一种差动制动/驱动协调防侧翻控制系统及其控制方法

本发明涉及汽车主动防侧翻控制技术领域，尤其是涉及一种差动制动/驱动协调防侧翻控制系统及其控制方法。

背景技术：

分布驱动电动汽车是在汽车电动化发展趋势下，集成零排放、传动高效、控制灵活等优势的高新技术载体之一。然而，随着汽车行驶车速越来越快会导致侧翻事故发生率不断攀升，分布驱动电动汽车同样面临这一复杂的动力学失稳控制难题。

相比于被动防侧翻措施而言，主动防侧翻控制技术具有更为理想的防侧翻控制效果，其中，差动制动技术防侧翻控制技术就是一种典型的车辆主动防侧翻控制技术。差动制动防侧翻控制的本质就是通过制动系统对相应车轮施加制动力，产生作用于车辆的抗横摆力矩来减小横摆角速度，使汽车恢复稳定状态。如申请号2019101350310提出了基于差动制动和主动悬架的车辆侧倾和横摆运动控制系统方法，以汽车横向加速度、横摆角速度跟踪误差等参数，设计汽车侧倾运动和横摆运动控制器求解悬架控制力和差动制动力矩，但是上述发明并未考虑路面附着系数对差动制动防侧翻控制效果的影响，当实际行驶工况中路面附着系数较低情况下，可能受到地面所能提供的最大制动力限值的约束而无法提供足够的抗横摆力矩来改善车辆的防侧翻控制效果，这就造成了潜在的侧翻安全隐患；此外，从汽车纵向动力学分析可知，通过施加制动力来进行主动防侧翻控制会造成车辆行驶速度的损耗。

技术实现要素：

针对现有分布驱动电动汽车的差动制动防侧翻控制在实施过程中未能充分考虑路面附着系数对防侧翻控制效果的影响，且存在单独实施差动制动控制会造成车辆行驶速度损耗的技术问题，本发明提供了一种差动制动/驱动协调防侧翻控制系统及其控制方法，充分考虑了路面附着系数对差动制动防侧翻控制效果的影响，对于提升车辆的行驶安全性有重要研究意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种差动制动/驱动协调防侧翻控制系统，包括传感器单元、信号采集处理单元、侧翻预警单元、最佳抗衡摆力矩计算单元、附着系数识别单元、整车控制器vcu、差动制动/驱动协调控制单元、左前轮电机控制器、左前轮盘式制动器、左前轮轮毂电机、右前轮电机控制器、右前轮盘式制动器、右前轮轮毂电机、左后轮电机控制器、左后轮盘式制动器、左后轮轮毂电机、右后轮电机控制器、右后轮盘式制动器和右后轮轮毂电机，所述传感器单元与信号采集处理单元连接，信号采集处理单元分别与侧翻预警单元、最佳抗衡摆力矩计算单元、附着系数识别单元连接，所述侧翻预警单元与整车控制器vcu连接，整车控制器vcu、最佳抗衡摆力矩计算单元和附着系数识别单元均与差动制动/驱动协调控制单元连接；

所述传感器单元包括用于采集汽车行驶速度v的汽车速度传感器、用于采集汽车轮速ωi的汽车轮速传感器、用于采集汽车纵向加速度ax的纵向加速度传感器、用于采集汽车横向加速度ay的横向加速度传感器、用于采集汽车横摆角速度ωr的横摆角速度传感器、用于测量悬挂质量侧倾角φ的悬挂质量侧倾角传感器，用于测量悬挂质量侧倾角速度的悬挂质量侧倾角速度传感器、用于测量悬挂质量侧倾角加速度的悬挂质量侧倾角加速度传感器和用于采集驾驶员踏板信号的驱动/制动踏板信号传感器；

所述差动制动/驱动协调控制单元包括轮胎垂直载荷计算单元、轮胎最大纵向力计算单元、车轮运动形式确定单元和最佳抗衡摆力矩分配单元；

传感器单元将采集到的数据输入到信号采集处理单元，信号采集处理单元将汽车横向加速度ay、悬挂质量侧倾角φ输入到侧翻预警单元判断汽车是否存在侧翻危险，若判断汽车存在侧翻危险，侧翻预警单元输出危险信号到整车控制器vcu，整车控制器vcu输出信号启动差动制动/驱动协调控制单元，信号采集处理单元将汽车纵向加速度ax、汽车横摆角速度ωr、悬挂质量侧倾角速度悬挂质量侧倾角加速度输入到最佳抗衡摆力矩计算单元，最佳抗衡摆力矩计算单元输出最佳抗衡摆力矩δm并输入到车轮运动形式确定单元，同时信号处理单元将整车控制器vcu将驾驶员踏板信号输入到车轮运动形式确定单元，车轮运动形式确定单元输出车轮运动形式结果到最佳抗衡摆力矩分配单元，附着系数识别单元计算各个车轮在各自滑移率λ下的附着系数μi(λ)，将结果输入到轮胎最大纵向力计算单元，整车控制器vcu将汽车加速度ax输入到轮胎垂直载荷计算单元，轮胎垂直载荷计算单元将各个车轮的垂向载荷fzi(i＝1，2，3，4，其中1代表左前轮，2代表右前轮，3代表左后轮，4代表右后轮)输入到轮胎最大纵向力计算单元，轮胎最大纵向力计算单元计算出各个轮胎所能提供的最大纵向力fxi_max(i＝1，2，3，4，其中1代表左前轮，2代表右前轮，3代表左后轮，4代表右后轮)，将结果输入到最佳抗衡摆力矩分配单元，最佳抗衡摆力矩分配单元根据最大纵向力fxi_max发送调整信号到车轮运动形式确定单元，车轮运动形式确定单元将调整的车轮运动形式结果输入最佳抗衡摆力矩分配单元，最佳抗衡摆力矩分配单元将最终车轮纵向力分配结果输入到整车控制器vcu，整车控制器vcu控制左前轮电机控制器、右前轮电机控制器、左后轮电机控制器、右后轮电机控制器使左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机输出转矩和控制左前轮盘式制动器、右前轮盘式制动器、左后轮盘式制动器、右后轮盘式制动器工作提供制动力矩。

一种差动制动/驱动协调防侧翻控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)确定汽车是否存在侧翻危险，是否启动差动制动/驱动防侧翻控制

信号采集处理单元通过传感器单元采集汽车横向加速度ay、悬挂质量侧倾角φ，将数据发送到侧翻预警单元，计算横向载荷转移率ltr，ltr计算公式如下：

式中，m为汽车整车质量；ms为悬挂质量；h为悬挂质量质心距侧倾轴的距离；hr为侧倾中心距地面的距离；g为重力加速度；b为轮距；

定义汽车的ltr阈值ltrt＝0.8，当|ltr|≥0.8时则判断汽车有侧翻危险，整车控制器vcu发出指令使差动制动/驱动协调控制单元工作启动差动制动/驱动防侧翻控制；当|ltr|＜0.8时，整车控制器vcu控制传感器单元重复采集数据计算横向载荷转移率ltr；

步骤2)初次确定车轮运动形式以及车轮制动力或驱动力的分配

最佳抗衡摆力矩单元输出最佳抗衡摆力矩δm并输入到车轮运动形式确定单元，整车控制器vcu输出驾驶员踏板信号到车轮运动形式确定单元；最佳抗衡摆力矩分配单元根据车轮运动形式确定单元确定的车轮运动形式分配汽车轮胎纵向力，定义车轮前进方向为正，按照如下公式进行纵向力大小分配：

式中，fx1为左前轮纵向力；fx2为右前轮纵向力；fx3为左后轮纵向力；fx4为右后轮纵向力；

步骤3)车轮运动形式的调整及车轮制动力或驱动力的重新分配

信号采集处理单元将汽车纵向加速度ax输入到整车控制器vcu，整车控制器vcu将纵向加速度ax输入到轮胎垂直载荷计算单元，计算出当前每个车轮垂直载荷fzi，计算公式如下：

式中，fz1为左前轮垂向载荷；fz2为右前轮垂向载荷；fz3为左后轮垂向载荷；fz4为右后轮垂向载荷；a为前车轮中心到汽车质心的距离；b为后轮中心到汽车质心的距离；hg为整车质心高度；

信号采集处理单元将汽车速度v、各个车轮轮速ωi，汽车纵向加速度ax输入到附着系数识别单元，附着系数识别单元将各个车轮当前滑移率下的附着系数μi(λ)输入到轮胎最大纵向力计算单元，轮胎最大纵向力计算单元计算出已经分配纵向力的车轮在垂直载荷和附着系数约束条件下所能提供的最大纵向力fxi_max计算公式如下：

fxi_max＝μi(λ)fzi(4)

式中，μi(λ)为车轮附着系数，i＝1，2，3，4；fzi为车轮垂直载荷，i＝1，2，3，4；

将根据驾驶员踏板信号和最佳抗衡摆力矩所分配的采取制动或驱动操作的车轮受力的大小与该车轮在垂直载荷和附着系数约束条件下所能提供的最大纵向力(制动力或驱动力)相比较，若所有已经施加纵向力的车轮受力满足条件fxi≤fxi_max(i＝1，3或2，4，其中1代表左前轮，2代表右前轮，3代表左后轮，4代表右后轮)，则差动制动/驱动协调控制单元输出初次分配的车轮纵向力大小到整车控制器vcu；若初次分配纵向力的车轮受力大小存在fxi＞fxi_max，则进行车轮运动形式的调整；

按照如下公式进行制动力或驱动力的重新分配：

式中，f′x1为重新分配的左前轮纵向力,f′x2为重新分配的右前轮纵向力,f′x3为重新分配的左后轮纵向力,f′x4为重新分配的右后轮纵向力；

若重新分配后的车轮纵向力大小满足f′xi＜fxi_max(i＝1，2，3，4)，则差动制动/驱动协调控制单元输出重新调整的车轮运动形式和式(5)分配的车轮纵向力大小到整车控制器vcu；

步骤4)车轮制动力或驱动力重新分配的修正

若重新分配后存在车轮纵向力满足f′xi≥fxi_max，则进行车轮制动力或驱动力重新分配的修正，使所有车轮的受力满足：

式中f″x1为修正的左前轮纵向力，f″x2为修正的右前轮纵向力，f″x3为修正的左后轮纵向力，f″x4为修正的右后轮纵向力；

若在修正后所有车轮均达到附着极限或

则提醒驾驶员采取紧急转向和刹车保证汽车行驶稳定性；

步骤5)差动制动/驱动协调控制单元输出结果的执行

差动制动/驱动协调控制单元将最终分配的车轮纵向力结果输入到整车控制器vcu，整车控制器vcu控制左前轮电机控制器、右前轮电机控制器、左后轮电机控制器、右后轮电机控制器，使左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机输出转矩和控制左前轮盘式制动器、右前轮盘式制动器、左后轮盘式制动器、右后轮盘式制动器工作提供制动力矩，实施相应差动制动/驱动操作且差动制动/驱动协调控制单元通过传感器单元实时采集的汽车运动状态数据调整差动制动/驱动操作。

本发明的有益效果主要表现在：在防侧翻控制过程中充分利用分布驱动电动汽车的车轮独立的驱动特性，在受到路面附着条件制约情况下通过实施同轴车轮一侧驱动/一侧制动的协调控制方式来产生足够大的抗衡摆力矩以避免汽车发生侧翻危险，有效地提高分布驱动电动汽车在不同路面附着系数行驶工况(特别是低附路面)下的所能提供最大抗横摆力矩的上限值的同时，也减小了汽车进行防侧翻控制过程中行驶速度的损耗。

附图说明

图1是差动制动/驱动协调防侧翻控制系统原理框图。

图2是差动制动/驱动协调控制单元原理框图。

图3是差动制动/驱动协调控制防侧翻工作流程示意图。

图4(a)是表1中当驾驶员踏板信号为加速，最佳抗横摆力矩为顺时针方向的车轮受力图。

图4(b)是表1中当驾驶员踏板信号为加速，最佳抗横摆力矩为逆时针方向的车轮受力图。

图4(c)是表1中当驾驶员踏板信号为减速，最佳抗横摆力矩为顺时针方向的车轮受力图。

图4(d)是表1中当驾驶员踏板信号为减速，最佳抗横摆力矩为逆时针方向的车轮受力图。

图4(e)是表2中当驾驶员踏板信号为加速，最佳抗横摆力矩为顺时针方向的车轮受力图。

图4(f)是表2中当驾驶员踏板信号为减速，最佳抗横摆力矩为逆时针方向的车轮受力图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明所设计的一种差动制动/驱动协调防侧翻控制系统由传感器单元1、信号采集处理单元2、侧翻预警单元3、最佳抗衡摆力矩计算单元4、附着系数识别单元5、整车控制器vcu6、差动制动/驱动协调控制单元7、左前轮电机控制器8、左前轮盘式制动器9、左前轮轮毂电机10、右前轮电机控制器11、右前轮盘式制动器12、右前轮轮毂电机13、左后轮电机控制器14、左后轮盘式制动器15、左后轮轮毂电机16、右后轮电机控制器17、右后轮盘式制动器18和右后轮轮毂电机19组成，所述传感器单元1与信号采集处理单元2连接，信号采集处理单元2分别与侧翻预警单元3、最佳抗衡摆力矩计算单元4、附着系数识别单元5连接，所述侧翻预警单元3与整车控制器vcu6连接，整车控制器vcu6、最佳抗衡摆力矩计算单元4和附着系数识别单元5均与差动制动/驱动协调控制单元7连接，所述左前轮轮毂电机10与左前轮电机控制器8连接，右前轮轮毂电机13与右前轮电机控制器11连接，所述左后轮轮毂电机16与左后轮电机控制器14连接，右后轮轮毂电机19与右后轮电机控制器17连接，所述左前轮电机控制器8、左前轮盘式制动器9、右前轮电机控制器11、右前轮盘式制动器12、左后轮电机控制器14、左后轮盘式制动器15、右后轮电机控制器17和右后轮盘式制动器18均与整车控制器vcu6连接。

所述传感器单元1中包括汽车速度传感器用于采集汽车行驶速度v，汽车轮速传感器用于采集汽车轮速ωi(i＝1，2，3，4,其中1代表左前轮，2代表右前轮，3代表左后轮，4代表右后轮)，纵向加速度传感器用于采集汽车纵向加速度ax，横向加速度传感器用于采集汽车横向加速度ay，横摆角速度传感器用于采集汽车横摆角速度ωr，悬挂质量侧倾角传感器用于测量悬挂质量侧倾角φ，悬挂质量侧倾角速度传感器用于测量悬挂质量侧倾角速度悬挂质量侧倾角加速度传感器用于测量悬挂质量侧倾角加速度驱动/制动踏板信号传感器用于采集驾驶员踏板信号。

传感器单元1将采集到的数据输入到信号采集处理单元2，信号采集处理单元2将汽车横向加速度ay、悬挂质量侧倾角φ输入到侧翻预警单元3判断汽车是否存在侧翻危险，若判断汽车存在侧翻危险，侧翻预警单元3输出危险信号到整车控制器vcu6，整车控制器vcu6输出信号启动差动制动/驱动协调控制单元7，信号采集处理单元2将汽车纵向加速度ax、横摆角速度ωr、悬挂质量侧倾角速度悬挂质量侧倾角加速度输入到最佳抗衡摆力矩计算单元4并输出最佳抗衡摆力矩δm到差动制动/驱动协调控制单元7，信号采集处理单元2将汽车行驶速度v、汽车轮速ω、汽车纵向加速度ax输入到附着系数识别单元5，附着系数识别单元5输出车轮在各自滑移率λ下的行驶的附着系数μi(λ)到差动制动/驱动协调控制单元7，差动制动/驱动协调控制单元7输出施加纵向力(制动力或驱动力)的车轮和纵向力的大小，并向整车控制器vcu6发出信号使整车控制器vcu6根据差动制动/驱动协调控制单元7分配的制动力或驱动力大小向左前轮电机控制器8、右前轮电机控制器11、左后轮电机控制器14、右后轮电机控制器17发出指令控制左前轮轮毂电机10、右前轮轮毂电机13、左后轮轮毂电机16、右后轮轮毂电机19输出转矩和控制左前轮盘式制动器9、右前轮盘式制动器12、左后轮盘式制动器15、右后轮盘式制动器18工作提供制动力矩，从而使车轮产生驱动力或制动力提供抗衡摆力矩保持汽车行驶稳定。

如图2所示，本发明中差动制动/驱动协调控制单元7由轮胎垂直载荷计算单元20，轮胎最大纵向力计算单元21，车轮运动形式确定单元22，最佳抗衡摆力矩分配单元23组成。

信号采集处理单元2将汽车纵向加速度ax、汽车横摆角速度ωr、悬挂质量侧倾角速度悬挂质量侧倾角加速度输入到最佳抗衡摆力矩计算单元4，最佳抗衡摆力矩计算单元4输出最佳抗衡摆力矩δm并输入到车轮运动形式确定单元22，同时信号处理单元2将整车控制器vcu6将驾驶员踏板信号输入到车轮运动形式确定单元22，车轮运动形式确定单元22输出车轮运动形式结果到最佳抗衡摆力矩分配单元23。附着系数识别单元5计算各个车轮在各自滑移率λ下的附着系数μi(λ)，将结果输入到轮胎最大纵向力计算单元21，整车控制器vcu6将汽车加速度ax输入到轮胎垂直载荷计算单元20，轮胎垂直载荷计算单元20将各个车轮的垂向载荷fzi(i＝1，2，3，4，其中1代表左前轮，2代表右前轮，3代表左后轮，4代表右后轮)输入到轮胎最大纵向力计算单元21，轮胎最大纵向力计算单元21计算出各个轮胎所能提供的最大纵向力fxi_max(i＝1，2，3，4，其中1代表左前轮，2代表右前轮，3代表左后轮，4代表右后轮)，将结果输入到最佳抗衡摆力矩分配单元23，最佳抗衡摆力矩分配单元23根据最大纵向力fxi_max发送调整信号到车轮运动形式确定单元22，车轮运动形式确定单元22将调整的车轮运动形式结果输入最佳抗衡摆力矩分配单元23，最佳抗衡摆力矩分配单元23将最终车轮纵向力分配结果输入到整车控制器vcu6，整车控制器vcu6控制左前轮电机控制器8、右前轮电机控制器11、左后轮电机控制器14、右后轮电机控制器17使左前轮轮毂电机10、右前轮轮毂电机13、左后轮轮毂电机16、右后轮轮毂电机19输出转矩和控制左前轮盘式制动器9、右前轮盘式制动器12、左后轮盘式制动器15、右后轮盘式制动器18工作提供制动力矩。

如图3所示，本发明差动制动/驱动协调控制策略防侧翻工作步骤如下：

步骤1)确定汽车是否存在侧翻危险，是否启动差动制动/驱动防侧翻控制。

信号采集处理单元2通过传感器单元1采集汽车横向加速度ay、悬挂质量侧倾角φ，将数据发送到侧翻预警单元3，计算横向载荷转移率ltr，ltr计算公式如下：

式中，m为汽车整车质量；ms为悬挂质量；h为悬挂质量质心距侧倾轴的距离；hr为侧倾中心距地面的距离；g为重力加速度；b为轮距。

定义汽车的ltr阈值ltrt＝0.8，当|ltr|≥0.8时则判断汽车有侧翻危险，整车控制器vcu6发出指令使差动制动/驱动协调控制单元7工作启动差动制动/驱动防侧翻控制；当|ltr|＜0.8时，整车控制器vcu控制传感器单元1重复采集数据计算横向载荷转移率ltr。

步骤2)初次确定车轮运动形式以及车轮制动力或驱动力的分配。

最佳抗衡摆力矩单元4输出最佳抗衡摆力矩δm并输入到车轮运动形式确定单元22，整车控制器vcu6输出驾驶员踏板信号到车轮运动形式确定单元22，车轮运动形式确定单元22根据表1确定车轮运动形式。当δm有使汽车向左转向趋势时，定义δm为逆时针，当δm有使汽车向右转向趋势时，定义δm顺时针，表1中无表示不施加纵向力。

表1车轮运动形式表

最佳抗衡摆力矩分配单元23根据车轮运动形式确定单元22确定的车轮运动形式分配汽车轮胎纵向力，定义车轮前进方向为正，按照如下公式进行纵向力大小分配：

式中，fx1为左前轮纵向力；fx2为右前轮纵向力；fx3为左后轮纵向力；fx4为右后轮纵向力。

步骤3)车轮运动形式的调整及车轮制动力或驱动力的重新分配

信号采集处理单元2将汽车纵向加速度ax输入到整车控制器vcu6，整车控制器vcu6将纵向加速度ax输入到轮胎垂直载荷计算单元20，计算出当前每个车轮垂直载荷fzi，计算公式如下：

式中，fz1为左前轮垂向载荷；fz2为右前轮垂向载荷；fz3为左后轮垂向载荷；fz4为右后轮垂向载荷；a为前车轮中心到汽车质心的距离；b为后轮中心到汽车质心的距离；hg为整车质心高度。

进一步，信号采集处理单元2将汽车速度v、各个车轮轮速ωi，汽车纵向加速度ax输入到附着系数识别单元5，附着系数识别单元5将各个车轮当前滑移率下的附着系数μi(λ)输入到轮胎最大纵向力计算单元21，轮胎最大纵向力计算单元21计算出已经分配纵向力的车轮在垂直载荷和附着系数约束条件下所能提供的最大纵向力fxi_max计算公式如下：

fxi_max＝μi(λ)fzi(4)

式中，μi(λ)为车轮附着系数，i＝1，2，3，4；fzi为车轮垂直载荷，i＝1，2，3，4。

将根据驾驶员踏板信号和最佳抗衡摆力矩所分配的采取制动或驱动操作的车轮受力的大小与该车轮在垂直载荷和附着系数约束条件下所能提供的最大纵向力(制动力或驱动力)相比较，若所有已经施加纵向力的车轮受力满足条件fxi≤fxi_max(i＝1，3或2，4，其中1代表左前轮，2代表右前轮，3代表左后轮，4代表右后轮)，则差动制动/驱动协调控制单元7输出初次分配的车轮纵向力大小到整车控制器vcu6；若初次分配纵向力的车轮受力大小存在fxi＞fxi_max，则按照表2进行车轮运动形式的调整：

表2车轮运动补偿形式表

按照如下公式进行制动力或驱动力的重新分配：

式中，f′x1为重新分配的左前轮纵向力,f′x2为重新分配的右前轮纵向力,f′x3为重新分配的左后轮纵向力,f′x4为重新分配的右后轮纵向力。

若重新分配后的车轮纵向力大小满足f′xi＜fxi_max(i＝1，2，3，4)，则差动制动/驱动协调控制单元7输出按照表2分配的车轮运动形式和式(5)分配的车轮纵向力大小到整车控制器vcu6。

步骤4)车轮制动力或驱动力重新分配的修正

若重新分配后存在车轮纵向力满足f′xi≥fxi_max，则进行车轮制动力或驱动力重新分配的修正，使所有车轮的受力满足：

式中f″x1为修正的左前轮纵向力，f″x2为修正的右前轮纵向力，f″x3为修正的左后轮纵向力，f″x4为修正的右后轮纵向力。

若在修正后所有车轮均达到附着极限或

则提醒驾驶员采取紧急转向和刹车保证汽车行驶稳定性。

步骤5)差动制动/驱动协调控制单元7输出结果的执行

差动制动/驱动协调控制单元7将最终分配的车轮纵向力结果输入到整车控制器vcu6，整车控制器vcu6控制左前轮电机控制器8、右前轮电机控制器11、左后轮电机控制器14、右后轮电机控制器17，使左前轮轮毂电机10、右前轮轮毂电机13、左后轮轮毂电机16、右后轮轮毂电机19输出转矩和控制左前轮盘式制动器9、右前轮盘式制动器12、左后轮盘式制动器15、右后轮盘式制动器18工作提供制动力矩。实施相应差动制动/驱动操作且差动制动/驱动协调控制单元7通过传感器单元1实时采集的汽车运动状态数据调整差动制动/驱动操作。

如图4(a)至图4(f)所示，不同行驶工况防侧翻的分布驱动电动汽车车轮受力示意图。汽车在驾驶员踏板信号、最佳抗衡摆力矩、附着系数、垂直载荷约束条件下的差动制动/驱动控制车轮受力图。