[發明專利]一種基于故障估計的車輛前輪轉角容錯控制方法、系統

有效

• 申請號: 202111305661.1
• 申請日: 2021-11-05
• 公開（公告）號: CN113830168B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 丁智君;汪洪波
• 申請（專利權）人: 安徽奇米智能科技有限公司
• 主分類號: B62D5/04
• 分類號: B62D5/04
• 代理公司: 合肥市澤信專利代理事務所(普通合伙) 34144
• 代理人: 潘飛

1.一種基于故障估計的車輛前輪轉角容錯控制方法，其特征在于，所述車輛前輪轉角容錯控制方法包括如下步驟：

S1：根據車輛線控轉向系統的數學模型，建立只存在傳感器故障和只存在執行器故障的兩個狀態空間方程；建立的車輛線控轉向系統的數學模型如下：

其中，

u＝U，d＝T_r，

上式中，x∈R³，表示狀態變量；y∈R²，表示系統輸出；u∈R¹，表示容錯控制輸入；d∈R¹，表示外加干擾；θ_m為轉向電機轉角；I_m為轉向電機通過的電流；U為轉向電機端電壓；T_r為輪胎回正力矩；A、B、C、D為含有無人駕駛汽車實車數據的矩陣；F_s為轉角傳感器故障向量；r_p為轉向小齒輪半徑；K_r為齒條等效剛度；B_eq表示電機及齒條等效至轉向電機軸上的阻尼系數；J_eq表示電機及齒條等效至轉向電機軸上的轉動慣量；N為電動機減速機構傳動比；K_t為電機轉矩系數；K_b為電樞反電動勢系數；L_m為電樞電感；R_m為電樞電阻；f_s為傳感器故障的真實值；f_a為電機故障電壓的真實值；

傳感器故障的統一的狀態空間方程為：

θ_f＝Δ*θ_m+α＝θ_m+(Δ-1)θ_m+α

其中，θ_f為電機轉角傳感器故障輸出；Δ為故障的增益值大小；α為故障的恒偏差或卡死值；特別地，當Δ＝0、α＝0時，說明傳感器發生信號中斷故障；

轉向電機的故障端電壓表示為：

u_f＝Δ_mU＝U+(Δ_m-1)U

其中，Δ_m為電壓增益故障系數，Δ_m∈(0，1)；u_f表示故障端電壓；

構造的只存在傳感器故障和只存在執行器故障的狀態空間方程分別如下：

構造兩個非奇異變換矩陣T和S，矩陣T和矩陣S分別滿足：

其中

A₁∈R^1×1，A₂∈R^1×2，A₃∈R^2×1，A₄∈R^2×2；B₁∈R^1×1；D₁∈R^1×1，D₂∈R^2×1；C₁∈R^1×1，C₄∈R^1×2；F₂∈R^1×1；

令

其中，x₁表示[θ_m]；x₂表示y₁表示[θ_m]；y₂表示[I_m]；z、w分別為經過狀態、輸出轉換的中間變量；

利用上述矩陣中的元素，則可以將原線控轉向系統降階為如下的子系統一和子系統二：

子系統一：

子系統二：

其中，所述子系統一的狀態空間方程中只含有傳感器故障，所述子系統二的狀態空間方程中只含有執行器故障；

S2：根據兩個狀態空間方程設計故障觀測器，所述故障觀測器分別包括用于監測電機轉角傳感器故障的觀測模塊一，以及用于監測轉向電機故障電壓的觀測模塊二；

其中，故障觀測器的建立過程包括如下步驟：

(1)根據子系統一設計自適應滑模觀測器：

將子系統一的狀態空間方程轉化為：

其中，

基于轉化后的子系統一，設計如下的滑模觀測器：

其中，表示Z₁的估計值；表示的估計值；表示w₁的估計值；是一個待設計的穩定矩陣；v為非連續輸出錯誤注入項，且v滿足：

上式中，ρ_a表示f_a的極值，即||f_a||≤ρ_a，P₁為的對稱正定李雅普諾夫矩陣；η是一個待設計的正定標量；

(2)根據子系統二設計未知輸入觀測器：

將子系統二的狀態空間方程轉化為：

其中，

基于轉換后的子系統二，設計如下的未知輸入觀測器：

其中，F₀∈R^3×3，L₀∈R^3×1，M₀∈R^3×3，N₀∈R^3×1均為待設計的矩陣；h表示一個中間變量；

基于上式則有：

定義狀態估計誤差函數如下：

結合狀態空間方程，得到發生故障后的函數為：

其中I₃為單位矩陣；

令待設計的矩陣F₀、L₀、M₀、N₀分別滿足如下條件：

則有：

定義控制估計誤差r為：

其中，H為預先指定的權重矩陣，結構為

(3)根據設計出的自適應滑模觀測器和未知輸入觀測器；求解故障觀測器中的參數：

假設存在正定矩陣P₁、P₂，矩陣X、Y和U，和一個正定標量γ，能夠使得以下LMI方程有一個合適的解：

其中，

S₂＝[I₃?0]，

π₁＝U+U^T，

則估計誤差動態在規定的干擾衰減水平μ下漸近穩定；

則求解出故障觀測器中的參數如下：

M₀＝J₁+ZJ₂，N₀＝J₃+ZJ₄，

設計出的故障觀測器中，電機轉角傳感器故障的估計值為：

設計出的故障觀測器中，電機故障電壓的估計值為：

其中，δ為一個預設的正常數；

S3：設計一個容錯控制器，所述容錯控制器根據所述電機轉角傳感器故障和轉向電機故障電壓換算出對應的轉向電機的期望電機轉角；

容錯控制器的狀態量x₁和x₂分別如下：

其中，θ_m為轉向電機轉角；

則包含所述容錯控制器的線控轉向系統的狀態方程如下：

上式中，

其中，u表示容錯控制輸入；f_a表示轉向電機的故障電壓的真實值；f表示外加干擾；r_p表示轉向小齒輪半徑；K_r表示齒條等效剛度；B_eq表示電機及齒條等效至轉向電機軸上的阻尼系數；J_eq表示電機及齒條等效至轉向電機軸上的轉動慣量；K_t表示電機轉矩系數；K_b表示電樞反電動勢系數；R_m表示電樞電阻；L_m表示電樞電感；N表示電動機減速機構傳動比；I_m表示轉向電機通過的電流；T_r表示輪胎回正力矩；

設計出的所述容錯控制器的方程如下：

其中，r₁為設計的跟蹤誤差；r₂為虛擬控制項；x_d表示期望的轉向電機轉角；σ表示一個切換函數；h、c₁、k₁和β均為容錯控制器中滿足設計要求的一個正的常數；θ_s表示轉角傳感器測量到的電機轉角；f_s表示轉角傳感器故障的真實值；

S4：將所述故障觀測器和所述容錯控制器應用于車輛的線控轉向系統，作為車輛的轉向控制器；

S5：獲取車輛當前狀態對應的期望前輪轉角，并由所述轉向控制器根據所述車輛的期望前輪轉角換算出轉向電機的期望電機轉角；

S6：通過轉角傳感器接收轉向電機當前的實際轉角的信號，然后根據所述期望電機轉角和接收到的實際轉角計算出期望的電機電壓；

S7：根據計算出的期望的電機電壓，通過轉向電機執行器控制轉向電機按照所述期望電機轉角轉動，進而通過減速器帶動車輛的前輪轉動，使得車輛的運行狀態達到所述期望前輪轉角。