一种用于多轴车的基于模型预测的附加横摆力矩计算方法

本发明属于车辆安全控制，具体为一种用于多轴车的基于模型预测的附加横摆力矩计算方法。

背景技术：

1、智能驾驶汽车当今面临着十分复杂的交通状况，车辆稳定性控制在运动中面临着车轮参数不确定、车辆状态量不能够准确获得、控制方法实现困难等问题，因此对电动汽车稳定性控制十分重要。车辆稳定对于保证多轴车的驾驶安全至关重要。目前，常用的车辆稳定控制算法主要包括pid控制、滑模控制(smc)、lqr控制和模型预测控制(mpc)等。其中mpc作为一类滚动求解带约束优化问题的控制器，对多轴车稳定控制问题具有突出优势。传统的分层控制算法中，上层往往使用pid、模糊控制等反馈算法，根据期望响应偏差计算所需的稳定附加横摆，但是单纯的反馈控制算法存在控制率难以设计、标定时间长且鲁棒性较差的缺陷。考虑到多轴车自身的结构特征，对传统pid分层控制算法进行改进，提出基于模型预测的分层控制算法，上层引入模型预测控制，结合分段仿射轮胎模型，对稳定附加横摆进行计算，有效提升控制精度。

2、现有的一些专利，如专利号为cn113442906b的发明专利提出了一种分布式驱动电动汽车横向稳定性分层控制系统，建立的上层控制器模块包括车辆传感器、参考模型、基于saukf车辆状态观测器和基于fasmc横向稳定控制器,用于求解出车辆转向时所需的附加横摆力矩。其建立的动力学模型较复杂,若用于多轴车系统的实时响应特性不好。

技术实现思路

1、本发明旨在提高多轴车在不同驾驶工况下的稳定性，提出了一种用于多轴车的基于模型预测的附加横摆力矩计算方法，该方法采用非线性二自由度车辆模型作为预测模型，建立考虑侧向横摆运动的二自由度车辆模型；再对魔术轮胎模型进行分段仿射，建立简化的分段仿射轮胎模型(pwa)轮胎模型，结合模型预测控制与pwa轮胎模型，对预测模型进行离散化，最后假设在预测时域内车速以及输入方向盘转角不发生变化，保证控制约束、控制增量约束，设计当前增量控制序列的优化目标函数，计算出附加横摆力矩实现多轴车的稳定性控制。

2、为解决以上技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

3、一种用于多轴车的基于模型预测的附加横摆力矩计算方法，包括以下步骤：

4、s1：采用非线性二自由度车辆模型作为预测模型,系统侧向、横摆运动微分方程分别为：

5、

6、其中，m代表整车整备质量；vy为车辆侧向车速；u为车辆纵向车速；fy1为车辆前轴左侧车轮侧向力；fy2为前轴右侧轮胎侧向力；fy3为中轴左侧车轮侧向力；δ1为车轮转向角；iz为整车转动惯量；ωz为车辆横摆角速度；l1为前轴到质心的距离；l2为中轴到质心的距离；l3为后轴到质心的距离；δmz为附加横摆控制量；

7、调整后可得系统非线性状态空间方程：

8、

9、其中，x＝[β，ωz]t，u＝δmz，β为质心侧偏角；

10、将非线性状态空间方程(3)线性化，可得：

11、

12、展开为标准状态空间方程形式：

13、

14、质心侧偏角简化后的轮胎侧偏力fy近似计算公式：

15、

16、其中，ki为轮胎侧偏刚度，αi为轮胎侧偏角，

17、

18、

19、假设前轮转角δ1为外界已知扰动，e改写为：

20、

21、故d＝δ1；

22、s2：对魔术轮胎模型进行分段仿射，建立简化的分段仿射轮胎模型(pwa)轮胎模型，结合模型预测控制与pwa轮胎模型具体步骤为：

23、s21：对魔术公式轮胎模型进行分段仿射，建立简化的pwa轮胎模型，侧偏力方程为：

24、

25、求得线性化的参考模型为：

26、

27、其中，

28、

29、s22：在预测时域内假设d也就是前轮转角δ1为定值，对预测模型离散化处理；

30、离散型状态空间方程：

31、x(k+1)＝g(t)x(k)+h(t)u(k)+bdd (11)

32、其中，g(t)、h(t)、bd分别为：

33、

34、预域为p步长以及控制时域为m步长的预测方程：

35、y(k+1k)＝sξξ(k)+suδu(k)+sdd (12)

36、

37、其中，ξ(k)＝[x(k),u(k-1)]t，

38、

39、

40、s3：假设在预测时域内车速以及输入方向盘转角不发生变化，保证控制约束、控制增量约束，得到当前增量控制序列的优化目标函数：

41、

42、其中，

43、约束集合：

44、

45、将序列的第一个控制增量δu(k)作为控制增量输出，叠加得到最终附加横摆控制量δmz。

46、与现有技术相比，本发明的优点是：

47、1.本发明所述的一种用于多轴车的基于模型预测的附加横摆力矩计算方法，采用考虑多轴车侧向横摆运动的非线性动力学车辆模型作为预测模型，并利用模型预测控制架构解决带约束的附加横摆力矩优化问题，面对多轴车的非线性特性和工况的复杂特征，相较于以多轴车运动学模型为预测模型的算法，动态响应更加精准，保证了多轴车的安全、稳定行驶。

48、2.本发明所述的一种用于多轴车的基于模型预测的附加横摆力矩计算方法对魔术轮胎模型进行分段仿射，建立简化的分段仿射轮胎模型(pwa)轮胎模型，结合模型预测控制与pwa轮胎模型，综合保留了魔术公式轮胎的线性/非线性区域特征。

1.一种用于多轴车的基于模型预测的附加横摆力矩计算方法，其特征在于，包括以下步骤：