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CN105882634B - 高鲁棒性车轮防滑控制方法、防滑控制系统及车辆 - Google Patents

高鲁棒性车轮防滑控制方法、防滑控制系统及车辆 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高鲁棒性的车轮防滑控制系统。该控制系统，利用各车轮的角速度，对其微分得到角加速度，结合驱动各车轮的扭矩值，利用车轮动力学方程计算各车轮受到的驱动力，并结合各车轮中心的加速度及调节因子计算得到各车轮的约束扭矩。通过比较上层扭矩输出请求值及约束扭矩数值，来控制驱动车轮的扭矩输出，使得所有车轮在任何状态下都具有较好的防滑控制效果。

Description

高鲁棒性车轮防滑控制方法、防滑控制系统及车辆
技术领域
本发明涉及车辆驱动/制动控制技术领域，具体而言涉及一种高鲁棒性的车轮防滑控制系统与防滑控制方法。
背景技术
具有电子防滑控制功能的车辆制动系统属于现有技术。已知的车辆制动系统能够根据驾驶员的意愿无关地对车辆的各个车轮进行制动，例如为了防止车轮抱死的防抱死刹车系统(ABS)、为了合理分配牵引力的牵引力分配控制系统(TCS)、为了使车辆进入稳定的形式装置(车身电子稳定系统ESP)、为了消除在驱动车轮的滑转(驱动防滑控制系统ASR)等等，这些都属于底层车轮控制，需要基于车轮滑移率(Slip Ratio)来进行。然而，滑移率的计算往往需要使用其他车轮的信息。当所有的车轮都处于工作状态(驱动/制动)时，基于滑移率的防滑控制往往效果不好。
为此，也有一些研究者摒弃了滑移率的应用，在分布式驱动的电动车辆的应用方面，提出了完全基于力学的防滑控制，如Yoichi Hori，Hiroshi Fujimoto，Dejun Yin等人提出的MFC，MTTE等方法，但是这些控制方法严重依赖车辆参数，对车辆所受阻力及车身重量的变化敏感，从而制约了这些方法的实用性。
发明内容
本发明目的旨在解决如何能够在任何状态下，尤其是在转弯或者是在有坡度的情况下，使得所有的车轮都具有较好的防滑控制效果的问题，提出一种高鲁棒性的车轮防滑控制系统与防滑控制方法。
为达成上述目的，本发明提出的车轮防滑控制方法，包括：
获取车辆的各车轮的角速度(ω)，对其微分获得角加速度，结合驱动各车轮的扭矩值(Tc)，利用车轮动力学方程计算得到车轮驱动力(Fd)；
取得车轮中心的加速度(a)，结合上述驱动力(Fd)及调节因子(车身加速度与车轮加速度的比值，称为调节因子，用k表示)，计算驱动该车轮的约束扭矩(Tl)；
通过比较扭矩请求数值(Tr)与约束扭矩(Tl)，来控制驱动车轮的扭矩输出，实现车轮防滑。
根据本发明的改进，还提出一种高鲁棒性的车轮防滑控制系统，包括：
扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr)；
电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱动车轮旋转；
车轮驱动力计算模块，用已取得的各车轮角速度(ω)，对其微分得到角加速度，结合驱动各车轮的扭矩值(Tc)，利用车轮动力学方程计算各车轮受到的驱动力(Fd)；
约束扭矩计算模块，用已取得的各车轮中心加速度(a)，结合计算得到的驱动力(Fd)和调节因子(k)，计算约束扭矩(Tl)；
扭矩调整模块，根据约束扭矩(Tl)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行调节。
进一步的实施例中，首先判断车轮加速度与车身加速度之差的绝对值是否达到一定值(根据实际情况设定)，若达到该定值，通过比较上层扭矩输出请求值(Tr)与约束扭矩(Tl)，来控制驱动车轮的扭矩输出，实现车轮防滑。
本发明的第三方面还提出一种车轮防滑控制系统，包括：
防滑控制模块，用取得的各车轮中心加速度及各车轮角速度实施防滑控制，该防滑控制模块具有：
扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr)；
电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱动车轮旋转；
车轮驱动力计算模块，用已取得的各车轮角速度(ω)，对其微分得到角加速度，结合驱动各车轮的扭矩值(Tc)，利用车轮动力学方程计算各车轮受到的驱动力(Fd)；
约束扭矩计算模块，用已取得的各车轮中心加速度(a)，结合计算得到的驱动力(Fd)和调节因子(k)，计算约束扭矩(Tl)；
扭矩调整模块，根据约束扭矩(Tl)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行调节。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是根据本发明某些实施例的车轮防滑控制方法的流程示意图。
图2是根据本发明某些实施例得到各车轮驱动力的原理示意图。
图3是根据本发明某些实施例计算各车轮约束扭矩的原理示例图。
图4是根据本发明某些实施例计算左前轮约束扭矩以抑制车轮打滑/抱死的原理示意图。
图5是根据本发明某些实施例的车轮防滑控制系统的原理示意图。
图6是根据本发明某些实施例对一轮模型实施前述图1所示的防滑控制的控制例的原理示意图。
图7a、7b是利用本发明某些实施例的车轮防滑控制后的效果对比图，其中图7a表示不施加前述防滑控制的仿真结果，图7b表示了施加前述防滑控制后的仿真结果。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
根据本发明的某些实施例，一种高鲁棒性的车轮防滑控制方法，获取各车轮角速度(ω)，并利用驱动各车轮的扭矩数值(Tc)，根据车轮动力学方程计算出各车轮的驱动力Fd，利用该驱动力，结合已取得的车轮中心加速度(a)，计算得到约束扭矩(Tl)，通过比较上层扭矩输出请求值(Tr)及约束扭矩(Tl)，来控制驱动车轮的扭矩输出。
基于此控制策略，利用比较容易测量的上层扭矩请求值，并基于实际检测与运算得到的约束扭矩值进行比较，如果存在打滑、抓地不牢、抱死的情况，如前述表达的，则车轮速度与车身速度差距较大，从而导致上层扭矩请求值绝对值大于约束扭矩绝对值，此时我们实施控制干预，控制调整驱动车轮的扭矩输出，即调整电机和/或制动器扭矩输出值的绝对值，从而实现防滑控制的目的。
本发明的一个具体实施例的防滑控制流程如图1所示，下面结合图1、图2、图3所示，更加具体地说明该防滑控制的实施。
结合图1、图2、图3所示，高鲁棒性的车轮防滑控制方法包括下述步骤：
获取车辆的各车轮的角速度(ω)，对其微分获得角加速度，结合驱动各车轮的扭矩值(Tc)，利用车轮动力学方程计算得到车轮驱动力(Fd)；
取得车轮中心的加速度(a)，结合上述驱动力(Fd)及调节因子(k)，计算驱动该车轮的约束扭矩(Tl)；
通过比较上层扭矩输出请求值(Tr)及约束扭矩(Tl)，来控制驱动车轮的扭矩输出，实现车轮防滑。
本例中，首先使用车轮角加速度与驱动该车轮的扭矩值，计算该车轮的驱动力；再利用该车轮中心加速度与上述驱动力计算约束扭矩，当扭矩请求值绝对值大于约束扭矩绝对值时，调整施加于车轮的扭矩的绝对值，即控制调整电机和/或制动器扭矩输出值。
本发明提出的防滑控制方法具有高适应性和鲁棒性，对于两轮驱动/制动、四轮驱动/制动、八轮驱动/制动等分布式驱动/制动车辆以及各车轮具有制动器的集中式驱动/制动的车辆仍然具有良好的防滑控制效果，同时在车辆越野、车轮打滑、车辆载重、车辆所受阻力、车轮转向角发生变化等任何状态下，都能够使得所有的车轮具有较好的防滑控制效果。
结合图2所示的确定车轮所受驱动力Fd的示例，忽略悬架变形的情况下，由于车轮动力学关系，可以利用该轮角速度ω与驱动该车轮的扭矩值Tc，计算出该车轮所受驱动力。
图3所示为约束扭矩的一个具体的计算示例，图4所示视图为车体俯视图，俯视正向垂直投影到地面上。
图2和图3中，各参数的解释如下(i＝1,2,3,4)：
Tci：驱动车轮的扭矩
Tli：车轮的约束扭矩
ai：各车轮中心沿车轮前进方向的加速度值
Fdi：各车轮的驱动力
ωi：各车轮的角速度
r：车轮有效半径
图4中，视图以及各参数的解释如下：
1、坐标系解释：坐标系固定于车身
X:表示车辆的纵向
Y:表示车辆的侧向
2、点含义解释
G：车辆质心点
P1：左侧前轮中心点
P2：右侧前轮中心点
P3：左侧后轮中心点
P4：右侧后轮中心点
3、图中角度含义解释
δi：(i＝1，2，3，4)车轮转向角
4、加速度符号含义解释
axi:(i＝1,2,3,4)各个车轮中心处加速度沿X方向的分量
ayi:(i＝1,2,3,4)各个车轮中心处加速度沿X方向的分量
结合图2、图3所示，假定：
1)ai是各车轮中心沿车轮前进方向的加速度值；
2)除了车轮转向角，本例在几何关系上未使用任何数据。在力学关系上使用了四个车轮中心点沿X方向的加速度值。
驱动各车轮的力Fdi的计算如下：
各车轮的约束扭矩值Tli的计算如下：
在车轮不打滑或抱死情况下，约束扭矩值的绝对值应小于或者等于扭矩请求值的绝对值。如果约束扭矩的绝对值明显大于扭矩请求值的绝对值，则可以判明车轮即将或者已经发生了打滑或者抱死现象。因此，此时控制器应调整电机和/或制动器扭矩输出值Tr，从而实现防滑的目的。
图5是根据本发明某些实施例的车轮防滑控制系统的原理示意图，如图所示，一种车轮防滑控制系统，包括：
扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr)；
电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱动车轮旋转；
车轮驱动力计算模块，用已取得的各车轮角速度(ω)，对其微分得到角加速度，结合驱动各车轮的扭矩值(Tc)，利用车轮动力学方程计算各车轮受到的驱动力(Fd)；
约束扭矩计算模块，用已取得的各车轮中心加速度(a)，结合计算得到的驱动力(Fd)和调节因子(k)，计算约束扭矩(Tl)；
扭矩调整模块，根据约束扭矩(Tl)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行调节。
结合图1、图2、图3所示的例子，在一些实施例中，前述各车轮驱动力Fd的计算、各车轮约束扭矩Tl的计算，上层扭矩请求值与约束扭矩值的比较均以前述内容描述的示例性方式来实现。
优选地，前述调整扭矩调整值Tl的控制方法为饱和度限制方法。在另外的一些例子中，还可以采用其他控制算法来进行扭矩调整值的计算，例如模糊控制/最优控制/滑模控制算法等。
在进一步的实施例中，所述扭矩调整模块响应于扭矩请求值的绝对值大于约束扭矩的绝对值，控制输出扭矩调整值Tl的大小，使得扭矩调整模块根据该扭矩调整值Tl控制调整上层扭矩输出请求值Tr。
在一些实施例中，可选地，还可以根据电池、电机以及其他车辆状态进一步控制扭矩大小。
结合图4、图5所示的示例，图6表示了利用本发明的防滑控制对一轮模型实施前述图1所示的防滑控制的控制例的原理示意图。
应当理解，以上内容所描述的防滑控制方法、策略以及控制系统，可以应用在发动机驱动的车辆、电动机驱动的车辆以及应用在混动动力车辆上，实现防滑控制的目的。
在一些例子中，前述的防滑控制方法、策略以及控制系统，尤其可以应用在采用不含有差速器的分布式驱动结构的电动汽车、平衡车等车辆上，能够在任何状态下，使得所有的车轮都具有较好的防滑控制效果。
图7a、7b表示了利用本发明某些实施例的车轮防滑控制后的效果对比图，其中图7a表示不施加前述防滑控制的仿真结果，图7b表示了施加前述防滑控制后的仿真结果。结合图6所示控制例，其仿真场景：车轮从3秒左右进入低摩擦路面，可以看出无控制的情况下，车轮明显打滑，而实施控制的例子中，车轮仅仅有轻微的打滑。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种高鲁棒性的车轮防滑控制方法，其特征在于，该方法包括：
获取车辆的各车轮的角速度(ω)，对其微分获得角加速度，结合驱动各车轮的扭矩值(Tc)，利用车轮动力学方程计算得到车轮驱动力(Fd)；
取得车轮中心的加速度(a)，结合上述驱动力(Fd)及调节因子(k)，计算驱动该车轮的约束扭矩(Tl)；
通过比较上层扭矩输出请求值(Tr)及约束扭矩(Tl)，来控制驱动车轮的扭矩输出，实现车轮防滑。
2.根据权利要求1所述的高鲁棒性的车轮防滑控制方法，其特征在于，响应于扭矩请求数值与该约束扭矩的差异，基于开关控制、模糊控制、最优控制、滑模控制中的一种控制算法获得最终的扭矩值。
3.一种车轮防滑控制系统，其特征在于，包括：
扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr)；
电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱动车轮旋转；
车轮驱动力计算模块，用已取得的各车轮角速度(ω)，对其微分得到角加速度，结合驱动各车轮的扭矩值(Tc)，利用车轮动力学方程计算各车轮受到的驱动力(Fd)；
约束扭矩计算模块，用已取得的各车轮中心加速度(a)，结合计算得到的驱动力(Fd)和调节因子(k)，计算约束扭矩(Tl)；
扭矩调整模块，根据约束扭矩(Tl)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行调节。
4.一种车轮防滑控制系统，其特征在于，包括：
防滑控制模块，用取得的各车轮中心加速度及各车轮角速度实施防滑控制，该防滑控制模块具有：
扭矩请求模块，用以接收上层控制器的信息，生成上层扭矩输出请求值(Tr)；
电机控制器，接收扭矩调整模块发送的扭矩值(Tc)驱动电机输出扭矩从而驱动车轮旋转；
车轮驱动力计算模块，用已取得的各车轮角速度(ω)，对其微分得到角加速度，结合驱动各车轮的扭矩值(Tc)，利用车轮动力学方程计算各车轮受到的驱动力(Fd)；
约束扭矩计算模块，用已取得的各车轮中心加速度(a)，结合计算得到的驱动力(Fd)和调节因子(k)，计算约束扭矩(Tl)；
扭矩调整模块，根据约束扭矩(Tl)，对于上层扭矩输出请求值(Tr)的大小进行调节。
5.一种包括前述权利要求3-4中任意一项所述的车轮防滑控制系统的车辆。
6.根据权利要求5所述的车辆，其特征在于，该车辆使用电机来驱动。
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