一種車輛側(cè)向穩(wěn)定非線性集成控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及車輛主動安全控制方法，具體的說是一種車輛側(cè)向穩(wěn)定非線性集成控 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)今社會的汽車保有量越來越大，這使得相應(yīng)的 問題也隨之而來：道路交通壓力越來越大，交通事故頻發(fā)。嚴(yán)峻的交通現(xiàn)狀使得人們對于車 輛的主動安全問題越來越關(guān)注，電控系統(tǒng)之間的簡單疊加已經(jīng)不能滿足需求，集成控制就 此成為近年來主動安全研究的趨勢。主動前輪轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩集成控制不僅能夠進(jìn)一 步提高車輛的穩(wěn)定性能，同時能使制動作用對縱向動力學(xué)的影響減輕，改善汽車的駕駛舒 適性。本文為了進(jìn)一步提高車輛的側(cè)向穩(wěn)定性，對主動前輪轉(zhuǎn)向及直接橫擺力矩進(jìn)行了集 成控制。
[0003] 國內(nèi)外目前針對主動前輪轉(zhuǎn)向和橫擺穩(wěn)定集成控制采用的控制策略主要有分散 式結(jié)構(gòu)、集中式結(jié)構(gòu)和分層監(jiān)督結(jié)構(gòu)。分散式結(jié)構(gòu)各個子系統(tǒng)在一定程度仍相互獨立，集成 度較低，主要是傳感器及相關(guān)硬件方面的集成；集中控制是以全局控制器來負(fù)責(zé)所有子系 統(tǒng)的控制輸入，集成度較高，但開發(fā)難度較大，結(jié)構(gòu)對硬件的要求較高，控制器靈活性差；而 分層監(jiān)督式結(jié)構(gòu)是介于分散式和集成式結(jié)構(gòu)之間，核心在于上層動力學(xué)協(xié)調(diào)控制器，通過 監(jiān)測車輛行駛狀態(tài)計算出車輛穩(wěn)定所需的控制力矩，然后分配到相應(yīng)的子系統(tǒng)，靈活性較 好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種車輛側(cè)向穩(wěn)定非線性集成控制方法，采用分層監(jiān)督控制的策 略，考慮安全性及物理執(zhí)行機(jī)構(gòu)的約束，應(yīng)用非線性模型預(yù)測控制的方法優(yōu)化得到前輪轉(zhuǎn) 角及附加橫擺力矩，根據(jù)車輛的狀態(tài)對附加橫擺力矩進(jìn)行分配，選用單側(cè)車輪分配策略，將 附加橫擺力矩分配為制動力作用到車輛。并且采用FPGA通過硬件并行的方法提高算法的 在線計算性能，在有限的采樣時域內(nèi)得到最優(yōu)的控制序列，有效地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性并 節(jié)約硬件資源、節(jié)約量產(chǎn)成本。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] 步驟一、建立簡化的車輛動力學(xué)模型：用二自由度模型表征車輛的操縱穩(wěn)定性與 車輛的側(cè)向運(yùn)動和橫擺運(yùn)動之間的關(guān)系；
[0007] 步驟二、非線性模型預(yù)測控制器設(shè)計：基于步驟一建立的簡化車輛動力學(xué)模型，考 慮輪胎的非線性因素及車輛的穩(wěn)定性因素，設(shè)計帶有約束的考慮路面附著條件的非線性模 型預(yù)測控制器，將期望橫擺角速度信息輸入到非線性控制器模塊，根據(jù)期望橫擺角速度的 值以及實時反饋的車輛前后輪側(cè)偏角及橫擺角速度，利用模型預(yù)測控制方法預(yù)測系統(tǒng)的未 來動態(tài)，同時進(jìn)行優(yōu)化，決策出附加橫擺力矩以及優(yōu)化的方向盤轉(zhuǎn)角信息，將優(yōu)化后的方向 盤轉(zhuǎn)角信息輸出至車輛系統(tǒng)；
[0008] 步驟三、基于步驟二設(shè)計的非線性模型預(yù)測控制器進(jìn)行車輛側(cè)向穩(wěn)定集成控制： 將方向盤轉(zhuǎn)角信息輸入非線性側(cè)向穩(wěn)定集成控制器，決策出附加橫擺力矩以及優(yōu)化的方向 盤轉(zhuǎn)角信息并輸出至車輛相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使車輛保持橫擺穩(wěn)定狀態(tài)。
[0009] 本發(fā)明的有益效果為：
[0010] 1.輪胎是車輛主動安全問題研究的關(guān)鍵問題，不同的輪胎模型所表達(dá)出的輪胎特 性存在非常大的差異，因此本文沒有選用以往的通用輪胎模型而是通過參數(shù)辨識選用非線 性輪胎模型研究車輛的主動安全問題。
[0011] 2.對于車輛穩(wěn)定性控制而言，由于車輛本身的構(gòu)造特性，如制動系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有飽和特性等，所以存在一定的約束條件。本發(fā)明在控制器的設(shè)計過程中有別 于其他側(cè)向集成穩(wěn)定控制策略對約束的簡化或者忽略，而是將約束條件都考慮了進(jìn)去。
[0012] 3.面摩擦系數(shù)及縱向速度的變化是引起車輛失穩(wěn)的重要原因之一，本文在控制器 的設(shè)計過程中又進(jìn)一步分析了控制器對于路面附著系數(shù)及縱向速度的穩(wěn)定性。
[0013] 4.快速原型實驗是控制器開發(fā)的重要一步，但是非線性控制方法復(fù)雜，控制實現(xiàn) 是大多數(shù)開發(fā)過程中的重點難點問題，而本文則通過FPGA全硬件成功對控制器進(jìn)行實現(xiàn)， 其中FPGA以硬件并行的計算方法，在有限的采樣時域內(nèi)得到最優(yōu)的控制序列，滿足車載非 線性模型預(yù)測控制器的高實時性和微型化的要求，提高了控制系統(tǒng)的計算性能。
【附圖說明】
[0014] 圖1為二自由度車輛模型示意圖；
[0015] 圖2為輪胎的側(cè)偏特性曲線圖；
[0016] 圖3為前后輪側(cè)偏角辨識結(jié)果曲線圖；
[0017] 圖4為車輛仿真動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)；
[0018] 圖5為非線性集成控制器系統(tǒng)框圖；
[0019] 圖6為制動力分配示意圖；
[0020] 圖7為雙移線工況下實時實驗輪胎側(cè)偏角對比圖；
[0021] 圖8為為雙移線工況下實時實驗橫擺角速度對比圖；
[0022] 圖9為為雙移線工況下實時實驗附加制動壓力的分配結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0023] 本發(fā)明提供了一種車輛側(cè)向穩(wěn)定非線性集成控制方法，該方法包括以下幾個步 驟：
[0024] 步驟一、為了便于對車輛系統(tǒng)的分析及控制，建立二自由度車輛模型，如圖1，用于 表征車輛的操縱穩(wěn)定性與車輛的側(cè)向運(yùn)動和橫擺運(yùn)動之間的關(guān)系?？紤]車輛的橫擺運(yùn)動和 側(cè)向運(yùn)動，其動力學(xué)方程為：
[0026] 其中，F(xiàn)yl、Fy2為前后輪胎的側(cè)偏力，單位N ;M為附加橫擺力矩，單位Nm ;a、b分別 為汽車質(zhì)心到前后軸的距離，單位為m山為汽車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動慣量，單位kg · m 2;r為橫擺 角速度，單位rad/s ;vx為車輛縱向速度，vyS車輛縱向和側(cè)向速度，單位m/s ;m為汽車質(zhì) 量，單位kg。
[0027] (1)車體動力學(xué)建模
[0028] 根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系，前后輪胎側(cè)偏角、車輛前輪轉(zhuǎn)角以及縱向車速之間有如 公式⑵的關(guān)系。
[0030] 其中，a f，a ^為前后輪胎側(cè)偏角，單位rad ; δ為前輪轉(zhuǎn)角，單位rad ;
[0031] 將公式（2)中的兩式相減可以得到公式（3)
[0033] 進(jìn)而，得到橫擺角速度r關(guān)于輪胎側(cè)偏角的表達(dá)式：
[0035] 同時，在假設(shè)車輛縱向車速Vx不變的條件下，將公式（2)兩邊求導(dǎo)，可變?yōu)槿缡?(5)所示的微分方程，其中爐:為車輛前輪轉(zhuǎn)角的變化率。
[0036]
[0037] 將式⑴帶入式（5)，可得到系統(tǒng)方程如公式（6)。
[0038]
[0039] (2)建立輪胎模型
[0040]系統(tǒng)方程（6)中的Fyl，F(xiàn)y2分別表示輪胎的前后側(cè)偏力，由輪胎的側(cè)偏特性可知， 前后輪胎側(cè)偏力與前后輪胎側(cè)偏角af，存在如圖2所示的非線性關(guān)系。由于輪胎的側(cè) 偏飽和特性對于車輛的側(cè)向穩(wěn)定性影響重大，研究車輛的側(cè)向穩(wěn)定性必須考慮輪胎的非線 性特性，因此本申請將輪胎的非線性不穩(wěn)定因素考慮到控制系統(tǒng)的設(shè)計中。根據(jù)分式輪胎 模型的描述，可知輪胎側(cè)偏力可以表示為：
[0042] 其中，F(xiàn)z是輪胎縱向垂直載荷，F(xiàn) z。是標(biāo)稱輪胎載荷，μ是路面附著系數(shù)，μ。是標(biāo) 稱路面附著系數(shù)，λ是縱向滑移率，Ca是輪胎側(cè)偏剛度，α是輪胎側(cè)偏角，同時，γ ζ、γλ 和γ α是模型參數(shù)。由于建立車輛簡化動力學(xué)模型過程中只考慮了車輛的側(cè)向運(yùn)動和橫擺 運(yùn)動，因此，忽略縱向滑移率λ對側(cè)向輪胎力的影響，使得λ = 〇,公式（7)可以簡化為：
[0044] 將公式⑶的輪胎模型帶入公式（6)中即可建立本申請公式⑴所采用的車輛動 力學(xué)模型。
[0045] 步驟二、非線性模型預(yù)測控制器設(shè)計：基于步驟一建立的簡化車輛動力學(xué)模型，考 慮輪胎的非線性因素及車輛的穩(wěn)定性因素，設(shè)計帶有約束的考慮路面附著條件的非線性模 型預(yù)測控制器，將期望橫擺角速度信息輸入到非線性控制器模塊，根據(jù)期望橫擺角速度的 值以及實時反饋的車輛前后輪側(cè)偏角及橫擺角速度，利用模型預(yù)測控制方法預(yù)測系統(tǒng)的未 來動態(tài)，同時進(jìn)行優(yōu)化，決策出附加橫擺力矩以及優(yōu)化的方向盤轉(zhuǎn)角信息，將優(yōu)化后的方向 盤轉(zhuǎn)角信息輸出至車輛系統(tǒng)，附加橫擺力矩經(jīng)過制動力分配模塊非配到各個車輪；
[0046] 上述步驟二中非線性模型預(yù)測控制器的設(shè)計包括以下步驟：
[0047] (1)模型預(yù)測控制器設(shè)計
[0048] 根據(jù)建立的車輛動力學(xué)模型，選擇X= [af Qr δ]作為狀態(tài)變量，W=[M 作為控制輸入，選擇輸出為y = r。最后，可以得到連續(xù)時間的系統(tǒng)非線性狀態(tài)空間