一種基于微分平坦的車輛穩(wěn)定轉(zhuǎn)向集成控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種車輛穩(wěn)定轉(zhuǎn)向控制方法，特別是一種基于微分平坦的整體式集成 式穩(wěn)定轉(zhuǎn)向控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 車輛在高速緊急避障、高速轉(zhuǎn)彎行駛和在低附著路面上轉(zhuǎn)彎行駛等極限工況下， 輪胎極易進(jìn)入非線性工作區(qū)域。如果作用于車輪的驅(qū)動（制動）力矩過大，輪胎易產(chǎn)生側(cè) 滑，導(dǎo)致車輛失穩(wěn)；如果方向盤轉(zhuǎn)角值不適宜，則易導(dǎo)致車輛失穩(wěn)，造成車禍。因此有必要 對車輛轉(zhuǎn)向角和輪胎驅(qū)動或制動力矩進(jìn)行聯(lián)合控制，使輪胎產(chǎn)生合理的縱向力和側(cè)向力組 合，最終驅(qū)使車輛順利過彎。
[0003] 從車輛驅(qū)動和轉(zhuǎn)向集成控制的控制算法方面來看，主要有線性控制和非線性控制 方法兩種。目前，普遍考慮將非線性車輛系統(tǒng)利用微分平坦方法或反饋線性化方法進(jìn)行處 理以后，用線性控制方法來解決車輛系統(tǒng)的控制問題。
[0004] 現(xiàn)有微分平坦控制器存在的問題是，將有經(jīng)驗駕駛員的駕駛數(shù)據(jù)作為控制器的期 望，對于沒有駕駛過的道路就無法給出控制器的期望，難以工程應(yīng)用。此外，控制器的設(shè)計 均針對某一固定車速、或者固定初速度和減速度、亦或者固定期望速度序列或在某一路徑 下的控制效果，沒有研宄車輛行駛速度不同或在不同線形的道路上行駛時控制器的介入強(qiáng) 度問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為解決目前車輛在不同線形的道路上行駛時控制器的介入技 術(shù)存在的缺陷，提出一種基于微分平坦的車輛穩(wěn)定轉(zhuǎn)向集成控制方法，以實現(xiàn)車輛在各種 路徑工況下平穩(wěn)順利過彎。
[0006] 本發(fā)明一種基于微分平坦的車輛穩(wěn)定轉(zhuǎn)向集成控制方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟SI.通過實時采集的道路信息一道路曲率半徑ITf和車輛狀態(tài)信息一車輛縱 向速度Vx，計算車輛系統(tǒng)的期望狀態(tài)變量，即控制器的期望一期望縱向速度vf、期望側(cè)向 速度v/和期望橫擺角速度《μ;
[0008] 1)根據(jù)采集到的道路曲率半徑ITf，采用入彎減速出彎加速的原則按下式計算期 望縱向速度vf :
[0009] vf =10.75 + 0·875ν(,-1002.53//^ 式中：v。為入彎時刻速度；
[0010] 2)根據(jù)道路曲率半徑ITf和上述計算得到的期望縱向速度vf，采用穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的 運動學(xué)公式計算車輛的期望橫擺角速度：
[0011] 3)根據(jù)道路曲率半徑ITf和上述計算得到的期望縱向速度vf，按下式計算車輛 的期望側(cè)向速度：
[0012] 步驟S2.以步驟Sl計算得到的期望縱向速度vf、期望側(cè)向速度vf和期望橫擺角 速度作為控制器的期望，計算控制器輸出量一輸出力矩:Cf和輸出轉(zhuǎn)向角0T";
[0013] 1)根據(jù)步驟S2計算得到的期望縱向速度Vf、期望側(cè)向速度和期望橫擺角速 度《紐及其導(dǎo)數(shù)?#、夂<、計算期望微分平坦輸出量，/、及其導(dǎo)數(shù)#、少:
[0014]
[0015] 同時，根據(jù)車載傳感器實時采集的車輛實際縱向速度Vx、側(cè)向速度Vy和橫擺角速 度ω，計算實際微分平坦輸出量yi、y2:
[0016]
[0017] 以上式中：lf為前軸到質(zhì)心距離；m為汽車質(zhì)量；I 2為汽車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動慣量；
[0018] 2)以上述計算得到的期望微分平坦輸出量乃氣及其導(dǎo)數(shù)夕f、和實際微 分平坦輸出量yi、72作為輸入，計算PID輸出量允、艿：
[0019]
[0020] 式中：\ = Jff - J1; ej2 = _y2re/ - J2:《'2 = - j2。
[0021] 3)以上述計算得到的PID輸出量尤、艿作為輸入，計算控制器的輸出量一輸出力 矩和輸出轉(zhuǎn)向角5/:
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 其中，m為汽車質(zhì)量，12為汽車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動慣量，I 前輪到質(zhì)心的距離，I ^為后 輪到質(zhì)心的距離，1為軸距，Cf;為前后輪側(cè)偏剛度，〇f、為汽車前后輪角速度，<、也 為汽車前后輪角加速度，Re為車輪滾動半徑，I ω為車輪轉(zhuǎn)動慣量，P為空氣密度，Cx為縱向 空氣阻力系數(shù)，Ax為縱向迎風(fēng)面積。
[0034] 步驟S3.對步驟S2計算得到的控制器輸出力矩ITf進(jìn)行分配后輸入車輛系統(tǒng)，計 算施加在四個車輪上的力矩Tfl、T&、Tft、1":
[0035] Γ/ >0時，輸入車輛系統(tǒng)并施加在四個車輪的力矩為：
[0036] Γ/ <0時，輸入車輛系統(tǒng)并施加在四個車輪的力矩為：
[0037] 式中：Tfl為左前輪、Tft為右前輪、Trt為左后輪、T ra為右后輪、M ^M2為力矩分配系 數(shù)；優(yōu)選值為札=0· 325，M2= 0· 175 ;
[0038] 控制器以這種分配方式控制施加在四個車輪上的力矩！^、!^、!^、!^，運用于實現(xiàn) 車輛的穩(wěn)定轉(zhuǎn)向控制；
[0039] 步驟S4.根據(jù)步驟S3計算得到的控制器輸出轉(zhuǎn)向角和駕駛員預(yù)瞄轉(zhuǎn)角δ ,加 權(quán)計算得到不同車速時車輛系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)向角巧：
[0040] 1)首先判斷控制器是否介入：
[0041]
式中，Vlis為設(shè)定的臨界車速；
[0042] 優(yōu)選需要控制器介入的臨界車速為Vlis = 15m/s ;
[0043] 2)需要控制器介入時，按下式計算不同車速時控制器的介入強(qiáng)度，即加權(quán)系數(shù) K1:
[0044] K1= -0. 002162ν χ2+0. 1288νχ-1. 516
[0045] 3)根據(jù)加權(quán)系數(shù)K1，計算由控制器和駕駛員共同控制并輸入車輛的車輛系統(tǒng)需求 轉(zhuǎn)向角$=~5/+(1-;
[0046] 由控制器和駕駛員加權(quán)控制后，將車輛系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)向角$ It入車輛系統(tǒng)，運用于 實現(xiàn)不同車速下，車輛系統(tǒng)對期望路徑的跟蹤能力；
[0047] 步驟S5.判斷控制過程是否終止，道路曲率半徑ITf = 0時車輛駛出彎道，控制過 程結(jié)束，否則重新執(zhí)行以上步驟實現(xiàn)循環(huán)控制。
[0048] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出了一種基于微分平坦的整體式集成控制方法，首 先，基于非線性動力學(xué)提出從路徑信息推導(dǎo)車輛期望穩(wěn)定狀態(tài)，將其作為微分平坦控制器 的期望，更具客觀性和可操作性；其次，由微分平坦控制與PID反饋調(diào)節(jié)，實現(xiàn)車輛高速轉(zhuǎn) 向行駛的穩(wěn)定性；再次，本發(fā)明提出了車輛在行駛速度不同時微分平坦轉(zhuǎn)角和駕駛員預(yù)瞄 轉(zhuǎn)角的加權(quán)控制方法，考慮由控制器與駕駛員共同控制車輛轉(zhuǎn)向角，從而保證車輛的軌跡 跟蹤性能。
【附圖說明】
[0049] 圖1為本發(fā)明控制方法流程示意圖圖；
[0050] 圖2為本發(fā)明控制方法集成控制總框圖；
[0051] 圖3為本發(fā)明實施例中穩(wěn)定平衡態(tài)下K值隨縱向速度的函數(shù)變化關(guān)系曲線圖；
[0052] 圖4為本發(fā)明實施例中加權(quán)系數(shù)隨車速變化關(guān)系擬合曲線圖；
[0053] 圖5為本發(fā)明實施例中車輛狀態(tài)變量對其期望的跟隨情況圖；
[0054] 圖6為本發(fā)明實施例中軌跡跟蹤效果圖。
【具體實施方式】
[0055] 通過以下實施例的進(jìn)一步具體描述，以便對本
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步理解，但并不是 對本發(fā)明的具體限定。
[0056] 實施例1
[0057] 參照圖1、2, 一種基于微分平坦的整體式集成式穩(wěn)定轉(zhuǎn)向控制方法，包括以下步 驟：
[0058] 步驟SI.實時采集道路信息：道路曲率半徑車輛狀態(tài)信息：車輛縱向速度 Vx、側(cè)向速度vy、橫擺角速度ω。
[0059] 步驟S2.為實現(xiàn)高速車輛的穩(wěn)定轉(zhuǎn)向控制，首先需要計算車輛系統(tǒng)的期望狀態(tài)變 量，即控制器的期望：期望縱向速度vf、期望側(cè)向速度和期望橫擺角速度ωΜ。
[0060] S2.1、根據(jù)采集的道路曲率半徑rrf，計算期望縱向速度vf。
[0061] 采用入彎減速出彎加速的原則，計算車輛期望縱向速度
[0062] Vf = 10.75+ 0.875v〇-1002.53/i?re/
[0063] 式中：vQ為入彎時刻速度，優(yōu)選值為25m/s。
[0064] S2. 2、計算車輛的期望橫擺角速度ωΜ:
[0065] 根據(jù)道路曲率半徑ITf和步驟S2. 1計算得到的期望縱向速度vf，采用穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向 的運動學(xué)公式，計算車輛的期望橫擺角速度
[0066] S2. 3、根據(jù)道路曲率半徑ITf、步驟S2. 1計算得到的期望縱向速度vf和步驟S2. 2 計算得到的期望橫擺角速度計算車輛的期望側(cè)向速度vf :
[0067] 在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，車輛期望側(cè)向速度和期望橫擺角速度存在比例關(guān)系：Wref= λ V/'利用遺傳算法求得不同車輛縱向初速度時對應(yīng)的穩(wěn)定平衡點，從而采用最小二乘法 擬合得出對應(yīng)的λ值。λ值隨縱向速度的函數(shù)變化關(guān)系擬合結(jié)果見圖3且公式如下：
[0068] λ = -55630vx_4 ci39-0. 07462
[0069] 從而計算期望側(cè)向速度v/ :
[0070]
[0071] 步驟S3.以步驟S2計算得到的車輛期望狀態(tài)變量：期望縱向速度Vf、期望側(cè)向 速度vf和期望橫擺角速度作為控制器的期望，計算控制器輸出量：輸出力矩和 輸出轉(zhuǎn)向角:
[0072] S3. 1、首先需要計算微分平坦輸出量，包括期望微分平坦輸出量及其導(dǎo) 數(shù)鏟、和實際微分平坦輸出量yi、y2:
[0073] 首先根據(jù)步驟S2計算得到的期望縱向速度vf、期望側(cè)向速度Vf和期望橫擺 角速度COre