一种基于三步法的车辆横摆稳定性控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种车辆主动安全控制方法，更加具体的来讲，设及一种基于=步法 的车辆横摆稳定性控制方法。
【背景技术】
[0002] 车辆稳定性控制是从国外兴起的汽车电子控制技术，它是在制动防抱死系统和驱 动防滑系统的研究基础上发展起来的。稳定性控制概念的起源于利用上述两种系统来解决 稳定性问题的思路，但开始研究人员将精力放在算法上进行改进，所W只能处理稳定性的 部分问题。运时的系统既没有进行深入的理论分析，也没有配套的硬件设备，所W并不能称 之为真正意义上的稳定性控制系统。到了二十世纪九十年代之初，研究人员在理论研究上 有所突破，提出了针对横摆运动进行直接地控制调节值YC:DirectYawControl)的新想 法，它从理论上指明了该领域的研究方向。该思路引入对驾驶者的转向意图，再针对横摆运 动进行直接地控制调节，保证汽车行驶在稳定区域。运种新想法代表了稳定性控制的概念 真正意义上的形成。
[0003] =步法是一种基于模型的算法流程，主要应用在系统的跟踪控制问题。其设计思 路源于在工程中经常采用的"前馈+PID反馈"的控制结构。=步法的基本结构为"稳态控 审IJ-前馈控制-误差反馈控制"，每一步都有相应的控制目的，而且，各个部分都包含有系统 的状态信息，或者是工况的信息，每次信息的更新结果，使得控制器的增益实现自调节的效 果，除此之外，控制算法的结构清晰，简洁，设计目的清楚，明白。=步之间步步相关，而且= 步的顺序不能颠倒，所W称之为步法"。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种基于=步法的车辆横摆稳定性控制方法，采用分层控制的策 略，应用=步法得到前轮转角和附加横摆力矩，并选用二次规划的优化方法对附加横摆力 矩进行分配，将附加横摆力矩分配为四个车轮上的制动力作用于车辆。
[0005] 本发明是通过W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、立步法控制器设计：基于步骤一建立的简化车辆动力学模型，设计=步法 控制器，将期望横摆角速度信息输入到=步法控制器，根据期望横摆角速度的值W及实时 反馈的车辆侧向加速度、实际横摆角速度、实际质屯、侧偏角及纵向车速，运用=步法算法流 程（稳态控制-前馈控制-误差反馈控制），决策出附加横摆力矩及前轮转角；
[0008] 步骤=、基于步骤二设计的=步法控制器进行车辆横摆稳定性控制：将前轮转角 信息和附加横摆力矩信息输入附加横摆力矩分配模块，该模块将附加横摆力矩分配问题转 化为带有约束的二次规划优化问题，将附加横摆力矩分配为四个车轮上的制动力并输出至 制动系统，并将步骤二中所得前轮转角输出至转向系统，二者共同作用于车辆系统，使得车 辆保持横摆稳定状态。
[0009] 本发明的有益效果为：
[0010] 1.本发明的=步法控制器具有标准清晰的结构，每一步都有实际的设计目的，便 于工程上的实际应用。
[0011] 2.本发明将附加横摆力矩分配模块转化为二次规划方法，并且考虑制动力车轮分 配的策略和对制动力的限幅等约束，从而得到最优解。
[0012] 3.本发明在稳定性控制分析上将前轮转角信息和差分制动信息都考虑在内，使得 二者能协调稳定性控制，避免了转向机构和制动机构发生冲突。
【附图说明】
[0013] 图1为车辆稳定性控制系统框图；
[0014] 图2为车辆二自由度模型示意图；
[0015] 图3为正弦延迟工况下横摆角速度结果图；
[0016] 图4为正弦延迟工况下质屯、侧偏角结果图；
[0017] 图5为正弦延迟工况下附加横摆力矩结果图；
[0018] 图6为正弦延迟工况下前轮转角结果图；
[0019] 图7为正弦延迟工况下左前轮胎制动力结果图；
[0020] 图8为正弦延迟工况下右前轮胎制动力结果图；
[0021] 图9为正弦延迟工况下左后轮胎制动力结果图；
[0022] 图10为正弦延迟工况下左后轮胎制动力结果图。
【具体实施方式】
[0023] 本发明提供了一种基于=步法的车辆横摆稳定性控制方法，该方法包括W下几个 步骤：步骤一、建立简化车辆动力学模型，如图2,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：
[0024]
<11
[0025] 其中，Fyi、Fy2为前后轮胎的侧偏力，单位N ;M Z为附加横摆力矩，单位Nm ;L。k分 别为汽车质屯、到前后轴的距离，单位为m 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 ;m为汽车质量，单位kg ;Vx为车辆纵向速度，单位m/s ; P为质屯、侧偏 角，单位rad。
[002引由式（1)整理得到车辆的系统方程式似如下
[0027]
(2)
[002引车辆系统状态方程似中的Fyf，Fy為作Ij表示轮胎的前后侧偏力，研究车辆的侧向 稳定性必须考虑轮胎的非线性特性，因此本发明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w表示为：
[002引
。）
[0030] 其中，F,是轮胎纵向垂直载荷，F,。是标称轮胎载荷，y是路面附着系数，y。是标 称路面附着系数，A是纵向滑移率，C。是轮胎侧偏刚度，a是轮胎侧偏角，同时，丫，、丫， 和丫。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A对侧向轮胎力的影响，使得A= 0,式（3)可W简化为：
[003。
（4)
[0032] 根据图2中的几何关系，前后轮胎侧偏角、车辆前轮转角W及纵向车速之间有如 式妨的关系。
[0033]
(5)
[0034] 其中，af，ar为前后轮胎侧偏角，单位rad; 5为前轮转角，单位rad;
[003引将式（4)、妨代入式似可得到系统状态方程式化）
[0036]
(拉）
[0037] 步骤二、=步法控制器设计：基于步骤一建立的简化车辆动力学模型，设计=步法 控制器，将期望横摆角速度信息输入到=步法控制器，根据期望横摆角速度的值W及实时 反馈的车辆侧向加速度、实际横摆角速度、实际质屯、侧偏角及纵向加速度，运用=步法算法 流程，决策出附加横摆力矩及前轮转角；
[0038] 首先，给出期望的质屯、侧偏角和横摆角速度的表达式如下，
[0039]
(7)
[0040] 上述步骤二中=步法控制器的设计包括W下步骤：
[00川 （1)稳态控制
[0042] 基于步骤一建立的简化车辆动力学方程式化），令/ = 〇和Z' = 0，.系统满足如下方 程，
[0043]
(8、
[0044] 5fs和Mz河W由式做求得，由于该系统中存在着复杂的非线性，在现代自动控 制领域广泛使用的基于查表的控制策略的启发下，运也是在车辆工程中，经常使用的利用 稳态时测量的map表实现系统的动态控制，实质是稳态控制。可W求控制器的稳态控制部 分如下，
[0045]
^9)
[0046] (2)参考动态前馈控制
[0047] 对于一个复杂的非线性系统要想得到满意的性能，只使用稳态控制是远远不够 的。其他的信息也需要考虑，因此，在稳态的基础上，增加了前馈控制，使用
[004引
（'10 )
[004引其中Uls和U2丑公式（9)给出，UH和U2f待求。将式（10)代入式（6)可得
[0050]
(11)
[0051] 通过使用在Uk点的泰勒表达式，我们可W获得Fyf的近似表达式如下，
[