本發(fā)明涉及汽車智能轉(zhuǎn)向領(lǐng)域,尤其涉及一種汽車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù):
汽車的穩(wěn)定性是指當(dāng)駕駛員通過操縱方向盤而給定汽車一個行駛方向時,汽車能夠抵御企圖改變其行駛軌跡的外力或外力矩等各種干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。汽車穩(wěn)定性的好壞將直接影響其操縱性的優(yōu)劣,穩(wěn)定性的喪失常易導(dǎo)致駕駛員失去對車輛的控制,使得車輛的動態(tài)行為變得不可預(yù)測,從而引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。
主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角的疊加,可根據(jù)車速控制轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動比的大小,實(shí)現(xiàn)理想轉(zhuǎn)向傳動比,通過系統(tǒng)力特性的控制,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輕便性和轉(zhuǎn)向路感的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。另一方面,汽車在行駛過程中時常會遭遇各種意外情況,例如路面附著系數(shù)的變化,側(cè)向風(fēng)干擾等,這些外界干擾都會對汽車的行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大的影響,且駕駛員一般無法及時而準(zhǔn)確的對此做出修正。此外,輪胎的非線性特性也會對汽車行駛特性產(chǎn)生影響,當(dāng)汽車運(yùn)行在非線性范圍內(nèi)時,駕駛員將很難按自己的意志對汽車進(jìn)行操縱。主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可通過對前輪施加附加轉(zhuǎn)角產(chǎn)生附加的橫擺力矩,控制車輛的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角,保持車輛行駛穩(wěn)定性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷,提供一種汽車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)及其控制方法,可有效提高汽車在危險工況以及各種干擾下的行駛穩(wěn)定性,能夠避免各種危險情況的發(fā)生,極大地提高了行車安全性能。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng),包含齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、助力電機(jī)、蝸輪蝸桿、轉(zhuǎn)向電機(jī)、雙行星排齒輪機(jī)構(gòu)、電子控制單元ecu、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)心側(cè)偏角傳感器、側(cè)向加速度傳感器和前輪轉(zhuǎn)角傳感器;
所述齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的輸入端和所述蝸輪蝸桿的輸出端連接、輸出端通過轉(zhuǎn)向橫拉桿與汽車兩個前輪的車軸連接;
所述蝸輪蝸桿的一個輸入端和所述助力電機(jī)的輸出端連接,另一個輸入端和所述雙行星排齒輪機(jī)構(gòu)的輸出端連接;
所述雙行星排齒輪機(jī)構(gòu)的一個輸入端和所述轉(zhuǎn)向電機(jī)的輸出端連接,另一個輸入端依次通過方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器連接;
所述方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器分別用于獲取汽車方向盤的轉(zhuǎn)角、汽車方向盤的轉(zhuǎn)矩后將其傳遞給所述電子控制單元ecu;
所述車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)心側(cè)偏角傳感器、側(cè)向加速度傳感器均設(shè)置在汽車上,分別用于獲取汽車的車速、橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角和側(cè)向加速度后將其傳遞給所述電子控制單元ecu;
所述前輪轉(zhuǎn)角傳感器設(shè)置在汽車的一個前輪的輪轂上,用于獲得汽車的前輪轉(zhuǎn)角,并將其傳遞給所述電子控制單元ecu;
所述電子控制單元ecu分別和所述車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)心側(cè)偏角傳感器、側(cè)向加速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、前輪轉(zhuǎn)角傳感器、助力電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)電氣相連,用于根據(jù)接收到的汽車方向盤的轉(zhuǎn)矩、方向盤的轉(zhuǎn)角、車速、橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角、側(cè)向加速度、前輪轉(zhuǎn)角控制所述轉(zhuǎn)向電機(jī)、助力電機(jī)工作,以提高汽車的穩(wěn)定性。
本發(fā)明還公開了一種基于該汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的控制方法,包含以下步驟:
步驟1),當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動汽車的方向盤時,電子控制單元ecu通過方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器采集到汽車方向盤的轉(zhuǎn)角以及汽車的車速,根據(jù)變傳動比規(guī)律及參考模型得到汽車該時刻的理想橫擺角速度;
步驟2),電子控制單元ecu建立整車轉(zhuǎn)向二自由度模型以及齒輪齒條轉(zhuǎn)向器模型,并根據(jù)整車轉(zhuǎn)向二自由度模型、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器模型求取魯棒控制器;
步驟3),通過橫擺角速度傳感器采集實(shí)時的橫擺角速度,將實(shí)時的橫擺角速度與求得的理想橫擺角速度做差得到橫擺角速度差值,并將橫擺角速度差值輸入到魯棒控制器;
步驟4),魯棒控制器根據(jù)輸入的橫擺角速度差值計(jì)算出需要增加的附加轉(zhuǎn)角,電子控制單元ecu控制轉(zhuǎn)向電機(jī)工作,使得雙行星齒輪機(jī)構(gòu)將所述附加轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行疊加后輸入到齒輪齒條轉(zhuǎn)向器,并傳遞到汽車前輪;
步驟5),電子控制單元ecu根據(jù)所述附加轉(zhuǎn)角信號控制助力電機(jī)輸出相應(yīng)的力矩,并通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)將力矩作用到齒輪齒條轉(zhuǎn)向器,提供轉(zhuǎn)向助力力矩以減輕駕駛員負(fù)擔(dān)。
作為本發(fā)明一種汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的控制方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案,所述步驟1)中理想橫擺角速度r*的計(jì)算公式如下:
式中,θsw為汽車的方向盤的轉(zhuǎn)角,a0=k1k2(a+b)2+(k2b-k1a)mu2,u為汽車的縱向車速,b0=k1k2(a+b)u,
作為本發(fā)明一種汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的控制方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案,所述ks的范圍為0.12-0.37s-1。
作為本發(fā)明一種汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的控制方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案,所述步驟2)中整車轉(zhuǎn)向二自由度模型以及齒輪齒條轉(zhuǎn)向器模型如下;
式中,ts2=kc(θsw-θs2-αθr2),r為橫擺角速度,β為質(zhì)心側(cè)偏角,iz為整車?yán)@z軸轉(zhuǎn)動慣量,δf為前輪轉(zhuǎn)角,δr為后輪轉(zhuǎn)角,jr、br分別為齒輪齒條系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量與阻尼,θs2是下排行星齒輪齒圈轉(zhuǎn)角,tr是輪胎回正力矩,dr是等效到轉(zhuǎn)向柱上的路面干擾力矩,α是行星齒輪齒圈與太陽輪的齒數(shù)比,kc是轉(zhuǎn)矩傳感器剛度系數(shù),u為縱向車速。
作為本發(fā)明一種汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的控制方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案,所述步驟2)中根據(jù)整車轉(zhuǎn)向二自由度模型、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器模型求取魯棒控制器的具體步驟如下:
步驟2.1),根據(jù)整車轉(zhuǎn)向二自由度模型、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器模型獲得廣義控制對象為:
式中,
步驟2.2),在汽車轉(zhuǎn)向控制過程中,要求使汽車的橫擺角速度能夠良好的跟蹤理想值,并且前后輪轉(zhuǎn)角能盡量小,使輪胎能處于線性范圍行駛,建立控制器k,使閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定,所述控制器k的滿足條件為:
所述控制器k即為廣義控制對象p(s)的h2控制器。
作為本發(fā)明一種汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的控制方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案,所述三個加權(quán)函數(shù)w1、w2、w3需采用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化,具體包含以下步驟:
步驟2.1.1),選擇型值點(diǎn)的數(shù)量m,參數(shù)化三個加權(quán)函數(shù)w1、w2、w3,
步驟2.1.2),定義適應(yīng)度函數(shù)gx;
步驟2.1.3),定義改進(jìn)遺傳算法的控制參數(shù):種群規(guī)模np,代的總數(shù)量ng,交叉概率pc,變異概率pm;
步驟2.1.4),令第h代的數(shù)量h=1,自由產(chǎn)生二進(jìn)制串的種群,
步驟2.1.5),令串的長度l=1;
步驟2.1.6),對每個二進(jìn)制串
步驟2.1.7),基于廣義控制對象、控制器k的滿足條件求解廣義控制對象p(s)的h2控制器;
步驟2.1.8),計(jì)算串
步驟2.1.9),令串的長度l=l+1,轉(zhuǎn)向執(zhí)行步驟2.1.6),直到l=np;
步驟2.1.10),如果gh+1>gh*,則令σ*h+1=σh+1,g*h+1=gh+1;
步驟2.1.11),對種群ph做一個統(tǒng)計(jì),獲得平均、最大和最小適應(yīng)度
步驟2.1.12),令h=h+1,用重新產(chǎn)生法產(chǎn)生一個新的種群ph+1,進(jìn)行交叉、變異操作;
步驟2.1.13),返回步驟2.1.5),直到h=ng;
步驟2.1.14),得到最優(yōu)h2控制器。
本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下技術(shù)效果:
1.使用主動前輪轉(zhuǎn)向,在行駛過程中,使用變傳動比計(jì)算出理想橫擺角速度,通過與實(shí)際橫擺角度的差值基于魯棒控制方法求得附加轉(zhuǎn)角,通過雙行星排機(jī)構(gòu)將附加轉(zhuǎn)角疊加到轉(zhuǎn)向系統(tǒng),提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性。
2.基于改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化的魯棒控制方法,能夠擬制側(cè)向風(fēng)、路面不平等隨機(jī)外界干擾,有效提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的魯棒性和汽車行駛時的穩(wěn)定性和安全性。
附圖說明
圖1是本發(fā)明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置示意圖;
圖2是本發(fā)明的控制原理圖;
圖3是本發(fā)明的控制器優(yōu)化流程圖;
圖4是本發(fā)明中魯棒控制器的示意圖。
圖中,1-方向盤,2-轉(zhuǎn)角傳感器,3-轉(zhuǎn)矩傳感器4-主動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),5-電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),6-齒輪齒條轉(zhuǎn)向器,7-前輪。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
如圖1所示,本發(fā)明開發(fā)了一種汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng),包含齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、助力電機(jī)、蝸輪蝸桿、轉(zhuǎn)向電機(jī)、雙行星排齒輪機(jī)構(gòu)、電子控制單元ecu、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)心側(cè)偏角傳感器、側(cè)向加速度傳感器和前輪轉(zhuǎn)角傳感器;
所述齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的輸入端和所述蝸輪蝸桿的輸出端連接、輸出端通過轉(zhuǎn)向橫拉桿與汽車兩個前輪的車軸連接;
所述蝸輪蝸桿的一個輸入端和所述助力電機(jī)的輸出端連接,另一個輸入端和所述雙行星排齒輪機(jī)構(gòu)的輸出端連接;
所述雙行星排齒輪機(jī)構(gòu)的一個輸入端和所述轉(zhuǎn)向電機(jī)的輸出端連接,另一個輸入端依次通過方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器連接;
所述方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器分別用于獲取汽車方向盤的轉(zhuǎn)角、汽車方向盤的轉(zhuǎn)矩后將其傳遞給所述電子控制單元ecu;
所述車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)心側(cè)偏角傳感器、側(cè)向加速度傳感器均設(shè)置在汽車上,分別用于獲取汽車的車速、橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角和側(cè)向加速度后將其傳遞給所述電子控制單元ecu;
所述前輪轉(zhuǎn)角傳感器設(shè)置在汽車的一個前輪的輪轂上,用于獲得汽車的前輪轉(zhuǎn)角,并將其傳遞給所述電子控制單元ecu;
所述電子控制單元ecu分別和所述車速傳感器、橫擺角速度傳感器、質(zhì)心側(cè)偏角傳感器、側(cè)向加速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、前輪轉(zhuǎn)角傳感器、助力電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)電氣相連,用于根據(jù)接收到的汽車方向盤的轉(zhuǎn)矩、方向盤的轉(zhuǎn)角、車速、橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角、側(cè)向加速度、前輪轉(zhuǎn)角控制所述轉(zhuǎn)向電機(jī)、助力電機(jī)工作,以提高汽車的穩(wěn)定性。
本發(fā)明還公開了一種該汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的控制方法,包含以下步驟:
步驟1),當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動汽車的方向盤時,電子控制單元ecu通過方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器采集到汽車方向盤的轉(zhuǎn)角以及汽車的車速,根據(jù)變傳動比規(guī)律及參考模型得到汽車該時刻的理想橫擺角速度;
步驟2),電子控制單元ecu建立整車轉(zhuǎn)向二自由度模型以及齒輪齒條轉(zhuǎn)向器模型,并根據(jù)整車轉(zhuǎn)向二自由度模型、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器模型求取魯棒控制器;
步驟3),通過橫擺角速度傳感器采集實(shí)時的橫擺角速度,將實(shí)時的橫擺角速度與求得的理想橫擺角速度做差得到橫擺角速度差值,并將橫擺角速度差值輸入到魯棒控制器;
步驟4),魯棒控制器根據(jù)輸入的橫擺角速度差值計(jì)算出需要增加的附加轉(zhuǎn)角,電子控制單元ecu控制轉(zhuǎn)向電機(jī)工作,使得雙行星齒輪機(jī)構(gòu)將所述附加轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行疊加后輸入到齒輪齒條轉(zhuǎn)向器,并傳遞到汽車前輪,進(jìn)而調(diào)整汽車實(shí)時的運(yùn)動姿態(tài),使得實(shí)時的橫擺角速度趨近于理想值,從而得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向狀態(tài);
步驟5),電子控制單元ecu根據(jù)所述附加轉(zhuǎn)角信號控制助力電機(jī)輸出相應(yīng)的力矩,并通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)將力矩作用到齒輪齒條轉(zhuǎn)向器,提供轉(zhuǎn)向助力力矩以減輕駕駛員負(fù)擔(dān)。
所述步驟1)中理想橫擺角速度r*的計(jì)算公式如下:
式中,θsw為汽車的方向盤的轉(zhuǎn)角,a0=k1k2(a+b)2+(k2b-k1a)mu2,u為汽車的縱向車速,b0=k1k2(a+b)u,
所述ks的范圍為0.12-0.37s-1。
所述步驟2)中整車轉(zhuǎn)向二自由度模型以及齒輪齒條轉(zhuǎn)向器模型如下;
式中,ts2=kc(θsw-θs2-αθr2),r為橫擺角速度,β為質(zhì)心側(cè)偏角,iz為整車?yán)@z軸轉(zhuǎn)動慣量,δf為前輪轉(zhuǎn)角,δr為后輪轉(zhuǎn)角,jr、br分別為齒輪齒條系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量與阻尼,θs2是下排行星齒輪齒圈轉(zhuǎn)角,tr是輪胎回正力矩,dr是等效到轉(zhuǎn)向柱上的路面干擾力矩,α是行星齒輪齒圈與太陽輪的齒數(shù)比,kc是轉(zhuǎn)矩傳感器剛度系數(shù),u為縱向車速。
所述步驟2)中根據(jù)整車轉(zhuǎn)向二自由度模型、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器模型求取魯棒控制器的具體步驟如下:
步驟2.1),根據(jù)整車轉(zhuǎn)向二自由度模型、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器模型獲得廣義控制對象為:
式中,
步驟2.2),在汽車轉(zhuǎn)向控制過程中,要求使汽車的橫擺角速度能夠良好的跟蹤理想值,并且前后輪轉(zhuǎn)角能盡量小,使輪胎能處于線性范圍行駛,建立控制器k,使閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定,所述控制器k的滿足條件為:
所述控制器k即為廣義控制對象p(s)的h2控制器。
魯棒控制器如圖4所示。
所述步驟2.1)中的三個加權(quán)函數(shù)w1、w2、w3,需采用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化,具體包含以下步驟:
步驟2.1.1),選擇型值點(diǎn)的數(shù)量m,參數(shù)化三個加權(quán)函數(shù),
步驟2.1.2),定義適應(yīng)度函數(shù)gx;
步驟2.1.3),定義改進(jìn)遺傳算法的控制參數(shù):種群規(guī)模np,代的總數(shù)量ng,交叉概率pc,變異概率pm;
步驟2.1.4),令第h代的數(shù)量h=1,自由產(chǎn)生二進(jìn)制串的種群,
步驟2.1.5),令串的長度l=1;
步驟2.1.6),對每個二進(jìn)制串
步驟2.1.7),基于廣義控制對象、控制器k的滿足條件求解廣義控制對象p(s)的h2控制器;
步驟2.1.8),計(jì)算串
步驟2.1.9),令串的長度l=l+1,轉(zhuǎn)向執(zhí)行步驟2.1.6),直到l=np;
步驟2.1.10),如果gh+1>gh*,則令σ*h+1=σh+1,g*h+1=gh+1;
步驟2.1.11),對種群ph做一個統(tǒng)計(jì),獲得平均、最大和最小適應(yīng)度
步驟2.1.12),令h=h+1,用重新產(chǎn)生法產(chǎn)生一個新的種群ph+1,進(jìn)行交叉、變異操作;
步驟2.1.13),返回步驟2.1.5),直到h=ng;
步驟2.1.14),得到最優(yōu)h2控制器。
其中改進(jìn)遺傳算法的流程圖如圖3所示。
然后通過橫擺角速度傳感器采集橫擺角速度信號,與求得的理想值做差,通過魯棒控制器求得目標(biāo)附加轉(zhuǎn)角。得到附加轉(zhuǎn)角之后,ecu會把相應(yīng)信號提供給轉(zhuǎn)向電機(jī)與助力電機(jī),轉(zhuǎn)向電機(jī)通過雙行星齒輪機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)角疊加后輸入到齒輪齒條轉(zhuǎn)向器,以實(shí)現(xiàn)橫擺角速度的跟蹤,助力電機(jī)帶動蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu),以提供轉(zhuǎn)向助力力矩。
本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是,除非另外定義,這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是,諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義,并且除非像這里一樣定義,不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
以上所述的具體實(shí)施方式,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。