CN114889447A

CN114889447A - 轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法、系统、装置及介质

Info

Publication number: CN114889447A
Application number: CN202210499608.8A
Authority: CN
Inventors: 付翔; 刘道远; 赵寨伟; 黄松; 王佳; 刘泽轩; 申楚杰
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2022-05-09
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2042-05-09
Also published as: CN114889447B

Abstract

本发明公开一种轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法、系统、装置及介质，涉及车辆控制技术领域。本申请在车辆进行原地转向时，识别路面附着系数，然后确定在当前路面附着系数下的控制响应时间，并根据路面附着系数确定最大滑转率和最大横摆角加速度，再根据控制响应时间和最大横摆角加速度确定目标横摆角加速度和目标横摆角速度，从而设计跟踪控制律得到电机的输出转矩进行控制，通过基于控制响应时间来设置目标参数，优化原地转向过程中的响应性。此外，通过根据最大滑转率设置滑转率安全区间，根据滑转率安全区间设置反馈调节控制器调节输出转矩，能够减少车辆原地转向过程中的失稳风险，提高安全性。

Description

轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法、系统、装置及介质

技术领域

本发明涉及车辆控制技术领域，尤其涉及一种轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法、系统、装置及介质。

背景技术

车辆的转向能力一直以来都是汽车发展的重要研究方向，而最小转弯半径作为汽车转向性能的重要评价参数，在很大程度上表征了车辆能够通过弯曲狭窄地形或绕过无法越过的障碍物的能力。对于特殊用途的车辆，需要具备在在街道、桥头、坏路、无路地域、有障碍物阻挡的狭窄空间下完成转向或调头的能力，故最小转弯半径为零的原地转向能够极大改善车辆的转向机动性能。目前原地转向功能的实现方式主要集中在履带式车辆或在各轮都加装有转向机构的全轮转向车辆，但履带式车辆仅用于特种用途，适用范围较窄，全轮转向车辆需要加装额外的转向系统，不仅增加了车辆成本以及机械结构的复杂度，同时还对驱动与转向系统控制提出了更高要求，而基于轮毂电机驱动的车辆机械结构简单，实用范围广。

轮毂电机就是将驱动电机、减速器以及制动器集成于车辆轮毂内，形成集驱动、传动与制动功能于一体的动力构型，具有底盘结构紧凑、动力传动链短、动力响应速度快、控制精度高以及能量传递效率高等优点，通过对轮毂电机系统动力输出的精确控制，能够巧妙地实现车辆驱动、制动与差速等功能。

目前，对于轮毂电机驱动的轮式车辆原地转向控制问题研究甚少，难以实现轮毂电机驱动车辆的原地转向控制。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法、系统、装置及介质，能够实现对轮毂电机驱动车辆的原地转向控制。

一方面，本发明实施例提供了一种轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法，包括以下步骤：

识别路面附着系数；

根据所述路面附着系数确定控制响应时间；

根据所述路面附着系数确定最大滑转率和最大横摆角加速度；

根据所述控制响应时间和所述最大横摆角加速度确定目标横摆角加速度和目标横摆角速度；

根据所述目标横摆角加速度和所述目标横摆角速度设计跟踪控制律得到电机的输出转矩；

根据所述最大滑转率设置滑转率安全区间；

根据所述滑转率安全区间设置反馈调节控制器调节所述输出转矩。

根据本发明一些实施例，所述根据所述路面附着系数确定最大滑转率和最大横摆角加速度包括以下步骤：

获取预设附着路面下的预设横摆角加速度；

根据所述路面附着系数通过横摆角加速度影响函数确定所述最大滑转率和对应的峰值横摆角加速度；

当所述峰值横摆角加速度小于所述预设横摆角加速度，则将所述峰值横摆角加速度确定为最大横摆角加速度；

当所述峰值横摆角加速度大于所述预设横摆角加速度，则根据输入的前轮转角和所述预设横摆角加速度确定最大横摆角加速度。

根据本发明一些实施例，所述横摆角加速度影响函数通过以下步骤构建：

根据路面附着系数和滑转率通过车辆原地转向时的轮胎模型确定各个轮胎的侧向力和纵向力；

根据所有轮胎的所述侧向力和所述纵向力通过车辆原地转向时的车辆模型确定转向横摆力矩和转向阻力矩；

根据所述转向横摆力矩和所述转向阻力矩确定横摆角加速度影响函数。

根据本发明一些实施例，所述横摆角加速度影响函数的自变量为滑转率，所述横摆角加速度影响函数的因变量为理论横摆角加速度，所述横摆角加速度影响函数的影响因子为路面附着系数。

根据本发明一些实施例，所述根据所述控制响应时间和所述最大横摆角加速度确定目标横摆角加速度和目标横摆角速度包括以下步骤：

根据以下公式确定所述目标横摆角加速度：

根据控制响应时间确定期望稳态时间；

当角速度稳态时间小于所述期望稳态时间，则根据以下公式确定所述目标横摆角速度：

当角速度稳态时间大于所述期望稳态时间，则根据以下公式确定所述目标横摆角速度：

其中，

表示目标横摆角加速度，

表示最大横摆角加速度，δ_F表示前轮转角，δ_F-Max表示前轮转角最大值，τ_s表示控制响应时间，γ_sd表示目标横摆角速度，

表示目标横摆角加速度随时间的变化函数。

根据本发明一些实施例，所述根据所述目标横摆角加速度和所述目标横摆角速度设计跟踪控制律得到电机的输出转矩包括以下步骤：

根据所述目标横摆角加速度确定单轮电机的目标输出转矩；

以横摆角速度为状态量，电机转矩为控制量，根据所述目标横摆角速度和所述目标输出转矩确定状态误差和控制误差；

根据所述状态误差和所述控制误差确定系统预测方程；

基于所述系统预测方程，引入跟踪目标函数确定所述跟踪控制率，得到单轮电机的输出转矩，其中，所述跟踪目标函数包括轨迹跟踪能力评价和控制量约束两个子项。

根据本发明一些实施例，所述根据所述滑转率安全区间设置反馈调节控制器调节所述输出转矩包括以下步骤：

确定车辆原地转向过程中的滑移率；

当所述滑移率超出所述滑移率安全区间，则根据所述滑移率安全区间的端点值确定期望滑移率；

以所述期望滑转率为控制目标，以输出转矩作为控制量，基于滑模变结构设计反馈调节控制器调节所述输出转矩。

另一方面，本发明实施例还提供一种轮毂电机驱动车辆原地转向控制系统，包括：

第一模块，用于识别路面附着系数；

第二模块，用于根据所述路面附着系数确定控制响应时间；

第三模块，用于根据所述路面附着系数确定最大滑转率和最大横摆角加速度；

第四模块，用于根据所述控制响应时间和所述最大横摆角加速度确定目标横摆角加速度和目标横摆角速度；

第五模块，用于根据所述目标横摆角加速度和所述目标横摆角速度设计跟踪控制律得到电机的输出转矩；

第六模块，用于根据所述最大滑转率设置滑转率安全区间；

第七模块，用于根据所述滑转率安全区间设置反馈调节控制器调节所述输出转矩。

另一方面，本发明实施例还提供与一种轮毂电机驱动车辆原地转向控制装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得至少一个所述处理器实现如前面所述的轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法。

另一方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如前面所述的轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法。

本发明上述的技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：在车辆进行原地转向时，识别路面附着系数，然后确定在当前路面附着系数下的控制响应时间，并根据路面附着系数确定最大滑转率和最大横摆角加速度，再根据控制响应时间和最大横摆角加速度确定目标横摆角加速度和目标横摆角速度，从而设计跟踪控制律得到电机的输出转矩进行控制，通过基于控制响应时间来设置目标参数，优化原地转向过程中的响应性。此外，通过根据最大滑转率设置滑转率安全区间，根据滑转率安全区间设置反馈调节控制器调节输出转矩，能够减少车辆原地转向过程中的失稳风险，提高安全性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法流程图；

图2是本发明实施例提供的轮毂电机驱动车辆原地转向控制系统示意图；

图3是本发明实施例提供的轮毂电机驱动车辆原地转向控制装置示意图；

图4(a)是本发明实施例提供的基于抛物线分布的轮胎纵向力模型示意图；

图4(b)是本发明实施例提供的基于抛物线分布的轮胎侧向力模型示意图；

图5是本发明实施例提供的车轮旋转动力学模型示意图；

图6是本发明实施例提供的车辆原地转向车辆模型示意图；

图7(a)是本发明实施例提供的不同附着路面下的横摆力矩和纵向滑转率的关系变化曲线示意图；

图7(b)是本发明实施例提供的不同附着路面下的横摆角加速度和纵向滑转率的关系变化曲线示意图；

图8(a)是本发明实施例提供的不同附着路面下的期望横摆角加速度变化曲线示意图；

图8(b)是本发明实施例提供的不同附着路面下的期望横摆角速度变化曲线示意图；

图9(a)是本发明实施例提供的方向盘转角变化曲线示意图；

图9(b)是本发明实施例提供的高附着路面下的横摆角速度跟踪控制仿真比较结果示意图；

图9(c)是本发明实施例提供的中附着路面下的横摆角速度跟踪控制仿真比较结果示意图；

图9(d)是本发明实施例提供的低附着路面下的横摆角速度跟踪控制仿真比较结果示意图；

图10(a)是本发明实施例提供的不同路面附着系数下的路面附着系数估计值变化曲线示意图；

图10(b)是本发明实施例提供的高附着路面下各车轮转速变化曲线示意图；

图10(c)是本发明实施例提供的中附着路面下各车轮转速变化曲线示意图；

图10(d)是本发明实施例提供的低附着路面下各车轮转速变化曲线示意图。

具体实施方式

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者类似的标号表示相同或者类似的原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。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、左、右等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，如果有描述到第一、第二等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明实施例提供了一种轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法，应用于基于轮毂电机驱动车辆的控制系统中。参照图1，本发明实施例的轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法包括但不限于步骤S110、步骤S120、步骤S130、步骤S140、步骤S150、步骤S160和步骤S170。

步骤S110，识别路面附着系数；

步骤S120，根据路面附着系数确定控制响应时间；

步骤S130，根据路面附着系数确定最大滑转率和最大横摆角加速度；

步骤S140，根据控制响应时间和所述最大横摆角加速度确定目标横摆角加速度和目标横摆角速度；

步骤S150，根据目标横摆角加速度和所述目标横摆角速度设计跟踪控制律得到电机的输出转矩；

步骤S160，根据最大滑转率设置滑转率安全区间；

步骤S170，根据滑转率安全区间设置反馈调节控制器调节输出转矩。

在本实施例中，在车辆进行原地转向时，识别路面附着系数，然后确定在当前路面附着系数下的控制响应时间，并根据路面附着系数确定最大滑转率和最大横摆角加速度，再根据控制响应时间和最大横摆角加速度确定目标横摆角加速度和目标横摆角速度，从而设计跟踪控制律得到电机的输出转矩进行控制，通过基于控制响应时间来设置目标参数，优化原地转向过程中的响应性。此外，通过根据最大滑转率设置滑转率安全区间，根据滑转率安全区间设置反馈调节控制器调节输出转矩，能够减少车辆原地转向过程中的失稳风险，提高安全性。

根据本发明一些具体实施例，步骤S130包括但不限于以下步骤：

步骤S210，获取预设附着路面下的预设横摆角加速度；

步骤S220，根据路面附着系数通过横摆角加速度影响函数确定最大滑转率和对应的峰值横摆角加速度；

步骤S230，当峰值横摆角加速度小于预设横摆角加速度，则将峰值横摆角加速度确定为最大横摆角加速度；

步骤S240，当峰值横摆角加速度大于预设横摆角加速度，则根据输入的前轮转角和预设横摆角加速度确定最大横摆角加速度。

一般地，车辆在高附着条件的路面下，能达到的横摆角加速度的峰值会较大，此时车辆的失稳风险较低，又由于附着系数越大，控制响应时间较短，因此，在高附着条件路面下，即当当前路面附着系数对应的峰值横摆角加速度大于预设附着路面下的预设横摆角加速度，则根据输入的前轮转角和预设横摆角加速度确定最大横摆角加速度，从而能够以最大化前轮转角输入量对车辆的控制，提高在高附着条件下控制过程中的响应性权重。同样地，车辆在低附着条件的路面下，能达到的横摆角加速度的峰值会变小，此时车辆的失稳风险增大，且又由于附着系数越小，控制响应时间较短长，因此，在低附着条件路面下，即当当前路面附着系数对应的峰值横摆角加速度小于预设附着路面下的预设横摆角加速度，则根据将计算出的理论峰值横摆角加速度作为最大横摆角加速度，以限制目标横摆角加速度和目标横摆角速度，提高在低附着条件下控制过程中的稳定性权重，约束转向中心的偏移量。在本实施例中的跟踪控制过程中，通过设计车辆在不同附着条件路面下的最大横摆角加速度，进而确定不同的目标横摆角加速度和目标横摆角速度，实现了在不同附着条件下的响应性控制和稳定性控制优先，在跟踪控制过程中能够同时兼顾控制效率和安全性。

根据本发明一些具体实施例，步骤S220中的横摆角加速度影响函数通过以下步骤构建：

步骤S310，根据路面附着系数和滑转率通过车辆原地转向时的轮胎模型确定各个轮胎的侧向力和纵向力；

步骤S320，根据所有轮胎的侧向力和纵向力通过车辆原地转向时的车辆模型确定转向横摆力矩和转向阻力矩；

步骤S330，根据转向横摆力矩和转向阻力矩确定横摆角加速度影响函数。

具体地，车辆原地转向时的轮胎模型的构建过程如下：

由于原地转向过程的理想转弯半径为零，受力分析时的理想稳定状态的假设条件有：

第一，忽略转向时的相应的推土阻力；

第二，车辆坐标系下理想的转向中心为车辆质心，期望纵向车速为零；

第三，各个轮胎的侧向力矢量合为零、车辆质心不发生侧向偏移；

第四，忽略轮胎的纵向变形，接地区域中的摩擦系数均匀分布。

步骤S311，参考LuGre轮胎模型中轮胎接地印迹处的法向载荷呈抛物线分布的合理假设，参照图1，设轮胎接地区域中心为坐标原点，α_i为轮胎侧偏角，x_si为轮胎纵向附着区和滑动区的边界点，基于抛物线分布数学模型描述轮胎处于滑转、侧偏联合形变状态时的合力如公式组(1)所示：

其中，F_ezi表示轮胎接地区域内呈抛物线分布的单位长度下的垂向载荷，ρ_ci表示垂向形变系数，l_ci表示轮胎接地长度，x_i表示轮胎滑动时接触初始点位置，F_zi表示轮胎总的垂向载荷。

步骤S312，根据轮胎胎面的纵向形变描述纵向力分布，具体如下：

确定轮胎纵向摩擦力，如公式组(2)所示：

Δx_i＝l_ci-x_i；

ζ_i＝(w_iR_e-v_x)Δτ＝λ_iΔx_i；

F_exi＝min(C_exiζ_i,ε_iF_ezi)； (2)

其中，ζ_i为等效表征的轮胎纵向形变，Δx_i为一定时间Δτ内轮胎滚动线速度的等效纵向位移，w_i为轮速，R_e为轮胎的有效半径，v_x为轮胎与地面之间的相对滑动速度，λ_i为轮胎滑转率，C_exi为胎面的纵向形变刚度，F_exi为接地区域内单位长度的轮胎纵向摩擦力，ε_i为路面附着系数。

由于F_exi受到路面附着系数和重心转移的影响，如图1(a)，根据C_exiζ_i与ε_iF_ezi的数值大小将胎面接地区域沿纵向分为附着区和滑动区，轮胎总纵向力F_xi由上述两个区域内的纵向力决定，纵向力F_xi由公式(3)所示的积分算式得到：

此外，参照图1(b)，说明轮胎单位长度下的侧向力峰值F_{eyi_max}沿附着区域呈抛物线分布，侧向力峰值如公式(4)所示：

步骤S313，引入轮胎侧偏角描述轮胎接地区域内胎面的侧向形变与侧向力分布，如公式组(5)所示：

θ_yi＝Δx_i tan(α_i)；

F_eyi＝C_eyiθ_yi；

其中，θ_yi为轮胎侧向形变量，α_i为轮胎侧偏角，x_li＝d_li-l_ci，表示轮胎侧向附着区和滑动区的边界点，F_eyi为轮胎单位长度下的轮胎侧向力。

步骤S314，参照图5，建立在轮胎坐标系o_W-x_wy_wz_w下的车轮旋转动力学模型。依据轮胎与地面间的摩擦作用原理，地面垂向力F_zi的作用点相对于轮胎接地印迹中心前移了一个距离Δ_i，从而形成了滚动阻力矩T_fi，如公式(6)所示：

T_fi＝F_zi·Δ_i＝F_zi·fR_e＝F_fiR_e； (6)

其中，F_fi为滚动阻力，f为滚动阻力系数，R_e为轮胎滚动有效半径。

利用经验公式计算轮胎滚动阻力系数f，如公式(7)所示：

f＝0.0076+0.000056v_x； (7)

其中，T_xi为电机输出转矩；i_m为驱动电机至车轮间的减速比；J_wi为车轮绕轮心的转动惯量；ω_i为车轮转速。

具体地，车辆原地转向时的车辆模型的构建过程如下：

参照图6，车辆原地左转向过程中，逆时针转向横摆力矩由差扭控制调节，为了维持稳态，各个轮胎侧向摩擦力均产生顺时针方向的转向阻力矩。在稳定状态下，车辆受力如公式组(9)所示：

(F_xFL+F_xFR)cos(δ_F)+F_xRL+F_xRR＝0；

(F_yFL+F_yFR)cos(δ_F)+F_yRL+F_yRR＝0； (9)

式中：F_xFL为车辆左前轮驱动力，F_xFR为车辆右前轮驱动力，F_xRL为车辆左后轮驱动力，F_xRR为车辆右后轮驱动力，δ_F为前轮转角，F_yFL为车辆左前轮侧向力，F_yFR为车辆右前轮侧向力，F_yRL为车辆左后轮侧向力，F_yRR车辆右后轮侧向力。

由上式可知，理想的原地转向过程中车辆纵横向加速度与速度均为零，在车辆横摆运动中，如公式组(10)所示，转向横摆力矩M_s与转向阻力矩M_r分别为：

M_s＝t_W(F_xFRcos(δ_F)+F_xRR-F_xFLcos(δ_F)-F_xRL)/2；

M_r＝L_R(F_yRL+F_yRR)+L_F(F_yFL+F_yFR)cos(δ_F)； (10)

其中，L_F为车辆质心到前轴的距离，L_R为车辆质心到后轴的距离，t_W为轮距，L轴距。

进一步地，由于产生转向阻力矩的侧向力较大、力臂较长，原地转向与阿克曼转向相比需要更大的转向横摆力矩，且响应性较差。故根据转向横摆力矩和转向阻力矩确定横摆角加速度影响函数，以分析不同因素对横摆控制的响应性和稳定性的影响。横摆角加速度影响函数如公式(11)所示：

其中，

为车辆横摆角加速度，I_Z为整车绕车辆质心Z轴转动惯量。

分析公式(11)以及参照图7(a)和图7(b)，说明M_s可实时调节

改变车辆航向角Φ，而目标横摆角速度γ_sd的跟随精度同时受到M_r的影响。在响应γ_sd的阶段M_s逐渐增大，同时M_r因纵向力不断加大持续衰减直至满足发生滑移转向的必要条件：M_s>M_r。如果车轮突破附着极限将引发过度滑转并使M_s发生非线性下降、无法精确控制横摆运动。在轮距轴距比L/t_w已确定的前提下，M_r与M_s的峰值主要受路面附着条件的约束。故可将滑转率λ_i作为自变量，并以路面附着系数作为影响因子分别绘制M_s与M_r的变化曲线，以及

的变化曲线，确定不同路面附着条件下原地转向响应性与稳定性的控制权重。

根据本发明一些具体实施例，步骤S140包括但不限于以下步骤：

步骤S410，根据以下公式确定所述目标横摆角加速度：

步骤S420，根据控制响应时间确定期望稳态时间；

步骤S430，当角速度稳态时间小于期望稳态时间，则根据以下公式确定目标横摆角速度：

步骤S440，当角速度稳态时间大于期望稳态时间，则根据以下公式确定目标横摆角速度：

其中，

表示目标横摆角加速度，

表示目标横摆角加速度随时间的变化函数。

具体地，根据路面附着系数确定控制响应时间，如公式(12)所示：

其中，：τ_s为横摆运动的控制响应时间，τ_{s_low}为控制系统时间常数，ε_i为路面附着系数。

根据公式(13)确定最大横摆角加速度：

其中，

为当前路面附着系数下最大滑转率对应的峰值横摆角加速度，λ_{Yaw_Max}为最大滑转率，

为车辆横摆角加速度，

为预设附着路面上的预设横摆角加速度，δ_F为方向盘转角输入量，前轮转角。

根据公式(14)确定目标横摆角加速度：

其中，

为目标横摆角加速度，δ_F-Max为前轮转角最大值。

根据公式(15)确定目标横摆角速度：

其中，γ_sd为目标横摆角速度，3τ_s为期望稳态时间。

参照图8(a)和图(b)以及公式(14)，图8示出不同路面附着条件下原地转向运动控制状态的期望横摆角加速度变化曲线和期望横标角速度变化曲线。公式(14)中的一阶惯性环节说明随着里面附着系数的下降，控制响应时间τ_s逐渐增大。最大横摆角加速度

由附着系数约束，

可通过积分计算得到，期望历经3τ_s后进入稳态横摆状态。在跟踪控制时，随着路面附着系数的下降，稳定性优化权重需要逐渐提高，车辆横摆响应速度自适应降低。

根据本发明一些具体实施例，步骤S150包括但不限于以下步骤：

步骤S510，根据目标横摆角加速度确定单轮电机的目标输出转矩；

步骤S520，以横摆角速度为状态量，电机转矩为控制量，根据目标横摆角速度和目标输出转矩确定状态误差和控制误差；

步骤S530，根据状态误差和控制误差确定系统预测方程；

步骤S540，基于系统预测方程，引入跟踪目标函数确定跟踪控制率，得到单轮电机的输出转矩，其中，跟踪目标函数包括轨迹跟踪能力评价和控制量约束两个子项。

具体地，根据前文建立的轮胎模型和车辆模型，由于轮荷转移程度轻微，因此采用平均分配策略，得到单轮电机的目标输出转矩T_xd，如公式(16)所示：

以横摆角速度为状态量，电机转矩T_m为控制量，得到车辆横摆角速度状态量误差的变化量

如公式(17)所示：

其中，

为横摆角加速度，

为目标横摆角加速度，t_w为轮距，i_m为轮毂电机减速器减速比，T_m为单个轮毂电机的输出转矩，R_e为车轮有效半径，M_r为转向阻力矩，ε_i为路面附着系数，λ_i为轮胎滑转率，

为车辆横摆角速度误差值。

采用前向欧拉法对公式(17)进行离散化，得到系统离散空间状态方程，如公式(18)所示：

其中，

Δt_S为采样时间，

将状态误差与控制误差整合成一个新的状态量，如公式(19)所示：

变换得到系统离散状态空间表达式如公式(20)所示：

其中，

C＝[I_Nx 0]，Nu为控制量个数，Nx为状态量个数。

总结规律，得到系统的预测输出方程如公式(21)所示：

Y＝ψζ(k)+ΘΔT； (21)

其中，ζ(k)为当前时刻的状态量，ΔT为控制时域内的控制增量，N_p为预测时域，N_c为控制时域，且N_p>N_c。

系统预测方程的各参数表示如下：

为减小横摆角速度γ_s的跟踪误差、限制控制量幅值，同时优化力矩矢量输出的平滑性并避免出现二次规划无解的问题，引入正值松弛因子ζ_S和单个控制时域内的输出转矩增量ΔT_m，设计包含轨迹跟踪能力评价、控制量约束两个子项的跟踪目标函数，如公式(22)所示：

其中：ρ为权重因子，Q和R为一定维度的加权矩阵。

根据单个车轮纵向驱动力矩控制误差制定不等式约束，如公式(23)所示：

根据不等式约束对公式(17)进行求解，得到控制时域内一系列电机输出转矩的控制增量，其第一个样本ΔT_t ^*为实际作用于系统的最佳控制增量，由此得到的当前时刻状态反馈的跟踪控制律，如公式(24)所示：

T(t)为当前时刻跟踪目标横摆角速度的电机输出转矩。

根据本发明一些具体实施例，步骤S170包括但不限于以下步骤：

步骤S610，确定车辆原地转向过程中的滑移率；

步骤S620，当滑移率超出滑移率安全区间，则根据滑移率安全区间的端点值确定期望滑移率；

步骤S630，以期望滑转率为控制目标，以输出转矩作为控制量，基于滑模变结构设计反馈调节控制器调节输出转矩。

具体地，基于滑模变结构的反馈调节控制器的设计及调节输出转矩过程如下：

考虑到滑转率发散后，轮胎的纵滑、侧偏刚度显著降低且差异较大，将导致转向中心发生显著偏移。因此，参照图7，将车辆开始横摆时的λ_i设为原地转向的最小滑转率λ_{Yaw_Min}，将

变化拐点处的λ_i设为原地转向的最大滑转率λ_{Yaw_Max}，控制λ_i始终维持在[λ_{Yaw_Min},λ_{Yaw_Max}]区间内，既可提升横摆响应速度，并规避过度滑转、抑制转向中心偏移。当车轮滑转率低于λ_{Yaw_Min}或高于λ_{Yaw_Max}时，采用基于滑模变结构的控制算法，以期望滑转率为控制目标，电机输出转矩作为控制量，对电机的输出力矩进行矢量调节。

当车轮滑转率低于λ_{Yaw_Min}或高于λ_{Yaw_Max}时，根据公式(25)确定期望滑移率λ_ref为：

设计滑模控制器，简化重写轮毂电机车辆:模型，构建四分之一车辆系统的单轮模型，如公式(26)所示：

其中，m′为1/4整车质量，T_i为车轮上的驱动转矩，F_r为行驶阻力，v_xi为车轮质心速度。

如公式(27)所示确定驱动车轮的滑移率：

其中，λ_i为各车轮滑移率，ω_i为各车轮轮速，R_e为车轮有效半径。

如公式(28)所示确定滑移率的控制误差：

e＝λ-λ_ref； (28)

设置切换函数，如公式(29)所示：

联立公式(26)和(27)，并对公式(27)的滑移率函数求导，得到一阶滑移率和二阶滑移率，如公式(28)和(29)所示：

采用等速趋近律，为削弱系统抖振，加入饱和函数sat(S)取代符号函数，如公式(30)和(31)所示：

其中，K为趋近律常数，表明系统状态点接近滑模面的速率。

联立公式(29)-(31)，得到单个车轮上的输出转矩调节量，如公式(32)所示：

根据本发明一些具体实施例，将各车轮电机的输出转矩输入轮胎模型和车辆模型，以更新模型中的参数。

根据本发明一些具体实施例，对本发明实施例的轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法进行仿真，如下所示：

以路面附着条件为变量，方向盘角度激励保持一致的多组原地转向试验，以验证原地转向控制策略的鲁棒性、跟踪性以及稳定性约束效果。仿真测试中的横摆方向由方向盘角度激励控制，定义逆时针为正横摆方向、变化范围为[-60°，60°]，横摆速度的幅值与方向盘转角矢量大小成正比例关系。另外，高、中、低附三种路面的附着系数在工况模型中分别定义为0.9、0.6和0.3。

如图9(a)-(d)所示，为当驾驶员方向盘转角一定时，在不同附着条件下的原地转向横摆角速度跟踪效果。在高附着路面和中附着路面下，基于MPC的横摆角速度跟踪器能够及时响应期望横摆角速度，高附着路面在3秒后达到稳态值97deg/s，中附着路面在5秒后到达稳定值67deg/s，且由于此时的车轮稳定裕度较大，即使不加入驱动防滑控制策略，也能保持较好的跟踪精度。低附着路面下的响应时间为10秒，稳态横摆角速度下降至61deg/s，且在MPC单独控制时，车辆的横摆角速度出现失控现象，此时的横摆角速度超调量达到79％，车辆失稳严重。另外，在达到稳态横摆前，MPC在高、中、低附路面下的控制误差峰值分别为4、10、27deg/s，说明随着轮胎附着极限的下降，跟踪控制精度显著降低。

如图10(a)-(d)所示，通过实时分析轮胎模型输出的纵向摩擦力，可在不同路面下精确估计附着系数(误差均收敛于±2％以内)。进一步基于纵向力的变化趋势分析不同附着条件下响应性与稳定性的协调性控制效果。图10表明，为了优化高附路面下的横摆响应性，MPC在动态横摆运动初期大幅提高了电机输出力矩，使得各轮旋转线速度幅值在0.5秒内由0km/h迅速上升至33km/h左右，进入纵滑—侧偏深度耦合滑动状态，同时滑转率控制超调量达到10％，稳定性优化权重短时提高使反馈控制持续介入了约1秒的时间，导致横摆角速度误差达到峰值，MPC精度有所下降，而后车轮滑转率收敛至稳定阈[λ_{Yaw_Min},λ_{Yaw_Max}]内、各轮旋转线速度幅值平稳变化并维持在30km/h以下，MPC可通过微调各轮输出力矩实现了横摆角速度的精确跟踪控制。

另一方面，本发明实施例还提供一种轮毂电机驱动车辆原地转向控制系统，参照图2，轮毂电机驱动车辆原地转向控制系统包括：

第一模块，用于识别路面附着系数；

第二模块，用于根据所述路面附着系数确定控制响应时间；

第六模块，用于根据所述最大滑转率设置滑转率安全区间；

可以理解的是，上述轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法实施例所达到的有益效果也相同。

参照图3，图3是本发明一个实施例提供的轮毂电机驱动车辆原地转向控制装置的示意图。本发明实施例的轮毂电机驱动车辆原地转向控制装置包括一个或多个控制处理器和存储器，图3中以一个控制处理器及一个存储器为例。

控制处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。

存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于控制处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该轮毂电机驱动车辆原地转向控制装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

本领域技术人员可以理解，图3中示出的装置结构并不构成对轮毂电机驱动车辆原地转向控制装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

实现上述实施例中应用于轮毂电机驱动车辆原地转向控制装置的轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器中，当被控制处理器执行时，执行上述实施例中应用于轮毂电机驱动车辆原地转向控制装置的轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法。

此外，本发明的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，可使得上述一个或多个控制处理器执行上述方法实施例中的轮毂电机驱动车辆原地转向控制方法。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。