[發明專利]車輛穩定性模型預測控制方法

在審

• 申請號: 201811355250.1
• 申請日: 2018-11-14
• 公開（公告）號: CN109552312A
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 趙海艷;趙津楊;馮宇馳;陳偉軒
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B60W30/02
• 分類號: B60W30/02;B60L15/20
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 白冬冬

1.一種車輛穩定性模型預測控制方法，其特征在于：其步驟是：

一、考慮路面不平度的電動汽車力學和動力學模型搭建

(1)考慮路面不平度的車輛力學模型搭建

根據車身與車輪處的受力分析得出公式(1)(2):

車身、懸架與車輪受力分析得出:

車輛在不平路面行駛中會產生俯仰運動，根據車身處力矩平衡可得:

輪胎處受力分析得出輪胎力:

F_ti＝k_ti(x_wi-x_oi) (6)

對懸架處進行力學分析:

其中，i＝f,r分別代表車輛的前輪和后輪，m_wi為車輪質量，m為車體質量，x_wi為車輪垂向位移，x_bi為車體前后端垂向位移，x_oi為路面激勵，k_si為懸架彈性系數，c_si為懸架阻尼系數，k_ti為輪胎彈性系數，c_ti為輪胎阻尼系數，F_ti為輪胎力，F_si為懸架力，I_hb為身車體繞y軸轉動慣量，θ為俯仰運動的俯仰角，a,b分別為前后軸距；

將方程(3)-方程(6)整理可以得到：

其中，

由上述方程，可得振動模型中輪胎所受壓力為：

(2)車輛動力學模型搭建

控制器模型

其中，β是質心側偏角側滑角，代表車輛縱軸與車速矢量方向之間的角度，γ是車身的橫擺率；β和γ代表簡化二自由度車輛動力學模型的兩個自由度；F_yf,F_yr分別代表二自由度車輛模型前輪側向力和后輪側向力，m代表整車質量，V代表縱向車速，L_f,L_r分別代表車輛質心到前軸的距離和質心到后軸的距離；M_z是車輛橫擺力矩，表達如下

其中，d代表單軸左右側輪距，F_xfl F_xfr F_xrl F_xrr代表左前輪、左后輪、右前輪和右后輪的縱向力；

輪胎側向力的魔術公式模型：

F_yi＝Dsin(Carctan(Bα_i-E(Bα_i-arctanBα_i))) (13)

其中，i＝f,r代表前輪和后輪，B，C，D和E均有垂向載荷決定，所以輪胎側向力F_yi是一個與側偏角α_i和垂向載荷F_z相關的函數；

對側向力進行變化得到輪胎側向力的三次項表達式：

其中，C_f,C_r為前后輪轉向剛度，K_a,K_b為擬合系數，前、后輪側偏角如下所示：

其中，δ_f為前輪轉角；

輪胎的垂向力負載描述為

其中，h_cg代表車輛質心高度，g代表重力加速度，a_x代表縱向加速，a_y代表縱向加速度；得車輪實際所受垂向力:

由縱向運動與俯仰運動，建立如下方程：

由兩個車輪的旋轉運動，得下式：

其中，ω_i為前、后輪旋轉角速度，T_ei為前輪驅動轉矩，T_bi為后輪驅動轉矩，R為車輪有效半徑，J_i為車輪的轉動慣量；

根據滑移率的定義，得縱向滑移率的計算表達式如下式(26)，上式為加速過程中的滑移率計算式，下式為制動過程中的滑移率計算式

其中，ε是設定好的常值，

將公式(26)兩邊求導，公式(24)(25)帶入求導后的公式得：

當只考慮驅動情況時公式表達為：

公式(1)(14)進行整理得到系統模型為

二、橫擺穩定控制器

系統模型為公式(29)所示，將其進行整理得到系統的狀態空間模型

n＝3,4,5,6,s＝fl,fr,rl,rr

將橫擺角速度γ、質心側偏角β和四個車輪的滑移率作為系統的狀態變量x＝[β,γ,λ_fl,λ_fr,λ_rl,λ_rr]^T，控制量為u＝[δ_f,T_fl,T_fr,T_rl,T_rr]^T分別為前輪轉向角、四個車輪驅動電機的轉矩命令，系統輸出y＝[β,γ]^T；

利用歐拉公式進行離散化，得到的離散時間系統模型如下：

其中，k表示采樣時刻，T_s為采樣時間，矩陣

推導出p步預測狀態和預測輸出：

通過加權系數來調節彼此的比重，從而實現車輛不同性能指標間的折中優化。

2.根據權利要求1所述的車輛穩定性模型預測控制方法，其特征在于：優化目標：

(1)主要的優化目標為

式中Q₁,Q₂是優化目標中的加權系數；

(2)控制量的平方和盡量小，

式中R₁,R₂是優化目標中的加權系數；

(3)通過控制滑移率，保證車輛的縱向性能，同時實現對垂向載荷的控制

(4)減小控制量的變化

式中S₁,S₂是優化目標中的加權系數；

得到總的目標函數

約束：

電機飽和約束：

四個電機的轉矩和應該等于來自驅動踏板的總驅動轉矩T_t，