[发明专利]车辆稳定性模型预测控制方法

摘要

一种车辆稳定性模型预测控制方法，属于控制技术领域。本发明的目的是建立考虑路面不平度的车辆横摆动力学模型，然后运用模型预测控制算法来设计横摆稳定控制器，来有效防止电动汽车在恶劣工况以及急转弯的情况下，车辆发生侧倾、甩尾的车辆稳定性模型预测控制方法。本发明的步骤是：考虑路面不平度的电动汽车力学和动力学模型搭建、横摆稳定控制器。本发明在进行转矩分配策略制定的过程中，考虑了车辆安全性（防止打滑或者抱死，侧倾或者甩尾）、整车性能（加速和制动性能）、驾驶舒适性（力矩变化不能太大，垂向力变化值不能太大）、节约控制能量（在满足性能前提下节约能量）。提高整车动力学性能。

主权项

1.一种车辆稳定性模型预测控制方法，其特征在于：其步骤是：一、考虑路面不平度的电动汽车力学和动力学模型搭建(1)考虑路面不平度的车辆力学模型搭建根据车身与车轮处的受力分析得出公式(1)(2):车身、悬架与车轮受力分析得出:车辆在不平路面行驶中会产生俯仰运动，根据车身处力矩平衡可得:轮胎处受力分析得出轮胎力:Fti＝kti(xwi‑xoi)   (6)对悬架处进行力学分析:其中，i＝f,r分别代表车辆的前轮和后轮，mwi为车轮质量，m为车体质量，xwi为车轮垂向位移，xbi为车体前后端垂向位移，xoi为路面激励，ksi为悬架弹性系数，csi为悬架阻尼系数，kti为轮胎弹性系数，cti为轮胎阻尼系数，Fti为轮胎力，Fsi为悬架力，Ihb为身车体绕y轴转动惯量，θ为俯仰运动的俯仰角，a,b分别为前后轴距；将方程(3)‑方程(6)整理可以得到：其中，由上述方程，可得振动模型中轮胎所受压力为：(2)车辆动力学模型搭建控制器模型其中，β是质心侧偏角侧滑角，代表车辆纵轴与车速矢量方向之间的角度，γ是车身的横摆率；β和γ代表简化二自由度车辆动力学模型的两个自由度；Fyf,Fyr分别代表二自由度车辆模型前轮侧向力和后轮侧向力，m代表整车质量，V代表纵向车速，Lf,Lr分别代表车辆质心到前轴的距离和质心到后轴的距离；Mz是车辆横摆力矩，表达如下其中，d代表单轴左右侧轮距，Fxfl Fxfr Fxrl Fxrr代表左前轮、左后轮、右前轮和右后轮的纵向力；轮胎侧向力的魔术公式模型：Fyi＝Dsin(Carctan(Bαi‑E(Bαi‑arctanBαi)))   (13)其中，i＝f,r代表前轮和后轮，B，C，D和E均有垂向载荷决定，所以轮胎侧向力Fyi是一个与侧偏角αi和垂向载荷Fz相关的函数；对侧向力进行变化得到轮胎侧向力的三次项表达式：其中，Cf,Cr为前后轮转向刚度，Ka,Kb为拟合系数，前、后轮侧偏角如下所示：其中，δf为前轮转角；轮胎的垂向力负载描述为其中，hcg代表车辆质心高度，g代表重力加速度，ax代表纵向加速，ay代表纵向加速度；得车轮实际所受垂向力:由纵向运动与俯仰运动，建立如下方程：由两个车轮的旋转运动，得下式：其中，ωi为前、后轮旋转角速度，Tei为前轮驱动转矩，Tbi为后轮驱动转矩，R为车轮有效半径，Ji为车轮的转动惯量；根据滑移率的定义，得纵向滑移率的计算表达式如下式(26)，上式为加速过程中的滑移率计算式，下式为制动过程中的滑移率计算式其中，ε是设定好的常值，将公式(26)两边求导，公式(24)(25)带入求导后的公式得：当只考虑驱动情况时公式表达为：公式(1)(14)进行整理得到系统模型为二、横摆稳定控制器系统模型为公式(29)所示，将其进行整理得到系统的状态空间模型n＝3,4,5,6,s＝fl,fr,rl,rr将横摆角速度γ、质心侧偏角β和四个车轮的滑移率作为系统的状态变量x＝[β,γ,λfl,λfr,λrl,λrr]T，控制量为u＝[δf,Tfl,Tfr,Trl,Trr]T分别为前轮转向角、四个车轮驱动电机的转矩命令，系统输出y＝[β,γ]T；利用欧拉公式进行离散化，得到的离散时间系统模型如下：其中，k表示采样时刻，T_s为采样时间，矩阵推导出p步预测状态和预测输出：通过加权系数来调节彼此的比重，从而实现车辆不同性能指标间的折中优化。