[发明专利]一种基于路面附着系数的状态变量全约束直接横摆力矩控制算法

说明书

本发明公开了一种基于路面附着系数的状态变量全约束直接横摆力矩控制算法，本发明将障碍李雅普诺夫函数(BLF)的概念引入到直接横摆力矩控制器的设计中来，在控制器的设计过程中考虑到路面附着系数带来的质心侧偏角和横摆角速度两个状态量的安全约束边界，基于路面附着系数对质心侧偏角和横摆角速度同时进行约束，从根本上保证了质心侧偏角和横摆角速度在跟踪控制中不违反约束条件，从根本上避免了汽车在极限工况下由于质心侧偏角和横摆角速度过大导致的甩尾、横向漂移等失稳工况，提高了车辆在行驶过程中的横向稳定性。同时，本发明所述直接横摆力矩全状态约束控制器在不违反约束条件下，具有更快的跟踪收敛时间，降低发生危险工况的可能性。

技术领域

本发明涉及汽车转向控制领域，具体是一种基于路面附着系数对质心侧偏角和横摆角速度全约束的直接横摆力矩控制算法。

背景技术

在车辆急转弯的过程中，车辆会产生质心侧偏角和横摆角速度的变化。当车速过快时，车辆的质心侧偏角和横摆角速度将会急剧增大，很有可能超过基于路面附着系数得到的质心侧偏角安全范围[-tan^-1(0.02μg),tan^-1(0.02μg)]和横摆角速度安全约束范围[-μg/u_x,μg/u_x](μ为路面附着系数，g为重力加速度，u_x为车辆纵向速度)。质心侧偏角过大会导致车轮打滑，车辆甩尾，偏离预期轨道，横摆角速度过大会导致转向失控，车辆横向漂移。这些危险的不稳定工况会严重影响到车辆的横向稳定性，严重时会危及到车内人员的人身安全。随着车辆主动安全技术的不断发展，人们对汽车的操纵性与稳定性的要求越来越高。因此在车辆急转弯的过程中，十分有必要基于路面附着系数对车辆的质心侧偏角和横摆角速度进行横摆稳定性控制。

现有的直接横摆稳定性控制(DYC)主要有PID自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、集成控制等。这些稳定性控制方法虽然侧重提高了对最优值跟踪的响应特性与鲁棒性，但是忽略了质心侧偏角和横摆角速度存在一定的安全约束范围，或者仅仅是将稳定边界当作阈值警戒，达到或超过这个上下界进行回调，不能确保状态量始终处于安全区间内。这种情况会导致车辆横向稳定性下降，严重时会导致车身失稳等危险情况。

因此，本发明在控制器的设计过程中考虑到路面附着系数带来的全状态变量安全边界，并基于路面附着系数对质心侧偏角和横摆角速度同时进行约束，为了能从根本上避免质心侧偏角和横摆角速度工作在不稳定区域，本发明提出一种基于路面附着系数的状态变量全约束直接横摆力矩控制算法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于路面附着系数的状态变量全约束直接横摆力矩控制算法，从根本上避免汽车转向时质心侧偏角和横摆角速度过大引起的失稳问题。针对受路面附着系数影响质心侧偏角和横摆角速度存在约束的特点，本发明将非对称障碍李雅普诺夫函数(BLF)引入到直接横摆力矩控制(DYC)的设计中来，在控制器的设计过程中考虑到路面附着系数带来的质心侧偏角和横摆角速度两个状态量的安全约束边界，基于路面附着系数对质心侧偏角和横摆角速度同时进行约束，解决了直接横摆力矩控制下质心侧偏角和横摆角速度违反约束边界导致车辆失稳的问题。所提出的算法能够实现汽车对理想参考模型的零质心侧偏角的跟踪，并保证质心侧偏角和横摆角速度始终工作在稳定区域，在不违反约束条件下，汽车转向时具有更好横向稳定性。

本发明的技术方案：一种基于路面附着系数的状态变量全约束直接横摆力矩控制算法由汽车二自由度动力学模型建模和全状态约束控制算法组成。其中，全状态约束控制算法中将障碍李雅普诺夫函数融入到直接横摆力矩的控制器设计当中，在控制器的设计过程中考虑到路面附着系数带来的质心侧偏角和横摆角速度两个状态量的安全约束边界，基于路面附着系数对质心侧偏角和横摆角速度同时进行约束，保证质心侧偏角和横摆角速度不违反约束界限，从根本上避免质心侧偏角和横摆角速度工作在不稳定区域，有效提高了汽车在极限工况下的横向稳定性。

本发明所述车辆二自由度动力学模型建模如下：