一种角模块车辆原地转向阻力矩计算方法及底盘控制系统与流程

本发明涉及车辆底盘控制，尤其涉及一种角模块车辆原地转向阻力矩计算方法及底盘控制系统。

背景技术：

1、随着自动驾驶和线控底盘技术的发展，集成了驱动、制动、转向和悬架功能的角模块技术逐渐成为研究热点。与传统车辆不同，角模块车辆能够实现原地转向、大角度蟹行等复杂机动。在车辆原地转向或极低速转向工况下，准确计算转向阻力矩对于转向电机的选型、转向系统的热管理以及高精度轨迹跟踪控制具有重要意义。

2、然而，现有的计算方法主要依赖于传统的经验公式，如gough公式。这些方法在应用于角模块车辆时存在以下不足：传统方法通常假设轮胎接地印迹为完美的圆形，且接地压力均匀分布，或者仅考虑纯侧向滑移，未充分考虑轮胎内部复杂的变形机制；角模块悬架几何具有特殊性，在大转角工况下，车轮往往会产生显著的侧倾角，而现有方法未充分考虑侧倾导致的轮胎接地印迹压力分布畸变以及接地印迹形状的非对称性，从而影响阻力矩作用半径的准确确定；为了减小转向阻力，角模块在原地转向时，有时会主动施加驱动或制动扭矩以利用纵向力辅助转向，在此工况下轮胎产生纵向滑移，改变了摩擦圆内的力矢量分布，导致实际可用的侧向摩擦力发生变化，而现有方法也未充分量化这一影响。

3、因此，现有方法在角模块工况下的转向阻力矩计算精度有待提高，难以充分满足高性能线控底盘对转向控制精度的需求，现亟需一种新的技术方案来解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种角模块车辆原地转向阻力矩计算方法及底盘控制系统，通过构建考虑侧倾效应的非均匀接地压力分布模型以及考虑纵滑耦合的刷子微元变形运动学模型，并基于库伦摩擦圆进行粘滑区判别后积分求解总转向阻力矩，解决了现有方法因忽略侧倾导致的压力分布畸变和纵向滑移对剪切应力影响而导致的原地转向阻力矩计算精度不足的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

3、一种角模块车辆原地转向阻力矩计算方法，包括如下步骤：

4、s1、获取车辆在原地或低速转向工况下的轮胎及底盘的状态参数，所述状态参数包括车轮垂直载荷、轮胎侧倾角、主销偏移距、轮胎纵向滑移率、路面摩擦系数、轮胎接地印迹几何参数；

5、s2、基于获取的所述轮胎侧倾角和所述车轮垂直载荷，构建考虑侧倾效应的非均匀接地压力分布模型，使压力分布在纵向呈抛物线分布、在横向受侧倾角影响呈非对称分布，输出全接地印迹区域内的压力分布；

6、s3、获取车辆的转向角速度，并基于获取的所述轮胎纵向滑移率，构建考虑纵滑耦合的刷子微元变形运动学模型，输出接地印迹内各微元的总变形矢量，所述总变形矢量由转向旋转产生的位移分量与纵向滑移位移分量叠加而成；

7、s4、根据所述压力分布、所述总变形矢量以及获取的所述路面摩擦系数，基于库伦摩擦圆判断接地印迹内粘滞区与滑动区的边界，计算接地印迹内各微元处的剪切应力，得到全接地印迹区域内的剪切应力分布；

8、s5、根据获取的所述主销偏移距和所述轮胎接地印迹几何参数，对所述全接地印迹区域内的剪切应力分布对主销点产生的力矩进行二重积分，得到总转向阻力矩。

9、作为优选方案，步骤s2中，所述非均匀接地压力分布模型表示为：

10、；

11、式中：为非均匀接地压力分布函数；均为微元在接地印迹坐标系中的坐标；为峰值压力系数；为接地印迹长半轴；为接地印迹宽半轴；为畸变因子；为侧倾刚度敏感系数；为轮胎侧倾角；

12、其中，所述非均匀接地压力分布模型满足以下条件：

13、所述非均匀接地压力分布函数在接地印迹内满足垂直载荷积分守恒条件，且压力值非负；当所述非均匀接地压力分布函数计算值为负时，强制置为零。

14、作为优选方案，步骤s3中，在所述刷子微元变形运动学模型中，所述总变形矢量包括纵向变形和横向变形，其中：

15、所述纵向变形由转向旋转产生的纵向位移分量与纵向滑移位移分量叠加而成，其公式表示为：

16、；

17、；

18、式中：为纵向变形；为计算步长内的转角增量；均为微元在接地印迹坐标系中的坐标；为胎面产生的纵向滑移位移分量；为转向角速度；为计算步长；

19、所述横向变形由转向旋转产生的横向位移分量构成，其公式表示为：

20、；

21、式中：为横向变形；为主销偏移距。

22、作为优选方案，步骤s4中，所述计算接地印迹内各微元处的剪切应力的具体处理过程包括：

23、s401、获取胎面单位面积刚度，并根据所述总变形矢量，利用胡克定律计算各微元的弹性预测应力；

24、s402、基于获取的所述路面摩擦系数及所述压力分布，确定各微元的最大静摩擦力；

25、s403、根据库伦摩擦圆原理，比较弹性预测应力的合成模量与最大静摩擦力的大小，判断各微元处于粘滞区还是滑动区，并基于判定结果确定剪切应力。

26、作为优选方案，步骤s401中，所述弹性预测应力的计算公式为：

27、；

28、；

29、式中：为弹性预测应力；纵向弹性预测应力分量；为横向弹性预测应力分量；为胎面单位面积刚度；为纵向变形；为横向变形；

30、步骤s402中，所述最大静摩擦力的计算公式为：

31、；

32、式中：为最大静摩擦力；为路面摩擦系数；为压力分布。

33、作为优选方案，步骤s403中，所述判断各微元处于粘滞区还是滑动区，并基于判定结果确定剪切应力的具体过程为：

34、若，则微元处于粘滞区，剪切应力等于所述弹性预测应力：

35、；

36、式中：和分别为纵向和横向的剪切应力分量；

37、若，则微元处理滑动区，剪切应力按库伦摩擦圆截断，其方向与弹性预测应力方向相同：

38、。

39、作为优选方案，步骤s5中，所述剪切应力对主销点产生的力矩的计算公式为：

40、；

41、式中：为主销点的力矩；为主销偏移距；均为微元在接地印迹坐标系中的坐标；

42、作为优选方案，步骤s5中，所述对所述全接地印迹区域内的剪切应力分布对主销点产生的力矩进行二重积分，得到总转向阻力矩，具体包括：通过对全接地印迹区域所有微元的进行二重积分，得到总转向阻力矩表示为：

43、；

44、式中：为总转向阻力矩；为接地印迹长半轴；为接地印迹宽半轴。

45、一种角模块车辆底盘控制系统，包括：

46、传感器模块，用于获取车辆在原地或低速转向工况下轮胎及底盘的状态参数，所述状态参数包括车轮垂直载荷、轮胎侧倾角、主销偏移距、轮胎纵向滑移率、路面摩擦系数、轮胎接地印迹几何参数；

47、电子控制单元，与所述传感器模块连接，所述电子控制单元被配置为：

48、当车辆处于原地或低速转向工况时，执行如上述所述的角模块车辆原地转向阻力矩计算方法，以计算总转向阻力矩；

49、转向执行机构，与所述电子控制单元连接，用于接收控制指令并驱动车轮转向；

50、进一步的，所述电子控制单元还被配置为：将计算得到的所述总转向阻力矩作为前馈补偿量，叠加至所述转向执行机构的控制指令中，以补偿轮胎与路面相互作用产生的转向阻力。

51、与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

52、1、本发明通过引入轮胎侧倾角对压力分布的畸变因子，构建了纵向呈抛物线分布、横向受侧倾角影响呈非对称分布的非均匀接地压力分布模型，该压力分布模型能够真实反映角模块车辆在大转角原地转向工况下因车轮侧倾导致的胎肩压力集中、接地压力分布严重畸变的问题，从而能够更准确地描述轮胎接地印迹内的实际压力分布形态，进而精确确定转向阻力矩的作用半径和力臂长度，提高了原地转向阻力矩的计算精度。

53、2、本发明通过将刷子微元的总变形矢量构建为转向旋转引起的切向位移分量与驱动/制动电机施加的纵向滑移位移分量的叠加，建立了考虑纵滑耦合的变形运动学模型，该模型解析纵向驱动力对轮胎接地印迹内变形场的影响，定量描述纵向滑移如何改变摩擦圆内的力矢量分布，从而量化驱动/制动扭矩对转向阻力的影响。

54、3、本发明通过比较弹性预测应力的合成模量与最大静摩擦力的大小，基于库伦摩擦圆原理动态判断接地印迹内各微元所处的状态（粘滞区或滑动区），从而计算得到剪切应力，这样克服了传统方法中简单假设全印迹处于纯粘滞或纯滑动状态的缺陷，提高了剪切应力分布的计算精度，进而提升了转向阻力矩的整体估算可靠性。

55、4、相比于传统经验公式（如gough公式）采用简化几何参数和均匀压力假设的近似计算，本发明的二重积分方法能够逐点积分各微元对主销点的力矩影响，充分考虑了接地印迹内压力分布和应力分布的非均匀性，使得最终得到的转向阻力矩更加贴合实际物理过程，计算偏差显著降低。