[發明專利]一種基于微分平坦的車輛穩定轉向集成控制方法

有效

• 申請號: 201510437378.2
• 申請日: 2015-07-23
• 公開（公告）號: CN104925054B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 施樹明;李玲;王玉瓊;張向東
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B60W30/045
• 分類號: B60W30/045;B60W40/10
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司22201
• 代理人: 趙炳仁

1.一種基于微分平坦的車輛穩定轉向集成控制方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟S1.通過實時采集的道路信息—道路曲率半徑R^ref和車輛狀態信息—車輛縱向速度v_x，計算車輛系統的期望狀態變量，即控制器的期望—期望縱向速度期望側向速度和期望橫擺角速度ω^ref；

1)根據采集到的道路曲率半徑R^ref，采用入彎減速出彎加速的原則按下式計算期望縱向速度

式中：v₀為入彎時刻速度；

2)根據道路曲率半徑R^ref和上述計算得到的期望縱向速度采用穩態轉向的運動學公式計算車輛的期望橫擺角速度：

3)根據道路曲率半徑R^ref和上述計算得到的期望縱向速度按下式計算車輛的期望側向速度：

步驟S2.以步驟S1計算得到的期望縱向速度期望側向速度和期望橫擺角速度ω^ref作為控制器的期望，計算控制器輸出量—輸出力矩和輸出轉向角

1)根據步驟S2計算得到的期望縱向速度期望側向速度和期望橫擺角速度ω^ref及其導數計算期望微分平坦輸出量及其導數

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{y_1}^{ref}={v_x}^{ref}\\ {y_2}^{ref}=l_f{{\mathrm{mv}}_y}^{ref}-I_z{\mathrm{\ω}}^{ref}\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}{{\stackrel{\·}{y}}_1}^{ref}={{\stackrel{\·\·}{v}}_x}^{ref}\\ {{\stackrel{\·\·}{y}}_2}^{ref}=l_{f}m{{\stackrel{\·\·}{v}}_y}^{ref}-I_z{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ω}}}^{ref}\end{array}\right.\end{array}$

同時，根據車載傳感器實時采集的車輛實際縱向速度v_x、側向速度v_y和橫擺角速度ω，計算實際微分平坦輸出量y₁、y₂：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=v_x\\ y_2=l_f{\mathrm{mv}}_y-I_z\mathrm{\ω}\end{array}\right.$

以上式中：l_f為前軸到質心距離；m為汽車質量；I_z為汽車繞z軸的轉動慣量；

2)以上述計算得到的期望微分平坦輸出量及其導數和實際微分平坦輸出量y₁、y₂作為輸入，計算PID輸出量

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{y}}_1^c={\stackrel{\·}{y}}_1^{ref}+e_{y1}\\ {\stackrel{\·\·}{y}}_2^c={\stackrel{\·\·}{y}}_2^{ref}+60e_{y2}+12{\stackrel{\·}{e}}_{y2}\end{array}\right.$

式中：

3)以上述計算得到的PID輸出量作為輸入，計算控制器的輸出量—輸出力矩和輸出轉向角

$\left\{\begin{array}{c}{T_w}^{ref}=\[{\mathrm{\Δ}}_{22}({\stackrel{\·}{y}}_1^c-F_1)-{\mathrm{\Δ}}_{12}({\stackrel{\·\·}{y}}_2^c-F_2)\]/({\mathrm{\Δ}}_{11}\·{\mathrm{\Δ}}_{22}-{\mathrm{\Δ}}_{12}\·{\mathrm{\Δ}}_{21})\\ {{\mathrm{\δ}}_f}^{ref}=\[{\mathrm{\Δ}}_{11}({\stackrel{\·\·}{y}}_2^c-F_2)-{\mathrm{\Δ}}_{21}({\stackrel{\·}{y}}_1^c-F_1)\]/({\mathrm{\Δ}}_{11}\·{\mathrm{\Δ}}_{22}-{\mathrm{\Δ}}_{12}\·{\mathrm{\Δ}}_{21})\end{array}\right.$

${\mathrm{\Δ}}_{11}=\frac{1}{{\mathrm{mR}}^{ref}}$

${\mathrm{\Δ}}_{12}=\frac{C_f}{m}\left(\frac{v_y+{\mathrm{\ωl}}_f}{v_x}\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{21}=\frac{C_{r}l(v_y-{\mathrm{\ωl}}_r)-l_f{{\mathrm{m\ωv}}_x}^2}{{\mathrm{mR}}_e{v_x}^2}$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_{22}=\frac{(l_r{C}_{r}l-l_f{{\mathrm{mv}}_x}^2)l_f(C_f{R}_e-I_w{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_f)}{v_x{I}_z{R}_e}+\\ \frac{\[C_{r}l(v_y-{\mathrm{\ωl}}_r)-l_f{{\mathrm{m\ωv}}_x}^2\]C_f(v_y+{\mathrm{\ωl}}_f)}{{{\mathrm{mv}}_x}^3}-\frac{C_{r}l(C_f{R}_e-I_w{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_f)}{{\mathrm{mR}}_e{v}_x}\end{array}$

$F_1={\mathrm{\ωv}}_y-\frac{I_w}{{\mathrm{mR}}^{ref}}({\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_f)-\frac{\mathrm{\ρ}}{2m}{C}_x{A}_x{v_x}^2$

$F_2=\frac{C_{r}l(v_y-{\mathrm{\ωl}}_r)-l_f{{\mathrm{m\ωv}}_x}^2}{{v_x}^2}{f}_1-\frac{C_{r}l}{v_x}{f}_2+\frac{(C_r{l}_{r}l-l_f{{\mathrm{mv}}_x}^2)}{v_x}{f}_3$

這里的f₁、f₂、f₃分別為：

$f_1={\mathrm{\ωv}}_y-\frac{I_w({\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_f+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r)}{{\mathrm{mR}}_e}$

$f_2=-{\mathrm{\ωv}}_x-\frac{C_f(v_y+{\mathrm{\ωl}}_f)+C_r(v_y-{\mathrm{\ωl}}_r)}{{\mathrm{mv}}_x}$

$f_3=\frac{-l_f{C}_f(v_y+{\mathrm{\ωl}}_f)+l_r{C}_r(v_y-{\mathrm{\ωl}}_r)}{v_x}$

其中，m為汽車質量，I_z為汽車繞z軸的轉動慣量，l_f為前輪到質心的距離，l_r為后輪到質心的距離，l為軸距，C_f、C_r為前后輪側偏剛度，ω_f、ω_r為汽車前后輪角速度，為汽車前后輪角加速度，R_e為車輪滾動半徑，I_w為車輪轉動慣量，ρ為空氣密度，C_x為縱向空氣阻力系數，A_x為縱向迎風面積；

步驟S3.對步驟S2計算得到的控制器輸出力矩進行分配后輸入車輛系統，計算施加在四個車輪上的力矩T_fl、T_fr、T_rl、T_rr：

時，輸入車輛系統并施加在四個車輪的力矩為：

時，輸入車輛系統并施加在四個車輪的力矩為：

式中：T_fl為左前輪、T_fr為右前輪、T_rl為左后輪、T_rr為右后輪、M₁、M₂為力矩分配系數；

控制器以這種分配方式控制施加在四個車輪上的力矩T_fl、T_fr、T_rl、T_rr，運用于實現車輛的穩定轉向控制；

步驟S4.根據步驟S3計算得到的控制器輸出轉向角和駕駛員預瞄轉角δ_d加權計算得到不同車速時車輛系統的需求轉向角

1)首先判斷控制器是否介入：

式中，v_臨為設定的臨界車速；

2)需要控制器介入時，按下式計算不同車速時控制器的介入強度，即加權系數K₁：

K₁＝-0.002162v_x²+0.1288v_x-1.516

3)根據加權系數K₁，計算由控制器和駕駛員共同控制并輸入車輛的車輛系統需求轉向角

由控制器和駕駛員加權控制后，將車輛系統需求轉向角輸入車輛系統，運用于實現不同車速下，車輛系統對期望路徑的跟蹤能力；

步驟S5.判斷控制過程是否終止，道路曲率半徑R^ref＝0時車輛駛出彎道，控制過程結束，否則重新執行以上步驟實現循環控制。