一种电传动履带车辆驱动制动协同的转向控制方法及系统

本发明提供一种电传动履带车辆驱动制动协同的转向控制方法及系统，属于车辆控制。

背景技术：

1、履带车辆是交通运输行业的重要支柱，在抢险救灾等方面起到重要的作用。近年来随着电驱、电控等技术的发展，电传动履带车辆引起出色的动力性能受到越来越多的关注。电传动履带车辆通常由左右两侧驱动电机分别驱动对应侧履带，车辆转向主要依靠左右履带纵向力差产生横摆力矩。高速行驶与转向是电传动履带车辆的优势之一，但高速转向时驱动电机转矩易饱和，此时驱动电机丧失了进一步调整转矩的能力，因此开展制动器介入的电传动履带转向控制方法是当前的首要任务。

2、现有的电传动履带转向控制主要集中于基于运动学模型和模型预测控制的转向轨迹跟踪、基于模糊控制与分数阶piλdμ控制的双侧驱动电机转矩调节，以及根据驾驶员输入和路面附着系数查表生成左右电机转速指令。这些方法主要关注轨迹跟踪或驱动电机差速控制，尚未将驱动电机与制动器作为统一执行机构，协同解决电机转矩饱和、横摆力矩不足和履带滑移稳定问题。

技术实现思路

1、鉴于现有技术存在的缺陷，本发明面向电传动履带车辆高速转向过程中驱动电机受转矩-转速外特性限制、差动驱动横摆力矩不足以及液压制动介入后驱动与制动作用相互耦合的问题，通过统一协调左右驱动电机和左右制动器的转矩输出，提高车辆高速转向过程中的横摆控制能力和稳定性。

2、为解决上述问题，本发明提出一种电传动履带车辆驱动制动协同的转向控制方法及系统。该方案将机动性保持、转向能力增强和履带滑移稳定构建为三个相互耦合的控制目标，根据车辆运行状态分别计算对应的状态紧迫度，并据此在线调整三个控制目标在模型预测控制中的权重，在电机外特性、制动器能力、履带滑移率和车辆稳定性等约束下统一求解左右驱动电机转矩和左右制动器制动力矩。

3、所提控制方法以车辆纵向运动需求和横摆运动需求为控制目标，将驱动电机转矩和液压制动转矩统一纳入有限时域预测控制框架。在驱动电机能够满足转向需求时，优先利用左右驱动电机差动转矩完成车辆转向；当驱动电机受外特性约束、可提供的横摆力矩不足时，引入差动制动补充横摆力矩，并根据车辆当前运行状态分别计算机动性、转向能力和滑移稳定紧迫度，通过动态调整各控制目标在有限时域优化中的权重，使控制系统能够在不同运行状态下自适应改变控制偏向。

4、所提控制方法进一步将车辆横摆响应、纵向速度保持、履带滑移状态和质心侧偏状态等因素统一考虑，在满足驱动电机转矩约束和制动器能力约束的条件下，对左右驱动电机转矩和左右制动器制动力矩进行协同优化，避免传统驱动控制与制动控制相互独立所导致的转矩冲突和过度制动问题。通过上述方法，可在驱动电机进入外特性限制后利用受约束的差动制动补偿横摆力矩缺口，同时抑制履带过度滑移、车辆侧偏增大以及车速损失，从而兼顾电传动履带车辆高速转向过程中的机动性、转向能力和车辆稳定性。

5、本发明提供的一种电传动履带车辆驱动制动协同的转向控制方法，以采样周期为单位滚动执行；包括以下步骤：

6、步骤1、控制器采集车辆当前状态，并由驾驶员转向输入或参考量生成模块计算参考纵向速度、参考横摆角速度和目标横摆力矩。

7、步骤2、控制器根据当前左右驱动电机转矩和左右制动器制动力矩估算当前总横摆力矩、侧偏角和稳定裕度。

8、步骤3、控制器分别计算机动性紧迫度、转向紧迫度和滑移稳定紧迫度，并将多目标状态紧迫度归一化为动态目标权重。控制器在预测时域内建立车辆状态递推模型，并构建机动性保持目标函数、转向能力增强目标函数和滑移率稳定目标函数。三个目标函数通过动态权重构成动态加权综合目标函数，控制器在电机外特性、制动器限幅、履带滑移率、侧偏角、横摆角速度和转矩变化率约束下求解mpc优化问题，得到预测时域内的最优控制序列，并仅输出当前采样周期第一步控制量。

9、具体的：

10、步骤1中，当前采样时刻记为，预测步序号记为，预测步长记为，控制采样周期记为。车辆状态向量表示为：

11、，

12、其中，表示纵向速度，表示横向速度，表示横摆角速度，和分别表示左右驱动电机转速，和分别表示左右履带滑移率。控制向量表示为：

13、，

14、其中，和分别表示左右驱动电机转矩，和分别表示左右制动器制动力矩。车辆离散预测模型写为：

15、；

16、其中，表示车辆离散预测模型，和分别表示在第时刻对时刻和时刻状态量的预测，表示在第时刻对时刻控制量的预测。

17、步骤2中，设左右履带中心距为，主动轮等效半径为，则驱动电机差动转矩和制动器制动力矩共同形成的总横摆力矩为：

18、；

19、其中，表示履带中心距，表示主动轮半径。

20、步骤3中，将机动性保持、转向能力增强和滑移率稳定定义为三个相互耦合的预测控制目标。机动性保持目标函数用于抑制纵向速度损失、制动能耗和驱动转矩剧烈变化，写为：

21、；

22、其中，表示纵向速度跟踪项的权重系数；表示制动转矩使用惩罚权重；表示驱动电机转矩变化率惩罚权重；和分别表示相邻采样时刻左、右驱动电机转矩的变化量；

23、转向能力增强目标函数用于抑制横摆角速度误差、目标横摆力矩误差和横摆力矩突变，写为：

24、；

25、其中，表示横摆角速度误差权重；表示目标横摆力矩误差权重；表示横摆力矩变化率权重；表示参考横摆角速度；表示目标横摆力矩；表示横摆力矩变化量；

26、滑移率稳定目标函数用于抑制左右履带滑移率偏离参考值、制动转矩突变和综合控制量突变，写为：

27、；

28、其中，表示滑移率误差权重；表示制动器转矩变化率权重；表示控制量变化率权重；和分别表示左、右参考滑移率；和分别表示相邻采样时刻左、右制动器转矩的变化量；表示综合控制量变化量。

29、步骤3中，机动性紧迫度、转向紧迫度和滑移稳定紧迫度分别定义为：

30、，

31、其中，和分别为左、右最大制动转矩，为防止分母为零的小正数，为履带滑移率限值，为侧偏角限值。三类动态权重为：

32、；

33、步骤3中，动态加权综合目标函数为：

34、；

35、步骤3中，mpc优化问题表达为：

36、，

37、其中，表示时刻求得的最优预测控制序列，。上述优化问题满足电机外特性约束、制动器约束、滑移率约束、车辆稳定性约束和转矩变化率约束。在当前工作点附近线性化后，上述优化问题写成标准二次规划形式：

38、；

39、其中，表示时刻的预测控制序列，表示二次规划目标函数的二次项系数矩阵，表示二次规划目标函数的一次项系数向量，和分别表示不等式约束矩阵和向量，和分别表示等式约束矩阵和向量；

40、当驱动电机差动转矩能够产生的横摆力矩不足以满足目标横摆力矩需求时，控制器根据目标横摆力矩与驱动电机当前可提供横摆力矩之间的差值计算横摆力矩缺口。设驱动电机产生的差动横摆力矩为，则横摆力矩缺口定义为：

41、；

42、为补偿所述横摆力矩缺口，控制器通过调节左右制动器制动力矩之间的差值形成附加横摆力矩。设左右制动器制动力矩分别为和，则制动器产生的附加横摆力矩可表示为：

43、；

44、为使制动辅助产生的附加横摆力矩与横摆力矩缺口方向一致，应满足。根据横摆力矩缺口，得到理论差动制动力矩需求：

45、，

46、其中，表示限幅函数；

47、所述为差动制动参考需求，并不直接确定单侧制动器的最终制动力矩。模型预测控制器综合考虑纵向速度保持、横摆响应、左右履带滑移率、质心侧偏角、制动器能力以及转矩变化率等因素，对左右驱动电机转矩和左右制动器制动力矩进行统一优化，得到最终控制量：

48、；

49、在优化过程中，左右制动器制动力矩差应根据所述差动制动参考需求进行协调，使优化得到的差动制动力矩在满足车辆机动性、转向能力和滑移稳定约束的条件下趋近于所需差动制动参考量。

50、优选的，当车辆需要增加当前转向方向的横摆力矩时，优先增加转向内侧履带对应制动器的制动力矩，并保持转向外侧制动器不介入或维持较小的制动力矩，以较小的总制动量形成所需差动制动横摆力矩。

51、本发明提供的一种电传动履带车辆驱动制动协同的转向控制系统，用于实现所述的一种电传动履带车辆驱动制动协同的转向控制方法，所述控制系统包含车辆状态获取模块、参考量生成模块、横摆力矩与车辆状态计算模块、多目标状态紧迫度计算模块、动态目标权重更新模块、预测模型构建模块、多目标预测控制目标构建模块、约束集合构建模块、mpc优化求解模块以及驱动-制动转矩分配执行模块。

52、所述车辆状态获取模块用于获取车辆纵向速度、横向速度、横摆角速度、左右驱动电机转速、左右驱动电机转矩、左右制动器制动力矩以及车辆转向控制所需的其它状态信息；其中，可直接测量的状态由相应传感器或执行器控制器获得，难以直接测量的车辆状态可通过状态观测、模型估计或信号计算获得。

53、所述参考量生成模块根据驾驶员转向输入或参考量生成模块输出，生成参考纵向速度、参考横摆角速度和目标横摆力矩。

54、所述横摆力矩与车辆状态计算模块根据已获取的车辆状态及执行器状态，计算或估计当前总横摆力矩、左右履带滑移率、质心侧偏角以及车辆稳定状态指标。

55、所述多目标状态紧迫度计算模块根据车辆当前状态分别计算机动性紧迫度、转向紧迫度和滑移稳定紧迫度。

56、所述动态目标权重更新模块对上述紧迫度进行归一化，得到机动性动态权重、转向动态权重和稳定动态权重。

57、所述预测模型构建模块建立车辆状态在预测时域内的递推关系。

58、所述多目标预测控制目标构建模块将机动性保持、转向能力增强和滑移率稳定分别作为三个相互耦合的预测控制目标。

59、所述约束集合构建模块建立电机外特性约束、制动器限幅约束、滑移率约束、车辆稳定性约束和转矩变化率约束。

60、所述mpc优化求解模块在有限预测时域内求解转矩序列。

61、所述驱动-制动转矩分配执行模块输出当前采样周期的左右驱动电机转矩和左右制动器制动力矩。

62、本发明技术方案具有的技术效果：

63、本发明将机动性保持、转向能力增强和履带滑移率稳定作为三个具有竞争关系的控制目标，并通过动态紧迫度和动态权重将上述目标统一到mpc优化框架中。本发明能够根据车辆当前状态自适应调整控制偏向，在转向误差较大时增强横摆力矩跟踪，在速度损失或制动介入较大时抑制过度制动，在滑移率或侧偏角接近边界时优先保证车辆稳定。

64、本发明把左右驱动电机转矩和左右制动器制动力矩作为同一优化问题中的控制变量，通过总横摆力矩映射关系统一描述驱动差动和制动辅助对转向的贡献。因此，在驱动电机能够满足目标横摆力矩需求时，系统优先通过左右驱动电机差动转矩实现转向；当驱动电机受外特性限制、差动驱动横摆力矩不足时，系统能够通过调节左右制动器制动力矩差产生附加横摆力矩，对驱动横摆力矩缺口进行受约束补偿。根据车辆运行状态和优化结果，可以采用单侧制动或者左右两侧制动力矩协同调节的方式形成所需差动制动横摆力矩，从而提高车辆高速转向过程中的横摆控制能力。

65、本发明还将履带滑移率、侧偏角、横摆角速度、电机外特性、制动器限幅和转矩变化率等约束纳入有限时域预测优化，使控制器在追踪目标横摆力矩的同时避免驱动打滑、制动抱死和侧向失稳。由于该优化问题可在线性化后转化为标准二次规划，本发明具有较好的工程实时实现基础，适合部署在电传动履带车辆整车控制器中。