一种针对电动汽车稳定系统执行器故障的容错控制方法技术方案

一种针对电动汽车稳定系统的执行器故障容错控制方法，包含以下步骤：采集车辆的行驶状态与执行器信息，利用轮胎力可行域与摩擦圆导向范围构建整车行驶状态可行域，根据车辆参考模型计算出状态量的参考值，并根据状态量参考值和实际值作为上层车辆运动控制器的输入，由模型预测控制在整车行驶状态可行域的约束下得到当前工况的合力和合力矩，进而在轮胎力可行域的约束下分配得到轮胎力，将由执行器故障引起的轮胎力变化引入整车动态对控制器重构，首先得到故障后的轮胎力容错可行域以及整车行驶状态容错可行域，将容错可行域作为新的约束进行容错控制，最后对于容错控制无法控制的状况，对参考输入进行重塑，以最大限度保证车辆可以安全行驶。车辆可以安全行驶。车辆可以安全行驶。

【技术实现步骤摘要】
一种针对电动汽车稳定系统执行器故障的容错控制方法


[0001]本专利技术属于车辆主动安全控制
,提供了一种针对四轮驱动电动汽车稳定系统的执行器故障容错控制方法，尤其针对四轮驱动电动汽车执行器故障引起车辆执行驱动空间受限车辆失稳的容错控制方法。

技术介绍

[0002]随着自动驾驶的不断深入发展，汽车系统的复杂程度大大增加，使得汽车执行器和传感器发生故障的可能性显著提高。同时由于载荷转移以及复杂多变的路况等意外的外部扰动也可能导致执行器或传感器发生故障。这些故障的出现对行车的稳定性造成了极大地破坏，并且严重威胁了乘客的人身安全。所以保证汽车的行驶安全必须对汽车行驶系统进行容错控制。
[0003]现有的容错控制算法或策略均缺乏对整车由于故障引起车辆驱动空间的解析以及驱动空间变化的解析不全面。同时对于车辆执行器故障严重难以维持既定状态，车辆如何根据故障状态以及路径信息改变既定路线或状态的能力使车辆安全行驶或停车的问题阐述不清晰。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术解决问题：通过车辆与路面的摩擦限制以及执行器限制计算轮胎力可行域，并利用轮胎力可行域与摩擦圆导向范围得出整车行驶状态可行域，当车辆行驶过程中发生执行器故障，以整车容错可行域对上层运动控制器进行约束并对下层分配控制器重构分配轮胎力使各个轮胎力在可行域之内，对于容错控制不能控制的状况采取参考输入重塑的方式调整车辆状态或行驶路线使车辆保持安全运行。
[0005]本专利技术中一种针对电动汽车稳定系统执行器故障的容错控制方法的步骤如下：
[0006]步骤一：通过车载传感器实时采集车辆行驶过程中的状态量，得到车辆纵向行驶速度、侧向行驶速度、横摆角速度和方向盘转角，以及包括纵向加速度、侧向加速度，车轮的速度、和路面摩擦系数在内的状态信息；
[0007]步骤二：根据步骤一中得到的信息得到轮胎在垂直载荷变化下的摩擦限制以及执行器自身限制计算得到轮胎力可行域；根据状态信息得到摩擦圆导向范围，在摩擦圆导向角范围内的轮胎力可行域计算虚拟导向角，使其对应的整车合力与合力矩最大和最小，即求取虚拟导向角θ
i
，则此时的合力与合力矩即为整车行驶状态可行域的上界与下界；所述整车行驶状态可行域包括：
[0008]纵向合力可行域：
[0009][0010][0011][0012]侧向合力可行域：
[0013][0014][0015][0016]横摆力矩可行域：
[0017][0018][0019][0020]其中F
xi
,F
yi
,θ
i
,F
xim max
(i＝1,2,3,4)分别为轮胎纵向力、轮胎纵向力导数、轮胎侧向力、轮胎侧向力导数、轮胎力夹角以及由电机转矩转化得到的纵向力上界，(θ
yi
,θ
xi
)为摩擦圆导向范围，μ为路面摩擦系数，F
zi
为轮胎载荷，F
mxi
,F
myi
分别为轮胎力可行域中上界与下界虚拟导向角θ
i
对应的纵向力与侧向力极值，δ
i
,θ
i
分别为轮胎转角以及由导向范围计算得到的上界虚拟导向角和下界虚拟导向角并且
[0021]步骤三：根据步骤一中得到的状态信息，利用车辆参考模型，得到车辆行驶状态量的参考值，即车辆纵向参考速度V
xre
、车辆侧向参考速度V
yre
和车辆参考横摆角速度ω
rre
；
[0022][0023]式中V0,δ，a
xre
分别为参考模型纵向速度初值，前轮转角以及纵
向加速度的给定值，δ为前轮转角，l
f
为车辆质心到前轮距离，l
r
为车辆质心到后轮距离，L为车辆轴距，K
f
为前轮侧偏刚度，K
r
为车辆后轮侧偏刚度，ζ为忽略车辆a
xre
,V
yre
微分的补偿性无量纲系数。
[0024]步骤四：建立整车模型，采用直接离散线性化的方法把非线性的车辆模型转变为线性模型，根据状态量参考值和实际值的偏差作为上层车辆运动控制器的输入，通过模型预测控制算法得到当前工况的纵向合力、侧向合力以及横摆合力矩即虚拟控制量，其目标函数如下：
[0025][0026]其中N
p
为预测时域，N
c
为控制时域，Δu(k+i∣k)为虚拟控制量，Q,R,ρ为权重因子，η(k+i∣k),η
ref
(k+i∣k)分别为输出状态量和参考值，ε为松弛因子可以避免问题无解。
[0027]控制增量约束：ΔU
min
≤Δu≤ΔU
max
给定执行器可调节的增量上限。
[0028]下层分配控制器将上层控制器的虚拟控制量分配到各个轮上，目标函数如下：
[0029][0030][0031]其中，W4×4表示四维对称矩阵，C
i
(i＝1,2,3,4)为矩阵中对角线元素分子项表示每个轮胎的加权系数，表达式为：B3×8为控制效率矩阵，可由车辆模型的总体平衡式得到，表达式为：
[0032][0033]u
d
为控制向量，u
dmax
,u
dmin
分别为轮胎力可行域中轮胎纵向力侧向力的上界与下界，u
d
＝[F
x1 F
x2 F
x3 F
x4 F
y1 F
y2 F
y3 F
y4
]T
，u为虚拟控制向量，u＝[∑F
x ∑F
y ∑M
z
]T
。
[0034]步骤五：忽略故障对侧向力的影响将执行器故障对整车的影响即对车辆电气制动与驱动的作用转化为车轮上轮胎力的变化趋势F
xim
＝λ
i
F
xi
+q
i
(i＝1,2,3,4，λ
i
∈[0,1])引入整车系统，根据轮胎力的变化驱动制动的影响重新计算轮胎力的可行域，这里称之为轮胎力容错可行域，进而得到故障后轮胎力的分配约束；根据轮胎力容错可行域重新计算整车行驶状态可行域，这里称之为整车容错可行域；所述整车容错可行域包括：
[0035]纵向力容错可行域：
[0036][0037][0038][0039]侧向合力容错可行域：
[0040][0041][0042][0043]横摆力矩容错可行域：
[0044][0045][0046][0047]其中F
fxi
,F
fyi
(i＝1,2,3,4)分别为轮胎力容错可行域中上界与下界虚拟导向角对应的纵向力与侧向力极值。
[0048]步骤六：容错控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对电动汽车稳定系统执行器故障的容错控制方法，其特征在于，该方法的步骤如下：步骤一：通过车载传感器实时采集车辆行驶过程中的状态量，得到车辆纵向行驶速度、侧向行驶速度、横摆角速度和方向盘转角，以及包括纵向加速度、侧向加速度，车轮的速度、和路面摩擦系数在内的状态信息；步骤二：根据步骤一中得到的信息得到轮胎在垂直载荷变化下的摩擦限制以及执行器自身限制计算得到轮胎力可行域；根据状态信息得到摩擦圆导向范围，在摩擦圆导向角范围内的轮胎力可行域计算虚拟导向角，使其对应的整车合力与合力矩最大和最小，即求取虚拟导向角θ
i
，则此时的合力与合力矩即为整车行驶状态可行域的上界与下界；所述整车行驶状态可行域包括：纵向合力可行域：纵向合力可行域：纵向合力可行域：侧向合力可行域：侧向合力可行域：侧向合力可行域：横摆力矩可行域：横摆力矩可行域：横摆力矩可行域：其中F
xi
,F
yi
,θ
i
,F
ximmax
(i＝1,2,3,4)分别为轮胎纵向力、轮胎纵向力导数、轮胎侧向力、轮胎侧向力导数、轮胎力夹角以及由电机转矩转化得到的纵向力上界，(θ
yi
,θ
xi
)为
摩擦圆导向范围，μ为路面摩擦系数，F
zi
为轮胎载荷，F
mxi
,F
myi
分别为轮胎力可行域中上界与下界虚拟导向角θ
i
对应的纵向力与侧向力极值，δ
i
,θ
i
分别为轮胎转角以及由导向范围计算得到的上界虚拟导向角和下界虚拟导向角并且步骤三：根据步骤一中得到的状态信息，利用车辆参考模型，得到车辆行驶状态量的参考值，即车辆纵向参考速度V
xre
、车辆侧向参考速度V
yre
和车辆参考横摆角速度ω
rre
；式中其中V0,δ，a
xre
分别为参考模型纵向速度初值，前轮转角以及纵向加速度的给定值，δ为前轮转角，l
f
为车辆质心到前轮距离，l
r
为车辆质心到后轮距离，L为车辆轴距，K
f
为前轮侧偏刚度，K
r
为车辆后轮侧偏刚度，ζ为忽略车辆a
xre
,V
yre
微分的补偿性无量纲系数；步骤四：建立整车模型，采用直接离散线性化的方法把非线性的车辆模型转变为线性模型，根据状态量参考值和实际值的偏差作为上层车辆运动控制器的输入，通过模型预测控制算法得到当前工况的纵向合力、侧向合力以及横摆合力矩即虚拟控制量，其目标函数如下：其中N
p
为预测时域，N
c
为控制时域，Δu(k+i∣k)为虚拟控制量，Q,R,ρ为权重因子，η(k+i∣k),η
ref
(k+i∣k)分别为输出状态量和参考值，ε为松弛因子可以问题避免无解；控制增量约束：ΔU
min
≤Δu≤ΔU
max
执行器可调节的增量上限；下层分配控制器将上层控制器的虚拟控制量分配到各个轮上，目标函数如下：下层分配控制器将上层控制器的虚拟控制量分配到各个轮上，目标函数如下：其中，W4×4表示四维对称矩阵，C
i
(i＝1,2,3,4)为矩阵中对角线元素分子项表示每个轮胎的加权系数，表达式为：B3×8为控制效率矩阵，可由车辆模型的总体平衡式得到，表达式为：u
d
为控制向量，u
dmax
,u
dmin
分别为轮胎力可行域中轮胎纵向力侧向力的上界与下界，u
d
＝
[F
x1 F
x2 F
x3 F
x4 F
y1 F
y2 F
y3 F
y4
]
T
，u为虚拟控制向量，u＝[∑F
x ∑F
y ∑M
z
]
T
；步骤五：忽略故障对侧向力的影响将执行器故障对整车的影响即对车辆电气制动与驱动的作用转化为车轮上轮胎力的变化趋势F
xim
＝λ
i
F
xi
+q
i
(i＝1,2,3,4，λ
i
∈[0,1])引入整车系统，根据轮胎力的变化驱动制动的影响重新计算轮胎力的可行域，这里称之为轮胎力容错可行域，进而得到故障后轮胎力的分配约束；根据轮胎力容错可行域重新计算整车行驶状态可行域，这里称之为整车容错可行域；所述整车容错可行域包括：纵向力容错可行域：纵向力容错可行域：纵向力容错可行域：侧向合力容错可行域：侧向合力容错可行域：侧向合力容错可行域：横摆力矩容错可行域：横摆力矩容错可行域：横摆力矩容错可行域：其中F
fxi
,F
fyi
(i＝1,2,3,4)分别为轮胎力容错可行域中上界与下界虚拟导向角对应的纵向力与侧向力极值；步骤六：容错控制器设计，首先，通过改变通过调整上层模型预测控制的约束条件，即由整车行驶状态可行域调整为整车容错可行域其控制量约束，
其次重构下层控制的分配矩阵对轮胎力的分配进行优化使其满足轮胎力容错可行域,其虚拟控制量调整为：其控制效率矩阵改变如下：步骤七：当上层控制器输出的虚拟控制量即纵向合力、侧向合力以及横摆合力矩中的一个或多个在n
T
≥20个连续的采样周期T内始终在整车容错可行域的边界上则认定为严重故障，对于整车容错可行域判定为严重故障的状况，以由模型预测控制得到的控制量与状态量的关系矩阵为依据，综合考虑车辆执行能力和跟踪效果，以整车容错可...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德军，顾添骠，张凯然，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：