[发明专利]一种基于微分平坦的车辆稳定转向集成控制方法

权利要求书

1.一种基于微分平坦的车辆稳定转向集成控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1.通过实时采集的道路信息—道路曲率半径R^ref和车辆状态信息—车辆纵向速度v_x，计算车辆系统的期望状态变量，即控制器的期望—期望纵向速度期望侧向速度和期望横摆角速度ω^ref；

1)根据采集到的道路曲率半径R^ref，采用入弯减速出弯加速的原则按下式计算期望纵向速度

式中：v₀为入弯时刻速度；

2)根据道路曲率半径R^ref和上述计算得到的期望纵向速度采用稳态转向的运动学公式计算车辆的期望横摆角速度：

3)根据道路曲率半径R^ref和上述计算得到的期望纵向速度按下式计算车辆的期望侧向速度：

步骤S2.以步骤S1计算得到的期望纵向速度期望侧向速度和期望横摆角速度ω^ref作为控制器的期望，计算控制器输出量—输出力矩和输出转向角

1)根据步骤S2计算得到的期望纵向速度期望侧向速度和期望横摆角速度ω^ref及其导数计算期望微分平坦输出量及其导数

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{y_1}^{ref}={v_x}^{ref}\\ {y_2}^{ref}=l_f{{\mathrm{mv}}_y}^{ref}-I_z{\mathrm{\ω}}^{ref}\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}{{\stackrel{\·}{y}}_1}^{ref}={{\stackrel{\·\·}{v}}_x}^{ref}\\ {{\stackrel{\·\·}{y}}_2}^{ref}=l_{f}m{{\stackrel{\·\·}{v}}_y}^{ref}-I_z{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ω}}}^{ref}\end{array}\right.\end{array}$

同时，根据车载传感器实时采集的车辆实际纵向速度v_x、侧向速度v_y和横摆角速度ω，计算实际微分平坦输出量y₁、y₂：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=v_x\\ y_2=l_f{\mathrm{mv}}_y-I_z\mathrm{\ω}\end{array}\right.$

以上式中：l_f为前轴到质心距离；m为汽车质量；I_z为汽车绕z轴的转动惯量；

2)以上述计算得到的期望微分平坦输出量及其导数和实际微分平坦输出量y₁、y₂作为输入，计算PID输出量

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{y}}_1^c={\stackrel{\·}{y}}_1^{ref}+e_{y1}\\ {\stackrel{\·\·}{y}}_2^c={\stackrel{\·\·}{y}}_2^{ref}+60e_{y2}+12{\stackrel{\·}{e}}_{y2}\end{array}\right.$

式中：

3)以上述计算得到的PID输出量作为输入，计算控制器的输出量—输出力矩和输出转向角

$\left\{\begin{array}{c}{T_w}^{ref}=\[{\mathrm{\Δ}}_{22}({\stackrel{\·}{y}}_1^c-F_1)-{\mathrm{\Δ}}_{12}({\stackrel{\·\·}{y}}_2^c-F_2)\]/({\mathrm{\Δ}}_{11}\·{\mathrm{\Δ}}_{22}-{\mathrm{\Δ}}_{12}\·{\mathrm{\Δ}}_{21})\\ {{\mathrm{\δ}}_f}^{ref}=\[{\mathrm{\Δ}}_{11}({\stackrel{\·\·}{y}}_2^c-F_2)-{\mathrm{\Δ}}_{21}({\stackrel{\·}{y}}_1^c-F_1)\]/({\mathrm{\Δ}}_{11}\·{\mathrm{\Δ}}_{22}-{\mathrm{\Δ}}_{12}\·{\mathrm{\Δ}}_{21})\end{array}\right.$

${\mathrm{\Δ}}_{11}=\frac{1}{{\mathrm{mR}}^{ref}}$

${\mathrm{\Δ}}_{12}=\frac{C_f}{m}\left(\frac{v_y+{\mathrm{\ωl}}_f}{v_x}\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{21}=\frac{C_{r}l(v_y-{\mathrm{\ωl}}_r)-l_f{{\mathrm{m\ωv}}_x}^2}{{\mathrm{mR}}_e{v_x}^2}$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_{22}=\frac{(l_r{C}_{r}l-l_f{{\mathrm{mv}}_x}^2)l_f(C_f{R}_e-I_w{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_f)}{v_x{I}_z{R}_e}+\\ \frac{\[C_{r}l(v_y-{\mathrm{\ωl}}_r)-l_f{{\mathrm{m\ωv}}_x}^2\]C_f(v_y+{\mathrm{\ωl}}_f)}{{{\mathrm{mv}}_x}^3}-\frac{C_{r}l(C_f{R}_e-I_w{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_f)}{{\mathrm{mR}}_e{v}_x}\end{array}$

$F_1={\mathrm{\ωv}}_y-\frac{I_w}{{\mathrm{mR}}^{ref}}({\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_f)-\frac{\mathrm{\ρ}}{2m}{C}_x{A}_x{v_x}^2$

$F_2=\frac{C_{r}l(v_y-{\mathrm{\ωl}}_r)-l_f{{\mathrm{m\ωv}}_x}^2}{{v_x}^2}{f}_1-\frac{C_{r}l}{v_x}{f}_2+\frac{(C_r{l}_{r}l-l_f{{\mathrm{mv}}_x}^2)}{v_x}{f}_3$

这里的f₁、f₂、f₃分别为：

$f_1={\mathrm{\ωv}}_y-\frac{I_w({\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_f+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r)}{{\mathrm{mR}}_e}$

$f_2=-{\mathrm{\ωv}}_x-\frac{C_f(v_y+{\mathrm{\ωl}}_f)+C_r(v_y-{\mathrm{\ωl}}_r)}{{\mathrm{mv}}_x}$

$f_3=\frac{-l_f{C}_f(v_y+{\mathrm{\ωl}}_f)+l_r{C}_r(v_y-{\mathrm{\ωl}}_r)}{v_x}$

其中，m为汽车质量，I_z为汽车绕z轴的转动惯量，l_f为前轮到质心的距离，l_r为后轮到质心的距离，l为轴距，C_f、C_r为前后轮侧偏刚度，ω_f、ω_r为汽车前后轮角速度，为汽车前后轮角加速度，R_e为车轮滚动半径，I_w为车轮转动惯量，ρ为空气密度，C_x为纵向空气阻力系数，A_x为纵向迎风面积；

步骤S3.对步骤S2计算得到的控制器输出力矩进行分配后输入车辆系统，计算施加在四个车轮上的力矩T_fl、T_fr、T_rl、T_rr：

时，输入车辆系统并施加在四个车轮的力矩为：

时，输入车辆系统并施加在四个车轮的力矩为：

式中：T_fl为左前轮、T_fr为右前轮、T_rl为左后轮、T_rr为右后轮、M₁、M₂为力矩分配系数；

控制器以这种分配方式控制施加在四个车轮上的力矩T_fl、T_fr、T_rl、T_rr，运用于实现车辆的稳定转向控制；

步骤S4.根据步骤S3计算得到的控制器输出转向角和驾驶员预瞄转角δ_d加权计算得到不同车速时车辆系统的需求转向角

1)首先判断控制器是否介入：

式中，v_临为设定的临界车速；

2)需要控制器介入时，按下式计算不同车速时控制器的介入强度，即加权系数K₁：

K₁＝-0.002162v_x²+0.1288v_x-1.516

3)根据加权系数K₁，计算由控制器和驾驶员共同控制并输入车辆的车辆系统需求转向角

由控制器和驾驶员加权控制后，将车辆系统需求转向角输入车辆系统，运用于实现不同车速下，车辆系统对期望路径的跟踪能力；

步骤S5.判断控制过程是否终止，道路曲率半径R^ref＝0时车辆驶出弯道，控制过程结束，否则重新执行以上步骤实现循环控制。