一种电动汽车横摆稳定性控制方法及装置与流程

1.本发明涉及车辆控制技术领域，具体涉及一种电动汽车横摆稳定性控制方法及装置。


背景技术：

2.汽车驾驶操作过程中的操纵稳定性是指车辆能够按照驾驶员的操作意愿行驶而不受外界因素干扰的性能。电动汽车由于其节能、无尾气污染的优点得到广泛应用，电动汽车的汽车驱动系统较燃油汽车响应更快，因此，电动汽车对于操纵稳定性的要求更高。
3.目前主要通过以横摆角速度和质心侧偏角作为评价指标的车辆横摆稳定性控制算法进行操纵稳定性的控制。现有技术中车辆横摆稳定性控制算法内的大多数控制算法的鲁棒性较低，且需要大量工程经验支持，实施难度大，因此而存在着汽车横摆控制稳定性差的技术问题。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种电动汽车横摆稳定性控制方法及装置，用于针对解决现有技术中车辆横摆稳定性控制算法内的控制算法鲁棒性较低，因此而存在的汽车横摆控制稳定性差的技术问题。
5.鉴于上述问题，本技术提供了一种电动汽车横摆稳定性控制方法及装置。
6.本技术的第一个方面，提供了一种电动汽车横摆稳定性控制方法，所述方法包括：建立车辆动力学模型；将方向盘转角、踏板信号输入所述车辆动力学模型中，获得所述车辆动力学模型的第一输出结果，所述第一输出结果包括纵向车速、前轮转角，利用所述纵向车速、前轮转角计算得到理想横摆角速度；获得质心侧偏角、实际横摆角速度，并将所述实际横摆角速度和理想横摆角速度的误差作为控制变量与所述质心侧偏角输入滑模控制器中，得到应施加的附加横摆力矩；将所述附加横摆力矩平均分配至汽车各车轮上，得到各车轮的附加驱动力矩，对车辆横摆稳定性进行控制。
7.本技术的第二个方面，提供了一种电动汽车横摆稳定性控制装置，所述装置包括：第一构建单元，所述第一构建单元用于建立车辆动力学模型；第一处理单元，所述第一处理单元用于将方向盘转角、踏板信号输入所述车辆动力学模型中，获得所述车辆动力学模型的第一输出结果，所述第一输出结果包括纵向车速、前轮转角，利用所述纵向车速、前轮转角计算得到理想横摆角速度；第二处理单元，所述第二处理单元用于获得质心侧偏角、实际横摆角速度，并将所述实际横摆角速度和理想横摆角速度的误差作为控制变量与所述质心侧偏角输入滑模控制器中，得到应施加的附加横摆力矩；第一执行单元，所述第一执行单元用于将所述附加横摆力矩平均分配至汽车各车轮上，得到各车轮的附加驱动力矩，对车辆横摆稳定性进行控制。
8.本技术的第三个方面，提供了一种电动汽车横摆稳定性控制装置，包括：处理器，所述处理器与存储器耦合，所述存储器用于存储程序，当所述程序被所述处理器执行时，使
装置以执行如第一方面所述方法的步骤。
9.本技术的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。
10.本技术中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
11.本技术提供的技术方案通过构建电动汽车的整车车辆动力学模型，在进行驾驶的过程中，根据驾驶员输入至该车辆动力学模型的方向盘转角、踏板信号信息，获得包括纵向车速、前轮转角的输出结果，然后计算获得理想横摆角速度，然后获得车辆的质心侧偏角、实际横摆角速度，进而获得实际横摆角速度和理想横摆角速度的误差，将其作为控制变量，基于滑模控制算法将控制变量输入滑模控制器中，获得应施加的附加横摆力矩，并将附加横摆力矩进行分配至各个车轮，进行车辆横摆稳定性进行控制。本技术根据车辆参数构建车辆动力学模型，选用鲁棒性更好，且无需大量工程经验、适应性更好的滑模控制算法，根据纵向车速和前轮转角计算出理想的横摆角速度，并最终计算获得附加横摆力矩，能够有效地控制汽车的横摆稳定性，进而提升车辆的操纵稳定性，达到提升汽车横摆控制稳定性，提升车辆驾驶体验稳定性的技术效果。
12.上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。
附图说明
13.图1为本技术提供的一种电动汽车横摆稳定性控制方法的流程示意图；
14.图2为本技术提供的一种电动汽车横摆稳定性控制方法中滑模控制算法的示意图；
15.图3为本技术提供的一种电动汽车横摆稳定性控制方法中二自由度车辆模型坐标系及参量的示意图；
16.图4为本技术提供的一种电动汽车横摆稳定性控制方法的逻辑示意图；
17.图5为本技术提供的一种电动汽车横摆稳定性控制方法中进行双移线工况验证中有无横摆稳定性控制下的质心侧偏角变化图；
18.图6为本技术提供的一种电动汽车横摆稳定性控制方法中进行双移线工况验证中有无横摆稳定性控制下的质心侧偏角变化图；
19.图7为本技术提供了一种电动汽车横摆稳定性控制装置结构示意图。
具体实施方式
20.本技术通过提供了一种电动汽车横摆稳定性控制方法及装置，用于针对解决现有技术中油气管道光纤振动报警存在着有效率和准确率较低的技术问题。
21.申请概述
22.汽车驾驶操作过程中的操纵稳定性是指车辆能够按照驾驶员的操作意愿行驶而不受外界因素干扰的性能。车辆操纵稳定性的评价涉及物理参数，目前对于操纵稳定性的评价主要包括主观评价法和客观评价法，主观评价法主要是通过驾驶员的驾驶感受来评价，主观评价法不能形成数据体系，并且也无法帮助工程人员进行前期的控制系统开发。客
观评价法主要是选择可以表征车辆稳定性能的参数作为控制对象，其中，车辆横摆角速度是评价车辆稳定性的重要参数，车辆质心侧偏角的大小表征车辆轨迹保持能力。所以目前选用横摆角速度和质心侧偏角作为评价指标设计了车辆横摆稳定性控制算法。
23.目前如车辆横摆稳定性控制算法包括多种算法，例如pid控制，模糊控制等。但是pid控制鲁棒性较差，对外部扰动较为敏感，模糊控制逻辑和隶属度函数的确定需要大量工程经验。因此，现有技术中车辆横摆稳定性控制算法内的大多数控制算法的鲁棒性较低，且需要大量工程经验支持，实施难度大，因此而存在着汽车横摆控制稳定性差的技术问题。
24.针对上述技术问题，本技术提供的技术方案总体思路如下：
25.本技术提供的技术方案通过构建电动汽车的整车车辆动力学模型，在进行驾驶的过程中，根据驾驶员输入至该车辆动力学模型的方向盘转角、踏板信号信息，获得包括纵向车速、前轮转角的输出结果，然后计算获得理想横摆角速度，然后获得车辆的质心侧偏角、实际横摆角速度，进而获得实际横摆角速度和理想横摆角速度的误差，将其作为控制变量，基于滑模控制算法将控制变量输入滑模控制器中，获得应施加的附加横摆力矩，并将附加横摆力矩进行分配至各个车轮，进行车辆横摆稳定性进行控制。
26.在介绍了本技术基本原理后，下面，将参考附图对本技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是本技术的全部实施例，应理解，本技术不受这里描述的示例实施例的限制。基于本技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部。
27.实施例一
28.如图1所示，本技术实施例提供了一种电动汽车横摆稳定性控制方法，该控制方法应用于一电动汽车，该电动汽车的每个车轮设置有一个轮毂电机。所述电动汽车可以包括四个车轮，每个车轮均可作为驱动轮，且可单轮、单轴控制，所述电动汽车无变速器部件，车辆的前进挡和倒退档由所述轮毂电机的正反转实现。本实施例中，所述电动汽车的驱动模式有四种，包括前驱、后驱、四驱和auto模式，驾驶员可以根据驾驶工况需求和个人喜好自由切换驱动模式。
29.如图1所示，本技术实施例所述方法包括：
30.s100：建立车辆动力学模型；
31.具体而言，根据车轮的外形尺寸、型号、各动力参数等进行构建车辆动力学模型，在构建的过程中，基于滑模控制算法，将车辆动力学模型整理为的标准状态空间表达式。
32.实际上，本技术实施例中的横摆稳定性控制算法采用分层控制，上层控制算法通过车辆理想状态参数与车辆实际状态参数之间的差计算附加横摆力矩，下层控制算法将上层得出的附加横摆力矩按照一定的目标分配到车辆的四个车轮上。其中，上层控制算法采用鲁棒性较好的滑模控制算法进行计算。基于滑模控制算法，有
33.如图2所示，本技术实施例中的滑模控制算法中，包括第一阶段和第二阶段，第一阶段是系统状态量趋近滑模面的过程，第二阶段是系统状态量在滑模面滑动的过程。
34.当系统初始状态不在滑模面附近时，需要使用趋近控制。在系统到达滑模面后，滑
模控制进入第二阶段滑动模态运动，在这个阶段需要进行等效控制。
35.在滑模控制的第一阶段，即系统趋近于滑模面的阶段，当系统在滑模面附近时，不能随意的以任意趋近律趋近滑模面，否则系统将在滑模面上下抖振，设计合理的趋近律可以优化趋近品质，趋近律主要有等速趋近律，指数趋近律，幂次趋近律等。
36.s200：将方向盘转角、踏板信号输入所述车辆动力学模型中，获得所述车辆动力学模型的第一输出结果，所述第一输出结果包括纵向车速、前轮转角，利用所述纵向车速、前轮转角计算得到理想横摆角速度；
37.具体而言，方向盘转角、踏板信号为驾驶员根据驾驶需求，向车辆动力学模型输入的驾驶参数。
38.根据该方向盘转角、踏板信号数据，车辆动力学模型可计算获得第一输出结果。第一输出结果包括纵向车速和前轮转角数据，根据车辆的纵向车速和前轮转角可进一步计算出理想横摆角速度。
39.本技术实施例提供的方法中的步骤s200包括：
40.s210：建立简化二自由度车辆模型；
41.s220：根据所述简化二自由度车辆模型，获得车辆二自由度参考模型的动力学微分方程，其中，所述动力学微分方程包括前轮侧向力的合力、后轮侧向力的合力；
42.s230：根据前轮侧向力的合力、后轮侧向力的合力与前后轮侧偏角的计算关系，将前轮侧偏角、后轮侧偏角的关系表达式代入所述动力学微分方程中进行公式转化，获得质心侧偏角公式、横摆角速度公式；
43.s240：获得车辆进入稳态时理想横摆角速度、理想质心侧偏角的设定要求，并将所述理想横摆角速度、理想质心侧偏角的设定要求代入所述质心侧偏角公式、横摆角速度公式中进行修正；
44.s250：基于修正后得到的理想横摆角速度公式，根据所述纵向车速、前轮转角计算得出所述理想横摆角速度。
45.图3示出了本技术实施例中一种可能的二自由度车辆模型坐标系及参量的示意图。具体而言，如图3所示，基于上述的车辆动力学模型，构建车辆稳定性控制系统，采用简化的二自由度车辆模型，通过侧向运动和横摆运动进行构建，获得简化二自由度车辆模型。
46.如图3所示，基于该简化二自由度车辆模型，获得车辆线性二自由度参考模型的动力学微分方程：
47.以及
[0048][0049]
其中，该动力学微分方程包括前轮侧向力的合力、后轮侧向力的合力。f
yf
＝cfαf即为前轮侧向力的合力；f
yr
＝crαr即为后轮侧向力的合力。
[0050]
进一步地，αf和αr分别表示前后轮侧偏角，为：
[0051][0052][0053]
由质心侧偏角计算公式代入动力学微分方程，得：
[0054]
以及
[0055][0056]
质心侧偏角即将上式进行整理，可得质心侧偏角公式、横摆角速度公式为：
[0057][0058]
其中，当车辆进入稳态时，有设理想横摆角速度为ω
r_d
、理想质心侧偏角为βd，代入上述的横摆角速度公式、质心侧偏角公式中，获得理想横摆角速度、理想质心侧偏角表达式，为：
[0059][0060]
进一步地，车辆稳定性因数为车辆在实际驾驶过程中横摆角速度和质心侧偏角都有极限值，如下：
[0061][0062][0063]
其中，a为质心到前轴距离，b为质心到后轴距离，l为前后轴距离，m为整车质量，g为重力加速度，v
x
为纵向车速，cr为后轮曲线因子，μ为路面附着系数，β
max
为最大质心侧偏角，为ω
rmax
为最大横摆角速度。
[0064]
根据上述的车辆稳定性因数、横摆角速度极限值、质心侧偏角极限值表达式，将理想横摆角速度和理想质心侧偏角修正为：
[0065][0066][0067]
并且，上述的理想横摆角速度ω
r_d
和理想质心侧偏角βd之间存在着耦合关系，如下：
[0068][0069]
基于修正后获得的理想横摆角速度公式，根据输入车辆动力学模型的方向盘转角、踏板信号，获得纵向车速、前轮转角，进而计算获得理想横摆角速度。
[0070]
s300：获得质心侧偏角、实际横摆角速度，并将所述实际横摆角速度和理想横摆角
速度的误差作为控制变量与所述质心侧偏角输入滑模控制器中，得到应施加的附加横摆力矩；
[0071]
具体而言，根据上述的理想横摆角速度，以及计算获得的实际横摆角速度，将实际横摆角速度和理想横摆角速度的误差e＝ω
r-ω
r_d
作为控制变量，基于滑模控制计算法，计算得到应施加的附加横摆力矩δm。
[0072]
本技术实施例提供的方法中的步骤s300包括：
[0073]
s310：获得所述车辆动力学模型的第二输出结果，所述第二输出结果包括方向盘转角、纵向加速度、横向加速度；
[0074]
s320：根据所述方向盘转角、纵向加速度、横向加速度通过卡尔曼滤波器进行车辆状态参数计算，获得所述质心侧偏角、实际横摆角速度。
[0075]
具体而言，根据驾驶员对车辆输入的方向盘转角和踏板信号，可获得车辆动力学模型的第二输出结果，第二输出结果包括方向盘转角、纵向加速度、横向加速度。
[0076]
基于上述的方向盘转角、纵向加速度、横向加速度，根据自适应无迹卡尔曼滤波算法进行车辆状态参数计算，可获得车辆的质心侧偏角、实际横摆角速度。
[0077]
进一步地，根据上述的实际横摆角速度和理想横摆角速度得到的误差e＝ω
r-ω
r_d
，以及在横摆稳定性控制时施加给车辆的附加横摆力矩δm，得到车辆二自由度动力学模型表达式为：
[0078][0079]
根据上述的e＝ω
r-ω
r_d
，定义滑模面s＝e＝ω
r-ω
r_d
，优选趋近律为等速趋近律得到：
[0080][0081]
进而得到的附加横摆力矩公式为：
[0082][0083]
基于该附加横摆力矩公式，为验证施加附加横摆力矩后，系统是否稳定，使用李亚普诺夫方法对于上述横摆稳定性算法进行稳定性分析，根据得到：
[0084][0085]
故有：
[0086]
进一步地，可得到：
[0087]
[0088]
由于k
wr
＞0、k
wr
＞0、ε
wr
＞0，因此系统稳定。
[0089]
s400：将所述附加横摆力矩平均分配至汽车各车轮上，得到各车轮的附加驱动力矩，对车辆横摆稳定性进行控制。
[0090]
具体而言，本技术实施例所提供方法应用的电动汽车优选为四轮，对进行横摆稳定性控制时施加给车辆的附加横摆力矩δm进行分配，分配至四个车轮上，得到四个车轮上的附加横摆力矩。
[0091]
具体地，在滑模控制算法上层运动跟踪控制策略中，将总附加横摆力矩δm平均分配到4个车轮上，转向内侧车轮为正驱动力矩，大小为转向外侧车轮为负驱动力矩，大小为
[0092]
图4示出了本技术实施例提供方法的一种可能的逻辑示意图。如图4所示，在对附加横摆力矩进行转矩分配后，得到上述四个车轮的附加驱动力矩，再将总轮毂电机转矩输入到整车模型carsim的输入接口中，进行设置。
[0093]
为验证上述电动汽车横摆稳定性控制方法在实际驾驶工况中的稳定性，本技术实施例采用控制算法仿真试验工况对横摆稳定性控制方法的有效性进行验证。
[0094]
具体地，基于分布式驱动电动汽车整车平台和本技术实施例提供的横摆稳定性控制方法通过carsim和matlab/simulink联合仿真进行双移线工况和蛇形工况下的仿真并对仿真结果进行分析。分析过程中，主要分析车辆的行驶轨迹，质心侧偏角和横摆角速度，作为车辆横摆稳定性控制的评价参数。
[0095]
按照双移线工况进行验证，验证条件为车速80km/h，地面附着率0.8，横摆角速度控制器的输入为方向盘转角、加速踏板开度、车速(由整车动力学模型输出)，质心侧偏角和横摆角速度(由卡尔曼滤波器输出)，控制器的输出为车辆四个轮毂电机的转矩。
[0096]
图5示出了双移线工况验证中有无横摆稳定性控制下的方向盘转角随时间变化图。图6示出了双移线工况验证中有无横摆稳定性控制下的质心侧偏角变化图。
[0097]
如图5所示，在有横摆稳定性控制的情况下，方向盘转角峰值处的幅值明显小于无控制系统下的方向盘转角，幅值最大减小了37.5％，明显减轻了驾驶员的工作负担。
[0098]
如图6所示，在有横摆稳定性控制的情况下，车辆在双移线工况中质心侧偏角幅值下降明显，在4s峰值处下降了66.7％，车辆质心侧偏角是表征车辆轨迹保持能力的重要参数，说明在控制系统的作用下，车辆的轨迹保持能力得到很大提升。实际上，在良好路面正常行驶时，对于普通驾驶员车辆质心侧偏角的大小不能超过0.035rad，否则会使驾驶员恐慌，可以看出在此工况下，有无控制系统作用车辆质心侧偏角都未超过0.035rad。
[0099]
在双移线工况验证中，在有无控制的情况下，车辆都可以完成双移线工况，但是在控制系统的作用下，车辆的轨迹明显圆滑顺畅，在摆回行驶路径时无明显震荡，路径通过效果较无控制时的路径通过效果要好。以及，在控制系统的作用下，车辆横摆角速度幅值下降明显，最大下降了46％，车辆横摆角速度是表征车辆稳定性的重要参数，说明在车辆稳定性控制系统的主动干预下，车辆横摆稳定性有了很大提升。
[0100]
此外，在有横摆稳定性控统的情况下，横摆稳定性控制系统可据车辆行驶状态协调驱动轮所受力矩，对车辆进行主动干预，提高车辆稳定性和轨迹保持能力。
[0101]
本技术实施例还进行了其他极端工况下对汽车横摆稳定性方法有效性的验证，包括车速120km/h、地面附着率0.8的双移线工况，车速80km/h、地面附着率0.8的蛇形工况，以及车速120km/h，地面附着率0.8的蛇形工况。
[0102]
在上述其他极端工况下的验证中，均验证了在本技术提供的汽车横摆稳定性控制方法的作用下，车辆可顺利完成极端工况，且行驶轨迹圆滑顺畅，在摆回行驶路径时无明显震荡，方向盘转角大幅减小，能够有效减轻驾驶员的工作负担，且质心侧偏角大幅度下降，车辆的轨迹保持能力得到很大提升，且均未超出0.035rad，大大提升了驾驶员的驾驶体验，车辆横摆角速度幅值下降明显，车辆稳定性大幅提升。
[0103]
综上所述，本技术实施例提供的方法根据车辆参数构建车辆动力学模型，选用鲁棒性更好，且无需大量工程经验、适应性更好的滑模控制算法，根据纵向车速和前轮转角计算出理想的横摆角速度，并最终计算获得附加横摆力矩，能够有效地控制汽车的横摆稳定性，进而提升车辆的操纵稳定性，在任意的极端驾驶工况下，车辆均可顺利完成极端工况，且行驶轨迹圆滑顺畅，在摆回行驶路径时无明显震荡，方向盘转角大幅减小，能够有效减轻驾驶员的工作负担，且质心侧偏角大幅度下降，车辆的轨迹保持能力得到很大提升，且均未超出0.035rad，大大提升了驾驶员的驾驶体验，车辆横摆角速度幅值下降明显，车辆稳定性大幅提升。提升车辆达到提升汽车横摆控制稳定性，提升车辆驾驶体验稳定性的技术效果。
[0104]
实施例二
[0105]
基于与前述实施例中一种电动汽车横摆稳定性控制方法相同的发明构思，如图7所示，本技术提供了一种电动汽车横摆稳定性控制装置，其中，所述装置包括：
[0106]
第一构建单元11，所述第一构建单元11用于建立车辆动力学模型；
[0107]
第一处理单元12，所述第一处理单元12用于将方向盘转角、踏板信号输入所述车辆动力学模型中，获得所述车辆动力学模型的第一输出结果，所述第一输出结果包括纵向车速、前轮转角，利用所述纵向车速、前轮转角计算得到理想横摆角速度；
[0108]
第二处理单元13，所述第二处理单元13用于获得质心侧偏角、实际横摆角速度，并将所述实际横摆角速度和理想横摆角速度的误差作为控制变量与所述质心侧偏角输入滑模控制器中，得到应施加的附加横摆力矩；
[0109]
第一执行单元14，所述第一执行单元14用于将所述附加横摆力矩平均分配至汽车各车轮上，得到各车轮的附加驱动力矩，对车辆横摆稳定性进行控制。
[0110]
进一步的，所述装置还包括：
[0111]
第一获得单元，所述第一获得单元用于获得所述车辆动力学模型的第二输出结果，所述第二输出结果包括方向盘转角、纵向加速度、横向加速度；
[0112]
第三处理单元，所述第三处理单元用于根据所述方向盘转角、纵向加速度、横向加速度通过卡尔曼滤波器进行车辆状态参数计算，获得所述质心侧偏角、实际横摆角速度。
[0113]
进一步的，所述装置还包括：
[0114]
第二构建单元，所述第二构建单元用于建立简化二自由度车辆模型；
[0115]
第二获得单元，所述第二获得单元用于根据所述简化二自由度车辆模型，获得车辆二自由度参考模型的动力学微分方程，其中，所述动力学微分方程包括前轮侧向力的合力、后轮侧向力的合力；
[0116]
第四处理单元，所述第四处理单元用于根据前轮侧向力的合力、后轮侧向力的合
力与前后轮侧偏角的计算关系，将前轮侧偏角、后轮侧偏角的关系表达式代入所述动力学微分方程中进行公式转化，获得质心侧偏角公式、横摆角速度公式；
[0117]
第五处理单元，所述第五处理单元用于获得车辆进入稳态时理想横摆角速度、理想质心侧偏角的设定要求，并将所述理想横摆角速度、理想质心侧偏角的设定要求代入所述质心侧偏角公式、横摆角速度公式中进行修正；
[0118]
第六处理单元，所述第六处理单元用于基于修正后得到的理想横摆角速度公式，根据所述纵向车速、前轮转角计算得出所述理想横摆角速度。
[0119]
实施例三
[0120]
基于与前述实施例中一种电动汽车横摆稳定性控制方法相同的发明构思，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施例一内的方法。
[0121]
尽管结合具体特征及其实施例对本技术进行了描述，显而易见的，在不脱离本技术的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是本技术的示例性说明，且视为已覆盖本技术范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。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范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术及其等同技术的范围之内，则本技术意图包括这些改动和变型在内。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。