本發(fā)明涉及汽車主動安全領(lǐng)域，特別涉及一種冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)控制分配方法。

背景技術(shù)：

近年來隨著汽車技術(shù)和汽車制造業(yè)的快速發(fā)展，汽車擁有量快速增加，交通狀況變得更加錯綜復(fù)雜，交通事故頻發(fā)。據(jù)報(bào)道，我國2014年交通事故萬車死亡率在2.0左右，遠(yuǎn)高于美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家，交通事故死亡人數(shù)占全國各類安全生產(chǎn)事故死亡總數(shù)的八成以上，交通安全形勢嚴(yán)峻。車輛動力學(xué)協(xié)調(diào)控制能夠預(yù)測和解決車輛可能存在的危險(xiǎn)，提高車輛在危險(xiǎn)工況下的穩(wěn)定性和可控性，增加汽車的安全性。

隨著汽車執(zhí)行器和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，線控系統(tǒng)將取代以液壓、氣壓和機(jī)械為主的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。車輛動力學(xué)研究可控制的執(zhí)行器則包含轉(zhuǎn)向電機(jī)、制動系統(tǒng)的四個車輪制動器等，而被控制物理量一般為橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，執(zhí)行器數(shù)量明顯多于被控物理量，屬于冗余驅(qū)動系統(tǒng)，必然涉及如何將車輛期望廣義力/力矩在執(zhí)行器物理約束條件下（位置約束和速率約束）分配給各執(zhí)行器的問題。控制分配是連接車輛期望廣義力/力矩和冗余執(zhí)行器的橋梁與紐帶，它能夠協(xié)調(diào)優(yōu)化有效的執(zhí)行器資源，改善系統(tǒng)響應(yīng)，拓展系統(tǒng)在惡劣工況下或某些執(zhí)行器失效時的穩(wěn)定域，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。目前，在車輛動力學(xué)控制方面，已經(jīng)形成包含各執(zhí)行器約束，并考慮輪胎側(cè)縱向力耦合的控制分配技術(shù)。但由于需要考慮輪胎側(cè)縱向力的非線性耦合約束，控制系統(tǒng)計(jì)算負(fù)擔(dān)重、實(shí)時性較差，且在實(shí)際系統(tǒng)中輪胎力很難直接測量獲得。此外，在車輛動力學(xué)控制任務(wù)的完成過程中，可能會存在多個任務(wù)目標(biāo)，且多個任務(wù)目標(biāo)有時不能同時滿足。本發(fā)明擬針對冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)系統(tǒng)，基于控制分配理論建立車輛期望廣義力/力矩與車輪滑移率和側(cè)偏角的優(yōu)化分配關(guān)系，解決輪胎側(cè)縱向力的非線性耦合約束，同時基于汽車行駛工況設(shè)計(jì)控制任務(wù)的優(yōu)先級，協(xié)調(diào)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)以最佳方式實(shí)現(xiàn)車輛動力學(xué)控制目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是要提供一種冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)控制分配方法，通過改進(jìn)定點(diǎn)二乘算法建立車輛期望廣義力/力矩與車輪滑移率和側(cè)偏角的優(yōu)化分配關(guān)系，充分考慮輪胎側(cè)縱向力的非線性耦合約束，并基于汽車行駛工況設(shè)計(jì)控制任務(wù)的優(yōu)先級，保證冗余執(zhí)行器按照一定的順序完成控制任務(wù)，降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度及運(yùn)算量，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)控制分配方法，包括如下步驟：

i、車輛動力學(xué)控制分配上層控制模塊設(shè)計(jì)：

基于三自由度車輛模型，確定理想的汽車質(zhì)心縱向速度、側(cè)向速度和橫擺角速度；針對系統(tǒng)存在的未建模動態(tài)、外界干擾，以及系統(tǒng)參數(shù)（如汽車質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等）的不確定性，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法決策出車輛的期望廣義力/力矩；

ii、冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)控制分配模塊設(shè)計(jì)：

針對冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)系統(tǒng)，基于改進(jìn)定點(diǎn)二乘算法將車輛動力學(xué)控制分配上層控制模塊決策的期望廣義力/力矩優(yōu)化分配給車輪滑移率和側(cè)偏角，以產(chǎn)生期望的輪胎縱向力和側(cè)向力；基于汽車縱向安全指標(biāo)和側(cè)向穩(wěn)定性指標(biāo)識別汽車行駛工況，根據(jù)汽車行駛工況設(shè)計(jì)控制任務(wù)的優(yōu)先級，保證各執(zhí)行系統(tǒng)按照一定的順序完成執(zhí)行任務(wù)；

iii、車輪滑移率及側(cè)偏角聯(lián)合跟蹤控制模塊設(shè)計(jì)：

建立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和車輪縱向滑移率動力學(xué)模型，基于積分滑?？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)車輪滑移率及側(cè)偏角聯(lián)合跟蹤控制模塊，協(xié)調(diào)汽車轉(zhuǎn)向/驅(qū)動/制動系統(tǒng)，使各車輪均按照預(yù)期的滑移率和側(cè)偏角運(yùn)動，保證汽車的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)能夠跟隨期望的運(yùn)動狀態(tài)。

本發(fā)明基于汽車行駛工況調(diào)節(jié)控制任務(wù)權(quán)重矩陣，確定控制任務(wù)的優(yōu)先級；當(dāng)汽車處于正常行駛工況時，根據(jù)駕駛員操作控制汽車轉(zhuǎn)向/驅(qū)動/制動系統(tǒng)，不涉及控制任務(wù)的優(yōu)先級問題，控制任務(wù)權(quán)重矩陣Wv為diag(1,1,1)；當(dāng)汽車處于縱向安全行駛工況時，控制任務(wù)權(quán)重矩陣Wv為diag(1,0,0)；當(dāng)汽車處于側(cè)向穩(wěn)定性行駛工況時，控制任務(wù)權(quán)重矩陣Wv為diag(0,1,1)；當(dāng)汽車處于集成安全行駛工況時，需要兼顧車輛的縱向、側(cè)向及橫擺運(yùn)動，控制任務(wù)權(quán)重矩陣Wv為diag(1,1,1)。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明基于改進(jìn)定點(diǎn)二乘算法建立車輛期望廣義力/力矩與車輪滑移率和側(cè)偏角的優(yōu)化分配關(guān)系，充分考慮輪胎側(cè)縱向力的非線性耦合約束，并基于汽車行駛工況設(shè)計(jì)控制任務(wù)的優(yōu)先級，保證冗余執(zhí)行器按照一定的順序完成控制任務(wù)，降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度及運(yùn)算量，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)控制分配方法的總體設(shè)計(jì)方案框圖。

圖2為本發(fā)明一種冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)控制分配方法的線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊示意圖。

圖3為本發(fā)明一種冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)控制分配方法的車輪制動模型示意圖。

圖4為本發(fā)明一種冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)控制分配方法識別的汽車行駛工況。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參閱圖1所示，一種冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)控制分配方法，具體實(shí)現(xiàn)時包括如下步驟：

i、車輛動力學(xué)控制分配上層控制模塊設(shè)計(jì)：

駕駛員的控制輸入通過轉(zhuǎn)向盤、加速/制動踏板來實(shí)現(xiàn)，輸入給三自由度車輛模型確定車輛運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)理想值，包括確定理想的汽車質(zhì)心縱向速度、側(cè)向速度和橫擺角速度；車輛動力學(xué)控制分配上層控制模塊根據(jù)車輛運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)理想值和實(shí)際值的偏差，采用常值滑?？刂品椒Q策出車輛的期望廣義力/力矩，即駕駛員需求的總縱向力、側(cè)向力，以及保持車輛穩(wěn)定行駛所需要的橫擺力矩；其中，切換項(xiàng)系數(shù)采用常值切換控制方法實(shí)時調(diào)整，確定控制增益的取值范圍；

ii、冗余驅(qū)動車輛動力學(xué)控制分配模塊設(shè)計(jì)：

車輛期望廣義力/力矩的控制分配問題描述為：對期望廣義力/力矩，在冗余執(zhí)行器約束條件下，尋找一個最優(yōu)的控制分配向量，使車輛在此控制分配向量作用下所受的合力/力矩逼近期望值；車輛動力學(xué)控制分配時，期望廣義力車輛質(zhì)心處總的縱向力、側(cè)向力，期望廣義力矩為保持車輛穩(wěn)定行駛所需要的橫擺力矩，執(zhí)行器的輸出為四個車輪的滑移率和前輪側(cè)偏角；對于給定的偽控制指令,尋找對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際控制輸出，即

（1）

式中，，分別為車輛質(zhì)心處總的縱向力、側(cè)向力以及保持車輛穩(wěn)定行駛所需要的橫擺力矩；，其中，分別為左前輪、右前輪、左后輪和右后輪的滑移率，α為前輪側(cè)偏角；B代表效率矩陣，。

車輛動力學(xué)控制分配時，期望廣義力/力矩表現(xiàn)為車輛滑移率、側(cè)偏角和路面附著系數(shù)等參數(shù)的非線性函數(shù)；以汽車?yán)碚撝械妮喬タv向力與滑移率關(guān)系曲線為例，小滑移率區(qū)輪胎縱向力與滑移率呈線性變化，滑移率較大時兩者呈現(xiàn)出高度的非線性特性；因此，在車輛動力學(xué)控制分配時，應(yīng)采用非線性控制配方法；非線性控制分配方法一方面引入優(yōu)化目標(biāo)，另一方面考慮各種不等式約束，有效提高控制分配精度，但其算法一般較為復(fù)雜，當(dāng)執(zhí)行器維數(shù)增加時，運(yùn)算量會顯著增加，難以應(yīng)用到實(shí)時系統(tǒng)中；鑒于此，本項(xiàng)目將非線性函數(shù)在處進(jìn)行一階泰勒展開，通過每次采樣間隔的線性化處理，將非線性函數(shù)進(jìn)行局部近似，以獲得控制效率矩陣。

在控制分配過程中，車輪滑移率約束處理時，基于輪胎魔術(shù)公式獲得不同路面附著系數(shù)條件下的輪胎縱向力與滑移率變化關(guān)系曲線，標(biāo)定出不同路面附著條件下車輪滑移率的門限值，將車輪滑移率的門限值近似為關(guān)于路面附著系數(shù)的一維數(shù)表；與車輪滑移率門限值的確定方法類似，在輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角變化關(guān)系曲線中，標(biāo)定出不同路面附著條件下車輪側(cè)偏角的門限值，將車輪側(cè)偏角的門限值也近似為關(guān)于路面附著系數(shù)的一維數(shù)表；車輪滑移率和側(cè)偏角的門限值均設(shè)計(jì)為關(guān)于路面附著系數(shù)的一維數(shù)表，能夠解決車輪側(cè)縱向力的非線性耦合約束，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時性。

引入控制分配誤差最小的分配準(zhǔn)則，期望廣義力/力矩的控制分配可以轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃問題；同時，為了進(jìn)一步提高運(yùn)算效率，采用改進(jìn)定點(diǎn)二乘算法進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為

（2）

式中，為控制任務(wù)權(quán)重矩陣；為控制輸出權(quán)重矩陣；ε∈(0,1)為權(quán)重系數(shù)。

iii、車輪滑移率及側(cè)偏角聯(lián)合跟蹤控制模塊設(shè)計(jì)：

車輪滑移率及側(cè)偏角聯(lián)合跟蹤控制模塊結(jié)合車輪滑移率、側(cè)偏角的理想值和實(shí)際值，協(xié)調(diào)汽車轉(zhuǎn)向/驅(qū)動/制動系統(tǒng)，輸出車輪轉(zhuǎn)角、各車輪制動壓力、車輪驅(qū)動力矩給CarSim車輛模型，使各車輪均按照預(yù)期的滑移率和側(cè)偏角運(yùn)動，CarSim車輛模型將車輪運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)的實(shí)際值反饋給車輛動力學(xué)控制分配上層控制模塊，保證汽車的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)能夠跟隨期望的運(yùn)動狀態(tài)。

其中，汽車線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊如圖2所示，令，線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的動力學(xué)方程如下：

（3）

式中，θ_p為小齒輪轉(zhuǎn)角；J_p為轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊等效到小齒輪軸上的轉(zhuǎn)動慣量；C_p為轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊等效到小齒輪軸上的阻尼系數(shù)；τ_p為等效到小齒輪軸上的車輪與地面間轉(zhuǎn)向阻力矩；g_p為蝸輪蝸桿減速器速比；k_p，i_p分別為轉(zhuǎn)角電機(jī)的反電動勢系數(shù)（轉(zhuǎn)矩系數(shù)）和電樞電流。

汽車加速或減速時，車輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由地面縱向力和作用在車輪上的驅(qū)動/制動力矩決定。以某一車輪制動為例，如圖3所示，令，則

（4）

式中，為魔術(shù)公式表達(dá)的輪胎縱向力；為車輪轉(zhuǎn)動慣量；為作用在車輪上的制動力矩；為車輪中心縱向速度。

針對系統(tǒng)存在的未建模動態(tài)及系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，采用積分滑?？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)底層控制器，協(xié)調(diào)控制汽車的轉(zhuǎn)向/驅(qū)動/制動系統(tǒng)，保證各車輪跟蹤其期望的滑移率及側(cè)偏角。

汽車行駛工況識別時，引入汽車縱向安全指標(biāo)和側(cè)向穩(wěn)定性指標(biāo)，確定四種行駛工況，如圖4所示，即正常行駛工況、側(cè)向穩(wěn)定性行駛工況、縱向安全行駛工況和集成安全行駛工況。

在不同的行駛工況下，汽車的縱向安全控制和側(cè)向穩(wěn)定性控制有著不同的優(yōu)先級。例如，當(dāng)目標(biāo)車與前車即將追尾相撞時，汽車縱向安全控制應(yīng)具有較高的優(yōu)先級。車輛動力學(xué)控制分配時，根據(jù)識別的汽車行駛工況設(shè)計(jì)控制任務(wù)的優(yōu)先級，保證各執(zhí)行系統(tǒng)按照一定的順序完成控制任務(wù)。

汽車縱向安全性能評估時，引入預(yù)警指標(biāo)和碰撞時間倒數(shù)，用于表征當(dāng)前行駛工況下目標(biāo)車存在的縱向危險(xiǎn)程度。預(yù)警指標(biāo)和碰撞時間倒數(shù)分別定義如下：

（5）

（6）

式中，代表目標(biāo)車沿其行駛方向與前車的距離；d_br和d_w分別代表目標(biāo)車的制動距離和預(yù)警距離；TTC代表目標(biāo)車與前車發(fā)生追尾相撞的時間；v_long代表目標(biāo)車與前車的相對速度。當(dāng)目標(biāo)車與前車的距離小于目標(biāo)車的制動距離d_br時，預(yù)警指標(biāo)x 為負(fù)值，表征當(dāng)前行駛工況下目標(biāo)車存在追尾相撞危險(xiǎn)。

橫擺角速度是表征車輛側(cè)向穩(wěn)定性的重要參數(shù)，通過橫擺角速度控制可以實(shí)現(xiàn)汽車的側(cè)向穩(wěn)定性控制。然而，當(dāng)汽車質(zhì)心側(cè)偏角較大時，橫擺力矩對前輪轉(zhuǎn)角的增益幾乎為零。反映到實(shí)際情況中表現(xiàn)為：駕駛員通過對轉(zhuǎn)向盤的操作幾乎不能產(chǎn)生橫擺力矩，此時汽車難以操控。因此，車輛側(cè)向穩(wěn)定性控制時，需要綜合考慮橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角兩個參數(shù)。側(cè)向穩(wěn)定性指標(biāo)定義如下：

(7)

(8)

式中，分別為期望的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，分別為橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的權(quán)重系數(shù)。

基于汽車行駛工況，調(diào)節(jié)公式（2）中的控制任務(wù)權(quán)重矩陣W_v，確定控制任務(wù)的優(yōu)先級。當(dāng)汽車處于正常行駛工況時，根據(jù)駕駛員操作控制汽車轉(zhuǎn)向/驅(qū)動/制動系統(tǒng)，不涉及控制任務(wù)的優(yōu)先級問題，控制任務(wù)權(quán)重矩陣W_v為定為diag(1,1,1); 當(dāng)汽車處于縱向安全行駛工況時，控制任務(wù)權(quán)重矩陣W_v定為diag(1,0,0); 當(dāng)汽車處于集成安全行駛工況時，需要兼顧車輛的縱向、側(cè)向及橫擺運(yùn)動，控制任務(wù)權(quán)重矩陣W_v定為diag(0,1,1); 當(dāng)汽車處于集成安全行駛工況時，需要兼顧車輛的縱向、側(cè)向及橫擺運(yùn)動，控制任務(wù)權(quán)重矩陣W_v定為diag(1,1,1)。需要說明的是，當(dāng)車輛處于側(cè)向穩(wěn)定性行駛工況和集成安全行駛工況時，如果

|α_y|> 0，γ_yaw >γ_{ref_yaw}且β_sideslip> β_{ref_sideslip}即汽車在轉(zhuǎn)彎時已處于失穩(wěn)狀態(tài)且喪失轉(zhuǎn)向能力，控制車輪轉(zhuǎn)角很難使汽車的偏航得以糾正，此時可通過調(diào)整下文中的驅(qū)動狀態(tài)對角矩陣以差動制動方式糾正汽車的姿態(tài)，保證汽車的安全行駛。