一种四轮驱动电动汽车的集成底盘控制方法技术

本发明专利技术属于电动汽车领域，具体的说是一种四轮驱动电动汽车的集成底盘控制方法。本发明专利技术利用分布驱动电动汽车动力学模型即十四自由度车辆操纵模型、UniTire轮胎模型、电机控制模型以及驾驶员模型设计了车辆状态与参数在线估计系统、质心侧偏角观察器、稳定性判断系统、集成协调底盘控制模型、模型预测控制、考虑约束的多步中心矫正内点优化算法；通过分析二自由度车辆模型，得到参考状态轨迹、参考期望控制变量的离线优化系统。本发明专利技术将主动前轮转向和直接横摆力矩控制两种控制方法结合起来，通过优化车辆底盘控制结构、合理设计集成底盘控制算法和优化调度电机的力矩分配提高车辆的操纵稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种四轮驱动电动汽车的集成底盘控制方法
本专利技术属于电动汽车领域，具体的说是一种四轮驱动电动汽车的集成底盘控制方法。
技术介绍
众所周知，汽车是人们生活中的重要交通工具，目前使用的汽车大多为燃油型汽车，随着资源的减少和环境问题的加剧，新能源汽车最终将取代燃油汽车成为未来最重要的交通工具之一，而电动汽车以其零排放、低污染、高效率等优势，成为未来新能源汽车的主要发展方向。现如今，主要的量产车型根据动力总成分为电机前置前驱、电机后置后驱、双电机前后轴独立驱动，但是，无论是前轮主动转向还是后轮主动转向都只能提供一个控制输入：前轮修正转向角或者后轮转向角。横摆角速度和质心侧偏角是汽车侧向动力学中的两个重要变量。为了提高车辆动力学性能，需要同时控制横摆角速度和质心侧偏角。而概念阶段的动力总成是由四轮电机分布驱动的，它使得车辆可以通过分配各个轮胎纵向力的比例提供直接横摆力矩，这种分布驱动电动汽车在不久的将来会成为电动汽车最终驱动形式。本专利技术所针对的具有主动转向的四轮分布驱动电动汽车是典型的过驱动系统，如何提高车辆的操控性成为了集成底盘控制的一个核心问题。
技术实现思路
本专利技术针对具有主动前轮转向的四轮独立驱动电动汽车，提供了一种四轮驱动电动汽车的集成底盘控制方法，该方法通过优化车辆底盘控制结构、合理设计集成底盘控制算法和优化调度电机的力矩分配实现车辆的操纵稳定性，解决了现有四轮驱动电动汽车存在的上述不足。本专利技术技术方案结合附图说明如下：一种四轮驱动电动汽车的集成底盘控制方法，该方法包括以下步骤：步骤一、为确定影响车辆侧向稳定性的相关状态量，以车身运动平面的四轮线性二自由度车辆模型为基础，对车辆转向、加速的运动状态进行分析，将主动前轮转向、直接横摆力矩作为控制输入，车辆的质心侧偏角和横摆角速度视为状态变量，分析前轮主动转向和横摆力矩对车辆稳定性的影响；步骤二、针对所研究的四轮驱动电动汽车集成底盘控制，利用相关的动力学模型，包括十四自由度车辆模型、永磁同步电机控制模型和驾驶员模型，以上述模型为基础进行模型验证；步骤三、建立集成底盘控制模型；步骤四、建立模型预测控制；步骤五、为获得车辆的稳定性区域，通过经典的相平面分析法来驱动车辆稳定性控制区域，通过不同初始β及质心侧偏角、γ即横摆角速度的初始条件激励二自由度车辆模型从而获得车辆的稳定区域，再通过相平面中稳定区域规律的研究从而设计车辆稳定性判据，以该判据为基础，通过集成底盘控制策略，自上而下统一平衡车辆的操纵稳定性；步骤六、为构建车辆状态及参数估计系统，利用基于信息融合的车身纵向速度观测器和基于复合轮胎模型的质心侧偏角观测器，对质心侧偏角观测来说，基于动力学方法的观测难点是轮胎侧向力的观测，通过复合轮胎模型建立轮胎侧向力的估计，通过动力学方法直接观测车身侧偏角；步骤七、为获得期望状态的反馈，根据四轮线性二自由度车辆模型，建立了参考状态轨迹；选择车辆的横摆角速度和侧向速度用于参考期望值作为模型预测指标J的反馈；横摆角速度和侧向速度用于车身的稳定性控制；步骤八、为验证集成底盘控制方法控制效果，建立了四轮驱动电动汽车实时动态仿真平台，通过高/低附路面蛇形绕桩实验、加速实验、双移线实验和路面分离实验，依此对集成底盘控制方法控制效果的有效性进行验证。所述步骤三的具体方法如下：车辆在二自由度模型下，轮胎纵向力所提供的横摆力矩可表示为：式中，twf为前轮轮距，twr为后轮轮距，Fxi为各个车轮纵向力，δf为主动前轮转向角，△δf为主动前轮转向的增益，△δf的可控区间小于3°，这样轮胎侧向力在近似线性区间内，因此前轮主动转向△δf很小，近似为零，式(1.1)可简化为式中，Fxi＝[FxflFxfrFxrlFxrr]T(1.2)lf为前轮半轴矩，lr为后轮半轴矩；通过式(1.2)得到的由轮胎纵向力提供的横摆力矩与前轮转角和纵向轮胎力有关，然而该项并没有考虑轮胎的弹性变形因素，假设轮胎的弹性变形恢复时间可表示为一阶惯性环节，该力矩表示为式中，τ为一阶时间常数，s为拉普拉斯算子，则车辆在二自由度模型下，轮胎侧向力所提供的横摆力矩可表示为：式中，twf为前轮轮距，twr为后轮轮距，Fyi为各个车轮侧向力，δf为主动前轮转向角，△δf为主动前轮转向的增益，lf为前轮半轴矩，lr为后轮半轴矩，根据轮胎动力学，轮胎的侧向力由轮胎侧偏刚度和轮胎侧偏角近似简化得Fyi＝kyiαyi(1.6)式中，kyi、αi分别表示轮胎复合工况下的侧偏刚度和侧偏角，轮胎的侧偏角可由前轮转角δf、Δδf和轮心前进速度uwi和轮心侧向速度vwi表示，有式中，轮心的前进速度uwi和侧向速度vwi由车身CG速度和横摆角速度表示[vwflvwfrvwrlvwrr]T＝Vy+[lfrlfr-lrr-lrr]T(1.8)式中，Vx、Vy分别为车辆纵向、侧向速度，twf为前轮轮距，twr为后轮轮距，lf为前轮半轴矩，lr为后轮半轴矩，r为横摆角速度；由式(1.8)、(1.9)表示的轮胎侧偏角是横摆角速度的非线性函数，假设横摆角速度对轮心前进速度的影响很小，简化后的轮胎前进速度uwi可近似为车身CG的纵向速度Vx，有[uwfluwfruwrluwrr]T＝Vx(1.10)因此，将式(1.8)、(1.10)带入式(1.6)，简化后的轮胎侧向力采用式(1.11)表示的轮胎侧向力Fyi与前轮转角δf、△δf、车身纵向速度uwi、侧向速度vwi和侧偏刚度kyi有关，因此使用状态观测等方法通过对基本变量的观测获得轮胎的侧向力；但是该方法得到的轮胎侧向力是一种准静态轮胎力模型，无法表达轮胎侧向力随时间的变化，因此将轮胎侧向力的变化率考虑到动力学模型中，有轮胎侧向力的变化率由两部分组成，第一项由侧偏刚度的变化引起，第二项由侧偏角的变化引起；根据对复合工况动力学模型分析，当无量纲轮胎力较小时，轮胎的侧偏刚度变化很小，如果考虑轮胎的松弛特性，在较短的控制周期内其变化也很小，变化率近似为零，因此忽略侧偏刚度变化率的影响，则轮胎侧向力的变化率可表示为进一步有轮胎侧偏角αyi的变化率与前轮转角δf、纵向速度Vx、侧向速度Vy及横摆角速度的变化率r有关；车辆的前轮转角由驾驶员输入获得，假设前轮转角的变化率很小，式(1.14)第一项近似为零；车辆侧向速度与极限工况下车辆的稳定性密切相关，通常车辆的侧向速度很小，因此侧向速度的变化率也很小；由于车辆纵向速度的变化率出现在侧偏角的分母项中，在车身纵向速度较大情况下，车辆侧偏角的变化受纵向速度的变化影响很小，因此轮胎侧向力的变化主要受车身横摆角速度的变化影响，即与横摆角加速度有关，有式中，kyi为采用轮胎复合工况动力学分析的侧偏刚度，αyi为车轮侧偏角，r为横摆角速度；...

【技术保护点】
1.一种四轮驱动电动汽车的集成底盘控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤一、为确定影响车辆侧向稳定性的相关状态量，以车身运动平面的四轮线性二自由度车辆模型为基础，对车辆转向、加速的运动状态进行分析，将主动前轮转向、直接横摆力矩作为控制输入，车辆的质心侧偏角和横摆角速度视为状态变量，分析前轮主动转向和横摆力矩对车辆稳定性的影响；/n步骤二、针对所研究的四轮驱动电动汽车集成底盘控制，利用相关的动力学模型，包括十四自由度车辆模型、永磁同步电机控制模型和驾驶员模型，以上述模型为基础进行模型验证；/n步骤三、建立集成底盘控制模型；/n步骤四、建立模型预测控制；/n步骤五、为获得车辆的稳定性区域，通过经典的相平面分析法来驱动车辆稳定性控制区域，通过不同初始β及质心侧偏角、γ即横摆角速度的初始条件激励二自由度车辆模型从而获得车辆的稳定区域，再通过相平面中稳定区域规律的研究从而设计车辆稳定性判据，以该判据为基础，通过集成底盘控制策略，自上而下统一平衡车辆的操纵稳定性；/n步骤六、为构建车辆状态及参数估计系统，利用基于信息融合的车身纵向速度观测器和基于复合轮胎模型的质心侧偏角观测器，对质心侧偏角观测来说，基于动力学方法的观测难点是轮胎侧向力的观测，通过复合轮胎模型建立轮胎侧向力的估计，通过动力学方法直接观测车身侧偏角；/n步骤七、为获得期望状态的反馈，根据四轮线性二自由度车辆模型，建立了参考状态轨迹；选择车辆的横摆角速度和侧向速度用于参考期望值作为模型预测指标J的反馈；横摆角速度和侧向速度用于车身的稳定性控制；/n步骤八、为验证集成底盘控制方法控制效果，建立了四轮驱动电动汽车实时动态仿真平台，通过高/低附路面蛇形绕桩实验、加速实验、双移线实验和路面分离实验，依此对集成底盘控制方法控制效果的有效性进行验证。/n...

【技术特征摘要】
1.一种四轮驱动电动汽车的集成底盘控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、为确定影响车辆侧向稳定性的相关状态量，以车身运动平面的四轮线性二自由度车辆模型为基础，对车辆转向、加速的运动状态进行分析，将主动前轮转向、直接横摆力矩作为控制输入，车辆的质心侧偏角和横摆角速度视为状态变量，分析前轮主动转向和横摆力矩对车辆稳定性的影响；
步骤二、针对所研究的四轮驱动电动汽车集成底盘控制，利用相关的动力学模型，包括十四自由度车辆模型、永磁同步电机控制模型和驾驶员模型，以上述模型为基础进行模型验证；
步骤三、建立集成底盘控制模型；
步骤四、建立模型预测控制；
步骤五、为获得车辆的稳定性区域，通过经典的相平面分析法来驱动车辆稳定性控制区域，通过不同初始β及质心侧偏角、γ即横摆角速度的初始条件激励二自由度车辆模型从而获得车辆的稳定区域，再通过相平面中稳定区域规律的研究从而设计车辆稳定性判据，以该判据为基础，通过集成底盘控制策略，自上而下统一平衡车辆的操纵稳定性；
步骤六、为构建车辆状态及参数估计系统，利用基于信息融合的车身纵向速度观测器和基于复合轮胎模型的质心侧偏角观测器，对质心侧偏角观测来说，基于动力学方法的观测难点是轮胎侧向力的观测，通过复合轮胎模型建立轮胎侧向力的估计，通过动力学方法直接观测车身侧偏角；
步骤七、为获得期望状态的反馈，根据四轮线性二自由度车辆模型，建立了参考状态轨迹；选择车辆的横摆角速度和侧向速度用于参考期望值作为模型预测指标J的反馈；横摆角速度和侧向速度用于车身的稳定性控制；
步骤八、为验证集成底盘控制方法控制效果，建立了四轮驱动电动汽车实时动态仿真平台，通过高/低附路面蛇形绕桩实验、加速实验、双移线实验和路面分离实验，依此对集成底盘控制方法控制效果的有效性进行验证。


2.根据权利要求1所述的一种四轮驱动电动汽车的集成底盘控制方法，其特征在于，所述步骤三的具体方法如下：
车辆在二自由度模型下，轮胎纵向力所提供的横摆力矩可表示为：



式中，twf为前轮轮距，twr为后轮轮距，Fxi为各个车轮纵向力，δf为主动前轮转向角，△δf为主动前轮转向的增益，可控区间小于3°，这样轮胎侧向力在近似线性区间内，因此前轮主动转向△δf很小，近似为零，式(1.1)可简化为



式中，



Fxi＝[FxflFxfrFxrlFxrr]T
(1.2)
lf为前轮半轴矩，lr为后轮半轴矩；
通过式(1.2)得到的由轮胎纵向力提供的横摆力矩与前轮转角和纵向轮胎力有关，然而该项并没有考虑轮胎的弹性变形因素，假设轮胎的弹性变形恢复时间可表示为一阶惯性环节，该力矩表示为



式中，τ为一阶时间常数，s为拉普拉斯算子，则



车辆在二自由度模型下，轮胎侧向力所提供的横摆力矩可表示为：



式中，twf为前轮轮距，twr为后轮轮距，Fyi为各个车轮侧向力，δf为主动前轮转向角，Δδf为主动前轮转向的增益，lf为前轮半轴矩，lr为后轮半轴矩，根据轮胎动力学，轮胎的侧向力由轮胎侧偏刚度和轮胎侧偏角近似简化得
Fyi＝kyiαyi(1.6)
式中，kyi、αi分别表示轮胎复合工况下的侧偏刚度和侧偏角，轮胎的侧偏角可由前轮转角δf、△δf和轮心前进速度uwi和轮心侧向速度vwi表示，有



式中，轮心的前进速度uwi和侧向速度vwi由车身CG速度和横摆角速度表示
[vwflvwfrvwrlvwrr]T＝Vy+[lfrlfr-lrr-lrr]T(1.8)



式中，Vx、Vy分别为车辆纵向、侧向速度，twf为前轮轮距，twr为后轮轮距，lf为前轮半轴矩，lr为后轮半轴矩，r为横摆角速度；
由式(1.8)、(1.9)表示的轮胎侧偏角是横摆角速度的非线性函数，假设横摆角速度对轮心前进速度的影响很小，简化后的轮胎前进速度uwi可近似为车身CG的纵向速度Vx，有
[uwfluwfruwrluwrr]T＝Vx(1.10)
因此，将式(1.8)、(1.10)带入式(1.6)，简化后的轮胎侧向力



采用式(1.11)表示的轮胎侧向力Fyi与前轮转角δf、△δf、车身纵向速度uwi、侧向速度vwi和侧偏刚度kyi有关，因此使用状态观测等方法通过对基本变量的观测获得轮胎的侧向力；但是该方法得到的轮胎侧向力是一种准静态轮胎力模型，无法表达轮胎侧向力随时间的变化，因此将轮胎侧向力的变化率考虑到动力学模型中，有



轮胎侧向力的变化率由两部分组成，第一项由侧偏刚度的变化引起，第二项由侧偏角的变化引起；根据对复合工况动力学模型分析，当无量纲轮胎力较小时，轮胎的侧偏刚度变化很小，如果考虑轮胎的松弛特性，在较短的控制周期内其变化也很小，变化率近似为零，因此忽略侧偏刚度变化率的影响，则轮胎侧向力的变化率可表示为



进一步有



轮胎侧偏角αyi的变化率与前轮转角δf、纵向速度Vx、侧向速度Vy及横摆角速度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵彬，李何为，于微波，李响，劳红鹏，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22