一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法

摘要

一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法，包含以下步骤：采集车辆的行驶状态信息，根据车辆的二自由度单轨模型计算控制状态量的参考值；以状态量的实际值和参考值的误差和对误差的积分为滑模面，利用滑模算法，获得为实现针对当前工况车辆稳定所需的控制量规划值，以轮胎加速度的比值表示轮胎力之间的角度，并结合已有的路面摩擦系数的估计方法和采集到的车辆状态的有效信息，规划出车辆合力与合力矩的联合可行域；判断上层控制器的输出规划值是否在可行域内通过不同工况下的分配方法所获得的轮胎力，确定为维持车辆稳定运行时轮毂电机所需要输出力矩的大小，最后通过执行器去执行轮胎力的分配结果。

说明书

技术领域

本发明属于车辆主动安全控制的技术领域，提供了一种车辆稳定性系统的控制方法，尤其涉及一种由于低摩擦系数和轮胎垂直载荷转移引起执行驱动空间受限时的轮胎力分配方法。

背景技术

车辆的稳定性在近年来受关注的程度不断提高，其中主动安全防护系统，例如制动防抱死系统(ABS)、主动转向控制系统(AFS)、电子稳定控制系统(ESC)以及牵引力控制系统(TCS)等，能有效地帮助驾驶员在紧急工况下做出正确的选择，以避免出现严重的转向不足或过度转向。随着车辆智能化的进程，当融入环境信息时，驾驶员参与汽车行驶过程的比重逐渐减弱使得自动驾驶技术得到了快速发展，从而对车辆的主动安全系统提出了更高的要求，因此出现了关于车辆稳定性的多个子系统的集成控制，但无法很好地解决各个子系统之间作用的耦合冲突所带来的消极影响。轮胎力的分配是车辆稳定性控制中的一个重要环节。然而在摩擦系数较低时，车辆的可执行驱动空间受限，导致控制器的输出在无法在轮间实现轮胎力的优化分配，从而造成车辆运行状态的不稳定。

在现有的车辆稳定性研究中，多数是以在当前的行驶工况下可以完全优化处理轮胎力为前提。而并没有涉及车辆驱动/制动执行空间受限造成车辆运行不稳定时，应该采取何种有效措施使得车辆可以获得次优状态下的稳定。所以轮胎力分配的可行性问题值得受到更多的关注。

发明内容

本发明的技术解决问题：对于车辆的平面运动，给出多输入多输出的滑模控制方法，根据当前时刻车辆的状态信息，规划出车辆时变的行驶可行域。当轮胎力不存在优化分配的可行解时，采取控制器重构和调整系统输入的方法，使得车辆在新的控制需求下保持状态稳定的同时跟随驾驶员的期望行驶轨迹。

一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法，包含以下步骤：

步骤一

实时地由车载传感器采集车辆行驶过程中的状态量，得到车辆的方向盘转角、横摆角速度、纵向加速度、侧向加速度，以及车辆的速度、车轮的运动速度、路面的摩擦系数等有效信息；

步骤二

根据步骤一中得到的车辆的纵向/侧向行驶速度和前轮转角δ作为输入量，利用二自由度单轨模型确定被控量的参考值，即包括以汽车质心为坐标原点的车辆纵向速度V_x、侧向速度V_y和横摆角速度ω_r的期望值；

步骤三

取车辆纵向速度、侧向速度和横摆角速度的期望值与实际值的误差及其误差的积分为滑模面，通过滑模控制器求得完成当前控制任务所需的作用在车身坐标系上的合成纵向合力∑F_Xd、合成侧向合力∑F_Yd及横摆力矩∑M_Zd的规划值；

步骤四

基于步骤一实时获取的车辆纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度以及前轮转角的信息，依据当前路面摩擦系数和作用在各车轮上的垂直载荷，逆向求取上层滑膜控制器输出的有效作用区域，进一步得到纵向/横向合力分别相对于合成横摆力矩的联合可行域；

步骤五：

根据当前时刻的路面状况和车辆的行驶状态信息，实时决策由步骤三中通过滑膜控制器得到的合力与合力矩规划值是否在由步骤四确定的联合可行域内，根据不同的结果采取相应的分配方法：

(1)当滑模控制器的输出规划值在联合可行域内时，以最大化轮胎的稳定裕度为性能指标，直接进行轮胎力的优化分配；

(2)若控制器的输出规划值不在联合可行域时，通过引入重构系数对控制器进行重构，并同时调整控制系统的输入，即车辆的速度和前轮转角，使得在下层控制器中，轮胎力由于低地面摩擦系数和作用在各轮胎上的垂直载荷变化引起执行驱动空间受限时，依然存在优化分配的可行解，并且完成轨迹跟踪的目标；对控制系统输入的调整，满足车辆转弯半径ρ、纵向行驶速度V_x和前轮转角δ的如下关系：

步骤六：

由步骤四中不同情况下分配所得的轮胎力，通过执行器的作用执行轮胎力的分配结果。

所述步骤中二自由度单轨模型以侧向速度和横摆角速度为状态量，满足如下微分方程：

步骤三中滑模控制器如下式所示：

附图说明

图1为本发明所提出的车辆稳定性控制系统的原理图；

图2为车辆的二自由度单轨模型示意图；

图3为换道行驶的工况下纵向合力与侧向合力的联合可行域；

图4为换道行驶的工况下纵向合力与横摆力矩的联合可行域；

图5为换道行驶的工况下侧向合力与横摆力矩的联合可行域；

图6为单移线的工况下纵向速度偏差的对比图；

图7为单移线的工况下侧向速度的对比图；

图8为单移线的工况下横摆角速度的对比图；

图9为单移线的工况下车辆沿轴和轴方向位移的对比图；

图10为左前轮的纵向轮胎力与其极限值关系的对比图；

图11为右前轮的纵向轮胎力与其极限值关系的对比图；

图12为左后轮的纵向轮胎力与其极限值关系的对比图；

图13为右后轮的纵向轮胎力与其极限值关系的对比图；

具体实施方式

下面结合附图，对提出的技术方案作进一步地阐述和说明。

本发明提出一种针对执行驱动空间受限时的车辆稳定控制系统轮胎力分配方法，其中涉及的车辆稳定性控制系统原理图如图1所示。

模块1代表车辆的主动安全辅助驾驶功能，外部环境感知决定了车辆的驾驶需求。驾驶员模型中的驱动、制动踏板和方向盘的信号，通过驾驶系统的映射变换，得到车辆的速度和前轮转角，再经过参考模型最终获得上层控制器的输入状态量，且作为整个闭环控制系统的输入。

模块2代表车辆的分层控制系统。上层控制器实现对纵向速度V_x、侧向速度V_y和横摆角速度ω_r的稳定性控制，得到虚拟的控制量：纵向合力∑F_X、侧向合力∑F_Y和横摆力矩∑M_Z。在路面状况良好时，以虚拟控制量为中间量的下层控制器可以分配得到每个车轮的轮胎力,再由执行器的作用转化为对车辆的直接控制:驱动或制动力矩。

模块3通过摩擦圆计算纵向力和侧向力的约束，并基于轮胎力约束的解空间规划合力与合力矩的可行域，再判断上层控制器的输出是否落在可行域内。若恰好在可行域内，则对应于模块2所阐述的情况；若未落在可行域内，则采取措施使上层控制器的输出落在在可行域内。

模块4是针对模块3中合力与合力矩未在可行域时所提出的解决方案，也是本文着重阐述的内容。一方面引进重构系数k_x、k_y和k_z对上层控制器进行重构，使轮胎力的分配问题存在可行解；另一方面由系统输入的衰减系数k_v和k_δ对车辆的速度、前轮转角作调整，保证车辆跟随驾驶员的期望行驶路径，实现弱化控制需求后的轮胎力再分配。重构系数和衰减系数k_i(i＝x,y,z,v,δ)在理想状态下的取值均为1。

模块5代表车辆的整个闭环控制系统，涉及了驾驶员模型、车辆模型、路面附着的环境感知，是融合了环境信息的人―车―路闭环控制系统。

本发明提出一种针对执行驱动空间受限时的轮胎力分配方法，按下述步骤实施：

1.实时采集车辆行驶状态的有效信息和辨识路面的摩擦系数。

采集车载传感器反馈回来的车辆行驶状态信息，其中包括转向盘角度传感器采集的方向盘转角信号；偏转率传感器采集的车辆质心处的横摆角速度信号；加速度传感器采集的车辆质心处的加速度；磁电式传感器或者霍尔式传感器检测车辆的轮速信息；电磁感应式转速传感器用于检测变速器输出轴的转速，再由车速传感器的信号计算车速。经过特定的滤波处理获得车辆的方向盘转角、横摆角速度和加速度等状态信息。并根据车辆的速度和车轮的运动速度，计算轮胎的纵向滑移率和质心侧偏角，用已有的估计算法辨识路面的摩擦系数。

2.根据步骤1中实时得到的状态量，利用车辆的二自由度单轨模型，如图2所示，确定车辆平面运动的控制状态量的参考值，包括期望的纵向速度、侧向速度和横摆角速度。

车辆控制状态量的参考值由下列状态空间模型的输出决定。

3.以状态量的期望值和实际值的误差和对误差的积分为滑模面，设计强鲁棒性的滑模控制系统，得到车辆稳定时的虚拟控制量，即纵向合力、侧向合力和横摆力矩的规划值ΣF_Xd、ΣF_Yd及∑M_Zd。

建立涉及车辆纵向速度、侧向速度和横摆角速度的三自由度模型，模型的成立基于如下的假设：

Ⅰ：忽略转向系统的影响，以前轮转角作为系统的输入。

Ⅱ：忽略悬架的作用，车身只作平行于地面的平面运动，绕X轴的侧倾角、绕Y轴的俯仰角和绕Z轴的位移均为零。

Ⅲ：汽车沿X轴方向的前进速度不变。

模型的表达式如平衡方程(3)―(5)所示：

在上述的平衡方程中，m_v为汽车的总质量(包括簧载质量和非簧载质量)，V_x为车辆沿X轴方向的纵向速度，V_y为车辆沿Y轴方向的侧向速度，ω_r为质心处的横摆角速度。C_a和C_r分别为气动阻力系数和滚动阻力系数，I_Z是整车质量绕车辆坐标系Z轴的转动惯量。ΣF_X、ΣF_Y和ΣM_Z分别表示车辆的纵向合力、侧向合力与横摆力矩。

根据车辆模型设计的滑模控制器如公式(6)―(8)所示：

上述的控制率中，V_xd、V_yd和ω_rd分别表示参考模型输出的纵向速度、侧向速度和横摆角速度。S₁、S₂和S₃是关于状态量的误差和对误差积分的滑模面，λ₁、λ₂和λ₃是滑模面中积分项的系数。η₁、η₂和η₃是等速趋近律中符号函数的系数，表示控制率相对于滑模面的到达速率大小，γ₁、γ₂和γ₃表示为消除抖振影响所引进的符号函数中滑模面的边界层厚度，其合理的选取决定了控制率切换的平滑度。

4.求取对应上层控制器输出的合力与合力矩的联合可行域。

根据步骤1中车载传感器采集的状态量信息，以车辆的质心加速度、横摆加速度、方向盘转角来确定纵向力与侧向力之间的角度，由牛顿第二定律所述：加速度的方向与物体作用力的方向相同，所以可以用加速度的比值表示轮胎力之间的角度。

驾驶员的方向盘转角通过传动机构计算对应的前轮转角：

δ_i为每个车轮的转角，δ_SWA表示车辆的方向盘转角，I_sw为底盘传动系的传动比。

通过车辆质心坐标系到轮胎坐标系的变换计算轮胎的纵向加速度a_xi：

式中，a_x和a_y是车辆质心的纵向加速度和侧向加速度，d_f和d_r是前轮和后轮的轮距，l_f和l_r为车辆质心到前轴和后轴的距离，在实际操作中，若假设δ_i＝0(i＝3,4)则可以表示为一般的前轮转向车辆。

同一时刻轮胎的侧向加速度a_yi为：

由以上的关系式可以得到轮胎力之间时变的角度：

式中α_i即为以加速度的形式表示的轮胎力之间的角度。

由步骤1中车辆的速度和车轮的运动速度，计算轮胎的纵向滑移率和车辆的质心侧偏角，并根据已有的估计方法，在线地辨识路面摩擦系数。

从车辆力和力矩的总平衡方程出发，以轮胎纵向力和侧向力相对于质心产生横摆力矩的作用效果为依据，将其分为四组。在摩擦圆中计算轮胎力的极限范围，求取当每个分组中轮胎力不等式组的解空间存在时，分组的力和力矩需要满足的充分必要条件，作为可行域建立的一部分。

轮胎纵向力与侧向力沿X轴方向的力和力矩的平衡方程，是对车辆驱动和制动能力的描述。纵向力沿X轴方向的可行域如公式(15)―(16)所示。

上式为分组1的结果，假设前后轮的轮距相等，即d_f＝d_r＝d成立。其中F_xd1是轮胎纵向力所属的纵向合力关于X轴方向的分力，M_zd1是对应的横摆力矩。A_i＝μF_zi>i，表示纵向力在轮胎力摩擦圆中的极限值。

侧向力沿X轴方向的可行域如公式(17)―(18)所示。

上式为分组2的结果，其中F_xd2是轮胎侧向力所属的纵向合力关于X轴方向的分力，M_zd2是对应的横摆力矩。B_i＝μF_zi>i，表示侧向力在轮胎力摩擦圆中的极限值。

纵向力沿Y轴方向的可行域如公式(19)―(20)所示。

上式为分组3的结果，其中F_yd1是轮胎纵向力所属的侧向合力关于Y轴方向的分力，M_zd3是对应的横摆力矩。

侧向力沿Y轴方向的可行域如公式(21)―(22)所示。

上式为分组4的结果，其中F_yd2是轮胎侧向力所属的侧向合力关于Y轴方向的分力，M_zd4是相对应的横摆力矩。

将上述关于X轴或Y轴方向的分力进行代数求和运算，即可得到极限工况下纵向合力与侧向合力的取值范围；而四个分组下横摆力矩表达式的和规划出了车辆上层控制器总横摆力矩的范围。通过力和力矩的有效作用域的极限范围，得到关于合力与合力矩的可行域。

5.基于当前时刻的路面状况和车辆的行驶状态信息，实时判断步骤3中的合力与合力矩规划值是否在由步骤4求取的的联合可行域内，根据不同的结果采取相应的分配方法。

(1)当实时计算的控制器输出的规划值在联合可行域内时，直接实施下层控制器中轮胎力的优化。具体优化方法见本步骤中(3)。

(2)当实时计算的控制器输出的规划值未在联合可行域内时，一方面，通过引入重构系数k_x、k_y和k_z对上层控制器进行重构；另一方面，引入系统输入的衰减系数，即车辆速度的衰减系数k_v和前轮转角的衰减系数k_δ来弱化控制系统的输入。从而使得控制系统在新的控制需求下处于次优的稳定状态。

重构系数可以使控制系统重新存在轮胎力分配的可行解，而输入衰减系数的作用则为在新的控制目标下车辆能够跟随驾驶员期望的行驶轨迹。

重构系数的值域为(0,1]，其选择原则为：在原有上层控制器输出的力和力矩的基础上，等比例地降低控制器的输出

输入衰减系数的值域为(0,1]，其选择原则为：依赖于二自由度单轨模型所推导的转弯半径与速度、前轮转角之间的关系，如公式(23)所示。

(3)下层控制器中轮胎力的优化方法表述如下：

以最大化轮胎稳定裕度为优化的性能指标：

上式中，C_i为每个轮胎的加权系数，F_xi和F_yi为轮胎的纵向力和侧向力，μ为路面的摩擦系数，F_zi为考虑了载荷转移后的轮胎垂直载荷。

约束二次规划解优化的具体形式如下：

其中，f(x)为性能指标的目标函数，且将最大化轮胎稳定裕度转化成最小化轮胎利用率的形式。u_max和u_min是轮胎力约束的上限值和下限值。B_3×4为车辆的控制效率矩阵，来源于车辆模型的总平衡方程式。向量u为控制分配得到的每个轮胎的纵向力，向量u_d为需要满足的等式约束条件，即上层控制器的输出。W_4×4为目标函数的加权矩阵，是融合摩擦系数的对角矩阵。

6.由步骤5中针对不同工况的分配方法所得的轮胎力，决策出为保持车辆稳定执行器需要输出的力矩范围，并通过执行器的作用执行轮胎力的分配效果。

下层控制器分配得到的轮胎力由公式(27)确定执行机构输出力矩的大小：

其中J为车轮的转动惯量，ω_i为车轮的旋转角速度，R_i表示车轮的有效半径，T_ti表示驱动力矩，T_bi表示制动力矩。

下面给出本发明所提供的技术方案的仿真实验数据。

工况1：车辆初始的前轮转角为0.05(rad)，逐渐减小方向盘的转角，完成车辆的换道行驶，仿真时间设定为5秒。图3―图5为其仿真结果，其中的实线和虚线分别表示在路面的摩擦系数为0.8和0.5时，轮胎的纵向合力、侧向合力与横摆力矩三者之间的联合可行域。

工况2：在车辆的单移线行驶工况中，其正弦输入的前轮转角的幅值在摩擦系数μ＝0.8时为δ＝0.07(rad)，车辆的期望跟踪速度为V_x＝30(m/s)；在摩擦系数μ＝0.5时前轮转角的幅值降低为δ＝0.03(rad)，期望的跟踪速度调整为V_x＝19.6(m/s)，仿真时间设定为10秒。图6―图9为车辆的控制状态量以及运行轨迹的仿真结果，图10―图13为分配的纵向力与其极限值之间的关系。

从工况1中力和力矩的联合可行域中可以看出，降低了路面的摩擦系数，明显地减小了车辆驱动和制动的可执行空间。它们之间的交集意为不同的摩擦系数下车辆均能维持稳定的力和力矩的范围，当摩擦系数变化较大时，这部分较小的范围通常对驾驶员来说是较难控制的。

工况2中图6―图9说明了超出了轮胎可行域时，状态量偏离了参考值，同时与驾驶员的期望行驶轨迹严重相违背，会造成车辆的不稳定。但采取了本发明提供的方法后状态量基本符合其参考值，车辆的行驶路径也不会有较大的偏差。图10―图13中轮胎力相对于极限值的关系说明，已经超出了可行域的纵向力在采用本发明提出的解决方法后，重新回到了摩擦圆的限制之内。

本发明融合了对摩擦系数的环境感知，以轮胎的摩擦圆为媒介，规划当前时刻车辆行驶的可行域，并对轮胎力超出可行域的情况提出了执行驱动空间受限的解决方法，对于维持车辆的稳定性和提高系统的制动能力有一定的理论指导意义。若能结合驾驶员的行为特性，构成真正的人―车―路闭环控制系统，则更具有实现的意义和价值。