一种四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法及设备与流程

1.本发明涉及一种四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法及设备。


背景技术：

2.传统车辆采用固定比例的扭矩分配算法，车辆在对开等路面行驶时无法有效的利用路面的附着系数，容易影响车辆的稳定性。


技术实现要素：

3.本发明的一个目的是提供一种四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法及设备。
4.根据本发明的一个方面，提供了一种四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法，该方法包括：基于车辆实际运行状态和预设的加速踏板开度比、制动踏板开度比及方向盘转角，确定车辆行驶所需的期望广义驱动力和车辆理想运行状态；根据期望广义驱动力和期望可承受轮胎驱动力，优化分配各车轮期望纵向、侧向驱动力；基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、实际车轮转速和实际车轮转角、车辆理想运行状态以及期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和车轮转角；基于车轮转矩控制车辆的驱动系统，基于车轮转角控制车辆的转向系统。
5.进一步的，上述方法中，基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、实际车轮转速和实际车轮转角以及期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和期望车轮转角之前，还包括：根据车辆反馈回来的实际垂直运动状态，计算期望垂直载荷。
6.进一步的，上述方法中，根据车辆反馈回来的实际垂直运动状态，计算期望垂直载荷，包括：在时域内得到如下垂直动力学方程：
其中，分别为以车身质心垂直位移、车身侧倾角以及车身俯仰角为输出的传递函数，为悬架主动力传递函数，为外部干扰力引起的垂直动力学传递函数；是由车辆质量、悬架刚度和阻尼、轴距等车辆参数组成的最小相位系统，为了提高控制的稳态精度，采用如下pid控制器：其中，为调整时间；为低通时间常数；车辆行驶过程中，期望的车身垂直位移和车身侧倾角、车身俯仰角均为0，所以期望垂直载荷如下：其中，表示垂直方向函数，为悬架主动力向量，为静态垂直载荷向量，为车身质心垂直平面受力向量，为垂直控制效率矩阵的广义逆；由可以得到车身质心垂直平面受力向量通过车身运动控制中的传递过来，p是传递函数。
7.进一步的，上述方法中，车辆行驶所需的期望广义驱动力，包括：期望纵向驱动力、期望横向驱动力和期望横摆力矩。
8.进一步的，上述方法中，所述期望纵向驱动力基于如下公式确定：其中，为纵向驱动分量，为纵向制动分量，为制动踏板开度比，为符号近似参数；其中，为车辆可实现的最大驱动力，为加速踏板开度比。
9.进一步的，上述方法中，所述期望横向驱动力根据如下公式确定：
其中，为整车质量，为车辆轴距，eg为车辆稳定性因数，为方向盘转角，为车辆纵向速度。
10.进一步的，上述方法中，所述期望横摆力矩根据如下公式确定：其中，为质心侧偏角动态特性参数，为期望纵向车速，为期望横向车速，为车辆期望横摆角，为期望横向驱动力，车辆理想运行状态包括：车辆期望纵向车速、车辆期望横向车速和车辆期望横摆角。
11.进一步的，上述方法中，根据期望广义驱动力和期望可承受轮胎驱动力，优化分配各车轮期望纵向、侧向驱动力，包括：设置第一目标，所述第一目标可用如下数学公式表述：其中，为三阶对角方阵，用来描述纵向力、侧向力及横摆力矩对第一目标影响的权重；所能实现的轮胎驱动力下限值，为所能实现的轮胎驱动力上限值；为控制效率矩阵；设置第二目标，第二目标的目标函数和约束条件如下：其中，为轮胎利用率，是由轮胎实际驱动力和最大期望驱动力的比值决定，为车轮编号；轮胎最大利用率简化为：根据第一和第二目标，得到优化目标函数：
选取新的优化变量则目标函数和约束条件进一步改写为：满足：在优化目标函数中引入电机失效因子，则优化目标函数如下：其中，的最优解为各车轮期望纵向、侧向驱动力。
12.进一步的，上述方法中，基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、实际车轮转速和实际车轮转角、车辆理想运行状态以及期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和期望车轮转角，包括：期望车轮滑移率公式如下：
其中，期望轮胎可实现最大驱动力为：，式中，为路面附着系数，为轮胎魔术公式系数，为轮胎递减系数，为车轮编号，为第个车轮的期望垂直载荷，表示标准轮胎垂直载荷，表示第i个车轮的期望纵向驱动力，表示第i个车轮的期望侧向驱动力；根据车速和期望车轮滑移率公式，得到车轮转速的计算公式：其中，表示期望纵向滑移率，表示车轮半径，所述车辆理想运行状态包括：表示第i个车轮的期望纵向车速，表示第i个车轮的期望横向车速；对转速加入一个惯性环节，得到第i个车轮的期望车轮转速为：其中，p表示传递函数，表示车轮转速时间常数，表示的拉普拉斯变换；根据轮胎动力学模型得到：其中，为车轮方向函数，为各车轮转动角速度向量；为各车轮转角向量；为各车轮扭矩向量，为车轮转动惯量倒数；由第i个车轮的期望车轮转速得到各车轮的期望车轮转速，对于各车轮的期望车轮转速与实际车轮转速之差采用p控制，得到实际车轮转矩控制方程：
其中，为车轮方向函数，，为比例系数矩阵，为各车轮期望转角向量，为车轮转动惯量倒数。
13.进一步的，上述方法中，基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、实际车轮转速和实际车轮转角、车辆理想运行状态以及期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和期望车轮转角，包括：期望车轮滑移率公式如下：其中，期望轮胎可实现最大驱动力为：，式中，为路面附着系数，为轮胎魔术公式系数，为轮胎递减系数，为车轮编号，为第个车轮的期望垂直载荷，表示标准轮胎垂直载荷，表示第i个车轮的期望纵向驱动力，表示第i个车轮的期望侧向驱动力；根据车速和期望车轮滑移率公式可以得到车轮转角的计算公式：其中，表示，表示，所述车辆理想运行状态包括：表示第i个车轮的期望纵向车速，表示第i个车轮的期望横向车速；
对转角加入一个惯性环节，所以第i个车轮的期望车轮转角为：其中，p表示传递函数，表示车轮转角时间常数，表示的拉普拉斯变换；控制器以车轮实际转角与车轮动力学控制器制定的各车轮的期望转角之差为输入，输出为车轮实际转角，并基于公式（1），得到如下表达式：其中，表示第i个车轮的实际转角，为比例系数，取500 s-1；为时间常数，取0.025 s；p为传递函数；基于公式（2），计算得到第i个车轮的期望车轮转角。
14.根据本发明的另一方面，还提供一种四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配设备，其中，该设备包括：第一装置，用于基于车辆实际运行状态和预设的加速踏板开度比、制动踏板开度比及方向盘转角，确定车辆行驶所需的期望广义驱动力和车辆理想运行状态；第二装置，用于根据期望广义驱动力和期望可承受轮胎驱动力，优化分配各车轮期望纵向、侧向驱动力；第三装置，用于基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、实际车轮转速和实际车轮转角、车辆理想运行状态以及期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和车轮转角；第四装置，用于基于车轮转矩控制车辆的驱动系统，基于车轮转角控制车辆的转向系统。
15.根据本发明的另一方面，还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现上述任一项所述的方法。
16.根据本发明的另一方面，还提供一种用于在网络设备端信息处理的设备，该设备包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该设备执行上述任一项所述的方法。
17.与现有技术相比，本发明基于车辆实际运行状态和预设的加速踏板开度比、制动踏板开度比及方向盘转角，确定车辆行驶所需的期望广义驱动力和车辆理想运行状态；根据期望广义驱动力和期望可承受轮胎驱动力，优化分配各车轮期望纵向、侧向驱动力；基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、实际车轮转速和实际车轮转角、车辆理想运行状态以及期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和车轮转角；基于车轮转矩控制车辆的驱动系统，基于车轮转角控制车辆的转向系统，本发明可以实现车辆以最优的姿态行驶，保证车辆的稳定性，本发明可以与自动驾驶系统进行结合。
附图说明
18.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1示出本发明一实施例的四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法的示意图。
19.附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
21.在本技术一个典型的配置中，终端、服务网络的设备和可信方均包括一个或多个处理器 (cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
22.内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器 (ram) 和/或非易失性内存等形式，如只读存储器 (rom) 或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
23.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存 (pram)、静态随机存取存储器 (sram)、动态随机存取存储器 (dram)、其他类型的随机存取存储器 (ram)、只读存储器 (rom)、电可擦除可编程只读存储器 (eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器 (cd-rom)、数字多功能光盘 (dvd) 或其他光学存储、 磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括非暂存电脑可读媒体 (transitory media)，如调制的数据信号和载波。
24.四轮线控驱动和线控转向汽车具有四个独立可控的驱动和转向单元，通过对四个
车轮直接输出扭矩的方式实现车辆驱动，相比于传统汽车在提升整车扭矩响应方面具有巨大优势，且高度的线控系统也是最适合自动驾驶的驱动方式。
25.四轮线控驱动和转向为车辆稳定性控制提供了巨大的自由度，但是也增加了控制系统的复杂性。目前对于这种过驱动系统主要以质心侧偏角或质心侧偏角速度为目标，进行最优控制分配。但是质心侧偏角往往难以测量或估计，且未考虑电机失效模式容易导致在电机失效时控制算法失效。
26.由此，如图1所示，本发明提供一种四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法，所述方法包括：步骤s1，基于车辆实际运行状态和预设的加速踏板开度比、制动踏板开度比及方向盘转角，确定车辆行驶所需的期望广义驱动力和车辆理想运行状态。
27.具体的，首先车身水平动力学控制器，可以根据车辆实际运行状态（包括x纵向速度、y横向速度和横摆角速度）和驾驶员或自动驾驶控制器输入的加速踏板开度比、制动踏板开度比及转向盘转角，确定车辆行驶所需的期望广义驱动力和车辆理想运行状态；步骤s2，根据期望广义驱动力和期望可承受轮胎驱动力，优化分配各车轮期望纵向、侧向驱动力。
28.在此，驱动力分配器根据车身水平动力学控制器的期望广义驱动力和车轮动力学控制器的期望可承受轮胎驱动力，优化分配各车轮期望纵向和侧向驱动力；步骤s3，基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、实际车轮转速和实际车轮转角、车辆理想运行状态以及期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和期望车轮转角；在此，车轮动力学控制器基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、由车辆反馈回来的实际车轮转速和车轮转角以及由车身垂直动力学控制器的期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和车轮转角。
29.本发明可以比例控制来优化期望的车轮转矩和车轮转角。
30.步骤s4，基于车轮转矩控制车辆的驱动系统，基于车轮转角控制车辆的转向系统。
31.具体的，可以在车轮内安装轮毂电机，轮毂电机与驱动系统通信，实现车辆的驱动；轮毂电机与转向系统通信，实现车辆的转向。本发明可以实现车辆以最优的姿态行驶，保证车辆的稳定性，本发明可以与自动驾驶系统进行结合。
32.可选的，本发明的四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法一实施例中，步骤s3，基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、实际车轮转速和实际车轮转角以及期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和期望车轮转角之前，还包括：根据车辆反馈回来的实际垂直运动状态，计算期望垂直载荷。
33.具体的，车身垂直动力学控制器可以根据车辆反馈回来的实际垂直运动状态（包括：车身垂直跳动位移、车身俯仰角和车身侧倾角）计算期望垂直载荷。本发明以pid控制来优化垂直方向运动。
34.更优的，本发明的四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法一实施例中，根据车辆反馈回来的实际垂直运动状态，计算期望垂直载荷，包括：1）主动悬架除了对车身有弹簧和阻尼效果外，还会产生一个额外的主动力，垂直动力学控制就是控制这个主动力的大小。
35.在时域内可以得到如下垂直动力学方程：其中，分别为以车身质心垂直位移、车身侧倾角以及车身俯仰角为输出的传递函数，为悬架主动力传递函数，为外部干扰力引起的垂直动力学传递函数；是由车辆质量、悬架刚度和阻尼、轴距等车辆参数组成的最小相位系统，为了提高控制的稳态精度，采用如下pid控制器：其中，为调整时间；为低通时间常数。
36.2）垂直载荷制定
车辆行驶过程中，期望的车身垂直位移和车身侧倾角、车身俯仰角均为0，所以期望垂直载荷如下：如下：表示垂直方向函数，为悬架主动力向量，为静态垂直载荷向量，为车身质心垂直平面受力向量，为垂直控制效率矩阵的广义逆。
37.由可以得到车身质心垂直平面受力向量通过车身运动控制中的传递过来，p是传递函数。
38.具体的，垂直效率矩阵v如下：，在此，车身垂直动力学包括车身运动控制和垂直载荷控制两个部分。
39.更优的，本发明的四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法一实施例中，车辆行驶所需的期望广义驱动力，包括：期望纵向驱动力、期望横向驱动力和期望横摆力矩。
40.在此，车身水平动力学控制包含期望纵向驱动力、期望横向驱动力和期望横摆力矩三个部分。
41.进一步的，所述期望纵向驱动力基于如下公式确定：其中，为纵向驱动分量，为纵向制动分量，为制动踏板开度比，为符号近似参数；其中，为车辆可实现的最大驱动力，为加速踏板开度比。
42.进一步的，所述期望横向驱动力根据如下公式确定：其中，为整车质量，为车辆轴距，eg为车辆稳定性因数，为方向盘转角，为车辆纵向速度。
43.进一步的，所述期望横摆力矩根据如下公式确定：其中，为质心侧偏角动态特性参数，为期望纵向车速，为期望横向车速，为车辆期望横摆角，为期望横向驱动力，车辆理想运行状态包括：车辆期望纵向车速、车辆期望横向车速和车辆期望横摆角。
44.具体的，可以利用byrnes-isidori标准型，在忽略外部干扰力和力矩后得到上述公式。
45.可选的，本发明的四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法一实施例中，步骤s2，根据期望广义驱动力和期望可承受轮胎驱动力，优化分配各车轮期望纵向、侧向驱动力，包括：步骤s21，驱动力分配首先需要满足车辆按照驾驶员的期望轨迹行驶，也就是最小化期望广义力和实际广义力之间的偏差，所以第一目标可用如下数学公式表述：其中，为三阶对角方阵，用来描述纵向力、侧向力及横摆力矩对第一目标影响的权重；所能实现的轮胎驱动力下限值，为所能实现的轮胎驱动力上限值；为控制效率矩阵，由左右车轮到车辆纵向中心线的距离和前后轴到车辆质心的距离等车辆参数组成。
46.控制效率矩阵可如下：其中，为左、右轮到车辆中心线距离，为前后轴到车辆质心的距离；步骤s22，除了轨迹跟踪外，利用冗余控制量还可以实现以降低轮胎最大利用率的第二目标，从而能保证车辆的安全性，第二目标的目标函数和约束条件如下：其中，为轮胎利用率，是由轮胎实际驱动力和最大期望驱动力的比值决定，i为车轮编号。
47.轮胎最大利用率可简化为：步骤s23，根据第一和第二目标，可以得到优化目标函数：选取新的优化变量，则目标函数和约束条件进一步改写为：
满足：步骤s24，考虑到电机发生故障使得车轮失去控制，如果算法不能进行及时的调整则会使车辆出现非预期的横摆角速度，影响车辆的行驶稳定性，所以本发明在优化目标函数中引入电机失效因子，则优化目标函数如下：其中，的最优解为各车轮期望纵向、侧向驱动力。
48.具体的，对于不同失效模式，电机失效因子 可以按照如下表格变化：。
49.在此，本实施例中，为保证车辆期望路径（第一目标）和对最大路面附着系数利用率进行最小化（第二目标）为双目标，结合电机失效情况，基于最优控制理论，将驱动力分配
简化成一个有约束条件的凸优化问题进行求解。对于凸优化问题，局部最优解即为全局最优解，所以可以保证目标最优。
50.以车辆稳定性和电机故障为双重目标，实现车辆安全高效行驶。
51.较佳的，本发明的四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法一实施例中，步骤s3，基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、实际车轮转速和实际车轮转角、车辆理想运行状态以及期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和期望车轮转角，包括：步骤s311，期望车轮滑移率公式如下：其中，期望轮胎可实现最大驱动力为：，式中，为路面附着系数为轮胎魔术公式系数，为轮胎递减系数，为车轮编号，为第个车轮的期望垂直载荷，表示标准轮胎垂直载荷，表示第i个车轮的期望纵向驱动力，表示第i个车轮的期望侧向驱动力；根据车速和期望车轮滑移率公式，得到车轮转速的计算公式：其中，表示期望纵向滑移率，表示车轮半径，所述车辆理想运行状态包括：表示第i个车轮的期望纵向车速，表示第i个车轮的期望横向车速；为了保证车轮转速和转角的连续性，对转速加入一个惯性环节，得到第i个车轮的期望车轮转速为：
其中，p表示传递函数，表示车轮转速时间常数，表示的拉普拉斯变换；步骤s312，车轮转速控制：根据轮胎动力学模型得到：其中，为车轮方向函数，为各车轮转动角速度向量；为各车轮转角向量；为各车轮扭矩向量，为车轮转动惯量倒数；由第i个车轮的期望车轮转速得到各车轮的期望车轮转速，对于各车轮的期望车轮转速：其中，为车轮方向函数，，为比例系数矩阵，为各车轮期望转角向量，为车轮转动惯量倒数。
52.较佳的，本发明的四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配方法一实施例中，步骤s3，基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、实际车轮转速和实际车轮转角、车辆理想运行状态以及期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和期望车轮转角，包括：步骤s321，期望车轮滑移率公式如下：其中，期望轮胎可实现最大驱动力为：
，式中，为路面附着系数为轮胎魔术公式系数，为轮胎递减系数，为车轮编号，为第个车轮的期望垂直载荷，表示标准轮胎垂直载荷，表示第i个车轮的期望纵向驱动力，表示第i个车轮的期望侧向驱动力；根据车速和期望车轮滑移率公式可以得到车轮转角的计算公式：其中，表示，表示，所述车辆理想运行状态包括：表示第i个车轮的期望纵向车速，表示第i个车轮的期望横向车速；为了保证车轮转速和转角的连续性，对转角加入一个惯性环节，所以第i个车轮的期望车轮转角为：其中，p表示传递函数，表示车轮转角时间常数，表示的拉普拉斯变换；步骤s322，控制器以车轮实际转角与车轮动力学控制器制定的各车轮的期望转角之差为输入，输出为车轮实际转角，并基于公式（1），得到如下表达式：
其中，表示第i个车轮的实际转角，为比例系数，取500 s-1；为时间常数，取0.025 s；（）内的p为传递函数；基于公式（2），计算得到第i个车轮的期望车轮转角。
53.根据本发明的另一方面，还提供一种四轮线控驱动和转向车辆的扭矩分配设备，其中，该设备包括：第一装置，用于基于车辆实际运行状态和预设的加速踏板开度比、制动踏板开度比及方向盘转角，确定车辆行驶所需的期望广义驱动力和车辆理想运行状态；第二装置，用于根据期望广义驱动力和期望可承受轮胎驱动力，优化分配各车轮期望纵向、侧向驱动力；第三装置，用于基于各车轮期望纵向和侧向驱动力、实际车轮转速和实际车轮转角、车辆理想运行状态以及期望垂直载荷，计算期望车轮转矩和车轮转角；第四装置，用于基于车轮转矩控制车辆的驱动系统，基于车轮转角控制车辆的转向系统。
54.根据本发明的另一方面，还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现上述任一项所述的方法。
55.根据本发明的另一方面，还提供一种用于在网络设备端信息处理的设备，该设备包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该设备执行上述任一项所述的方法。
56.本发明各设备实施例的详细内容具体可参见各方法实施例的对应部分，在此，不再赘述。
57.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。
58.需要注意的是，本发明可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路（asic）、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本发明的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本发明的软件程序（包括相关的数据结构）可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，ram存储器，
磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本发明的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。
59.另外，本发明的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本发明的方法和/或技术方案。而调用本发明的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本发明的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本发明的多个实施例的方法和/或技术方案。
60.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。