主动转向与差动制动集成防侧翻控制方法技术

本发明专利技术属于车辆工程技术领域，涉及一种主动转向与差动制动集成防侧翻控制方法，包括：构建牵引车转向与差动制动集成动力学模型；采用模型预测方法建立控制器；基于路面附着系数设置转角和制动力矩约束，运用二次规划求解约束优化问题得最优控制量输出。本发明专利技术在前轮转角和挂车横摆力矩约束中引入了路面附着系数的动态估计量，可有效减少车辆在低附着路面下因附着力不够而出现的轮胎打滑现象和解决静态值不能实时适应任意工况的问题，同时，采用模型预测方法设置控制器，提前预测车辆未来状态，提升驾驶安全性，本发明专利技术能够有效提高铰接式车辆在低附着系数路面下防侧翻控制的适应性，以集成式方法切实强化了防侧翻控制效果。以集成式方法切实强化了防侧翻控制效果。以集成式方法切实强化了防侧翻控制效果。

【技术实现步骤摘要】
主动转向与差动制动集成防侧翻控制方法


[0001]本专利技术属于车辆工程
，涉及一种主动转向与差动制动集成防侧翻控制方法。

技术介绍

[0002]电商高速发展和物流刚需，强化了重型牵引车安全的市场需求，其中重型半挂车在提高物流效率和综合经济效益起到了重要作用。但由于半挂车自身吨位大、重心高等因素，同时受天气影响，路面工况发生改变，极易发生侧翻、折叠等事故。现有对该类铰接式汽车列车的防侧翻控制研究大多集中于单独的转向或差动制动控制，缺乏低附着路面条件下防侧翻控制方法的适应性和有效性。
[0003]因此，采用主动转向和差动制动集成控制，运用预测阶段模型的预测控制方法，同时在预测模型中加入基于路面附着系数的横摆力矩约束，防止制动打滑，成为提高半挂车主动安全性的关键。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种主动转向与差动制动集成防侧翻控制方法，其采用主动转向和差动制动集成控制，运用带预测阶段的模型预测控制方法，提升防侧翻控制的控制效果；通过路面附着系数设置转角和制动力矩的约束，防止车辆打滑，提高半挂车在低附着路面的主动安全性。
[0005]本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种主动转向与差动制动集成防侧翻控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0006]S1、构建牵引车挂车转向与制动防侧翻模型，包括牵引车和挂车动力学模型；
[0007]S2、采用模型预测方法建立防侧翻控制器，在预测阶段对半挂车未来状态进行预测；
[0008]S3、基于路面附着系数设置转角与横摆力矩约束，并运用二次规划算法求解约束优化问题得到最优控制量输出。
[0009]进一步地，上述步骤S1中，建立牵引车转向与差动制动动力学模型：
[0010]牵引车转向与差动制动集成动力学方程：
[0011][0012][0013][0014]式中：m1为牵引车质量，u1为牵引车质心瞬时速度，β1为牵引车质心侧偏角，ψ1为牵引车横摆角，m
1s
为牵引车簧载质量，h1为牵引车质心到侧倾轴线的距离，φ1为牵引车侧倾
角，F1为牵前轴侧向力，δ为牵引车前轮转角，F2为牵引车后轴侧向力，F4为铰接点作用力，I
1zz
为牵引车绕Z轴的转动惯量，I
1xz
为牵引车簧载质量横摆侧倾惯性积，a为牵引车质心到前轴的距离，b为牵引车质心道后轴的距离，c为牵引车质心到铰接点的距离，I
xx
为牵引车绕X轴的转动惯量，g为重力加速度，k
r1
为牵引车侧偏刚度，c1为牵引车侧倾阻尼，k
12
为铰接点侧偏刚度，φ2为挂车侧倾角，h
1c
为铰接点到牵引车侧倾轴线的距离；
[0015]挂车转向与差动制动集成动力学模型：
[0016][0017][0018][0019]式中：m2为挂车质量，β2为挂车质心侧偏角，ψ2为挂车的横摆角，u2为挂车质心的瞬时速度，m
2x
为挂车簧载质量，h2为挂车质心道挂车轴的距离，F3为挂车后轴侧向力，Γ为铰接角，I
2zz
为挂车绕Z轴的转动惯量，I
2xz
为挂车簧载质量横摆侧倾惯性积，d为挂车质心道挂车轴的距离，e为挂车质心道铰接点的距离，I
2xx
为挂车绕X轴的转动惯量，k
r2
为挂车侧倾刚度，c2为挂车侧倾阻尼，h
2c
为铰接点到挂车侧倾轴线的距离；
[0020]牵引车和挂车运动学约束：
[0021][0022]采用线性轮胎模型，轮胎侧偏角不超过5
°
；因此挂车各轴的侧向力等于侧偏刚度与侧偏角的乘积：
[0023][0024]进一步地，上述步骤S2采用模型预测预测方法设计控制器，具体包括：选取控制量u＝[δ M
1 M2]T
；
[0025]结合牵引车、挂车转向与差动制动动力学模型与运动学约束可得其状态空间方程：
[0026][0027]式中
[0028][0029][0030][0031][0032][0033]采用向前欧拉法将连续状态空间模型离散化，采样时间为T，离散状态空间方程为：
[0034][0035]其中：A
c
＝(I+T)A，B
c
＝TB；
[0036]设定：Δu＝[Δδ ΔM
1 ΔM2]；
[0037]结合方程(9)和设定状态量ξ(k)，控制增量Δu，
[0038][0039]其中，
[0040]进一步地，上述步骤S2对半挂车未来状态进行预测；
[0041]设定预测时域为N
p
，控制时域为N
c
，结合(15)方程对半挂车未来状态进行预测，可得：
[0042][0043]结合方程(15)、(16),可得预测时域内输出量与状态量、控制增量得关系：
[0044][0045]Y＝Ψξ(k)+ΘΔU
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0046]其中：
[0047][0048][0049]C
d
＝(C O8×3)，
[0050]为了使预测时域内半挂车的车辆状态跟上期望值，设置目标函数为保证车辆稳定的同时控制输入小，设置目标函数为保证方程有解同时便于凑式计算，设置松弛因子为ε，权重系数为ρ，得最终优化目标函数：
[0051]J＝J1+J2+ρε2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)，
[0052]式中，η(k+i)预测时域内的输出量，η
ref
(k+i)为预测时域内输出量的期望值，Δu(k+i)为控制时域内车辆转角与牵引车和半挂车的横摆力矩控制增量，Q为半正定的状态加权矩阵，R为正定的控制加权矩阵。
[0053]进一步地，上述步骤S3包括基于路面附着系数设置转角和横摆力矩约束：
[0054]将轮胎附着极限加入到约束当中：
[0055][0056]式中，F
xmax
为轮胎最大纵向力，F
z
为轮胎垂向载荷，F
y
为轮胎侧向力；
[0057]牵引车最大横摆力矩：
[0058][0059]挂车最大横摆力矩：
[0060][0061]式中M
1max
,M
2max
分为牵引车和挂车最大横摆力矩，F
1xmax
，F
2xmax
，F
3xmax
为牵引车轮胎最大纵向力，F
4xmax
，F
5xmax
，F
6xmax
为挂车轮胎最大纵向力，l1，l2分别为牵引车和挂车的轴距。
[0062]进一步地，上述步骤S3包括运用二次规划算法求解约束优化问题，得最优控制量：
[0063]经过矩阵系列推导，将最本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主动转向与差动制动集成防侧翻控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建牵引车挂车转向与制动防侧翻模型，包括牵引车和挂车动力学模型；S2、采用模型预测方法建立防侧翻控制器，在预测阶段对半挂车未来状态进行预测；S3、基于路面附着系数设置转角与横摆力矩约束，并运用二次规划算法求解约束优化问题得到最优控制量输出。2.根据权利要求1所述的一种主动转向与差动制动集成防侧翻控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，建立牵引车转向与差动制动动力学模型：牵引车转向与差动制动集成动力学方程：牵引车转向与差动制动集成动力学方程：牵引车转向与差动制动集成动力学方程：式中：m1为牵引车质量，u1为牵引车质心瞬时速度，β1为牵引车质心侧偏角，ψ1为牵引车横摆角，m
1s
为牵引车簧载质量，h1为牵引车质心到侧倾轴线的距离，φ1为牵引车侧倾角，F1为牵前轴侧向力，δ为牵引车前轮转角，F2为牵引车后轴侧向力，F4为铰接点作用力，I
1zz
为牵引车绕Z轴的转动惯量，I
1xz
为牵引车簧载质量横摆侧倾惯性积，a为牵引车质心到前轴的距离，b为牵引车质心道后轴的距离，c为牵引车质心到铰接点的距离，I
xx
为牵引车绕X轴的转动惯量，g为重力加速度，k
r1
为牵引车侧偏刚度，c1为牵引车侧倾阻尼，k
12
为铰接点侧偏刚度，φ2为挂车侧倾角，h
1c
为铰接点到牵引车侧倾轴线的距离；挂车转向与差动制动集成动力学模型：挂车转向与差动制动集成动力学模型：挂车转向与差动制动集成动力学模型：式中：m2为挂车质量，β2为挂车质心侧偏角，ψ2为挂车的横摆角，u2为挂车质心的瞬时速度，m
2x
为挂车簧载质量，h2为挂车质心道挂车轴的距离，F3为挂车后轴侧向力，Γ为铰接角，I
2zz
为挂车绕Z轴的转动惯量，I
2xz
为挂车簧载质量横摆侧倾惯性积，d为挂车质心道挂车轴的距离，e为挂车质心道铰接点的距离，I
2xx
为挂车绕X轴的转动惯量，k
r2
为挂车侧倾刚度，c2为挂车侧倾阻尼，h
2c
为铰接点到挂车侧倾轴线的距离；牵引车和挂车运动学约束：采用线性轮胎模型，轮胎侧偏角不超过5
°
；因此挂车各轴的侧向力等于侧偏刚度与侧偏角的乘积：
3.根据权利要求2所述的一种主动转向与差动制动集成防侧翻控制方法，其特征在于：所述步骤S2采用模型预测预测方法设计控制器，具体包括：选取控制量u＝[δM
1 M2]
T
；结合牵引车、挂车转向与差动制动动力学模型与运动学约束可得其状态空间方程：式中式中式中式中
采用向前欧拉法将连续状态空间模型离散化，采样时间为T，离散状态空间方程为：其中：A
c
＝(I+T)A，B
c
＝TB；设定：
△
u＝[
△
δ
ꢀ△
M1ꢀ△
M2]；结合方程(9)和设定状态量ξ(k)，控制增量
△
u，其中，4.根据权利要求3所述的一种主动转向与差动制动集成防侧翻控制方法，其特征在于：所述步骤S2对半挂车未来状态进行预测；设定预测时域为N
p
，控制时域为N
c
，结合(15)方程对半挂车未来状态进行预测，可得：结合方程(15)、(16),可得预测时域内输出量与状态量、控制增量得关系：
Y＝Ψξ(k)+Θ
△
U
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)其中：其中：C
d
＝(C O8×3)，为了使预测时域内半挂车的车辆状态跟上期望值，设置目标函数为保证车辆稳定的同时控制输...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪雪，刘良胜，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：