一种面向轮胎欠压车辆的稳定性控制方法及装置

本发明涉及车辆主动安全控制，尤其涉及一种面向轮胎欠压车辆的稳定性控制方法及装置。

背景技术：

1、车辆高速行驶及复杂行驶工况下的行驶稳定性，是车辆主动安全技术领域的重点研究内容。车辆执行紧急转向、主动避障等操作时，易出现轮胎侧偏角增大、车身横摆角速度偏离理想区间等动态特征，进而引发车辆侧滑、行驶失稳等安全隐患。该类问题在轮胎欠压工况下会进一步加剧，轮胎气压不足会直接造成轮胎侧偏刚度衰减，弱化轮胎侧向力输出能力；同时还会打乱整车原有垂向载荷分配规律，造成各车轮垂向载荷分布不均。当车辆出现单轮欠压状态时，左右两侧车轮动力学特性存在显著差异，车辆转向过程中将产生额外横摆力矩，进一步提升侧滑与失稳的发生概率。与此同时，欠压轮胎受载后形变量更大，会加剧车身侧倾、俯仰运动，放大车轮间垂向载荷转移效果，最终形成横摆运动与垂向运动相互耦合的复杂失稳动态过程，大幅降低车辆行驶安全水平。

2、现阶段，车辆稳定性控制系统已大规模应用于实车工程场景。常规车辆稳定性控制方案多依托车辆平面动力学模型搭建控制逻辑，通过调节各车轮驱动力与制动力输出附加横摆力矩，校正车身横摆运动状态，使车辆运行参数回归稳定范围。但此类控制方案仅聚焦车辆横摆运动开展设计，未考量轮胎欠压工况下车身垂向特性改变对平面控制效果带来的干扰。车辆实际行驶过程中，除平面内横摆、侧向运动外，还伴随车身侧倾、俯仰等垂向姿态变化，姿态变动不仅会干扰平面控制精度，还会引发各车轮垂向载荷动态波动，直接制约轮胎纵向力与侧向力的正常输出。轮胎作用力是车辆稳定控制的核心基础，垂向载荷分配失衡会直接造成车辆稳定性能劣化，因此单纯依托平面动力学模型设计的控制策略，无法精准表征轮胎欠压工况下车辆的真实动态响应特性。

3、为弥补传统控制方案的不足，现有研究引入模型预测控制算法，该算法可在预测时域内对控制量进行滚动优化，并结合系统运行约束求解最优控制输出。但目前基于模型预测控制的车辆稳定控制方案，依旧以车身横摆运动作为核心控制目标，普遍忽略车辆垂向动力学特性以及车轮垂向载荷的动态变化，难以实现横摆运动与垂向运动的协同调控。此外，传统模型预测控制多采用增设约束条件或引入惩罚函数的方式限制系统运行状态，硬性状态约束会造成控制输出平顺性变差；在轮胎欠压等极限行驶工况下，车辆逼近稳定边界时，依靠惩罚函数约束状态易导致车辆运行参数突破安全范围，显著增加行驶失稳风险。

4、控制障碍函数可对系统运行状态实施安全约束管控，通过构建安全函数并对其导数值进行限定，能够持续将系统状态维持在安全运行区间内。该方法具备状态预判能力，可提前完成控制干预，有效提升控制过程的平顺性，增加车辆的安全裕度。将控制障碍函数与模型预测控制架构相结合，能够在优化控制性能的同时，可靠实现车辆运行状态的安全约束。基于现有技术存在的各类缺陷，行业内急需适配轮胎欠压工况、可实现横垂向协同调控并具备可靠安全约束能力的车辆稳定性控制方案。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种面向轮胎欠压车辆的稳定性控制方法。

2、本发明的另一个目的在于提出一种面向轮胎欠压车辆的稳定性控制装置。

3、本发明的第三个目的在于提出一种电子设备。

4、本发明的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。

5、为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种面向轮胎欠压车辆的稳定性控制方法，包括：

6、获取车辆当前的行驶状态数据及轮胎欠压程度信息，基于所述轮胎欠压程度信息对轮胎力学特性参数进行修正，并构建包含垂向姿态角影响的车辆平面动力学模型；

7、基于所述车辆平面动力学模型和预设的理想运动状态，构建非线性模型预测控制器，并定义以保持横摆角速度在安全边界内为目标的控制障碍函数，将所述控制障碍函数的导数约束引入所述非线性模型预测控制器的优化问题中；

8、对引入的所述控制障碍函数约束的优化问题进行求解，输出最优车轮目标扭矩与附加前轮转角控制量，基于控制量调整车轮受力与前轮转向角度，调控车辆的横摆运动和纵向运动；

9、根据车身实际姿态与期望姿态的偏差计算目标反俯仰力矩和目标反侧倾力矩，并以缩小车轮实际垂向载荷与标准胎压参考载荷的差值为目标，遵循力矩平衡约束分配悬架作动力，完成车身姿态调控与轮胎垂向载荷重构。

10、可选的，获取车辆当前的行驶状态数据及轮胎欠压程度信息，基于所述轮胎欠压程度信息对轮胎力学特性参数进行修正，包括：

11、通过轮速传感器、惯性测量单元及车载总线网络获取车辆当前的纵向车速、横向车速、横摆角速度、俯仰角速度、侧倾角速度以及各车轮转速与胎压监测数据；

12、基于胎压监测数据确定各轮胎的欠压程度系数，欠压程度系数与轮胎气压相对标准胎压的偏差量呈负相关关系；

13、根据欠压程度系数，分别对滚动阻力系数、垂向刚度、侧偏刚度、纵滑刚度及有效滚动半径进行参数修正，其中，滚动阻力系数随欠压程度加深而单调递增，垂向刚度、侧偏刚度、纵滑刚度及有效滚动半径随欠压程度加深而单调递减；

14、将修正后的力学参数代入unitire轮胎模型，计算得到各车轮的纵向作用力与侧向作用力，作为车辆平面动力学模型的输入。

15、可选的，构建包含垂向姿态角影响的车辆平面动力学模型，包括：

16、基于牛顿-欧拉定理建立四轮独立驱动车辆的平面动力学方程，分别将俯仰、侧倾对应的垂向姿态运动参数耦合融入纵向、横向、横摆动力学计算过程；

17、以前轮转角为变换基准，对前后车轮受力进行坐标换算，拆分得到转向工况下车轮实际作用于车身的纵向力与侧向力；

18、选择纵向车速、横向车速、横摆角速度作为模型目标状态量，将实时采集的俯仰角速度、侧倾角速度作为动态参量输入模型，完整表征垂向姿态与车辆平面运动的耦合关联关系。

19、可选的，基于所述车辆平面动力学模型和预设的理想运动状态，构建非线性模型预测控制器，并定义以保持横摆角速度在安全边界内为目标的控制障碍函数，包括：

20、选取车辆纵向速度、侧向速度及横摆角速度作为控制器的状态量，并且设定输出量与状态量相等；

21、选取各车轮扭矩与附加前轮转角作为控制输入量，构成控制向量；

22、将车辆平面动力学模型中的非线性状态空间方程进行离散化处理，获得离散时间系统；

23、基于线性二自由度参考模型运算得出车辆理想运动状态参考值，参考值范围结合路面附着条件与轮胎欠压特性进行边界限定；

24、结合路面附着系数、车辆纵向车速、轮胎欠压程度系数划定横摆角速度安全运行区间，根据安全区间边界构造控制障碍函数，划分车辆稳定运行状态区域；

25、对控制障碍函数沿系统动力学求导，建立控制障碍函数的导数与当前控制量之间的显式关系。

26、可选的，对引入的所述控制障碍函数约束的优化问题进行求解，输出最优车轮目标纵向作用力与附加前轮转角控制量，包括：

27、将控制障碍函数导数约束加载至控制器优化模型，增设非负松弛变量保障边界工况下优化求解可行性；

28、结合状态跟踪偏差、控制输出幅值、控制量波动幅度、轮胎负荷承载、松弛变量数值分别构建惩罚项，组合形成多目标综合优化函数；

29、设置控制量幅值上下限、控制量变化速率、路面摩擦极限、控制障碍函数四类约束条件，划定优化求解合法取值范围；

30、采用序列二次规划或内点法在有限时域内求解所述优化问题，获得最优控制序列；

31、提取最优控制序列中的第一个时刻的控制量作为当前时刻的控制器输出，控制器输出包括各车轮目标扭矩与附加前轮转角。

32、可选的，基于控制量调整车轮受力与前轮转向角度，调控车辆的横摆运动和纵向运动，包括：

33、将各车轮目标扭矩分配至对应车轮的执行机构，通过调节轮毂电机，实现各车轮的独立控制；

34、将附加前轮转角与前轮转向角叠加后输出至转向执行机构，通过线控转向系统或电动助力转向系统调节前轮实际转角；

35、实时检测车辆运动状态，对比理想运动参考状态闭环修正控制输出，约束车辆横摆、纵向行驶状态稳定跟随期望轨迹。

36、可选的，根据车身实际姿态与期望姿态的偏差计算目标反俯仰力矩和目标反侧倾力矩，并以缩小车轮实际垂向载荷与标准胎压参考载荷的差值为目标，遵循力矩平衡约束分配悬架作动力，包括：

37、通过惯性测量单元采集车身实际俯仰角、侧倾角，设定车辆水平姿态为姿态控制期望值，计算实际姿态与期望姿态的偏差数值；

38、采用比例-积分-微分控制算法分别对两类姿态偏差运算处理，求解得到用于抵消姿态偏移的目标反俯仰力矩、目标反侧倾力矩；

39、以各车轮主动悬架作动力为优化变量，以车轮实际垂向载荷趋近标准胎压参考载荷为目标搭建优化函数；

40、结合求解得到的姿态控制力矩、整车垂向受力平衡关系、悬架执行器输出极限，设置多项约束条件；

41、求解约束优化模型得到各车轮最优悬架作动力，驱动悬架机构完成姿态校正，同步调整车轮垂向载荷分布，实现车辆平面与垂向协同稳定控制。

42、为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种面向轮胎欠压车辆的稳定性控制装置，包括：

43、状态建模模块，用于获取车辆当前的行驶状态数据及轮胎欠压程度信息，基于所述轮胎欠压程度信息对轮胎力学特性参数进行修正，并构建包含垂向姿态角影响的车辆平面动力学模型；

44、控制器构建模块，用于基于所述车辆平面动力学模型和预设的理想运动状态，构建非线性模型预测控制器，并定义以保持横摆角速度在安全边界内为目标的控制障碍函数，将所述控制障碍函数的导数约束引入所述非线性模型预测控制器的优化问题中；

45、运动控制模块，用于对引入的所述控制障碍函数约束的优化问题进行求解，输出最优车轮目标扭矩与附加前轮转角控制量，基于控制量调整车轮受力与前轮转向角度，调控车辆的横摆运动和纵向运动；

46、姿态载荷模块，用于根据车身实际姿态与期望姿态的偏差计算目标反俯仰力矩和目标反侧倾力矩，并以缩小车轮实际垂向载荷与标准胎压参考载荷的差值为目标，遵循力矩平衡约束分配悬架作动力，完成车身姿态调控与轮胎垂向载荷重构。

47、关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

48、为达上述目的，本技术第三方面实施例提出了一种电子设备，包括：处理器和存储器；其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如第一方面实施例所述的一种面向轮胎欠压车辆的稳定性控制方法。

49、为达上述目的，本技术第四方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面实施例所述的一种面向轮胎欠压车辆的稳定性控制方法。

50、本发明实施例的具有以下有益效果：

51、1.本方案采用分阶段协同控制架构，依次完成车身垂向姿态恢复、轮胎垂向载荷重构与车辆横摆稳定控制，可有效应对轮胎欠压引发的横摆-垂向耦合失稳问题，实现车辆平面动力学与垂向动力学的协同调控。

52、2.基于主动悬架作动力完成车轮垂向载荷优化分配，改善了欠压工况下车轮载荷失衡的状态，充分挖掘轮胎纵向力与侧向力的输出潜力，从动力学根源提升车辆行驶稳定基础。

53、3.引入基于控制障碍函数的非线性安全约束机制，既保障车辆运行状态始终处于安全区间内，又优化了控制输出特性，显著提升控制过程的平顺性，避免极限工况下控制突变引发的安全风险。

54、4.在轮胎欠压及紧急转向复合工况下，可精准跟踪车辆理想运行状态，有效抑制横摆角速度、车身侧偏角的超调与振荡，同时大幅削弱车身侧倾、俯仰运动幅度，全面优化车辆动态响应性能。

55、5.适配轮胎欠压等极限行驶场景，能够持续将车辆维持在稳定运行范围内，显著提升复杂工况下车辆的主动安全能力与行驶可靠性。