[发明专利]一种基于启发式算法的车辆横向稳定性控制方法

权利要求书

1.一种基于启发式算法的车辆横向稳定性控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一，采集汽车的参数；

需要采集的参数包括固有参数和实时参数，其中：

固有参数：包括汽车总质量m，转动惯量I_z，前、后轴到汽车重心的距离l_f、l_r，以及前、后轮的侧偏刚度C_f、C_r；这些参数是汽车固有的，可提前采集并存储；

实时参数：包括前轮转向角δ，汽车纵向速度v_x，横摆角速度r，质心侧偏角β；这些参数中，前轮转向角可通过传感器采集方向盘转角，然后通过转向传动机构的参数来计算获得；横摆角速度可通过陀螺仪测算获得；车身纵向速度和质心侧偏角可通过状态参数估计器结合方向盘转角、横摆角速度、车身各方向加速度计算得到，车身各方向加速度可由陀螺仪得到；

步骤二，利用汽车的参数，建立包含参数不确定性的汽车状态反馈控制模型；

在该步骤中，首先建立汽车二自由度模型，根据牛顿力学定律，可得到以下方程：

在上述方程中：

F_yf＝C_fα_f,F_yr＝C_rα_r

其中，C_f、C_r分别为前后轮胎的侧偏刚度，α_f,α_r分别为前、后轮侧偏角；

选取质心侧偏角β和横摆角速度r作为控制模型的状态变量，可得到如下汽车横向运动模型：

其中：

x(t)＝[βr]^T，u(t)＝ΔM_z，w(t)＝δ，

考虑上述模型中的车辆纵向速度v_x为不确定参数，令q₁＝1/v_x,q₂＝1/v_x²，则系统可以描述为：

其中：

假设汽车纵向速度在一定在范围内变化，则q_i在范围内变化，i＝1,2；则变量q的值就会在一个多胞体范围内变化，可以记为：

其中：

上式中，参数上部的横线表示可取的最大值，下部的横线表示可取的最小值；因为考虑纵向速度为不确定因素，因此假设纵向速度在一定范围内取值，如q₁表示q₁可取的最小值即纵向速度最大时，表示q₁可取的最大值即纵向速度最小时；

然后，考虑上述模型中的轮胎侧偏刚度为不确定参数，即有：

C_f＝C_f0+ΔC_f,C_r＝C_r0+ΔC_r，

其中C_f0，C_r0为基础值，ΔC_f,ΔC_r为不确定部分，且有ρ_f,ρ_r为时变的系数，且取值有|ρ_f|≤1,|ρ_r|≤1，为不确定量的最大值；

基于以上分析，可得系统方程为：

其中：

ΔA,ΔB₁可以表示为以下形式：

ΔA＝HΓE_a(q),ΔB₁＝HΓE_b(q),H＝[I I],Γ＝diag{ρ_f,ρ_r}.

E_a(q)＝[E_af(q) E_ar(q)]^T,E_b(q)＝[E_bf(q) 0_1×2]^T，

也可写为如下形式：

为了获得更好的操纵性和稳定性，质心侧偏角应趋近于0，横摆角速度应趋近于以下参考值：

其中K_u为车身相关的一个固有参数；

选取系统输出变量为其中c_β,c_r分别为两个被控变量的权重系数；

C₁＝diag{c_β,c_r},D₁(q)＝[0,-c_rq₁/(l_f+l_r)K_u]^T；

设系统的状态反馈控制器为u_sf＝K_sf·x，则闭环系统可表示为：

其中A_sf＝A+B₂K_sf；

步骤三，求解状态反馈控制器增益矩阵K_sf；

所述步骤二中建立了汽车控制系统模型，针对该系统模型，需要确定状态反馈增益矩阵K_sf的取值；选取H_∞参数来表征输出z(t)，设||T₁||_∞表示系统的H_∞增益，||z||₂,||δ||₂分别表示z和δ的二范数，由于实际情况中前轮转向角δ是有一定限度的，因此δ∈L₂，L₂表示前轮转向角的取值范围；此外，考虑控制力执行机构的饱和，控制力应满足条件||u||²≤u_max；

基于以上分析，通过求解以下两个线性矩阵不等式，即可解出K_sf：

其中，u_max和γ_∞为给定的正标量，ε,η为需要求解的正标量，W和X为需要求解的矩阵变量，且X为正定对称矩阵，i＝1,2,3,4.，通过求解出W和X，可得K_sf＝WX^-1；

步骤四，建立汽车输出反馈的控制模型，并求解输出反馈控制器；

类似步骤二，考虑静态输出反馈控制器u＝K_sof·y＝K_sofC_yx(t)，C_y＝diag{0,1}，则闭环系统可表达为：

其中A_sof＝A(q)+B₂K_sofC_y.，其余参数与步骤二中相同；

然后求解以下线性矩阵不等式：

其中：

ζ_i＝[K 0 -I]^T[L_iC_y 0 -F],

γ_∞为给定的正标量，K＝K_sf，K_sf为步骤三中求解出的状态反馈控制增益矩阵，λ为需求解的正标量，L_i,F,P为需求解的适当维度的矩阵变量，且P为正定对称矩阵，i＝1,2,3,4.最终可得输出反馈控制增益为：

然后通过下式计算汽车的横摆力矩ΔM_z：

u＝ΔM_z＝K_sofC_yx(t)；

通过力矩分配系统计算出需要分配到每个车轮的力矩，再通过动力系统动作来产生所需力矩，以实现汽车横向稳定性控制。