一种在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法

1.本发明涉及一种在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法。


背景技术：

2.汽车产业始终是我国国民经济的重要支柱产业，经历三十余年的发展，中国现已成为全球最大的汽车生产和消费国。然而汽车保有量的逐年上升不仅使得交通事故和道路拥堵的频频出现。行驶安全性始终是衡量汽车发展水平的重要标准，而极限工况下的主动安全控制系统更是避免危险工况、预防交通事故的关键功能组件。因此在高速低附着路面为代表的极限工况下，对分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法的研究具有较大价值。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，本发明能够利用二次型控制算法规划所需要的纵向力、垂向力和直接横摆力矩，并根据不同的路面情况计算所需的转矩，从而保证对规定路径的跟踪效果，实现在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制。
4.本发明所采用的技术方案有：
5.一种在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，包括以下步骤：
6.s1：构建车辆动力学模型；
7.s2：根据车辆动力学模型确定路面附着系数和车辆行驶状态；
8.s3：根据不同的路面附着系数和计算所得到的车辆驱动力大小，将车辆行驶工况分成三种路面情况：危险路面，一般路面和舒适路面；
9.s4：在不同的路面情况下，利用二次型控制算法计算行驶过程中所需要的控制量；
10.s5：根据不同的路面行驶工况设计各自的转矩分配算法，通过不同路面施加的约束对各轮扭矩进行合理分配。
11.进一步地，所述车辆动力学模型为七自由度整车模型，其表达式为：
[0012][0013][0014]
[0015][0016][0017]
其中,m为整车质量；iz为车辆绕z轴的转动惯量，所述z轴为竖直方向；v
x
为纵向车速；vy为侧向车速；γ为横摆角速度；a
x
、ay分别为惯性坐标系下车辆的纵向加速度和侧向加速度；d1、d2分别为前轮轮距和后轮轮距；a为车辆质心到车辆后轮中心线的距离；b为车辆质心到车辆前轮中心线的距离；f
xi
为车辆坐标系下整车所受纵向力；f
yi
为车辆坐标系下整车所受的侧向力；δi为车轮方向与车辆前进方向夹角；m
zi
为车辆坐标系下整车绕z轴的横摆力矩(i＝fl，fr，rl，rr)。
[0018]
进一步地，根据所述车辆动力学模型确定路面附着系数和车辆行驶状态，具体包括以下步骤：
[0019]
基于所述七自由度整车模型，采用卡尔曼滤波算法确定车辆的行驶状态；
[0020]
根据车辆行驶状态，采用路面附着系数识别算法确定路面附着系数。
[0021]
进一步地，将行驶工况分成三种路面情况具体为：
[0022]
舒适路面：在计算所得的路面附着系数处于较好的路面工况系数范围内(路面附着系数在0.6-1.0之间)时，同时响应驾驶人的总纵向力f
xall
需求和直接横摆力矩m
zopt
需求，实际总纵向力f
xreal
和实际横摆力矩m
zreal
表达式为：
[0023][0024]
一般路面：当路面附着系数降低(路面附着系数在0.3-0.6之间)或者驾驶人操纵指令超出路面附着条件时，优先保障车辆控制效果，同时降低车速，实际总纵向力f
xreal
和实际横摆力矩m
zreal
表达式为：
[0025][0026]
危险路面：在路面附着条件恶劣(路面附着系数小于0.3)且无法完全响应驾驶人的任何操纵指令时，同时降低车辆的实际横摆力矩与驱动力，确保车辆的横向稳定性，避免出现车轮打滑或侧滑的危险，实际总纵向力f
xreal
和实际横摆力矩m
zreal
表达式为：
[0027][0028]
进一步地，在根据不同的路面行驶工况设计各自的转矩分配算法时，不同的行驶工况需要添加不同的约束条件，具体为：
[0029]
舒适路面：在该模式下驾驶人的总纵向力f
xall
需求和直接横摆力矩m
zopt
需求都必须得到响应，轮胎纵向力的分布必须满足约束，即，轮纵向力的合力与总纵向力需求大小一致，各轮实际横摆力矩合力与总横摆力矩需求大小一致；
[0030]
一般路面：当前行驶工况不能满足舒适路面工况的要求，只响应直接横摆力矩m
zopt
需求，此时只有直接横摆力矩满足约束，即，各轮实际横摆力矩合力与总横摆力矩需求大小一致；
[0031]
危险路面：若当前工况不满足一般路面工况的要求，则驾驶人的总纵向力需求和
直接横摆力矩都不完全响应，此时为危险路面工况，需要降低车辆的横摆力矩与驱动力，确保车辆的横向稳定性。
[0032]
进一步地，根据不同的路面行驶工况设计各自的转矩分配算法，各个工况表达式为：
[0033]
舒适路面工况转矩j1，一般路面工况转矩j2，危险路面工况转矩j3表达式为：
[0034][0035][0036][0037]
其中，f
xi
，f
zi
(i＝1,2,3,4)分别表示每个轮胎的纵向力和垂向力，μ为路面附着系数，f
xall
，m
zopt
，mz分别表示驾驶人总纵向力需求，直接横摆力矩需求，车辆总横摆力矩，a，b，c表示各项权重系数。
[0038]
进一步地，在不同的路面情况下，利用二次型控制算法计算所需要的控制量包括：每个轮胎的纵向力、垂向力和直接横摆力矩。
[0039]
本发明具有如下有益效果：
[0040]
本发明通过卡尔曼滤波算法结合动力学约束，将汽车划分为不同的行驶工况，通过二次型控制算法规划所需要的控制量，如所需要的纵向力、垂向力和直接横摆力矩，实现参考轨迹和纵向速度的跟踪，并通过转矩分配算法，根据二次型控制算法规划的期望力或力矩结合不同工况下的约束，设计出不同工况下的转矩分配，从而实现分布式驱动电动车的操纵稳定性控制，使车辆在极限条件下行驶的安全性较好。
附图说明
[0041]
图1为本发明极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法的流程图。
[0042]
图2为七自由度整车模型图。
[0043]
图3为卡尔曼滤波算法的流程图。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0045]
如图1所示，本发明一种在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，包括以下步骤：
[0046]
s1：构建车辆动力学模型。
[0047]
本发明的车辆动力学模型为七自由度整车模型(如图2)，在simulink中构建七自由度整车模型，并且七自由度整车模型的表达式为：
[0048][0049][0050][0051][0052][0053]
其中,m为整车质量；iz为车辆绕z轴的转动惯量，所述z轴为竖直方向；v
x
为纵向车速；vy为侧向车速；γ为横摆角速度；a
x
、ay分别为惯性坐标系下车辆的纵向加速度和侧向加速度；d1、d2分别为前轮轮距和后轮轮距；a为车辆质心到车辆后轮中心线的距离；b为车辆质心到车辆前轮中心线的距离；f
xi
为车辆坐标系下整车所受纵向力；f
yi
为车辆坐标系下整车所受的侧向力；δi为车轮方向与车辆前进方向夹角；m
zi
为车辆坐标系下整车绕z轴的横摆力矩(i＝fl，fr，rl，rr)。
[0054]
s2：根据车辆动力学模型确定路面附着系数和车辆行驶状态。
[0055]
可基于七自由度整车模型，采用如图3所示的卡尔曼滤波估计车辆行驶状态，还可以基于车辆行驶状态，采用路面附着系数识别算法确定路面附着系数。
[0056]
可以在七自由度整车模型的基础上，以车速，横摆角速度和质心侧偏角作为状态量，并以加速度和前轮转角作为输入向量，侧向加速度作为输出向量，基于卡尔曼滤波和路面附着系数识别算法确定车辆行驶状态和路面附着系数。
[0057]
s3：根据不同的路面附着系数和计算所得到的车辆驱动力大小，将行驶工况分成三种路面情况：危险路面，一般路面和舒适路面。
[0058]
考虑到车辆行驶的工况是复杂多变的，所以对车辆在行驶过程中的工况进行划分，从而达到更好的控制效果，具体包括以下情况：
[0059]
舒适路面：在计算所得的路面附着系数处于较好的路面工况系数范围内(路面附着系数在0.6-1.0之间)时，同时响应驾驶人的总纵向力f
xall
需求和直接横摆力矩m
zopt
需求，实际总纵向力f
xreal
和实际横摆力矩m
zreal
表达式为：
[0060][0061]
一般路面：当路面附着系数降低(路面附着系数在0.3-0.6之间)或者驾驶人操纵指令超出路面附着条件时，优先保障车辆控制效果，同时降低车速，实际总纵向力f
xreal
和实际横摆力矩m
zreal
表达式为：
[0062][0063]
危险路面：在路面附着条件恶劣(路面附着系数小于0.3)且无法完全响应驾驶人的任何操纵指令时，同时降低车辆的实际横摆力矩与驱动力，确保车辆的横向稳定性，避免出现车轮打滑或侧滑的危险，实际总纵向力f
xreal
和实际横摆力矩m
zreal
表达式为：
[0064][0065]
s4：在不同的路面情况下利用二次型控制算法计算所需要的控制量。
[0066]
二次型控制算法以线性系统作为研究对象，运用最优控制理论，通过状态变量的公式计算，计算得到所需要的控制量，如所需要的纵向力、垂向力和直接横摆力矩，从而实现良好的控制效果。
[0067]
s5：根据不同的路面行驶工况设计各自的转矩分配算法，通过不同路面施加的约束对各轮扭矩进行合理的分配。
[0068]
根据不同路面行驶工况设计各自的转矩分配算法，舒适路面工况转矩j1，一般路面工况转矩j2，危险路面工况转矩j3表达式为：
[0069][0070][0071][0072]
其中，f
xi
，f
zi
(i＝1,2,3,4)分别表示每个轮胎的纵向力和垂向力，μ为路面附着系数，f
xall
，m
zopt
，mz分别表示驾驶人总纵向力需求，直接横摆力矩需求，车辆总横摆力矩，a，b，c表示各项权重系数。
[0073]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：s1：构建车辆动力学模型；s2：根据车辆动力学模型确定路面附着系数和车辆行驶状态；s3：根据不同的路面附着系数和计算所得到的车辆驱动力大小，将车辆行驶工况分成三种路面情况：危险路面，一般路面和舒适路面；s4：在不同的路面情况下，利用二次型控制算法计算行驶过程中所需要的控制量；s5：根据不同的路面行驶工况设计各自的转矩分配算法，通过不同路面施加的约束对各轮扭矩进行合理分配。2.如权利要求1所述的在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，其特征在于：所述车辆动力学模型为七自由度整车模型，其表达式为：征在于：所述车辆动力学模型为七自由度整车模型，其表达式为：征在于：所述车辆动力学模型为七自由度整车模型，其表达式为：征在于：所述车辆动力学模型为七自由度整车模型，其表达式为：征在于：所述车辆动力学模型为七自由度整车模型，其表达式为：其中,m为整车质量；i
z
为车辆绕z轴的转动惯量，所述z轴为竖直方向；v
x
为纵向车速；v
y
为侧向车速；γ为横摆角速度；a
x
、a
y
分别为惯性坐标系下车辆的纵向加速度和侧向加速度；d1、d2分别为前轮轮距和后轮轮距；a为车辆质心到车辆后轮中心线的距离；b为车辆质心到车辆前轮中心线的距离；f
xi
为车辆坐标系下整车所受纵向力；f
yi
为车辆坐标系下整车所受的侧向力；δ
i
为车轮方向与车辆前进方向夹角；m
zi
为车辆坐标系下整车绕z轴的横摆力矩(i＝fl，fr，rl，rr)。3.根据权利要求2所述的在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，其特征在于：根据所述车辆动力学模型确定路面附着系数和车辆行驶状态，具体包括以下步骤：基于所述七自由度整车模型，采用卡尔曼滤波算法确定车辆的行驶状态；根据车辆行驶状态，来进行车辆路面附着系数的估算。4.根据权利要求1所述的在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，其特征在于：将行驶工况分成三种路面情况具体为：舒适路面：在计算所得的路面附着系数处于较好的路面工况系数范围内时，同时响应
驾驶人的总纵向力f
xall
需求和直接横摆力矩m
zopt
需求，实际总纵向力f
xreal
和实际横摆力矩m
zreal
表达式为：一般路面：当路面附着系数降低或者驾驶人操纵指令超出路面附着条件时，优先保障车辆控制效果，同时降低车速，实际总纵向力f
xreal
和实际横摆力矩m
zreal
表达式为：危险路面：在路面附着条件恶劣且无法完全响应驾驶人的任何操纵指令时，同时降低车辆的实际横摆力矩与驱动力，确保车辆的横向稳定性，避免出现车轮打滑或侧滑的危险，实际总纵向力f
xreal
和实际横摆力矩m
zreal
表达式为：5.根据权利要求4所述的在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，其特征在于：在舒适路面，路面附着系数为0.6-1.0；一般路面，路面附着系数为0.3-0.6；危险路面，路面附着系数小于0.3。6.根据权利要求4所述的在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，其特征在于：在根据不同的路面行驶工况设计各自的转矩分配算法时，不同的行驶工况需要添加不同的约束条件，具体为：舒适路面：在该模式下驾驶人的总纵向力f
xall
需求和直接横摆力矩m
zopt
需求都必须得到响应，轮胎纵向力的分布必须满足约束，即，轮纵向力的合力与总纵向力需求大小一致，各轮实际横摆力矩合力与总横摆力矩需求大小一致；一般路面：当前行驶工况不能满足舒适路面工况的要求，只响应直接横摆力矩m
zopt
需求，此时只有直接横摆力矩满足约束，即，各轮实际横摆力矩合力与总横摆力矩需求大小一致；危险路面：若当前工况不满足一般路面工况的要求，则驾驶人的总纵向力需求和直接横摆力矩都不完全响应，此时为危险路面工况。7.根据权利要求4所述的在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，其特征在于：根据不同的路面行驶工况设计各自的转矩分配算法，各个工况表达式为：舒适路面工况转矩j1，一般路面工况转矩j2，危险路面工况转矩j3表达式为：表达式为：
其中，f
xi
，f
zi
(i＝1,2,3,4)分别表示每个轮胎的纵向力和垂向力，μ为路面附着系数，f
xall
，m
zopt
，m
z
分别表示驾驶人总纵向力需求，直接横摆力矩需求，车辆总横摆力矩，a，b，c表示各项权重系数。8.根据权利要求1所述的在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，其特征在于：在不同的路面情况下，利用二次型控制算法计算所需要的控制量包括：每个轮胎的纵向力、垂向力和直接横摆力矩。

技术总结
本发明公开了一种在极限工况下分布式驱动电动车操纵稳定性的控制方法，包括构建车辆动力学模型；根据车辆动力学模型确定路面附着系数和车辆行驶状态；根据不同的路面附着系数和计算所得到的车辆驱动力大小，将车辆行驶工况分成三种路面情况；在不同的路面情况下，利用二次型控制算法计算行驶过程中所需要的控制量；根据不同的路面行驶工况设计各自的转矩分配算法，通过不同路面施加的约束对各轮扭矩进行合理分配。本发明将汽车划分为不同的行驶工况，通过二次型控制算法规划所需要的控制量，实现参考轨迹和纵向速度的跟踪，实现分布式驱动电动车的操纵稳定性控制，使车辆在极限条件下行驶的安全性较好。条件下行驶的安全性较好。条件下行驶的安全性较好。


技术研发人员：刘成晔 李明辉 周大宝 黄赟
受保护的技术使用者：江苏理工学院
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/8/14