[發明專利]一種基于時變動力學模型的四輪轉向汽車穩定性控制方法

有效

• 申請號: 201810735047.0
• 申請日: 2018-07-06
• 公開（公告）號: CN109050659B
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 李紹松;王國棟;高嵩;張邦成;于志新;崔高健;盧曉輝;韓玲;李政
• 申請（專利權）人: 長春工業大學
• 主分類號: B62D6/00
• 分類號: B62D6/00;B60W30/045;B62D101/00;B62D111/00;B62D137/00
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一種基于時變動力學模型的四輪轉向汽車穩定性控制方法，其特征在于，該方法包括參考模型、輪胎數據處理器、MPC控制器、CarSim汽車模型；參考模型用于確定期望的汽車橫擺角速度和質心側偏角；輪胎數據處理器用于確定輪胎的側偏角、側向力和側向力梯度；CarSim汽車模型用于輸出汽車的實際運動狀態信息，包括汽車縱向速度、橫擺角速度、質心側偏角和路面附著系數；MPC控制器根據期望的汽車橫擺角速度、質心側偏角和汽車的實際運動狀態信息，優化求解出汽車的后輪轉角，輸出給CarSim汽車模型，控制汽車實現穩定性控制。

技術領域：

本發明涉及汽車穩定性控制領域，特別是關于一種基于時變動力學模型的四輪轉向汽車穩定性控制方法。

背景技術：

隨著人們對汽車行駛安全性越來越重視，汽車主動安全系統得到快速發展，其中四輪轉向(Four Wheel Steering,4WS)作為一種提高汽車穩定性的有效手段已得到了廣泛的認可，運用4WS技術，可以有效地減小低速行駛時汽車的轉彎半徑，提高高速行駛時汽車的穩定性。

目前，4WS所采用的控制方法主要有PID控制、魯棒性控制、神經網絡控制和模型預測控制(Model Predictive Control,MPC)等，其中模型預測控制因能較好地處理多目標任務以及系統約束，在汽車穩定性控制領域得到了廣泛的應用。

根據其采用的預測模型以及優化方法的不同，MPC可分為非線性MPC和線性MPC。非線性MPC的計算負擔重，實時性差，很難應用于實際，而線性MPC計算負擔小，計算速度快，因而得到了廣泛使用。論文[Hang P,Luo F,Fang S,et al.Path Tracking Control of aFour-Wheel-Independent-Steering Electric Vehicle based on Model PredictiveControl[C]//中國控制會議.2017:9360-9366.]假設輪胎側偏角處于線性區域，將非線性的輪胎模型近似成線性輪胎模型，通過線性MPC實現了四輪轉向控制，然而線性MPC不能表征輪胎的非線性特性側偏特性，因此在極限工況下控制器的控制效果差。論文[陳杰,李亮,宋健.基于LTV-MPC的汽車穩定性控制研究[J].汽車工程，2016，38(3):308-316.]基于線性化的輪胎模型采用線性時變的MPC方法實現了汽車穩定性控制，同時兼顧了系統的非線性特性和計算負擔。但是，論文中對輪胎側向力線性化處理的方法過于簡單，無法表征輪胎側向力的實際變化趨勢，在極限工況下控制器的控制效果不理想；此外，該方法采用的預測模型在預測時域里保持不變，在滾動預測過程中不能體現汽車實際的變化趨勢。

發明內容：

為了解決現有的線性時變MPC預測模型不能體現汽車的非線性動力學特性，導致極限工況下4WS系統控制效果差的問題。本發明提供一種基于時變動力學模型的四輪轉向汽車穩定性控制方法，采用線性時變的方法將非線性預測控制問題轉換成線性預測控制問題，并且在預測時域內根據輪胎側向力的變化趨勢自動調節預測模型，在減小系統的計算負擔的同時準確表征汽車的非線性動力學特性，保證極限工況下4WS控制器的穩定性，實現汽車的穩定性控制。

本發明解決技術問題所采取的技術方案如下：

一種基于時變動力學模型的四輪轉向汽車穩定性控制方法，其特征在于，該方法包括參考模型、輪胎數據處理器、MPC控制器、CarSim汽車模型；參考模型用于確定期望的汽車橫擺角速度和質心側偏角；輪胎數據處理器用于確定輪胎的側偏角、側向力和側向力梯度；CarSim汽車模型用于輸出汽車的實際運動狀態信息，包括汽車縱向速度、橫擺角速度、質心側偏角和路面附著系數；MPC控制器根據期望的汽車橫擺角速度、質心側偏角和汽車的實際運動狀態信息，優化求解出汽車的后輪轉角，輸出給CarSim汽車模型，控制汽車實現穩定性控制；

該方法包括以下步驟：

步驟1、建立參考模型，確定期望的汽車橫擺角速度和質心側偏角，其過程包括如下子步驟：