[发明专利]考虑控制区域的极限工况下车辆横纵向稳定控制方法

权利要求书

1.一种考虑控制区域的极限工况下车辆横纵向稳定控制方法，其步骤是：

S1、利用仿真软件CarSim搭建四轮轮毂电机驱动电动汽车模型，构建极限驾驶工况；

其特征在于：

S2.根据当前的驾驶行为以及路况信息，考虑车辆横-纵-垂向动力学特性，给出在线的车辆控制控制区域边界条件，并将其划分为稳定区、临界稳定区和不稳定区，在不同的区域需要满足针对驾驶安全的不同控制需求；

控制需求设置

根据驾驶员行为以及路况信息在线得到关于横摆角速度γ和质心侧偏角β的控制区域，当前车辆状态(β,γ)判断出所处区域位置，针对车辆状态可能会处于不同区域的情况，需要满足的控制需求也会随之变化，其中不同区域是指稳定区域R1、临界稳定区域R2、不稳定区域R3；

当车辆状态逐渐远离稳定区，即从稳定区域R1过渡到临界稳定区域R2再到不稳定区域R3时，各目标函数权重值呈S型曲线形式变化如下：

其中k＝0.7，q₁＝0.1，q₂＝7，β_ain,β_aout,β_bin,β_bout分别表示边界a_in,a_aout,b_in,b_out上在当前γ下对应的质心侧偏角值；确定权重初始值Γ_ini、终端值Γ_ter以及β距离当前β_in的距离即可确定当前状态下的权重值；

S3.基于S2中划分的控制区域，根据当前的车辆质心侧偏角和横摆角速度，判断车辆当前所处于的区域位置，对于不同控制需求在车辆处于各区域时的切换，可将其映射为稳定性控制器设计中的不同控制目标及约束的变化；基于反映车辆横摆运动、侧向运动、纵向滑动的动力学模型，和考虑轮胎复合滑移特性的轮胎模型，设计模型预测控制器，其中控制目标权重值和约束条件按照S3变化；

MPC控制器设计

①车辆动力学模型

考虑车辆的横摆及侧向运动，得到车辆动力学模型如下：

其中，V_y为车辆侧向速度，δ_f为前轮转角，F_x和F_y分别代表轮胎的纵向力和侧向力，ΔT代表附加转矩，下标i∈{f,r},j∈{l,r}的组合ij∈{fl,fr,rl,rr}分别代表左前、右前、左后和右后车轮。另外对于车轮滚动，动力学成立，其中ω代表车轮转速。已知轮胎的纵向滑移率则滑移率的变化可根据动力学表达如下：

②轮胎模型

对轮胎的纵向力F_x和侧向力F_y描述如下：

其中，σ_0x,σ_0y分别代表纵向、侧向刚度系数，σ_2x,σ_2y分别代表纵向、侧向粘滞阻尼，κ_x,κ_y分别为纵向、侧向载荷分布系数；为合成滑移率；g(s_res)是关于滑移率和侧偏角的斯特里贝克方程，计算为g(s_res)≈C₁-C₂λ-C₃α，其中C₁＝1,C₂＝0.64,C₃＝0.1；轮胎垂向载荷其计算考虑车辆在转弯时、斜坡上的载荷重新分配，其中a_x,a_y分别代表纵、侧向加速度，为侧倾角，η,ζ分别代表侧、纵向道路坡度；

将纵向力和侧向力的变化提取为关于滑移率和侧偏角变化的形式

其中轮胎纵向力、侧向力对滑移率和侧偏角的偏导分别如下：

式中定义

已知轮胎侧偏角α的计算如下：

故其变化描述为关于横摆角速度和侧向速度的形式如下：

其中

将公式(6)与公式(8)结合，得到描述各个车轮纵向力和前/后轴侧向合力变化的最终形式如下：

根据公式(9)(10)，对该轮胎模型计算得到的纵、侧向力与CarSim在同一低附着双移线工况下端口输出的纵、侧向力进行对比，轮胎模型可较准确地计算出在极限工况下轮胎的纵向、侧向力，且能够描述转向时轮胎的非线性特性，满足模型精度；

③预测模型

根据动力学模型(2)(3)与轮胎模型(9)(10)得到面向控制器设计的预测模型，其状态量x由车辆横摆角速度、侧向速度、前后轴侧向力、轮胎滑移率以及纵向力组成，并将其进行归一化处理，即

其中下标max代表该量的上限值，V_ymax＝V_x·β_lim，γ_max＝γ_lim；控制量u为附加转矩，由于进行了归一化，控制量为

综上，预测方程描述为下述状态空间形式：

其中参数矩阵为：

基于公式(9)和(10)，矩阵M中各元素计算表达式如下：

将模型(11)进行离散化得到离散模型如下：

x(k+1)＝A(k)x(k)+B_u(k)u(k)+B_d(k) (12)

其中k代表当前时刻，T_s为采样时间；

④目标函数及约束

为了保证车辆在极限工况下的侧向稳定性，控制器的主要控制目标为横摆角速度和侧向速度对其参考值的跟踪，于是有以下目标函数：

其中x₁(t)是横摆角速度的预测输出，x₂(t)是侧向速度的预测输出，γ_ref和V_yref分别为由二自由度参考模型得到的横摆角速度和侧向速度参考信号值；定义四个车轮的滑移率集合为λ_x＝[x₅,x₆,x₇,x₈]^T，为了保证车辆的纵向稳定，抑制车轮纵向滑动保证驾驶安全，设计下面控制目标：

J₃＝||λ_x(t)||² (14)

设置关于控制量的目标函数J₄＝||u(t)||²以降低转矩能量消耗；

对于车辆纵向安全，有下列对于轮胎纵向滑移率的约束，其中λ_lim为约束值：

对于车辆的侧向安全及稳定性，设置关于侧向速度的约束如下：

其中V_ylim为侧向速度的约束值，且λ_lim与V_ylim按照前述中各控制区域的不同需求变化；

考虑执行器饱和问题，设置控制量约束：

u(t)∈[-I_4×1 I_4×1] (17)

其中I代表元素全为1的矩阵；

综上得到优化问题如下：

s.t.(12),(15),(16),(17)

其中Γ_v,Γ_x,Γ_u为权重系数，且在不同区域中根据不同控制需求按公式(1)变化；优化问题(18)利用二次序列规划算法进行求解，得到控制量为附加转矩作用于轮毂电机。