr(?Fxrl+Fxrr)????(14)Fxi2+Fyi2≤μiFzi---(15)|Fxi·r|≤Tmax????(16)|ΔFxiΔt·r|≤(ΔTΔt)max---(17)FyflFyfr=FzflFzfr,FyrlFyrr=FzrlFzrr---(18)Fzi≥0????(19)其中，Fx，des表示期望纵向合力，Fx，des＝max，des，m为整车质量，ax，des为期望纵向加速度，ax，des由加速踏板开度值α和纵向车速Vx，以及车辆自身的MAP图查表获得；Fy，des表示期望横向合力，R为车辆预期转向半径，其中R0为道路曲率半径，l为车辆轴距，lf、lr为车辆前、后轴分别到质心的距离，L为预先设定的行驶长度，df、dr为车辆前、后轴中心与道路中心线的距离，Fz，des表示期望垂向合力，Fz，des＝mg，Mx，des表示期望侧倾力矩，My，des表示期望俯仰力矩，Mz，des表示期望横摆力矩：Mx,des=(Kp2+Ki21s+Kd2·s)(ρdes-ρ)My,des=(Kp3+Ki31s+Kd3·s)(θdes-θ)Mz,des=(Kp1+Kil1s+Kd1·s)(γdes-γ)Kp1、Kp2、Kp3分别为PID方法中的比例参数，Ki1、Ki2、Ki3分别为PID方法中的积分参数，Kd1、Kd2、Kd3分别为PID方法中的微分参数，上述参数均根据仿真调试结果得到，s为Laplace算子，车身侧倾角期望值ρdes＝0，车身俯仰角期望值θdes＝0，γdes为期望横摆角速度信息，结合车辆系统反馈的前、后轮侧偏角目标值信息αf，des、αr，des制定，αf，des和αr，des初始值为零；ρ为车身侧倾角信息，θ为车身俯仰角信息，γ为横摆角速度信息；在(9)?(19)式中，记Fxfl、Fxfr、Fxfl、Fxrr分别为左前、右前、左后、右后 轮纵向力，Fyfl、Fyfr、Fyfl、Fyrr分别为左前、右前、左后、右后轮横向力，Fzfl、Fzfr、Fzrl、Fzrr分别为左前、右前、左后、右后轮垂向力，tf、tr分别为前、后轴轮距，lf、lr分别为车辆前、后轴到质心的距离，m为整车质量，g为重力加速度，μi为各轮与路面附着系数；i＝{fl，fr，rl，rr}＝{左前，右前，左后，右后}，以Fxi、Fyi、Fzi分别代表左前、右前、左后、右后轮的纵向力、横向力、垂向力；Tmax为电机的最大扭矩，为最大扭矩变化率；r为轮胎半径，Δt为变化时间间隔；ii)在上述约束条件基础上，建立用于评价力分配效果的目标函数：min,J=Var(γi)+w1·E(γi)+w2·Var(ϵi)=(14Σi(γi-14Σiγi)2)1/2+wi14Σiγi+w2(14Σi(ϵi-14Σi&e...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗禹贡，曹坤，李克强，褚文博，戴一凡，连小珉，杨殿阁，王建强，郑四发，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：