基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制系统及方法

1.本发明涉及分布式驱动电动汽车稳定性控制技术领域，尤其涉及一种基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制系统及方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，采用分布式驱动的车辆在稳定性控制上拥有比较好的表现，稳定性控制技术不仅可以减小驾驶员的负担，提高车辆行驶的稳定性，提升驾驶员的操纵感，还能有效减少交通事故的发生。
3.目前稳定性控制方法都是利用横摆角速度-质心侧偏角相平面图做稳定性分析，将稳定域划分为曲线性稳定域和菱形稳定域，并建立稳定域边界数据库，然后判断状态点是否在稳定域内，判断状态点是否在稳定域内一般是以从状态点到稳定域边界的最小垂直距离作为判断依据，但是这种判断方法要求将曲线型稳定域的边界做成折线型，这就导致判断的准确度较低。


技术实现要素：

4.本发明公开的一种基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制系统及方法，解决了以从状态点到稳定域边界的最小垂直距离作为是否在稳定域的判断依据，从而导致判断准确度较低的问题，以从车辆行驶状态点做随机方向的射线与质心侧偏角-横摆角速度相平面的稳定域边界的交点个数作为车辆的稳定性判据，判断准确度高且效率高。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
6.本发明一方面公开一种基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制系统包括车辆状态监测单元、状态估计与辨识单元、稳定性判断单元、改善操纵单元、稳定性控制单元和执行单元，其中，车辆状态监测单元用以实时监测车辆四个车轮的车轮转角、横摆角速度、路面附着系数和侧向加速度，并将监测到的数据信息传送至状态估计与辨识单元；状态估计与辨识单元用以接收所述车辆状态监测单元传送的数据，并辨识车辆的纵向车速、质心侧偏角和路面附着系数，并将辨识出的数据传送至稳定性判断模块；稳定性判断单元用以接收所述状态估计与辨识单元发送的数据，并根据接收的数据建立二自由度车辆分析模型，绘制全工况下质心侧偏角-横摆角速度相平面图，建立曲线型稳定域和菱形稳定域边界参数数据库，并利用光线投影法对质心侧偏角-横摆角速度相平面图中的状态点进行稳定性判断；改善操纵单元用以实现对车辆四轮转矩的优化分配；改善操纵单元，用以实现对车辆四轮转矩的优化分配；稳定性控制单元用以实现对车辆横摆力矩单元的滑模控制；车辆横摆力矩单元用以接收并执行所述改善操纵单元和所述稳定性控制单元的转矩控制信息，实现对车辆四轮转矩的优化分配，并将转矩状态信息传送至所述车辆状态监测单元。
7.进一步地，所述车辆状态监测单元包括转角传感器、横摆角传感器、侧向加速度传感器和路面附着系数传感器，其中，转角传感器用以实时监测车辆车轮的转角；横摆角传感器用以实时监测车辆车轮的横摆角；侧向加速度传感器用以实时监测车辆车轮的侧向加速
度；路面附着系数传感器用以实时监测路面附着系数。
8.本发明另一方面公开一种基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制系统的控制方法，包括以下步骤：
9.s1：根据分布式驱动电动汽车的行驶状态，建立二自由度车辆模型，利用所述二自由度车辆模型绘制全工况车辆稳定性质心侧偏角-横摆角速度相平面图；
10.s2：依据电动汽车的行车工况判断车辆所处的稳定域类型；
11.s3：根据电动汽车的行车工况利用稳定域类型数据库获取车辆的质心侧偏角-横摆角速度相平面稳定的边界参数，绘制出稳定域边界图；
12.s4：通过光线投影法计算出以车辆行驶状态点为起点沿任意方向延伸的射线与稳定域边界和相平面图边框的交点个数n，若交点个数n为奇数，则车辆行驶状态点在稳定域内；若交点个数n为偶数，则车辆行驶状态点在稳定域外；
13.s5：若车辆行驶状态点在稳定域内，则改善操纵单元会对四轮转矩进行优化分配，以达到改善操纵性的目的；若车辆行驶状态点在稳定域外，则稳定性控制单元会对车辆横摆力矩单元进行滑模控制，以控制四轮转矩，达到平衡车辆的目的。
14.进一步地，步骤s1中包括：状态估计与辨识单元接收车辆状态监测单元传送的四个车轮的车轮转角、横摆角速度、路面附着系数和侧向加速度数据，辨识出车辆的纵向车速、质心侧偏角和路面附着系数，以建立二自由度车辆模型。
15.进一步地，步骤s2包括：
16.以车辆前轮转角和车速为自变量，路面附着系数为因变量，做出三维曲面图，根据三维曲面图判断相平面图对应的稳定域类型；当稳定域类型处于临界状态时，车辆所处的工况对应的坐标值在三维曲面上侧时，车辆此时稳定状态对应曲线型稳定域；车辆所处的工况对应的坐标值在三维曲面下侧时，车辆此时稳定状态对应菱形稳定域。
17.进一步地，步骤s3包括：
18.设计全工况下曲线型稳定域边界和菱形稳定域边界；
19.建立全工况下曲线型稳定域边界的三维数据库和菱形稳定域边界的三维数据库；
20.依据车辆当前车速、前轮转角和路面附着系数对应的坐标值判断车辆所处的稳定域类型；
21.若为曲线型稳定域，则根据曲线型稳定域的边界数据库获取车辆稳定域边界；若为菱形稳定域，则根据菱形稳定域的边界数据库获取车辆稳定域边界。
22.进一步地，设计曲线型稳定域边界或菱形稳定域边界的步骤包括：
23.质心侧偏角和横摆角速度分别作为车辆相平面图的横、纵坐标，给定不同的车辆初始状态，通过若干组循环赋值，得到不同行车工况下的车辆相平面；
24.分析不同前轮转角、车速和路面附着系数对稳定域边界特性的影响；
25.稳定平衡点是相平面中轨迹汇集的焦点，不稳定平衡点是相平面中轨迹远离的点，结合这些点的流型构建相应稳定域边界。
26.有益技术效果：
27.1、本发明公开一种基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制方法，包括以下步骤：s1：根据分布式驱动电动汽车的行驶状态，建立二自由度车辆模型，利用所述二自由度车辆模型绘制全工况车辆稳定性质心侧偏角-横摆角速度相平面图；s2：依据电动汽车的
行车工况判断车辆所处的稳定域类型；s3：根据电动汽车的行车工况利用稳定域类型数据库获取车辆的质心侧偏角-横摆角速度相平面稳定的边界参数，绘制出稳定域边界图；s4：通过光线投影法计算出以车辆行驶状态点为起点沿任意方向延伸的射线与稳定域边界和相平面图边框的交点个数n，若交点个数n为奇数，则车辆行驶状态点在稳定域内；若交点个数n为偶数，则车辆行驶状态点在稳定域外；s5：若车辆行驶状态点在稳定域内，则改善操纵单元会对四轮转矩进行优化分配，以达到改善操纵性的目的；若车辆行驶状态点在稳定域外，则稳定性控制单元会对车辆横摆力矩单元进行滑模控制，以控制四轮转矩，达到平衡车辆的目的，解决了以从状态点到稳定域边界的最小垂直距离作为是否在稳定域的判断依据，从而导致判断准确度较低的问题，以从车辆行驶状态点做随机方向的射线与质心侧偏角-横摆角速度相平面的稳定域边界的交点个数作为车辆的稳定性判据，判断准确度高且效率高；
28.2、本发明公开一种基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制系统，包括车辆状态监测单元、状态估计与辨识单元、稳定性判断单元、改善操纵单元、稳定性控制单元和执行单元，该系统配合本发明公开的方法，有效提高了车辆稳定性判断的准确度，系统结构简单，易于实现。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
30.图1为本发明所述的一种基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制系统的结构示意图；
31.图2为本发明所述的一种基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制方法的步骤流程图；
32.图3为非线性二自由度单轨模型示意图；
33.图4为稳定域类型临界三维图；
34.图5为质心侧偏角-横摆角速度相平面图的双曲线稳定域；
35.图6为质心侧偏角-横摆角速度相平面图的菱形稳定域；
36.图7为基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性判定流程示意图；
37.图8为双曲线稳定域光线投影法示意图；
38.图9为菱形稳定域光线投影法示意图。
具体实施方式
39.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
40.下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
41.本发明一方面公开一种基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制系统，参见图1，控制系统具体包括车辆状态监测单元、状态估计与辨识单元、稳定性判断单元、改善操纵单元、稳定性控制单元和执行单元，其中，车辆状态监测单元用以实时监测车辆四个车轮
的车轮转角、横摆角速度、路面附着系数和侧向加速度，并将监测到的数据信息传送至状态估计与辨识单元，优选地，车辆状态监测单元包括转角传感器、横摆角传感器、侧向加速度传感器和路面附着系数传感器，其中，转角传感器用以实时监测车辆车轮的转角；横摆角传感器用以实时监测车辆车轮的横摆角；侧向加速度传感器用以实时监测车辆车轮的侧向加速度；路面附着系数传感器用以实时监测路面附着系数；状态估计与辨识单元用以接收车辆状态监测单元传送的数据，并辨识车辆的纵向车速、质心侧偏角和路面附着系数，并将辨识出的数据传送至稳定性判断模块；稳定性判断单元用以接收状态估计与辨识单元发送的数据，并根据接收的数据建立二自由度车辆分析模型，绘制全工况下质心侧偏角-横摆角速度相平面图，建立曲线型稳定域和菱形稳定域边界参数数据库，并利用光线投影法对质心侧偏角-横摆角速度相平面图中的状态点进行稳定性判断；改善操纵单元用以实现对车辆四轮转矩的优化分配；稳定性控制单元用以实现对车辆横摆力矩单元的滑模控制；车辆横摆力矩单元用以接收并执行改善操纵单元和稳定性控制单元的转矩控制信息，实现对车辆四轮转矩的优化分配，并将转矩状态信息传送至车辆状态监测单元，控制系统结构简单，易于应用实现。
42.本发明另一方面公开一种基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制方法，参见图2，具体包括以下步骤：
43.s1：根据分布式驱动电动汽车的行驶状态，建立二自由度车辆模型，利用所述二自由度车辆模型绘制全工况车辆稳定性质心侧偏角-横摆角速度相平面图；
44.具体地，车辆状态监测单元实时监测车辆四个车轮的车轮转角、横摆角速度、路面附着系数和侧向加速度，并将监测到的数据信息传送至状态估计与辨识单元；状态估计与辨识单元接收车辆状态监测单元传送的数据，并辨识车辆的纵向车速、质心侧偏角和路面附着系数，并将辨识出的数据传送至稳定性判断模块，稳定性判断模块根据辨识出的车辆纵向车速、质心侧偏角和路面附着系数建立二自由度车辆模型。
45.以图3所示对二自由度车辆进行受力分析，建立如下车辆运动学方程：
[0046][0047]
其中，m为车辆质量，v为车速，ρ为车道曲线的曲率半径，β为质心侧偏角，f
xf
和f
xr
分别表示前、后轮所受切向力，f
yf
和f
yr
分别表示前、后轮所受侧向力，δf表示前轮转角，lf和lr分别表示车辆质心到前、后轴的距离，l表示整车长，γ表示横摆角速度，jz为整车相对于垂向的转动惯量；
[0048]
采用简化的魔术公式建立轮胎模型：
[0049]fyf
＝μf
zf
sin[dftan-1(bfαf)]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0050]fyr
＝μf
zr
sin[drtan-1(brαr)]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0051]
式中，df和dr分别表示前、后车轮的形状因子，bf和br分别表示前、后车轮的刚度因子；
[0052]
最后整理可得：
[0053][0054][0055]
其中，为质心侧偏角速度，为横摆角加速度。
[0056]
s2：依据电动汽车的行车工况判断车辆所处的稳定域类型；
[0057]
具体地，质心侧偏角-横摆角速度相平面的稳定域被划分为曲线型稳定域和菱型稳定域两种类型，以前轮转角和车速为自变量，路面附着系数为因变量，做出三维曲面图如图4所示，根据三维曲面图判断质心侧偏角-横摆角速度相平面图对应的稳定域类型；稳定域类型处于临界状态时，车辆所处的工况对应的坐标值在三维曲面上侧时，车辆此时稳定状态对应曲线型稳定域，如图5所示；当对应的点在三维曲面下侧时，车辆此时稳定状态对应菱形稳定域，如图6所示。
[0058]
s3：根据电动汽车的行车工况利用稳定域类型数据库获取车辆的质心侧偏角-横摆角速度相平面稳定的边界参数；
[0059]
具体地：
[0060]
s31：设计全工况下曲线型稳定域边界和菱形稳定域边界；
[0061]
建立曲线形稳定域边界和菱形稳定域边界的具体步骤为：
[0062]
s311：质心侧偏角和横摆角速度分别作为车辆相平面图的横、纵坐标，给定不同的车辆初始状态，通过若干组循环赋值，得到不同行车工况下的车辆相平面；
[0063]
s312：分析不同前轮转角、车速和路面附着系数对稳定域边界特性的影响；
[0064]
s313：稳定平衡点是相平面中轨迹汇集的焦点，不稳定平衡点是相平面中轨迹远离的点，结合这些点的流型构建相应稳定域边界。
[0065]
s32：建立全工况下曲线型稳定域边界的三维数据库和菱形稳定域边界的三维数据库；
[0066]
s33：依据车辆当前车速、前轮转角和路面附着系数对应的坐标值(v0，μ0)判断车辆所处的稳定域类型；若为曲线型稳定域，则根据曲线型稳定域的边界数据库获取车辆稳定域边界；若为菱形稳定域，则根据菱形稳定域的边界数据库获取车辆稳定域边界；
[0067]
当相平面中β∈[β1,β2],γ∈[γ1,γ2]时，其中双曲线稳定域边界公式为如下：
[0068]
l1:y1＝a1x4 a2x3 a3x2 a4x a5ꢀꢀꢀ
(7)
[0069]
l2:y2＝b1x4 b2x3 b3x2 b4x b5ꢀꢀꢀ
(8)
[0070]
相平面的边界为l1:x1＝β1、l2:x2＝β2、l3:y1＝γ1、l4:y2＝γ2[0071]
通过拓扑分析对非线性微分方程对其进行局部线性化处理求解得到a点坐标(xa,ya)。以ya为纵坐标，作与横轴的平行线，在相平面上得到轨迹线收敛和发散处临界位置的横坐标设为xc，因此菱形右端c点坐标为(xc,ya)。设定通过拓扑分析对非线性微分方程对其进行局部线性化处理求解得到的稳定平衡点横坐标值为xs，经过xs做垂直于与横坐标的直线，在相平面上得到轨迹线收敛和发散处临界位置的上端点纵坐标为yb，因此求得菱形上端点b点坐标为(xs,yb)。在相平面上得到轨迹线收敛和发散处临界位置的下端点d点纵坐标为yd，因此求得菱形上端点d坐标为(xs,yd)。
[0072]
菱形稳定域边界公式为：
[0073][0074][0075][0076][0077]
然后对质心侧偏角-横摆角速度相平面进行稳定域边界采集，将路面附着系数划分为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0共5个样点，前轮转角划分为0
°
、5
°
、10
°
、15
°
、20
°
、30
°
共6个样点，将纵向车速划分为20、30、40、50、70km/h共5个样点。之后用matlab进行循环采集参数。
[0078]
s4：通过光线投影法计算出以车辆行驶状态点为起点沿任意方向延伸的射线与稳定域边界和相平面图边框的交点个数n，若交点个数n为奇数，则车辆行驶状态点在稳定域内；若交点个数n为偶数，则车辆行驶状态点在稳定域外；
[0079]
具体地，在质心侧偏角-横摆角速度相平面中确定车辆行驶状态点，并以该状态点做任意方向延伸的射线；若该射线与步骤s3中的稳定域边界和相平面边框的交点个数n为奇数，则判定为车辆稳定；若该射线与步骤s3中的稳定域边界和相平面边框的交点个数n为偶数，则判定为车辆不稳定。
[0080]
当车辆某一时刻的质心侧偏角和横摆角速度分别为β0和γ0，以状态点(β0,γ0)为起点，做任意方向的射线，求该射线与s3当中的稳定域边界和相平面边框的交点个数n，如图8-图9所示；
[0081]
任意方向的射线l方程应为：
[0082]
(y-γ0)＝k(x-β0),(k∈r)
ꢀꢀꢀ
(13)
[0083]
当稳定域为双曲线，且β∈[β1,β2],γ∈[γ1,γ2]时，应联立方程(7)(8)、(13)和相平面边框四条直线求解；
[0084]
当稳定域为菱形时，应联立方程(9)、(10)、(11)、(12)、(13)和相平面边框五条直线求解；
[0085]
s5：若车辆行驶状态点在稳定域内，则改善操纵单元会对四轮转矩进行优化分配，以达到改善操纵性的目的；若车辆行驶状态点在稳定域外，则稳定性控制单元会对车辆横摆力矩单元进行滑模控制，以控制四轮转矩，达到平衡车辆的目的。
[0086]
以车辆行驶状态点为起点沿任意方向延伸的射线与稳定域边界和相平面图边框的交点个数n作为本发明中横摆力矩控制系统的稳定性判据，当n为偶数时，车辆运动状态点在稳定区域外，系统控制以稳定性控制为主，采用质心侧偏角为控制目标；当n为奇数时，车辆已经被控制到稳定区域内部，处于线性状态，系统控制以改善操纵性能为主，采用横摆角速度作为控制目标。
[0087]
本发明公开的基于相平面的分布式驱动电动汽车稳定性控制系统及方法，将车辆实时参数输入稳定性判断单元，在稳定性判断单元中建立二自由度车辆分析模型，绘制全工况下质心侧偏角-横摆角速度相平面图，建立曲线型稳定域和菱形稳定域边界参数数据库，以车辆行驶状态点为起点沿任意方向延伸的射线与稳定域边界和相平面图边框的交点个数n作为判据，有效提高了车辆稳定性判断的准确度。
[0088]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示
例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0089]
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。