一種基于輪胎側偏角的車輛橫擺穩定集成控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種汽車主動安全控制領域的控制方法，具體涉及一種基于輪胎側偏 角的車輛橫擺穩定集成控制方法，不僅可以用于車輛的主動安全控制，更可以提高實際車 輛的橫擺穩定性。
【背景技術】
[0002] 近幾十年，全球汽車工業得到了大規模的發展，汽車保有量也大幅上升，道路交通 壓力日益加大，交通事故頻繁發生，引起了人們對汽車安全性能的高度重視。操縱穩定性是 汽車主動安全性的重要方面，它不僅影響到汽車駕駛的操縱輕便程度，而且也是保證高速 行駛汽車安全的一個主要性能，所以人們稱之為"高速汽車的生命線"。目前這類操縱穩定 性主動安全系統主要有主動前輪轉向系統（AFS)、汽車防抱死制動系統（ABS)、防滑控制系 統（ASR)以及汽車穩定性控制系統如汽車電子穩定性程序（ESP)。目前所開發出的各種主 動安全控制系統對于車輛主動安全的提高都有一定的作用。隨著人們對汽車性能的完美追 求，底盤控制系統的裝車率越來越高，無論是對汽車的行駛安全性還是乘坐舒適性都有顯 著提高，但這些電子控制系統大都是圍繞提高某一項性能指標，由各個零部件廠商單獨設 計開發的，而沒有考慮與其它電子控制系統的相互影響和耦合作用，這些電控系統的簡單 疊加非但不能充分體現出各自應有的性能，反而會降低整車的綜合性能。為了解決這些問 題，集成控制的概念應運而生。
[0003] 目前，針對主動前輪轉向系統（AFS)與電子穩定性控制（ESP)的集成控制問題，國 內外學者已經做了許多研宄，但仍然存在一些問題：
[0004] 一、輪胎是車輛主動安全問題的研宄的關鍵問題，不同的輪胎模型所表達出的輪 胎特性存在非常大的差異，因此選擇合適的輪胎模型研宄車輛的主動安全問題是極其重要 的；
[0005] 二、在以往的集成控制研宄中，大多數都采用基于橫擺角速度或質心側偏角的控 制策略，而事實上輪胎側偏角能夠更直接的反應車輛的穩定性；
[0006] 三、對于車輛穩定性控制來說，由于車輛本身構造特性，例如，制動系統執行機構 執行器及轉向系統具有飽和特性，因此存在一定的約束條件，這些都需要在控制器設計過 程中考慮；
[0007] 四、制動力分配是AFS與ESP集成控制的重要環節，目前大多數都是采用單獨的分 配方法，這種分配方法比較簡單，但是分層設計對于實際應用來說不僅麻煩而且增加中間 環節的執行機構，進而增加成本。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是提供一種基于輪胎側偏角的車輛橫擺穩定集成控制方法，以更直 接的控制車輛的橫擺穩定性，提高車輛的穩定性能。
[0009] 本發明的目的是通過以下方案實現的：
[0010] 一種基于輪胎側偏角的車輛橫擺穩定集成控制方法，包括以下步驟：
[0011] 車載傳感器模塊測量車輛當前的行駛狀態信息；
[0012] 電子控制單元ECU將車載傳感器模塊反饋回來的車輛行駛狀態信息處理后，判斷 當前車輛的穩定狀態，并當車輛處于不穩定運行狀態時，決策出使車輛恢復穩定性的控制 信號，發送給執行機構；
[0013] 執行機構執行電子控制單元ECU的控制信號，使車輛恢復穩定行駛狀態；
[0014] 所述電子控制單元E⑶包括以下單元：
[0015] 狀態監測單元，用于根據車載傳感器模塊反饋回來的車輛行駛狀態信息，經計算 或估計處理實時得到當前車輛的實際狀態信息；
[0016] 參考狀態計算單元，用于根據狀態監測單元實時反饋回來的實際狀態信息，利用 二自由度穩態轉向特性方法計算保持車輛穩定的參考理想狀態值；
[0017] 評估單元，用于根據狀態監測單元實時反饋回來的車輛實際狀態信息和經參考狀 態計算單元計算得到的參考理想狀態值，評估當前車輛運行的穩定情況；
[0018] 穩定性控制單元，當車輛處于不穩定運行狀態時，穩定性控制單元根據當前的車 輛輪胎側偏角狀態，采用非線性模型預測控制算法集成主動前輪轉向和制動控制，規劃決 策出使車輛恢復穩定性的控制信號，并將控制信號發送至執行機構。
[0019] 所述的一種基于輪胎側偏角的車輛橫擺穩定集成控制方法，其中，穩定性控制單 元的控制過程包括以下步驟：
[0020] 步驟一、建立簡化的車輛動力學模型；
[0021] 步驟二、利用步驟一建立的車輛動力學模型預測車輛的未來動態，結合參考狀態 計算單元計算的參考理想狀態值，給出相應的優化問題及約束條件；
[0022] 步驟三、求解步驟二的優化問題，將得到的優化結果作為控制輸出發送至執行機 構。
[0023] 所述的一種基于輪胎側偏角的車輛橫擺穩定集成控制系統，其中，所述步驟一建 立簡化的車輛動力學模型包括以下具體過程：
[0024] 1. 1)建立基于輪胎側偏角的車體動力學模型：
【主權項】
1. 一種基于輪胎側偏角的車輛橫擺穩定集成控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 車載傳感器模塊測量車輛當前的行駛狀態信息； 電子控制單元ECU將車載傳感器模塊反饋回來的車輛行駛狀態信息處理后，判斷當前 車輛的穩定狀態，并當車輛處于不穩定運行狀態時，決策出使車輛恢復穩定性的控制信號， 發送給執行機構； 執行機構執行電子控制單元ECU的控制信號，使車輛恢復穩定行駛狀態； 所述電子控制單元E⑶包括以下單元： 狀態監測單元，用于根據車載傳感器模塊反饋回來的車輛行駛狀態信息，經計算或估 計處理實時得到當前車輛的實際狀態信息； 參考狀態計算單元，用于根據狀態監測單元實時反饋回來的實際狀態信息，利用二自 由度穩態轉向特性方法計算保持車輛穩定的參考理想狀態值； 評估單元，用于根據狀態監測單元實時反饋回來的車輛實際狀態信息和經參考狀態計 算單元計算得到的參考理想狀態值，評估當前車輛運行的穩定情況； 穩定性控制單元，當車輛處于不穩定運行狀態時，穩定性控制單元根據當前的車輛輪 胎側偏角狀態，采用非線性模型預測控制算法集成主動前輪轉向和制動控制，規劃決策出 使車輛恢復穩定性的控制信號，并將控制信號發送至執行機構。
2. 按照權利要求1所述的一種基于輪胎側偏角的車輛橫擺穩定集成控制方法，其特征 在于，所述穩定性控制單元的控制過程包括以下步驟： 步驟一、建立簡化的車輛動力學模型； 步驟二、利用步驟一建立的車輛動力學模型預測車輛的未來動態，結合參考狀態計算 單元計算的參考理想狀態值，給出相應的優化問題及約束條件； 步驟三、求解步驟二的優化問題，將得到的優化結果作為控制輸出發送至執行機構。
3. 按照權利要求2所述的一種基于輪胎側偏角的車輛橫擺穩定集成控制方法，其特征 在于，所述步驟一建立簡化的車輛動力學模型包括以下具體過程： 1. 1)建立基于輪胎側偏角的車體動力學模型：
其中，Ff，Fr:前后輪胎的側偏力，單位N;M:附加橫擺力矩，單位匪;a:汽車質心到前軸 的距離，單位m;b:汽車質心到后軸的距離，單位m;，Iz:汽車繞z軸的轉動慣量，單位kgm2 ; S:前輪轉角，單位rad;r:車輛的橫擺角速度，單位rad/s;vx:車輛縱向速度，單位m/s;vy: 車輛側向速度，單位m/s;m:汽車質量，單位kg; 所述附加橫擺力矩M可用公式（2)表示：
其中，s:前輪轉角，單位rad;bF:前輪距，單位m;bK:后輪距，單位m;AFxfl:左前輪施 加的附加制動力，單位N;AFxft:右前輪施加的附加制動力，單位N;AFm:左后輪施加的附 加制動力，單位N; △Fx":右后輪施加的附加制動力，單位N。 1. 2)建立輪胎模型：
其中，Fz:輪胎縱向垂直載荷，單位N;FZ(I:標稱輪胎載荷，單位N;y:路面附著系數；Ud:標稱路面附著系數；Ca:輪胎側偏剛度，單位N/rad;a:輪胎側偏角，單位rad;yz、 ya:模型參數。 1.3)建立簡化的車輛動力學狀態空間模型
上式中， x(t) = [af 6]為狀態變量；其中，af:前輪胎側偏角，單位rad;a^后輪胎側 偏角，單位rad; 8 :前輪轉角，單位rad; ? = [A/^AFx/rAFTr/AFTiT列為控制輸入；其中，AFxfl:左前輪施加的附加制動力，單 位N;AFxft:右前輪施加的附加制動力，單位N;AFX,1:左后輪施加的附加制動力，單位N; AFX":右后輪施加的附加制動力，單位N;P:前輪轉角變化率，單位rad/s; y=r，為系統輸出；其中，r:車輛的橫擺角速度，單位rad/s。
4.按照權利要求2所述的一種基于輪胎側偏角的車輛橫擺穩定集成控制方法，其特征 在于，所述步驟二給出的優化問題為： minu(k)J(Y(k),U(k),Nu, Np) J= 11ry(Y(k+i|k)-R(k+D) 112+| |ruu(k) 112 s.t.af；min^af(k) ^af；max ar，min< a r(k) < ar，max
AFxflmin<AFxfl(k)<AFxfl- AFxfrmin<AFxfr (k) <AFxfrmaxAFxrlDlin<AFxrl(k)<AFxrl- UAFxrr(k)彡AFmax 其中，J為目標函數；Y(k+1 |k)為系統的預測方程；R(k+1)為參考輸入序列；U(k+1)為 控制輸入的獨立變量；ry、ru為權重矩陣； af:前輪胎側偏角，單位rad;a^后輪胎側偏角，單位rad;AFxfl，左前輪施加的附加 制動力，單位N;AFx&:右前輪施加的附加制動力，單位N;AF:左后輪施加的附加制動 力，單位N;AFX":右后輪施加的附加制動力，單位N; 前輪轉角變化率，單位rad/s。
【專利摘要】本發明公開了一種基于輪胎側偏角的車輛橫擺穩定集成控制方法，包括：車載傳感器模塊測量車輛當前的行駛狀態信息；電子控制單元ECU將車載傳感器模塊反饋回來的車輛行駛狀態信息處理后，判斷當前車輛的穩定狀態，并當車輛處于不穩定運行狀態時，決策出使車輛恢復穩定性的控制信號，發送給執行機構；執行機構執行電子控制單元ECU發送的控制信號，使車輛恢復穩定行駛狀態。其中，電子控制單元ECU包括狀態監測單元、參考狀態計算單元、評估單元、穩定性控制單元。本發明能更直接的控制車輛的橫擺穩定性，提高車輛的穩定性能。
【IPC分類】B60W40-107, B60W40-112, B60W30-02, B60W40-00, B60W40-101, B60W10-18, B60W10-20
【公開號】CN104773169
【申請號】CN201510209246
【發明人】郭洪艷, 吉巖, 麻穎俊, 陳虹
【申請人】吉林大學
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月28日