一种轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统及控制方法

1.本发明涉及车辆动力学控制技术领域，主要涉及一种轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统及控制方法。


背景技术：

2.在全世界范围内，能源短缺和环境污染的形势日益严峻，汽车工业的研发焦点成为节能和环保，电动汽车成为新宠，而采用轮毂电机驱动的电动汽车更是备受关注。而车辆众多、道路拥挤以及越来越高的行车速度很容易诱发交通事故，因此车辆的安全、稳定性能就变得更为重要。
3.由于四轮独立驱动电动车每个车轮的驱动转矩独立可控,在理论上可依据不同的工况直接控制各轮的输出转矩，优化前后驱动制动力的分配，既可以避免车辆因转矩过大而对地滑转,又可以根据需求提供足够的驱动力。同时，四轮轮毂电机独立驱动电动汽车容易对其外部附加横摆力矩加以控制，能够在不干扰驾驶员操作的情况下，有效控制车辆横向运动，且响应速度快，转矩输出控制准确，能大幅提升汽车稳定性控制的快速性和精确性。
4.目前，四轮毂电机驱动电动汽车的发展还比较初级，应用的控制方法多以传统的pid控制、逻辑门限控制等，但由于车辆行驶工况的复杂性，车辆参数的不确定性，这些控制方法的效果往往达不到期望值，所以有必要提高控制策略对参数变动以及外界干扰的鲁棒性。


技术实现要素：

5.发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统及控制方法，设计了一套从信息感知、状态估计、状态监控到控制模块实际给出控制方案，并驱动下层执行模块完成具体动作的控制系统及控制方法。
6.技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统，包括信息感知模块、状态估计模块、状态监测模块、控制模块和下层执行模块；
8.所述信息感知模块包括安装在汽车上的横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、车速传感器和方向盘转角传感器；信息感知模块通过接收传感器信息，获取车辆实时状态信息，包括横摆角速度、侧向加速度、车速和方向盘转角；
9.所述状态估计模块接收车辆实时状态信息，计算当前车辆理想横摆角速度与质心侧偏角，同时估计车辆实际质心侧偏角及质心侧偏角变化率；
10.所述状态监测模块利用估计的车辆实际质心侧偏角及质心侧偏角变化率监测当前车辆的横摆状态；
11.所述控制模块包括转向控制模块、集成控制模块、力矩控制模块；转向控制模块进行主动前轮转向控制；所述力矩控制模块进行直接横摆力矩控制；所述集成控制模块对主
动前轮转向与直接横摆力矩进行集成控制；
12.所述下层执行模块基于控制模块生成的控制律，控制转向电机和轮毂电机实现稳定性控制。
13.一种采用上述汽车横摆稳定性控制系统的控制方法，包括以下步骤：
14.步骤s1、信息感知模块获取车辆实际状态信息并传输至状态估计模块；
15.步骤s2、状态估计模块基于信息感知模块中各传感器传输的状态信息，计算车辆的理想横摆角速度与质心侧偏角，估计车辆质心侧偏角与质心侧偏角变化率；
16.步骤s3、状态监测模块监测判断当前车辆所处横摆状态，将横摆状态根据车辆质心侧偏角相平面图，分为稳定、临界稳定、失稳三种；
17.步骤s4、根据车辆当前横摆状态启动相应控制模块：当车辆处于稳定状态时，启动转向控制模块，产生前轮转角修正值；当车辆处于临界稳定状态时，启动集成控制模块，同时产生前轮转角修正值和附加横摆力矩值；当车辆处于失稳状态时，启动力矩控制模块，产生附加横摆力矩值；
18.步骤s5、当车辆处于临界稳定或失稳状态时，通过力矩控制和集成控制模块对附加横摆力矩值进行转化分配，产生目标纵向力矩；
19.步骤s6、下层执行模块接收控制模块生成的控制律，控制转向电机和轮毂电机实现稳定性控制。
20.进一步地，所述步骤s2中计算车辆理想横摆角速度与质心侧偏角具体方法包括：
21.首先建立车辆二自由度模型如下：
[0022][0023]
其中其中b2＝-ak1/iz，β为质心侧偏角，为横摆角速度，为车辆航向角，u为纵向车速，k1、k2依次为车辆前轮、后轮的侧偏刚度，a、b依次为车辆质心至前轴、后轴距离，m为整车质量，iz为横摆转动惯量，δf为前轮转角，
△
m为附加横摆力矩；
[0024]
由上述车辆二自由度模型确定车辆理想横摆角速度与质心侧偏角如下：
[0025][0026][0027]
其中，ωd、βd为车辆理想横摆角速度和质心侧偏角，μ为路面附着系数，g为重力加速度，βm＝arctan(0.2μg)，为稳定
性因数，l＝a+b。
[0028]
进一步地，所述步骤s3中当前车辆所处横摆状态区分标准如下所示：
[0029][0030]
进一步地，所述步骤s4中，当车辆处于稳定状态时，启动转向控制模块，产生前轮转角修正值；具体地，转向控制模块以横摆角速度为控制目标，令转角修正值；具体地，转向控制模块以横摆角速度为控制目标，令采用非奇异快速终端滑模控制方法，构建如下滑模面：
[0031][0032]
其中
[0033]
设计前轮转角控制律为：
[0034][0035]
其中，控制律参数λ1、λ2、γ1、γ2、k1、k2根据具体应用的车辆参数由试验测试确定且需满足λ1》0，λ2》0，1《γ2《2，γ1》γ2，k1》0，k2》0。
[0036]
当车辆处于失稳状态时，启动力矩控制模块，产生附加横摆力矩值；具体地，所述力矩控制模块以质心侧偏角为控制目标，令采用非奇异快速终端滑模控制方法，构建如下滑模面：
[0037][0038]
设计附加横摆力矩控制律为：
[0039][0040]
其中，控制律参数λ3、λ4、γ3、γ4、k3、k4根据具体应用的车辆参数由试验测试确定且需满足λ3》0，λ4》0，1《γ4《2，γ3》γ4，k3》0，k4》0；
[0041]
当车辆处于临界稳定状态时，启动集成控制模块，同时产生前轮转角修正值和附加横摆力矩值；具体地，集成控制模块以横摆角速度和质心侧偏角联合为控制对象；
[0042]
令状态变量x＝[β,ω]
t
，理想状态变量xd＝[βd,ωd]
t
，控制输入u＝[δf,
△
m]
t
，根据所述车辆二自由度模型建立被控对象的状态空间方程：
[0043][0044]
其中d为系统未知干扰，
[0045]
采用滑模控制方法，构建如下滑模面：
[0046]
z＝x-xd[0047]
设计集成控制律：
[0048]
[0049]
其中，||η||》||d||，f为状态反馈增益，通过求解以下矩阵不等式获得：
[0050]at
p+m
t
+pa+m《0
[0051]
其中f＝(pb)-1
m，p为对角矩阵且p》0。
[0052]
有益效果：
[0053]
本发明提供的轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统及控制方法，充分利用了轮毂电机驱动车辆的独特优势，有效实现了车辆的稳定性控制。本发明针对车辆不同稳定状态下的动力学特性，选取最优控制对象，针对车辆模型参数不确定及外部干扰问题，提出了一种非奇异快速终端滑模稳定性控制方法和基于线性矩阵不等式的滑模控制方法，实现了直接横摆力矩与主动前轮转向的集成控制，提高了控制策略对参数不确定以及外界干扰的鲁棒性。
附图说明
[0054]
图1是本发明提供的轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统结构示意图；
[0055]
图2是本发明实施例中轮毂电机驱动汽车的横摆稳定性控制方法流程示意图。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057]
本发明提供的基于轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统如图1所示，包括信息感知模块、状态估计模块、状态监测模块、控制模块和下层执行模块。
[0058]
信息感知模块包括安装在汽车上的横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、车速传感器和方向盘转角传感器。信息感知模块通过接收传感器信息，获取车辆实时状态信息，包括横摆角速度、侧向加速度、车速和方向盘转角。
[0059]
状态估计模块接收车辆实时状态信息，计算当前车辆理想横摆角速度与质心侧偏角，同时估计车辆实际质心侧偏角及质心侧偏角变化率。
[0060]
状态监测模块利用估计的车辆实际质心侧偏角及质心侧偏角变化率监测当前车辆的横摆状态。
[0061]
控制模块包括转向控制模块、集成控制模块、力矩控制模块。转向控制模块进行主动前轮转向控制(afs)。力矩控制模块进行直接横摆力矩控制(dyc)。集成控制模块对主动前轮转向与直接横摆力矩进行集成控制。
[0062]
下层执行模块基于控制模块生成的控制律，控制转向电机和轮毂电机实现稳定性控制。
[0063]
各个模块间通过can总线进行信息传输，具体控制方法如图2所示：
[0064]
步骤s1、信息感知模块通过安装在车身的各传感器，获取车辆实际状态信息并传输至状态估计模块。车辆实际状态信息包括当前车辆的横摆角速度ω、侧向加速度ay、车速u和方向盘转角δ。
[0065]
步骤s2、状态估计模块基于信息感知模块中各传感器传输的状态信息，计算车辆的理想横摆角速度与质心侧偏角。首先需要建立车辆二自由度模型如下：
[0066][0067]
其中其中b2＝-ak1/iz，β为质心侧偏角，为横摆角速度，为车辆航向角，u为纵向车速，k1、k2依次为车辆前轮、后轮的侧偏刚度，a、b依次为车辆质心至前轴、后轴距离，m为整车质量，iz为横摆转动惯量，δf为前轮转角，
△
m为附加横摆力矩；
[0068]
由车辆二自由度模型确定车辆理想横摆角速度与质心侧偏角为：
[0069][0070][0071]
其中，ωd、βd为车辆理想横摆角速度和质心侧偏角，μ为路面附着系数，g为重力加速度，βm＝arctan(0.2μg)，为稳定性因数，l＝a+b。
[0072]
计算好当前车辆理想横摆角速度与质心侧偏角后，状态估计模块进一步估计车辆实际质心侧偏角及质心侧偏角变化率。车辆质心侧偏角估计方法研究较多，并非本发明创新点，本实施例采用卡尔曼滤波估计方法，算法如下：
[0073][0074]
其中，状态估计值观测值y＝[ay,ω]
t
，a为状态矩阵，q为过程噪声协方差矩阵，r为观测噪声协方差矩阵，p为估计误差协方差矩阵且需迭代更新，h为观测矩阵且
[0075]
步骤s3、状态监测模块监测判断当前车辆所处横摆状态，根据步骤s2中估计的车辆质心侧偏角，利用质心侧偏角相平面图判断，将车辆横摆状态分为稳定、临界稳定、失稳三种，具体表达式如下：
[0076][0077]
步骤s4、根据车辆当前横摆状态启动相应控制模块。具体包括以下三种情况：
[0078]
(1)、当车辆处于稳定状态时，启动转向控制模块，产生前轮转角修正值。
[0079]
此时以横摆角速度为控制目标，令采用非奇异快速终端滑模控制方法，构建如下滑模面：
[0080][0081]
所述滑模面公式中的符号函数指数形式表示该变量绝对值的相应指数次幂与变量符号的乘积，即下文涉及的符号函数指数形式均表示此含义；
[0082]
设计前轮转角控制律为：
[0083][0084]
其中，控制律参数λ1、λ2、γ1、γ2、k1、k2根据具体应用的车辆参数由试验测试确定且需满足λ1》0，λ2》0，1《γ2《2，γ1》γ2，k1》0，k2》0。
[0085]
通过设计lyapunov函数对其求导并代入前轮转角控制律可得：
[0086][0087]
可以证明前轮转角控制律的有效性。
[0088]
(2)、当车辆处于临界稳定状态时，启动集成控制模块，同时产生前轮转角修正值和附加横摆力矩值。
[0089]
此时以横摆角速度和质心侧偏角联合为控制对象，令状态变量x＝[β,ω]
t
，理想状态变量xd＝[βd,ωd]
t
，控制输入u＝[δf,
△
m]
t
，根据车辆二自由度模型建立被控对象的状态空间方程：
[0090][0091]
其中d为系统未知干扰，
[0092]
采用滑模控制方法，构建如下滑模面：
[0093]
z＝x-xd[0094]
设计集成控制律：
[0095][0096]
其中，||η||》||d||，f为状态反馈增益，可通过求解以下矩阵不等式获得：
[0097]at
p+m
t
+pa+m《0
[0098]
其中f＝(pb)-1
m，p为对角矩阵且p》0，
[0099]
设计lyapunov函数v＝z
t
pz，对其求导并代入集成控制律可得：
[0100][0101]
即证明被控对象的状态空间方程与集成控制律构成的闭环系统渐近稳定。
[0102]
(3)、当车辆处于失稳状态时，启动力矩控制模块，产生附加横摆力矩值。
[0103]
此时以质心侧偏角为控制目标，令采用非奇异快速终端滑模控制方法，构建如下滑模面：
[0104][0105]
设计附加横摆力矩控制律为：
[0106][0107]
其中，控制律参数λ3、λ4、γ3、γ4、k3、k4根据具体应用的车辆参数由试验测试确定且需满足λ3》0，λ4》0，1《γ4《2，γ3》γ4，k3》0，k4》0；
[0108]
步骤s5、当车辆处于临界稳定或失稳状态时，通过力矩控制和集成控制模块对附加横摆力矩值进行转化分配，产生目标纵向力矩。如果车辆处于稳定状态则跳过此步骤。
[0109]
对附加横摆力矩进行分配的方法研究较多，并非本发明核心创新点。本实施例采用平均分配方法作出说明。分配后各轮目标纵向力矩如下：
[0110][0111]
其中，td为驱动力矩，r为车轮半径，d为车宽。
[0112]
步骤s6、下层执行模块接收控制模块生成的控制律，控制转向电机和轮毂电机实现稳定性控制。
[0113]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统，其特征在于，包括信息感知模块、状态估计模块、状态监测模块、控制模块和下层执行模块；所述信息感知模块包括安装在汽车上的横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、车速传感器和方向盘转角传感器；信息感知模块通过接收传感器信息，获取车辆实时状态信息，包括横摆角速度、侧向加速度、车速和方向盘转角；所述状态估计模块接收车辆实时状态信息，计算当前车辆理想横摆角速度与质心侧偏角，同时估计车辆实际质心侧偏角及质心侧偏角变化率；所述状态监测模块利用估计的车辆实际质心侧偏角及质心侧偏角变化率监测当前车辆的横摆状态；所述控制模块包括转向控制模块、集成控制模块、力矩控制模块；转向控制模块进行主动前轮转向控制；所述力矩控制模块进行直接横摆力矩控制；所述集成控制模块对主动前轮转向与直接横摆力矩进行集成控制；所述下层执行模块基于控制模块生成的控制律，控制转向电机和轮毂电机实现稳定性控制。2.一种基于权利要求1所述轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、信息感知模块获取车辆实际状态信息并传输至状态估计模块；步骤s2、状态估计模块基于信息感知模块中各传感器传输的状态信息，计算车辆的理想横摆角速度与质心侧偏角，估计车辆质心侧偏角与质心侧偏角变化率；步骤s3、状态监测模块监测判断当前车辆所处横摆状态，将横摆状态根据车辆质心侧偏角相平面图，分为稳定、临界稳定、失稳三种；步骤s4、根据车辆当前横摆状态启动相应控制模块：当车辆处于稳定状态时，启动转向控制模块，产生前轮转角修正值；当车辆处于临界稳定状态时，启动集成控制模块，同时产生前轮转角修正值和附加横摆力矩值；当车辆处于失稳状态时，启动力矩控制模块，产生附加横摆力矩值；步骤s5、当车辆处于临界稳定或失稳状态时，分别通过力矩控制和集成控制模块对附加横摆力矩值进行转化分配，产生目标纵向力矩；步骤s6、下层执行模块接收控制模块生成的控制律，控制转向电机和轮毂电机实现稳定性控制。3.根据权利要求2所述的轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤s2中计算车辆理想横摆角速度与质心侧偏角具体方法包括：首先建立车辆二自由度模型如下：其中b2＝-ak1/i
z
，β为质心侧偏角，为横摆角速度，为车辆航向角，u为纵向车速，k1、k2依次为车辆前轮、后轮的侧偏刚度，a、b依次为车辆质心至前轴、后轴距离，m为整车质量，i
z
为
横摆转动惯量，δ
f
为前轮转角，
△
m为附加横摆力矩；由上述车辆二自由度模型确定车辆理想横摆角速度与质心侧偏角如下：由上述车辆二自由度模型确定车辆理想横摆角速度与质心侧偏角如下：其中，ω
d
、β
d
分别车辆理想横摆角速度和质心侧偏角，μ为路面附着系数，g为重力加速度，β
m
＝arctan(0.2μg)，为稳定性因数，l＝a+b。4.根据权利要求3所述的轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤s3中当前车辆所处横摆状态区分标准如下所示：5.根据权利要求1所述的轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤s4中，当车辆处于稳定状态时，启动转向控制模块，产生前轮转角修正值；具体地，转向控制模块以横摆角速度为控制目标，令具体地，转向控制模块以横摆角速度为控制目标，令采用非奇异快速终端滑模控制方法，构建如下滑模面：其中设计前轮转角控制律为：其中，λ1、λ2、γ1、γ2、k1、k2为控制律参数，根据具体应用的车辆参数由试验测试确定，且需满足λ1>0，λ2>0，1<γ2<2，γ1>γ2，k1>0，k2>0；当车辆处于失稳状态时，启动力矩控制模块，产生附加横摆力矩值；具体地，所述力矩控制模块以质心侧偏角为控制目标，令采用非奇异快速终端滑模控制方法，构建如下滑模面：设计附加横摆力矩控制律为：
其中，控制律参数λ3、λ4、γ3、γ4、k3、k4根据具体应用的车辆参数由试验测试确定且需满足λ3>0，λ4>0，1<γ4<2，γ3>γ4，k3>0，k4>0；当车辆处于临界稳定状态时，启动集成控制模块，同时产生前轮转角修正值和附加横摆力矩值；具体地，集成控制模块以横摆角速度和质心侧偏角联合为控制对象；令状态变量x＝[β,ω]
t
，理想状态变量x
d
＝[β
d
,ω
d
]
t
，控制输入u＝[δ
f
,
△
m]
t
，根据所述车辆二自由度模型建立被控对象的状态空间方程：其中d为系统未知干扰，采用滑模控制方法，构建如下滑模面：z＝x-x
d
设计集成控制律：其中，||η||>||d||，f为状态反馈增益，通过求解以下矩阵不等式获得：a
t
p+m
t
+pa+m<0其中f＝(pb)-1
m，p为对角矩阵且p>0。

技术总结
本发明公开了一种轮毂电机驱动的汽车横摆稳定性控制系统和控制方法，所述系统包括信息感知模块、状态估计模块、状态监测模块、控制模块和下层执行模块；信息感知模块获取车辆实际状态信息并传输至状态估计模块，状态估计模块计算车辆的理想横摆角速度与质心侧偏角，并估计车辆质心侧偏角与质心侧偏角变化率；状态监测模块监测判断当前车辆所处横摆状态，根据不同横摆状态启动相应的转向控制、力矩控制和集成控制模块；转向和力矩控制模块采用非奇异快速终端滑模控制方法，实现主动前轮转向和直接横摆力矩控制，集成控制模块采用基于线性矩阵不等式的滑模控制方法，实现二者的集成控制；本发明可以提高了控制策略对参数不确定以及外界干扰的鲁棒性。及外界干扰的鲁棒性。及外界干扰的鲁棒性。


技术研发人员：李丹阳 赵又群 熊铠 林棻
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2022/5/25