[发明专利]一种四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮速分配方法

权利要求书

1.一种四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮速分配方法，包括以下步骤：

步骤一、建立车辆侧向动力学连续模型：

将四轮转向轮毂电机驱动车辆简化为二自由度模型2DOF，同一轴上的左、右轮胎用一个位于轴中心点的虚拟轮胎替代，2DOF车辆侧向动力学连续模型的状态空间方程表示为：

其中，为x的一阶导数；x为2DOF车辆动力学模型的状态变量列阵，表示为：

x＝[y_f,ψ_z,v_y,ω_z]^T (2)

y_f表示车辆前轴中心在车辆坐标系中的侧向位移；ψ_z表示车辆坐标系中车辆的航向角；v_y、ω_z表示车辆坐标系中车辆质心o处的侧向速度与横摆角速度；T表示对矩阵转置；Φ为状态转移矩阵，表示为：

l_f,l_r分别表示车辆质心到前轴中心与后轴中心的距离；C_αf、C_αr分别表示2DOF车辆模型前、后轮胎的等效侧偏刚度，其中下标αf表示前轮侧偏角，αr表示后轮侧偏角；m表示车辆总质量；I_z表示车辆的横摆转动惯量；v_x表示车辆质心o处的纵向速度，在预测时域中假设为常量通过传感器感知；Γ为控制增益矩阵，表示为：

u为2DOF车辆动力学模型的控制输入矩阵，表示为：

u＝[δ_f,δ_r]^T (5)

其中，δ_f、δ_r分别表示2DOF车辆模型中前、后等效车轮的偏转角；

步骤二、建立四轮转向轮毂电机驱动车辆的离散侧向动力学模型：

根据式(1)，采用欧拉离散法获得离散车辆侧向动力学模型，表示为：

x(k+1)＝A(k)x(k)+B(k)u(k) (k＝0,1,2…N-1) (6)

其中，定义预测时域为：以当前时间t为起始点规划出的未来一段时间，k表示预测时域中的第k时刻，N表示预测时域中离散时刻的数量；

定义离散侧向动力学模型的状态转移矩阵为A(k)，表示为：

A(k)＝I+T_sΦ(k) (7)

定义I为4×4维的单位矩阵；控制参数T_s为预测时域的长度，单位为秒；

定义离散侧向动力学模型的控制增益矩阵为B(k)，表示为：

B(k)＝T_sΓ(k) (8)

定义2DOF车辆控制系统的输出变量的预测值为y(k+1)，表示为：

y(k+1)＝Cx(k+1) (9)

其中，C表示系统输出增益矩阵，该矩阵与车辆控制系统的具体输出变量有关；

步骤三、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的最优转角控制量：

为了不失一般性，定义车辆检测系统跟踪目标轨迹，建立含有约束条件的最优二次型目标函数，使得跟踪误差值最小，表示为：

由式(10)求解约束二次规划问题，计算出最优控制输入量u(k)，x₀为预测时域中初始时刻的状态变量值；

步骤四、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的侧向运动状态预测值：

根据式(9)、状态变量x(k)、最优控制输入量u(k)，预测车辆的侧向运动状态，表示为：

其中，v_y,pre和ω_z,pre表示预测时域中第k+1时刻车辆质心的侧向速度与横摆角速度，下标中的pre表示预测的含义；D为车辆动力学模型状态预测输出的增益矩阵，表示为：

步骤五、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的纵向速度预测值：

其中，a_x,max为车辆最大纵向加速度；v_t为车辆当前需要跟踪的目标纵向速度；

步骤六、计算车辆坐标系中的轮心速度：

假设车体为刚体，由刚体作平面运动的基本理论，根据车辆质心的纵向速度、侧向速度及横摆角速度在第k+1的预测值，计算车辆坐标系下车轮中心处的速度分量，表示为：

其中，分别为轮心在车辆坐标系中的沿x轴的坐标分量和沿y轴的坐标分量，fl、fr、rl及rr分别表示实际车辆的左前、右前、左后和右后车轮；

步骤七、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的车轮速度偏角：

其中，u_x,min表示车辆纵向速度小量，远远小于

步骤八、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的轮胎侧偏角：

其中，为车轮偏转角，通过u(k)与左、右轮转向几何关系计算；

步骤九、计算四轮转向轮毂电机驱动车辆的车轮参考转速

根据轮胎侧偏角及轮心在车辆坐标系中的速度分量，计算轮心在轮胎对称平面中的速度分量，表示为：

由式(17)，计算车轮作纯滚动时的转速预测值，表示为：

其中，r_s表示轮胎滚动半径；

综上，由式(1)-(18)即可获得四轮转向轮毂电机驱动车辆的每个车轮的转速的预测值，将其发送给对应轮毂电机的驱动控制器，最终实现对车辆的轨迹控制。