[发明专利]一种基于时变动力学模型的四轮转向汽车稳定性控制方法

说明书

一种基于时变动力学模型的四轮转向汽车稳定性控制方法，其特征在于，该方法包括参考模型、轮胎数据处理器、MPC控制器、CarSim汽车模型；参考模型用于确定期望的汽车横摆角速度和质心侧偏角；轮胎数据处理器用于确定轮胎的侧偏角、侧向力和侧向力梯度；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车纵向速度、横摆角速度、质心侧偏角和路面附着系数；MPC控制器根据期望的汽车横摆角速度、质心侧偏角和汽车的实际运动状态信息，优化求解出汽车的后轮转角，输出给CarSim汽车模型，控制汽车实现稳定性控制。

技术领域：

本发明涉及汽车稳定性控制领域，特别是关于一种基于时变动力学模型的四轮转向汽车稳定性控制方法。

背景技术：

随着人们对汽车行驶安全性越来越重视，汽车主动安全系统得到快速发展，其中四轮转向(Four Wheel Steering,4WS)作为一种提高汽车稳定性的有效手段已得到了广泛的认可，运用4WS技术，可以有效地减小低速行驶时汽车的转弯半径，提高高速行驶时汽车的稳定性。

目前，4WS所采用的控制方法主要有PID控制、鲁棒性控制、神经网络控制和模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)等，其中模型预测控制因能较好地处理多目标任务以及系统约束，在汽车稳定性控制领域得到了广泛的应用。

根据其采用的预测模型以及优化方法的不同，MPC可分为非线性MPC和线性MPC。非线性MPC的计算负担重，实时性差，很难应用于实际，而线性MPC计算负担小，计算速度快，因而得到了广泛使用。论文[Hang P,Luo F,Fang S,et al.Path Tracking Control of aFour-Wheel-Independent-Steering Electric Vehicle based on Model PredictiveControl[C]//中国控制会议.2017:9360-9366.]假设轮胎侧偏角处于线性区域，将非线性的轮胎模型近似成线性轮胎模型，通过线性MPC实现了四轮转向控制，然而线性MPC不能表征轮胎的非线性特性侧偏特性，因此在极限工况下控制器的控制效果差。论文[陈杰,李亮,宋健.基于LTV-MPC的汽车稳定性控制研究[J].汽车工程，2016，38(3):308-316.]基于线性化的轮胎模型采用线性时变的MPC方法实现了汽车稳定性控制，同时兼顾了系统的非线性特性和计算负担。但是，论文中对轮胎侧向力线性化处理的方法过于简单，无法表征轮胎侧向力的实际变化趋势，在极限工况下控制器的控制效果不理想；此外，该方法采用的预测模型在预测时域里保持不变，在滚动预测过程中不能体现汽车实际的变化趋势。

发明内容：

为了解决现有的线性时变MPC预测模型不能体现汽车的非线性动力学特性，导致极限工况下4WS系统控制效果差的问题。本发明提供一种基于时变动力学模型的四轮转向汽车稳定性控制方法，采用线性时变的方法将非线性预测控制问题转换成线性预测控制问题，并且在预测时域内根据轮胎侧向力的变化趋势自动调节预测模型，在减小系统的计算负担的同时准确表征汽车的非线性动力学特性，保证极限工况下4WS控制器的稳定性，实现汽车的稳定性控制。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种基于时变动力学模型的四轮转向汽车稳定性控制方法，其特征在于，该方法包括参考模型、轮胎数据处理器、MPC控制器、CarSim汽车模型；参考模型用于确定期望的汽车横摆角速度和质心侧偏角；轮胎数据处理器用于确定轮胎的侧偏角、侧向力和侧向力梯度；CarSim汽车模型用于输出汽车的实际运动状态信息，包括汽车纵向速度、横摆角速度、质心侧偏角和路面附着系数；MPC控制器根据期望的汽车横摆角速度、质心侧偏角和汽车的实际运动状态信息，优化求解出汽车的后轮转角，输出给CarSim汽车模型，控制汽车实现稳定性控制；

该方法包括以下步骤：

步骤1、建立参考模型，确定期望的汽车横摆角速度和质心侧偏角，其过程包括如下子步骤：