一种基于轮胎侧偏角的车辆横摆稳定集成控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种汽车主动安全控制领域的控制方法，具体涉及一种基于轮胎侧偏 角的车辆横摆稳定集成控制方法，不仅可以用于车辆的主动安全控制，更可以提高实际车 辆的横摆稳定性。
【背景技术】
[0002] 近几十年，全球汽车工业得到了大规模的发展，汽车保有量也大幅上升，道路交通 压力日益加大，交通事故频繁发生，引起了人们对汽车安全性能的高度重视。操纵稳定性是 汽车主动安全性的重要方面，它不仅影响到汽车驾驶的操纵轻便程度，而且也是保证高速 行驶汽车安全的一个主要性能，所以人们称之为"高速汽车的生命线"。目前这类操纵稳定 性主动安全系统主要有主动前轮转向系统（AFS)、汽车防抱死制动系统（ABS)、防滑控制系 统（ASR)以及汽车稳定性控制系统如汽车电子稳定性程序（ESP)。目前所开发出的各种主 动安全控制系统对于车辆主动安全的提高都有一定的作用。随着人们对汽车性能的完美追 求，底盘控制系统的装车率越来越高，无论是对汽车的行驶安全性还是乘坐舒适性都有显 著提高，但这些电子控制系统大都是围绕提高某一项性能指标，由各个零部件厂商单独设 计开发的，而没有考虑与其它电子控制系统的相互影响和耦合作用，这些电控系统的简单 叠加非但不能充分体现出各自应有的性能，反而会降低整车的综合性能。为了解决这些问 题，集成控制的概念应运而生。
[0003] 目前，针对主动前轮转向系统（AFS)与电子稳定性控制（ESP)的集成控制问题，国 内外学者已经做了许多研宄，但仍然存在一些问题：
[0004] 一、轮胎是车辆主动安全问题的研宄的关键问题，不同的轮胎模型所表达出的轮 胎特性存在非常大的差异，因此选择合适的轮胎模型研宄车辆的主动安全问题是极其重要 的；
[0005] 二、在以往的集成控制研宄中，大多数都采用基于横摆角速度或质心侧偏角的控 制策略，而事实上轮胎侧偏角能够更直接的反应车辆的稳定性；
[0006] 三、对于车辆稳定性控制来说，由于车辆本身构造特性，例如，制动系统执行机构 执行器及转向系统具有饱和特性，因此存在一定的约束条件，这些都需要在控制器设计过 程中考虑；
[0007] 四、制动力分配是AFS与ESP集成控制的重要环节，目前大多数都是采用单独的分 配方法，这种分配方法比较简单，但是分层设计对于实际应用来说不仅麻烦而且增加中间 环节的执行机构，进而增加成本。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种基于轮胎侧偏角的车辆横摆稳定集成控制方法，以更直 接的控制车辆的横摆稳定性，提高车辆的稳定性能。
[0009] 本发明的目的是通过以下方案实现的：
[0010] 一种基于轮胎侧偏角的车辆横摆稳定集成控制方法，包括以下步骤：
[0011] 车载传感器模块测量车辆当前的行驶状态信息；
[0012] 电子控制单元ECU将车载传感器模块反馈回来的车辆行驶状态信息处理后，判断 当前车辆的稳定状态，并当车辆处于不稳定运行状态时，决策出使车辆恢复稳定性的控制 信号，发送给执行机构；
[0013] 执行机构执行电子控制单元ECU的控制信号，使车辆恢复稳定行驶状态；
[0014] 所述电子控制单元E⑶包括以下单元：
[0015] 状态监测单元，用于根据车载传感器模块反馈回来的车辆行驶状态信息，经计算 或估计处理实时得到当前车辆的实际状态信息；
[0016] 参考状态计算单元，用于根据状态监测单元实时反馈回来的实际状态信息，利用 二自由度稳态转向特性方法计算保持车辆稳定的参考理想状态值；
[0017] 评估单元，用于根据状态监测单元实时反馈回来的车辆实际状态信息和经参考状 态计算单元计算得到的参考理想状态值，评估当前车辆运行的稳定情况；
[0018] 稳定性控制单元，当车辆处于不稳定运行状态时，稳定性控制单元根据当前的车 辆轮胎侧偏角状态，采用非线性模型预测控制算法集成主动前轮转向和制动控制，规划决 策出使车辆恢复稳定性的控制信号，并将控制信号发送至执行机构。
[0019] 所述的一种基于轮胎侧偏角的车辆横摆稳定集成控制方法，其中，稳定性控制单 元的控制过程包括以下步骤：
[0020] 步骤一、建立简化的车辆动力学模型；
[0021] 步骤二、利用步骤一建立的车辆动力学模型预测车辆的未来动态，结合参考状态 计算单元计算的参考理想状态值，给出相应的优化问题及约束条件；
[0022] 步骤三、求解步骤二的优化问题，将得到的优化结果作为控制输出发送至执行机 构。
[0023] 所述的一种基于轮胎侧偏角的车辆横摆稳定集成控制系统，其中，所述步骤一建 立简化的车辆动力学模型包括以下具体过程：
[0024] 1. 1)建立基于轮胎侧偏角的车体动力学模型：
【主权项】
1. 一种基于轮胎侧偏角的车辆横摆稳定集成控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 车载传感器模块测量车辆当前的行驶状态信息； 电子控制单元ECU将车载传感器模块反馈回来的车辆行驶状态信息处理后，判断当前 车辆的稳定状态，并当车辆处于不稳定运行状态时，决策出使车辆恢复稳定性的控制信号， 发送给执行机构； 执行机构执行电子控制单元ECU的控制信号，使车辆恢复稳定行驶状态； 所述电子控制单元E⑶包括以下单元： 状态监测单元，用于根据车载传感器模块反馈回来的车辆行驶状态信息，经计算或估 计处理实时得到当前车辆的实际状态信息； 参考状态计算单元，用于根据状态监测单元实时反馈回来的实际状态信息，利用二自 由度稳态转向特性方法计算保持车辆稳定的参考理想状态值； 评估单元，用于根据状态监测单元实时反馈回来的车辆实际状态信息和经参考状态计 算单元计算得到的参考理想状态值，评估当前车辆运行的稳定情况； 稳定性控制单元，当车辆处于不稳定运行状态时，稳定性控制单元根据当前的车辆轮 胎侧偏角状态，采用非线性模型预测控制算法集成主动前轮转向和制动控制，规划决策出 使车辆恢复稳定性的控制信号，并将控制信号发送至执行机构。
2. 按照权利要求1所述的一种基于轮胎侧偏角的车辆横摆稳定集成控制方法，其特征 在于，所述稳定性控制单元的控制过程包括以下步骤： 步骤一、建立简化的车辆动力学模型； 步骤二、利用步骤一建立的车辆动力学模型预测车辆的未来动态，结合参考状态计算 单元计算的参考理想状态值，给出相应的优化问题及约束条件； 步骤三、求解步骤二的优化问题，将得到的优化结果作为控制输出发送至执行机构。
3. 按照权利要求2所述的一种基于轮胎侧偏角的车辆横摆稳定集成控制方法，其特征 在于，所述步骤一建立简化的车辆动力学模型包括以下具体过程： 1. 1)建立基于轮胎侧偏角的车体动力学模型：
其中，Ff，Fr:前后轮胎的侧偏力，单位N;M:附加横摆力矩，单位匪;a:汽车质心到前轴 的距离，单位m;b:汽车质心到后轴的距离，单位m;，Iz:汽车绕z轴的转动惯量，单位kgm2 ; S:前轮转角，单位rad;r:车辆的横摆角速度，单位rad/s;vx:车辆纵向速度，单位m/s;vy: 车辆侧向速度，单位m/s;m:汽车质量，单位kg; 所述附加横摆力矩M可用公式（2)表示：
其中，s:前轮转角，单位rad;bF:前轮距，单位m;bK:后轮距，单位m;AFxfl:左前轮施 加的附加制动力，单位N;AFxft:右前轮施加的附加制动力，单位N;AFm:左后轮施加的附 加制动力，单位N; △Fx":右后轮施加的附加制动力，单位N。 1. 2)建立轮胎模型：
其中，Fz:轮胎纵向垂直载荷，单位N;FZ(I:标称轮胎载荷，单位N;y:路面附着系数；Ud:标称路面附着系数；Ca:轮胎侧偏刚度，单位N/rad;a:轮胎侧偏角，单位rad;yz、 ya:模型参数。 1.3)建立简化的车辆动力学状态空间模型
上式中， x(t) = [af 6]为状态变量；其中，af:前轮胎侧偏角，单位rad;a^后轮胎侧 偏角，单位rad; 8 :前轮转角，单位rad; ? = [A/^AFx/rAFTr/AFTiT列为控制输入；其中，AFxfl:左前轮施加的附加制动力，单 位N;AFxft:右前轮施加的附加制动力，单位N;AFX,1:左后轮施加的附加制动力，单位N; AFX":右后轮施加的附加制动力，单位N;P:前轮转角变化率，单位rad/s; y=r，为系统输出；其中，r:车辆的横摆角速度，单位rad/s。
4.按照权利要求2所述的一种基于轮胎侧偏角的车辆横摆稳定集成控制方法，其特征 在于，所述步骤二给出的优化问题为： 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为目标函数；Y(k+1 |k)为系统的预测方程；R(k+1)为参考输入序列；U(k+1)为 控制输入的独立变量；ry、ru为权重矩阵； af:前轮胎侧偏角，单位rad;a^后轮胎侧偏角，单位rad;AFxfl，左前轮施加的附加 制动力，单位N;AFx&:右前轮施加的附加制动力，单位N;AF:左后轮施加的附加制动 力，单位N;AFX":右后轮施加的附加制动力，单位N; 前轮转角变化率，单位rad/s。
【专利摘要】本发明公开了一种基于轮胎侧偏角的车辆横摆稳定集成控制方法，包括：车载传感器模块测量车辆当前的行驶状态信息；电子控制单元ECU将车载传感器模块反馈回来的车辆行驶状态信息处理后，判断当前车辆的稳定状态，并当车辆处于不稳定运行状态时，决策出使车辆恢复稳定性的控制信号，发送给执行机构；执行机构执行电子控制单元ECU发送的控制信号，使车辆恢复稳定行驶状态。其中，电子控制单元ECU包括状态监测单元、参考状态计算单元、评估单元、稳定性控制单元。本发明能更直接的控制车辆的横摆稳定性，提高车辆的稳定性能。
【IPC分类】B60W40-107, B60W40-112, B60W30-02, B60W40-00, B60W40-101, B60W10-18, B60W10-20
【公开号】CN104773169
【申请号】CN201510209246
【发明人】郭洪艳, 吉岩, 麻颖俊, 陈虹
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月28日