一种车辆侧向稳定非线性集成控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及车辆主动安全控制方法，具体的说是一种车辆侧向稳定非线性集成控 制方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代汽车工业的迅速发展，现今社会的汽车保有量越来越大，这使得相应的 问题也随之而来：道路交通压力越来越大，交通事故频发。严峻的交通现状使得人们对于车 辆的主动安全问题越来越关注，电控系统之间的简单叠加已经不能满足需求，集成控制就 此成为近年来主动安全研究的趋势。主动前轮转向与直接横摆力矩集成控制不仅能够进一 步提高车辆的稳定性能，同时能使制动作用对纵向动力学的影响减轻，改善汽车的驾驶舒 适性。本文为了进一步提高车辆的侧向稳定性，对主动前轮转向及直接横摆力矩进行了集 成控制。
[0003] 国内外目前针对主动前轮转向和横摆稳定集成控制采用的控制策略主要有分散 式结构、集中式结构和分层监督结构。分散式结构各个子系统在一定程度仍相互独立，集成 度较低，主要是传感器及相关硬件方面的集成；集中控制是以全局控制器来负责所有子系 统的控制输入，集成度较高，但开发难度较大，结构对硬件的要求较高，控制器灵活性差；而 分层监督式结构是介于分散式和集成式结构之间，核心在于上层动力学协调控制器，通过 监测车辆行驶状态计算出车辆稳定所需的控制力矩，然后分配到相应的子系统，灵活性较 好。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种车辆侧向稳定非线性集成控制方法，采用分层监督控制的策 略，考虑安全性及物理执行机构的约束，应用非线性模型预测控制的方法优化得到前轮转 角及附加横摆力矩，根据车辆的状态对附加横摆力矩进行分配，选用单侧车轮分配策略，将 附加横摆力矩分配为制动力作用到车辆。并且采用FPGA通过硬件并行的方法提高算法的 在线计算性能，在有限的采样时域内得到最优的控制序列，有效地降低了系统的复杂性并 节约硬件资源、节约量产成本。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] 步骤一、建立简化的车辆动力学模型：用二自由度模型表征车辆的操纵稳定性与 车辆的侧向运动和横摆运动之间的关系；
[0007] 步骤二、非线性模型预测控制器设计：基于步骤一建立的简化车辆动力学模型，考 虑轮胎的非线性因素及车辆的稳定性因素，设计带有约束的考虑路面附着条件的非线性模 型预测控制器，将期望横摆角速度信息输入到非线性控制器模块，根据期望横摆角速度的 值以及实时反馈的车辆前后轮侧偏角及横摆角速度，利用模型预测控制方法预测系统的未 来动态，同时进行优化，决策出附加横摆力矩以及优化的方向盘转角信息，将优化后的方向 盘转角信息输出至车辆系统；
[0008] 步骤三、基于步骤二设计的非线性模型预测控制器进行车辆侧向稳定集成控制： 将方向盘转角信息输入非线性侧向稳定集成控制器，决策出附加横摆力矩以及优化的方向 盘转角信息并输出至车辆相应的执行机构，使车辆保持横摆稳定状态。
[0009] 本发明的有益效果为：
[0010] 1.轮胎是车辆主动安全问题研究的关键问题，不同的轮胎模型所表达出的轮胎特 性存在非常大的差异，因此本文没有选用以往的通用轮胎模型而是通过参数辨识选用非线 性轮胎模型研究车辆的主动安全问题。
[0011] 2.对于车辆稳定性控制而言，由于车辆本身的构造特性，如制动系统及转向系统 执行机构具有饱和特性等，所以存在一定的约束条件。本发明在控制器的设计过程中有别 于其他侧向集成稳定控制策略对约束的简化或者忽略，而是将约束条件都考虑了进去。
[0012] 3.面摩擦系数及纵向速度的变化是引起车辆失稳的重要原因之一，本文在控制器 的设计过程中又进一步分析了控制器对于路面附着系数及纵向速度的稳定性。
[0013] 4.快速原型实验是控制器开发的重要一步，但是非线性控制方法复杂，控制实现 是大多数开发过程中的重点难点问题，而本文则通过FPGA全硬件成功对控制器进行实现， 其中FPGA以硬件并行的计算方法，在有限的采样时域内得到最优的控制序列，满足车载非 线性模型预测控制器的高实时性和微型化的要求，提高了控制系统的计算性能。
【附图说明】
[0014] 图1为二自由度车辆模型示意图；
[0015] 图2为轮胎的侧偏特性曲线图；
[0016] 图3为前后轮侧偏角辨识结果曲线图；
[0017] 图4为车辆仿真动力学模型结构；
[0018] 图5为非线性集成控制器系统框图；
[0019] 图6为制动力分配示意图；
[0020] 图7为双移线工况下实时实验轮胎侧偏角对比图；
[0021] 图8为为双移线工况下实时实验横摆角速度对比图；
[0022] 图9为为双移线工况下实时实验附加制动压力的分配结果图。
【具体实施方式】
[0023] 本发明提供了一种车辆侧向稳定非线性集成控制方法，该方法包括以下几个步 骤：
[0024] 步骤一、为了便于对车辆系统的分析及控制，建立二自由度车辆模型，如图1，用于 表征车辆的操纵稳定性与车辆的侧向运动和横摆运动之间的关系。考虑车辆的横摆运动和 侧向运动，其动力学方程为：
[0026] 其中，Fyl、Fy2为前后轮胎的侧偏力，单位N ;M为附加横摆力矩，单位Nm ;a、b分别 为汽车质心到前后轴的距离，单位为m山为汽车绕z轴的转动惯量，单位kg · m 2;r为横摆 角速度，单位rad/s ;vx为车辆纵向速度，vyS车辆纵向和侧向速度，单位m/s ;m为汽车质 量，单位kg。
[0027] (1)车体动力学建模
[0028] 根据图1中的几何关系，前后轮胎侧偏角、车辆前轮转角以及纵向车速之间有如 公式⑵的关系。
[0030] 其中，a f，a ^为前后轮胎侧偏角，单位rad ; δ为前轮转角，单位rad ;
[0031] 将公式（2)中的两式相减可以得到公式（3)
[0033] 进而，得到横摆角速度r关于轮胎侧偏角的表达式：
[0035] 同时，在假设车辆纵向车速Vx不变的条件下，将公式（2)两边求导，可变为如式 (5)所示的微分方程，其中炉:为车辆前轮转角的变化率。
[0036]
[0037] 将式⑴带入式（5)，可得到系统方程如公式（6)。
[0038]
[0039] (2)建立轮胎模型
[0040]系统方程（6)中的Fyl，Fy2分别表示轮胎的前后侧偏力，由轮胎的侧偏特性可知， 前后轮胎侧偏力与前后轮胎侧偏角af，存在如图2所示的非线性关系。由于轮胎的侧 偏饱和特性对于车辆的侧向稳定性影响重大，研究车辆的侧向稳定性必须考虑轮胎的非线 性特性，因此本申请将轮胎的非线性不稳定因素考虑到控制系统的设计中。根据分式轮胎 模型的描述，可知轮胎侧偏力可以表示为：
[0042] 其中，Fz是轮胎纵向垂直载荷，F z。是标称轮胎载荷，μ是路面附着系数，μ。是标 称路面附着系数，λ是纵向滑移率，Ca是轮胎侧偏刚度，α是轮胎侧偏角，同时，γ ζ、γλ 和γ α是模型参数。由于建立车辆简化动力学模型过程中只考虑了车辆的侧向运动和横摆 运动，因此，忽略纵向滑移率λ对侧向轮胎力的影响，使得λ = 〇,公式（7)可以简化为：
[0044] 将公式⑶的轮胎模型带入公式（6)中即可建立本申请公式⑴所采用的车辆动 力学模型。
[0045] 步骤二、非线性模型预测控制器设计：基于步骤一建立的简化车辆动力学模型，考 虑轮胎的非线性因素及车辆的稳定性因素，设计带有约束的考虑路面附着条件的非线性模 型预测控制器，将期望横摆角速度信息输入到非线性控制器模块，根据期望横摆角速度的 值以及实时反馈的车辆前后轮侧偏角及横摆角速度，利用模型预测控制方法预测系统的未 来动态，同时进行优化，决策出附加横摆力矩以及优化的方向盘转角信息，将优化后的方向 盘转角信息输出至车辆系统，附加横摆力矩经过制动力分配模块非配到各个车轮；
[0046] 上述步骤二中非线性模型预测控制器的设计包括以下步骤：
[0047] (1)模型预测控制器设计
[0048] 根据建立的车辆动力学模型，选择X= [af Qr δ]作为状态变量，W=[M 作为控制输入，选择输出为y = r。最后，可以得到连续时间的系统非线性状态空间