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

背景技術：

近年來隨著汽車技術和汽車制造業(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雜，交通事故頻發(fā)。據(jù)報道，我國2014年交通事故萬車死亡率在2.0左右，遠高于美國、德國、日本等發(fā)達國家，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，交通安全形勢嚴峻。車輛動力學協(xié)調(diào)控制能夠預測和解決車輛可能存在的危險，提高車輛在危險工況下的穩(wěn)定性和可控性，增加汽車的安全性。

隨著汽車執(zhí)行器和傳感器技術的不斷發(fā)展，線控系統(tǒng)將取代以液壓、氣壓和機械為主的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。車輛動力學研究可控制的執(zhí)行器則包含轉(zhuǎn)向電機、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，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。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)計算負擔重、實時性較差，且在實際系統(tǒng)中輪胎力很難直接測量獲得。此外，在車輛動力學控制任務的完成過程中，可能會存在多個任務目標，且多個任務目標有時不能同時滿足。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計控制任務的優(yōu)先級，協(xié)調(diào)各執(zhí)行機構(gòu)以最佳方式實現(xiàn)車輛動力學控制目標。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于已有技術存在的缺陷，本發(fā)明的目的是要提供一種冗余驅(qū)動車輛動力學控制分配方法，通過改進定點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計控制任務的優(yōu)先級，保證冗余執(zhí)行器按照一定的順序完成控制任務，降低控制系統(tǒng)的復雜程度及運算量，提高控制系統(tǒng)的實時性。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案：

一種冗余驅(qū)動車輛動力學控制分配方法，包括如下步驟：

i、車輛動力學控制分配上層控制模塊設計：

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)動車輛動力學控制分配模塊設計：

針對冗余驅(qū)動車輛動力學系統(tǒng)，基于改進定點二乘算法將車輛動力學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和側(cè)向穩(wěn)定性指標識別汽車行駛工況，根據(jù)汽車行駛工況設計控制任務的優(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；

iii、車輪滑移率及側(cè)偏角聯(lián)合跟蹤控制模塊設計：

建立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和車輪縱向滑移率動力學模型，基于積分滑?？刂品椒ㄔO計車輪滑移率及側(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)，使各車輪均按照預期的滑移率和側(cè)偏角運動，保證汽車的實際運動狀態(tài)能夠跟隨期望的運動狀態(tài)。

本發(fā)明基于汽車行駛工況調(diào)節(jié)控制任務權(quán)重矩陣，確定控制任務的優(yōu)先級；當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)，不涉及控制任務的優(yōu)先級問題，控制任務權(quán)重矩陣Wv為diag(1,1,1)；當汽車處于縱向安全行駛工況時，控制任務權(quán)重矩陣Wv為diag(1,0,0)；當汽車處于側(cè)向穩(wěn)定性行駛工況時，控制任務權(quán)重矩陣Wv為diag(0,1,1)；當汽車處于集成安全行駛工況時，需要兼顧車輛的縱向、側(cè)向及橫擺運動，控制任務權(quán)重矩陣Wv為diag(1,1,1)。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明基于改進定點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計控制任務的優(yōu)先級，保證冗余執(zhí)行器按照一定的順序完成控制任務，降低控制系統(tǒng)的復雜程度及運算量，提高控制系統(tǒng)的實時性。

附圖說明

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

圖2為本發(fā)明一種冗余驅(qū)動車輛動力學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)動車輛動力學控制分配方法識別的汽車行駛工況。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

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

i、車輛動力學控制分配上層控制模塊設計：

駕駛員的控制輸入通過轉(zhuǎn)向盤、加速/制動踏板來實現(xiàn)，輸入給三自由度車輛模型確定車輛運動狀態(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；車輛動力學控制分配上層控制模塊根據(jù)車輛運動狀態(tài)參數(shù)理想值和實際值的偏差，采用常值滑模控制方法決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，切換項系數(shù)采用常值切換控制方法實時調(diào)整，確定控制增益的取值范圍；

ii、冗余驅(qū)動車輛動力學控制分配模塊設計：

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)行機構(gòu)的實際控制輸出，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)；以汽車理論中的輪胎縱向力與滑移率關系曲線為例，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，在車輛動力學控制分配時，應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，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雜，當執(zhí)行器維數(shù)增加時，運算量會顯著增加，難以應用到實時系統(tǒng)中；鑒于此，本項目將非線性函數(shù)在處進行一階泰勒展開，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系曲線，標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)偏角變化關系曲線中，標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)偏角的門限值均設計為關于路面附著系數(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)的實時性。

引入控制分配誤差最小的分配準則，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，為了進一步提高運算效率，采用改進定點二乘算法進行優(yōu)化，優(yōu)化目標為

（2）

式中，為控制任務權(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)合跟蹤控制模塊設計：

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，使各車輪均按照預期的滑移率和側(cè)偏角運動，CarSim車輛模型將車輪運動狀態(tài)參數(shù)的實際值反饋給車輛動力學控制分配上層控制模塊，保證汽車的實際運動狀態(tài)能夠跟隨期望的運動狀態(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，為魔術公式表達的輪胎縱向力；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計底層控制器，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和側(cè)向穩(wěn)定性指標，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，當目標車與前車即將追尾相撞時，汽車縱向安全控制應具有較高的優(yōu)先級。車輛動力學控制分配時，根據(jù)識別的汽車行駛工況設計控制任務的優(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。

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

（5）

（6）

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

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現(xiàn)汽車的側(cè)向穩(wěn)定性控制。然而，當汽車質(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）中的控制任務權(quán)重矩陣W_v，確定控制任務的優(yōu)先級。當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)，不涉及控制任務的優(yōu)先級問題，控制任務權(quán)重矩陣W_v為定為diag(1,1,1); 當汽車處于縱向安全行駛工況時，控制任務權(quán)重矩陣W_v定為diag(1,0,0); 當汽車處于集成安全行駛工況時，需要兼顧車輛的縱向、側(cè)向及橫擺運動，控制任務權(quán)重矩陣W_v定為diag(0,1,1); 當汽車處于集成安全行駛工況時，需要兼顧車輛的縱向、側(cè)向及橫擺運動，控制任務權(quán)重矩陣W_v定為diag(1,1,1)。需要說明的是，當車輛處于側(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。