本發(fā)明涉及車輛控制，具體涉及一種用于線控主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車輛的主動安全性和操控性成為消費(fèi)者和制造商關(guān)注的重點(diǎn)。線控主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的轉(zhuǎn)向技術(shù)，通過電子信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)了更靈活和智能的轉(zhuǎn)向控制。然而，如何在不同行駛條件下實(shí)現(xiàn)最佳的車輛操控性能和穩(wěn)定性，仍然是一個待解決的問題。

2、傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過機(jī)械連接將方向盤的轉(zhuǎn)動傳遞到前輪，實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。這種系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但也存在諸多局限性。例如，轉(zhuǎn)向比是固定的，無法根據(jù)行駛速度和路況進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致在低速和高速行駛時(shí)的操控性能不盡相同。在低速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向過于沉重，操控靈活性差；在高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向過于敏感，易引起車輛不穩(wěn)定。此外，傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對駕駛員的轉(zhuǎn)向力反饋單一，無法實(shí)現(xiàn)個性化的轉(zhuǎn)向特性調(diào)節(jié)，難以滿足現(xiàn)代駕駛需求。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)(如速度、轉(zhuǎn)向角度、橫擺角速度等)實(shí)時(shí)調(diào)整傳動比，提供最佳的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和操控性能；通過電動助力系統(tǒng)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠模擬不同的轉(zhuǎn)向力反饋，使駕駛員獲得更真實(shí)的路感和操控體驗(yàn)；線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以與其他主動安全系統(tǒng)(如esp、adas等)聯(lián)動，提高車輛的整體安全性和穩(wěn)定性。

3、現(xiàn)有的線控轉(zhuǎn)向控制方法大多采用固定方向盤與車輪的角傳動比或簡單的傳動比調(diào)節(jié)算法，難以適應(yīng)不同速度和工況的需求。例如，一些方法僅在低速區(qū)和高速區(qū)設(shè)置不同的傳動比，忽略了中速區(qū)的特性，導(dǎo)致在中速行駛時(shí)的操控性能不佳。另外，傳動比的變化通常較為突兀，容易引起駕駛員的不適和車輛的不穩(wěn)定。在控制策略方面，傳統(tǒng)的pid控制器雖然應(yīng)用廣泛，但在面對復(fù)雜的車輛動力學(xué)和非線性特性時(shí)，控制精度和響應(yīng)速度難以滿足要求。近年來，基于模型的預(yù)測控制(mpc)和線性二次型調(diào)節(jié)器(lqr)等先進(jìn)控制方法逐漸應(yīng)用于車輛轉(zhuǎn)向控制中，但如何將這些控制策略有效結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)最佳的轉(zhuǎn)向控制效果，仍然是一個難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種適用于線控主動前輪轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性控制方法，通過對傳動比的合理設(shè)計(jì)和平滑處理，并結(jié)合lqr和mpc控制策略，實(shí)現(xiàn)了在不同速度區(qū)間內(nèi)的最佳操控性能和穩(wěn)定性。具體而言，本發(fā)明通過以下幾方面的創(chuàng)新，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的不足：(1)根據(jù)車輛的行駛速度，將傳動比分為低速區(qū)、中速區(qū)和高速區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保在不同速度下均能獲得最佳的操控性能。(2)通過局部加權(quán)回歸和樣條插值法對傳動比曲線進(jìn)行平滑處理，保證傳動比變化的連續(xù)性和光滑性，避免了突變帶來的操控不穩(wěn)定性。(3)將lqr和mpc控制策略結(jié)合使用，充分利用lqr控制器的快速響應(yīng)和mpc控制器的高精度優(yōu)化，有效融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了轉(zhuǎn)向控制的精度和穩(wěn)定性。具體地，lqr控制器根據(jù)橫擺角速度誤差和側(cè)向加速度誤差，快速計(jì)算出前輪附加轉(zhuǎn)角，提供了初始控制輸入。而mpc控制器在此基礎(chǔ)上進(jìn)行滾動優(yōu)化，預(yù)測未來多個時(shí)刻的車輛狀態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化控制輸入。這種綜合控制策略能夠在各種行駛條件下，提供更精確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向控制。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)一種基于線性二次型調(diào)節(jié)的線控轉(zhuǎn)向角度跟隨控制方法，具體過程如下：

3、步驟1，設(shè)計(jì)理想傳動比曲線，根據(jù)不同車速的不同區(qū)間設(shè)置傳動比，車速區(qū)間分為低速區(qū)[0，20]，中速區(qū)[20,70]，高速區(qū)[70，∞]；

4、步驟2，在低速區(qū)階段設(shè)置固定傳動比，把傳動比設(shè)置為9.6；

5、步驟3，在中速區(qū)階段，根據(jù)固定側(cè)向加速度增益，通過采集不同車速v，實(shí)現(xiàn)變傳動比；

6、

7、

8、步驟4在高速區(qū)階段，為了車輛穩(wěn)定性，車速在不斷提高的過程，避免傳動比持續(xù)增大，造成轉(zhuǎn)向反應(yīng)遲鈍，因此采用綜合固定橫擺角速度增益和側(cè)向加速度增益的方法來設(shè)計(jì)傳動比；

9、

10、

11、

12、其中，

13、

14、步驟5將采集到的車速和相應(yīng)的傳動比作為數(shù)據(jù)點(diǎn)，對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行局部加權(quán)回歸處理，得到初步平滑的轉(zhuǎn)向傳動比曲線；在初步平滑的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用樣條插值法對轉(zhuǎn)向傳動比曲線進(jìn)行細(xì)化和平滑處理，得到符合變傳動比要求的理想轉(zhuǎn)向傳動比曲線；

15、步驟6建立線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型；

16、步驟7將步驟6中的動力學(xué)模型的方程變換為空間狀態(tài)方程的形式；

17、步驟8在設(shè)計(jì)lqr控制器時(shí)，要獲取轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)信息，包括橫擺角速度與理想橫擺角速度的差值，記作e1，側(cè)向加速度與理想側(cè)向加速度的差值，記作e2；

18、步驟9lqr控制器的控制量為△θlqr＝-ke；

19、步驟10設(shè)計(jì)mpc控制器，其中預(yù)測模型，采用一階差商方法對四輪轉(zhuǎn)向2dof模型進(jìn)行離散化處理,得到離散模型；

20、xk+1＝axk+buk

21、其中，xk是在時(shí)間步k的狀態(tài)向量，包含橫擺角速度和側(cè)向加速度等狀態(tài)變量，uk是在時(shí)間步k的控制輸入，即前輪附加轉(zhuǎn)角，a是系統(tǒng)矩陣，描述了狀態(tài)變量之間的關(guān)系，b是輸入矩陣，描述了控制輸入對狀態(tài)的影響；

22、選擇預(yù)測時(shí)域長度n，該時(shí)域長度決定了控制器在每個時(shí)刻將來預(yù)測的步數(shù)。典型的預(yù)測時(shí)域長度取決于系統(tǒng)的動態(tài)特性和計(jì)算資源；

23、定義一個性能指標(biāo)(目標(biāo)函數(shù))來優(yōu)化mpc控制器，該性能指標(biāo)通常包括狀態(tài)偏差和控制輸入的加權(quán)和，目標(biāo)函數(shù)形式為：

24、

25、其中，q是狀態(tài)權(quán)重矩陣，反映了狀態(tài)變量的偏差對性能的影響，r是控制權(quán)重矩陣，反映了控制輸入的代價(jià)。

26、本發(fā)明的有益效果：

27、1、本發(fā)明根據(jù)車輛行駛速度，將傳動比分為低速區(qū)、中速區(qū)和高速區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保了不同速度下的傳動比適應(yīng)性。在低速區(qū)，設(shè)置固定傳動比，保證車輛在低速行駛時(shí)的靈活性和高靈敏度，使得駕駛員在低速行駛和停車時(shí)能夠輕松操控車輛。在中速區(qū)，根據(jù)固定側(cè)向加速度增益的方法設(shè)計(jì)傳動比，確保車輛在中速行駛時(shí)具有良好的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和操控穩(wěn)定性。而在高速區(qū)，通過綜合固定橫擺角速度增益和側(cè)向加速度增益的方法設(shè)計(jì)傳動比，提高了高速行駛時(shí)的車輛穩(wěn)定性和安全性。這樣分階段設(shè)計(jì)傳動比的方法，使車輛在不同速度下都能獲得最佳的操控性能，滿足多種行駛工況需求。

28、2、本發(fā)明將lqr控制和mpc控制策略結(jié)合使用，充分利用了兩者的優(yōu)點(diǎn)。lqr控制器根據(jù)車輛的橫擺角速度誤差和側(cè)向加速度誤差，快速計(jì)算出前輪附加轉(zhuǎn)角，提供了初始控制輸入，具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。mpc控制器在此基礎(chǔ)上進(jìn)行滾動優(yōu)化，預(yù)測未來多個時(shí)刻的車輛狀態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化控制輸入，具有高精度和前瞻性的優(yōu)點(diǎn)。通過將lqr輸出作為mpc優(yōu)化的初始參考，本發(fā)明能夠快速響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向需求，并通過滾動優(yōu)化進(jìn)一步提高控制精度，最終得到更加精確和穩(wěn)定的前輪轉(zhuǎn)角指令。這種綜合控制策略，有效提高了車輛的操控性能，特別是在復(fù)雜路況和高動態(tài)駕駛環(huán)境下，能夠提供更加穩(wěn)定和安全的轉(zhuǎn)向控制。

29、3、本發(fā)明的方法不僅適用于傳統(tǒng)的主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，還適用于電動汽車和自動駕駛車輛的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。電動汽車和自動駕駛車輛對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度要求更高，而本發(fā)明通過先進(jìn)的控制策略和合理的傳動比設(shè)計(jì)，能夠滿足這些需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，本發(fā)明的方法對現(xiàn)有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改造成本較低，具有較高的市場價(jià)值和推廣潛力。