[发明专利]一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法

说明书

本发明公开了一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法，首先，利用仿真软件CarSim得到四轮轮毂电机驱动电动汽车模型；其次，设计二自由度参考模型，通过二自由度参考模型推导出车辆侧向速度和横摆角速度的期望值；然后，为降低求解复杂度采用双层控制结构，上层采用NMPC控制器，以保证车辆横纵向稳定为控制目标，并考虑横纵向安全约束进行优化求解，得到虚拟控制量——轮胎滑移率和侧偏角的期望值；最后，下层根据轮胎实际的滑移率和侧偏角与上层给出的期望值之间的偏差得到附加转矩作用于轮毂电机，从而保证车辆横纵向的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法，更具体地说，本发明针对四轮轮毂驱动电动汽车在极限工况下横纵向运动易失稳问题，在模型预测控制框架下，设计了一种具有低计算复杂度的横纵向稳定性的协同控制方法，属于车辆安全控制技术领域。

背景技术

车辆在极限驾驶工况下，极易失稳引发交通事故，此时车辆的横纵向动力学系统呈现强耦合非线性特征，而目前已有的主动安全系统往往只是关注纵向或侧向运动的稳定，没有考虑其它系统的相互影响和耦合作用，在极限工况下由于控制目标冲突、执行器干涉等原因很难发挥功能，由此需要对车辆横纵向稳定性开展协同控制研究。对于四轮轮毂驱动电动汽车，利用其车轮独立可控的特点，可以对每个车轮分别附加驱动/制动转矩，从而更好地对车辆运动状态进行控制。目前极限工况下汽车的横纵向稳定性协同控制存在以下问题：

1.评价车辆侧向稳定性的指标主要为车辆侧向速度和横摆角速度，主要体现在对其期望值的跟踪。多数传统控制算法将侧向速度的期望值简单设置为零，或只对横摆角速度进行跟踪，使得参考模型的设计不完全合理而影响控制器控制性能。

2.极限工况下轮胎纵向力侧向力会互相影响，纵侧向力与滑移率和侧偏角之间呈耦合非线性关系。多数传统控制算法在利用轮胎模型计算轮胎纵侧向力时，没有考虑轮胎的复合滑移特性，使得轮胎力计算不准确从而影响预测模型精度。

3.轮胎滑移率作为评价车辆纵向稳定的指标，多数控制方法将轮胎滑移率作为状态变量进行跟踪，虽然可以进行控制，但这种方法动力学模型复杂，并且难以设置合理的滑移率期望值。

4.附加转矩作为直接影响车辆运动状态的控制量，多数控制方法对其计算主要是通过将求解得到的总附加转矩对每个车轮进行分配，而忽视每个车轮可能处于不同的驱动/制动状态，这样得到的附加转矩不够准确；或者根据各个轮胎的状态量对每个车轮分别设计控制器得到附加转矩，这使得控制系统结构更为复杂。

发明内容

本发明针对极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制问题，采用双层控制结构，上层利用NMPC控制器使车辆横摆角速度和侧向速度跟踪其参考信号，并抑制车辆纵向的滑动，保证车辆横纵向的稳定性，求解得到虚拟控制量为轮胎滑移率和侧偏角的期望值；下层根据轮胎实际的滑移率和侧偏角与上层给出的期望值之间的偏差，利用轮胎纵向力与滑移率、侧偏角之间的动力学关系，基于纵向力的变化计算附加转矩作用于轮毂电机，从而保证车辆横纵向的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种极限工况下汽车横纵向稳定性协同控制方法，包括以下步骤：

步骤一、利用仿真软件CarSim得到四轮轮毂电机驱动电动汽车模型，实时提供车辆的各状态信息；

步骤二、二自由度参考模型设计，得到考虑路面附着系数限制的车辆横摆角速度和车辆侧向速度的期望值，确定车辆的理想运动状态；

步骤三、上层NMPC控制器设计：基于三自由度车辆动力学模型，考虑轮胎的复合滑移特性建立复合滑移LuGre轮胎模型，设计预测模型，使车辆的横摆角速度和侧向速度能够跟踪其期望值，并抑制轮胎纵向的滑移，以轮胎滑移率和侧偏角为虚拟控制量，优化求解得到的虚拟控制量作为下层控制的期望值；