一种汽车转向稳定性控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及汽车智能转向领域，尤其涉及一种汽车转向稳定性控制系统及其控制方法。

背景技术：

汽车的稳定性是指当驾驶员通过操纵方向盘而给定汽车一个行驶方向时，汽车能够抵御企图改变其行驶轨迹的外力或外力矩等各种干扰而保持稳定行驶的能力。汽车稳定性的好坏将直接影响其操纵性的优劣，稳定性的丧失常易导致驾驶员失去对车辆的控制，使得车辆的动态行为变得不可预测，从而引发严重的交通事故。

主动前轮转向系统通过转向转角的叠加，可根据车速控制转向转动比的大小，实现理想转向传动比，通过系统力特性的控制，实现转向轻便性和转向路感的协调统一。另一方面，汽车在行驶过程中时常会遭遇各种意外情况，例如路面附着系数的变化，侧向风干扰等，这些外界干扰都会对汽车的行驶稳定性产生巨大的影响，且驾驶员一般无法及时而准确的对此做出修正。此外，轮胎的非线性特性也会对汽车行驶特性产生影响，当汽车运行在非线性范围内时，驾驶员将很难按自己的意志对汽车进行操纵。主动前轮转向系统可通过对前轮施加附加转角产生附加的横摆力矩，控制车辆的横摆角速度和质心侧偏角，保持车辆行驶稳定性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种汽车转向稳定性控制系统及其控制方法，可有效提高汽车在危险工况以及各种干扰下的行驶稳定性，能够避免各种危险情况的发生，极大地提高了行车安全性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种汽车稳定性控制系统，包含齿轮齿条转向器、助力电机、蜗轮蜗杆、转向电机、双行星排齿轮机构、电子控制单元ecu、方向盘转矩传感器、方向盘转角传感器车速传感器、横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、侧向加速度传感器和前轮转角传感器；

所述齿轮齿条转向器的输入端和所述蜗轮蜗杆的输出端连接、输出端通过转向横拉杆与汽车两个前轮的车轴连接；

所述蜗轮蜗杆的一个输入端和所述助力电机的输出端连接，另一个输入端和所述双行星排齿轮机构的输出端连接；

所述双行星排齿轮机构的一个输入端和所述转向电机的输出端连接，另一个输入端依次通过方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器连接；

所述方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器分别用于获取汽车方向盘的转角、汽车方向盘的转矩后将其传递给所述电子控制单元ecu；

所述车速传感器、横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、侧向加速度传感器均设置在汽车上，分别用于获取汽车的车速、横摆角速度、质心侧偏角和侧向加速度后将其传递给所述电子控制单元ecu；

所述前轮转角传感器设置在汽车的一个前轮的轮毂上，用于获得汽车的前轮转角，并将其传递给所述电子控制单元ecu；

所述电子控制单元ecu分别和所述车速传感器、横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、侧向加速度传感器、方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器、前轮转角传感器、助力电机、转向电机电气相连，用于根据接收到的汽车方向盘的转矩、方向盘的转角、车速、横摆角速度、质心侧偏角、侧向加速度、前轮转角控制所述转向电机、助力电机工作，以提高汽车的稳定性。

本发明还公开了一种基于该汽车稳定性控制系统的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，当驾驶员转动汽车的方向盘时，电子控制单元ecu通过方向盘转角传感器、车速传感器采集到汽车方向盘的转角以及汽车的车速，根据变传动比规律及参考模型得到汽车该时刻的理想横摆角速度；

步骤2)，电子控制单元ecu建立整车转向二自由度模型以及齿轮齿条转向器模型，并根据整车转向二自由度模型、齿轮齿条转向器模型求取鲁棒控制器；

步骤3)，通过横摆角速度传感器采集实时的横摆角速度，将实时的横摆角速度与求得的理想横摆角速度做差得到横摆角速度差值，并将横摆角速度差值输入到鲁棒控制器；

步骤4)，鲁棒控制器根据输入的横摆角速度差值计算出需要增加的附加转角，电子控制单元ecu控制转向电机工作，使得双行星齿轮机构将所述附加转角与方向盘转角进行叠加后输入到齿轮齿条转向器，并传递到汽车前轮；

步骤5)，电子控制单元ecu根据所述附加转角信号控制助力电机输出相应的力矩，并通过蜗轮蜗杆机构将力矩作用到齿轮齿条转向器，提供转向助力力矩以减轻驾驶员负担。

作为本发明一种汽车稳定性控制系统的控制方法进一步的优化方案，所述步骤1)中理想横摆角速度r^*的计算公式如下：

式中，θsw为汽车的方向盘的转角，a0＝k1k2(a+b)²+(k2b-k1a)mu²，u为汽车的纵向车速，b0＝k1k2(a+b)u，k1、k2分别为前后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量；l为前后轴轴距。

作为本发明一种汽车稳定性控制系统的控制方法进一步的优化方案，所述ks的范围为0.12-0.37s^-1。

作为本发明一种汽车稳定性控制系统的控制方法进一步的优化方案，所述步骤2)中整车转向二自由度模型以及齿轮齿条转向器模型如下；

式中，ts2＝kc(θsw-θs2-αθr2)，r为横摆角速度，β为质心侧偏角，iz为整车绕z轴转动惯量，δf为前轮转角，δr为后轮转角，jr、br分别为齿轮齿条系统的等效转动惯量与阻尼，θs2是下排行星齿轮齿圈转角，tr是轮胎回正力矩，dr是等效到转向柱上的路面干扰力矩，α是行星齿轮齿圈与太阳轮的齿数比，kc是转矩传感器刚度系数，u为纵向车速。

作为本发明一种汽车稳定性控制系统的控制方法进一步的优化方案，所述步骤2)中根据整车转向二自由度模型、齿轮齿条转向器模型求取鲁棒控制器的具体步骤如下：

步骤2.1)，根据整车转向二自由度模型、齿轮齿条转向器模型获得广义控制对象为：

式中，k为控制器；y为系统输出；θs2为附加转角；fyw为侧向风作用在汽车上力；g0、g1、g2和g3分别为θsw、dr和fyw到横摆角速度r的传递函数，w1、w2、w3分别为干扰输入θsw、dr和fyw的加权函数；z1、z2和z3为评价输出；α为系统输出回路中的积分器；

步骤2.2)，在汽车转向控制过程中，要求使汽车的横摆角速度能够良好的跟踪理想值，并且前后轮转角能尽量小，使轮胎能处于线性范围行驶，建立控制器k，使闭环控制系统内部稳定，所述控制器k的满足条件为：

所述控制器k即为广义控制对象p(s)的h2控制器。

作为本发明一种汽车稳定性控制系统的控制方法进一步的优化方案，所述三个加权函数w1、w2、w3需采用改进遗传算法进行优化，具体包含以下步骤：

步骤2.1.1)，选择型值点的数量m，参数化三个加权函数w1、w2、w3，其中系数a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3取值范围为1-1000，对每个系数随机取一个初值后对a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3进行编码；

步骤2.1.2)，定义适应度函数gx；

步骤2.1.3)，定义改进遗传算法的控制参数：种群规模np，代的总数量ng，交叉概率pc，变异概率pm；

步骤2.1.4)，令第h代的数量h＝1，自由产生二进制串的种群，

步骤2.1.5)，令串的长度l＝1；

步骤2.1.6)，对每个二进制串进行解码成参数

步骤2.1.7)，基于广义控制对象、控制器k的满足条件求解广义控制对象p(s)的h2控制器；

步骤2.1.8)，计算串的适应度

步骤2.1.9)，令串的长度l＝l+1，转向执行步骤2.1.6)，直到l＝np；

步骤2.1.10)，如果gh+1＞gh*，则令σ*h+1＝σh+1，g*h+1＝gh+1；

步骤2.1.11)，对种群p^h做一个统计，获得平均、最大和最小适应度并且对种群适应度的尺度重新做一个统计；

步骤2.1.12)，令h＝h+1，用重新产生法产生一个新的种群p^h+1，进行交叉、变异操作；

步骤2.1.13)，返回步骤2.1.5)，直到h＝ng；

步骤2.1.14)，得到最优h2控制器。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.使用主动前轮转向，在行驶过程中，使用变传动比计算出理想横摆角速度，通过与实际横摆角度的差值基于鲁棒控制方法求得附加转角，通过双行星排机构将附加转角叠加到转向系统，提高了转向系统的操纵稳定性。

2.基于改进遗传算法优化的鲁棒控制方法，能够拟制侧向风、路面不平等随机外界干扰，有效提高转向系统的鲁棒性和汽车行驶时的稳定性和安全性。

附图说明

图1是本发明转向系统布置示意图；

图2是本发明的控制原理图；

图3是本发明的控制器优化流程图；

图4是本发明中鲁棒控制器的示意图。

图中，1-方向盘，2-转角传感器，3-转矩传感器4-主动转向机构，5-电动助力转向机构，6-齿轮齿条转向器，7-前轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明开发了一种汽车稳定性控制系统，包含齿轮齿条转向器、助力电机、蜗轮蜗杆、转向电机、双行星排齿轮机构、电子控制单元ecu、方向盘转矩传感器、方向盘转角传感器车速传感器、横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、侧向加速度传感器和前轮转角传感器；

所述齿轮齿条转向器的输入端和所述蜗轮蜗杆的输出端连接、输出端通过转向横拉杆与汽车两个前轮的车轴连接；

所述蜗轮蜗杆的一个输入端和所述助力电机的输出端连接，另一个输入端和所述双行星排齿轮机构的输出端连接；

所述双行星排齿轮机构的一个输入端和所述转向电机的输出端连接，另一个输入端依次通过方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器连接；

所述方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器分别用于获取汽车方向盘的转角、汽车方向盘的转矩后将其传递给所述电子控制单元ecu；

所述车速传感器、横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、侧向加速度传感器均设置在汽车上，分别用于获取汽车的车速、横摆角速度、质心侧偏角和侧向加速度后将其传递给所述电子控制单元ecu；

所述前轮转角传感器设置在汽车的一个前轮的轮毂上，用于获得汽车的前轮转角，并将其传递给所述电子控制单元ecu；

所述电子控制单元ecu分别和所述车速传感器、横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、侧向加速度传感器、方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器、前轮转角传感器、助力电机、转向电机电气相连，用于根据接收到的汽车方向盘的转矩、方向盘的转角、车速、横摆角速度、质心侧偏角、侧向加速度、前轮转角控制所述转向电机、助力电机工作，以提高汽车的稳定性。

本发明还公开了一种该汽车稳定性控制系统的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，当驾驶员转动汽车的方向盘时，电子控制单元ecu通过方向盘转角传感器、车速传感器采集到汽车方向盘的转角以及汽车的车速，根据变传动比规律及参考模型得到汽车该时刻的理想横摆角速度；

步骤2)，电子控制单元ecu建立整车转向二自由度模型以及齿轮齿条转向器模型，并根据整车转向二自由度模型、齿轮齿条转向器模型求取鲁棒控制器；

步骤3)，通过横摆角速度传感器采集实时的横摆角速度，将实时的横摆角速度与求得的理想横摆角速度做差得到横摆角速度差值，并将横摆角速度差值输入到鲁棒控制器；

步骤4)，鲁棒控制器根据输入的横摆角速度差值计算出需要增加的附加转角，电子控制单元ecu控制转向电机工作，使得双行星齿轮机构将所述附加转角与方向盘转角进行叠加后输入到齿轮齿条转向器，并传递到汽车前轮，进而调整汽车实时的运动姿态，使得实时的横摆角速度趋近于理想值，从而得到稳定的转向状态；

步骤5)，电子控制单元ecu根据所述附加转角信号控制助力电机输出相应的力矩，并通过蜗轮蜗杆机构将力矩作用到齿轮齿条转向器，提供转向助力力矩以减轻驾驶员负担。

所述步骤1)中理想横摆角速度r^*的计算公式如下：

式中，θsw为汽车的方向盘的转角，a0＝k1k2(a+b)²+(k2b-k1a)mu²，^u为汽车的纵向车速，b0＝k1k2(a+b)u，k1、k2分别为前后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量；l为前后轴轴距。

所述ks的范围为0.12-0.37s^-1。

所述步骤2)中整车转向二自由度模型以及齿轮齿条转向器模型如下；

式中，ts2＝kc(θsw-θs2-αθr2)，r为横摆角速度，β为质心侧偏角，iz为整车绕z轴转动惯量，δf为前轮转角，δr为后轮转角，jr、br分别为齿轮齿条系统的等效转动惯量与阻尼，θs2是下排行星齿轮齿圈转角，tr是轮胎回正力矩，dr是等效到转向柱上的路面干扰力矩，α是行星齿轮齿圈与太阳轮的齿数比，kc是转矩传感器刚度系数，u为纵向车速。

所述步骤2)中根据整车转向二自由度模型、齿轮齿条转向器模型求取鲁棒控制器的具体步骤如下：

步骤2.1)，根据整车转向二自由度模型、齿轮齿条转向器模型获得广义控制对象为：

式中，k为控制器；y为系统输出；θs2为附加转角；fyw为侧向风作用在汽车上力；g0、g1、g2和g3分别为θsw、dr和fyw到横摆角速度r的传递函数，w1、w2、w3分别为干扰输入θsw、dr和fyw的加权函数；z1、z2和z3为评价输出；α为系统输出回路中的积分器；

步骤2.2)，在汽车转向控制过程中，要求使汽车的横摆角速度能够良好的跟踪理想值，并且前后轮转角能尽量小，使轮胎能处于线性范围行驶，建立控制器k，使闭环控制系统内部稳定，所述控制器k的满足条件为：

所述控制器k即为广义控制对象p(s)的h2控制器。

鲁棒控制器如图4所示。

所述步骤2.1)中的三个加权函数w1、w2、w3，需采用改进遗传算法进行优化，具体包含以下步骤：

步骤2.1.1)，选择型值点的数量m，参数化三个加权函数，其中各个系数取值范围为1-1000，然后随机取一个初值，然后对a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3进行编码；

步骤2.1.2)，定义适应度函数gx；

步骤2.1.3)，定义改进遗传算法的控制参数：种群规模np，代的总数量ng，交叉概率pc，变异概率pm；

步骤2.1.4)，令第h代的数量h＝1，自由产生二进制串的种群，

步骤2.1.5)，令串的长度l＝1；

步骤2.1.6)，对每个二进制串进行解码成参数

步骤2.1.7)，基于广义控制对象、控制器k的满足条件求解广义控制对象p(s)的h2控制器；

步骤2.1.8)，计算串的适应度

步骤2.1.9)，令串的长度l＝l+1，转向执行步骤2.1.6)，直到l＝np；

步骤2.1.10)，如果gh+1＞gh*，则令σ*h+1＝σh+1，g*h+1＝gh+1；

步骤2.1.11)，对种群p^h做一个统计，获得平均、最大和最小适应度并且对种群适应度的尺度重新做一个统计；

步骤2.1.12)，令h＝h+1，用重新产生法产生一个新的种群p^h+1，进行交叉、变异操作；

步骤2.1.13)，返回步骤2.1.5)，直到h＝ng；

步骤2.1.14)，得到最优h2控制器。

其中改进遗传算法的流程图如图3所示。

然后通过横摆角速度传感器采集横摆角速度信号，与求得的理想值做差，通过鲁棒控制器求得目标附加转角。得到附加转角之后，ecu会把相应信号提供给转向电机与助力电机，转向电机通过双行星齿轮机构将转角叠加后输入到齿轮齿条转向器，以实现横摆角速度的跟踪，助力电机带动蜗轮蜗杆机构，以提供转向助力力矩。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。