[发明专利]快速实时的后轮主动转向预测控制方法

说明书

一种快速实时的后轮主动转向预测控制方法，属于车辆控制技术领域。本发明的目的是使得车辆在低附着路面行驶工况下，能够在所设计的控制器的作用下跟踪期望的横摆角速度同时能够抑制质心侧偏角从而保证车辆稳定性的快速实时的后轮主动转向预测控制方法。本发明步骤是：后轮主动转向车辆的模型搭建与仿真工况的构建、模型预测控制器设计、优化问题快速求解算法设计。本发明进一步提高了车辆在低附着行驶工况下的稳定性，有效降低求解时间，提高算法实时性，降低了控制器的实现难度。

技术领域

本发明属于车辆控制技术领域。

背景技术

后轮主动转向技术一种新兴的技术形式，使用这种技术的车辆在行驶过程中后轮也可转动一定的角度因而具有更高的机动性和灵活性。例如，在低速行驶时可以通过后轮转向减小转弯半径，提高车辆灵活性，高速行驶时可以通过后轮转角提高稳定性，因此有必要对后轮主动转向车辆的控制问题进行研究。与传统车辆相比，后轮主动转向技术使得车辆的结构更加复杂，控制量也更多，后轮主动转向也进一步增加了车辆动力学的复杂程度，如何良好地发挥后轮主动转向的作用改善车辆在高速、低附着路面等行驶工况下的稳定性能成为了目前的研究热点。由于车辆动力学具有高度非线性的特点，且车辆是一个典型的快变系统，因此在车辆的稳定性控制中要求控制器有较高的控制精度来满足控制准确性的要求，同时控制器还要有较高的实时性来满足车辆对控制器的快速响应的要求，除此之外，在车辆行驶过程中还要考虑相应的安全性约束以及在未来一段时间内车辆状态的变化规律，进行及时有效的控制。由于预测控制能够在考虑系统的约束和非线性特性的条件下，对系统未来一段时间内的状态进行预测，并处理多目标优化问题，因此在同时满足上述要求的条件下，预测控制是一个较好地解决方案。模型预测控制基于系统的模型对系统的未来状态进行预测，同时考虑所设计的目标函数以及相应的状态约束和控制约束，将控制需求转化为数学优化问题，并通过在线求解优化问题来得到所需的控制量。一方面由于车辆是一个典型的快变系统，其失稳时间往往都是毫秒级的，一旦车辆失去稳定性则无法再通过控制作用使其回到稳定状态，因此车辆对车载控制器的实时性与快速响应能力有较高的要求；另一方面求解优化问题需要的计算量较大，同时车载控制器的计算能力却相当有限，在求解优化问题时需要较长的求解时间。因此，当前的面向后轮主动转向车辆的模型预测控制存在着以下问题：

1.相比于传统车辆，后轮主动转向车辆的控制机构更多，复杂程度也更高。因此，当行驶在在高速和低附着路面等复杂工况下时，后轮主动转向车辆具有更高的灵活性和稳定性。而在此类复杂工况下，车辆往往都进入了高度非线性区域，此时所需要的模型精度也更高，因此需要采用非线性模型来提高模型精度，这会造成计算负担大幅增加。

2.随着计算负担的增加，若采用传统的优化方法(例如已被广泛应用的内点法-IPOPT)，可能无法满足车载实时性的要求，从而导致控制器性能不能满足要求。

3.虽然车载控制器计算能力不足的问题可以通过安装更高性能的硬件设备来解决，但此举势必会造成车辆成本及能耗的大幅增加。若能够改进求解算法，使得能够在现有硬件设备的基础上提高求解速度，满足车辆对控制器的实时性的要求，便可节省大量成本同时还不增加整车的能耗。

发明内容

本发明的目的是使得车辆在低附着路面行驶工况下，能够在所设计的控制器的作用下跟踪期望的横摆角速度同时能够抑制质心侧偏角从而保证车辆稳定性的快速实时的后轮主动转向预测控制方法。

本发明步骤是：

步骤一、后轮主动转向车辆的模型搭建与仿真工况的构建：在CarSim软件中选择车辆模型，并将车辆的运动状态参数读取到Simulink中，基于所选的车辆模型构建低附着路面下行驶的仿真工况，模拟实际车辆的横摆运动和侧向运动特征；

步骤二、模型预测控制器设计：

1)建立考虑后轮主动转向的车辆动力学模型；

2)建立能够产生期望状态参考值的参考模型；