一种车辆底盘的协同控制方法及装置与流程

1.本发明涉及车辆动力学控制领域，尤其涉及一种车辆底盘的协同控制方法及装置。


背景技术：

2.作为智能车辆的控制执行层，稳定可靠的车辆运动控制是保障车辆安全性、稳定性和舒适性的关键。同时相比于集中式驱动汽车，分布式电动汽车的四轮独立驱动制动、四轮独立转向、四轮主动悬架等行驶系统为整车动力学带来了更多的控制自由度，是研究车辆底盘跨域融合及协同控制的主要对象。现有技术中，车辆对于稳定性、安全性的调控多依赖于汽车电子稳定控制系统(esc系统)，其在车辆转向不足、转向过度以及横摆失稳时通过调控车轮的驱动和制动输出从而产生补偿横摆力矩修正车辆行驶姿态。
3.然而，分布式电动汽车是一个高自由度的非线性多耦合系统，esc对于车辆稳定性调控的本质是对轮胎纵向力的控制，而没有考虑纵向力与横向力的耦合关系，忽略了横向力在稳定性调控的关键作用，难以充分利用轮胎力耦合特性来提升车辆动力学性能。另一方面，esc针对纵向的驱动和制动控制将对车辆的动力性能产生影响，车辆的加减速性能会偏离驾驶员期望，频繁的加减速调控也将影响驾乘舒适性和车辆行驶姿态。此外，esc系统与其他控制系统间不可避免地存在控制冲突和控制目标冗余，例如esc与dyc(直接横摆力矩控制)系统对于制动执行机构的控制冲突，再如esc与afs(前轮主动转向)系统对于横摆稳定控制的控制目标冗余，一旦出现控制矛盾，将导致车辆性能失控，严重时将由于控制系统相互影响，导致车辆失稳，产生交通事故。
4.为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种车辆底盘的协同控制方法及装置，用于在整车动力学模型的基础上，提出分层式的纵向-横向全矢量车辆底盘的协同控制方法，以车辆状态参数为输入，决策分配各轮胎最优纵向力和横向力，并由各轮独立的驱动/制动、转向系统执行，以期车辆在全工况下保障安全性的同时能够获得最优的稳定性和舒适性。


技术实现要素：

5.以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
6.为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种车辆底盘的协同控制方法，包括：基于驾驶员输入的控制参数建立车辆动力学模型以计算车辆运动学状态变量的期望值；基于该车辆运动学状态变量的期望值构建目标函数及约束条件，以求解车辆底盘控制的合力与合力矩的期望值；基于预设优化目标以及该合力与合力矩的期望值，优化分配每个车轮上横向力与纵向力，以得到每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值；以及基
于该每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值确定电机输出转矩及各个车轮的转角以实现车辆底盘的协同控制。
7.在一实施例中，优选地，该驾驶员输入的控制参数包括制动踏板、加速踏板的开度以及方向盘转角，该车辆运动学状态变量的期望值包括期望横向车速v
yd
、期望纵向车速v
xd
和期望横摆角速度该基于驾驶员输入的控制参数建立车辆动力学模型以计算车辆运动学状态变量的期望值，包括：根据以下公式计算该期望横向车速v
yd
、该期望纵向车速v
xd
和该期望横摆角速度
[0008][0009]
其中，v
x0
为控制初始时刻的纵向车速，a
xd
为期望纵向加速度，lf、lr分别为前轴、后轴至车辆质心距离，v
x
为实际纵向车速，kg为转向不足度，δf为前轮转角。
[0010]
在一实施例中，优选地，该基于该车辆运动学状态变量的期望值构建目标函数及约束条件，包括：以该期望横向车速v
yd
、该期望纵向车速v
xd
和该期望横摆角速度作为被控输出，以车辆底盘的纵向合力、横向合力以及横摆合力矩作为被控输入，以输出跟踪误差和控制量的波动程度为依据构建目标函数，基于车辆机械特性构建该约束条件，并选取算法求解该合力与合力矩的期望值。
[0011]
该基于该车辆运动学状态变量的期望值构建目标函数及约束条件，还包括：基于以下表达式求解该车辆底盘控制的合力与合力矩的期望值：
[0012][0013]
s.t.x(k+1)＝f(x(k),u(k))
[0014]umin
≤u(k)≤u
max
[0015]
δu
min
≤δu(k)≤δu
max
[0016]
其中，x(k)为k时刻的状态变量值，xd(k)为k时刻对应状态变量的期望值，u(k)为该控制量，δu(k)为该控制量的变化率。
[0017]
在一实施例中，优选地，该预设优化目标包括使轮胎负荷率最小化，该优化分配每个车轮上横向力与纵向力包括：以最小化轮胎负荷率的加权均值和方差为目标函数，基于车辆动力学、轮胎附着力及执行器的预置条件建立约束条件，求解该每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值，该车辆动力学、轮胎附着力及执行器的预置条件包括：各轮最大转向角、最大动能回收力矩和主动悬架最大可调节力/行程。
[0018]
在一实施例中，优选地，该优化分配每个车轮上横向力与纵向力还包括：根据以下公式求取该每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值：
[0019][0020]
其中，var(γ
ij
)+we(γ
ij
)表示轮胎负荷率的方差和加权均值，f
xd
、f
yd
分别为车辆底盘纵向合力与横向合力的期望值，f
xij
、f
yij
、f
zij
分别为各轮胎上的纵向力、横向力与垂向力，m
zd
为车辆底盘横摆合力矩的期望值，r
ij
为各个轮胎的滚动半径，μ
ij
为各轮胎所处路面的附着系数，t
ij,
车辆轮毂电机的最大扭矩，k
xij,max
为车辆轮毂电机最大扭矩的变化率，f
yij,max
为各车轮上的最大横向力，k
yij,max
为各车轮上最大横向力的变化率，δt为控制步长。
[0021]
在一实施例中，优选地，该基于该每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值确定电机输出转矩及各个车轮的转角以实现车辆底盘的协同控制，包括：在横向方向上，利用轮胎力矩平衡方程，基于该每个车轮上横向力的最优分配值计算每个车轮上的电机输出转矩；在纵向方向上，利用轮胎逆模型将该每个车轮上横向力的最优分配值转换为该轮的轮胎侧偏角，再将该轮胎侧偏角转换为车轮转向角；以及基于每个车轮上的该电机输出转矩和该车轮转向角执行该车辆底盘的协同控制。
[0022]
在一实施例中，优选地，该基于该每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值确定电机输出转矩及各个车轮的转角以实现车辆底盘的协同控制，还包括：利用以下公式计算该每个车轮上的该电机输出转矩和该车轮转向角：
[0023][0024]
其中，t
eij
该各个车轮上的电机输出转矩，j
ij
为各个车轮的转动惯量，ω
ij
为各个
车轮的角加速度，为各个车轮上该横向力的最优分配值，r
ij
为各个轮胎的滚动半径，δ
ij
、α
ij
分别为各个车轮的该车轮转向角和该轮胎侧偏角，vy为实际横向车速，为车辆实际横摆角速度，tf、tr分别为前轴和后轴轮距。
[0025]
本发明的另一方面还提供了一种车辆底盘的协同控制装置，包括：存储器；以及与该存储器耦接的处理器，该处理器配置用于执行如上文中任一项所描述的车辆底盘的协同控制方法。
[0026]
本发明还一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如上文中任一项所描述的车辆底盘的协同控制方法。
附图说明
[0027]
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
[0028]
图1是根据本发明的一方面绘示的车辆底盘的协同控制方法的方法流程示意图；
[0029]
图2是根据本发明的一实施例绘示的车辆底盘的协同控制方法的算法原理示意图；
[0030]
图3是根据本发明的另一方面绘示的车辆底盘的协同控制装置的装置结构示意图；以及
[0031]
图4～图7分别为仿真验证中本发明提供的协同控制方法与传统esc及无控制状态下车辆的纵向速度、横摆角速度、质心侧偏角以及行驶轨迹的响应对比图。
[0032]
为清楚起见，以下给出附图标记的简要说明：
[0033]
201算法上层
[0034]
202算法中层
[0035]
203算法下层
[0036]
204车辆
[0037]
205驾驶员
具体实施方式
[0038]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
[0039]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。
[0040]
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
[0041]
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
[0042]
为了克服现有技术存在的车辆纵向-横向协同控制中控制效果不完善、力分配简单、子系统冲突冗余等缺陷，本发明提供了一种车辆底盘的协同控制方法及装置，用于在整车动力学模型的基础上，提出分层式的纵向-横向全矢量车辆底盘的协同控制方法，以车辆状态参数为输入，决策分配各轮胎最优纵向力和横向力，并由各轮独立的驱动/制动、转向系统执行，以期车辆在全工况下保障安全性的同时能够获得最优的稳定性和舒适性。
[0043]
本发明提供的车辆底盘的协同控制方法将底盘协同优化问题转化为纵向和横向轮胎力的优化控制问题，针对四轮独立驱动和转向的电动汽车，提出了一种三层求解优化架构：上层基于车辆状态和驾驶员输入估计期望纵向合力、期望横向合力以及期望横摆力矩，中层基于轮胎负荷系数方差和均值最小的轮胎力优化分配方法，在考虑合力与合力矩约束以及轮胎摩擦圆约束的前提下，优化分配四轮轮胎力，下层优化驱动力矩和转向角度实现了车辆稳定性裕度的最大化。下面结合每一层中的方法具体步骤展开阐述。
[0044]
图1是根据本发明的一方面绘示的车辆底盘的协同控制方法的方法流程示意图。
[0045]
请参照图1，本发明提供的车辆底盘的协同控制方法100包括：
[0046]
步骤101：基于驾驶员输入的控制参数建立车辆动力学模型以计算车辆运动学状态变量的期望值。
[0047]
容易理解地，驾驶员不同的输入所对应的车辆期望运动学状态不同，驾驶员意图的正确识别对车辆运动控制的准确性和稳定性起着关键作用。纵向与横向的车辆运动学状态变量主要可以包括车辆纵向速度v
x
、车辆横向速度vy以及车辆横摆角速度可以通过驾驶员输入的制动/加速踏板开度以及方向盘转角对变量参考值求解。
[0048]
进一步地，在一优选的实施例中，该驾驶员输入的控制参数包括制动踏板、加速踏板的开度以及方向盘转角，该车辆运动学状态变量的期望值包括期望横向车速v
yd
、期望纵向车速v
xd
和期望横摆角速度该基于驾驶员输入的控制参数建立车辆动力学模型以计算车辆运动学状态变量的期望值，可以包括：以线性二自由度模型作为参考模型作为期望横摆角速度和期望侧向车速计算的参考模型，以油门/制动踏板开度产生的期望加速度值计算期望纵向车速，更具体地，可以根据以下公式计算该期望横向车速v
yd
、该期望纵向车速v
xd
和该期望横摆角速度
[0049][0050]
其中，v
x0
为控制初始时刻的纵向车速，a
xd
为期望纵向加速度，lf、lr分别为前轴、后轴至车辆质心距离，v
x
为实际纵向车速，kg为转向不足度，δf为前轮转角。
[0051]
请继续参考图1，本发明提供的车辆底盘的协同控制方法100还包括：
[0052]
步骤102：基于该车辆运动学状态变量的期望值构建目标函数及约束条件，以求解车辆底盘控制的合力与合力矩的期望值。
[0053]
在得到运动控制需求后，可以选用适配的先进控制算法，将其转换成所需的期望合力与期望合力矩，例如包括纵向合力、横向合力以及横摆合力矩。在车辆动力学模型的基础上建立车辆运动状态方程，将模型预测控制算法作为解决这一非线性强耦合动力学系统优化的方法。
[0054]
进一步更具体地，该基于该车辆运动学状态变量的期望值构建目标函数及约束条件，可以包括：以该期望横向车速v
yd
、该期望纵向车速v
xd
和该期望横摆角速度作为被控输出，以车辆底盘的纵向合力、横向合力以及横摆合力矩作为被控输入，以输出跟踪误差和控制量的波动程度为依据构建目标函数，基于车辆机械特性构建该约束条件，并选取算法求解该合力与合力矩的期望值。
[0055]
在一优选的实施例中，该基于该车辆运动学状态变量的期望值构建目标函数及约束条件，还可以包括：基于以下表达式求解该车辆底盘控制的合力与合力矩的期望值：
[0056][0057]
s.t.x(k+1)＝f(x(k),u(k))
[0058]umin
≤u(k)≤u
max
[0059]
δu
min
≤δu(k)≤δu
max
[0060]
其中，x(k)为k时刻的状态变量值，例如可以包括横纵速度及横摆角，xd(k)为k时刻对应状态变量的期望值，u(k)为该控制量，δu(k)为该控制量的变化率。上述表达式中的约束条件可以根据车辆实际执行能力及机械特性设计加以确定。
[0061]
请继续参考图1，本发明提供的车辆底盘的协同控制方法100还包括：
[0062]
步骤103：基于预设优化目标以及该合力与合力矩的期望值，优化分配每个车轮上横向力与纵向力，以得到每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值。
[0063]
本发明提供的车辆底盘的协同控制方法在得到期望合力和合力矩之后，继而对轮胎力进行优化分配，获得每个车轮的最优纵向和横向力。
[0064]
在一优选的实施例中，进一步地，该预设优化目标包括使轮胎负荷率最小化，该优化分配每个车轮上横向力与纵向力可以包括：以最小化轮胎负荷率的加权均值和方差为目标函数，基于车辆动力学、轮胎附着力及执行器的预置条件建立约束条件，求解该每个车轮
上横向力及纵向力的最优分配值，该车辆动力学、轮胎附着力及执行器的预置条件包括：各轮最大转向角、最大动能回收力矩和主动悬架最大可调节力/行程。
[0065]
更具体地，例如，该优化分配每个车轮上横向力与纵向力还可以包括：根据以下公式求取该每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值：
[0066][0067]
其中，var(γ
ij
)+we(γ
ij
)表示轮胎负荷率的方差和加权均值，f
xd
、f
yd
分别为车辆底盘纵向合力与横向合力的期望值，f
xij
、f
yij
、f
zij
分别为各轮胎上的纵向力、横向力与垂向力，m
zd
为车辆底盘横摆合力矩的期望值，r
ij
为各个轮胎的滚动半径，μ
ij
为各轮胎所处路面的附着系数，t
ij,
车辆轮毂电机的最大扭矩，k
xij,max
为车辆轮毂电机最大扭矩的变化率，f
yij,max
为各车轮上的最大横向力，k
yij,max
为各车轮上最大横向力的变化率，δt为控制步长。
[0068]
本领域技术人员容易理解地，上述公式中公式(1)为目标函数，表示轮胎负荷率方差和加权均值的最小化优化；公式(2)、(3)为约束条件，分别表示期望整车纵合力为四轮纵向力之和及期望整车横向合力为四轮横向力之和；公式(4)表示各轮纵横向力相对于整车质心的力矩总和为整车期望横摆力矩；公式(5)表示各轮纵横向合力受地面附着系数的限制；公式(6-1)、(6-2)分别表示各轮纵向输出扭矩及各轮纵向扭矩的变化率受电机最大扭矩的限制；公式(6-3)、(6-4)分别表示各轮横向力及横向力变化率受横向力执行器最大横向执行力及其变化率的限制。
[0069]
在获得了各个轮胎纵向力和横向力的最优分配值后，下面需要控制各个电机执行相应的控制操作，请继续参考图1，本发明提供的车辆底盘的协同控制方法100还包括：步骤104：基于该每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值确定电机输出转矩及各个车轮的转角以实现车辆底盘的协同控制。
[0070]
在一优选的实施例中，该基于该每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值确定电机输出转矩及各个车轮的转角以实现车辆底盘的协同控制，可以包括：在横向方向上，利用轮胎力矩平衡方程，基于该每个车轮上横向力的最优分配值计算每个车轮上的电机输出转矩；在纵向方向上，利用轮胎逆模型将该每个车轮上横向力的最优分配值转换为该轮的轮胎侧偏角，再将该轮胎侧偏角转换为车轮转向角；以及基于每个车轮上的该电机输出转矩
和该车轮转向角执行该车辆底盘的协同控制。
[0071]
更具体地，可以利用以下公式计算该每个车轮上的该电机输出转矩和该车轮转向角：
[0072][0073]
其中，t
eij
该各个车轮上的电机输出转矩，j
ij
为各个车轮的转动惯量，ω
ij
为各个车轮的角加速度，为各个车轮上该横向力的最优分配值，r
ij
为各个轮胎的滚动半径，δ
ij
、α
ij
分别为各个车轮的该车轮转向角和该轮胎侧偏角，vy为实际横向车速，为车辆实际横摆角速度，tf、tr分别为前轴和后轴轮距。
[0074]
本领域技术人员应当理解地，上述公式分别计算左前(fl)、右前(fr)、左后(rl)、右后(rr)轮胎上纵向扭矩以及对应车轮转角。左、右两边的公式组用文字可以分别表示为：车轮纵向输出扭矩等于转动惯量与角加速度的乘积加上纵向力与滚动半径的乘积，以及车轮转向角等于轮胎坐标系与车身投影坐标系的夹角减去各轮的侧偏角。
[0075]
图2是根据本发明的一实施例绘示的车辆底盘的协同控制方法的算法原理示意图。
[0076]
如图2所示，本发明提供的车辆底盘的协同控制方法在算法架构上可以分为三层，其中算法上层201基于模型预测算法实现驾驶员205所期望的运动学状态到车辆204动力学状态的转换，其中主要包括驾驶员205的意图识别模块和滚动预测求解方法，基于当前驾驶员205的输入制定车辆204合力与合力矩的期望值；接着算法中层202以轮胎负荷系数衡量车辆稳定性能，基于轮胎负荷系数方差和均值建立优化目标函数，制定四个车轮的最优纵向力和横向力分布；继而算法下层203再以纵向力和横向力为控制目标，输出各个车轮的电机力矩与转向角，实现车辆204的闭环控制，进而实现车辆底盘控制的协同优化。
[0077]
本发明提供的车辆底盘的协同控制方法通过纵向与横向力的综合调控，在进行纵向控制的同时，考虑其与横向的耦合关系，基于车辆当前的状态与行驶期望，以轮胎负荷率建立优化目标函数分配各车轮纵向和横向力，从而做出各个车轮的驱动/制动与转向间的最优决策，充分利用了轮胎力耦合特性来提升车辆动力学性能。
[0078]
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生
和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
[0079]
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种车辆底盘的协同控制装置300的实施例。图3是根据本发明的另一方面绘示的车辆底盘的协同控制装置的装置结构示意图。
[0080]
如图3所示，本实施例提供的上述车辆底盘的协同控制装置300可以包括存储器301，以及耦接至该存储器301的处理器302。该处理器302可以配置用于实现上述任意一种车辆底盘的协同控制方法。
[0081]
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种计算机存储介质的实施例。该计算机存储介质上存储有计算机程序。该计算机程序被处理器执行时，可以实现上述任意一种车辆底盘的协同控制方法的步骤。
[0082]
本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。
[0083]
本案描述的处理器可使用电子硬件、计算机软件或其任何组合来实现。此类处理器是实现为硬件还是软件将取决于具体应用和加诸于系统的整体设计约束。作为示例，本公开中呈现的处理器、处理器的任何部分、或处理器的任何组合可用微处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑器件(pld)、状态机、门控逻辑、分立的硬件电路、以及配置成执行贯穿本公开描述的各种功能的其他合适的处理组件来实现。本公开中呈现的处理器、处理器的任何部分、或处理器的任何组合的功能性可用由微处理器、微控制器、dsp或其他合适的平台执行的软件来实现。
[0084]
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、cd-rom、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在asic中。asic可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
[0085]
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。
[0086]
例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(dsl)、或诸如红
外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(cd)、激光碟、光碟、数字多用碟(dvd)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
[0087]
为进一步探究本发明提供的车辆底盘的协同控制方法对于车辆运动性能的提升，我们还进行了传统esc控制与本发明提供的协同控制方法的对比仿真实验，同时加入了传统四轮驱动汽车无控制的方式作为对比方案，无控制方案中，车辆四轮转矩平均分配，前轮转角由驾驶员转角输入和转向传动比直接确定。
[0088]
当车辆在附着系数较低的路面上行驶时，车辆的操纵稳定性会变差，很容易导致侧滑、甩尾等危险情况的发生，因此我们采用的仿真验证工况为低附着路面的加速dlc工况，路面附着系数为0.3，车辆以目标加速度为2.5m/s2加速至70km/h后保持匀速，以此来验证车辆在低附着路面上的控制效果。
[0089]
图4～图7分别为仿真验证中本发明提供的协同控制方法与传统esc及无控制状态下车辆的纵向速度、横摆角速度、质心侧偏角以及行驶轨迹的响应对比图。
[0090]
如图4所示，本发明提供的底盘协同控制方法经过9.2s的时间加速至理想车速，传统esc控制则需要耗时10.6s。这是由于相比于esc通过调控制动力维持车辆稳定性的方式，本发明提供的协同控制调控纵向力的同时让横向力也参与进来，纵横向力协同调控车辆稳定，车辆动力性能损失小，电机能效利用好。而相比于无控制方法，底盘协同控制车速跟踪也更加稳定，车辆行驶更加平稳。
[0091]
同时可以参考图5和图6，自第8s车辆驶入弯道后，本发明提供的底盘域协同控制方法中车辆横摆角速度峰值为38.5
°
/s，低于esc控制的43.1
°
/s和无控制的52.4
°
/s，此外该协同控制方法将质心侧偏角最大值由esc控制的16.7
°
和无控制的57.6
°
降至15.5
°
，改善了质心侧偏角和横摆角速度的控制效果，车辆的运动控制更加平稳，车辆的横摆稳定性和侧滑稳定性更佳。
[0092]
如图7所示，在当前低附着路面的高速行驶工况下，三种控制方法均相对于参考路径产生了一定的偏移，相比于esc控制和无控制方法，本发明提供的车辆底盘域的协同控制方法更平稳和精确地跟踪了期望的换道轨迹，证明了协同控制在低附着路面上也能很好地提高车辆操纵稳定性。
[0093]
综上该，相比于esc控制，本发明提供的车辆底盘的协同控制方法充分利用轮胎力耦合特性，综合纵向力和横向力优化分配来提升车辆动力学性能，在维持车辆行驶稳定性的同时能够保证车辆具有充足的动力性能。除此以外，该底盘域协同控制方法优化了esc对于驱动/制动的频繁调控，利用横向力共同产生补偿横摆力矩，提升了车辆驾乘舒适性。与此同时，该底盘域协同控制方法还能够解决esc与其他控制系统间的控制冲突和控制目标冗余，从而提升了车辆的行驶安全性。
[0094]
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一
致的最广范围。

技术特征：
1.一种车辆底盘的协同控制方法，包括：基于驾驶员输入的控制参数建立车辆动力学模型以计算车辆运动学状态变量的期望值；基于所述车辆运动学状态变量的期望值构建目标函数及约束条件，以求解车辆底盘控制的合力与合力矩的期望值；基于预设优化目标以及所述合力与合力矩的期望值，优化分配每个车轮上横向力与纵向力，以得到每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值；以及基于所述每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值确定电机输出转矩及各个车轮的转角以实现车辆底盘的协同控制。2.如权利要求1所述的协同控制方法，其特征在于，所述驾驶员输入的控制参数包括制动踏板、加速踏板的开度以及方向盘转角，所述车辆运动学状态变量的期望值包括期望横向车速v
yd
、期望纵向车速v
xd
和期望横摆角速度所述基于驾驶员输入的控制参数建立车辆动力学模型以计算车辆运动学状态变量的期望值，包括：根据以下公式计算所述期望横向车速v
yd
、所述期望纵向车速v
xd
和所述期望横摆角速度和所述期望横摆角速度其中，v
x0
为控制初始时刻的纵向车速，a
xd
为期望纵向加速度，l
f
、l
r
分别为前轴、后轴至车辆质心距离，v
x
为实际纵向车速，k
g
为转向不足度，δ
f
为前轮转角。3.如权利要求2所述的协同控制方法，其特征在于，所述基于所述车辆运动学状态变量的期望值构建目标函数及约束条件，包括：以所述期望横向车速v
yd
、所述期望纵向车速v
xd
和所述期望横摆角速度作为被控输出，以车辆底盘的纵向合力、横向合力以及横摆合力矩作为被控输入，以输出跟踪误差和控制量的波动程度为依据构建目标函数，基于车辆机械特性构建所述约束条件，并选取算法求解所述合力与合力矩的期望值。4.如权利要求3所述的协同控制方法，其特征在于，所述基于所述车辆运动学状态变量的期望值构建目标函数及约束条件，还包括：基于以下表达式求解所述车辆底盘控制的合力与合力矩的期望值：s.t.x(k+1)＝f(x(k)，u(k))u
min
≤u(k)≤u
max
δu
min
≤δu(k)≤δu
max
其中，x(k)为k时刻的状态变量值，x
d
(k)为k时刻对应状态变量的期望值，u(k)为所述控制量，δu(k)为所述控制量的变化率。5.如权利要求3所述的协同控制方法，其特征在于，所述预设优化目标包括使轮胎负荷率最小化，所述优化分配每个车轮上横向力与纵向力包括：以最小化轮胎负荷率的加权均值和方差为目标函数，基于车辆动力学、轮胎附着力及执行器的预置条件建立约束条件，求解所述每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值，所述车辆动力学、轮胎附着力及执行器的预置条件包括：各轮最大转向角、最大动能回收力矩和主动悬架最大可调节力/行程。6.如权利要求5所述的协同控制方法，其特征在于，所述优化分配每个车轮上横向力与纵向力还包括：根据以下公式求取所述每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值：其中，var(γ
ij
)+we(γ
ij
)表示轮胎负荷率的方差和加权均值，f
xd
、f
yd
分别为车辆底盘纵向合力与横向合力的期望值，f
xij
、f
yij
、f
zij
分别为各轮胎上的纵向力、横向力与垂向力，m
zd
为车辆底盘横摆合力矩的期望值，r
ij
为各个轮胎的滚动半径，μ
ij
为各轮胎所处路面的附着系数，t
ij,max
车辆轮毂电机的最大扭矩，k
xij,max
为车辆轮毂电机最大扭矩的变化率，f
yij,max
为各车轮上的最大横向力，k
yij,max
为各车轮上最大横向力的变化率，δt为控制步长。7.如权利要求5所述的协同控制方法，其特征在于，所述基于所述每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值确定电机输出转矩及各个车轮的转角以实现车辆底盘的协同控制，包括：在横向方向上，利用轮胎力矩平衡方程，基于所述每个车轮上横向力的最优分配值计算每个车轮上的电机输出转矩；在纵向方向上，利用轮胎逆模型将所述每个车轮上横向力的最优分配值转换为该轮的轮胎侧偏角，再将所述轮胎侧偏角转换为车轮转向角；以及基于每个车轮上的所述电机输出转矩和所述车轮转向角执行所述车辆底盘的协同控制。8.如权利要求7所述的协同控制方法，其特征在于，所述基于所述每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值确定电机输出转矩及各个车轮的转角以实现车辆底盘的协同控制，还包括：
利用以下公式计算所述每个车轮上的所述电机输出转矩和所述车轮转向角：其中，t
eij
所述各个车轮上的电机输出转矩，j
ij
为各个车轮的转动惯量，ω
ij
为各个车轮的角加速度，为各个车轮上所述横向力的最优分配值，r
ij
为各个轮胎的滚动半径，δ
ij
、α
ij
分别为各个车轮的所述车轮转向角和所述轮胎侧偏角，v
y
为实际横向车速，为车辆实际横摆角速度，t
f
、t
r
分别为前轴和后轴轮距。9.一种车辆底盘的协同控制装置，包括：存储器；以及与所述存储器耦接的处理器，所述处理器配置用于执行如权利要求1～8中任一项所述的车辆底盘的协同控制方法。10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～8中任一项所述的车辆底盘的协同控制方法。

技术总结
本发明提供了一种车辆底盘的协同控制方法及装置，包括：基于驾驶员输入的控制参数建立车辆动力学模型以计算车辆运动学状态变量的期望值；基于车辆运动学状态变量的期望值构建目标函数及约束条件，以求解车辆底盘控制的合力与合力矩的期望值；基于预设优化目标以及合力与合力矩的期望值，优化分配每个车轮上横向力与纵向力，以得到每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值；以及基于每个车轮上横向力及纵向力的最优分配值确定电机输出转矩及各个车轮的转角以实现车辆底盘的协同控制。车轮的转角以实现车辆底盘的协同控制。车轮的转角以实现车辆底盘的协同控制。


技术研发人员：任江 郑凯 习纲 应东平
受保护的技术使用者：联合汽车电子有限公司
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/6/28