車用主動(dòng)轉(zhuǎn)矩輪間、軸間分配方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種車用主動(dòng)轉(zhuǎn)矩輪間、軸間分配方法，利用傳感器采集車輛橫擺角速度和縱向與側(cè)向加速度，將車輛橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為車輛穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn)；利用傳感器測(cè)得車輛的車速、轉(zhuǎn)向角和橫擺角速度與參考模型的對(duì)應(yīng)量的偏差值通過(guò)線性二次最優(yōu)控制方法得到需要調(diào)控的橫擺轉(zhuǎn)矩，再采取同側(cè)轉(zhuǎn)矩左右輪間傳遞為主，對(duì)角輪間轉(zhuǎn)矩傳遞為輔的傳遞方法對(duì)輪間、軸間轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配。本發(fā)明能夠使車輛更快、更有效地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在配備有中央主動(dòng)分動(dòng)器和前后軸主動(dòng)差速器的車輛上，軸間轉(zhuǎn)矩能夠從100:0至50:50連續(xù)分配，前后軸輪間的轉(zhuǎn)矩能夠在100:0連續(xù)分配至0：100，轉(zhuǎn)矩分配的范圍能夠大大的提高，對(duì)車輛能夠更快更有效地進(jìn)行調(diào)控。
【專利說(shuō)明】
車用主動(dòng)轉(zhuǎn)矩輪間、軸間分配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種四輪驅(qū)動(dòng)車輛的主動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，尤其是一種四輪驅(qū)動(dòng)車輛的 主動(dòng)轉(zhuǎn)矩在輪間、軸間進(jìn)行分配的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代的車輛中，穩(wěn)定性控制系統(tǒng)作為一種標(biāo)配產(chǎn)品在車輛中應(yīng)用的越來(lái)越廣 泛。目前，大多數(shù)車輛運(yùn)用的穩(wěn)定性控制都是由博世公司研發(fā)的電子控制穩(wěn)定系統(tǒng)化SP)。 運(yùn)種穩(wěn)定控制系統(tǒng)是通過(guò)與ABS制動(dòng)系統(tǒng)的配合，在通過(guò)傳感器檢測(cè)到車輛的穩(wěn)定性降低 時(shí)，利用單獨(dú)對(duì)車輛輪胎的制動(dòng)，通過(guò)制動(dòng)力來(lái)產(chǎn)生額外的橫擺轉(zhuǎn)矩，使得車輛在緊急狀態(tài) 下能夠保持一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。但是，由于制動(dòng)力的產(chǎn)生，車輛的縱向速度會(huì)減少，縱向動(dòng)力 學(xué)受到影響，駕駛舒適性降低，并且容易使駕駛員產(chǎn)生緊張情緒，從而導(dǎo)致誤操作。在運(yùn)種 情況下，四輪驅(qū)動(dòng)車輛的主動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)車輛進(jìn)入低附著路面進(jìn) 行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配系統(tǒng)可W根據(jù)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)輪間轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)分配來(lái) 產(chǎn)生額外的橫擺力矩，W減小車輛的質(zhì)屯、側(cè)偏角，使車輛保持穩(wěn)定性，并對(duì)車輛縱向運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)的影響最小。通過(guò)運(yùn)種方法，車輛操控的線性區(qū)域得到擴(kuò)展，車輛的穩(wěn)定性得到提高。因 此，如何對(duì)輪間、軸間的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配來(lái)使得車輛更快，更準(zhǔn)確地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，提高車輛 的操縱性和舒適性是其關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 目前，一些配備有主動(dòng)控制的四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)⑥D(zhuǎn)矩在車輛的前后軸之間進(jìn)行 傳遞。運(yùn)種前置前驅(qū)分布的車輛，后軸從前軸取力，軸間差速器可W將前后軸之間的轉(zhuǎn)矩從 100 :0連續(xù)分配至50: 50，并且在后橋裝有電子限滑差速器。運(yùn)種車輛能夠有效的修正過(guò)度 轉(zhuǎn)向特性，但是由于軸間差速器分配轉(zhuǎn)矩的限制，不足轉(zhuǎn)向的修正效果并不明顯。
[0004] 還有一些配備有牽引力控制系統(tǒng)(TCS)車輛，通過(guò)主動(dòng)制動(dòng)、牽引力矩控制避免驅(qū) 動(dòng)輪過(guò)度滑轉(zhuǎn)。類同于電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)化SP)，由于制動(dòng)力的產(chǎn)生，車輛的縱向動(dòng)力學(xué)受 到影響;一些配備主動(dòng)橫擺力矩控制系統(tǒng)(AYC)的車輛，運(yùn)種系統(tǒng)能夠通過(guò)單輪獨(dú)立控制調(diào) 節(jié)車身穩(wěn)定橫擺力矩，在很大范圍內(nèi)對(duì)輪間轉(zhuǎn)矩進(jìn)行再分配，在車輛不足轉(zhuǎn)向或者過(guò)度轉(zhuǎn) 向的時(shí)候，車輛都能夠進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。但是由于自身結(jié)構(gòu)的限制，系統(tǒng)對(duì)車輛的調(diào)控也有 一定的限制，轉(zhuǎn)矩只能單獨(dú)在輪間或者在軸間傳遞，轉(zhuǎn)矩分配的范圍受限，產(chǎn)生的校正橫擺 轉(zhuǎn)矩的范圍有限。在低附著路面或者高速轉(zhuǎn)向的時(shí)候，系統(tǒng)的效果就會(huì)減弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種車用主動(dòng)轉(zhuǎn)矩輪間、軸間分配方法，在配備有中央主動(dòng)分動(dòng)器 和前后軸主動(dòng)差速器的車輛上，軸間轉(zhuǎn)矩能夠從100:0至50:50連續(xù)分配，前后軸輪間的轉(zhuǎn) 矩能夠在100:0連續(xù)分配至0:100，轉(zhuǎn)矩分配的范圍能夠大大的提高，對(duì)車輛能夠更快更有 效地進(jìn)行調(diào)控。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種車用主動(dòng)轉(zhuǎn)矩輪間、軸間分配方法， 首先利用傳感器采集車輛橫擺角速度和縱向與側(cè)向加速度，將車輛橫擺角速度和質(zhì)屯、側(cè)偏 角作為車輛穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn);然后利用傳感器測(cè)得車輛的車速、轉(zhuǎn)向角和橫擺角速度與 參考模型的對(duì)應(yīng)量的偏差值通過(guò)線性二次最優(yōu)控制方法得到需要調(diào)控的橫擺轉(zhuǎn)矩，再采取 同側(cè)轉(zhuǎn)矩左右輪間傳遞為主，對(duì)角輪間轉(zhuǎn)矩傳遞為輔的傳遞方法對(duì)輪間、軸間轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分 配。
[0007] 所述利用傳感器測(cè)得的車速、轉(zhuǎn)向角和橫擺角速度與參考模型的對(duì)應(yīng)量的偏差值 通過(guò)線性二次最優(yōu)控制方法得到需要調(diào)控的橫擺轉(zhuǎn)矩的具體步驟為：
[0008] 1)采用車輛模型、Bur化ar化輪胎模型作為參考模型，通過(guò)輪胎水平平面上所受的 力，求得車輛的橫擺角速度：
[0009] (1)計(jì)算輪胎水平平面上所受的力
[0010] 輪胎水平平面上受到的力通過(guò)輪胎垂直方向收到的力Fz來(lái)間接的求得，F(xiàn)z的計(jì)算 公式如下：
[001引式中：hG為車輛的質(zhì)屯、高度;ax、ay分別為車輛在X軸和y軸方向上的加速度;m為整 車質(zhì)量;Lf、U分別為質(zhì)屯、到前軸和后軸的距離;d為輪距;g為重力加速度;Fzfl、Fzfr、Fzrl、Fzrr 分別為左前輪、右前輪、左后輪和右后輪的垂直方向受力；
[0016]再利用如下公式得出輪胎水平平面上縱向和側(cè)向的受力：
[0019]式中：Fl為輪胎縱向受力;Fs為輪胎側(cè)向受力；SL、Ss、Sres分別為縱向、側(cè)向和合成 滑移率，Wres為合成附著系數(shù);其中：
[00 創(chuàng)
（10)
[0024] 式中：Vw為車輪的水平合成速度;Vr為車輪滾動(dòng)速度;α為輪胎側(cè)偏角;Fz為輪胎垂 向受力;Cl、C2、C3為路面附著條件的特征參數(shù)；
[0025] (2)計(jì)算車輛的橫擺角速度：
[0030] 2)采用線性二次最優(yōu)調(diào)控方法得到需要調(diào)控的橫擺轉(zhuǎn)矩
[0031] (1)采用線性二自由度的狀態(tài)方程建立車輛行駛橫向位置的偏差量、車輛航向角 的偏差量、車輛橫向速度和橫擺角速度的加權(quán)平方和在時(shí)域T內(nèi)的積分值的性能指標(biāo)J，求 出最優(yōu)控制反饋增益矩陣K
[0032] 線性二自由度的狀態(tài)方程如下：
[003；3 ] 雄)=血的+及雌） （巧）
[0034] y = Cx(t) (16)
[0035] 式中：控制系統(tǒng)所建立的狀態(tài)變量x(t) = [ey ΘΦ vy 丫]T，ey為車輛行駛橫向位置 的偏差量;ΘΦ為車輛航向角的偏差量;Vy為車輛橫向速度；丫為橫擺角速度;在t = 0的時(shí)候即 xo=x(0)，控制的輸入量為u(t) = Sf，得到矩陣AER4x4,BeR4xi
[0039] 式中：Cf為前輪側(cè)偏剛度;Cr為后輪側(cè)偏剛度;Vx為車輛縱向速度;Vy為車輛側(cè)向速 度;Sf為前輪轉(zhuǎn)角；
[0040]車輛行駛橫向位置的偏差量、車輛航向角的偏差量、車輛橫向速度和橫擺角速度 的加權(quán)平方和在時(shí)域T內(nèi)的積分值，表達(dá)式為： 幽]
(11):
[0042]式中：qi、q2、Q3和Q4分別為車輛行駛橫向位置的偏差量、車輛航向角的偏差量、車 輛橫向速度和橫擺角速度的加權(quán)系數(shù);在不同轉(zhuǎn)向角和速度的情況下，通過(guò)對(duì)qi進(jìn)行反復(fù) 的調(diào)節(jié)試驗(yàn)，最后確定qi的值，將性能指標(biāo)J的表達(dá)式改寫(xiě)成矩陣的形式，即：
[0047]其中，X為系統(tǒng)狀態(tài)矢量;U為最優(yōu)控制力；
[004引利用14化46軟件中的函數(shù)[1(，5如=1^91?^，8,9，1?斯，求出最優(yōu)控制反饋增益矩 陣K;
[0049] (2)用公式求得橫擺角速度的最優(yōu)調(diào)控量丫 d，公式如下：
[0050] Yd = -Kx(t) (13)
[0051] (3)根據(jù)線性二次最優(yōu)控制方法獲得的橫擺角速度最優(yōu)調(diào)控量，結(jié)合參考模型中 車輛的參數(shù)值求出需要調(diào)控的橫擺轉(zhuǎn)矩。
[0052] 所述采取同側(cè)轉(zhuǎn)矩左右輪間傳遞為主，對(duì)角輪間轉(zhuǎn)矩傳遞為輔的傳遞方法對(duì)輪 間、軸間轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配的具體步驟為：
[0化3] 1)同側(cè)轉(zhuǎn)矩左右輪間傳遞
[0054]主動(dòng)分動(dòng)器將力矩在前后軸之間進(jìn)行分配，根據(jù)車輛質(zhì)屯、到前后軸的距離來(lái)確定 分配的比例，即n = Lf/Lr;然后利用如下公式：
[0057] 式中：Tf、Tr分別為左、右車輪的力矩;4毎為橫擺角速度的偏差值；Iz為車身繞Z軸 的橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
[0058] 通過(guò)主動(dòng)差速器來(lái)分配左右車輪之間的力矩，由行駛的一側(cè)輪胎力矩往另一側(cè)傳 遞；
[0059] 2)對(duì)角輪間轉(zhuǎn)矩傳遞
[0060] 在左右輪間的轉(zhuǎn)矩傳遞同時(shí)，配合對(duì)角輪間轉(zhuǎn)矩的傳遞，結(jié)合輪間和軸間主動(dòng)差 速器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的分配；
[0061] 轉(zhuǎn)矩在對(duì)角輪間的傳遞利用如下公式：
[0062]
Mb)
[0063] Tfi = Tri (17)
[0064] 式中Tfi、Tri分別為兩個(gè)對(duì)角輪上的傳遞的轉(zhuǎn)矩，由于是通過(guò)輪間與軸間的配合直 接對(duì)角輪上的傳遞，結(jié)合公式(16)和(17)求出需要傳遞轉(zhuǎn)矩的大小，其公式如下：
[00化]
(18)
[0066] 式中：L = Lf+k。
[0067] 本發(fā)明的有益效果是：
[0068] 本發(fā)明利用傳感器采集車輛橫擺角速度和縱向與側(cè)向加速度，將車輛橫擺角速度 和質(zhì)屯、側(cè)偏角作為車輛穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn);利用傳感器測(cè)得車輛的車速、轉(zhuǎn)向角和橫擺角 速度與參考模型的對(duì)應(yīng)量的偏差值通過(guò)線性二次最優(yōu)控制方法得到需要調(diào)控的橫擺轉(zhuǎn)矩， 再采取同側(cè)轉(zhuǎn)矩左右輪間傳遞為主，對(duì)角輪間轉(zhuǎn)矩傳遞為輔的傳遞方法對(duì)輪間、軸間轉(zhuǎn)矩 進(jìn)行分配。運(yùn)種方法能夠使車輛更快、更有效地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在配備有中央主動(dòng)分動(dòng)器和 前后軸主動(dòng)差速器的車輛上，軸間轉(zhuǎn)矩能夠從100:0至50:50連續(xù)分配，前后軸輪間的轉(zhuǎn)矩 能夠在100:0連續(xù)分配至0:100，轉(zhuǎn)矩分配的范圍能夠大大的提高，對(duì)車輛能夠更快更有效 地進(jìn)行調(diào)控。
【附圖說(shuō)明】
[0069] 圖1為屯自由度雙軌車輛模型圖；
[0070] 圖2為轉(zhuǎn)矩輪間分配；
[0071] 其中：（a)為轉(zhuǎn)向外側(cè)的轉(zhuǎn)矩向轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)傳遞，（b)為轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)矩向轉(zhuǎn)向外側(cè) 傳遞；
[0072] 圖3為轉(zhuǎn)矩軸間分配；
[0073] 其中：（a)為前轉(zhuǎn)矩軸向后轉(zhuǎn)矩軸分配，（b)為后轉(zhuǎn)矩軸向前轉(zhuǎn)矩軸分配；
[0074] 圖4為等轉(zhuǎn)向角加速試驗(yàn)結(jié)果；
[0075] 其中：（a)橫擺角速度，（b)橫擺角速度偏差，（C)側(cè)向加速度；
[0076] 圖5為比例模型車環(huán)路試驗(yàn)側(cè)向及縱向加速。
【具體實(shí)施方式】
[0077] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0078] 本發(fā)明的車用主動(dòng)轉(zhuǎn)矩輪間、軸間分配方法:首先利用傳感器采集車輛橫擺角速 度和縱向與側(cè)向加速度，將車輛橫擺角速度和質(zhì)屯、側(cè)偏角作為車輛穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn);然 后利用傳感器測(cè)得車輛的車速、轉(zhuǎn)向角和橫擺角速度與參考模型的對(duì)應(yīng)量的偏差值通過(guò)線 性二次最優(yōu)控制方法得到需要調(diào)控的橫擺轉(zhuǎn)矩，再采取同側(cè)轉(zhuǎn)矩左右輪間傳遞為主，對(duì)角 輪間轉(zhuǎn)矩傳遞為輔的傳遞方法對(duì)輪間、軸間轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配。
[0079] 1.車輛模型
[0080] 本發(fā)明采用的車輛模型主要設(shè)及到車輛的縱向速度Vx，側(cè)向速度Vy，橫擺角速度 ω，輪胎垂向受力Fz和需要傳遞的力矩T。。綜合W上參數(shù)，建立如圖1的屯自由度車輛模型。 其動(dòng)力學(xué)方程如下：
[0087] 式中:m為整車質(zhì)量;vx為車輛縱向速度;vy為車輛側(cè)向速度；ω為車輛橫擺角速度； Fx,i、Fy,i分別為輪胎力在X軸和y軸方向上的分量；Ιζ為車身繞Ζ軸的橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;1^:心分 別為質(zhì)屯、到前軸和后軸的距離;d為輪距；Iw為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;m為車輪的轉(zhuǎn)速;Rw為車輪半 徑;Tw,i為傳遞到車輪上的力矩。
[0088] 由公式(6)可W看出，傳遞到車輪上的力矩的總和為零。由此可W說(shuō)明力矩分配 (TV)是將力矩在車輪之間相互傳遞，忽略機(jī)械結(jié)構(gòu)等損耗，運(yùn)個(gè)過(guò)程沒(méi)有力矩的消耗。
[00例如圖2所示:Fl為輪胎縱向受力；Fs為輪胎側(cè)向受力；Fli~Fl4分別為前左輪、前右 輪、后左輪、后右輪的輪胎縱向受力;FSI~FS4分別為前左輪、前右輪、后左輪、后右輪的輪胎 側(cè)向受力，α1~04分別為前左輪、前右輪、后左輪、后右輪的輪胎側(cè)偏角;β為質(zhì)屯、側(cè)偏角。
[OOW]式中：OF為前輪側(cè)偏角;OR為后輪側(cè)偏角。
[0094]為了簡(jiǎn)化模型，忽略了車輛在行駛過(guò)程中的俯仰和側(cè)傾。通過(guò)輪胎水平平面上所 受的力，求得車輛的橫擺角速度。然而，輪胎水平平面上受到的力可W通過(guò)輪胎垂直方向收 到的力Fz,i來(lái)間接的求得。Fz,i的計(jì)算公式如下：
[0099] 式中：hG為車輛的質(zhì)屯、高度;ax、ay分別為車輛在X軸和y軸方向上的加速度;g為重 力加速度;Fzfl、Fz打、Fzrl、Fzrr分別為左前輪、右前輪、左后輪和右后輪的垂直方向受力。
[0100] 2.Burldiar 化輪胎模型
[0101] 在研究過(guò)程中通常利用輪胎模型來(lái)獲得車輛的動(dòng)力學(xué)特性。很大一部分研究都是 讓車輛保持在線性狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)的。車輛在線性狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)時(shí)，縱向和側(cè)向的加速度都不會(huì) 超過(guò)3m/s，輪胎側(cè)偏角也會(huì)在-2°-2°之間變化。但是如果運(yùn)些數(shù)據(jù)超過(guò)臨界值的時(shí)候，車 輛進(jìn)入非線性狀態(tài)并且可控性降低，線性輪胎模型也就無(wú)法對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行準(zhǔn)確地 描述。因此本文采用Bur化ardt輪胎模型對(duì)處于非線性區(qū)域內(nèi)的車輛進(jìn)行研究。由公式（10) ~（13)可W得出輪胎在垂直方向上的受力情況。利用如下公式可W得出輪胎在縱向和側(cè)向 的受力。
[0104]式中：SL、Ss、Sres分別為縱向、側(cè)向和合成滑移率，Wres為合成附著系數(shù)。
[0109] 式中：Vw為車輪的水平合成速度;Vr為車輪滾動(dòng)速度;α為輪胎側(cè)偏角;Fz為輪胎垂 向受力;Cl、C2、C3為路面附著條件的特征參數(shù)。通過(guò)軟件對(duì)車輛模型分別在干漸青路面、濕 漸青路面和冰雪路面進(jìn)行仿真，得到Ci、C2、C3的數(shù)值為：在干漸青路面上Ci = 1.2801，C2 = 23.99，C3 = 0.52，在濕漸青路面上Cl = 0.857，C2 = 33.822，C3 = 0 . ：347，在冰雪路面上Cl = 0.1946，C2 = 94.129，C3 = 0.0.0646。3.線性二次最優(yōu)調(diào)控方法
[0110] 車輛在轉(zhuǎn)向行駛過(guò)程中，橫擺角速度W及偏航角會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的車 速、轉(zhuǎn)向角和橫擺角速度，再利用查表所得的橫擺角速度期望值與其進(jìn)行比較。利用線性二 次最優(yōu)調(diào)節(jié)的控制方法，求出橫擺角速度的最優(yōu)調(diào)節(jié)量。線性二自由度的狀態(tài)方程如下：
[0113]式中：控制系統(tǒng)所建立的狀態(tài)變量x(t) = [ey ΘΦ Vy 丫]T，ey為車輛行駛橫向位置 的偏差量;ΘΦ為車輛航向角的偏差量;Vy為車輛橫向速度。在t = 0的時(shí)候即xo = x(0)，控制的 輸入量為u(t)=Sf。得到矩陣AeR4x4，BeR4xi如下所示：
[01 1 7]式中：Cf為前輪側(cè)偏剛度;Cr為后輪側(cè)偏剛度;Vx為車輛縱向速度;Vy為車輛側(cè)向速 度；
[011引車輛力矩分配控制設(shè)計(jì)中的主要性能指標(biāo)為狀態(tài)變量中的四個(gè)值ey ΘΦ Vy 丫。因 此，LQR控制器設(shè)計(jì)中的性能指標(biāo)巧P為車輛行駛橫向位置的偏差量、車輛航向角的偏差量、 車輛橫向速度和橫擺角速度的加權(quán)平方和在時(shí)域T內(nèi)的積分值，表達(dá)式為：
[0119]
[01 20]式中：qi、Q2、Q3和Q4分別為車輛行駛橫向位置的偏差量、車輛航向角的偏差量、車 輛橫向速度和橫擺角速度的加權(quán)系數(shù)。在不同轉(zhuǎn)向角和速度的情況下，通過(guò)對(duì)qi進(jìn)行反復(fù) 的調(diào)節(jié)試驗(yàn)，最后確定qi的值，i=l，2,3,4。將性能指標(biāo)J的表達(dá)式改寫(xiě)成矩陣的形式，即：
[012引利用14化46軟件中的函數(shù)[1(，5如=1^91?^，8,9，1?斯，求出最優(yōu)控制反饋增益矩 陣K。最后，用公式求得橫擺角速度的最優(yōu)調(diào)控量，公式如下：
[0126] Yd = -Kx(t) (24)
[0127] 根據(jù)線性二次最優(yōu)控制獲得的橫擺角速度最優(yōu)調(diào)控量，結(jié)合參考模型中車輛的參 數(shù)值求出需要的額外調(diào)控力矩。
[0128] 4.轉(zhuǎn)矩分配控制
[0129] 根據(jù)線性二次最優(yōu)控制獲得的校正調(diào)控轉(zhuǎn)矩，將輪間的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行互相傳遞。為了 更快地使車輛達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，需要對(duì)力矩進(jìn)行合理的分配。通過(guò)研究可得，車輛在轉(zhuǎn)向的 時(shí)候，根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)，利用車輪一側(cè)的轉(zhuǎn)矩向另一側(cè)傳遞的方法，能夠使車輛更加準(zhǔn) 確、快速地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，首先要判斷車輛的轉(zhuǎn)向狀態(tài)(轉(zhuǎn)向不足、中性轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)向過(guò) 度）。根據(jù)穩(wěn)定因數(shù)K，公式如下：
[0130]
口 5)
[0131] 如圖2 (a)所示，當(dāng)Κ<0時(shí)，車輛處于轉(zhuǎn)向過(guò)度的狀態(tài)，轉(zhuǎn)向外側(cè)的轉(zhuǎn)矩向轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè) 傳遞；如圖2(b)所示，當(dāng)Κ〉0時(shí)，車輛處于轉(zhuǎn)向不足的狀態(tài)，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)矩向轉(zhuǎn)向外側(cè)傳 遞。Κ = 0時(shí)，屬于中性轉(zhuǎn)向。
[0132] 然后通過(guò)主動(dòng)分動(dòng)器將力矩在前后軸之間進(jìn)行分配，根據(jù)車輛質(zhì)屯、到前后軸的距 離來(lái)確定分配的比例，即n = Lf/Lr。然后通過(guò)主動(dòng)差速器來(lái)分配左右車輪之間的力矩?？傮w 來(lái)說(shuō)，無(wú)論前輪還是后輪，都是由行駛的一側(cè)輪胎力矩往另一側(cè)傳遞。系統(tǒng)利用如下公式：
[0135] 但是，為了是車輛橫擺角速度能夠更快的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的參考值，在通過(guò)左右 輪間的轉(zhuǎn)矩傳遞同時(shí)，配合對(duì)角輪間轉(zhuǎn)矩的傳遞。運(yùn)種方式就要結(jié)合輪間和軸間主動(dòng)差速 器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的分配。如圖3(a)、圖3(b)所示，轉(zhuǎn)矩在對(duì)角輪間的傳遞。
[0136] 系統(tǒng)再次檢測(cè)橫擺角速度的偏差值A(chǔ)命:，利用如下公式：
[0139] 式中Tfi、Tri分別為兩個(gè)對(duì)角輪上的傳遞的轉(zhuǎn)矩，由于是通過(guò)輪間與軸間的配合直 接對(duì)角輪上的傳遞，故公式(29)成立。結(jié)合公式(28)和(29)可W求出需要傳遞轉(zhuǎn)矩的大小， 其公式如下：
[0140]
(30)
[0141] 應(yīng)用例；
[0142] 為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制算法的有效性，根據(jù)相似理論Buckin曲am Pi原理，用比例模 型車進(jìn)行試驗(yàn)。
[0143] 1.動(dòng)力學(xué)等效性
[0144] 根據(jù)量綱分析法，對(duì)于某一物理現(xiàn)象，如果兩個(gè)由微分方程描述的物理系統(tǒng)對(duì)應(yīng) 的無(wú)量綱數(shù)Π 相等，那么兩個(gè)物理系統(tǒng)的微分方程具有相同的解。由測(cè)量得1:6模型車參數(shù) 與實(shí)車的基本參數(shù)如表1所示。
[0145] 表1比例模型車與實(shí)車基本參數(shù)
[0146]
[0148] 將上述物理量組成無(wú)量綱化項(xiàng)，可得
[0147]
[0149]
[0150] 由上述公式可W得出HiScale^niReal，所W可W認(rèn)為比例模型車與選定實(shí)車動(dòng)力 學(xué)等效，按照長(zhǎng)度量綱的比例，約為1: 6。
[0151] 2.試驗(yàn)結(jié)果
[0152] 通過(guò)比例模型車進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，從客觀角度進(jìn)一步驗(yàn)證轉(zhuǎn)矩主動(dòng)分配 控制系統(tǒng)的有效性。
[0153] 選擇某空曠場(chǎng)地，對(duì)輪胎表面進(jìn)行處理，使輪胎-路面附著系數(shù)約0.17, W滿足試 驗(yàn)需求。在空曠場(chǎng)地利用粧桶建立臨時(shí)測(cè)試路線，通過(guò)控制模塊上的開(kāi)關(guān)選擇轉(zhuǎn)矩主動(dòng)分 配控制系統(tǒng)的開(kāi)啟或關(guān)閉，對(duì)比例模型車進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。
[0154] (1)等轉(zhuǎn)向角加速試驗(yàn)
[0155] 在場(chǎng)地上擺放單個(gè)粧桶，對(duì)比例模型車進(jìn)行等轉(zhuǎn)向角加速試驗(yàn)，W測(cè)試其轉(zhuǎn)向特 性。將前輪轉(zhuǎn)角向左轉(zhuǎn)至最大，約45%油口行程由0均勻加至100%。等轉(zhuǎn)向角加速試驗(yàn)結(jié)果 如圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)所示。
[0156] 試驗(yàn)過(guò)程中，控制系統(tǒng)關(guān)閉的情況下，比例模型車出現(xiàn)了嚴(yán)重的轉(zhuǎn)向不足現(xiàn)象，逐 漸偏離中屯、粧桶;控制系統(tǒng)開(kāi)啟的情況下，比例模型能夠維持在近似中性轉(zhuǎn)向的狀態(tài)，并繞 中屯、粧桶做圓周運(yùn)動(dòng)。由圖4(a)可知，控制系統(tǒng)關(guān)閉的情況下，比例模型車橫擺角速度先增 加，而后由于前橋側(cè)偏角的增大，橫擺角速度突然下降；控制系統(tǒng)開(kāi)啟的情況下，比例模型 車橫擺加速度先增加，當(dāng)前輪側(cè)偏角增大，模型車出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向時(shí)，控制系統(tǒng)工作，將橫擺 角速度穩(wěn)定在某一固定值附近。由圖4(b)可知，與控制系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)相比，控制系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)比 例模型車能夠更好的跟蹤期望橫擺角速度。由圖4(c)可知，與控制系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)相比，控制系 統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)比例模型車能夠獲得更大的極限側(cè)向加速度。
[0157] (2)環(huán)路行駛試驗(yàn)
[0158] 在場(chǎng)地上利用粧桶搭建臨時(shí)測(cè)試環(huán)路，環(huán)路集成了雙移線、蛇行繞粧等工況，駕駛 員W最快的速度駕駛比例模型車沿環(huán)路行駛。同時(shí)，對(duì)比例模型車進(jìn)行單圈計(jì)時(shí)，用W對(duì)比 例模型車的操控性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。比例模型車側(cè)向及縱向加速度如圖5所示。
[0159] 由圖5可知，比例模型車在環(huán)路行駛試驗(yàn)中，與轉(zhuǎn)矩主動(dòng)分配控制系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)相 比，轉(zhuǎn)矩主動(dòng)分配控制系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，由于對(duì)輪胎附著力的充分利用，比例模型車能夠達(dá)到更 大的側(cè)向加速度。在試驗(yàn)過(guò)程中，較大的負(fù)縱向加速度一般出現(xiàn)在比例模型車入彎之前，由 于比例模型車側(cè)向動(dòng)力學(xué)性能的提升，駕駛員可W更高的車速入彎，因此在彎前駕駛員對(duì) 制動(dòng)的輸入量有一定的減少，使比例模型車的最大負(fù)縱向加速度與控制系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)下相 比有所減小。
[0160] 環(huán)路行駛試驗(yàn)中，在轉(zhuǎn)矩主動(dòng)分配控制系統(tǒng)關(guān)閉的狀態(tài)下，比例模型車對(duì)轉(zhuǎn)向信 號(hào)的輸入響應(yīng)較為遲純;轉(zhuǎn)向過(guò)程中極易產(chǎn)生轉(zhuǎn)向不足現(xiàn)象，在蛇形繞粧路段轉(zhuǎn)向不足現(xiàn) 象尤為明顯;在雙移線路段中，比例模型后橋側(cè)偏角較大，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向過(guò)度現(xiàn)象，必須通過(guò)反 轉(zhuǎn)方向盤(pán)加 W修正才能維持穩(wěn)定。在轉(zhuǎn)矩主動(dòng)分配控制系統(tǒng)開(kāi)啟的狀態(tài)下，比例模型車對(duì) 轉(zhuǎn)向信號(hào)的輸入具有更快的響應(yīng)速度及更精確的指向性;轉(zhuǎn)向過(guò)程中比例模型車能夠維持 在近似中性轉(zhuǎn)向的狀態(tài);在蛇形繞粧及雙移線路段，比例模型車表現(xiàn)出較好的操控穩(wěn)定性。 整個(gè)駕駛過(guò)程較為流楊。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種車用主動(dòng)轉(zhuǎn)矩輪間、軸間分配方法，其特征在于:首先利用傳感器采集車輛橫擺 角速度和縱向與側(cè)向加速度，將車輛橫擺角速度和質(zhì)屯、側(cè)偏角作為車輛穩(wěn)定性的判定標(biāo) 準(zhǔn);然后利用傳感器測(cè)得車輛的車速、轉(zhuǎn)向角和橫擺角速度與參考模型的對(duì)應(yīng)量的偏差值 通過(guò)線性二次最優(yōu)控制方法得到需要調(diào)控的橫擺轉(zhuǎn)矩，再采取同側(cè)轉(zhuǎn)矩左右輪間傳遞為 主，對(duì)角輪間轉(zhuǎn)矩傳遞為輔的傳遞方法對(duì)輪間、軸間轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用主動(dòng)轉(zhuǎn)矩輪間、軸間分配方法，其特征在于:所述利用傳 感器測(cè)得的車速、轉(zhuǎn)向角和橫擺角速度與參考模型的對(duì)應(yīng)量的偏差值通過(guò)線性二次最優(yōu)控 制方法得到需要調(diào)控的橫擺轉(zhuǎn)矩的具體步驟為： 1)采用車輛模型、Bur化ardt輪胎模型作為參考模型，通過(guò)輪胎水平平面上所受的力， 求得車輛的橫擺角速度： (1)計(jì)算輪胎水平平面上所受的力 輪胎水平平面上受到的力通過(guò)輪胎垂直方向收到的力Fz來(lái)間接的求得，F(xiàn)z的計(jì)算公式 如下：式中：hG為車輛的質(zhì)屯、高度;ax、ay分別為車輛在X軸和y軸方向上的加速度;m為整車質(zhì) 量;Lf、U分別為質(zhì)屯、到前軸和后軸的距離;d為輪距;g為重力加速度;Fzfl、Fzfr、Fzrl、Fzrr分 別為左前輪、右前輪、左后輪和右后輪的垂直方向受力； 再利用如下公式得出輪胎水平平面上縱向和側(cè)向的受力：式中：Fl為輪胎縱向受力;Fs為輪胎側(cè)向受力；SL、Ss、Sres分別為縱向、側(cè)向和合成滑移 率，yres為合成附著系數(shù);其中：式中：Vw為車輪的水平合成速度;Vr為車輪滾動(dòng)速度;α為輪胎側(cè)偏角;Fz為輪胎垂向受 力;Cl、C2、C3為路面附著條件的特征參數(shù)； (2)計(jì)算車輛的橫擺角速度：橫擺角速度為 2)采用線性二次最優(yōu)調(diào)控方法得到需要調(diào)控的橫擺轉(zhuǎn)矩 (1)采用線性二自由度的狀態(tài)方程建立車輛行駛橫向位置的偏差量、車輛航向角的偏 差量、車輛橫向速度和橫擺角速度的加權(quán)平方和在時(shí)域T內(nèi)的積分值的性能指標(biāo)J，求出最 優(yōu)控制反饋增益矩陣K 線性二自由度的狀態(tài)方程如下： i(〇 二 /?.ψ) + 公"(0 (1 曼） y = Cx(t) (16) 式中：控制系統(tǒng)所建立的狀態(tài)變量X(t) = [ey ΘΦ Vy 丫]T，ey為車輛行駛橫向位置的偏 差量;6Φ為車輛航向角的偏差量;Vy為車輛橫向速度；Y為橫擺角速度;在t = 0的時(shí)候即xo = x(〇)，控制的輸入量為u(t)=Sf，得到矩陣AeR4x4，BeR4xi式中：Cf為前輪車側(cè)偏剛度;Cr為后輪側(cè)偏剛度;Vx為車輛縱向速度;vy為車輛側(cè)向速 度;Sf為前輪轉(zhuǎn)角； 車輛行駛橫向位置的偏差量、車輛航向角的偏差量、車輛橫向速度和橫擺角速度的加 權(quán)平方和在時(shí)域T內(nèi)的積分值，表達(dá)式為：式中：qi、q2、Q3和Q4分別為車輛行駛橫向位置的偏差量、車輛航向角的偏差量、車輛橫向 速度和橫擺角速度的加權(quán)系數(shù);在不同轉(zhuǎn)向角和速度的情況下，通過(guò)對(duì)qi進(jìn)行反復(fù)的調(diào)節(jié) 試驗(yàn)，最后確定qi的值，將性能指標(biāo)J的表達(dá)式改寫(xiě)成矩陣的形式，即： R=Q4；N=[0 0 0 2q4]'其中，X為系統(tǒng)狀態(tài)矢量;U為最優(yōu)控制力； 利用MTLAB軟件中的函數(shù)比，5則=1^91?^，8,9，1?斯，求出最優(yōu)控制反饋增益矩陣1(; (2) 用公式求得橫擺角速度的最優(yōu)調(diào)控量丫 d，公式如下： γ d = -Kx(t) (19) (3) 根據(jù)線性二次最優(yōu)控制方法獲得的橫擺角速度最優(yōu)調(diào)控量，結(jié)合參考模型中車輛 的參數(shù)值求出需要調(diào)控的橫擺轉(zhuǎn)矩。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用主動(dòng)轉(zhuǎn)矩輪間、軸間分配方法，其特征在于:所述采取同 側(cè)轉(zhuǎn)矩左右輪間傳遞為主，對(duì)角輪間轉(zhuǎn)矩傳遞為輔的傳遞方法對(duì)輪間、軸間轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配 的具體步驟為： 1) 同側(cè)轉(zhuǎn)矩左右輪間傳遞 主動(dòng)分動(dòng)器將力矩在前后軸之間進(jìn)行分配，根據(jù)車輛質(zhì)屯、到前后軸的距離來(lái)確定分配 的比例，即n = Lf/Lr;然后利用如下公式：(20) Tf/Tr=l/n (21) 式中：Tf、Tr分別為左、右車輪的力矩;Δ卸為橫擺角速度的偏差值；Iz為車身繞Z軸的橫 擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 通過(guò)主動(dòng)差速器來(lái)分配左右車輪之間的力矩，由行駛的一側(cè)輪胎力矩往另一側(cè)傳遞； 2) 對(duì)角輪間轉(zhuǎn)矩傳遞 在左右輪間的轉(zhuǎn)矩傳遞同時(shí)，配合對(duì)角輪間轉(zhuǎn)矩的傳遞，結(jié)合輪間和軸間主動(dòng)差速器 來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的分配； 轉(zhuǎn)矩在對(duì)角輪間的傳遞利用如下公式：(22) Tfi = Tri (23) 式中Tfi、Tri分別為兩個(gè)對(duì)角輪上的傳遞的轉(zhuǎn)矩，由于是通過(guò)輪間與軸間的配合直接對(duì) 角輪上的傳遞，結(jié)合公式(16)和(17)求出需要傳遞轉(zhuǎn)矩的大小，其公式如下：(24) 式中：L - Lf+Lr 〇
【文檔編號(hào)】B60W40/109GK105936273SQ201610374670
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】孫濤, 龔戌偉, 戴旭彬, 王帥帥, 呂夢(mèng)男
【申請(qǐng)人】上海理工大學(xué)