一種基于車輪縱向力調(diào)節(jié)的車輛操縱穩(wěn)定性控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于車輛動(dòng)力學(xué)控制領(lǐng)域，涉及一種車輛操縱穩(wěn)定性控制方法，尤其涉及 一種基于車輪縱向力調(diào)節(jié)的車輛操縱穩(wěn)定性控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 車輛的操縱穩(wěn)定性是決定極限工況下車輛安全性能的主要因素，是車輛動(dòng)力學(xué)控 制的核心內(nèi)容。目前進(jìn)行車輛操縱穩(wěn)定性控制的主要方法包括如下三種：基于車輪縱向力 調(diào)節(jié)的直接橫擺力矩控制、基于轉(zhuǎn)向角調(diào)節(jié)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制和基于懸架剛度調(diào)節(jié)的垂向載 荷控制，其中，第一種方法以博世公司的電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP)為代表，應(yīng)用最為廣泛。
[0003] 目前的基于車輪縱向力調(diào)節(jié)的直接橫擺力矩控制，主要是通過制動(dòng)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)車 輪的縱向力，產(chǎn)生一個(gè)橫擺力矩，使車輛實(shí)際橫擺角速度跟蹤參考橫擺角速度。這種方法在 質(zhì)心側(cè)偏角較小時(shí)，可以有效提高車輛操縱穩(wěn)定性，但是當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角較大時(shí)，該方法的效 果不佳。
[0004] 為了同時(shí)控制車輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，目前的主要方法是對(duì)車輪縱向力和 轉(zhuǎn)向角進(jìn)行集成控制。但是，對(duì)轉(zhuǎn)向角進(jìn)行控制需要具備主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂 貴；而對(duì)于不具備主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛而言，還是只能通過對(duì)縱向力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0005] 為了使得車輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角同時(shí)跟蹤各自的參考值，目前的主要方法 是對(duì)輪胎模型進(jìn)行線性化處理，采用線性控制算法，建立橫擺角速度及質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺 力矩之間的顯式關(guān)系。該方法在輪胎的線性區(qū)間控制效果明顯，但是在輪胎的非線性區(qū)間 控制效果不佳。
[0006] 因此，對(duì)于不具備主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛，需要一種非線性控制方法，通過調(diào)節(jié)車輪 縱向力，來實(shí)現(xiàn)對(duì)車速、橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的聯(lián)合控制，提高車輛的操縱穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明旨在提供一種車輛操縱穩(wěn)定性控制方法，該方法基于滑模變結(jié)構(gòu)控制，只 需要通過調(diào)節(jié)車輪的縱向力，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車速、橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的非線性聯(lián)合 控制，提高車輛的操縱穩(wěn)定性。
[0008] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：
[0009] 一種基于車輪縱向力調(diào)節(jié)的車輛操縱穩(wěn)定性控制方法，該方法包含以下步驟：
[0010] (1)根據(jù)駕駛員輸入、車速信號(hào)和路面附著條件，得到車輛參考運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括參 考車速、參考橫擺角速度和參考質(zhì)心側(cè)偏角；
[0011] (2)由傳感器測(cè)量得到的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，估算未測(cè)量的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，作為車輛實(shí) 際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括實(shí)際車速、實(shí)際橫擺角速度和實(shí)際質(zhì)心側(cè)偏角；
[0012] (3)基于滑模變結(jié)構(gòu)控制，設(shè)計(jì)滑?？刂破鳎玫绞沟密囕v實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)跟蹤參考 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需的目標(biāo)控制力和目標(biāo)控制力矩；
[0013] (4)通過調(diào)節(jié)車輪的縱向力，產(chǎn)生所需的目標(biāo)控制力和目標(biāo)控制力矩。
[0014] 步驟（1)中的參考車速由駕駛員加速或制動(dòng)踏板信號(hào)決定，參考橫擺角速度由車 輛參考模型輸出的橫擺角速度及路面附著條件共同決定，參考質(zhì)心側(cè)偏角取為零值。
[0015] 步驟（1)中的車輛參考模型為二自由度線性模型，其輸入為方向盤轉(zhuǎn)角和車速信 號(hào)，輸出為車輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角這兩個(gè)自由度。
[0016] 步驟（2)中，傳感器測(cè)量得到的第一組車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括但不限于車輛縱向加速 度、側(cè)向加速度和橫擺角速度，估算得到的第二組車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括但不限于車速和質(zhì)心 側(cè)偏角，估算方法包括但不限于卡爾曼濾波算法、模糊算法。
[0017] 步驟（3)中，滑?？刂破鞯幕Ｃ嬖O(shè)計(jì)為車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與參考運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間 的偏差，滑模控制律選取為帶飽和函數(shù)的指數(shù)趨近律；目標(biāo)控制力包括車輛縱向合力和車 輛側(cè)向合力，目標(biāo)控制力矩為橫擺力矩。
[0018] 所述的滑模控制器分別基于車輛縱向、側(cè)向和橫擺運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行獨(dú)立設(shè) 計(jì)，得到車輛縱向合力、車輛側(cè)向合力和橫擺力矩，分別控制車速、質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速 度，跟蹤相應(yīng)的參考運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0019] 步驟（4)中，目標(biāo)控制力和目標(biāo)控制力矩是車輪縱向力在車輛坐標(biāo)系上的合力和 合力矩。其中，通過調(diào)節(jié)所有車輪的縱向力，得到車輛縱向合力和橫擺力矩；通過調(diào)節(jié)所有 轉(zhuǎn)向輪的縱向力，得到車輛側(cè)向合力。
[0020] 所述的車輪縱向力在車輛坐標(biāo)系上的合力和合力矩，指的是輪胎坐標(biāo)系上的車輪 縱向力在車輛坐標(biāo)系上的分解而得到的合力和合力矩。由此，所述的車輛側(cè)向合力只能由 轉(zhuǎn)向輪縱向力在車輛坐標(biāo)系上分解，再求合力得到；所述的車輛縱向合力和橫擺力矩可以 由所有車輪縱向力在車輛坐標(biāo)系上分解，再求合力和合力矩得到。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是通過調(diào)節(jié)各車輪縱向力，得到車輛縱向合力、側(cè)向合力和橫 擺力矩，對(duì)車速、質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度進(jìn)行聯(lián)合控制，提高車輛操縱穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明控制方法的原理示意圖。
[0023] 圖2是車輪作用力在車輛坐標(biāo)系和輪胎坐標(biāo)系之間的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以四軸雙前橋轉(zhuǎn)向 車輛為控制對(duì)象，以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的 保護(hù)范圍不限于四軸車輛。
[0025] 如圖1所示，駕駛員輸入的加速或制動(dòng)踏板信號(hào)被解析成參考車速vxdK3，對(duì)車輛第 一軸的轉(zhuǎn)角信號(hào)\輸入到參考模型，計(jì)算參考橫擺角速度ω 和參考質(zhì)心側(cè)偏角β
[0026] 對(duì)于本實(shí)施例中的雙前橋轉(zhuǎn)向四軸車輛，所述參考模型是車輛的二自由度線性 模型，所述的二自由度包括橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角這兩個(gè)自由度，參考模型的狀態(tài)方程 為：
[0027]
)
[0028] 式中，Q為各軸的側(cè)偏剛度；Li為各軸至質(zhì)心的距離，LJPL2取正值，L3和L4取負(fù) 值；12為車輛繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，as為雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中，一軸轉(zhuǎn)向橋和二軸轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)向 角之比，可根據(jù)轉(zhuǎn)向幾何計(jì)算得到；上述的i= 1、2、3、4,分別表示第一軸、第二軸、第三軸 和第四軸。
[0029] 通過式（1)獲得參考模型中的橫擺角速度，進(jìn)而獲得參考模型中的橫擺角速度對(duì) 第一軸轉(zhuǎn)向角δi的穩(wěn)態(tài)增益。
[0030] 參考車速vxdK3由駕駛員加速或制動(dòng)踏板信號(hào)決定，參考橫擺角速度ω由車輛 參考模型輸出的橫擺角速度及路面附著條件共同決定，參考質(zhì)心側(cè)偏角取為零值， 即：
[0031] W
[0032]式中，是參考模型中的橫擺角速度對(duì)一軸轉(zhuǎn)向角Si的穩(wěn)態(tài)增益，δ1是第一 軸轉(zhuǎn)向角，μ是路面附著系數(shù)，g是重力加速度，\是車速。
[0033] βdes= 0 (3)
[0034] 通過傳感器測(cè)量得到第一組車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所述第一組車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括但不限 于車輛縱向加速度、側(cè)向加速度和橫擺角速度。接著通過第一組車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估算未通過 傳感器測(cè)量的第二組車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將估算的所述第二組車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作為車輛實(shí)際運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)，所述第二組車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括實(shí)際車速、實(shí)際橫擺角速度ωζ和實(shí)際質(zhì)心側(cè)偏角 β。估算方法至少包括卡爾曼濾波算法和模糊算法之一。
[0035] 根據(jù)前述方法獲得參考車速vxdf3S、參考橫擺角速度ωz(tes和參考質(zhì)心側(cè)偏角βdf；s， 以及實(shí)際車