一种分布式滑板底盘及其多维矢量互冗余域控制方法

本发明属于汽车底盘控制，具体涉及一种分布式滑板底盘及其多维矢量互冗余域控制方法。

背景技术：

1、在滑板底盘这一技术背景下，往往采用更高的自由度设计以保证底盘的可靠性和灵活性，例如转向系统普遍为分布式独立主销转向、制动系统为分布式机械纯干式制动器、驱动系统普遍为分布式轮毂或轮边电机。在上述技术背景下，车辆转向、制动功能的实现不仅仅是转向或制动单个子系统的工作，而变成了分布式滑板底盘纵横垂向多维矢量动态协调、执行器时空动态协同控制的转向、制动功能域控制。

2、现有对于滑板底盘域控系统的研究中，例如：中国发明专利申请号为cn202011539643.5，名称为“一种网联式智能线控底盘域控制装置及其控制方法”中通过域控制器的整合，使得底盘域内分散的车辆硬件之间可以实现信息互联与资源共享；中国发明专利申请号为cn201811251327.0，名称为“一种动力底盘域控制架构及汽车”中公布了域控制架构根据接收到的动力底盘域控制器发送的控制指令执行相应的操作，调整汽车的状态；中国发明专利申请号为cn202211077040.7，名称为“一种集中式底盘域控制架构及方法”中公布了底盘域控制器包括控制策略决策模块及失效/冗余/容错模块，可根据传感器的传感信号确定底盘故障数据，通过故障数据修正控制指令；中国发明专利申请号为cn202110204757.2，名称为“基于底盘域控制器的智能汽车信息流冗余安全控制系统”中公布了基于底盘动力学域控制的概念对底盘上的信息流进行重新整合，通过冗余信号通路实现与外界信息流交互。

3、然而，上述现有的底盘设计及其域控制方法存在如下两点潜在问题：

4、第一，在底盘构型设计方面，现有研究虽然也提出了转向、制动、驱动、悬架的角模块式集成设计方法，但只是进行了空间上的集成，即只将转向、制动、驱动、悬架在空间上设计为了一体，忽略了其共用部件的一体化设计，不仅导致通过现有方法集成得到的角模块存在转动惯量大、簧下质量过大、体积较大不易进行布置等问题；而且由于各部件空间上的相互独立和动力学层面的相互耦合，导致其难以有效支撑底盘多维矢量间的动态互冗余控制。

5、第二，在底盘全矢量协同控制方面，现有研究仅考虑了底盘信号层面的互联与资源共享，忽略了对不同功能模式下底盘矢量重组模式的探究，同时由于没有考虑纵横垂向的矢量协同，也难以对系统的实际动力学稳定性边界做出准确表征。

6、第三，在底盘互冗余能力方面，现有研究仅考虑了单个系统的信号通路等方面的冗余设计，以保证系统在失效状态下的冗余安全性。但上述研究忽略了通过执行器间结构互冗余对系统功能互冗余带来的提升，例如重型车辆处于原地转向状态时，通过差速转向也能够为车辆的转向性能带来增强，从而对系统在极限工况下的性能提升带来挑战。

7、因此，如何充分发挥滑板底盘在纵横垂向均具有较高自由度的设计优势，开发一种分布式滑板底盘及其多维矢量互冗余域控制方法，提高系统的动力学性能，成为制约滑板底盘大规模落地的关键因素。

技术实现思路

1、针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种分布式滑板底盘及其多维矢量互冗余域控制方法，以解决现有技术中在进行分布式滑板底盘及其域控制器设计时，由于滑板底盘一体化程度低、转向/制动/悬架/驱动间缺乏共用部件，导致底盘难以有效协同纵横垂向各个矢量间的互冗余关系，从而导致底盘的协同控制结果过于保守、动力学稳定性边界表征不准确的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明的一种分布式滑板底盘，包括：左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块、车架、供电模块及多维矢量互冗余域控制器；

4、所述左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块采用相同的结构设计，四者均包括：蜗轮蜗杆减速机构、转向电机、转向电机控制器、上叉臂、悬架空气弹簧作动器、悬架连续可调阻尼减振器作动器、悬架作动器控制器、下叉臂、低压线束、低压电源、转角传感器、转向主销立柱、制动盘总成、齿轮组一级减速机构、滚珠丝杠二级减速机构、制动电机控制器、制动电机、轮毂电机、车轮、车架连接件、高压线束、高压电源；

5、所述悬架作动器控制器与悬架连续可调阻尼减振器作动器的壳体采用一体化设计；所述悬架空气弹簧作动器嵌套安装在悬架连续可调阻尼减振器作动器内部，悬架连续可调阻尼减振器作动器输出的作用力通过悬架空气弹簧作动器传递到下叉臂，进而传递到车架连接件；所述悬架空气弹簧作动器的上端与上叉臂的一端铰接，悬架空气弹簧作动器的下端与下叉臂的一端铰接；所述悬架作动器控制器控制悬架连续可调阻尼减振器作动器的阻尼变化、悬架空气弹簧作动器的刚度变化及行程伸缩，实现举升车架；

6、所述制动电机控制器与制动电机的壳体采用一体化设计，所述制动电机控制器控制制动电机转动；制动电机的输出轴与滚珠丝杠二级减速机构的输入端相连，滚珠丝杠二级减速机构的输出端与齿轮组一级减速机构的输入端相连；所述齿轮组一级减速机构将旋转运动转换为直线运动；所述滚珠丝杠二级减速机构与齿轮组一级减速机构相连后为非自锁机构；所述制动电机控制器根据制动电机的母线电流大小进行制动力估算，并将估算得到的制动力作为制动电机控制器的输入；当制动电机控制器接收到制动命令后，齿轮组一级减速机构的输出轴压紧制动盘总成，将制动电机的输出力矩传递给制动盘总成，实现制动；

7、所述转向电机控制器与转向电机的壳体采用一体化设计，所述转向电机控制器控制转向电机转动；转向电机的输出轴与蜗轮蜗杆减速机构的输入端相连；所述蜗轮蜗杆减速机构的输出端与转向主销立柱的第二安装点刚性连接，从而将转向电机的输出力矩传递给转向主销立柱；所述转向主销立柱垂直于地面安装；所述转角传感器设置在转向主销立柱的第一安装点，采集转向主销立柱的转角信号，并发送到转向电机控制器；当转向电机控制器接收到转向命令后，整个角模块将绕转向主销立柱的轴向进行旋转，实现转向；

8、所述转向主销立柱的第一装配点依次与制动盘总成的中心、轮毂电机的中心、车轮的中心相连；

9、所述转向主销立柱的第二装配点与上叉臂的另一端铰接，转向主销立柱的第三装配点与下叉臂的另一端铰接；

10、所述转向主销立柱的第四装配点与车架连接件通过轴承连接，在执行转向时，转向主销立柱绕第四装配点旋转；

11、所述轮毂电机通过高压线束与高压电源相连；所述转向电机控制器、制动电机控制器及悬架作动器控制器均通过低压线束与低压电源相连；

12、所述高压电源、低压电源均与供电模块相连，供电模块实现对高压电源和低压电源的电量监测与供电保护；

13、所述多维矢量互冗余域控制器通过can总线分别与左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块中的转向电机控制器、制动电机控制器及悬架作动器控制器进行通信，以实时获取底盘纵向、横向、垂向不同维度的冗余矢量资源，利用当前时刻的冗余矢量资源对底盘进行纵向、横向、垂向矢量间的交互运动补偿，并将交互运动补偿进行转换得到转向电机控制器、制动电机控制器和悬架作动器控制器的控制输入，实现对左前角模块、右前角模块、左后角模块、右后角模块的控制；

14、所述车架连接件与车架刚性连接，实现角模块对车架的支撑。

15、进一步地，所述悬架连续可调阻尼减振器作动器为中空圆筒，可通过比例阀控制实现其阻尼系数的连续调节。

16、进一步地，所述转向主销立柱为圆柱形结构。

17、进一步地，所述转角传感器为贴片式。

18、进一步地，所述制动电机、转向电机采用低压双绕组电机。

19、进一步地，所述悬架空气弹簧作动器采用双腔空气弹簧；所述悬架连续可调阻尼减振器作动器采用磁流变减振器。

20、本发明的一种分布式滑板底盘的多维矢量互冗余域控制方法，应用于上述底盘，包括以下步骤：

21、步骤1)：构建分布式滑板底盘时空异质矢量重组模型，对不同时刻下底盘的位置量和状态量进行时空变换，并根据对模型的时空动态监测结果设计时空异质矢量重组模型参数优化方法，进行模型参数优化，得到能够使底盘在不同驾驶条件下满足稳定性控制需求的时空异质矢量重组模型参数；

22、步骤2)：根据步骤1)优化得到的时空异质矢量重组模型参数，设计适应不同驾驶场景和路面状况的多矢量协同策略，通过时频域变换得到多维矢量协同的复数域相位和幅角，并利用相位和幅角之间的互补作用来获取纵向、横向、垂向矢量互冗余补偿量与角模块参数间的映射关系，实现底盘运动补偿和控制；

23、步骤3)：对步骤2)中的纵向、横向、垂向矢量互冗余补偿量进行多目标参数优化进行多目标参数优化，优化完成后得到多维矢量互冗余域控制器最优设计变量，通过将实时监测分布式滑板底盘时空异质矢量重组模型的反馈信息与最优设计变量进行对比，获取分布式滑板底盘纵向、横向、垂向不同维度的冗余矢量资源，并基于分布式滑板底盘纵向、横向、垂向矢量间的交互运动补偿需求，进一步得到转向电机控制器、制动电机控制器和悬架作动器控制器的控制输入，实现三个控制器对分布式滑板底盘纵向运动、横向运动、垂向运动的独立控制，以利用分布式滑板底盘纵向、横向、垂向不同维度的冗余资源进行纵向、横向、垂向矢量间的交互运动补偿。

24、进一步地，所述步骤1)具体包括：

25、步骤11)：建立分布式滑板底盘时空异质矢量重组模型，以识别和描述不同矢量之间的时空关系，对不同时刻下底盘的位置量和状态量进行时空变换，通过动态矢量变换时间间隔来确保矢量变换的准确性和稳定性；所述分布式滑板底盘时空异质矢量重组模型如下：

26、

27、式中，k为变换前底盘的状态量；s为变换后底盘的状态量；x(s)为变换后的纵向位置量；y(s)为变换后的横向位置量；vx(s)为变换后的纵向速度量；vy(s)为变换后的横向速度量；a0-a5表示a0、a1、a2、a3、a4、a5纵向采样点；c0-c5表示c0、c1、c2、c3、c4、c5横向采样点；为变换前a0、a1、a2、a3、a4、a5纵向采样点的纵向位置量；变换前c0、c1、c2、c3、c4、c5横向采样点的横向位置量；为变换前a0、a1、a2、a3、a4、a5纵向采样点的纵向速度量；为变换前c0、c1、c2、c3、c4、c5横向采样点的横向速度量；δt为动态矢量变换时间间隔；nex为纵向位置的变换误差量，ney为横向位置的变换误差量；nevx为纵向速度量的变换误差，nevy为横向速度量的变换误差；

28、步骤12)：基于步骤11)输出的底盘变换后的纵向、横向位置量和速度量，设计矢量时空动态监测方法，通过矢量时空动态随机变量矩阵实现对分布式滑板底盘时空异质矢量重组模型的实时监测和参数动态调节，以确保分布式滑板底盘的动态协调和响应性能；所述矢量时空动态监测方法如下：

29、

30、式中，n为计算得到的分布式滑板底盘时空异质矢量重组模型参数动态调节量，ax和ay分别为纵向的加速度和横向的加速度，m为矢量时空动态随机变量矩阵，所述矢量时空动态随机变量矩阵m定义如下：

31、

32、式中，jys为转向电机输出轴的转动惯量，bhs为转向电机输出轴的阻尼，ωs为转向主销立柱的转速，tps为蜗轮蜗杆减速机构的输出力矩，rmb1为齿轮组一级减速机构的减速比，rmb2为滚珠丝杠二级减速机构的减速比，imb为制动电机的母线电流，cas1为悬架连续可调阻尼减振器作动器的粘性阻尼系数，aas1为悬架连续可调阻尼减振器作动器控制阀的开口面积，cas2为悬架空气弹簧作动器的空气流量系数，aas2为悬架空气弹簧作动器控制阀的开口面积，d12为轮毂电机本体的减速比，pdd为轮毂电机的最大功率系数，dddr为轮毂电机的摩擦阻力系数；

33、步骤13)：基于步骤12)得到的模型参数动态调节量，设计时空异质矢量重组模型参数优化方法，以矢量时空动态协调过程的精度和效率为目标设计优化目标，对纵向位置量、横向位置量、纵向速度量、横向速度量四个模型参数进行优化，优化完成后得到优化后时空异质矢量重组模型参数；模型参数优化方法如下：

34、

35、式中，j为优化目标；x为优化后时空异质矢量重组模型参数，包括优化后的纵向位置量、优化后的横向位置量、优化后的纵向速度量、优化后的横向速度量；xd为变换前的模型参数；u为变换前的控制输出；umin和umax分别为变换前控制输出的最小值和最大值；q、r为控制状态变量加权矩阵，其中，q为半正定矩阵，r为正定矩阵。

36、进一步地，所述步骤2)具体包括：

37、步骤21)：基于步骤13)中得到的优化后时空异质矢量重组模型参数，设计适应不同驾驶场景和路面状况的多矢量协同策略，通过时频域变换得到多维矢量协同的复数域相位和幅角；所述多矢量协同策略如下：

38、

39、式中，wc为多维矢量协同的复数域相位，xc为多维矢量协同的复数域幅角，所述多维矢量包括纵向矢量、横向矢量、垂向矢量；jw为虚数单位；p为不同驾驶场景和路面状况的特征矩阵；ad为变换后相位参数矩阵；ak为变换后幅角参数矩阵；e为自然对数的底数；i为常数矩阵；

40、步骤22)：基于步骤21)中的多维矢量协同策略，设计多维矢量互冗余补偿控制方法，利用步骤21)得到的纵向矢量、横向矢量、垂向矢量复数域相位和幅角之间的互补作用来获取纵向、横向、垂向矢量互冗余补偿量及其与角模块参数间的映射关系，实现底盘运动补偿和控制；所述多维矢量互冗余补偿控制方法表达式如下：

41、

42、式中，θc为纵向、横向、垂向矢量互冗余补偿量；jm为角模块等效转动惯量；pn为控制通道互补参数；ψ为补偿器相位参数；iq为等效电流；b为角模块等效阻尼系数；tl为角模块等效负载，为纵向、横向、垂向矢量互冗余补偿量的二阶导数。

43、进一步地，所述步骤3)具体包括：

44、步骤31)：设计考虑分布式滑板底盘纵向运动、横向运动、垂向运动的固有边界的约束条件，对步骤2)中的纵向、横向、垂向矢量互冗余补偿量进行多目标参数优化，优化完成后得到多维矢量互冗余域控制器最优设计变量；所述多目标参数优化的方法如下：

45、

46、式中，xm为多维矢量互冗余域控制器的设计变量；pm为多维矢量互冗余域控制器的固有参数；f(xm,pm,θc)为优化目标函数；km为优化目标的加权因子；μf、σf分别为目标函数在设计变量及固有参数不确定性波动影响下的均值和标准差；wμf、wσf分别为μf和σf的比例影响因子，g(xm,pm,θc)为不等式约束，h(xm,pm,θc)为等式约束，δxm为变化容差，μx为设计变量的均值，xml为设计变量的下确界，xmu为设计变量的上确界；

47、步骤32)：通过实时监测分布式滑板底盘时空异质矢量重组模型的反馈信息，并将反馈信息与步骤31)得到的多维矢量互冗余域控制器最优设计变量进行对比，以实时获取分布式滑板底盘纵向、横向、垂向不同维度的冗余矢量资源，并利用当前时刻的冗余矢量资源对底盘进行纵向、横向、垂向矢量间的交互运动补偿；基于分布式滑板底盘纵向、横向、垂向矢量间的交互运动补偿需求，设计纵向矢量、横向矢量、垂向矢量与转向电机控制器、制动电机控制器和悬架作动器控制器之间的映射关系，将通过该映射关系得到的输出结果作为转向电机控制器、制动电机控制器和悬架作动器控制器的控制输入，实现三个控制器对分布式滑板底盘纵向运动、横向运动、垂向运动的独立控制，以利用分布式滑板底盘纵向、横向、垂向不同维度的冗余资源进行纵向、横向、垂向矢量间的交互运动补偿；

48、所述纵向、横向、垂向矢量间的交互运动补偿方法如下：

49、

50、式中，xlo为纵向矢量等效状态量，ulo为纵向矢量等效控制量，alo为纵向矢量等效状态量参数矩阵，blo为纵向矢量等效控制量参数矩阵，yla为横向矢量等效状态量，ula为横向矢量等效控制量，ala为横向矢量等效状态量参数矩阵，bla为横向矢量等效控制量参数矩阵，zve为垂向矢量等效状态量，uve为垂向矢量等效控制量，ave为垂向矢量等效状态量参数矩阵，bve为垂向矢量等效控制量参数矩阵，h∞为纵向、横向、垂向矢量间的交互运动补偿量，k∞1为纵向矢量权重系数，k∞2为横向矢量权重系数，k∞3为垂向矢量权重系数；

51、所述映射关系设计方法如下：

52、

53、式中，x1、x2和x3分别表示转向电机控制器、制动电机控制器和悬架作动器控制器的状态参数，e为自然对数的底数，a0为变换前的相位参数矩阵，xm为步骤31)中的设计变量，bd为变换后的控制参数矩阵，ud为变换后的控制输出，s为制动电机行程补偿参数，iz为整车绕z轴的转动惯量，m为整车质量，vx为纵向车速，b为车辆质心到后轴距离，a为质心到前轴的距离，z为悬架作动器控制常数。

54、本发明的有益效果：

55、1、本发明通过分析转向、制动、悬架、驱动间的空间拓扑与传动关系，设计一种集成了转向、制动、悬架、驱动的新型分布式滑板底盘，不仅通过共用部件有效降低了角模块总部件数，一定程度上降低了角模块转动惯量、簧下质量和体积，而且通过一体化设计在缩短了传力路线的同时有效提高了系统集成控制效率，是未来分布式滑板底盘的理想设计形式。

56、2、本发明通过构建分布式滑板底盘时空异质矢量重组模型，充分利用底盘不同时刻、纵横垂向不同维度的冗余资源进行底盘运动补偿和控制，并通过构建纵横垂向多维矢量与执行器控制量的映射关系进一步强化底盘的综合性能，从而可以克服现有技术中在动力学边界确定、极限工况下的性能无降级控制等方面存在的限制和不足，实现更高水平的底盘控制和性能优化。