[发明专利]一种车辆侧向稳定非线性集成控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及车辆主动安全控制方法，具体的说是一种车辆侧向稳定非线性集成控制方法。

背景技术

随着现代汽车工业的迅速发展，现今社会的汽车保有量越来越大，这使得相应的问题也随之而来：道路交通压力越来越大，交通事故频发。严峻的交通现状使得人们对于车辆的主动安全问题越来越关注，电控系统之间的简单叠加已经不能满足需求，集成控制就此成为近年来主动安全研究的趋势。主动前轮转向与直接横摆力矩集成控制不仅能够进一步提高车辆的稳定性能，同时能使制动作用对纵向动力学的影响减轻，改善汽车的驾驶舒适性。本文为了进一步提高车辆的侧向稳定性，对主动前轮转向及直接横摆力矩进行了集成控制。

国内外目前针对主动前轮转向和横摆稳定集成控制采用的控制策略主要有分散式结构、集中式结构和分层监督结构。分散式结构各个子系统在一定程度仍相互独立，集成度较低，主要是传感器及相关硬件方面的集成；集中控制是以全局控制器来负责所有子系统的控制输入，集成度较高，但开发难度较大，结构对硬件的要求较高，控制器灵活性差；而分层监督式结构是介于分散式和集成式结构之间，核心在于上层动力学协调控制器，通过监测车辆行驶状态计算出车辆稳定所需的控制力矩，然后分配到相应的子系统，灵活性较好。

发明内容

本发明提供了一种车辆侧向稳定非线性集成控制方法，采用分层监督控制的策略，考虑安全性及物理执行机构的约束，应用非线性模型预测控制的方法优化得到前轮转角及附加横摆力矩，根据车辆的状态对附加横摆力矩进行分配，选用单侧车轮分配策略，将附加横摆力矩分配为制动力作用到车辆。并且采用FPGA通过硬件并行的方法提高算法的在线计算性能，在有限的采样时域内得到最优的控制序列，有效地降低了系统的复杂性并节约硬件资源、节约量产成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

步骤一、建立简化的车辆动力学模型：用二自由度模型表征车辆的操纵稳定性与车辆的侧向运动和横摆运动之间的关系；

步骤二、非线性模型预测控制器设计：基于步骤一建立的简化车辆动力学模型，考虑轮胎的非线性因素及车辆的稳定性因素，设计带有约束的考虑路面附着条件的非线性模型预测控制器，将期望横摆角速度信息输入到非线性控制器模块，根据期望横摆角速度的值以及实时反馈的车辆前后轮侧偏角及横摆角速度，利用模型预测控制方法预测系统的未来动态，同时进行优化，决策出附加横摆力矩以及优化的方向盘转角信息，将优化后的方向盘转角信息输出至车辆系统；

步骤三、基于步骤二设计的非线性模型预测控制器进行车辆侧向稳定集成控制：将方向盘转角信息输入非线性侧向稳定集成控制器，决策出附加横摆力矩以及优化的方向盘转角信息并输出至车辆相应的执行机构，使车辆保持横摆稳定状态。

本发明的有益效果为：

1.轮胎是车辆主动安全问题研究的关键问题，不同的轮胎模型所表达出的轮胎特性存在非常大的差异，因此本文没有选用以往的通用轮胎模型而是通过参数辨识选用非线性轮胎模型研究车辆的主动安全问题。

2.对于车辆稳定性控制而言，由于车辆本身的构造特性，如制动系统及转向系统执行机构具有饱和特性等，所以存在一定的约束条件。本发明在控制器的设计过程中有别于其他侧向集成稳定控制策略对约束的简化或者忽略，而是将约束条件都考虑了进去。

3.面摩擦系数及纵向速度的变化是引起车辆失稳的重要原因之一，本文在控制器的设计过程中又进一步分析了控制器对于路面附着系数及纵向速度的稳定性。

4.快速原型实验是控制器开发的重要一步，但是非线性控制方法复杂，控制实现是大多数开发过程中的重点难点问题，而本文则通过FPGA全硬件成功对控制器进行实现，其中FPGA以硬件并行的计算方法，在有限的采样时域内得到最优的控制序列，满足车载非线性模型预测控制器的高实时性和微型化的要求，提高了控制系统的计算性能。

附图说明

图1为二自由度车辆模型示意图；

图2为轮胎的侧偏特性曲线图；

图3为前后轮侧偏角辨识结果曲线图；

图4为车辆仿真动力学模型结构；

图5为非线性集成控制器系统框图；

图6为制动力分配示意图；

图7为双移线工况下实时实验轮胎侧偏角对比图；

图8为为双移线工况下实时实验横摆角速度对比图；

图9为为双移线工况下实时实验附加制动压力的分配结果图。

具体实施方式

本发明提供了一种车辆侧向稳定非线性集成控制方法，该方法包括以下几个步骤：