[发明专利]期望路径车辆横摆控制方法

权利要求书

1.一种期望路径车辆横摆控制方法，其特征在于，包括

S1.建立反映橫摆运动的车辆动力学模型；

S2.以该车辆动力学模型建立等效滑膜的橫摆力矩控制器；

所述的车辆动力学模型是反映纵向、横向、橫摆运动的三自由度车辆动力学模型，根据牛顿第二定律对车辆在x轴、y轴和绕z轴方向进行受力分析而得；

以橫摆角速度与期望横摆角速度的误差的一阶导数等于0，根据反映橫摆运动的车辆动力学模型对所述误差的一阶导数表示，并对其求得等效控制项，确定切换控制项，推导得到等效滑膜的橫摆力矩控制器；

所述的三自由度车辆动力学模型为：

式中：m为汽车质量、v_x为纵向速度、v_y为横向速度、γ为横摆角速度、δ_f为前轮转角、I_z为车身绕Z轴的转动惯量、l_f为质心到前轴的距离、l_r为质心到后轴的距离、l_w为轮间距、M_x为横摆力矩；F_x1、F_x2、F_x3和F_x4分别为左前轮、右前轮、左后轮、和右后轮纵向力；F_y1、F_y2、F_y3和F_y4分别为左前轮、右前轮、左后轮、和右后轮侧向力；

所述的车辆的期望横摆角速度由下式计算：

式中：γ_d为期望横摆角速度、γ₀为理想橫摆角速度、γ_max为横摆角速度的最大值、sgn()为符号函数；

所述的理想橫摆角速度可由下式计算：

C_f为前轮侧偏刚度、C_r为后轮侧偏刚度；

所述的横摆角速度的最大值可有下式确定：

式中：g为重力加速度、μ为路面附着系数；

令误差s＝γ-γ_d，取则

等效控制项为：

采用连续函数代替符号函数，采用双曲正切函数设计切换鲁棒控制项，双曲正切函数为：

式中：ε＞0，ε取值决定函数拐点的变化速度；

为保证成立，取切换控制项为：

其中：D＞0；

所述的等效滑膜的橫摆力矩控制器为：

设计力矩分配控制器将纵向速度控制器得到的驱动力矩分配到每个轮毂电机；提出一种力矩分配控制器；车辆的车轮纵向力可表示为：

F_X＝[F_x1 F_x2 F_x3 F_x4]^T

式中：F_X为车轮纵向力向量，F_x1、F_x2、F_x3和F_x4分别为左前轮、右前轮、左后轮、和右后轮纵向力；

令F_T为车辆左、右车轮纵向力向量，则

式中：

定义车轮所受实际附着力与路面所提供的极限附着力之比为轮胎利用率，为了提高车辆稳定性，将每个车轮的轮胎利用率之和作为研究对象，要求轮胎利用率之和尽可能的小，这样可以尽可能保证轮胎处于稳定范围而不超附着极限；

式中：η_i为第i个车轮的轮胎附着率、F_xi为第i个车轮的纵向力、F_yi为第i个车轮的侧向力、F_zi为第i个车轮的垂直载荷，i＝1,2,3,4分别代表左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；

在研究纵向力矩分配时，忽略车轮侧向力，轮胎利用率计算可简化为：

为了提高车辆在低附路面的安全行驶能力，以轮胎利用率之和作为优化目标，对车辆的总的驱动力矩进行求解，即：

式中：μ为路面附着系数，加权矩阵

建立如下优化问题：

s.t.SF_X＝F_T

为了求解该问题，构建汉密尔顿函数如下：

式中：ξ∈R⁴为拉格朗日乘子；

对汉密尔顿函数中的F_x和ξ求偏导并令其等于零，则有：

由上式可得：

W_TF_X＝-2(ξS)^T

即:

则车辆的车轮纵向力可写成：

车轮驱动力与轮车轮纵向力之间的关系可写成：

式中：r为车轮有效滚动半径，T_i为第i个车轮的驱动力矩，i＝1,2,3,4分别代表左前轮、右前轮、左后轮和右后轮；

因此，每个车轮的驱动力矩分配可表达为：

式中：ΔT₁、ΔT₂分别为左、右侧车轮总的驱动力矩；

当横摆力矩控制器不工作时，ΔT₁，ΔT₂应等于总的驱动力矩T_d的一半，即

当橫摆力矩控制器工作时，对左、右侧车轮施加橫摆力矩，左、右侧车轮总的驱动力矩ΔT₁、ΔT₂的关系为：

式中：M_x为横摆力矩、l_w为轮间距；

ΔT₁、ΔT₂可通过下式计算：

则最终分配到轮毂电机的驱动力矩为：