[发明专利]一种四轮独立驱动电动汽车稳定性控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种四轮独立驱动电动汽车稳定性控制方法，联合利用相图和安全速度区域判别稳定性，实时准确的判断出当前的汽车运行状态是否稳定。同时本发明提出了一种四轮独立驱动电动汽车稳定性控制系统，是利用最优力矩分配的方法综合控制四轮独立驱动电动汽车的四轮独立驱动系统与四轮独立制动系统，使得四个车轮更为协调的工作，提高了稳定性控制器在四轮独立驱动电动汽车上的准确性和实用性。

主权项

一种四轮独立驱动电动汽车稳定性控制方法，其特征在于，该方法利用四轮独立驱动电动汽车稳定性控制系统对四轮独立驱动电动汽车进行控制；所述四轮独立驱动电动汽车稳定性控制系统包括：上层稳定性判别模块、中层理想的纵向力及横摆力矩计算模块、下层最优力矩分配模块；所述方法包括步骤100至步骤300：步骤100：利用上层稳定性判别模块，实时的判别当前汽车是否处于稳定状态；所述上层稳定性判别模块包括相图判别稳定性模块和安全速度区域判别模块；还包括步骤110和步骤120：步骤110：相图判别稳定性模块利用质心侧偏角‑质心侧偏角速度相图来划分汽车运行的稳定性区域和非稳定性区域，通过质心侧偏角估计器传来的数据来判别当前的汽车是否需要横摆力矩控制器进行控制；还包括步骤111和步骤112：步骤111：绘制汽车质心侧偏角‑质心侧偏角速度相图；根据汽车的单轨非线性运动方程公式：β·=1mvx(Fyf+Fyr)-γ]]>γ·=1Iz(aFyf-bFyr)]]>绘制在不同初始条件下质心侧偏角‑质心侧偏角速度相图；其中：β为汽车的质心侧偏角，为汽车的质心侧偏角速度，γ为横摆角速度，为横摆角加速度，m为汽车的质量，vx为汽车的纵向速度，Fyf为汽车前轮所受的纵向力，Fyr为汽车后轮所受的纵向力，a为前轴到汽车质心的距离，b为后轴到汽车质心的距离，Iz为汽车的转动惯量；其中，轮胎所受的纵向力采用魔术轮胎公式进行计算：Fy＝D sin(Carctan(Bα‑E(Bα‑arctanBα)))其中，Fy为轮胎所受的纵向力，B、C、D、E为拟合系数，α为轮胎侧偏角；步骤112：根据绘制的相图，寻找稳定性边界方程，建立稳定性判别准则；稳定性边界的区域为：其中B1、B2为稳定性边界常数，β为汽车的质心侧偏角，为汽车的质心侧偏角速度；当测得的质心侧偏角，质心侧偏角速度处在稳定性区域之内时，不启动横摆力矩控制器；当测得的质心侧偏角，质心侧偏角速度处在稳定性区域之外时，启动横摆力矩控制器；步骤120：安全速度区域判别模块利用最大稳态转弯半径、最大的侧向加速度及侧倾指数形成的约束条件来判别当前的车速是否处在安全区域内；还包括步骤121至步骤124：步骤121：根据稳态转向半径建立第一个约束条件：S1={vx≤f1=δfmax|kr|·A-LA}]]>A=m·b2·Cf·L-m·a2·Cr·L]]>其中A表示不足转向梯度，S1表示根据稳态转弯半径确定的安全速度区域，kr表示当前前轮转角下，汽车的瞬时曲率半径，δfmax为转向轮最大的转向角度，f1为由稳态转向确立的曲率半径边界方程，vx为汽车的纵向速度，L为轴距，a前轴到质心的距离，b为后轴到质心的距离，Cf为前轮侧偏刚度，Cr为后轮侧偏刚度，m为汽车的质量；步骤122：根据路面附着条件建立第二个约束条件：S2={vx≤f2=μ·g|kr|}]]>其中S2为由路面附着条件确定的安全速度区域，kr表示当前前轮转角下，汽车的瞬时曲率半径，f2为由路面附着条件确立的曲率半径边界方程，μ为地面附着系数，g表示重力加速度，vx为汽车的纵向速度；步骤123：根据汽车侧倾指数建立第三个约束条件：S3={vx≤f3=ay_max|kr|}]]>其中，其中，ay_max表示最大横向加速度值，S3为由汽车侧倾指数确定的安全速度区域，kr表示当前前轮转角下，汽车的瞬时曲率半径，f3为由侧倾指数确立的曲率半径边界方程，vx为汽车的纵向速度，ay_c为横向加速度阈值，C1、C2、C3为正的常数，由试验获得，RImax为侧倾指数最大值，Φth为侧倾角度阈值，为侧倾角速度阈值，Φ为汽车实际的侧倾角度，为汽车实际的侧倾角速度；步骤124：求三个约束条件的交集，得安全速度区域；安全速度区域S为三个约束条件的交集：S＝S1∩S2∩S3步骤200：利用中层理想的纵向力及横摆力矩计算模块计算理想的纵向力及横摆力矩，还包括步骤210和步骤220：步骤210：当汽车的速度处在安全速度区域内时，理想的纵向力等于驾驶员通过加速踏板或制动踏板输入的力，用公式表示为：Fx_des＝Fdriver其中，Fx_des为理想的纵向力，Fdriver为驾驶员通过加速踏板或制动踏板输入的力；当汽车的速度超出安全速度区域后，利用中层理想的纵向力模块求得汽车的安全速度，将求得的安全车速作为目标车速；目标车速表达式vx_des＝min(g1(kr),g2(kr),g3(kr))其中，g1,g2,g3分别表示f1，f2，f3的反函数，kr表示当前前轮转角下，汽车的瞬时曲率半径；f1为由稳态转向确立的曲率半径边界方程，f2为由路面附着条件确立的曲率半径边界方程，f3为由侧倾指数确立的曲率半径边界方程；用滑模控制的方式跟踪安全车速：s1＝vx‑vx_des其中，s1为滑模面，vx为实际车速，vx_des为理想车速；Fx_des={(Fy1+Fy2)sinδf-m(vyγ-vx_des)}-m·K1·sat(s1Φ1)]]>其中：Fx_des为理想的纵向力，Fy1为左前轮所受的纵向力，Fy2为右前轮所受的纵向力，δf为前轮转角，vy为汽车的侧向速度，γ为汽车的横摆角速度，m为汽车质量，K1,Φ1为滑模控制器参数，s1为滑模面；步骤220：利用中层理想的横摆力矩计算模块计算理想的横摆力矩；用滑模控制的方式跟踪理想的横摆角速度：s2＝γ‑γdes其中，s2为滑模面，γ为实际横摆角速度，γdes为理想横摆角速度；Mz_des=Iz(2(a·Cf-b·Cr)Iz·β+2(a2·Cf-b2·Cr)Iz·vx·γ-2a·CfIz·δf)-K2·Iz·sat(s2Φ2)]]>其中，Mz_des为理想的横摆力矩，Iz为汽车的转动惯量，K2,Φ2为滑模控制器参数，δf为前轮转角，vx为汽车的纵向速度，Cf为前轮侧偏刚度，Cr为后轮侧偏刚度，β为质心侧偏角，a为前轴到质心的距离，b为后轴到质心的距离，s2为滑模面，γ为实际横摆角速度；步骤300：利用下层最优力矩分配模块利用目标函数和约束条件，以最优分配算法综合控制四轮独立驱动系统和四轮独立制动系统；最终的力矩分配表达式为：u=argminu-≤u≤u+(||Wuu||22+γ1||Wv(B1u-v)||22+γ2||Ww(B2u-Tω)||22)]]>其中v表示为理想的牵引力与横摆力矩矩阵，u为四轮独立驱动系统和四轮独立制动系统力矩矩阵，u‑，u+为由电机约束条件及四轮独立制动系统约束条件共同形成的四轮独立驱动系统和四轮独立制动系统力矩矩阵u的上下界，Wu为轮胎效率矩阵，Wv为汽车牵引力与横摆力矩分配权重矩阵，Ww为四个轮子的滑转率分配指令矩阵，B1为中层理想的纵向力及横摆力矩计算值与下层执行器之间的关系矩阵，B2为计算得到的滑转率控制力矩与下层执行器之间的关系矩阵，Tω为由滑转率控制器计算得到的滑转率控制力矩，γ1为力矩分配准确性权重系数，γ2为滑转率控制力矩分配准确性权重系数。