一种多轴特种车辆横纵耦合集成控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多轴特种车辆横纵耦合集成控制方法，包括步骤1：建立多轴特种车辆集成控制的控制系统结构，所述控制系统包括上层运动控制器和下层分配控制器；步骤2：基于LQR最优控制与滑膜控制原理设计运动控制器；步骤3：基于轮胎负荷率最小的最优轮胎纵向力设计分配控制器；本方法设计了基于线性二次型最优控制与滑膜控制的特种车辆横纵向运动控制器；建立了质心侧偏角权重系数、横摆角速度权重系数与路面摩擦系数的关系；实现了以轮胎总负荷率最小为优化目标的车轮纵向力最优分配控制，具有鲁棒性好、控制灵敏性高、能有效提高多轴特种车辆的行驶稳定性与战场生存能力的特点。特种车辆的行驶稳定性与战场生存能力的特点。特种车辆的行驶稳定性与战场生存能力的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种多轴特种车辆横纵耦合集成控制方法


[0001]本专利技术涉及车辆控制
，具体涉及一种多轴特种车辆横纵耦合集成控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，车辆的稳定性控制(Vehicle stability control，VSC)已经成为车辆底盘主动安全设计的一个重点研究领域。国内外很多学者对此提出了许多先进的控制方式，目前运用比较广泛的主要有直接横摆力矩控制(differential braking)、主动转向控制(Active steering control)、主动悬架控制(Active suspension control，ASC)和主动防侧倾稳定杆(ActiveAnti
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roll Bar，ARB)四种。其中，直接横摆力矩控制与主动转向的作用方式都是通过控制轮胎力(侧向力与制动力)作用于车身进而控制与影响车辆侧倾与横摆运动，控制效果比较显著，基于两种控制方式控制车辆稳定性的运用相对较多。而主动悬架与主动防侧倾稳定杆都是通过直接控制车身的姿态与运动来改善车辆的运动状态。因控制需要添加相关的执行机构，结构较复杂，且控制作用单一，基于两种控制方式对车辆进行稳定性控制的运用相对较少。
[0003]随着车载电子技术的发展，围绕单一执行机构的单一控制方式已经不能很好的满足车辆稳定性控制的要求。单一的执行机构往往会受到执行器能力的限制进而影响控制系统的控制效果。如今许多学者都致力于对多种控制方式进行集成来控制车辆的稳定性，利用各种控制方式彼此功能互补，拓宽控制系统的控制范围与控制效果。如李韶华等在文献“全轮转向非线性重型车辆稳定性集成控制研究[J].振动与冲击，2019，38(09)：148
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156”中对三轴重型车辆开展了主动比例转向控制(6WS)与直接横摆力矩控制(DYC)的集成控制研究，结果表明，6WS+DYC关于车辆稳定性的控制效果明显优于6WS控制和DYC控制；孙船斌等在文献“受饱和约束的车辆转向非线性鲁棒模糊分布控制，[J].振动与冲击，2022，41(4)：77
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85”中采用Takagi
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Sugeon(T
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S)方法建立车辆的3自由度横摆侧倾模型，开展了主动前轮转向(AFS)和直接横摆力矩控制(DYC)的集成控制研究，基于设计的状态反馈模糊分布控制器(parallel distributed compensation
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TS,PDC
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TS)有效提升了执行器能力的利用率与车辆强非线性转向的稳定性的控制效果。Narjes Ahmadian等在文献“Integrated model reference adaptive control to coordinate active front steering and direct yaw moment control[J].ISATransactions,2020,106:85
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96”中提出基于稳定性指标的调度机制实现AFS与DYC的自适应协调，能有效的减小车辆轮胎的侧偏角与侧向加速度，以及提高了车辆在不同机动条件下的操纵稳定性与路径跟随性能。
[0004]多轴特种车辆作为大型装备的主要运输平台与承载介质，具有整备质量大、质心高、车身长、轮距相对于车身窄等的特点。与重型商用车相比，多轴特种车辆转向半径较大，转向灵活性较低，后轴轮胎磨损较严重，面对复杂多变的行驶环境，高机动紧急避障行驶时易发生侧偏、侧滑与侧翻等失稳现象。底盘控制技术是维持特种车辆稳定行驶的关键技术。分布式电驱底盘的开发为多轴特种车辆的稳定性集成控制技术的研究提供了良好的基础。
电驱底盘的各轴车轮具备独立可控的特点，且车轮的转矩与转速能够被精确测量，围绕电驱底盘的稳定性集成控制能有效提升多轴特种车辆的行驶稳定性、主动安全性与战场生存能力等。刘聪等在文献“分布式电驱动车辆极限越野环境下高速避障与稳定性控制[J].兵工学报,2021,42(10):2102
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2113”中针对四轮电驱车辆提出了一种对具有较强过弯姿态修正能力的分层协调横向稳定性控制方法，能够显著提高车辆的轨迹跟踪能力和过弯姿态修正能力；MaY等在文献“Lateral stability integrated with energy efficiency control for electric vehicles[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2019,127:1
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15”中针对电驱车辆，采用分层控制的策略设计了一种考虑轮胎能耗的横向稳定性集成控制系统，控制系统的仿真测试结果表明，控制系统能保证不同工况下车辆的横向稳定性，且能有效降低轮胎的能量损耗率。Ataei M等在文献“Model predictive control for integrated lateral stability,traction/braking control,and rollover prevention ofelectric vehicles[J].Vehicle system dynamics,2020,58(1):49
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73”中基于模型预测控制策略，设计了一种集成车轮滑移控制、横向稳定性控制、操纵稳定性与防侧翻控制的多目标车辆稳定性控制器，控制系统的仿真测试结果表明，集成控制系统能有效提升车辆不同工况下的行驶稳定性与安全性。
[0005]而目前对于车辆稳定性集成控制的研究，大多针对两轴车辆，而对多轴车辆，尤其是多轴特种车辆的研究并没有取得很好的关注。因此为提升多轴特种车辆的行驶稳定性与战场生存能力，亟需设计一种多轴特种车横纵耦合稳定集成控制系统与方法，以提升多轴特种车辆的行驶稳定性与战场生存能力，推进多轴特种车辆电驱底盘的应用。

技术实现思路

[0006]针对上述存在的问题，本专利技术旨在提供一种多轴特种车辆横纵耦合集成控制方法，本方法通过集成主动转向与直接横摆力矩控制的方式，设计了一种融合驱动/制动与转向的多轴特种车稳定性最优化集成控制算法，本控制算法能够稳定的控制多轴特种车辆行驶，改善多轴特种车辆的转向灵敏度，具有鲁棒性好、控制灵敏性高、能有效提高多轴特种车辆的行驶稳定性与战场生存能力的特点。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种多轴特种车辆横纵耦合集成控制方法，包括
[0009]步骤1：建立多轴特种车辆集成控制的控制系统结构，所述控制系统包括上层运动控制器和下层分配控制器；
[0010]步骤2：基于LQR最优控制与滑膜控制原理设计运动控制器
[0011]步骤2.1：分析多轴特种车辆运动控制的控制策略；
[0012]步骤2.2：建立车辆运动状态偏差模型；
[0013]步骤2.3：建立纵向车速的滑膜控制模型；
[0014]步骤2.4：建立基于LQR最优控制策略的运动控制器的目标函本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多轴特种车辆横纵耦合集成控制方法，其特征在于：包括步骤1：建立多轴特种车辆集成控制的控制系统结构，所述控制系统包括上层运动控制器和下层分配控制器；步骤2：基于LQR最优控制与滑膜控制原理设计运动控制器步骤2.1：分析多轴特种车辆运动控制的控制策略；步骤2.2：建立车辆运动状态偏差模型；步骤2.3：建立纵向车速的滑膜控制模型；步骤2.4：建立基于LQR最优控制策略的运动控制器的目标函数；步骤3：基于轮胎负荷率最小的最优轮胎纵向力设计分配控制器。2.根据权利要求1所述的一种多轴特种车辆横纵耦合集成控制方法，其特征在于：步骤2.2所述的车辆运动状态偏差的计算过程包括步骤2.21：建立车辆模型的侧向动力学方程和绕质心处的力矩平衡方程：式(1)中：m为整车质量，J
zz
为整车绕车身坐标系z轴的转动惯量，α
i
为车轮侧偏角，l
i
为车轴到质心的距离，F
yi
为车轮侧向力；v为车辆质心处的实际速度；v
x
与v
y
分别为车辆实际速度在车身坐标系的x轴与y轴上的分速度；ω
z
为整车绕质心的横摆角速度，δ
i
为车轮转向角；步骤2.22：设β≈tanβ＝v
y
/v
x
，cosδ
i
≈1，车辆稳态转向运行时，纵向车速为常数，因此式(1)简化为：其中，β为质心侧偏角；由于轮胎侧偏特性处于线性区域，各轴车轮的侧向力为：式(3)中：C
i
(i＝1,2,3,4,5，
…
)为车轮的等效侧偏刚度，等于左右侧轮胎侧偏刚度之和，C
i
＝C
il
+C
ir
；步骤2.23：将式(3)代入式(2)，得车辆线性2自由度模型为：
由阿克曼转向原理，车辆2、4、5轴车轮的转角与1轴车轮的转角存在如下关系：由小角度假设将上式(5)简化为：式中：步骤2.24：将式(6)代入式(4)得：对式(7)两边进行拉氏变换，令初始条件为0，得到质心侧偏角β和横摆角速度ω
z
对一轴车轮转角δ1的传递函数为：步骤2.25：由上式得横摆角速度关于一轴车轮转角的稳态增益为：
式中：式中：a＝C1+k1C2+k2C4+k3C5，b＝l1C1+l2k1C2+l4k2C4+l5k3C5，车辆的期望横摆角速度等于横摆角速度的稳态增益与一轴车轮转角的乘积：另外，车辆的期望横摆角速度需满足路面附着系数对车辆侧向加速度的限制条件：得到车辆的期望横摆角速度为取车辆的期望质心侧偏角β
des
为0，车辆的期望车速v
xdes
为常数C
v
，车辆的参考状态量表示为：建立车辆的纵向动力学方程：步骤2.26：结合式(4)与式(14)，得系统状态量的状态空间表达式：其中，状态变量为X＝[β ω
Z v
x
]
T
，输入变量为U＝[δ
4 δ
5 ΔM
Z
]
T
、W＝[δ
1 δ2]
T
；系数矩阵分别为：
步骤2.27：通过零阶保持将上述式(15)的状态空间方程离散化得其中，T
s
＝0.01；输出向量Y(k)＝[β ω
z v
x
]
T
；设e
β
、分别为车辆的纵向速度、质心偏角、横摆角速度三个状态量与期望状态量的偏差，得到车辆状态量的偏差表示为：3.根据权利要求1所述的一种多轴特种车辆横纵耦合集成控制方法，其特征在于：步骤2.3所述的纵向车速的滑膜控制模型的建立过程包括步骤2.31：建立车辆纵向动力学方程为式中：为车辆纵向车速的导数；F
R
为车辆行进过程中受到的外部阻力；ξ
x
为外界干扰造成的不确定项，车辆第i轴左侧车轮与右侧车轮的纵向力分别为F
xil
，F
xir
；第i轴左侧车轮与右侧车轮的侧向力分别为F
yil
，F
yir
；第i轴左侧车轮与右侧车...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志浩，程洪杰，陈帅戎，杨健福，刘秀钰，高钦和，马超群，高蕾，马栋，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：