一种四轮轮毂电机驱动汽车原地转向闭环控制方法

1.本发明涉及电动汽车控制技术，特别是一种四轮轮毂电机驱动汽车原地转向闭环控制方法。


背景技术：

2.一些特种车辆的原地转向功能利用可独立控制的车轮转向角实现，对于采用阿克曼转向机构的乘用车，在转向机构的限制下无法通过车轮转向角完成原地转向。而四轮轮毂电机驱动汽车可利用每个车轮转矩单独可控的特点，通过车轮差动实现原地转向。多数差动转向功能以原地掉头为目标运动，对0-180
°
内任意角度的原地转向运动考虑较少，难以保证不同目标转向角度下运动的平稳性。


技术实现要素：

3.为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能保证不同目标转向角度下运动的平稳性、可适用于普通阿克曼转向机构的四轮轮毂电机驱动汽车原地转向闭环控制方法。
4.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种四轮轮毂电机驱动汽车原地转向闭环控制方法，包括以下步骤：
5.步骤一：将车载传感器采集的大地坐标系下航向角定义为当前运行的原地转向功能的初始角度，为后续的原地转向闭环控制计算确定基准：
6.车辆目标航向角为：
7.φ
t
＝φ0+φ
in
8.车辆航向角误差为：
9.φr＝φ
p
(t)-φ
10.其中，φ
t
为大地坐标系下的车辆目标航向角；φ0为功能激活时刻由车载传感器测得的大地坐标系下航向角；φ
in
为用户输入的目标转向角，定义正角度为顺时针旋转，负角度为逆时针旋转；φr为当前时刻车辆航向角与目标航向角的误差，是控制器的输入变量；φ
p
(t)为规划出的当前控制时刻对应目标航向角；φ为当前时刻由车载传感器测得的大地坐标系下航向角。
11.步骤二：在静止状态下输入目标转向角后，结合车载传感器采集的航向角和横摆角速度，进行航向角及航向角速度的时间序列规划，得到目标转向时间及时步下的目标横摆角和横摆角速度。
12.将原地转向过程分为启动、平稳旋转、停止三个时段，三个时段的时长及设立的目标横摆角速度分别为t1、t2和t3及ω
t1
、ω
t2
和ω
t3
。
13.通过采取相同的最大目标角速度、不同的平稳旋转时段时长控制策略，实现控制器对于对不同输入角度φ
in
的通用性，同时满足最大输出功率的限制。
14.考虑到原地转向运动特性及转向功能的速度要求，启动及停止时段时长t1、t2设定
为恒定值。平稳旋转时段时长为t2，任意输入角度φ
in
下目标横摆角速度为：
[0015][0016]
目标横摆角速度时序规划需满足：
[0017][0018]
ω1(t)、ω3(t)分别为启动及停止时段的目标角速度规划。启动时段，即控制时间t≤1s时，目标横摆角速度为：
[0019][0020]
停止时段，即控制时间t2+1s《t≤t2+2s时，目标横摆角速度为：
[0021][0022]
ω1(t)、ω3(t)在数值上满足以下公式：
[0023][0024]
因此，平稳旋转时段时长为：
[0025][0026]
横摆角时序规划由目标横摆角速度时序规划计算得到：
[0027][0028]
步骤三：转向过程中对各轮转矩实施分层分时控制，上层控制器跟踪目标横摆角速度，在原地转向启动时段和平稳旋转时段采用控制器分时切换策略，即在目标运动状态不同的时段采用参数不同的控制器，以适应两时段不同的运动特性；下层控制器跟踪目标航向角，所述目标航向角由步骤二的时间序列实现、并与上层控制器目标横摆角速度相匹配，以实现平稳的原地转向闭环控制效果。
[0029]
由于启动时段开始时，车轮原地转向运动需要克服巨大的阻力矩，当航向角和横摆角速度开始有效追踪目标后，所需的控制策略与启动时刻不同，故采用分时段切换控制策略，以实现不同时刻工况的目标跟踪要求。
[0030]
在启动时段，采用pi控制算法，实现汽车的实际横摆角速度与规划的目标横摆角速度偏差的控制，决策出开始跟踪目标横摆角速度所需的控制量，其计算公式为：
[0031]
t
ω1
＝k
ω1
[k
pω1
(ω
t1-ω)+k
iω1
∫(ω
t1-ω)dt]
[0032]
在车辆开始稳定旋转后，采用pid控制算法，决策出维持目标横摆角速度所需的控制量，其计算公式为：
[0033][0034]
式中：k
ω(1,2)
为横摆角速度控制器控制系数；k
pω(1,2)
为横摆角速度控制器比例系数；ω为实际横摆角速度；k
iω(1,2)
为横摆角速度控制器积分系数；k
dω2
为横摆角速度控制器微分系数。
[0035]
采用双pid控制算法，对规划的目标横摆角速度与航向角同时进行跟踪，在实现允许区间内的任意输入航向角的同时保证原地转向运动的稳定运行，航向角pid控制算法实现对目标航向角、实际航向角以及横摆角速度控制量的偏差控制，其计算公式为：
[0036][0037]
式中：k
φ
为航向角控制器控制系数；k
pφ
为航向角控制器比例系数；k
iφ
为航向角控制器积分系数；k
dφ
为航向角控制器微分系数。
[0038]
步骤四：从控制器开始作用起至到达目标运动时间时，检测实际航向角与目标航向角之间的误差，误差小于预设阈值后切断动力输出并启动机械制动，使车辆停止原地转向运动。
[0039]
被控车辆自启动至完成原地转向并趋于稳定状态所需时长为：
[0040]
ta＝t1+t2+t3+t
p
[0041]
其中t
p
为航向角控制器收敛所需时间，由步骤三运行过程中实际测得。
[0042]
当t》ta时，对航向角误差进行判断，当航向角误差处于阈值范围内时，即φ《nφ
t
，轮毂电机转矩控制量t＝0，机械制动控制量tb＝100％。
[0043]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0044]
1、由于本发明采用纯差动转向的方法，实现了在阿克曼转向机构约束下的四轮轮毂电机驱动汽车的原地转向；
[0045]
2、由于本发明采用转向分时控制，通过对平稳转动阶段的控制目标进行时序规划，实现了允许范围内任意转向角的原地转向运动；
[0046]
3、由于本发明采用分层控制，对用户输入的目标转向角进行规划，同时追踪横摆角和横摆角速度，实现了原地转向运动的平稳控制。
附图说明
[0047]
图1为原地转向闭环控制算法运行流程图。
[0048]
图2为原地转向闭环控制双轨2自由度模型。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，用户输入目标转向角φ
in
∈(-180
°
,-60
°
)∪(60
°
,180
°
)，首先由车辆当前航向角φ0和输入的目标转向角φ
in
计算得到控制器目标航向角φ
t
。以用户输入的目标转向角φ
in
为基础对控制过程的航向角和横摆角速度做时序规划，确定每一控制时刻对应的目标航向角φ
ti
和目标横摆角速度ω
ti
。航向角和横摆角速度时序规划的引入使得本方法相比现有技术可在不提升控制器复杂程度的同时实现任意输入值的控制目标。
[0050]
以允许的最大输入转向角180
°
为例，由仿真试验确定得到t1＝t3＝1s，φ1＝φ3＝15
°
，综合考虑原地转向运动所需时间以及稳定旋转时段的安全性和稳定性，将最大目标横摆角速度设定为ω
t2
＝30
°
/s。相比现有技术，本发明在不同输入转向角下拥有相同的启动过程和停止过程以及相同的稳定旋转时段目标横摆角速度，通过不同的稳定旋转时长来实现任意目标转向角，提升了原地转向运动的稳定性。
[0051]
在原地转向运动启动阶段，即t《t1时，由于需要克服较大的地面横向阻力，采用控制效果较为激进的pid横摆角速度控制器1。车辆开始稳定旋转后，即t》t1，采用控制效果较为平稳的pid横摆角速度控制器2。当控制时长t》ta且车辆在大地坐标下的航向角小于设定的阈值，一般取0.05φ
t
，切断动力输出并引入机械制动，以保证车辆停止运动。本发明的分时切换控制器可以有效应对启动和稳定旋转时段的不同工况，避免了过于复杂的控制器，可有效减小计算量；分层控制器同时追踪目标航向角和目标横摆角速度，提升了原地转向运动的平稳性与安全性。
[0052]
如图2所示，在控制过程中，本发明通过左右两侧车轮的差动实现整车的横摆力矩，不需要对每个车轮加装复杂的转向机构即可实现原地转向运动。
[0053]
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种四轮轮毂电机驱动汽车原地转向闭环控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：将车载传感器采集的大地坐标系下航向角定义为当前运行的原地转向功能的初始角度，为后续的原地转向闭环控制计算确定基准：车辆目标航向角为：φ
t
＝φ0+φ
in
车辆航向角误差为：φ
r
＝φ
p
(t)-φ其中，φ
t
为大地坐标系下的车辆目标航向角；φ0为功能激活时刻由车载传感器测得的大地坐标系下航向角；φ
in
为用户输入的目标转向角，定义正角度为顺时针旋转，负角度为逆时针旋转；φ
r
为当前时刻车辆航向角与目标航向角的误差，是控制器的输入变量；φ
p
(t)为规划出的当前控制时刻对应目标航向角；φ为当前时刻由车载传感器测得的大地坐标系下航向角；步骤二：在静止状态下输入目标转向角后，结合车载传感器采集的航向角和横摆角速度，进行航向角及航向角速度的时间序列规划，得到目标转向时间及时步下的目标横摆角和横摆角速度；将原地转向过程分为启动、平稳旋转、停止三个时段，三个时段的时长及设立的目标横摆角速度分别为t1、t2和t3及ω
t1
、ω
t2
和ω
t3
；通过采取相同的最大目标角速度、不同的平稳旋转时段时长控制策略，实现控制器对于对不同输入角度φ
in
的通用性，同时满足最大输出功率的限制；考虑到原地转向运动特性及转向功能的速度要求，启动及停止时段时长t1、t2设定为恒定值；平稳旋转时段时长为t2，任意输入角度φ
in
下目标横摆角速度为：目标横摆角速度时序规划需满足：ω1(t)、ω3(t)分别为启动及停止时段的目标角速度规划；启动时段，即控制时间t≤1s时，目标横摆角速度为：停止时段，即控制时间t2+1s<t≤t2+2s时，目标横摆角速度为：ω1(t)、ω3(t)在数值上满足以下公式：
因此，平稳旋转时段时长为：横摆角时序规划由目标横摆角速度时序规划计算得到：步骤三：转向过程中对各轮转矩实施分层分时控制，上层控制器跟踪目标横摆角速度，在原地转向启动时段和平稳旋转时段采用控制器分时切换策略，即在目标运动状态不同的时段采用参数不同的控制器，以适应两时段不同的运动特性；下层控制器跟踪目标航向角，所述目标航向角由步骤二的时间序列实现、并与上层控制器目标横摆角速度相匹配，以实现平稳的原地转向闭环控制效果；由于启动时段开始时，车轮原地转向运动需要克服巨大的阻力矩，当航向角和横摆角速度开始有效追踪目标后，所需的控制策略与启动时刻不同，故采用分时段切换控制策略，以实现不同时刻工况的目标跟踪要求；在启动时段，采用pi控制算法，实现汽车的实际横摆角速度与规划的目标横摆角速度偏差的控制，决策出开始跟踪目标横摆角速度所需的控制量，其计算公式为：t
ω1
＝k
ω1
[k
pω1
(ω
t1-ω)+k
iω1
∫(ω
t1-ω)dt]在车辆开始稳定旋转后，采用pid控制算法，决策出维持目标横摆角速度所需的控制量，其计算公式为：式中：k
ω(1,2)
为横摆角速度控制器控制系数；k
pω(1,2)
为横摆角速度控制器比例系数；ω为实际横摆角速度；k
iω(1,2)
为横摆角速度控制器积分系数；k
dω2
为横摆角速度控制器微分系数；采用双pid控制算法，对规划的目标横摆角速度与航向角同时进行跟踪，在实现允许区间内的任意输入航向角的同时保证原地转向运动的稳定运行，航向角pid控制算法实现对目标航向角、实际航向角以及横摆角速度控制量的偏差控制，其计算公式为：式中：k
φ
为航向角控制器控制系数；k
pφ
为航向角控制器比例系数；k
iφ
为航向角控制器积分系数；k
dφ
为航向角控制器微分系数；步骤四：从控制器开始作用起至到达目标运动时间时，检测实际航向角与目标航向角
之间的误差，误差小于预设阈值后切断动力输出并启动机械制动，使车辆停止原地转向运动；被控车辆自启动至完成原地转向并趋于稳定状态所需时长为：t
a
＝t1+t2+t3+t
p
其中t
p
为航向角控制器收敛所需时间，由步骤三运行过程中实际测得；当t>t
a
时，对航向角误差进行判断，当航向角误差处于阈值范围内时，即φ<nφ
t
，轮毂电机转矩控制量t＝0，机械制动控制量t
b
＝100％。

技术总结
本发明公开了一种四轮轮毂电机驱动汽车原地转向闭环控制方法，包括以下步骤：确定基准；得到目标横摆角和横摆角速度；转向过程中上层控制器跟踪目标横摆角速度、下层控制器跟踪目标航向角；检测实际航向角与目标航向角之间的误差，误差小于预设阈值后切断动力输出并启动机械制动，使车辆停止原地转向运动。本发明采用纯差动转向的方法，实现了在阿克曼转向机构约束下的四轮轮毂电机驱动汽车的原地转向；本发明采用转向分时控制，通过对平稳转动阶段的控制目标进行时序规划，实现了允许范围内任意转向角的原地转向运动；本发明采用分层控制，对用户输入的目标转向角进行规划，同时追踪横摆角和横摆角速度，实现了原地转向运动的平稳控制。的平稳控制。的平稳控制。


技术研发人员：郭烈 赵一杰 谭镇宇 亓昌 杨姝
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/9/9