一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車協(xié)同控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電動(dòng)汽車的整車控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于信息物理系統(tǒng)的電動(dòng)汽 車四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)協(xié)同控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人駕駛汽車是通過車載傳感系統(tǒng)感知道路環(huán)境，自動(dòng)規(guī)劃行車路線并控制車輛 到達(dá)預(yù)定目標(biāo)的智能汽車。它利用車載傳感器來感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的 道路、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道 路上行駛。
[0003] 集自動(dòng)控制、體系結(jié)構(gòu)、人工智能、視覺計(jì)算等眾多技術(shù)于一體，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、模 式識別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，也是衡量一個(gè)國家科研實(shí)力和工業(yè)水平的一個(gè)重 要標(biāo)志，在國防和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004] 汽車電子系統(tǒng)是一個(gè)同時(shí)集成了計(jì)算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的大規(guī)模復(fù)雜物 理系統(tǒng)，它通過與汽車周圍的物理環(huán)境、周圍行駛的汽車和基礎(chǔ)設(shè)施之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和 交互，來實(shí)現(xiàn)對汽車的精確化、智能化和集成化控制，即構(gòu)成一個(gè)典型的信息物理融合系統(tǒng) (CPS，Cyber-physical systems)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車已經(jīng) 成為了人們不可或缺的代步工具之一，汽車產(chǎn)業(yè)也成為了國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。由于環(huán)境 污染的日益嚴(yán)重和石油資源的日益耗竭，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的傳統(tǒng)汽車面臨著巨大的挑戰(zhàn)。 電動(dòng)汽車作為一種新能源汽車，具有零排放、低噪音、能源利用多元化、能源利用效率高和 結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，成為了未來汽車發(fā)展的必然趨勢。
[0005] 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)汽車將驅(qū)動(dòng)電機(jī)(SR電機(jī))直接安裝在車輪內(nèi)，取消了傳統(tǒng)汽 車的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)變得簡潔緊湊，增加了可利用空間，降低了整車質(zhì)量，縮短了傳 動(dòng)鏈，提高了傳動(dòng)效率。且SR電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固、成本低、起動(dòng)電流小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大和低 速性能好，可在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、四象限運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)是未來電動(dòng)車 的最佳選擇。隨著電機(jī)設(shè)計(jì)和加工水平的提高，以及電機(jī)控制理論的更加完善、新的控制方 法的提出，SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及振動(dòng)情況將會(huì)得到極大地改善，以符合電動(dòng)車對驅(qū)動(dòng)電機(jī) 的性能要求。SR電機(jī)在電動(dòng)車上的應(yīng)用具有很大的潛力。作為典型的輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，四輪獨(dú) 立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)成為直接面向電動(dòng)汽車的理想的結(jié)構(gòu)形式。電動(dòng)汽車四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是 利用四個(gè)獨(dú)立控制的電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)汽車的四個(gè)車輪，車輪之間沒有機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。采用 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)傳動(dòng)系統(tǒng)得到減化，整車質(zhì)量大大減輕。 由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪甚至兩者集成為一體，傳動(dòng)效率提高，使汽車很好的實(shí)現(xiàn)了輕量化 目標(biāo)；（2)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可通過電動(dòng)機(jī)來完成驅(qū)動(dòng)力的控制，而不需要其他附件，容易 實(shí)現(xiàn)性能更好的、成本更低的牽引力控制系統(tǒng)(TCS)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)及動(dòng)力學(xué)控制系 統(tǒng)(VDC); (3)對各車輪采用制動(dòng)能量回收控制單元，則可大大提高汽車能量利用效率；（4) 實(shí)現(xiàn)汽車底盤系統(tǒng)的電子化、主動(dòng)化。汽車采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)后，汽車采用前驅(qū)動(dòng)、后 驅(qū)動(dòng)或全輪驅(qū)動(dòng)可根據(jù)汽車行駛工況由控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與轉(zhuǎn)換，且各車輪的驅(qū)動(dòng)力可 根據(jù)汽車行駛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，真正實(shí)現(xiàn)汽車的"電子主動(dòng)底盤"。
[0006] 因此傳統(tǒng)的技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了四輪的單個(gè)SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，確缺乏對四個(gè)SR電機(jī)驅(qū) 動(dòng)控制系統(tǒng)的協(xié)同控制，從而造成穩(wěn)定性差，能量利用效率和安全性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種基于CPS的電動(dòng)汽車四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)協(xié)同控制方法，克服 傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)缺乏實(shí)時(shí)性，且自適應(yīng)能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，包括基于信息物理融合系統(tǒng)CPS的信 息Cyber單元、物理Physical單元和擴(kuò)展單元，通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的高度集成與交互，形成CPS 反饋環(huán)，其各組件基于嵌入式設(shè)備的高效能網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制以及組 件自主協(xié)調(diào)； 所述信息Cyber單元包括控制決策單元ECU、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元、監(jiān)測感知單元;所述驅(qū)動(dòng)執(zhí) 行單元由對應(yīng)四驅(qū)的四個(gè)SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成，并且在控制決策單元ECU的協(xié)同控制 下分別控制四驅(qū)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出，以實(shí)現(xiàn)車輛的直線行駛、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)； 所述物理Physical單元包括作為外部輸入的駕駛操作信號，和作為被控對象的四驅(qū)獨(dú) 立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車； 參見附圖1，所述控制決策單元ECU依次與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元、被控對象、監(jiān)測感知單元連接 形成反饋環(huán);外部輸入作用于控制決策單元ECU上。
[0008] 本發(fā)明包括以下步驟： 步驟1，所述外部輸入包括由制動(dòng)傳感器、第一加速傳感器、轉(zhuǎn)向角度傳感器、D/R轉(zhuǎn)換 傳感器形成的感知信息，并傳送給控制決策單元ECU; 步驟2，所述控制決策單元ECU將控制指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元； 步驟3,所述被控對象執(zhí)行SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的感知信息； 步驟4，所述監(jiān)測感知單元包括由車輪轉(zhuǎn)速傳感器、車輪轉(zhuǎn)角傳感器、橫擺角速度傳感 器、縱向加速度傳感器、橫向加速度傳感器形成對被控對象的感知信息，并傳送給控制決策 單元ECU; 步驟5，循環(huán)步驟2至4，形成CPS反饋環(huán)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。
[0009] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，從CPS出發(fā)，充分滿足汽車電子系統(tǒng)對強(qiáng)實(shí)時(shí)性、高可靠性的 要求，提高能量利用效率，其中控制決策單元ECU是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車整車控制性能的關(guān)鍵?？?制決策單元ECU主要負(fù)責(zé)接收各車載傳感器的信號，計(jì)算車輛當(dāng)前的行駛狀況，并對SR電機(jī) 控制器下達(dá)控制指令;控制決策單元E⑶整合了協(xié)同功能，能根據(jù)車載傳感器傳回的實(shí)時(shí)信 號，采用基于滑移率和橫擺力矩的模糊控制算法對四輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分配策略進(jìn)行優(yōu) 化，使車輛能更平順的完成起步、勾速、加減速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等行為動(dòng)作;利用自適應(yīng)模糊控 制對SR驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，使電機(jī)運(yùn)行過程中更加平順，響應(yīng)速度更快，提 高了車輛操縱穩(wěn)定性和安全性。
【附圖說明】
[0010] 圖1為CPS反饋環(huán)示意圖。
[0011] 圖2為本發(fā)明的框架圖。
[0012 ]圖3為本發(fā)明的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖4為本發(fā)明的整車動(dòng)力學(xué)模型圖。
[0014]圖5為線性二自由度車輛模型圖。
[0015]圖6為SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖。
[0016] 圖7為本發(fā)明工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖1至7,對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清 楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施 例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的 所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0018] 本發(fā)明包括基于信息物理融合系統(tǒng)CPS的信息Cyber單元100、物理Physical單元 200和擴(kuò)展單元300，通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的高度集成與交互，形成CPS反饋環(huán)，其各組件基于嵌 入式設(shè)備的高效能網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制以及組件自主協(xié)調(diào)； 所述信息Cyber單元100包括控制決策單元ECU10、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元20、監(jiān)測感知單元30; 所述驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元20由對應(yīng)四驅(qū)的四個(gè)SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)21構(gòu)成，并且在控制決策單元 ECU10的協(xié)同控制下分別控制四驅(qū)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出，以實(shí)現(xiàn)車輛的直線行駛、轉(zhuǎn)向、φ慟； 所述物理Physical單元200包括作為外部輸入40的駕駛操作信號，和作為被控對象50 的四驅(qū)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車； 參見附圖1，所述控制決策單元ECU10依次與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元20、被控對象50、監(jiān)測感知單 元30連接形成反饋環(huán);外部輸入40作用于控制決策單元E⑶10上。
[0019] 本發(fā)明包括以下步驟： 步驟1，所述外部輸入40包括由制動(dòng)傳感器41、第一加速傳感器43、轉(zhuǎn)向角度傳感器42、 D/R轉(zhuǎn)換傳感器44形成的感知信息，并傳送給控制決策單元ECU10; 步驟2，所述控制決策單元ECU10將控制指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元20; 步驟3，所述被控對象50執(zhí)行SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)21的感知信息； 步驟4,所述監(jiān)測感知單元30包括由車輪轉(zhuǎn)速傳感器31、車輪轉(zhuǎn)角傳感器32、橫擺角速 度傳感器33、縱向加速度傳感器34、橫向加速度傳感器35形成對被控對象50的感知信息，并 傳送給控制決策單元E⑶10; 步驟5，循環(huán)步驟2至4，形成CPS反饋環(huán)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。
[0020] 所述四個(gè)SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)21由左前SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、右前SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控 制系統(tǒng)、左后SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、右后SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成。 所述SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)21包括功率轉(zhuǎn)換器210、SR電機(jī)211、控制器212、轉(zhuǎn)子位置檢 測模塊213、電流檢測器214;功率轉(zhuǎn)換器210、SR電機(jī)211、控制器212、轉(zhuǎn)子位置檢測模塊213 形成環(huán)路控制，電流檢測器214檢測功率轉(zhuǎn)換器210和控制器212。
[0021] 功率轉(zhuǎn)換器210為相繞組與車載電池組215的通斷提供信號指令，為相繞組的儲(chǔ)能 提供路徑，并且給SR電機(jī)211的運(yùn)行提供能量;控制器212接受轉(zhuǎn)子位置檢測模塊213、電流 檢測器214傳來的轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和電流等反饋信號，以及控制決策單元ECU10傳來的控制 指令，按照自身的控制策略，向功率轉(zhuǎn)換器210發(fā)出控制信號，完成對SR電機(jī)211的控制；電 流檢測器214把檢測的電流信息傳送給控制器212,控制器212通過這些信息來進(jìn)行電流控 制或采取電流保護(hù)措施;轉(zhuǎn)子位置檢測模塊213向控制器212提供轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速的信息， 控制器212通過這些信息確定相繞組的開通和關(guān)斷。
[0022] 所述擴(kuò)展單元