[发明专利]四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆分层协调控制方法

摘要

一种四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆分层协调控制方法，采用“控制器+分配器”结构，控制器输入信号为车辆实际横摆角速度与理想横摆角速度偏差，输出信号为维持车身横摆稳定的需求力矩M_des，分配器依据车辆状态和M_des分层次的形成车轮的制动、驱动和主动转向指令，该方法在保证车辆横摆稳定的前提下，充分优先利用车轮制动力矩进行能量回馈，达到提高能量回馈效率的目的。

主权项

一种四轮独立驱动、制动和转向的电动车辆分层协调控制方法，其特征是，包括以下步骤： (1)根据车辆的实际横摆角速度与理想横摆角速度的偏差形成需求力矩M_des，规定逆时针方向为正； (2)计算当前四个车轮与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩M时的对应力臂L_i，i为车轮编号，i＝1,2,3,4，分别代表车辆的左前轮，右前论，左后轮，右后轮； (3)根据需求力矩M_des方向，确定使用驱动力矩形成需求力矩M_des所使用的车轮编号n，确定使用制动力矩形成需求力矩M_des的车轮编号m；如果M_des>0则n＝2，4；m＝1，3；如果M_des<0则n＝1，3；m＝2，4； (4)计算当前使用制动力矩的车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向允许的制动力的下界F_{b_min_m}，F_{b_min_m}<0；计算当前使用驱动力矩的车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向允许的驱动力的上界F_{d_max_n}，F_{d_max_n}>0； (5)根据车轮形成需求力矩M_des时的对应力臂L_i，确定当前状态下使用制动力矩的车轮m能够形成的横摆力矩范围[M_{b_min},M_{b_max}]以及使用驱动力矩的车轮n能够形成的横摆力矩范围[M_{d_min},M_{d_max}]； (6)如果需求力矩M_des∈[M_{b_min},M_{b_max}]，则仅形成使用制动力矩的车轮m的力矩指令，按照“最大限度使用制动力矩”原则，在满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提下，考虑回馈制动效率，将M_des在车轮m上进行分配，得到期望作用于车轮m的制动力矩指令，使用驱动力矩的车轮n，其驱动力矩指令都是0，另车轮的主动转向指令都是0； 步骤(6)依据M_des的不同，具体实现过程分三种情况： 情况1，如果M_des>0： ①将“最大限度使用制动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₁+T₃    (a‑1)； ②将“满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提”分别描述为式(b‑1)和式(c‑1)： M_des＝‑(T₁L₁+T₃L₃)/R   (b‑1)， 式中，T_m是作用于车轮m的制动力矩指令，制动时T_m<0；L_m是车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径；F_{b_min_m}为车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的允许制动力下界，F_{b_min_m}<0；m＝1，3； ③将式(a‑1)、(b‑1)、(c‑1)认为是线性规划问题，写为(d‑1)式： ④采用单纯形法对式(d‑1)进行求解计算，得到车轮m的制动力矩指令T_m，m＝1，3；对使用驱动力矩的车轮n，其力矩指令T_n＝0，n＝2，4；车轮的主动转向指令都是0； 情况2，如果M_des<0： ①将“最大限度使用制动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₂+T₄    (a‑2)； ②将“满足需求力矩M_des与轮胎附着力限制的前提”分别描述为式(b‑2)和式(c‑2)： M_des＝(T₂L₂+T₄L₄)/R  (b‑2)， 式中：T_m是作用于车轮m的制动力矩指令，制动时T_m<0；L_m是使用制动力矩的车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径；F_{b_min_m}为车轮m与地面间沿着轮胎滚动方向的允许制动力下界，F_{b_min_m}<0；m＝2，4； ③将式(a‑2)、(b‑2)、(c‑2)认为是线性规划问题，写为(d‑2)式： ④采用单纯形法对式(d‑2)进行求解计算，得到使用制动力矩的车轮m的指令T_m，m＝2，4；对使用驱动力矩的车轮n，力矩指令T_n＝0，n＝1，3；车轮的主动转向指令都是0； 情况3，如果M_des＝0,则T_i＝0,i＝1,2,3,4，即各个车轮的力矩指令均为0，车轮的主动转向指令都是0； (7)如果需求力矩且车轮合成附着系数s^*不大于期望的合成附着系数s_d^*，则形成使用制动力矩的车轮m的力矩指令和车轮的主动转向指令，车轮的主动转向指令的大小与(M_des‑M_{b_max})有关，使用驱动力矩的车轮n的力矩指令为0；步骤(7)依据M_des的不同，其具体实现过程分两种情况： 情况1，如果M_des>0： ①T_m＝F_{b_min_m},m＝1,3；T_n＝0,n＝2,4； ②车轮的主动转向指令根据(M_des‑M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； 情况2，如果M_des<0： ①T_m＝F_{b_min_m},m＝2,4；T_n＝0,n＝1,3； ②车轮的主动转向指令根据(M_des‑M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； (8)如果需求力矩且s^*>s_d^*，则同时形成使用制动力矩的车轮m和使用驱动力矩的车轮n的力矩指令，并形成车轮的主动转向指令，车轮的主动转向指令的大小与(M_des‑M_{b_max})有关；使用驱动力矩的车轮n的驱动力矩指令的大小与(M_des‑M_{b_max})有关，如果(M_des‑M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，在满足(M_des‑M_{b_max})需求与轮胎附着力限制的前提下，按照最小限度使用驱动力矩原则,将(M_des‑M_{b_max})在使用驱动力矩的车轮n上进行分配，得到期望作用于车轮n的驱动力矩指令，否则按照车轮垂向载荷比例将(M_des‑M_{b_max})在车轮n上进行分配；步骤(8)中，依据M_des的大小，其具体实现过程分为两种情况： 情况1，M_des>0： ①T_m＝F_{b_min_m},m＝1,3； ②车轮的主动转向指令根据(M_des‑M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； ③如果(M_des‑M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，将“最小限度使用驱动力矩”原则描述为下式：minJ＝T₂+T₄     (e‑1)； ④将“满足(M_des‑M_{b_max})需求与轮胎间附着力限制的前提”分别描述为式(f‑1)和(g‑1)： M_des‑M_{b_max}＝(T₂L₂+T₄L₄)/R   (f‑1)， 式中：n是使用驱动力矩车轮的编号，n＝2，4；T_n是车轮n的驱动力矩指令，驱动时T_n>0；L_n是车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径，F_{d_max_n}为使用驱动力矩的车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的驱动力上界； ⑤将式(e‑1)、(f‑1)、(g‑1)认为是线性规划问题，写为下式： ⑥采用单纯形法对式(h‑1)进行求解计算，得到车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝2，4； ⑦如果则按照车轮垂向载荷比例将(M_des‑M_{b_max})在车轮n上进行分配,得到车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝2，4；情况2，M_des<0： ①T_m＝F_{b_min_m},m＝2,4； ②车轮的主动转向指令根据(M_des‑M_{b_max})，使用PID控制器或模糊控制器得到； ③如果(M_des‑M_{b_max})∈[M_{d_min},M_{d_max}]，将“最小限度使用驱动力矩”原则描述为下式： minJ＝T₁+T₃   (e‑2)； ④将“满足(M_des‑M_{b_max})需求与轮胎间附着力限制的前提”分别描述为式(f‑2)和(g‑2)： M_des‑M_{b_max}＝‑(T₁L₁+T₃L₃)/R     (f‑2)， 式中：n是使用驱动力矩车轮的编号,n＝1,3；T_n是车轮n的驱动力矩指令，驱动时T_n>0；L_n是各个车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的附着力形成横摆力矩时的对应力臂；R为轮胎滚动半径，F_{d_max_n}为使用驱动力矩的车轮n与地面间沿着轮胎滚动方向的驱动力上界； ⑤将式(e‑2)、(f‑2)、(g‑2)认为是线性规划问题，写为下式： ⑥采用单纯形法对式(h‑2)进行求解计算，得到使用驱动力矩的车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝1，3； ⑦如果则按照车轮垂向载荷比例将(M_des‑M_{b_max})在车轮n进行分配,得到使用驱动力矩的车轮n的驱动力矩指令T_n，n＝1,3。