一种轮毂驱动智能车辆换道控制系统及方法与流程

背景技术：

作为下一代纯电驱动电动汽车的关键技术之一，轮毂电机驱动电动汽车因其在车辆总布置结构、底盘主动控制以及操控方便性方面的明显技术优势，受到业界的高度重视。另一方面，随着智能技术的逐渐完善，车辆通过外部传感器准确的感知环境，加上科学、合理的决策分析和产生安全可靠的换道轨迹，并利用稳定可靠的控制算法获得较好的跟随精度，使车辆自主换道的安全性比充满不确定因素的驾驶员更具优越性。

对于传统汽车来说，驱动力要经离合器、变速器、传动轴及主减速器等传递，并通过差速器按一定比例分配给各车轮，这种机械传动的传动比关系是传统汽车动力学性能的约束之一。而对于轮毂电机驱动电动轮车辆，其动力学特性与传统汽车的动力学特性有很大不同，其取消了机械差速器，各车轮的转速/转矩均相互独立，这意味着各车轮的转速/转矩具有更大的控制自由度。同时，轮毂电机驱动电动汽车，将电机、减速机构、制动器等高度集成于车轮内，这种结构不仅可以提高传动效率，使得底盘的机械结构简单化，同时，也减少了整车质量，且布置更合理，为实现底盘的智能和电气化提供了可能。

基于此，本发明结合轮毂驱动电动汽车底盘结构和智能驾驶两者的优势，提出了一种轮毂驱动电动汽车智能换道控制方法，此方法可以通过控制轮毂驱动系统纵向力(驱动力/制动力)实现轮毂驱动车辆的自主换道。

技术实现要素：

本发明的主要目的是为了提供一种轮毂驱动智能车辆换道控制系统及方法，通过对轮毂电机驱动系统转矩的精确控制，使车辆可以更稳定更灵活的跟踪换道轨迹。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

该系统主要包括驾驶需求模块、整车行驶状态模块、道路条件与周围环境信号模块、决策规划模块、轨迹跟踪控制模块、包含轮毂电机在内的车辆动力学模块。其中决策规划模块由换道决策模块和轨迹规划模块组成；轨迹跟踪模块由上层控制器和下层控制器组成。所述决策规划模块根据驾驶需求模块、整车行驶状态模块及外界道路条件与周围环境模块传递过来信号，传入换道决策模块，由换道决策模块根据换道决策规则进行换道决策。如决策不换道，则车辆保持当前车道行驶；如果决策换道，则由轨迹规划模块将根据设定的轨迹规划目标进行轨迹规划，并将规划得到的期望的车辆横摆角速度等信号传递给轨迹跟踪控制器，并其由上层控制器计算得到此时期望的横摆力矩，同时将横摆力矩进信号传递给下层控制器，通过其力矩分配算法计算出所需求的每个轮毂电机的驱动力/制动力。然后将轮毂电机需求驱动力/制动力信号传递轮毂电机控制器及电机，驱动电机运转。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)利用轮毂电机驱动车辆各车轮的转速/转矩均相互独立的技术优势，通过控制各轮驱动系统的纵向力来实现车辆自主换道。

(2)结合轮毂电机驱动车辆底盘结构与智能控制两者优势，在不增加冗余结构的基础上，实现轮毂电机驱动车辆智能换道。

附图说明

图1是一种四驱轮毂驱动智能车辆换道控制系统及方法示意图。

图2是决策规划模块流场图。

图3是车辆换道示意图。

图中：1-1.驾驶需求模块；1-2.整车行驶状态模块；1-3.道路条件与周围环境模块；2.决策规划模块；2-1.换道决策模块；2-2.轨迹规划模块；3.轨迹跟踪控制模块；3-1.上层控制器；3-2.下层控制器；4.车辆动力学模块；4-1、4-2、4-3、4-4.轮毂电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示的一种四驱轮毂驱动智能车辆换道控制系统方法。将驾驶需求模块1-1、整车行驶状态模块1-2、道路条件与周围环境模块1-3采集到的信号，传递给决策规划模块2，决策规划模块2中的换道决策模块2-1根据目前人-车-路状态，判断邻车道是否允许车辆进行换道(邻车道前车后车之间距离是否可以换道且距离不变或距前车距离增大)，并将最终决策指令发送给轨迹规划模块2-2。轨迹规划模块2-2根据决策指令进行轨迹规划，如果决策指令为进行换道，则轨迹规划模块2-2将会根据预先制定的轨迹规划目标规划出一条换道轨迹并产生理想的换道横摆角速度；如决策指令为不进行换道，则按原路径行驶，同时根据前车运行状态判断是否需要减速运行。进一步的，决策规划模块2将规划处的轨迹信号传递给轨迹跟踪控制模块3，首先由跟踪控制模块的上层控制器3-1根据轨迹规划结果计算出车辆按轨迹行驶所需求的横摆力矩，然后将计算出的横摆力矩传递给下层控制器3-2，由下层控制器根据其转矩分配策略，分配出沿规划后轨迹行驶的各个轮毂电机所需提供的驱动力/制动力。同时，将计算结果发送给包括轮毂电机在内的车辆动力学模块，并由其指令轮毂电机4-1、4-2、4-3、4-4按需求提供相应的纵向力以供车辆行驶，并将车辆横摆角速度、车速等信号实时反馈对决策规划模块及轨迹跟踪控制模块，用于对轨迹规划及车辆跟踪过程的校正。

本发明换道过程是以以下方式实现：

整个换道过程如图3所示，车辆在图3位置1时即车辆进行直线行驶时，换道决策模块2通过传感器所传递的信息进行决策前方道路情况是否允许进行换道，换道流程如图2换道决策流程图所示，如果可以进行换道则轨迹规划模块则会根据当前车速及道路情况通过多项式的方法进行轨迹规划，得到换道轨迹簇，再根据加权优化的方法，以设定优化指标进行优化从而得到规划后的轨迹。如图3中所示为车辆遵循规划出的轨迹行驶的示意图。

跟踪控制模块主要由上下两层控制器组成，上层控制器主要通过滑模控制器来控制减少需求的横摆角速度与实际的横摆角速度的误差，使实际的横摆角速度尽可能的跟踪期望的横摆角速度，并根据得到的横摆角速度计算出需要加载在车辆上的横摆转矩mz，然后将横摆转矩mz传递给下层控制器。下层控制器通过转矩优化分配策略将所需横摆转矩分配成每个轮毂电机的驱动力进行轨迹跟踪。转矩优化分配策略采用加权最小二乘的优化分配算法，以轮胎的利用率即根据垂直载荷和4个轮胎纵向力平方为优化目标，考虑路面附着系数和电机峰值转矩等约束，进行优化求解得出输入4个轮毂电机的驱动转矩，使车辆转向行驶时具有更好的稳定性。

以如图3所示换道工况为例，对于各轮纵向力的控制可为三种情况：

(1)通过控制单轮增加或减少驱动力fxi进行转向

采用单轮控制方式进行换道时，可以看成前轮进行转向后轮从动。比如以控制左前轮进行转向为例：左前轮减少驱动力，内外两侧车轮因差速产生逆时针的横摆力矩进行向左转向。同理可以通过控制右前轮增大其驱动力来获得内外侧车轮的差速。另一种单轮控制转向是使车辆右后轮增大其驱动力形成外侧速度大于内测速度和后轮速度大于前轮速度的差速进行转向。

(2)通过控制双轮增加或减少驱动力fxi进行转向

采用双轮控制换道时，可以控制前轮驱动力形成差速，即内侧车轮驱动力减少外侧驱动力增加；也可以通过控制左前轮和右后轮进行转向，即减小左前轮驱动力并增大右后轮驱动力。

(3)通过控制多轮进行转向采用多轮控制方法进行换道时可以分两种情况，其一为前后车轮同向转动，其二为前后车轮反向差速转动。同向转动的情况就是内侧车轮速度小于外侧速度，即内侧车轮减小驱动力外侧车轮增加驱动力；反向转动前轮内侧驱动力要小于外侧驱动力，后轮外侧驱动力要小于内侧驱动力，即减小左前轮驱动力并增大右后轮驱动力同时减小右后轮驱动力增大左后轮驱动力进行转向。