CN109795337A - 一种基于车轮转速控制的分布式车辆纵向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于车轮转速控制的分布式车辆纵向控制方法，属于车辆动力学控制领域。本发明方法通过将加速踏板解析为纵向速度增量，并利用比例控制对车轮转速进行控制，保证了驾驶员的纵向加速感。另一方面，本发明通过对车轮比例控制系数、纵向速度增量误差系数与控制周期数的调整，可实现驾驶员的不同纵向加速感，与车轮在不同地面接触条件下的自适应防滑控制，简化了车辆控制方法。本发明可提高车辆在越野复杂环境下的操纵稳定性。本发明所涉及的各个车辆纵向控制参数均为通用参数，覆盖车辆所有运动工况，可提高车辆的通过性与机动性。

Description

一种基于车轮转速控制的分布式车辆纵向控制方法

技术领域

本发明属于车辆动力学控制领域，特别涉及一种基于车轮转速控制的分布式车辆纵向控制方法。

背景技术

分布式车辆是指将电机直接安装在车轮内(即采用轮毂电机)或者附近(即采用轮边电机)的车辆，通过电机扭矩实现车辆的控制。由于分布式车辆具有驱动传动链短、传动效率高、结构紧凑等突出优点，逐年来一直广受汽车业研发人员的关注。

车辆的驾驶过程是一个人-车-路相互作用的过程，是一个闭环系统，驾驶员需要从汽车和道路上反馈来的信息，对驾驶操作进行修正，保证汽车安全高效运行。纵向加速感是这些反馈信息中的重要组成部分，对于驾驶操纵性有重要的影响。为实现驾驶员的纵向加速感，一般将加速踏板开度与车辆的纵向力，即车轮的扭矩对应相关，使驾驶员能够通过车轮力反馈感知路面的信息。

车轮转速控制，在无人机器人领域可以实现机器人的纵向速度与位置的精确控制。此时的转速控制扭矩只与转速控制目标相关，没有与加速踏板开度对应，无法实现纵向加速感。

现有的分布式车辆中的车轮转速控制，仅用于车轮防滑控制等功能中，纵向加速感由加速踏板开度对应的车轮扭矩实现，转速控制是通过设定车轮转速目标，对车轮扭矩进行修正。或者在车辆低速时对车辆进行纵向控制，而此时的转速控制，无法向驾驶员提供纵向加速感。

在车辆控制中，未发现有采用转速控制的方法实现有纵向加速感的车辆纵向控制。而对于车轮驱动防滑功能的实现，需在纵向加速感扭矩基础上，根据转速目标进行扭矩修正，增加了系统的复杂度。

综上所述，在驾驶员有纵向加速感需求时，未有利用车轮转速控制实现车辆的纵向控制。通过设定转速目标，对车轮扭矩的修正，可实现驱动防滑等功能。

发明内容

本发明的目的是针对现有利用车辆车轮转速控制，无法实现使驾驶员有纵向加速感的驱动控制。提供一种基于车轮转速控制的分布式车辆纵向控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种基于车轮转速控制的分布式车辆纵向控制方法，其特征在于，所述分布式车辆含有左右对称设置的共计2N个车轮，各车轮分别由一个相应的电机驱动，各电机分别由一个电机控制器控制，所述电机为轮毂电机或轮边电机；所述分布式车辆纵向控制方法具体包括以下步骤：

1)参数设定

根据国际标准定义车辆坐标系OXY，令坐标系原点O为车辆质心，坐标轴X为车辆的前进方向，坐标轴Y为车辆前进方向的左侧方向；

规定车轮扭矩坐标方向、车轮转速坐标方向与Y方向一致时为正，反之为负；

2)扭矩计算

分布式车辆通过2N个车轮扭矩完成对车辆纵向控制，左右侧车轮扭矩计算如式(7)所示：

式(9)中，

T_Li为左侧第i个车轮的转速控制扭矩，T_Rj为右侧第j个车轮的转速控制扭矩；

n_Li为左侧第i个车轮的转速，n_Rj为右侧第j个车轮的转速，左右侧各车轮的转速分别由相应的一个电机控制器反馈得到；

n_L为左侧车轮目标转速，n_R为右侧车轮目标转速，计算表达式如式(10)所示：

式(12)中，

ω_ra为车辆的实际横摆角速度，当ω_ra值为正时，表示车辆为逆时针转向，当ω_ra值为负时，表示车辆为顺时针转向；

r为车轮滚动半径；

B为车轮轮距；

u_d为车辆纵向期望速度，计算表达式如式(3)所示：

u_d＝u_a+Δu_d (3)

式(3)中，

u_a为实际车辆纵向速度；

Δu_d为车辆纵向期望速度增量，计算表达式如式(4)所示：

式(4)中，

α为加速踏板开度，由踏板开度传感器测得；

α_max为加速踏板最大开度；

PS为车辆档位信息，由档位传感器测得，当PS＝1时，表示前进档，当PS＝-1时，表示后退档；

分别为车辆处于前进与后退时的最大期望纵向速度增量，计算表达式如式(5)、(6)所示：

式(5)、(6)中，

分别为左侧第i个车轮电机的正向、负向最大扭矩，分别为右侧第j个车轮电机的正向、负向最大扭矩，左右侧各车轮电机的正向、负向最大扭矩分别由相应的一个电机控制器反馈得到；

M为车辆质量；

Δt为车轮转速控制时间周期，设置为20ms～50ms；

k_u为车辆纵向速度增量误差系数，与公式(1)中车轮转速比例控制系数k_n的关系如式(7)所示：

式(7)中，K为驾驶员纵向加速感系数，取值范围为0～1，用于表示在确定的加速踏板开度下，车轮的转速控制扭矩与车轮最大扭矩之间的比例关系。

进一步地，在实现车辆纵向加速感的纵向控制基础上，当车轮转速大于不打滑车轮转速时，通过设置车轮转速比例控制系数k_n与控制周期数Z，使得车轮转速在设定的控制周期内控制在不打滑车轮转速内，此时，车轮转速比例控制系数k_n还满足公式(8)要求：

式(8)中，

J为车轮转动惯量；

Z为控制周期数，即驾驶员操作控制周期内的车轮转速控制周期Δt的总次数。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明通过将加速踏板解析为车辆纵向速度增量，并利用比例控制对转速进行控制，保证了驾驶员的纵向加速感，利用车轮转速控制实现车辆纵向控制。本发明还通过对车轮比例控制系数、纵向速度增量误差系数与控制周期数的调整，可实现驾驶员的不同纵向加速感，与车轮在不同地面接触条件下的自适应防滑控制，简化了车辆控制。基于上述两个方面，本发明可提高车辆在越野复杂环境下的操纵稳定性。具体体现为：

1本发明将驾驶员加速踏板解析为车辆纵向速度增量，并通过比例控制进行车轮转速控制，保证了驾驶员的纵向加速感觉，特别适用于有人驾驶车辆。

2本发明通过调整车轮转速比例控制系数与纵向速度增量误差系数，实现驾驶员的不同纵向加速感。

3本发明通过调整车轮转速比例控制系数与控制周期数，实现车轮在不同地面接触条件下的自适应防滑控制，简化车辆控制。

4本发明提出的车辆纵向控制参数为通用参数，覆盖车辆所有运动工况，可提高车辆的通过性与机动性。

5本发明提出的车辆纵向控制方法可推广至机械结构类似的车辆的纵向控制。

附图说明

图1是本发明实施例所定义的车辆坐标系示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于车轮转速控制的分布式车辆纵向控制方法，下面结合具体实例进一步说明如下：

本发明实施例的一种基于车轮转速控制的分布式车辆纵向控制方法，用于具有6个轮毂电机驱动的分布式车辆，各车轮分别由一个相应的电机驱动，各电机分别由一个电机控制器控制，该方法实施例具体包括以下步骤：

1)参数设定

定义车辆坐标系OXY。并定义各个参数在车辆坐标系中的正负。

根据国际标准定义车辆坐标系OXY，令坐标系原点O为车辆质心，坐标轴X为车辆的前进方向，坐标轴Y为车辆前进方向的左侧方向，如图1所示。

规定车轮扭矩T坐标方向、车轮转速n坐标方向均分别与Y方向一致时为正，反之为负；

将车辆左右侧车轮的轮毂电机从前至后依次排序，本实施例将车辆左侧车轮从前至后排序为(1，2，3)，右侧车轮从前至后排序为(1，2，3)；将电机控制器反馈信息与各个轮毂电机的排序一一对应。

2)扭矩计算

分布式车辆通过六个车轮扭矩完成对车辆纵向控制，左右侧车轮扭矩计算如式(13)所示：

式(15)中，

T_Li为左侧第i个车轮的转速控制扭矩，T_Rj为右侧第j个车轮的转速控制扭矩；

n_Li为左侧第i个车轮的转速，n_Rj为右侧第j个车轮的转速，左右侧各车轮的转速分别由相应的一个电机控制器反馈得到。

n_L为左侧车轮目标转速，n_R为右侧车轮目标转速，计算表达式如式(16)所示：

式(18)中，ω_ra为车辆的实际横摆角速度，当ω_ra值为正时，表示车辆为逆时针转向，当ω_ra值为负时，表示车辆为顺时针转向；r为车轮滚动半径；B为车轮轮距，由整车设计确定；

ω_ra可通过多种方式获得，本实例通过选取左右侧车轮转速进行估计，如式(2-1)所示：

式(2-1)中，n_aL，n_aR分别为左右侧车轮的基准转速，计算表达式如式(2-2)所示：

式(2-2)中，n_L1，n_L2，n_L3，n_R1，n_R2，n_R3定义与式(19)中一致，此处不再赘述。

式(20)中，u_d为车辆纵向期望速度，计算表达式如式(3)所示：

u_d＝u_a+Δu_d (3)

式(3)中，u_a为实际车辆纵向速度，可通过多种方法得到。本实例通过选取左右侧车轮转速进行估计，如式(3-1)所示：

式(3-1)中，r定义与式(2)中一致，n_aL，n_aR定义与式(2-2)中一致，此处不再赘述。

式(3)中，Δu_d为车辆纵向期望速度增量，计算表达式如式(4)所示：

式(4)中，α为加速踏板开度，由踏板开度传感器测得；α_max为加速踏板最大开度，由加速系统机械结构决定；PS为车辆档位信息，由档位传感器测得，当PS＝1时，表示前进档，当PS＝-1时，表示后退档。

式(4)中，分别为车辆处于前进与后退时的最大期望纵向速度增量，计算表达式如式(5)、(6)所示：

式(5)、(6)中，分别为左侧第i个车轮电机的正向、负向最大扭矩，分别为右侧第j个车轮电机的正向、负向最大扭矩，左右侧各车轮电机的正向、负向最大扭矩分别由相应的一个电机控制器反馈得到；M为车辆质量，由整车设计决定，本实例为3500kg，Δt为车轮转速控制时间周期，通常设置为20ms～50ms，本实例为20ms，r定义与式(21)中一致，此处不再赘述。

式(5)、(6)中，k_u为车辆纵向速度增量误差系数，与公式(1)中车轮转速比例控制系数k_n的关系如式(7)所示：

式(7)中，K为驾驶员纵向加速感系数，K的取值根据纵向加速感设计决定，用于表示在确定的加速踏板开度下，车轮的转速控制扭矩与车轮最大扭矩之间的比例关系，取值范围为0～1，本实例取值为1。驾驶员纵向加速感系数K的定义如式(7-1)所示，

式(8)中，分别为前进档与后退档时，左侧第i个车轮的转速控制扭矩；分别为前进档与后退档时，右侧第j个车轮的转速控制扭矩；分别为左侧第i个车轮的正向与负向最大扭矩；分别为右侧第j个车轮的正向与负向最大扭矩。

本实施例方法通过参数k_u，k_n，K的确定，可使车轮转速控制扭矩与加速踏板开度线性对应，实现驾驶员的纵向加速感。

各电机控制器根据步骤2)计算得到的相应车轮的转速控制扭矩(T_Li、T_Rj)控制相应电机执行车轮的转速控制扭矩，驱动各车轮完成分布式车辆的纵向控制。

进一步地，在实现有纵向加速感的车轮纵向控制的基础上，当车轮转速大于不打滑车轮转速时，还可以通过设置合适的车轮转速比例控制系数k_n与控制周期数Z，使得车轮转速在设计的控制周期内控制在不打滑车轮转速内，即k_n还要满足如下公式(8)要求：

式(8)中，J为车轮转动惯量，由整车设计决定。Z为控制周期数，即驾驶员操作控制周期内的车轮转速控制周期Δt的总次数，其取值由整车设计决定(具体的，可根据车轮转速响应快慢与整车控制可接受的车轮转速控制时间确定)，取值范围为正整数，本实例取值为4。

通过Z，k_n的设置，可使较快的车轮转速在设计控制周期内，控制到不打滑车轮转速。

本发明提出了一种基于车轮转速控制的车辆纵向控制方法，本发明通过将加速踏板解析为纵向速度增量，并利用比例控制对转速进行控制，保证了驾驶员的纵向加速感，利用车轮转速控制实现车辆纵向控制。通过对车轮比例控制系数、纵向速度增量误差系数与控制周期数的调整，可实现驾驶员的不同纵向加速感，与车轮在不同地面接触条件下的自适应防滑控制，简化了车辆控制。基于上述两个方面，本发明可提高车辆在越野复杂环境下的操纵稳定性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于车轮转速控制的分布式车辆纵向控制方法，其特征在于，所述分布式车辆含有左右对称设置的共计2N个车轮，各车轮分别由一个相应的电机驱动，各电机分别由一个电机控制器控制，所述电机为轮毂电机或轮边电机；所述分布式车辆纵向控制方法具体包括以下步骤：

1)参数设定

根据国际标准定义车辆坐标系OXY，令坐标系原点O为车辆质心，坐标轴X为车辆的前进方向，坐标轴Y为车辆前进方向的左侧方向；

规定车轮扭矩坐标方向、车轮转速坐标方向与Y方向一致时为正，反之为负；

2)扭矩计算

分布式车辆通过2N个车轮扭矩完成对车辆纵向控制，左右侧车轮扭矩计算如式(1)所示：

式(3)中，

T_Li为左侧第i个车轮的转速控制扭矩，T_Rj为右侧第j个车轮的转速控制扭矩；

n_Li为左侧第i个车轮的转速，n_Rj为右侧第j个车轮的转速，左右侧各车轮的转速分别由相应的一个电机控制器反馈得到；

n_L为左侧车轮目标转速，n_R为右侧车轮目标转速，计算表达式如式(4)所示：

式(6)中，

ω_ra为车辆的实际横摆角速度，当ω_ra值为正时，表示车辆为逆时针转向，当ω_ra值为负时，表示车辆为顺时针转向；

r为车轮滚动半径；

B为车轮轮距；

u_d为车辆纵向期望速度，计算表达式如式(3)所示：

u_d＝u_a+Δu_d (3)

式(3)中，

u_a为实际车辆纵向速度；

Δu_d为车辆纵向期望速度增量，计算表达式如式(4)所示：

式(4)中，

α为加速踏板开度，由踏板开度传感器测得；

α_max为加速踏板最大开度；

PS为车辆档位信息，由档位传感器测得，当PS＝1时，表示前进档，当PS＝-1时，表示后退档；

分别为车辆处于前进与后退时的最大期望纵向速度增量，计算表达式如式(5)、(6)所示：

式(5)、(6)中，

分别为左侧第i个车轮电机的正向、负向最大扭矩，分别为右侧第j个车轮电机的正向、负向最大扭矩，左右侧各车轮电机的正向、负向最大扭矩分别由相应的一个电机控制器反馈得到；

M为车辆质量；

Δt为车轮转速控制时间周期，设置为20ms～50ms；

k_u为车辆纵向速度增量误差系数，与公式(1)中车轮转速比例控制系数k_n的关系如式(7)所示：

式(7)中，K为驾驶员纵向加速感系数，取值范围为0～1，用于表示在确定的加速踏板开度下，车轮的转速控制扭矩与车轮最大扭矩之间的比例关系。

2.如权利要求1所述的分布式车辆纵向控制方法，其特征在于，当车轮转速大于不打滑车轮转速时，通过设置车轮转速比例控制系数k_n与控制周期数Z，使得车轮转速在设定的控制周期内控制在不打滑车轮转速内，此时，车轮转速比例控制系数k_n还满足公式(8)要求：

式(8)中，

J为车轮转动惯量；

Z为控制周期数，即驾驶员操作控制周期内的车轮转速控制周期Δt的总次数。

3.如权利要求1或2所述的分布式车辆纵向控制方法，其特征在于，车辆的实际横摆角速度ω_ra通过选取左右侧车轮转速进行估计，计算公式如式(2-1)所示：

式(2-1)中，

n_aL，n_aR分别为左右侧车轮的基准转速，计算公式如式(2-2)所示：

4.如权利要求3所述的分布式车辆纵向控制方法，其特征在于，实际车辆纵向速度u_a，通过选取左右侧车轮转速进行估计，计算公式如式(3-1)所示：