本發(fā)明涉及四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法。

背景技術(shù)：

對于傳統(tǒng)車輛來說，離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器都是必不可少的，而這些部件不但重量重、車輛結(jié)構(gòu)復雜，同時也存在需要定期維護和故障率的問題。但是輪轂電機就很好地解決了這個問題。除了結(jié)構(gòu)更為簡單之外，采用輪轂電機驅(qū)動的車輛可以獲得更好的空間利用率，同時傳動效率高。

由于輪轂電機具備單個車輪獨立驅(qū)動的特性，因此很容易實現(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)或者四驅(qū)驅(qū)動形式。同時輪轂電機可以調(diào)整左右車輪轉(zhuǎn)矩或者轉(zhuǎn)速實現(xiàn)差動轉(zhuǎn)向，大大減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

但是輪轂電機可能存在失效情況，可靠性存在問題。如何在輪轂電機失效情況下，保證汽車穩(wěn)定性的問題急需解決。

技術(shù)實現(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，提供一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、第一至第四車輪、第一至第四輪轂電機、前軸、整車電子控制單元、蓄電池組、車速傳感器、橫擺角速度傳感器、后軸和電機控制單元；

所述轉(zhuǎn)向管柱一端和方向盤固定相連，另一端通過齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和所述前軸相連；

所述方向盤轉(zhuǎn)角傳感器設(shè)置在轉(zhuǎn)向管柱上，用于獲取方向盤轉(zhuǎn)角；

所述車速傳感器和橫擺角速度傳感器均設(shè)置在汽車上，分別用于獲取汽車的車速和橫擺角速度；

所述第一車輪、第二車輪分別設(shè)置在所述前軸的兩端，所述第三車輪、第四車輪分別設(shè)置在所述后軸的兩端；

所述第一至第四輪轂電機分別對應(yīng)設(shè)置在所述第一至第四車輪上，用于驅(qū)動第一至第四車輪；

所述蓄電池組設(shè)置在汽車上，用于供電；

所述整車電子控制單元分別與方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器、橫擺角速度傳感器、電機控制器、蓄電池組電氣相連，用于根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器和橫擺角速度傳感器測得的數(shù)據(jù)計算四個輪轂電機的力矩并產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號傳遞給所述電機控制器；

所述電機控制器分別與四個輪轂電機、蓄電池電氣相連，用于根據(jù)接收到的電流信號控制四個輪轂電機工作。

本發(fā)明還公開了一種基于該差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法，包括以下步驟：

步驟1)，計算理想橫擺角速度與方向盤轉(zhuǎn)角的關(guān)系；

步驟2)，建立差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；

步驟3)，基于差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型建立其自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，并基于差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，建立差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輪轂電機發(fā)生故障情況下的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；

步驟4)，建立自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的參考模型和逆模型；

步驟5)，基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的參考模型、逆模型以及理想橫擺角速度與方向盤轉(zhuǎn)角的關(guān)系建立自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償器；

步驟6)，基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償器，建立自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器；

步驟7)，基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器對參考模型和輪轂電機發(fā)生故障下的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)輸出之間的誤差進行自適應(yīng)調(diào)整。

作為本發(fā)明一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法進一步的優(yōu)化方案，步驟1)所述的理想橫擺角速度ω_r^*與方向盤轉(zhuǎn)角θ_sw關(guān)系為：

式中：a₀＝k_fk_r(a+b)²+(k_rb-k_fa)mu²；b₀＝k_fk_r(a+b)u；L為前后軸軸距；u為汽車速度；K_s為預設(shè)的橫擺角速度調(diào)整參數(shù)；k_f、k_r分別為前后輪側(cè)偏剛度；a為質(zhì)心到前軸軸距；b為質(zhì)心到后軸軸距；m為整車質(zhì)量。

作為本發(fā)明一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法進一步的優(yōu)化方案，步驟2)中所述的差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為：

式中，

δ_f為前輪轉(zhuǎn)角；β為質(zhì)心側(cè)偏角；ω_r為橫擺角速度；d為半軸距；J_s為方向盤等效轉(zhuǎn)動慣量；G為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器傳動比；I為整車繞z軸轉(zhuǎn)動慣量；B_s為方向盤等效阻尼，R為輪胎半徑；d₂為輪胎拖矩；d₁為主銷橫向偏移矩；T_sw為駕駛員作用在方向盤的轉(zhuǎn)矩；T_fl、T_fr、T_rl、T_rr分別為左前、右前、左后、右后輪轂電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

作為本發(fā)明一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法進一步的優(yōu)化方案，步驟3)中所述的差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為：

式中，f(x(t))＝Ax(t)；g(x(t))＝λB；h(x(t))＝Cx(t)；t為時間；λ₁、λ₂、λ₃、λ₄分別為左前、右前、左后、右后輪轂電機發(fā)生故障的概率。

作為本發(fā)明一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法進一步的優(yōu)化方案，步驟3)中所述的差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輪轂電機發(fā)生故障情況下的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為：

式中，σ(x(t),u(t),w(t))為輪轂電機故障下的擾動輸入函數(shù)。

作為本發(fā)明一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法進一步的優(yōu)化方案，步驟4)中所述的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的參考模型為：

式中：x_m(t)為參考模型的狀態(tài)向量；u_m(t)為參考模型的輸入控制向量，y_m(t)為參考模型的輸出向量；A_m＝A；B_m＝λB；C_m＝C。

作為本發(fā)明一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法進一步的優(yōu)化方案，步驟4)所述的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的逆模型為：

u(t)＝g^-1(t)[v(t)-f(x)]

式中：v(t)為給定跟蹤響應(yīng)。

作為本發(fā)明一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法進一步的優(yōu)化方案，步驟5)中所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償器為：

式中：Δ為逆模型誤差；y_s為第s層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出；w_is為第i個神經(jīng)元到第s層神經(jīng)元的權(quán)重；g_i(x)為第i個神經(jīng)元輸出值；i為大于等于1小于等于n的自然數(shù)，n為神經(jīng)元個數(shù)，s為當前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。

作為本發(fā)明一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法進一步的優(yōu)化方案，步驟6)中所述的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器為：

式中：u_eer(t)為內(nèi)環(huán)系統(tǒng)的補償誤差；K_p為參數(shù)矩陣；u_NN為自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出。

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.根據(jù)電子控制單元實時采集方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度以及車速信號，計算理想橫擺角速度與實際橫擺角速度的差值，通過設(shè)計的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器重新計算輪轂電機輸出轉(zhuǎn)矩，并由ECU向輪轂電機發(fā)送電流信號，完成輪轂電機正常與失效狀況下的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制；

2.所提控制方法簡便可靠，同時利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效克服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障引起的逆模型誤差和非線性因素的影響，從而實現(xiàn)對差速轉(zhuǎn)向模型的實時跟隨控制；

3.該方法不必預先知道故障發(fā)生的位置和大小，也不必對系統(tǒng)進行參數(shù)辨識，就可以保證差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在故障情況下的精準跟蹤模型輸出，從而達到理想的動態(tài)性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法的流程示意圖。

圖中，1-方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，2-方向盤，3-轉(zhuǎn)向管柱，4-左前輪及輪轂電機，5-齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，6-右前輪及輪轂電機，7-前軸，8-整車電子控制單元，9-蓄電池組，10-左后輪及輪轂電機，11-右后輪及輪轂電機，12-車速傳感器，13-橫擺角速度傳感器，14-后軸，15-電機控制器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示，本發(fā)明開發(fā)了一種差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括方向盤轉(zhuǎn)角傳感器1、方向盤2、轉(zhuǎn)向管柱3、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器5、第一至第四車輪、第一至第四輪轂電機、前軸7、整車電子控制單元8、蓄電池組9、車速傳感器12、橫擺角速度傳感器13、后軸14和電機控制單元15；

所述轉(zhuǎn)向管柱3一端和方向盤2固定相連，另一端通過齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器5和所述前軸7相連；

所述方向盤轉(zhuǎn)角傳感器1設(shè)置在轉(zhuǎn)向管柱3上，用于獲取方向盤轉(zhuǎn)角；

所述車速傳感器12和橫擺角速度傳感器13均設(shè)置在汽車上，分別用于獲取汽車的車速和橫擺角速度；

所述第一車輪、第二車輪分別設(shè)置在所述前軸7的兩端，所述第三車輪、第四車輪分別設(shè)置在所述后軸14的兩端；

所述第一至第四輪轂電機分別對應(yīng)設(shè)置在所述第一至第四車輪上，用于驅(qū)動第一至第四車輪；

所述蓄電池組9設(shè)置在汽車上，用于供電；

所述整車電子控制單元8分別與方向盤轉(zhuǎn)角傳感器1、車速傳感器12、橫擺角速度傳感器13、電機控制器15、蓄電池組9電氣相連，用于根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器1、車速傳感器12和橫擺角速度傳感器13測得的數(shù)據(jù)計算四個輪轂電機的力矩并產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號傳遞給所述電機控制器15；

所述電機控制器15分別與四個輪轂電機、蓄電池9電氣相連，用于根據(jù)接收到的電流信號控制四個輪轂電機工作。

如圖2所示，本發(fā)明還公布了一種基于該差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1)，計算理想橫擺角速度ω_r^*與方向盤轉(zhuǎn)角θ_sw關(guān)系：

式中：a₀＝k₁k₂(a+b)²+(k₂b-k₁a)mu²；b₀＝k₁k₂(a+b)u；L為前后軸軸距；u為汽車速度；K_s為預設(shè)的橫擺角速度調(diào)整參數(shù)，其范圍可根據(jù)駕駛員喜好選取，優(yōu)先為0.12-0.37；k₁、k₂分別為前后輪側(cè)偏剛度；a為質(zhì)心到前軸軸距；b為質(zhì)心到后軸軸距；m為整車質(zhì)量。

步驟2)，建立差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)狀態(tài)空間模型：

差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)狀態(tài)空間模型為：

式中，

δ_f為前輪轉(zhuǎn)角；β為質(zhì)心側(cè)偏角；ω_r為橫擺角速度；d為半軸距；J_s為方向盤等效轉(zhuǎn)動慣量；G為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器傳動比；I為整車繞z軸轉(zhuǎn)動慣量；B_s為方向盤等效阻尼，R為輪胎半徑；d₂為輪胎拖矩；d₁為主銷橫向偏移矩；T_sw為駕駛員作用在方向盤的轉(zhuǎn)矩；T_fl、T_fr、T_rl、T_rr分別為左前、右前、左后、右后輪轂電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

步驟3)，基于差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型建立其自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，并基于差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，建立差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輪轂電機發(fā)生故障情況下的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。

首先建立差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)狀態(tài)空間模型：

式中，f(x(t))＝Ax(t)；g(x(t))＝λB；h(x(t))＝Cx(t)；t為時間；λ₁、λ₂、λ₃、λ₄分別為左前、右前、左后、右后輪轂電機發(fā)生故障的概率。

基于上述差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)狀態(tài)空間模型，當差速系統(tǒng)故障時，自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯功能的差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)狀態(tài)空間模型為：

式中，σ(x(t),u(t),w(t))為故障情況下的擾動輸入函數(shù)；

步驟4)，建立自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的參考模型和逆模型；

首先建立自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的參考模型：

式中：x_m(t)為參考模型的狀態(tài)向量；u_m(t)為參考模型的輸入控制向量，y_m(t)為參考模型的輸出向量；A_m＝A；B_m＝λB；C_m＝C。

其次建立自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的逆模型：

u(t)＝g^-1(t)[v(t)-f(x)]

式中：v(t)為給定跟蹤響應(yīng)。

步驟5)，基于上述自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的參考模型、逆模型和理想橫擺角速度與方向盤轉(zhuǎn)角的關(guān)系，建立自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償器可表述為：

式中：Δ為逆模型誤差；y_s為第s層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出；w_is為第i個神經(jīng)元到第s層神經(jīng)元的權(quán)重；g_i(x)為第i個神經(jīng)元輸出值；i為大于等于1小于等于n的自然數(shù)，n為神經(jīng)元個數(shù)，s為當前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。

步驟6)，基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償器，建立自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器為：

式中：u_eer(t)為內(nèi)環(huán)系統(tǒng)的補償誤差；K_p為參數(shù)矩陣；u_NN為自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出。

步驟7)，基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)器對參考模型和輪轂電機故障下的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)輸出之間的誤差進行自適應(yīng)調(diào)整。

從圖2本發(fā)明自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器結(jié)構(gòu)圖中可以看出，逆模型誤差Δ與逆模型的輸入和系統(tǒng)輸出的關(guān)系為：

定義如下的性能指標：

式中：y_js為第j個神經(jīng)元輸出；e_j為第j個神經(jīng)元誤差。

首先利用離線訓練各種情況下的補償誤差u_eer，使得網(wǎng)絡(luò)的輸出逼近u_eer，從而完成反饋補償?shù)淖饔谩?/p>

在離線學習的基礎(chǔ)上，實時采集差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運行時的數(shù)據(jù)，利用在線自適應(yīng)學習算法更新參數(shù)，為了提高自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進行調(diào)整，采用如下的在線自適應(yīng)學習算法：

式中：W()為權(quán)值；T,P為正定矩陣；Q為徑向基函數(shù)。

在行駛過程中，電子控制單元實時采集方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度以及車速信號，計算理想橫擺角速度與實際橫擺角速度的差值，通過設(shè)計的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器重新計算輪轂電機輸出轉(zhuǎn)矩，并由電機控制單元向輪轂電機發(fā)送電流信號，完成輪轂電機正常與失效狀況下的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制，從而實現(xiàn)了一種具有自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯控制功能的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其控制方法。

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。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，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、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。